“雙碳”目標下電解鋁廠和氧化鋁廠電氣設(shè)施節(jié)能減排措施研究

劉 義

(沈陽鋁鎂設(shè)計研究院有限公司,遼寧 沈陽 110001)

隨著全球二氧化碳排放,溫室氣體猛增,氣候變化已成為人類面臨的全球性問題。因此,各國以全球協(xié)約的方式減排溫室氣體,中國政府承諾2030年實現(xiàn)碳達峰,2060年實現(xiàn)碳中和。2021年8月國家發(fā)改委印發(fā)《關(guān)于完善電解鋁行業(yè)階梯電價政策的通知》,要求對電解鋁行業(yè)實行階梯電價政策,按鋁液綜合交流電耗對階梯電價進行分檔,2022年分檔標準為13 650 kWh/t,2023年起為13 450 kWh/t,2025年起為13 300 kWh/t,對不高于分檔標準的,鋁液生產(chǎn)用電量不加價,高于分檔標準的,每超過20 kWh,加價0.01元/kWh,不足20 kWh的,按20 kWh計算。同時,鼓勵企業(yè)提高風(fēng)電、光伏發(fā)電等非水可再生能源的利用[1]。

如果電解鋁企業(yè)未能達到上述要求,將支付高額的電費,導(dǎo)致生產(chǎn)成本大幅增加,甚至造成企業(yè)經(jīng)營虧損。因此,電解鋁廠除了聚焦生產(chǎn)工藝方面的節(jié)能技改,還應(yīng)重點關(guān)注節(jié)能潛力較大的電氣設(shè)施等方面的節(jié)能減排措施及利用,以主輔結(jié)合、多措并舉的方式開展節(jié)能減排工作。同樣,氧化鋁廠也應(yīng)積極主動開展電氣設(shè)施的節(jié)能減排工作,從而使鋁行業(yè)取得最佳節(jié)能減排效果,積極促進 “雙碳”目標實現(xiàn)。

1 鋁廠電氣設(shè)施現(xiàn)狀

我國電解鋁產(chǎn)能約4 000多萬噸[2],電流強度200～400 kA、500～600 kA,400 kA及以下的電解系列達到上百個,基本是在2012年以前建成投產(chǎn)的,這部分電解系列的配套電氣設(shè)施受到當時的裝備制造水平限制和較為寬松的電能質(zhì)量政策等因素的影響,自身能耗較高,節(jié)能減排潛力較大;500 kA及以上的電解系列基本是在近10年建成投產(chǎn)的,其配套電氣設(shè)施的裝備水平和電能質(zhì)量等方面有所提高,但受行業(yè)景氣度和企業(yè)控制投資成本等因素的影響,提升幅度有限,尚有節(jié)能減排潛力可以挖掘。氧化鋁產(chǎn)能方面,總產(chǎn)能約9 000多萬噸[2],單條生產(chǎn)線產(chǎn)能約50～130萬噸,其電氣設(shè)施的裝備水平和電能質(zhì)量等方面與電解鋁廠情況相似,也有較大的節(jié)能減排潛力。

供電系統(tǒng)方面,電解鋁廠供電系統(tǒng)通常采用220 kV、也有部分鋁廠采用330 kV和110 kV供電系統(tǒng),電解直流負荷用電由整流機組負責(zé)提供,其一次側(cè)輸入電壓為供電系統(tǒng)電壓,調(diào)壓整流變壓器接線方式通常采用雙圈降壓或自耦降壓,冷卻方式為強油風(fēng)冷,調(diào)壓方式采用有載調(diào)壓開關(guān)粗調(diào)配自飽和電抗器細調(diào)或晶閘管連續(xù)調(diào)壓,整流元件采用二極管或晶閘管;電解鋁廠動力負荷供電采用10 kV供電系統(tǒng)、少數(shù)采用6 kV供電系統(tǒng),由2臺及以上動力變壓器負責(zé)提供10 kV電源,動力變一次側(cè)輸入電壓為供電系統(tǒng)電壓,降壓后通過10 kV中心配電所和分配電所為全廠中壓負荷提供供電電源。同時,在低壓負荷較為集中處設(shè)置10/0.4/0.23 kV車間變電所,為附近低壓負荷提供供電電源。氧化鋁廠供電系統(tǒng)通常采用110 kV或35 kV供電系統(tǒng),經(jīng)2臺及以上主變壓器降壓后與自備電廠發(fā)電機組聯(lián)網(wǎng)運行,為全廠中壓用電負荷提供10 kV供電電源,10/0.4/0.23 kV車間變電所設(shè)置原則同電解鋁廠。

中低壓配電系統(tǒng)電氣設(shè)施裝備水平方面,電解鋁廠和氧化鋁廠的10/0.4/0.23 kV車間變壓器通常采用S9、S10系列油浸式變壓器,低壓電動機多數(shù)采用EFF3及以下能效等級電機,照明燈具采用金鹵燈和功率因數(shù)較高的節(jié)能燈具等,但LED燈具并未普及。

2 電氣設(shè)施能耗問題

電解鋁廠和氧化鋁廠供電系統(tǒng)及電氣設(shè)施采用了行業(yè)成熟可靠的技術(shù),但隨著裝備水平、技術(shù)應(yīng)用和設(shè)計理念的不斷發(fā)展,其在能耗方面存在如下較為突出的問題。

2.1 電解鋁廠電氣設(shè)施能耗問題

供電整流系統(tǒng)調(diào)壓整流變壓器通常采用自耦或雙繞組降壓的連續(xù)調(diào)壓整流變壓器,此種接線方式變壓器的結(jié)構(gòu)容量約是電氣容量的1.75倍～2倍[3]。因此,存在自身鐵磁損耗較大問題。

調(diào)壓整流變壓器的冷卻方式通常采用強油風(fēng)冷,而油風(fēng)冷卻器配套的循環(huán)油泵和冷卻風(fēng)扇驅(qū)動電機也導(dǎo)致其輔機能耗進一步增加。

功率因數(shù)補償及諧波治理設(shè)施方面采用整流機組就地補償方式,通過在調(diào)壓整流變壓器設(shè)置角形穩(wěn)定繞組兼做補償繞組來實現(xiàn),濾波器采用傳統(tǒng)的二階、三階濾波器,存在基波電流損耗較高、能耗較大的問題。

對于動力配電系統(tǒng),10/0.4/0.23 kV車間變壓器采用S9、S10系列油浸式變壓器,此型號及系列變壓器按照現(xiàn)行的能效等級標準劃分為3級能效產(chǎn)品,其自身損耗與1級能效產(chǎn)品相比,存在運行損耗較高的問題。低壓電動機的能效等級不高,其能效限定值與現(xiàn)行標準《中小型三相異步電動機能效限定值及能效等級》(GB18613)相比存在較大差距,導(dǎo)致其運行能耗增加。

全廠照明系統(tǒng)供電電源均直接引自車間低壓配電系統(tǒng),由于沒有設(shè)置電壓智能調(diào)節(jié)裝置,導(dǎo)致照明燈具工作電壓高出額定電壓,造成一定程度的能耗浪費;車間內(nèi)雖然采用了節(jié)能燈具和光源,但裝備水平還有待提高,LED節(jié)能光源和燈具尚未普及應(yīng)用,導(dǎo)致照明系統(tǒng)工作容量偏大,也產(chǎn)生較大的電能消耗。

2.2 氧化鋁廠電氣設(shè)施能耗問題

氧化鋁廠的動力供電系統(tǒng),其車間變壓器的裝備水平和能效等級等方面存在的問題,與電解鋁廠基本相同,詳見上述問題描述。

高、低壓電動機的能效等級不高,能效限定值與現(xiàn)行標準相比存在較大差距,導(dǎo)致其運行能耗增加;此外,引風(fēng)機高壓電動機控制策略方面,采用液力耦合器調(diào)節(jié)方式較多,變頻調(diào)速控制系統(tǒng)應(yīng)用較少,存在液耦執(zhí)行器長期運行在較低范圍內(nèi),特別是低負荷運行工況下,液力耦合器調(diào)節(jié)開度均較小,運行經(jīng)濟性較差,直接導(dǎo)致能耗增加。

由于上述能耗問題的存在,對生產(chǎn)企業(yè)的節(jié)能減排工作帶來較大的沖擊。此外,各企業(yè)對太陽能、風(fēng)能,以及氧化鋁廠對生物質(zhì)能發(fā)電等綠色能源的應(yīng)用也十分有限,進一步加劇了節(jié)能減排難度。因此,應(yīng)對電氣設(shè)施開展節(jié)能減排技術(shù)措施的研究工作。

3 節(jié)能減排技術(shù)研究

調(diào)壓整流變壓器的節(jié)能減排技術(shù)措施重點在于對其接線方式進行優(yōu)化,通過研制和采用自身損耗更低的接線方式來實現(xiàn)。如采用雙繞組降壓二次角形接線取消獨立角形補償繞組結(jié)構(gòu)的新型調(diào)壓整流變壓器,此種接線方式的調(diào)壓變壓器將二次調(diào)壓繞組由傳統(tǒng)的星形調(diào)壓繞組改為延邊三角形調(diào)壓繞組,同時利用三角形調(diào)壓繞組的1～2個基本粗調(diào)繞組抽頭引出作為功率因數(shù)補償兼諧波治理設(shè)施使用,具體接線方案為:調(diào)變二次側(cè)五段粗調(diào)繞組連接成延邊三角形線路,三角形內(nèi)的兩段粗調(diào)繞組兼做補償繞組,調(diào)變中不再設(shè)置獨立補償繞組,將補償繞組和粗調(diào)繞組合二為一,從而降低了調(diào)變自身的運行損耗[4]。此種結(jié)構(gòu)的調(diào)壓變壓器具有抗短路能力強、運行可靠性高、損耗低、運行效率高等優(yōu)點,其接線方式如圖1所示。

圖1 雙繞組降壓取消獨立角型補償繞組接線圖

此外,還可采用第三繞組調(diào)壓的整流變壓器,此種變壓器的結(jié)構(gòu)容量僅是電氣容量的1.5倍,采用第三繞組進行調(diào)壓,取消了獨立補償繞組,將補償繞組和粗調(diào)繞組合二為一,同樣能夠?qū)崿F(xiàn)變壓器運行損耗的降低。以上2種優(yōu)化后的接線方案均可使調(diào)壓變壓器自身損耗降低約6%以上。

調(diào)壓整流變壓器輔機消耗方面的節(jié)能減排技術(shù)措施應(yīng)重點考慮冷卻方式的優(yōu)化,如將調(diào)壓整流變壓器的冷卻方式由強油風(fēng)冷優(yōu)化為自冷方式,以此來取消或減少原有冷卻系統(tǒng)的循環(huán)油泵和冷卻風(fēng)扇等用電設(shè)備,從而降低輔機的電量消耗,實現(xiàn)節(jié)能減排目的。

供電整流系統(tǒng)的功率因數(shù)補償及諧波治理設(shè)施方面的節(jié)能減排技術(shù)措施,重點應(yīng)在濾波方案的選擇和優(yōu)化,對于采用整流機組就地補嘗方式時,可考慮采用新型的C型濾波器方案替代現(xiàn)有的高通濾波器方案,主要是因為C型濾波器是一種補償型低能耗濾波器,其電容Cd滿足公式(1)[5]:

(1)

式中:ω1為額定工頻角頻率,單位rad/s;L為電感,單位H;Cd為與電阻并聯(lián)支路電容,單位F。

從而可使基波電流幾乎全部流經(jīng)C-L支路,與高通濾波器相比,它的有功功率損耗更低。此外,如在各方面條件允許情況下,也可采用高壓配電裝置母線處集中補償方案替代整流機組就地補償方案,以此來降低總補償裝機容量,從而有效降低濾波器能耗。

對于全廠10/0.4/0.23 kV車間變壓器的節(jié)能減排技術(shù)措施,可通過采用能效等級更高的節(jié)能型變壓器進行替代,如采用能效1級的高效節(jié)能非晶合金變壓器,與現(xiàn)有車間變壓器相比空載損耗方面可節(jié)能70%～80%、負載損耗方面可節(jié)能10%～20%。在進行有功功率損耗分析計算時可按簡化式(2)進行計算;年電能損耗分析計算可按簡化公式(3)進行計算[6]。

(2)

式中:△Pb為變壓器有功功率損耗,單位kW;△Pk為變壓器空載損耗,單位kW;△Pd為變壓器負載損耗,單位kW;Sjs為變壓器二次側(cè)計算負荷,單位kVA;Se為變壓器額定容量,單位kVA。

(3)

式中:△Wb為變壓器年電能損耗,單位kWh;t為變壓器年運行小時,單位h;τ為變壓器最大負荷小時,單位h。

對于全廠高、低壓電動機的節(jié)能減排技術(shù)措施,可通過采用能效等級為1級的電機產(chǎn)品進行替代實現(xiàn),能效1級的電動機與現(xiàn)有的電動機相比,可使電動機的效率提高3%～5%。同時,對額定容量較大或備用容量較大的高壓電動機輔以變頻調(diào)速控制,根據(jù)設(shè)備的壓力-流量特性曲線,按照生產(chǎn)工藝要求的參數(shù),通過采用變頻調(diào)速控制系統(tǒng)實現(xiàn)設(shè)備的變速變流量控制,也可以取得較好的節(jié)能減排效果。在進行電動機有功功率損耗分析計算時可按簡化公式(4)[6]進行計算。

(4)

式中:△Wb為電動機年電能損耗,單位kWh;PN為電動機額定功率,單位kW;η1為高效電動機的效率;η2為普通電動機的效率;t為電動機年運行小時,單位h;K為負載率。

對于全廠照明系統(tǒng)的節(jié)能減排技術(shù)措施,首先,應(yīng)設(shè)置電壓智能調(diào)節(jié)裝置,通過對照明系統(tǒng)輸入電壓進行調(diào)節(jié)優(yōu)化,使各照明負載的電壓與燈具設(shè)計電壓基本一致,并應(yīng)實現(xiàn)自動分時控制,從而降低電量消耗;其次,應(yīng)提高照明燈具的裝備水平,采用LED高效節(jié)能燈具和光源替換現(xiàn)有全部照明燈具,可使照明系統(tǒng)的功率消耗降低40%～50%;除此之外,還應(yīng)積極推廣和應(yīng)用建筑物光伏發(fā)電系統(tǒng)及儲能系統(tǒng),此舉將會取得更好的節(jié)能減排效果,甚至全廠的照明系統(tǒng)用電都可以由建筑物光伏發(fā)電系統(tǒng)提供,實現(xiàn)全廠照明系統(tǒng)的節(jié)電率達到100%。

設(shè)計理念方面,可以通過大數(shù)據(jù)分析和研究,對現(xiàn)有配電室設(shè)置方案進行優(yōu)化,確定更加合理的總圖配置方案,以保證配電室真正處于用電負荷中心,從而降低供電線路損耗;對現(xiàn)有中壓系統(tǒng)電壓進行優(yōu)化,選擇更為合理的供電電壓等級,從而降低供電系統(tǒng)自身的損耗等;推廣和普及建筑物光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用、氧化鋁廠自備熱電站生物質(zhì)能發(fā)電等技術(shù)的應(yīng)用,從而提高綠電的應(yīng)用,進一步降低二氧化碳排放。

通過上述對電解鋁廠和氧化鋁廠供電系統(tǒng)及電氣設(shè)施節(jié)能減排技術(shù)研究和分析,下面結(jié)合實際工程應(yīng)用,以單系列年產(chǎn)能為45萬噸的電解鋁廠、80萬噸的氧化鋁廠為分析研究對象,當上述節(jié)能減排技術(shù)措施得到應(yīng)用后,與鋁廠現(xiàn)有的電氣設(shè)施能耗相比,其在有功功率、電量消耗方面的節(jié)能效果和二氧化碳排放量的減少情況見表1和表2所示。

表1 電解鋁廠電氣設(shè)施節(jié)能減排分析表

表2 氧化鋁廠電氣設(shè)施節(jié)能減排分析表

通過上述節(jié)能技術(shù)措施的應(yīng)用,該電解鋁廠可節(jié)約有功功率2 510 kW、每年節(jié)約電量19 245 000 kWh,每年減少二氧化碳排放量19 245噸;該氧化鋁廠可節(jié)約有功功率1 815 kW、每年節(jié)約電量12 540 600 kWh,每年減少二氧化碳排放量12 540.6 噸;取得良好的節(jié)能減排效果。各企業(yè)在實際應(yīng)用時,還可綜合評估相關(guān)的技術(shù)和經(jīng)濟性,以便獲得較為合理的投入和產(chǎn)出。

4 結(jié) 語

綜上所述,通過對鋁行業(yè)典型電解鋁廠調(diào)壓整流變壓器及其冷卻器輔機、功率因數(shù)補償及諧波治理設(shè)施、10/0.4 kV車間變壓器、低壓電動機和照明系統(tǒng)等電氣設(shè)施,以及氧化鋁廠10/0.4 kV車間變壓器、高低壓電動機和照明系統(tǒng)等電氣設(shè)施能耗方面存在的問題進行分析研究,結(jié)合電氣設(shè)施裝備水平的不斷提高、先進技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用和設(shè)計理念的不斷發(fā)展,對供電系統(tǒng)和電氣設(shè)施提出相應(yīng)的節(jié)能減排技術(shù)措施,以期各企業(yè)能夠根據(jù)自身的實際情況多措并舉系統(tǒng)地解決能耗問題,從而有利于企業(yè)進一步降低生產(chǎn)能耗、減少碳排放量,促進鋁行業(yè)早日實現(xiàn)“雙碳”目標。