鋁電解系列兩種臨時短路母線方案的對比分析

李廣彬

(沈陽鋁鎂設計研究院有限公司， 遼寧 沈陽 110001)

0 前言

鋁電解系列通常由幾百臺預焙陽極電解槽串聯(lián)組成[1]，這些電解槽分別布置在兩個相互平行的電解車間，電解車間通常由中間通廊分為多個工作區(qū)，正常生產時整個系列所有電解槽基本處于生產狀態(tài)，或有少數(shù)電解槽處于大修狀態(tài)。

隨著國家碳達峰、碳中和“3060”戰(zhàn)略目標[2]的提出和逐步實施，電解鋁行業(yè)所面臨的“能耗雙控”[3]壓力愈發(fā)加大，各地相繼出臺限電或產能限制等政策，部分企業(yè)不得不將部分電解槽停槽短路，減少電解系列的運行槽數(shù)。當系列停槽位置位于工區(qū)末端時，可應用設置在中間通廊下的臨時短路母線實現(xiàn)系列的分區(qū)投產或退出生產；當停槽位置位于工區(qū)中間時，該工區(qū)開始停用的電解槽至工區(qū)末端之間的全部電解槽將長期處于停槽短路狀態(tài)，此時立柱母線短路口長期處于連通工作狀態(tài)，存在一定的安全隱患。

在停槽短路情況下，根據(jù)不同的電解槽母線設計停槽與實際生產的短路口的壓接狀態(tài)，通常短路停槽電壓降為230～310 mV，部分電解槽甚至高達300～400 mV[4-5]，這部分電壓產生的電耗屬于空耗，尤其在傳統(tǒng)的母線布置情況下，系列電流必須通過停用的短路電解槽才可形成回路，因此這部分電力消耗不可避免被浪費了。如何采取有效的措施避免這部分停用短路電解槽的電壓空耗，對企業(yè)節(jié)能降耗具有重要的意義。

1 臨時短路母線方案

1.1 傳統(tǒng)通廊內臨時短路母線

傳統(tǒng)通廊內臨時短路母線位于電解車間中間通廊下，兩端分別與位于兩個廠房通廊中間過道母線連接，每組臨時短路母線中間設有至少一處操作短路口。臨時短路母線適用于電解系列分區(qū)停產或分區(qū)啟動的情況。目前，通廊內臨時短路母線已成為電解系列設計的標準配置。圖1為采用通廊內臨時短路母線的停槽斷路槽示意圖。

傳統(tǒng)通廊內臨時短路母線全部位于車間通廊下(電解車間一層平面)，該區(qū)域除中間過道母線外基本無其他生產設施，不會發(fā)生與生產區(qū)域相互交叉的情況，且該區(qū)域位于電解車間內，系統(tǒng)的絕緣以及防護等設施設置成熟可靠。

由于限電政策的影響，當系列停槽的位置位于電解分區(qū)中間時，如采用該臨時短路母線或端頭母線，開始停用的電解槽至該區(qū)末端的電解槽全部處于短路連接狀態(tài)，與該區(qū)末端的端頭母線或臨時短路母線形成回路電流。以劃分為8個工區(qū)的電解系列為例，若停槽位置位于三、六分區(qū)，使用通廊內臨時短路母線的短路槽及停槽斷路槽示意圖如圖2所示。由圖2可以看出，短路槽的短路電耗不可避免地被浪費，且短路槽的數(shù)量越多，被浪費的電耗也越多，增加企業(yè)的運行成本。

1.2 電解工區(qū)間臨時短路母線

電解工區(qū)間臨時短路母線可根據(jù)生產需要設置在電解區(qū)中間的任意位置，將需要停用的電解槽從運行的電解系列中斷開，有效避免上述電能浪費。

以圖2的電解系列為例，若采用電解工區(qū)間臨時短路母線，電解槽的電流走向如圖3所示。從圖3可以看出，電解工區(qū)間臨時短路母線直接將兩廠房系列電流連接，電流無需通過后續(xù)電解槽，從而減少短路電解槽的短路能耗。

2 兩種臨時母線的經(jīng)濟性分析對比

2.1 投資

以一個典型500 kA的電解系列為例，廠房間距按60 m計，對兩種臨時短路母線的投資費用進行了初步估算，主要投資情況見表1。

根據(jù)表1，工區(qū)間臨時短路母線的總費用合計約為1 122.0萬元，較通廊內臨時短路的總投資高約86.2萬元。工區(qū)間臨時短路母線按與立柱母線壓接連接考慮，出廠房后下降至地面，因此母線量、母線支撐的材料量較通廊內臨時母線方案大。此外，工區(qū)間臨時短路母線布置在室外時，絕緣設施的布置更復雜，費用也較通廊內臨時短路母線方案高。

表1 兩種臨時短路母線投資情況表

2.2 收益

2.2.1 通廊內臨時短路母線

采用通廊內臨時短路母線，可以保證前期建設的電解槽投產運行，且不會影響后續(xù)電解槽的施工安裝。電解系列提前投產帶來的經(jīng)濟效益與槽臺數(shù)及分區(qū)都有關。以一個50萬t/a電解系列為例，根據(jù)國內某鋁廠的實際運行情況，采用通廊內臨時短路母線，從二通廊臨時短路母線通電到整個系列全部投產約需5個月，這段時間內提前投產電解槽的產鋁量至少可達到8.9萬t(表2)，按噸鋁利潤0.2萬元計，可產生經(jīng)濟效益1.78億元以上。

表2 通廊內臨時短路母線收益計算參數(shù)

按50萬t/a電解系列測算(表3)，采用兩套通廊內臨時短路母線的投資回收時間僅為0.11 a，回收周期短，經(jīng)濟效益非常明顯。

表3 采用通廊內臨時短路母線的投資收益表

2.2.2 工區(qū)間臨時短路母線

采用工區(qū)間臨時短路母線，停用電解槽至工區(qū)末端之間的所有電解槽全部處于斷路狀態(tài)，可降低停槽短路的電壓降，節(jié)約短路壓降產生的能耗。采用工區(qū)間臨時母線的單臺短路電解槽的節(jié)電情況見表4。由表4可知，該臨時短路母線投資約1 122萬元，以一年的回收期考慮，19臺槽節(jié)電收益即可實現(xiàn)，且隨著電解槽停用數(shù)量的增加，該回收期會進一步縮短，節(jié)電的收益將更可觀。

表4 工區(qū)間臨時短路母線節(jié)能收益表

綜上所述，通廊內臨時短路母線和工區(qū)內臨時短路母線的投資均較低，經(jīng)濟效益明顯。在當前節(jié)能要求嚴格的情勢下，工區(qū)間臨時短路母線實現(xiàn)節(jié)能降耗的社會意義尤為重大，不僅降低電能消耗，緩解企業(yè)用電壓力，也具有很好的社會效益。

3 安全性對比

工區(qū)間臨時短路母線的設計與通廊內臨時母線的電氣原理基本相同，均為通過連接兩廠房間的母線將系列電流連通。通廊內臨時短路母線的安全性已經(jīng)得到很多電解系列印證，目前基本所有新建電解系列都配置有通廊內臨時短路母線，并且已經(jīng)形成規(guī)范的操作流程。臨時母線短路口的斷開與閉合均在系列斷電的情況下完成，操作的安全性得到保證。此外，臨時短路母線兩兩之間設置絕緣隔離及固定設施，避免互相連通，保證臨時短路母線在運行及非運行狀態(tài)下均具備良好的安全性。

與傳統(tǒng)通廊內臨時母線相比，工區(qū)間臨時短路母線布置時需額外考慮以下因素：

1)工區(qū)間臨時短路母線的布置需根據(jù)現(xiàn)場的實際情況穿過電解車間的電解槽區(qū)域及廠房煙道端，需結合現(xiàn)有車間的空間布置，設置在合適的位置。穿過兩廠房間的凈化區(qū)域時，需預留車輛的通行通道，避開凈化區(qū)域的設備及管路支撐，不得影響凈化區(qū)域的正常生產操作。

2)為避免工區(qū)間臨時短路母線影響現(xiàn)有生產槽的磁場，需要通過模擬手段對短路母線位置、短路母線旁電解槽的周圍母線布置進行相關優(yōu)化。

3)要考慮工區(qū)間臨時短路母線露天布置在車間外時采用的絕緣設施，以及其與周圍生產系統(tǒng)的隔離設施。

4)此外，還要考慮工區(qū)間臨時短路母線與現(xiàn)有電解槽周圍母線的連接形式及連接位置、方案實施的便捷性。

因此，相較傳統(tǒng)通廊內臨時短路母線，工區(qū)間臨時短路母線結構形式復雜，需要考慮的因素更多，需緊密結合現(xiàn)場現(xiàn)有設施的實際情況，在避免臨時母線影響現(xiàn)有生產系統(tǒng)的情況下實現(xiàn)節(jié)能降耗的目的。

綜上，無論是施工、安裝、生產狀態(tài)下，還是斷開、閉合等操作過程，在設計充分考慮各方面安全因素的情況下，嚴格按照設計要求、相關規(guī)程及操作制度執(zhí)行，兩種臨時短路母線均可保證良好的安全性。

4 可操作性對比

1)通廊內臨時短路母線的安裝在建設期完成，工區(qū)間臨時短路母線可于電解系列在產情況下進行安裝。兩種臨時短路母線僅在連通時需要短暫停電，最大限度地減少對現(xiàn)場生產的影響。

2)通廊內臨時短路母線通常與中間過道母線連接，而工區(qū)間臨時短路母線可根據(jù)客戶訴求及現(xiàn)場的實際情況調整連接形式，與槽周圍母線或立柱母線連通，可采用壓接形式或焊接形式，選擇性強。

3)兩種臨時短路母線的安裝和拆卸方便，操作空間大，具備很好的操作便攜性。

4)兩種臨時短路母線的操作過程中可設置相應的絕緣設施及防護設置，保證施工、安裝等操作過程的安全性。

綜上，兩種臨時短路母線都具備很好的可操作性。

5 實際應用

通廊內臨時短路母線的應用在國內電解鋁系列從200 kA至600 kA基本實現(xiàn)全覆蓋，作為新設計電解系列的標準配置，其應用情況已經(jīng)非常成熟和廣泛。

工區(qū)間臨時短路母線在現(xiàn)場成功實施的項目現(xiàn)場有：青海分公司200 kA系列加槽子項目；黃河鑫業(yè)350 kA、400 kA系列加槽子項目；霍煤鴻駿300 kA、350 kA、400 kA系列加槽子項目等。

因此，兩種臨時短路母線都具備很好的技術成熟度和應用可靠性。

6 結論

通過對比分析前述兩種臨時短路母線，可得到如下結論：

1)通廊內臨時短路母線適用于新建項目，可實現(xiàn)系列分區(qū)啟動以及分區(qū)停槽；工區(qū)間臨時短路母線可應用于在產項目，特別是針對停槽位置位于工區(qū)中間的情況具有良好的適應性。兩種方案可根據(jù)不同的現(xiàn)場需求單獨配置，也可同時配置。

2)兩種臨時短路母線都具有很好的經(jīng)濟性，投資回收期短，尤其通廊內臨時短路母線經(jīng)濟效益非?？捎^。兩種臨時短路母線都具有很好的安全性和可操作性，技術可靠，且都有成熟的應用案例。

3)工區(qū)間臨時短路母線除了具有良好的經(jīng)濟效益，還可以降低電能消耗，緩解企業(yè)用電壓力，對現(xiàn)有生產系統(tǒng)的影響小，對企業(yè)應對限電政策實現(xiàn)節(jié)約電力消耗、降低運行成本具有重要的意義。