500kA級(jí)鋁電解槽內(nèi)外補(bǔ)償母線配置磁場(chǎng)及經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

李偉波

(廣元中孚高精鋁材有限公司,四川 廣元 628017)

0 概述

目前國(guó)內(nèi)的500 kA 電解槽技術(shù),母線的配置形式有兩種:自補(bǔ)償和外補(bǔ)償母線配置。

(1)自補(bǔ)償母線配置

即通過(guò)電解槽槽周?chē)妇€系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì),使得電解槽槽內(nèi)的磁場(chǎng)達(dá)到合理分布,從而保證電解槽的穩(wěn)定運(yùn)行。由于磁補(bǔ)償都通過(guò)槽周?chē)妇€本體進(jìn)行平衡,因此業(yè)內(nèi)稱這種形式為“自補(bǔ)償”。

(2)外補(bǔ)償母線配置

即除了槽周?chē)妇€以外,還需要額外的母線來(lái)通過(guò)電流,使電解槽槽內(nèi)磁場(chǎng)達(dá)到合理分布。這一段額外的母線通過(guò)的電流僅用于磁場(chǎng)補(bǔ)償,不參與產(chǎn)鋁,因此業(yè)內(nèi)稱這種形式為“外補(bǔ)償”。

在目前500 kA 電解槽投產(chǎn)越來(lái)越多的背景下,對(duì)以上兩種500 kA 電解槽的母線配置形式進(jìn)行包括磁場(chǎng)及經(jīng)濟(jì)性的對(duì)比分析及評(píng)價(jià),得出一定的結(jié)論,具有較大的研究及實(shí)用價(jià)值。

1 500 kA 電解槽磁場(chǎng)計(jì)算結(jié)果及分析

1.1 磁場(chǎng)計(jì)算方法

鋁電解槽的磁場(chǎng)分為三個(gè)主要部分:一是母線的磁場(chǎng);二是陽(yáng)極、陰極、鋁液、電解質(zhì)的磁場(chǎng);三是槽殼等鐵磁材料的磁場(chǎng)。

對(duì)于母線的磁場(chǎng),可認(rèn)為各母線為線單元,應(yīng)用Biot-Savart 定律的線積分形式計(jì)算。

對(duì)于陽(yáng)極、陰極、鋁液、電解質(zhì)的磁場(chǎng),陽(yáng)極、陰極、鋁液、電解質(zhì)可認(rèn)定為體單元,采用Biot.Savart定律的體積分形式計(jì)算。

對(duì)于槽殼等鐵磁材料的磁場(chǎng)一般采用表面磁荷法來(lái)計(jì)算。

1.2 鋁電解槽的磁場(chǎng)計(jì)算

1.2.1 恒定電流線導(dǎo)體磁場(chǎng)

Biot-Savart 定律線積分形式為:

式中H—待求場(chǎng)點(diǎn)P(x,y,z)處的磁場(chǎng)強(qiáng)度;I—電流強(qiáng)度;r—P點(diǎn)到電流元dl的距離。

1.2.2 陰極、陽(yáng)極、鋁液和電解質(zhì)所產(chǎn)生磁場(chǎng)的計(jì)算

這三部分產(chǎn)生的磁場(chǎng)主要采用體積分形式進(jìn)行計(jì)算,由于鋁電解槽中這部分導(dǎo)體都為長(zhǎng)方體,所以有必要推導(dǎo)出矩形導(dǎo)體所產(chǎn)生磁場(chǎng)的計(jì)算公式。

Blot-Savart 定律的體積分形式為:

式中H—待求場(chǎng)點(diǎn)P(x,y,z)處的磁場(chǎng)強(qiáng)度;J—導(dǎo)體中通過(guò)的電流密度;r—源點(diǎn)到場(chǎng)點(diǎn)P的距離。

1.3 500 kA 電解槽自補(bǔ)償磁場(chǎng)計(jì)算結(jié)果

按照?qǐng)D紙建立仿真模型,計(jì)算得出的某廠500 kA 電解槽自補(bǔ)償母線的磁場(chǎng)結(jié)果如表1 所示。

表1 某廠500 kA 電解槽自補(bǔ)償母線磁場(chǎng)計(jì)算結(jié)果

表2 某廠500 kA 電解槽自補(bǔ)償母線磁場(chǎng)BZ 四象限分布

從以上圖表可以看出,整體分布較為均勻,磁場(chǎng)值BZ 在兩個(gè)端頭稍高,但曲線較為平滑,BY 均值8.633 GS,BZ 均值4.495 GS。

從四象限分布的結(jié)果來(lái)看,1、2 象限的結(jié)果較好,3、4象限的結(jié)果相對(duì)偏高一點(diǎn),但是整體結(jié)果處于相對(duì)較好的區(qū)間。

圖1 自補(bǔ)償磁場(chǎng)BZ 分布云圖

圖2 自補(bǔ)償磁場(chǎng)BZ 曲線分布

1.4 500 kA 電解槽外補(bǔ)償磁場(chǎng)計(jì)算結(jié)果

按照?qǐng)D紙建立仿真模型,計(jì)算得出的某廠500 kA 電解槽外補(bǔ)償母線的磁場(chǎng)結(jié)果如表3 所示。

表3 某廠500 kA 電解槽外補(bǔ)償母線磁場(chǎng)計(jì)算結(jié)果

表4 某廠500 kA 電解槽外補(bǔ)償母線磁場(chǎng)四象限分布

從以上圖表可以看出,整體分布較為均勻,磁場(chǎng)值BZ 在兩個(gè)端頭稍高,BY 均值6.955 GS,BZ 均值4.771 GS。

從四象限分布的結(jié)果來(lái)看,1、4 象限的結(jié)果較好,2、3 象限的結(jié)果相對(duì)偏高一點(diǎn),但是整體結(jié)果處于相對(duì)較好的區(qū)間。

1.5 500 kA 鋁電解槽磁場(chǎng)計(jì)算結(jié)果對(duì)比

自補(bǔ)償及外補(bǔ)償?shù)拇艌?chǎng)計(jì)算結(jié)果匯總?cè)绫? 所示。

從表5 以及各自的BZ 分布云圖可以看出,自補(bǔ)償與外補(bǔ)償?shù)拇怪贝艌?chǎng)BZ 相差不大,在0.3 GS左右,且四象限分布也相對(duì)較為均勻;而B(niǎo)Y 均值,兩者相差了約1.7 GS,外補(bǔ)償相對(duì)較好;降低BY,能降低鋁液流速,減少界面波動(dòng),在此外補(bǔ)償具備一定優(yōu)勢(shì)。

圖3 外補(bǔ)償母線磁場(chǎng)分布云圖

圖4 外補(bǔ)償母線磁場(chǎng)BZ 曲線分布

表5 磁場(chǎng)計(jì)算結(jié)果對(duì)比表

2 500 kA 電解槽自補(bǔ)償及外補(bǔ)償經(jīng)濟(jì)性分析

在工程建設(shè)期間,母線配置對(duì)工程建設(shè)成本的影響主要包括兩個(gè)方面,一是母線本身用量所直接導(dǎo)致的材料成本;二是母線配置對(duì)電解車(chē)間的面積大小間接導(dǎo)致的建筑成本,下文分別就母線用量及電解車(chē)間所占面積等方面對(duì)500 kA 自補(bǔ)償電解槽和外補(bǔ)償電解槽進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析。

2.1 母線用量

自補(bǔ)償母線配置及外補(bǔ)償母線配置在500 kA電解槽項(xiàng)目實(shí)際的母線用量,選取相同的電解槽槽數(shù),產(chǎn)量50 萬(wàn)t,且母線電流密度基本一致的條件下,進(jìn)行對(duì)比。包含系列母線、過(guò)道臨時(shí)母線、槽周?chē)妇€、立柱母線、陰極軟帶、外補(bǔ)償母線,不含陽(yáng)極母線、陽(yáng)極導(dǎo)桿,其結(jié)果如表6 所示。

從表6 可以看出,外補(bǔ)償母線配置平均單槽比自補(bǔ)償母線配置多1.848 t。一個(gè)產(chǎn)量50 萬(wàn)t 共366 臺(tái)500 kA 電解槽的建設(shè)項(xiàng)目,外補(bǔ)償母線配置合計(jì)會(huì)增加母線用量676.368 t。

表6 自補(bǔ)償和外補(bǔ)償配置母線用量對(duì)比表(平均到單槽,單位:kg)

2.2 電解車(chē)間廠房面積

由于外補(bǔ)償母線配置的特點(diǎn),可以大幅簡(jiǎn)化槽周?chē)妇€的配置,因此采用外補(bǔ)償配置,電解槽的槽間距能得到有效縮短,兩種母線配置的槽間距對(duì)比如表7 所示。

表7 自補(bǔ)償和外補(bǔ)償母線配置槽間距對(duì)比表

以單期50 萬(wàn)t 電解系列配置366 臺(tái)電解槽,每棟廠房配置183 臺(tái)。按照通廊的長(zhǎng)度一致計(jì)算,外補(bǔ)償配置每臺(tái)電解槽槽間距比內(nèi)補(bǔ)償少0.2 m,則廠房長(zhǎng)度比內(nèi)補(bǔ)償配置少183 ×0.2=36.6 m。按照廠房跨度32 m 計(jì)算,采用外補(bǔ)償配置,比自補(bǔ)償配置廠房面積減少4 684.8 m2。

2.3 投資對(duì)比

根據(jù)以上廠房占地及母線用量,對(duì)自補(bǔ)償母線配置及外補(bǔ)償母線配置的項(xiàng)目建設(shè)投資差異進(jìn)行對(duì)比(按50 萬(wàn)t 366 臺(tái)電解槽計(jì)算),鋁母線單價(jià)按近三年的鋁價(jià)取14 000 元/t。廠房建筑成本按1 500 元/m2計(jì)價(jià),征地成本按15 萬(wàn)/畝計(jì)價(jià),則各自的投資差異如表8 所示。

表8 自補(bǔ)償和外補(bǔ)償母線配置投資對(duì)比表

從表8 可以看出,外補(bǔ)償相對(duì)自補(bǔ)償,由于母線用量的增加,投資會(huì)增加約947 萬(wàn)元,土建包含征地減少費(fèi)用741 萬(wàn)元,整體增加投資206 萬(wàn)元。

3 結(jié)論

(1)針對(duì)500 kA 電解槽自補(bǔ)償及外補(bǔ)償兩種母線配置形式進(jìn)行了磁場(chǎng)仿真模擬計(jì)算,得出如下結(jié)論:BZ 兩種形式相差不大,外補(bǔ)償?shù)腂Y 有一定降低,相差了約1.7 GS,降低BY 有助于降低鋁液流速,減少界面波動(dòng);

(2)母線用量方面,外補(bǔ)償母線配置平均單槽比自補(bǔ)償母線配置多1.848 t;一個(gè)產(chǎn)量50 萬(wàn)t 共366 臺(tái)500 kA 電解槽的建設(shè)項(xiàng)目,外補(bǔ)償母線配置合計(jì)增加母線用量676.368 t。

(3)電解車(chē)間廠房占地方面,由于槽間距的減少,采用外補(bǔ)償配置,比自補(bǔ)償配置廠房面積減少4 684.8 m2。

(4)建設(shè)一個(gè)50 萬(wàn)t 366 臺(tái)槽的電解項(xiàng)目,外補(bǔ)償相對(duì)自補(bǔ)償,由于母線用量的增加,投資會(huì)增加約947 萬(wàn)元,土建包含征地減少費(fèi)用741 萬(wàn)元,整體增加投資206 萬(wàn)元。

(5)外補(bǔ)償母線配置形式和自補(bǔ)償母線配置形式,從磁場(chǎng)結(jié)果來(lái)說(shuō),具有一定的優(yōu)勢(shì),但不明顯;外補(bǔ)償母線配置形式的母線用量有較大提升,廠房占地有一定減少;投資相對(duì)有一定的增加;所以采取哪種母線配置形式需要綜合衡量。