論氧化鋁廠模塊化設(shè)計(jì)對未來發(fā)展影響

張鐵志，弭飛飛

（1.東北大學(xué)設(shè)計(jì)研究院（有限公司），遼寧 沈陽 110166 ;2.沈陽科維潤工程有限公司，遼寧 沈陽 110166）

氧化鋁廠屬于傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，也是市場經(jīng)濟(jì)體系和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的核心產(chǎn)業(yè)，對社會經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展具有重要的推動作用，但是由于大部分氧化鋁廠生產(chǎn)工藝比較落后，產(chǎn)品設(shè)計(jì)理念比較傳統(tǒng)，在氧化鋁生產(chǎn)過程中需要消耗大量的資源，排放大量的污染物，并且所使用的電氣設(shè)備也需要浪費(fèi)巨大的能源，完全與可持續(xù)發(fā)展和綠色發(fā)展戰(zhàn)略相違背，不利于氧化鋁廠未來發(fā)展，這也成為氧化鋁廠急需解決的重要發(fā)展問題。二十一世紀(jì)氧化鋁廠無論是產(chǎn)品設(shè)計(jì)，還是產(chǎn)業(yè)組織設(shè)計(jì)，都需要朝著模塊化、智能化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化以及信息化的方向發(fā)展，在未來發(fā)展方向上模塊化設(shè)計(jì)自然需要放優(yōu)先發(fā)展的戰(zhàn)略要位。模塊化又稱Modular design，該理念是在二十世紀(jì)八十年代由美國研究學(xué)者Simon提出的，當(dāng)時(shí)模塊化設(shè)計(jì)是作為一種工藝方法被應(yīng)用到鐘表制造業(yè)和船舶制造業(yè)，使鐘表制造業(yè)和船舶制造業(yè)的生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量達(dá)到了一個新高度。隨著模塊化設(shè)計(jì)理念的廣泛應(yīng)用以及不斷研究，模塊化逐漸被應(yīng)用到汽車生產(chǎn)制造、航天、生物工程等多個領(lǐng)域中，模塊化設(shè)計(jì)原則也逐漸擴(kuò)展為包括創(chuàng)新靈活性、綠色環(huán)保性、物理分解性、適度合理性等多個原則，目前模塊化設(shè)計(jì)是當(dāng)今設(shè)計(jì)領(lǐng)域中最先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念，并且也逐漸的向傳統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)域發(fā)展。為了促進(jìn)產(chǎn)業(yè)升級以及產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型，國內(nèi)部分氧化鋁企業(yè)引入了模塊化設(shè)計(jì)理念，通過產(chǎn)品和生產(chǎn)技術(shù)的模塊化設(shè)計(jì)，提高氧化鋁廠資源利用效率，降低污染物的排放以及能源的浪費(fèi)，對氧化鋁廠未來發(fā)展具有重要作用，為此提出論氧化鋁廠模塊化設(shè)計(jì)對未來發(fā)展影響。

1 氧化鋁廠模塊化設(shè)計(jì)對未來發(fā)展影響

1.1 促進(jìn)氧化鋁廠未來綠色發(fā)展

綠色設(shè)計(jì)是模塊化設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)重要設(shè)計(jì)原則，氧化鋁生產(chǎn)過程中存在多個污染環(huán)節(jié)，其中包括氫氧化鋁焙燒、氧化鋁原料運(yùn)輸、氧化鋁原料加工、氧化鋁存儲等，在生產(chǎn)過程中需要向空氣中排放大量的污染物，包括一氧化硫、二氧化硫、一氧化氮、二氧化碳、碳?xì)浠衔?、氮氧化合物以及懸浮顆粒物，國家頒發(fā)的《氧化鋁廠氧化鋁生產(chǎn)工藝污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中明確規(guī)定了各個污染物的排放標(biāo)準(zhǔn)[1]。但是目前氧化鋁廠所實(shí)行的氧化鋁生產(chǎn)工藝很難滿足該標(biāo)準(zhǔn)的要求，大部分氧化鋁廠將污染物未經(jīng)過妥善處理就將其排放到空氣中，導(dǎo)致控制嚴(yán)重污染。而利用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)對氧化鋁廠生產(chǎn)流程進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，對傳統(tǒng)氧化鋁生產(chǎn)工藝進(jìn)行改革和創(chuàng)新，形成氧化鋁產(chǎn)品模塊化生產(chǎn)。

在生產(chǎn)系統(tǒng)中設(shè)計(jì)六種操作符，其中包括分割符（Delimiter）、替代符（Substitution）、擴(kuò)展符（Extension）、排除符（Exclusion）、歸納符（Inductive sign）以及移植符（Porting symbol），運(yùn)用這六種操作符可以靈活的對氧化鋁生產(chǎn)工作進(jìn)行控制，每個操作符各負(fù)責(zé)一種功能，并且負(fù)責(zé)一個氧化鋁生產(chǎn)流程，嚴(yán)格控制污染物的生成和排放。對氧化鋁生產(chǎn)工藝進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，使氧化鋁生產(chǎn)具備物理分解和重組，對生產(chǎn)工藝的物理層面上劃分出六個獨(dú)立的功能單元，實(shí)現(xiàn)模塊的通用性和組合性，根據(jù)氧化鋁生產(chǎn)中污染物的排放需求，對生產(chǎn)設(shè)備以及生產(chǎn)工藝進(jìn)行調(diào)節(jié)變換，從而降低污染物的排放[2]。為了更好的說明氧化鋁生產(chǎn)工藝中模塊化設(shè)計(jì)對污染物排放的影響，此次對模塊化設(shè)計(jì)前后污染物排放濃度進(jìn)行測試，檢測結(jié)果如下表所示。

表1 氧化鋁生產(chǎn)工藝模塊化設(shè)計(jì)前后污染物排放濃度

從上表可以看出，氧化鋁生產(chǎn)工藝模塊化設(shè)計(jì)可以有效降低污染物的排放濃度，可以將污染物排放濃度控制在0.2 mg/m3以下，尤其是對空氣污染比較嚴(yán)重的碳?xì)浠衔镆约皯腋☆w粒物[3]。除此之外，氧化鋁廠模塊化設(shè)計(jì)還有利于提高資源利用率。氧化鋁廠在生產(chǎn)過程中不僅需要消耗大量的原料資源，并且資源的利用效果不夠明顯，下表為國內(nèi)前十氧化鋁廠資源利用率情況。

表2 國內(nèi)前十氧化鋁廠資源利用率情況

從上表可以看出氧化鋁廠資源利用率基本在20-60%之間，資源利用率較低。氧化鋁廠模塊化設(shè)計(jì)理念中最重要的一點(diǎn)為減少原材料和自然資源的使用，注重資源使用上的可回收性以及可重復(fù)利用性，從而提高氧化鋁原料資源的利用率[4]。由此可以看出氧化鋁廠模塊化設(shè)計(jì)不僅能夠減少空氣污染，還能提高對資源利用率，對氧化鋁廠未來綠色發(fā)展具有重要的推動作用。

1.2 促進(jìn)氧化鋁廠未來可持續(xù)發(fā)展

氧化鋁廠在生產(chǎn)過程中對大型的電氣設(shè)備依賴性較高，同時(shí)對電氣設(shè)備的損耗程度也較高，導(dǎo)致一部分無功功率生產(chǎn)，增加了氧化鋁廠的生產(chǎn)成本。而氧化鋁廠電氣設(shè)備的模塊化設(shè)計(jì)可以促進(jìn)氧化鋁廠節(jié)能降耗的實(shí)現(xiàn)。氧化鋁廠核心電氣設(shè)備主要包括變壓器和變頻器，這兩種電氣設(shè)備也是氧化鋁廠電能損耗程度最高的設(shè)備，運(yùn)用模塊化理念對該兩種電氣設(shè)備進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)[5]。對于變壓器模塊化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，是對變壓器控制系統(tǒng)進(jìn)行模塊化設(shè)實(shí)現(xiàn)的。平均負(fù)荷率和負(fù)載功率因數(shù)是變壓器運(yùn)行中重要的參數(shù)值，如果變壓器的平均負(fù)荷率過小，會出現(xiàn)變壓器超載運(yùn)行狀況，影響變壓器使用效率[6]。反之如果平均負(fù)荷率過大，氧化鋁廠在生產(chǎn)過程中設(shè)備所消耗的電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到變壓器的平均負(fù)荷率，會出現(xiàn)“大材小用”的現(xiàn)象，會增加變壓器的空載損耗率，所以通過模塊化設(shè)計(jì)有效控制變壓器平均負(fù)荷率運(yùn)行參數(shù)，使變壓器在運(yùn)行過程中平均負(fù)荷率始終能夠滿足氧化鋁廠電氣需求[7]。其次負(fù)載功率因數(shù)的降低會直接影響到變壓器的運(yùn)行效率，導(dǎo)致變壓器的耗損過大，為了抑制無功功率的消耗，設(shè)計(jì)功率轉(zhuǎn)化模塊與電壓器搭配運(yùn)行，通過該模塊將氧化鋁廠在生產(chǎn)過程中消耗的無功功率轉(zhuǎn)化為有功功率，對氧化鋁廠的電網(wǎng)系統(tǒng)的負(fù)載功率因數(shù)具有修復(fù)作用，從而提高變壓器的運(yùn)行效率，減少氧化鋁廠的電能消耗。

氧化鋁廠變頻器的作用是用來控制電氣設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)速度的，而電氣設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)速度與功率消耗成正比關(guān)系。通過對變頻器模塊化設(shè)計(jì)控制氧化鋁廠電氣設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)速度，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能效果。首先根據(jù)氧化鋁廠電氣設(shè)備的負(fù)荷特性、正常負(fù)載率等情況，設(shè)計(jì)負(fù)載率參數(shù)控制模塊，大多數(shù)氧化鋁廠的電氣設(shè)備負(fù)載率在60%～70%之間，且在運(yùn)行過程中負(fù)荷穩(wěn)定在150kW左右，在不影響氧化鋁廠生產(chǎn)效率，且能量使用價(jià)值最大。通過該模塊控制變頻器負(fù)載率參數(shù)，使變頻器的運(yùn)轉(zhuǎn)周期為15分鐘，每個運(yùn)轉(zhuǎn)周期為間隔10秒，這樣降低電氣設(shè)備負(fù)載率，緩解電氣設(shè)備在啟動時(shí)對電源的沖擊作用，同時(shí)也減輕了電氣設(shè)備在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的沖擊作用。此外，變頻器在運(yùn)行過程中由于始終處于高速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，會產(chǎn)生一部分諧波電流，該電流會使氧化鋁廠的電氣設(shè)備在運(yùn)行過程中溫度增加，電氣設(shè)備的使用壽命減少，并且還會額外增加電氣設(shè)備的消耗功率，為了降低諧波電流對電氣設(shè)備的影響，設(shè)計(jì)一個諧波治理模塊，通過該模塊來緩解諧波電流對電氣設(shè)備的消耗，保證變頻器的運(yùn)行效率，從而降低氧化鋁廠電能消耗。通過以上分析，氧化鋁廠電氣設(shè)備模塊化設(shè)計(jì)，可以有效節(jié)約氧化鋁廠能量消耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，對促進(jìn)氧化鋁廠未來可持續(xù)發(fā)展具有重要影響。

2 結(jié)語

本文對氧化鋁廠模塊化設(shè)計(jì)對未來發(fā)展影響進(jìn)行了研究，有利于促進(jìn)氧化鋁廠模塊化設(shè)計(jì)理念的應(yīng)用，對氧化鋁廠產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型和產(chǎn)業(yè)升級具有重要推動作用，為氧化鋁廠未來發(fā)展提供了明確的發(fā)展方向。