兩種鋁電解車間平面布置對比分析

李廣彬

(沈陽鋁鎂設(shè)計研究院有限公司,遼寧 沈陽 110001)

在現(xiàn)代大型鋁電解生產(chǎn)中，鋁電解車間通常由相互平行的兩棟電解廠房組成，廠房的跨度根據(jù)不同容量的電解槽及相關(guān)生產(chǎn)操作確定，電解槽在廠房內(nèi)呈單排橫向配置，通常電解車間設(shè)計為二層樓結(jié)構(gòu)，電解槽安裝在車間一層，主要生產(chǎn)操作均集中在車間二層操作面。兩棟電解廠房之間需保持一定的距離，作為凈化系統(tǒng)及物料輸送系統(tǒng)的布置區(qū)域，同時也可平衡相鄰兩廠房相互之間的磁場影響。兩棟廠房之間由多條通廊連接[1]，便于物流運輸、設(shè)備的存放以及臨時短路母線的布置等。

針對相鄰廠房的磁場影響問題，一種新的鋁電解槽系列電解廠房及電解槽布局結(jié)構(gòu)被提出[2]，將電解廠房按矩形布置，使傳統(tǒng)平行布置的電解廠房拉開距離，降低電解槽來自相鄰的平行廠房的電流產(chǎn)生的磁場影響，降低電解槽陰極母線的配置難度。本文以一個年產(chǎn)50萬噸的500 kA電解系列為例，將兩種布置的電解車間進行綜合對比分析，對實現(xiàn)行業(yè)的技術(shù)進步具有重要的意義。

1 兩種電解車間的全廠總圖配置情況

1.1 傳統(tǒng)電解車間總圖配置

以國內(nèi)某50萬噸電解鋁廠為例，采用500 kA電解槽，系列安裝368臺電解槽，分為四個工區(qū)，槽間距為6.5 m。相關(guān)的公輔設(shè)施及配套車間包含：陽極組裝及電解質(zhì)破碎、鑄造車間及鋁錠堆場、氧化鋁倉庫、抬包清理車間、陰極組裝車間、槽殼及上部結(jié)構(gòu)修理車間、多功能機組修理車間、整流所、空壓站、循環(huán)水、綜合倉庫、工藝車庫、質(zhì)檢樓以及廠前區(qū)辦公樓等。

圖1為傳統(tǒng)平行布置電解車間的全廠總平面布置圖，電解車間跨度為32 m，廠房間距為60 m，4套電解煙氣凈化系統(tǒng)布置在兩廠房中間，分別對應(yīng)電解車間的四個工區(qū)，每套凈化系統(tǒng)對應(yīng)設(shè)一座新鮮氧化鋁貯倉，一座載氟氧化鋁貯倉，系列共設(shè)8座氧化鋁貯倉。整流所布置在電解車間的其中一端。其他車間如鑄造車間、陽極組裝車間、氧化鋁倉庫等為50萬噸電解系列配套的生產(chǎn)系統(tǒng)根據(jù)物流的合理性布置在電解車間旁側(cè)。經(jīng)測算，傳統(tǒng)電解車間布置下的全廠總面積約為570，066 m2。

圖1 傳統(tǒng)電解車間總平面布置示意圖

1.2 矩形布置電解車間總圖配置

根據(jù)相同的系列規(guī)模，在同樣電解槽數(shù)量的情況下布置了全新的矩形布置電解車間對應(yīng)的全廠總平面圖。

圖2為矩形布置電解廠房的全廠總平面布置圖，其中電解系列共四個電解廠房，以矩形的結(jié)構(gòu)形式布置在全廠的四個方向，整流所布置在矩形其中一個角部位置，其他所有的公輔設(shè)施全部布置在矩形廠區(qū)內(nèi)，其中4套電解煙氣凈化系統(tǒng)分別布置在矩形的四個角部位置，每套凈化分別負責(zé)矩形角部對應(yīng)的兩個廠房各一半數(shù)量的電解槽的電解煙氣凈化。每套凈化系統(tǒng)對應(yīng)設(shè)兩座氧化鋁貯倉，貯倉設(shè)計為新鮮氧化鋁及載氟氧化鋁雙層倉。陽極組裝車間、鑄造車間等其他公輔配套設(shè)施相對獨立，在矩形廠區(qū)內(nèi)適當(dāng)位置布置，具體位置詳見圖2。該布置下的全廠總面積約為641,774 m2。

圖2 矩形電解車間總平面布置示意圖

2 兩種配置電解車間廠房面積對比

兩種配置下其他公輔設(shè)施的配置基本一致，電解車間內(nèi)的電解槽等相關(guān)設(shè)備的投資也基本相同，兩個方案的主要區(qū)別為電解廠房面積的不同以及電解槽母線系統(tǒng)的配置不同。

從表1中可以看出，矩形電解車間布置的電解車間廠房無中間通廊，四個廠房之間直接首尾連接，車間總面積與傳統(tǒng)配置電解車間的廠房面積基本相同，僅大了約353 m2。

表1 兩種配置電解車間廠房面積對比

3 陰極母線配置對比

3.1 磁場計算結(jié)果對比

下表對典型配置以及矩形廠房布置形式的電解槽磁場計算結(jié)果進行了對比。其中典型配置的磁場計算結(jié)果為沈陽院典型500 kA電解槽采用外母線技術(shù)[3]以及網(wǎng)絡(luò)化自均衡母線技術(shù)[4]的磁場計算結(jié)果，矩形布置電解車間的陰極母線配置采用非外母線技術(shù)，圖3～圖5為兩種電解車間布置形式下的的電解槽三個方向的磁場強度的計算結(jié)果分布對比。

圖3 兩種布置下的電解槽Bx分布均值對比

圖4 兩種布置下的電解槽By分布均值對比

圖5 兩種布置下的電解槽Bz分布均值對比

從上述結(jié)果可以看出，矩形布置電解車間電解槽在垂直磁場(Bz)方面與典型外母線配置的電解槽垂直磁場基本處于相同的技術(shù)水平，但在Bx、By方向上較典型外母線配置磁場分布的均勻性要差。

3.2 陰極母線量對比

除了電解車間廠房的投資不同外，電解車間內(nèi)的鋁母線部分的投資也是兩種配置的主要差異部分。矩形布置廠房的電解槽由于相互平行的兩廠房間距達到650 m以上，因此相鄰兩平行廠房之間的電流產(chǎn)生的磁場影響基本可以忽略不計。槽周圍母線在傳統(tǒng)非外母線配置的基礎(chǔ)上進行了優(yōu)化，綜合考慮本體母線配置，端頭母線，中間過道等因素，矩形廠房布置較傳統(tǒng)廠房母線布置節(jié)省約5%的母線用量。

4 生產(chǎn)因素對比

4.1 分區(qū)投產(chǎn)和分區(qū)退出生產(chǎn)功能

分區(qū)投產(chǎn)或分區(qū)停產(chǎn)是目前電解系列設(shè)計的必不可少的部分，通常采用在中間通廊設(shè)置臨時短路母線來實現(xiàn)，目的是實現(xiàn)電解系列在建設(shè)時，將先期已建設(shè)完的工區(qū)提前投產(chǎn)，且不影響后續(xù)工區(qū)的建設(shè)及施工，或電解系列由于產(chǎn)能或限電等原因?qū)崿F(xiàn)分區(qū)停槽。

無論是傳統(tǒng)的非外母線配置還是典型外母線配置，現(xiàn)有廠房布置形式均可在中間通廊處設(shè)置臨時短路母線，用于分區(qū)投產(chǎn)和分區(qū)退出生產(chǎn)。而矩形廠房布置形式由于廠房的布置形式原因幾乎無法設(shè)置臨時母線。矩形廠房布置形式若要設(shè)置臨時母線，需在總圖規(guī)劃時考慮通道占地，這將帶來一系列問題：廠區(qū)占地面積將進一步增加，受該臨時母線影響磁場惡化的電解槽數(shù)量將大幅增加，臨時母線周圍的車輛通行將受磁場干擾，總平面圖道路布置的順暢性將受到很大影響等等，且這種臨時母線需要使用巨大數(shù)量的鋁母線，幾乎可以說是不能實現(xiàn)的。

無法實現(xiàn)分區(qū)投產(chǎn)，對企業(yè)建設(shè)初期資金投入和現(xiàn)金流造成巨大壓力。無法實現(xiàn)分區(qū)退出生產(chǎn)，極不利于企業(yè)靈活應(yīng)對電力供應(yīng)周期性不足問題和國家限制產(chǎn)能政策/措施。

4.2 總圖布置的合理性

傳統(tǒng)布置電解車間在全廠處于相對獨立的位置，全廠主道路通常沿電解車間外側(cè)布置，與車間基本不發(fā)生交叉。矩形布置的電解車間呈環(huán)形結(jié)構(gòu)，該配置中間區(qū)域較大，若車間一層與廠外地坪標(biāo)高一致，由于車間二層樓的結(jié)構(gòu)形式，廠區(qū)的大部分物流將需要通過坡道進入，且必須穿過車間才能進入廠區(qū)。車輛進出廠區(qū)應(yīng)盡量避免從坡道通行，保證廠區(qū)主干道基本在統(tǒng)一的標(biāo)高，減少車輛的爬坡、下坡等工作，避免安全隱患。若要避免這種情況就要求電解車間采用下臥式廠房，即車間二層標(biāo)高與廠內(nèi)道路標(biāo)高一致。所有進出廠的物流運輸車輛都需要穿過電解車間無疑是增加了車輛與車間內(nèi)的生產(chǎn)操作發(fā)生交叉作業(yè)的幾率，增加發(fā)生碰撞或作業(yè)等待的情況，從總圖布局角度來看，矩形布置電解車間的合理性較傳統(tǒng)平行布置的要低。

4.3 廠區(qū)物料進出形式適應(yīng)性

傳統(tǒng)布置電解車間可適用于任何來料形式，火車來料、汽車來料、廠外皮帶及溜槽來料等形式均可實現(xiàn)物料的合理運輸。

采用矩形布置時，當(dāng)廠區(qū)主要原材料來料形式為火車時，鐵路線無法進入廠區(qū)內(nèi)，因為無法穿越電解車間中間區(qū)域，只能?？吭谲囬g外圍，將造成二次倒運導(dǎo)致輸送成本升高，降低該配置的物料進出形式的適應(yīng)性。

4.4 新技術(shù)的應(yīng)用

矩形廠房布置形式將兩廠房間距拉開，可降低其相互間的磁場影響，從而取消外母線，實現(xiàn)母線投資和能耗的優(yōu)化和降低。

國內(nèi)第一代500 kA技術(shù)并未采用外母線配置，可很好的實現(xiàn)磁場優(yōu)化配置，滿足大容量電解槽穩(wěn)定生產(chǎn)，即在現(xiàn)有的廠房間距下，電解槽采用非外母線技術(shù)可具備良好的垂直磁場分布。采用外母線技術(shù)在維持非外母線配置磁場分布的情況下，可提高電解槽的磁流體穩(wěn)定性。

5 結(jié) 語

通過對前述兩種500 kA電解車間布置形式的綜合對比分析，可得到如下結(jié)論：

(1)矩形布置電解車間的全廠總平面面積較傳統(tǒng)平行布置電解車間的全廠總平面面積大約71,708 m2。

(2)矩形布置電解車間的廠房面積較傳統(tǒng)平行布置電解廠房面積大約353 m2。

(3)兩種配置電解車間的電解槽垂直磁場分布水平相當(dāng)，矩形布置電解車間水平磁場分布情況要劣于典型外母線布置，均勻性較差；不考慮臨時短路母線的情況下，矩形布置車間的陰極母線用量較典型外母線布置的電解槽母線用量要小約5%。

(4)與典型的電解車間布置相比，矩形布置電解車間無法布置臨時短路母線，無法實現(xiàn)分區(qū)投產(chǎn)及分區(qū)停槽功能；涉及進出廠的物料運輸全部需要穿過電解車間的通廊或坡道，交叉作業(yè)導(dǎo)致的風(fēng)險以及物流的合理性降低；矩形廠房布置結(jié)構(gòu)不適用于來料為火車形式情況。