電解機(jī)組電控柜空調(diào)選型及設(shè)計(jì)改進(jìn)

高 瑩

(中國(guó)有色(沈陽(yáng))冶金機(jī)械有限公司， 遼寧 沈陽(yáng) 110141)

0 引言

自二十世紀(jì)九十年代以來(lái)，電解鋁行業(yè)在國(guó)內(nèi)得到了迅猛發(fā)展，電解車間的惡劣環(huán)境對(duì)其內(nèi)部的設(shè)備影響較大，很多設(shè)備為了提高其穩(wěn)定性都選用了較高的配置。電解機(jī)組是鋁電解車間必不可少的操作設(shè)備，其穩(wěn)定性關(guān)系到電解車間的生產(chǎn)任務(wù)完成情況，為了保證設(shè)備的穩(wěn)定性，目前無(wú)論國(guó)內(nèi)外設(shè)備，電控系統(tǒng)中的電氣元件基本都選用進(jìn)口品牌。

在我們?nèi)粘９ぷ髦?，電控系統(tǒng)的PLC、變頻器是大家給予的關(guān)注度最高的，也是對(duì)電解機(jī)組電控系統(tǒng)的穩(wěn)定性起到?jīng)Q定性作用的，而大家卻忽視了對(duì)PLC、變頻器等重要電氣設(shè)備的工作環(huán)境起到?jīng)Q定性作用的電控柜空調(diào)。眾所周知，無(wú)論是PLC還是變頻器，其工作的環(huán)境對(duì)其工作穩(wěn)定性和使用壽命存在較大影響，而電控柜空調(diào)的穩(wěn)定性就直接決定了電控柜內(nèi)所有電氣設(shè)備的工作環(huán)境溫度，穩(wěn)定的電控柜空調(diào)能夠保證電控柜內(nèi)溫度在35～38℃之間，空調(diào)工作不正常時(shí)，電氣設(shè)備產(chǎn)生的熱量無(wú)法排出，電控柜內(nèi)的溫度就會(huì)達(dá)到55～70℃，在這樣的環(huán)境下，電控柜內(nèi)的電氣設(shè)備的穩(wěn)定性和工作壽命都將受到嚴(yán)重的影響，所以，電控柜空調(diào)的穩(wěn)定性不容忽視。

最初，電控柜的空調(diào)壽命基本在半年左右，且穩(wěn)定性不好，除了空調(diào)的選型存在問(wèn)題之外，還存在有些空調(diào)不適合在惡劣的環(huán)境下使用的因素。最近幾年，市場(chǎng)上的空調(diào)穩(wěn)定性和使用壽命有所好轉(zhuǎn)，但還有待于進(jìn)一步提高。

1 空調(diào)不穩(wěn)定原因分析

前面已經(jīng)闡述，鋁電解車間的環(huán)境比較惡劣，是惡劣的工業(yè)環(huán)境中相對(duì)惡劣的，所以，這種高溫、強(qiáng)導(dǎo)電性粉塵等都在影響電空調(diào)的穩(wěn)定性和使用壽命，再加之設(shè)計(jì)選型問(wèn)題和使用方的使用問(wèn)題，造成了電控柜空調(diào)問(wèn)題較多。

1.1 電解車間的溫度

電解車間的溫度相對(duì)比較穩(wěn)定，雖然個(gè)別地區(qū)的冬季和夏季的溫差較大，但在電解車間，一般車間內(nèi)溫度維持在45～55 ℃，夏季溫度偏高一些，冬季溫度偏低一些，為了能夠更加準(zhǔn)確的分析電解車間的溫度環(huán)境，這里以500 kA電解槽生產(chǎn)車間為例，從供電側(cè)到非供電側(cè)兩電解槽中間的不同高度進(jìn)行了溫度的數(shù)據(jù)檢測(cè)，并根據(jù)檢測(cè)的結(jié)果進(jìn)行了電解車間電解溫度分布圖繪制，如圖1所示：

圖1 500 kA單個(gè)電解槽溫度分布圖

根據(jù)500 kA單個(gè)電解槽溫度分布圖，分析如下：

(1)電解車間溫度受電解槽影響，車間地面處距離電解槽越近溫度越高，供電側(cè)和煙道側(cè)溫度較低，且變化比較明顯，因供電側(cè)的過(guò)道比非供電側(cè)寬，所以供電側(cè)溫度較非供電側(cè)低。

(2)車間內(nèi)的通道處離電解槽較遠(yuǎn)，且空氣流動(dòng)較好，所以通道處的溫度與電解槽附近相比，有明顯降低的現(xiàn)象。

(3)溫度隨著與地面距離的增大，明顯下降，離地面越高，溫度越低，電解槽方向的溫度變化越小，到天車橋架時(shí)，不同位置的溫度差別只有幾度。

(4)車間距離電解槽稍遠(yuǎn)的地方，溫度變化沒(méi)有電解槽附近溫度變化強(qiáng)烈，曲線比較平滑。

(5)地面附近電解槽中部溫度最高，這是車間內(nèi)溫度最高的位置，供電側(cè)是車間內(nèi)溫度最低的位置。

1.2 電解車間的導(dǎo)電性粉塵

電解車間在其生產(chǎn)過(guò)程中，受其生產(chǎn)工藝影響，粉塵非常大，特別是在距離地面3 m以內(nèi)的高度，粉塵相對(duì)較大，其主要來(lái)源有：

(1)電解機(jī)組在向電解槽下料的過(guò)程中，由于有些料是粉狀的，雖然下料管有一定的遮擋作用，但還是會(huì)因下料過(guò)程中料是從高到低會(huì)產(chǎn)生較大的粉塵，并向周圍擴(kuò)散。

(2)電解機(jī)組在電解槽更換陽(yáng)極之間的打殼過(guò)程中，因打殼的振打，會(huì)產(chǎn)生一定的粉塵，并向周圍擴(kuò)散。

(3)電解機(jī)組在更換陽(yáng)極和清理殘?jiān)倪^(guò)程中，電解槽處于槽蓋板打開(kāi)狀態(tài)，這一過(guò)程中，煙塵不斷產(chǎn)生，并不斷向外擴(kuò)散，而這一過(guò)程電解機(jī)組處于打開(kāi)槽蓋板的電解槽正上方，所以這一煙塵對(duì)電解機(jī)組的影響較大。

(4)電解槽上部下料裝置在不斷向電解槽加料，在加料的過(guò)程中，雖然電解槽的槽蓋板都是關(guān)閉狀態(tài)，但是在下料過(guò)程中還是會(huì)產(chǎn)生一定的灰塵并擴(kuò)散到電解槽外面來(lái)。

(5)在電解鋁生產(chǎn)的過(guò)程中，因其工藝原因，不斷產(chǎn)生煙塵，雖然目前的電解車間都配備了凈化系統(tǒng)，但凈化系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)情況及故障情況直接影響到了電解車間的粉塵和煙塵環(huán)境。即便是凈化系統(tǒng)工作非常穩(wěn)定的鋁電解車間，也避免不了生產(chǎn)過(guò)程中粉塵和煙塵的產(chǎn)生。

(6)電解鋁過(guò)程中，產(chǎn)生的煙塵和粉塵都是具有一定的導(dǎo)電性的，且還存在一部分煙塵具有腐蝕性的影響，這些都加重了對(duì)電解機(jī)組及其電控柜空調(diào)等電器設(shè)備的影響。

1.3 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方選型問(wèn)題

(1)個(gè)別設(shè)計(jì)單位和個(gè)人因沒(méi)有設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，參照其它單位或個(gè)人的空調(diào)選型，一旦空調(diào)功率不夠，就會(huì)造成空調(diào)一直處于壓縮機(jī)工作狀態(tài)，也無(wú)法將電控柜內(nèi)溫度降至設(shè)定溫度，長(zhǎng)期處于這樣的工作狀態(tài)，空調(diào)的使用壽命將大打折扣，也會(huì)嚴(yán)重影響其工作穩(wěn)定性。

(2)所選空調(diào)不適宜強(qiáng)磁場(chǎng)、強(qiáng)粉塵環(huán)境使用，電磁干擾對(duì)電路產(chǎn)生的干擾以及導(dǎo)電性粉塵對(duì)電路板造成的短路降低了空調(diào)的使用壽命和工作穩(wěn)定性。

(3)所選空調(diào)不是高溫空調(diào)，其空調(diào)的最高工作溫度低于電解車間的最高環(huán)境溫度，一旦環(huán)境溫度高于空調(diào)的允許工作最高溫度，空調(diào)將停止制冷，無(wú)法正常工作。

1.4 使用方的使用維護(hù)不當(dāng)

(1)設(shè)備使用單位在日常衛(wèi)生清理過(guò)程中沒(méi)有進(jìn)行吸塵處理，而是采用風(fēng)管吹灰，在吹灰過(guò)程中，很多粉塵進(jìn)入空調(diào)內(nèi)部，嚴(yán)重影響了空調(diào)的使用效果。

(2)設(shè)備使用單位沒(méi)有按照空調(diào)的使用維護(hù)說(shuō)明書(shū)對(duì)空調(diào)進(jìn)行定期濾網(wǎng)清理，影響風(fēng)道進(jìn)出風(fēng)，空調(diào)長(zhǎng)期處于這種狀態(tài)，影響制冷效果和使用壽命。

(3)設(shè)備使用單位沒(méi)有按照空調(diào)的使用維護(hù)說(shuō)明書(shū)對(duì)空調(diào)進(jìn)行定期保養(yǎng)，到期應(yīng)該更換的器件沒(méi)有及時(shí)更換，造成了整個(gè)空調(diào)工作的不穩(wěn)定性且使用壽命大打折扣。

2 空調(diào)的選型計(jì)算及使用設(shè)定

目前，電解機(jī)組上應(yīng)用的電控柜都是帶有隔熱層的，一般隔熱層選用延綿、石棉等隔熱材料，隔熱層一般達(dá)到80 mm，這樣的電控柜要比沒(méi)有隔熱層的單層鋼板的電控柜的熱傳遞慢，在空調(diào)制冷的情況下，能更好的阻隔熱量的傳遞，減緩了熱量從電控柜外部的電解車間環(huán)境中傳遞到電控柜內(nèi)部。所以，這種帶隔熱層的電控柜的空調(diào)功率選型計(jì)算方法與常規(guī)單層鋼板電控柜有一定的區(qū)別。

電解機(jī)組空調(diào)功率的計(jì)算除考慮電控柜外部熱量向電控柜內(nèi)部傳導(dǎo)以外，還需要考慮電控柜內(nèi)部的電氣設(shè)備本身在工作過(guò)程中不斷的產(chǎn)生熱量，在產(chǎn)生熱量的電氣設(shè)備當(dāng)中，變頻器是目前應(yīng)用到電解機(jī)組控制系統(tǒng)安裝到控制柜當(dāng)中的主要發(fā)熱設(shè)備，所以，在計(jì)算過(guò)程中，其余電氣設(shè)備基本忽略，只考慮變頻器的發(fā)熱情況。

變頻器產(chǎn)生的熱負(fù)荷為：

Q1=k1K0

(1)

式中k1—變頻器熱負(fù)荷計(jì)算系數(shù)0.02；

K0—電控柜內(nèi)所有變頻器的功率之和。

與電控柜外環(huán)境接觸產(chǎn)生熱交換的熱負(fù)荷：

Q2=k2S(C2-C1)

(2)

式中k2—變頻器熱負(fù)荷計(jì)算系數(shù)1.2；

S—電控柜表面積，m2；

C1—空調(diào)設(shè)定溫度,℃；

C2—電控柜室外環(huán)境溫度,℃。

電控柜需要的制冷負(fù)荷：

Q=k3(Q1+Q2)

(3)

式中k3—制冷負(fù)荷計(jì)算系數(shù)1.15。

所選空調(diào)的總制冷功率之和大于或等于Q即可滿足現(xiàn)場(chǎng)使用條件。下面以一臺(tái)雙35噸出鋁車(大車變頻器90 kW，工具車變頻器18.5 kW，出鋁小車變頻器18.5 kW，出鋁鉤變頻器75 kW，駕駛室旋轉(zhuǎn)變頻器2.2 kW)，以電控柜長(zhǎng)5.5 m、寬1.2 m、高2 m為例，按照室外溫度55 ℃，電控柜室內(nèi)設(shè)定溫度35 ℃計(jì)算：

變頻器產(chǎn)生的熱負(fù)荷：

Q1=0.02×297.7=5.954 kW

與電控柜外環(huán)境接觸產(chǎn)生熱交換的熱負(fù)荷：

Q2=1.2×40×(55-35)=960 W=0.96 kW

電控柜需要的制冷負(fù)荷：

Q=k3(Q1+Q2)=1.15×(5.954+0.96)=7.951 1 kW

所選空調(diào)的總制冷功率大于7.951 1 kW即可，根據(jù)這一計(jì)算結(jié)果，一般選用2臺(tái)4 kW的高溫工業(yè)空調(diào)即可滿足現(xiàn)場(chǎng)使用要求。

3 空調(diào)設(shè)計(jì)應(yīng)該采取的措施

電解機(jī)組上應(yīng)用的高溫工業(yè)空調(diào)的設(shè)計(jì)與一般的高溫空調(diào)設(shè)計(jì)不同，需要充分考慮電解車間的惡劣環(huán)境。

(1)電路板在設(shè)計(jì)上充分考慮散熱問(wèn)題，不能過(guò)于緊湊而使其內(nèi)部溫度過(guò)高影響散熱，電子元件長(zhǎng)期在高溫環(huán)境下工作會(huì)使其穩(wěn)定性和使用壽命降低，影響空調(diào)的使用效果。

(2)電路板需做涂層處理，避免在導(dǎo)電性粉塵和煙塵進(jìn)入空調(diào)內(nèi)部造成電路板焊點(diǎn)之間短路而燒毀空調(diào)，一般該涂層要2～3層，可用環(huán)氧樹(shù)脂等材料進(jìn)行噴涂。

(3)空調(diào)的整體結(jié)構(gòu)需要考慮各元件的散熱問(wèn)題，避免結(jié)構(gòu)緊湊，保證散熱空間，提高空調(diào)的散熱效率，降低空調(diào)本身的工作溫度。

(4)空調(diào)的散熱部分需要噴涂環(huán)氧樹(shù)脂處理，以提高其表面的光滑度，有利于日?；覊m和煙塵的清理，避免因其表面不夠光滑而產(chǎn)生粉塵積累，過(guò)多的粉塵積累會(huì)嚴(yán)重影響空調(diào)散熱，這一點(diǎn)是以往的空調(diào)不能長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的一個(gè)重要原因。

(5)空調(diào)溫度設(shè)定的最低溫度不能低于30 ℃，設(shè)定溫度過(guò)低會(huì)使空調(diào)壓縮機(jī)工作壓力過(guò)大，同時(shí)還會(huì)因電控柜內(nèi)外溫差過(guò)大結(jié)露，這對(duì)電氣設(shè)備的穩(wěn)定性和使用壽命影響較大。

(6)空調(diào)自清理設(shè)計(jì)，根據(jù)程序設(shè)定，空調(diào)定期對(duì)濾網(wǎng)處進(jìn)行反吹風(fēng)清灰，起到空調(diào)自清潔作用，延長(zhǎng)濾網(wǎng)的維護(hù)時(shí)間，進(jìn)一步保證空調(diào)長(zhǎng)期穩(wěn)定的運(yùn)行。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)空調(diào)工作環(huán)境的分析，并根據(jù)目前應(yīng)用在電解機(jī)組上電控柜實(shí)際情況，給出了電控柜空調(diào)的選型計(jì)算方法及空調(diào)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該注意的問(wèn)題，通過(guò)改進(jìn)，電控柜空調(diào)在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的情況有明顯好轉(zhuǎn)，但目前，電控柜空調(diào)仍然需要定期清理和維護(hù)，相信隨著行業(yè)的發(fā)展，針對(duì)電解鋁行業(yè)的工業(yè)空調(diào)會(huì)更加先進(jìn)，更加智能，維護(hù)周期會(huì)不斷延長(zhǎng)，甚至?xí)霈F(xiàn)免維護(hù)的電控柜空調(diào)，進(jìn)一步保證電解機(jī)組電控系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。