電解液循環(huán)系統(tǒng)變頻節(jié)能改造及工藝控制優(yōu)化實踐

林福坤

(紫金銅業(yè)有限公司， 福建 龍巖 364204)

0 前言

在各種工業(yè)用風(fēng)機、水泵中大部分是額定功率運行，流量的設(shè)計均以最大需求來設(shè)計，其調(diào)整方式采用檔板、閥門、回流、起停電機等方式控制，無法形成閉環(huán)控制，也很少考慮省電[1]。電氣控制采用直接或Y- Δ啟動，其存在的主要問題是不能改變電機的轉(zhuǎn)速、沒有軟啟動功能、機械沖擊大、傳動系統(tǒng)壽命短、震動及噪聲大、功率因數(shù)較低。而采用變頻器控制裝置，通過改變電機轉(zhuǎn)速，從而改變水泵水量適應(yīng)生產(chǎn)工藝的需要，而且運行能耗最省，綜合效益最高。所以變頻器調(diào)速是高效的最佳調(diào)速方案，它可以實現(xiàn)無級調(diào)速，并且可以方便地組成閉環(huán)控制系統(tǒng)、實現(xiàn)恒壓或恒流量的控制。隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，性能可靠、匹配完善、價格合理的變頻器不斷出現(xiàn)，這一技術(shù)也會得到更為廣泛、普遍的應(yīng)用[2]。本文以某公司300 kt/a陰極銅電解項目為工程實例，通過實施變頻改造和優(yōu)化相關(guān)工藝控制，以提升各項工藝指標和降低生產(chǎn)成本，確保某公司陰極銅年產(chǎn)量任務(wù)順利完成。

1 某公司電解液循環(huán)系統(tǒng)概況

在銅電解過程中，電解液必須不斷地循環(huán)流通，一方面保持電解槽內(nèi)電解液溫度、濃度均勻；另一方面經(jīng)過相關(guān)設(shè)備過濾，濾除電解液中所含的懸浮物等雜質(zhì)，以保持電解液具有生產(chǎn)高質(zhì)量陰極銅所需的清潔度[3]。電解液循環(huán)速度的選擇主要取決于循環(huán)方式、電流密度、電解槽容積、陽極成分等[4]，一般循環(huán)速度為15～30 L/min·槽。

某公司300 kt/a陰極銅電解項目，電解液循環(huán)系統(tǒng)主要由電解液循環(huán)槽、上清液槽、高位槽、分液包、各電解槽、凈化過濾機、循環(huán)泵、板式換熱器、流量計、工藝管道等組成，如圖1所示。電解主廠房采用雙跨結(jié)構(gòu)，分東、西2個系統(tǒng)，每個系統(tǒng)分4個系列，每個系列含8組電解槽，每組15個，即每個系統(tǒng)480個電解槽，2個系統(tǒng)共960個電解槽。每槽電解液采用底部三通進液，上部兩端溢流，即下進上出方式，每槽循環(huán)速度為30 L/min；每槽電解液溫度控制在63.5～64.5 ℃。東、西系統(tǒng)各采用4套液下泵，2用2備，將電解液由循環(huán)槽經(jīng)板式換熱器加熱后抽至高位槽。液下泵設(shè)計流量為460 m3/h、揚程為35 m、電機功率為90 kW、額定電流為167 A，電機控制采用接觸器直接啟動方式。高位槽尺寸為6 000 mm×4 000 mm×3 000 mm，溢流口口徑為DN300 mm、中心高度為2 750 mm。

圖1 某公司電解液循環(huán)系統(tǒng)工藝流程

2 變頻節(jié)能改造及工藝控制優(yōu)化

2.1 變頻調(diào)速的優(yōu)點

變頻調(diào)速的優(yōu)點如下：

1)調(diào)速時平滑性好，效率高。

2)調(diào)速范圍較大，精度高。

3)起動電流低，對系統(tǒng)及電網(wǎng)無沖擊，節(jié)電效果明顯[5]。

4)變頻器體積小，便于安裝、調(diào)試，維修簡便。

5)易于實現(xiàn)過程自動化。

2.2 變頻節(jié)能改造的可行性

某公司電解液循環(huán)系統(tǒng)的運行狀況：電解液循環(huán)泵電機采用接觸器控制系統(tǒng)直接啟動，額定轉(zhuǎn)速下運行；2臺循環(huán)泵電解液出口流量總和大于分液包4個出口流量之和，多余電解液通過DN300溢流管溢流回電解液循環(huán)槽；因定期檢修保養(yǎng)的需要切換在用和備用循環(huán)泵時，先啟動備用泵，通過人工慢慢開啟對應(yīng)的手動閥門至一定開度，然后再停止需檢修保養(yǎng)的在用泵并關(guān)閉相應(yīng)的手動閥門，以減少循環(huán)泵啟動瞬間電解液對板式換熱器板片的沖擊；而且需要時刻關(guān)注高位槽液位，必要時及時調(diào)整循環(huán)泵出口閥門，避免冒槽事故。故電解液循環(huán)系統(tǒng)的運行存在操作繁瑣、機械沖擊、震動、噪聲大、功率因數(shù)較低、不節(jié)能、安全環(huán)保隱患大等缺點。

如果采用變頻調(diào)速控制電解液循環(huán)泵，泵轉(zhuǎn)速控制流量特性曲線如圖2所示。由圖2可知，水泵在工頻條件下的運行特性曲線為F1,額定工作點為A，額定流量為QA，額定揚程為HA,管網(wǎng)理想阻力曲線R1=K1Q，與流量Q成正比；采用閥門調(diào)節(jié)開度時的實際管網(wǎng)阻力曲線為R2，工作點為B，流量為QB，揚程為HB。采用變頻調(diào)速的特性曲線為F2，理想工作點為C，流量為QC，揚程為HC。水泵功耗可表達成P=QH，當QB=QC時,HC明顯小于HB；電解液循環(huán)泵90 kW電機實際運行電流約155 A，全年(365天)每天24 h不間斷運行，除去年修、定期大修等停機時間，年均運行天數(shù)約為360天；因此，預(yù)留余量采用比電機額定功率高一級的110 kW變頻器進行改造，存在較大的節(jié)能空間。

長期以來，我國對天然氣發(fā)電如何發(fā)展未形成共識，導(dǎo)致天然氣發(fā)電成為近年來政策調(diào)整最為頻繁的天然氣利用領(lǐng)域。孫慧認為，一個行業(yè)的發(fā)展戰(zhàn)略或者發(fā)展方向不宜過于頻繁變動，建議要多方考量，適度松綁燃氣熱電聯(lián)產(chǎn)項目，適時調(diào)整煤改氣的發(fā)展方向。

圖2 泵轉(zhuǎn)速控制流量特性曲線

2.3 變頻改造后的工藝控制優(yōu)化

1)減小溢流。高位槽設(shè)計溢流中心高度為2 750 mm，變頻調(diào)速改造前，高位槽實際液位為2 950 mm，電解液存在較大量的溢流。變頻調(diào)速改造后，通過調(diào)整電解液循環(huán)泵的運行頻率，將高位槽實際液位控制在2 600 mm，最大程度減小溢流，進而節(jié)約電耗；同時保證分液包4組出液口共計880 m3/h的流量需求，避免空氣進入電解液管道，攪動電解槽底部沉淀的陽極泥，進而導(dǎo)致陰極銅板長陽極泥粒子，浪費交流電耗，又影響陰極銅表面質(zhì)量。

2)取消手動閥門。變頻改造后，可以取消循環(huán)泵切換時通過人工慢慢開啟手動閥門這一步驟，直接將循環(huán)泵出口閥門置于全開位置，通過設(shè)定合適的啟動頻率、加減速時間、運行頻率等參數(shù)，避免啟動瞬間對板式換熱器板片的沖擊，減少對管道的沖擊、震動及噪聲。

3)不需隨時調(diào)整循環(huán)泵出口閥門開度。工藝生產(chǎn)運行過程中無需擔心高位槽冒槽引發(fā)安全環(huán)保事故而需時刻關(guān)注并隨時調(diào)整循環(huán)泵出口閥門開度，只需將閥門設(shè)定為全開，通過調(diào)整變頻器的輸出頻率來調(diào)整管網(wǎng)的流量和壓力，使整個電解液循環(huán)系統(tǒng)平穩(wěn)運行。

4)無需人工干預(yù)。變頻改造后，利用變頻器故障自復(fù)位功能，通過設(shè)定合適的故障自重啟時間、故障自重啟次數(shù)等參數(shù)，濾除某公司電網(wǎng)因雷電等不可抗拒因素導(dǎo)致的電壓波動造成接觸器失壓進而導(dǎo)致電解液循環(huán)泵突發(fā)跳停故障，在干擾波動消除后，第一時間自動恢復(fù)啟動，無需人工干預(yù)。

2.4 變頻改造后的電解中控室應(yīng)急啟動

某公司廠房位于雷區(qū)，因雷電等外部因素閃絡(luò)進而導(dǎo)致電解液循環(huán)泵突發(fā)跳停時有發(fā)生。電解液循環(huán)泵跳停后，高位槽至分液包的氣動閥因聯(lián)鎖而自動關(guān)閉，分液包內(nèi)的電解液將在15 s內(nèi)排空；而運行人員自電解中控室趕往西區(qū)電解液循環(huán)泵操作現(xiàn)場至少需要2 min，趕往東區(qū)電解液循環(huán)泵操作現(xiàn)場至少需要20 s；分液包排空后空氣進入管道進而攪起電解槽底部陽極泥，為確保陰極銅質(zhì)量，避免陰極銅底部長粒子，進而需停東、西區(qū)整流，讓各電解槽內(nèi)的電解液循環(huán)沉淀2 h以后方能恢復(fù)送電。

在電解中控室新增2個控制箱，配套相應(yīng)的運行指示燈、啟動按鈕、泵號標識等；將電解東、西區(qū)各4臺電解液循環(huán)泵現(xiàn)場操作箱的啟動信號并聯(lián)到新增控制箱；同時修改相應(yīng)的操作規(guī)程和應(yīng)急處置預(yù)案并組織運行人員培訓(xùn)學(xué)習(xí)。在某公司電網(wǎng)因雷電等外部因素閃絡(luò)進而導(dǎo)致設(shè)備跳停時，利用中控室24 h有人值守，可在第一時間應(yīng)急恢復(fù)啟動。

3 變頻改造效益

3.1 節(jié)能效益

某公司變頻改造為一次性投資，8套110 kW變頻柜及附件、安裝施工等費用共計37.6萬元。據(jù)生產(chǎn)統(tǒng)計電解液循環(huán)泵每年運行時間約360天，每天24 h，按電機實際輸出軸功率計算每年電解液循環(huán)泵電機耗電量。

2)變頻改造后。電機實際運行電壓360 V，實際運行電流118 A，則耗電量為1 468 109 kWh(360 V×118 A×10-3×4臺×24 h/d×360 d)。

因此，每年節(jié)電約為567 475 kWh，電價按0.5元/kWh估算，每年節(jié)約電費約28.4萬元。運行2年后即可收回37.6萬元投資成本，且額外節(jié)約電費19.2萬元，第3年開始每年節(jié)約電費28.4萬元。

3.2 工藝優(yōu)化效益

電流效率是指銅電解精煉過程中，陰極銅的實際析出量與理論析出量的百分比[3]，計算公式如下：

η=M/(q×I×t×n×10-6)×100%

(1)

式中：η——電流效率，%；

M——當日通電電解槽實際陰極銅析出量，t；

q——銅的電化當量，1.186 g/A·h；

I——生產(chǎn)電流強度，A；

t——實際通電時間，h；

n——當日通電電解槽個數(shù)。

某公司的平均電流效率為99%、整流電流為35 kA、通電槽個數(shù)為960、通電時間為2 h，由公式(1)求得的實際陰極銅產(chǎn)量為78.9 t。按陰極銅4.5萬元/t計算，78.9噸陰極銅的經(jīng)濟價值約355萬元。

由上述計算可見，只要因雷電等外部因素導(dǎo)致一次電解液循環(huán)泵突發(fā)跳停，通過電解中控室人工應(yīng)急恢復(fù)啟動，或通過變頻器故障自復(fù)位、自重啟功能實現(xiàn)啟動，即可保產(chǎn)陰極銅78.9 t，實現(xiàn)經(jīng)濟價值355萬元。

4 結(jié)束語

通過對電解液循環(huán)系統(tǒng)中的電解液循環(huán)泵進行變頻改造，既大大節(jié)約了交流電耗，降低生產(chǎn)成本，提升各項工藝指標，又降低了設(shè)備震動、噪聲及故障率。同時通過優(yōu)化工藝控制，最大程度降低公司電網(wǎng)因雷電等外部因素閃絡(luò)進而導(dǎo)致設(shè)備跳停給工藝生產(chǎn)帶來的不利影響，進而保障了某公司陰極銅年產(chǎn)量任務(wù)順利實現(xiàn)，該改造項目具有很大的經(jīng)濟效益。變頻節(jié)能改造是節(jié)能減排的一個重要途徑，后續(xù)工作進一步結(jié)合防晃電智能控制器的應(yīng)用，不斷提高某公司智能冶金、綠色冶金的水平。