大型整流設(shè)備N+2模式新技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用

趙 鋼，尹傳興，周 飛

（1. 云南云鋁涌鑫鋁業(yè)有限公司，云南 建水 654300；2. 云南鋁業(yè)股份有限公司，云南 昆明 652103）

0 引言

2009年下半年至2010年初，根椐國內(nèi)外鋁工業(yè)發(fā)展形勢，國內(nèi)外設(shè)備裝備技術(shù)及國內(nèi)設(shè)備制造水平，經(jīng)過調(diào)研、反復(fù)充分的論證，制定了特大型整流設(shè)備立足國內(nèi)制造，部分設(shè)備引進，國內(nèi)安裝的可行性方案。電解槽向高安全性、大電流、高電壓、高產(chǎn)能、高效率發(fā)展，對供電系統(tǒng)的安全性、可靠性、高效性提出了更高的要求。鋁電解生產(chǎn)工藝對整流設(shè)備提出了新要求，整流效率98.5%，功率因數(shù)0.95。

1 特大型供電整流設(shè)備的主要技術(shù)方案

1.1 供電負荷及電壓等級

根據(jù)本次建設(shè)項目的內(nèi)容，一級負荷占全廠總用電負荷95%以上，是單系列產(chǎn)能最大、負荷最大的用電戶。經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟分析、論證，整流機組供電電壓擬定為220kV。

1.2 整流機組臺數(shù)組合方案

整流機組臺數(shù)組合方案的選擇原則是：最大滿足工藝生產(chǎn)條件；要求獲得較高的整流效率；降低運行損耗；滿足整個系統(tǒng)形成的較高的整流相數(shù)，減少整流機組產(chǎn)生的高次諧波對電網(wǎng)的影響。

經(jīng)過多方案的論證、優(yōu)化、比選，確定每臺機組直流輸出電壓、直流輸出電流，在N+2臺，負荷率在70%左右，能更好地發(fā)揮整流機組的效率。

1.3 整流機組的組成方式

整流變壓器組由調(diào)壓變壓器、整流變壓器、飽和電抗器、油冷卻裝置和控制系統(tǒng)組成。整流器組由整流裝置、交直流母線、水冷卻裝置和控制系統(tǒng)組成。

1.4 整流變壓器組的結(jié)構(gòu)型式

整流機組的特殊性：①滿足鋁電解槽的焙燒、啟動及正常生產(chǎn)所需的大范圍電壓調(diào)節(jié)；②滿足恒流制工藝生產(chǎn)的調(diào)壓方式。由于它的特殊性，經(jīng)過多方案比較，擬定選用220kV直降式整流變壓器組方案，為解決整流變壓器組在鐵路、公路上的運輸，將整流變壓器組分為：調(diào)壓變壓器、整流變壓器、獨立式自飽和電抗器及冷卻器等4部分組成，安裝時合成一個整體，稱為分箱合體式結(jié)構(gòu)。

1.5 整流變壓器組的調(diào)壓方案

采用有載調(diào)壓變壓器配合飽和電抗器聯(lián)合調(diào)壓方案。

有載調(diào)壓開關(guān)級數(shù)：XX級。

飽和電抗器調(diào)壓范圍：直流X—XX V。

有載調(diào)壓開關(guān)進行粗調(diào)，飽和電抗器配合細調(diào)。直流調(diào)壓范圍為：X%—XXX% V。

表1 機組效果比較

1.5.1 整流變壓器組的移相

本整流變壓器組的移相繞組設(shè)在整流變壓器網(wǎng)側(cè)繞組（D和Y接線），以實現(xiàn)各機組間的移相。

N+2臺變壓器組移相角：±1.875°、±5.625°、±9.375°、±13.125°。

1.5.2 整流變壓器組的飽和電抗器調(diào)壓（細調(diào)）

飽和電抗器型式為：油浸自飽和、獨立安裝式。

有效線性調(diào)壓范圍：直流側(cè)X—XXX V。 飽和電抗器的型式及較大范圍調(diào)壓在電解鋁還是第一次采用。油浸自飽和式，獨立安裝，有效線性調(diào)壓，范圍為直流側(cè)電壓80 V。

2 整流器

整流電路型式：三相橋式同相逆并聯(lián)（2組）。

各機組間移相角配置：±1.875°、±5.625°、±9.375°、±13.125°。正常8臺運行，構(gòu)成96脈波。

整流效率：99.69%。

2.1 整流機組N+1和N+2方式的比較

2.1.1 實施效果

國產(chǎn)化特大型供電整流機組自建成投產(chǎn)至今，整流設(shè)備運行良好，考核指標(biāo)達到或超過開發(fā)設(shè)計的期望值。實施效果如表1。

1） 整流機組效率高。特大型機組的整流效率為98.5%，一期工程整流機組整流效率為98.5%，同類進口設(shè)備的整流效率保證值為98.3%。

2）整流設(shè)備容量安全裕量大、安全可靠。項目建成投產(chǎn)以來，長時間8臺機組運行（備用1臺），運行指標(biāo)正常穩(wěn)定，其中1臺運行時故障跳閘，6臺機組仍然能保證生產(chǎn)，整流系統(tǒng)可靠性極高。進口設(shè)備方面如蘋果鋁、貴鋁三期電解共4臺機組，當(dāng)3臺整流機組運行時，機組過負荷，溫度過高，需降負荷或需另采取降溫措施。

2.2 負荷率及冗余度比較

整流機組的負載率比較見表2。

N+2（8機組）配置具有更高的設(shè)備冗余度，即使系統(tǒng)出現(xiàn)2機組停機情況，N機組也可保證全系列電流供電，并仍具有6%的冗余度，對比數(shù)據(jù)如表3所示。采用N+2配置時，2×38kA配置在N+2機組運行時整流機組負荷率為70%，處于整流系統(tǒng)最佳效率運行點，對比數(shù)據(jù)如表2所示。而2×38kA配置機組變壓器通過容量為2×40kA配置通過容量的95%，每機組調(diào)變整變通過容量減少10MVA（調(diào)變和整變累加），8機組總計減少變壓器通過容量達80MVA，從而降低變電整流設(shè)備損耗。

2.3 諧波分量比較

N+2運行時，由于機組運行工作電流減小，相應(yīng)產(chǎn)生的諧波也減少。此外，N+1配置的7機組模式，由于有一組采用非對稱相位運行，系統(tǒng)中將不能抵消11，13以上高次諧波；而采用N+2的8機組配置，可將全系列配置為對稱的等效96脈波，抵消11，13等高次諧波。

表2 整流機組的負載率比較

表3 整流機組的冗余度比較

2.4 可靠性比較

首先，這里討論的可靠性是指全系統(tǒng)供電的可靠性，而非單純某設(shè)備的可靠性，設(shè)備的可靠性無論采取何種配置，設(shè)備自身都應(yīng)具有滿足額定長期運行，承受極端運行沖擊且不發(fā)生結(jié)構(gòu)性破壞的設(shè)備自身安全可靠性。就全系統(tǒng)運行供電可靠性，指的是從對電解槽供電的角度，保證電解連續(xù)運行生產(chǎn)的系統(tǒng)可靠性，這個可靠性主要與系統(tǒng)設(shè)備冗余度，正常運行維護相關(guān)的設(shè)備使用壽命及重要器件故障率，機組非正常停機時的供電保證能力等相關(guān)。關(guān)于系統(tǒng)供電可靠性，如前所述，由于N+2機組具有更充分的整流機組冗余，即便出現(xiàn)2機組退出的情況，N機組（6機組）仍能保證全系列滿負荷供電，從系統(tǒng)供電可靠性而言，N+2機組具有更高的可靠性。關(guān)于與維護相關(guān)的設(shè)備壽命，整流系統(tǒng)如二極管、快速熔斷器、OLTC、過電壓保護器件等重要關(guān)鍵器件的使用壽命與使用條件緊密相關(guān)，特別是與電流負荷有直接的對應(yīng)關(guān)系。較低的運行電流可以減少器件工作溫度并減少運行中換向過電壓，減少設(shè)備運行老化增加使用壽命，降低停機維護頻次，系統(tǒng)平均故障間隔時間的減少也是全系統(tǒng)可靠性的一個重要表征。運行經(jīng)驗表明，機組電流大于30kA時，整流柜、飽抗及閥側(cè)母線由于換向電流產(chǎn)生的電動力振動及噪音顯著增加，振動若處理不當(dāng)造成局部諧振則對設(shè)備運行安全不利，N+2機組由于工作在30kA以下的較低運行電流，可減少運行中振動的安全隱患。

2.5 整流機組的損耗比較

變壓器損耗由2個部分組成，一個部分是變壓器空載損耗，一部分是變壓器負載損耗。變壓器空載損耗不隨負荷變化，所占比例很小，一般忽略不計，而負載損耗隨負荷電流的變化而變化，與負荷電流的平方成正比。實行8臺變壓器并列運行，單臺變壓器一次電流減小了61A，其單臺負荷損耗比較如表3所示，從表3可以看出，8臺并列運行是最經(jīng)濟的運行方式。

3 關(guān)于功率因數(shù)

二極管電解整流系統(tǒng)無功功率主要由變壓器激磁電流及整流器換向滯后角導(dǎo)致，整流器換向角取決于變壓器阻抗及飽和電抗器，變壓器阻抗于OLTC運行檔位相關(guān)，而飽和電抗器無功與飽和電抗器調(diào)節(jié)控制范圍相關(guān)，因系統(tǒng)無功在全系列啟動后基本確定，全系列運行時系統(tǒng)的自然功率因數(shù)隨電解槽直流功率的增加而增加，全系列電解槽啟動后的功率因數(shù)主要取決于OLTC運行檔位與飽抗控制深度的配合，其數(shù)據(jù)對比如表4所示。

4 應(yīng)用推廣前景

該大型整流設(shè)備是當(dāng)今國內(nèi)單機容量最大（XXX MVA），調(diào)壓范圍最廣（X%—XXX%），連續(xù)有載調(diào)壓級數(shù)最多（XX級），技術(shù)難度最大，技術(shù)性能最好的節(jié)能高效型220kV直降式有載調(diào)壓大容量整流變壓器，是21世紀(jì)開創(chuàng)的新產(chǎn)品，也是代表當(dāng)代國際先進水平的新產(chǎn)品。特大型整流設(shè)備新技術(shù)開發(fā)研制成功，相繼投產(chǎn)運行至今，設(shè)備性能穩(wěn)定，工況良好。獲得國內(nèi)外專家的認可和好評。對于大型電解鋁廠，一般供電電壓大都是220kV，供電整流設(shè)備大都相似。因此該項目的開發(fā)研制成功，具有一定的示范性，很有推廣價值。只要進行認真的總結(jié)不斷改進和完善，其應(yīng)用前景非常廣闊。

5 經(jīng)濟效益

本項目的直接經(jīng)濟效益在于國內(nèi)自主開發(fā)，制造成本低，節(jié)省外匯支出。工程特大變電整流設(shè)備與其它鋁廠引進設(shè)備所需投資（表5）。

目前國內(nèi)最好水平的同容量（XXX MVA）整流變壓器額定損耗不小于1230kW·h；而本項目開發(fā)的整流變壓器額定損耗為934 kW·h，實際運行有載開關(guān)最高擋位為81檔，變壓器負荷率為79%，根據(jù)不同運行情況相應(yīng)變壓器損耗及其節(jié)省的運行費用計算如下：

6機組運行時（N）整流變壓器與國內(nèi)最好水平的同容量整流變壓器每臺總損耗降低：

1230-642.69=587.31（kW·h）

1臺整流變壓器1年可降低運行費用為：

587.31 ×24×365×0.51=2 623 866.156（元）

6臺整流變壓器1年可降低運行費用為：

2623866.156 ×6=15 743 196.936（元）≈1574（萬元）

7機組運行時（N+1）整流變壓器與國內(nèi)最好水平的同容量整流變壓器每臺總損耗降低：

1230-472.18=757.82（kW·h）

1臺整流變壓器1年可降低運行費用為：

757.82 ×24×365×0.51=3 385 636.632（元）

7臺整流變壓器1年可降低運行費用為：

3 385 636.632×7=23 699 456.424（元）≈2370（萬元）

表5 工程設(shè)備投資對比表

8機組運行時（N+2）整流變壓器與國內(nèi)最好水平的同容量整流變壓器每臺總損耗降低：

1230-361.51=868.49（kW·h）

1臺整流變壓器1年可降低運行費用為：

868.49 ×24×365×0.51=3 880 065.924（元）

8臺整流變壓器1年可降低運行費用為：

3 880 065.924×8=31 040 527.392（元）≈3104（萬元）

注：式中 24為一天24小時，365為一年365天，0.51元/kW·h。為2012年不含稅購電價

6 結(jié)語

N+2特大型變電整流新設(shè)備技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用成功，為我國大型預(yù)焙電解鋁工程的建設(shè)及中、小型自焙電解鋁廠環(huán)境治理、技術(shù)改造成為大型預(yù)焙槽鋁廠樹立了典范，使國內(nèi)許多企業(yè)環(huán)境治理、技術(shù)改造在資金投入上成為可能。同時也為電解鋁廠生產(chǎn)及設(shè)備制造廠帶來了新的效益，加快了中、小自焙槽電解鋁廠環(huán)境治理、技術(shù)改造的步伐。它的開發(fā)運用標(biāo)志著我國大型鋁廠設(shè)計、 施工，面向世界走出國門，參與國際競爭的實力有了提升。