精鋁電氣設(shè)計(jì)

周成軍

（新疆有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司烏魯木齊830000）

精鋁電氣設(shè)計(jì)

周成軍

（新疆有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司烏魯木齊830000）

對1萬t/a精鋁工程電力設(shè)計(jì)的主要方案和需注意的地方進(jìn)行了論述。

整流變壓器戶外一體化整流裝置供電系統(tǒng)濾波補(bǔ)償

精鋁在日常生活和工業(yè)領(lǐng)域都有廣泛的用途，如餐館烘烤食品包裝用鋁箔，電子產(chǎn)品的電容器等。鋁電解是一個(gè)能耗大戶，電力成本在產(chǎn)品中約占40%，供電可靠性要求很高，其90%的負(fù)荷均為一級負(fù)荷，停電將造成重大的經(jīng)濟(jì)損失。由于存在電子整流裝置，其也是一個(gè)大的諧波源，對電網(wǎng)的諧波污染不容忽視。

本文以天仁精鋁業(yè)有限責(zé)任公司精鋁工程為例，對電力負(fù)荷進(jìn)行分析，確定整流機(jī)組方案、供電方案和濾波補(bǔ)償型式，以達(dá)到供電可靠、運(yùn)行靈活和經(jīng)濟(jì)的效果。精鋁工程生產(chǎn)產(chǎn)品為重熔精鋁錠，規(guī)模1萬t/a，建設(shè)地點(diǎn)在奎屯市農(nóng)七師天北工業(yè)園。

根據(jù)工藝流程含如下設(shè)施：精鋁電解車間、電解質(zhì)制備車間、鑄錠車間、機(jī)電維修車間、綜合庫房、給水加壓泵房、廠區(qū)循環(huán)泵房、廠辦公樓（含化驗(yàn)）、宿舍、食堂、浴室等。統(tǒng)計(jì)負(fù)荷見表1。

表1 統(tǒng)計(jì)負(fù)荷kW

由負(fù)荷構(gòu)成可以看出，電力負(fù)荷中精鋁電解為主要用電設(shè)施，電解車間安裝60臺(tái)新型復(fù)式高純鋁電解槽，槽電壓4 V、槽電流正常50 kA，最大55 kA。考慮后期再擴(kuò)建40臺(tái)電解槽，最終確定系列電壓DC 400 V，系列電流DC55 kA。

1 整流機(jī)組選擇

鋁電解為熔融電解，電解槽較長時(shí)間停電鋁液凝結(jié)將造成電解槽報(bào)廢，形成較大經(jīng)濟(jì)損失。因此，電解負(fù)荷均為一級負(fù)荷，在機(jī)組配置上要考慮備用機(jī)組。方案有2個(gè)，采用2臺(tái)整流機(jī)組，同時(shí)工作，互為備用。另一個(gè)方案為3臺(tái)機(jī)組，互為備用。在1臺(tái)機(jī)組停運(yùn)，剩余2臺(tái)可滿足生產(chǎn)用電要求。對比2個(gè)方案，第二方案投資略高，但每臺(tái)機(jī)組負(fù)荷率較高。另一方面按單機(jī)組12脈，2臺(tái)機(jī)組為24脈，而3臺(tái)機(jī)組為36脈。整流裝置所產(chǎn)生的諧波次數(shù)n與脈數(shù)P之間的關(guān)系n= KP±1可知，2臺(tái)機(jī)組24脈產(chǎn)生的諧波次數(shù)為23、25、47、49…，3臺(tái)機(jī)組36脈產(chǎn)生的諧波次數(shù)為35、37、71、73…?？梢钥闯黾词?臺(tái)機(jī)組中1臺(tái)機(jī)組退出，其諧波也與2臺(tái)機(jī)組持平，減少了高幅值的低次諧波。因此，采用3臺(tái)機(jī)組方案較為合理。

2 電源方案

天仁精鋁位于天北工業(yè)園區(qū)的左上角，與217國道相鄰，園區(qū)供電系統(tǒng)可提供110 kV、35 kV和10 kV 3種電壓的電源。在園區(qū)的正東十沙段上建設(shè)有一座2×125 MW華儀熱電廠，負(fù)責(zé)為園區(qū)供熱和供電。天仁精鋁與電廠相距7.3 km，經(jīng)與農(nóng)七師電力公司和華儀熱電廠協(xié)商，達(dá)成由華儀熱電廠為天仁精鋁直供電力的協(xié)議。通過華儀電廠和農(nóng)七師電網(wǎng)2個(gè)電源供電，可滿足精鋁對電源可靠性的要求。

天仁精鋁總的計(jì)算負(fù)荷18 MW，110 kV或35 kV對其供電均能滿足供電質(zhì)量的要求?？紤]到以35 kV電壓對精鋁供電，整體投資較110 kV供電投資省。因此，確定以35 kV雙回路為天仁精鋁供電。

3 供電系統(tǒng)構(gòu)成

在總負(fù)荷18 MW中，電解車間直流電解機(jī)組17.5 MW負(fù)荷占97.2%，其余為動(dòng)力負(fù)荷0.5 MW。廠區(qū)內(nèi)各車間負(fù)荷均在100 kW以內(nèi)，且廠區(qū)為450 m×200 m的矩形。以0.4 kV作為廠區(qū)各車間動(dòng)力供電電壓可以滿足電能質(zhì)量的要求，也比較經(jīng)濟(jì)。

由此可在廠區(qū)設(shè)置總的0.4 kV配電站，安裝2臺(tái)630 kVA電力變壓器，可滿足動(dòng)力負(fù)荷用電要求和可靠性要求。電力變壓器一次電壓可選擇35 kV或10 kV，廠區(qū)已引進(jìn)35 kV電源。但無10 kV電源，如果為2臺(tái)動(dòng)力變設(shè)置35/10 kV轉(zhuǎn)換電力變壓器將增加成本。因此，采用由35 kV直降0.4 kV的方案。

電解車間最大直流電解負(fù)荷按系列電壓和系列電流計(jì)算為22 MW，按3臺(tái)整流機(jī)組供電，要求其中2臺(tái)就能滿足正常生產(chǎn)的負(fù)荷運(yùn)行要求17.5 MW,則單臺(tái)整流機(jī)組容量12.5 MVA(考慮機(jī)組效率和功率因數(shù))。3臺(tái)整流機(jī)組采用35 kV直降機(jī)組。

由此，35 kV系統(tǒng)的進(jìn)出線合計(jì)7條，其中進(jìn)線2條、動(dòng)力變2條和整流機(jī)組3條。35 kV接線可采用雙母線或單母線分段接線，而雙母線接線具有更高的供電可靠性和靈活性。雙母線的缺點(diǎn)是裝置費(fèi)用略高，且操作較單母線分段繁雜。但從精鋁電解對供電可靠性的要求，采用雙母線供電是首選。

4 整流所型式

整流所由整流變壓器、整流裝置、水冷裝置、諧波治理裝置和控制測量保護(hù)裝置組成。整流所有全室內(nèi)布置的方式；整流變壓器室外布置，其它裝置室內(nèi)布置的型式；還有全室外布置的方式。全室內(nèi)布置的方式主要用于機(jī)組容量小，機(jī)組臺(tái)數(shù)也較少的情況。整流變壓器室外布置，其它裝置室內(nèi)布置的型式，主要用于大型機(jī)組。在實(shí)際應(yīng)用中全室外室外方式應(yīng)用較少。

在同業(yè)主對整流裝置的考察中，發(fā)現(xiàn)湖南科瑞的戶外一體化整流裝置較有特色，其產(chǎn)品在比利時(shí)和俄羅斯等國家均有應(yīng)用，且運(yùn)行效果良好。該裝置組合了整流裝置、水冷裝置、測量和控制裝置，項(xiàng)目現(xiàn)場只需少量的土建工程，安裝亦很便捷。由于50 kA的整流裝置在行業(yè)內(nèi)已是一個(gè)相當(dāng)成熟的產(chǎn)品，因此。設(shè)計(jì)上只對產(chǎn)品的運(yùn)行維護(hù)和對環(huán)境的適應(yīng)能力進(jìn)行了較深入的溝通，并得到肯定的答復(fù)。

整流變壓器考慮到濾波的需要，設(shè)置了第三繞組容量4 MVA，出線電壓9.5 kV。整流變調(diào)壓級數(shù)35級有載調(diào)壓，設(shè)2級無載倒段，共形成70級,調(diào)壓范圍5～400 V，滿足電解槽起動(dòng)和正常運(yùn)行的要求。整流方式：三相橋同相逆并聯(lián)，單機(jī)12脈波。單組戶外一體化整流裝置輸出30 kA、DC 450 V，環(huán)境溫度-45°～+45°,空氣相對濕度（20°）15%～90%，海拔≯4 000 m，環(huán)境污穢等級IV級。

平面布置見圖1。

圖1 平面布置圖

5 35 kV開關(guān)站的型式

35 kV開關(guān)站有戶外和戶內(nèi)兩種布置型式，從投資角度看戶內(nèi)型式高于戶外，但從運(yùn)行安全和防污來看，室內(nèi)布置有較大的優(yōu)越性，且占地面積少，可減少土地購置費(fèi)。因此，35 kV開關(guān)站采用全戶內(nèi)布置。

開關(guān)站采用局部兩層布置，二層布置35 kV配電裝置，一層布置濾波補(bǔ)償裝置、35/0.4 kV電力變壓器、10 kV配電柜、0.4 kV配電柜和開關(guān)站控制保護(hù)屏以及整流機(jī)組操作臺(tái)。35/0.4 kV電力變壓器和0.4 kV配電柜為廠區(qū)動(dòng)力系統(tǒng)供電裝置。濾波補(bǔ)償裝置和10 kV配電柜為一套濾波補(bǔ)償控制保護(hù)測量系統(tǒng)。

精鋁電解機(jī)組正常運(yùn)行功率因數(shù)一般在0.85～0.9之間，需要補(bǔ)償?shù)娜萘坎皇呛艽?，每套機(jī)組補(bǔ)償2 400 kVar后，功率因數(shù)可到0.92～0.95之間。因此，濾波補(bǔ)償以濾波為主，從理論上看三套機(jī)組產(chǎn)生的諧波次數(shù)為35、37、71、73…高次諧波。由于我們是針對每臺(tái)機(jī)組就地補(bǔ)償，所以，濾波裝置面對的12脈波機(jī)組產(chǎn)生的諧波，其諧波次數(shù)為11、13、23、25…次。濾波補(bǔ)償?shù)姆桨高€有一個(gè)是集中在35 kV側(cè)設(shè)置，其優(yōu)點(diǎn)是只需設(shè)置一套。但其缺點(diǎn)是在機(jī)組改變運(yùn)行方式時(shí)，諧波次數(shù)發(fā)生了變化。如三套機(jī)組運(yùn)行時(shí)諧波次數(shù)為35、37、71、73…高次諧波，而兩套機(jī)組運(yùn)行時(shí)，諧波次數(shù)為23、25、47、49…高次諧波。濾波裝置參數(shù)正常按三套機(jī)組運(yùn)行配置，在兩套機(jī)組運(yùn)行時(shí)，濾波效率降低。且35 kV濾波裝置體型龐大，在室內(nèi)亦不好布置。

在現(xiàn)有運(yùn)行的鋁電解項(xiàng)目中，實(shí)際測量諧波的諧波含量，并不完全等同與理論計(jì)算的諧波含量參數(shù)。按設(shè)計(jì)安裝的濾波裝置有時(shí)并不能達(dá)到很好的濾波效果，因此，建設(shè)中濾波裝置不與項(xiàng)目同步采購安裝，在項(xiàng)目投運(yùn)后實(shí)際測量諧波的次數(shù)和幅值。如其滿足GB/T14549標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定要求，可不再安裝濾波裝置，僅設(shè)置補(bǔ)償即可。如不滿足，可針對測量結(jié)果采購濾波補(bǔ)償裝置，以達(dá)到較好的效果，當(dāng)然這需要事先與電力公司溝通好。

6 電解車間

電解車間的動(dòng)力負(fù)荷在正常運(yùn)行期間主要是行車，其負(fù)荷等級也為一級負(fù)荷。但在電解槽起動(dòng)時(shí)，需要進(jìn)行烤槽。一個(gè)槽的烤槽功率在200 kW，同時(shí)有2個(gè)槽烤槽。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)要特別注意，這對全廠動(dòng)力變?nèi)萘窟x擇也有影響。本項(xiàng)目設(shè)置2臺(tái)630 kVA電力變，其中1臺(tái)可滿足全廠動(dòng)力用電需求，另1臺(tái)即可滿足在電解槽起動(dòng)時(shí)2臺(tái)電解槽烤槽400 kW負(fù)荷的要求。

7 鑄錠車間

本項(xiàng)目鑄錠采用的能源是天然氣，如不能取得氣體，改用電力作為能源，該車間負(fù)荷將大幅增加，這是需要注意的。

以上是對一個(gè)完整的1萬t/a精鋁項(xiàng)目電力設(shè)計(jì)主要方案和需注意的地方進(jìn)行了論述，希望對讀者有所幫助。

[1]霍慶發(fā).電解鋁工業(yè)技術(shù)與裝備.2002,9.

[2]曾廣詵,等.硅整流所電力設(shè)計(jì).冶金工業(yè)出版社，1983，12.

[3]水利電力西北電力設(shè)計(jì)院編.電力工程電氣設(shè)計(jì)手冊.中國電力出版社,1989,12.

收稿：2014-04-23