精鋁電氣設計

周成軍

（新疆有色冶金設計研究院有限公司烏魯木齊830000）

精鋁電氣設計

周成軍

（新疆有色冶金設計研究院有限公司烏魯木齊830000）

對1萬t/a精鋁工程電力設計的主要方案和需注意的地方進行了論述。

整流變壓器戶外一體化整流裝置供電系統濾波補償

精鋁在日常生活和工業領域都有廣泛的用途，如餐館烘烤食品包裝用鋁箔，電子產品的電容器等。鋁電解是一個能耗大戶，電力成本在產品中約占40%，供電可靠性要求很高，其90%的負荷均為一級負荷，停電將造成重大的經濟損失。由于存在電子整流裝置，其也是一個大的諧波源，對電網的諧波污染不容忽視。

本文以天仁精鋁業有限責任公司精鋁工程為例，對電力負荷進行分析，確定整流機組方案、供電方案和濾波補償型式，以達到供電可靠、運行靈活和經濟的效果。精鋁工程生產產品為重熔精鋁錠，規模1萬t/a，建設地點在奎屯市農七師天北工業園。

根據工藝流程含如下設施：精鋁電解車間、電解質制備車間、鑄錠車間、機電維修車間、綜合庫房、給水加壓泵房、廠區循環泵房、廠辦公樓（含化驗）、宿舍、食堂、浴室等。統計負荷見表1。

表1 統計負荷kW

由負荷構成可以看出，電力負荷中精鋁電解為主要用電設施，電解車間安裝60臺新型復式高純鋁電解槽，槽電壓4 V、槽電流正常50 kA，最大55 kA。考慮后期再擴建40臺電解槽，最終確定系列電壓DC 400 V，系列電流DC55 kA。

1 整流機組選擇

鋁電解為熔融電解，電解槽較長時間停電鋁液凝結將造成電解槽報廢，形成較大經濟損失。因此，電解負荷均為一級負荷，在機組配置上要考慮備用機組。方案有2個，采用2臺整流機組，同時工作，互為備用。另一個方案為3臺機組，互為備用。在1臺機組停運，剩余2臺可滿足生產用電要求。對比2個方案，第二方案投資略高，但每臺機組負荷率較高。另一方面按單機組12脈，2臺機組為24脈，而3臺機組為36脈。整流裝置所產生的諧波次數n與脈數P之間的關系n= KP±1可知，2臺機組24脈產生的諧波次數為23、25、47、49…，3臺機組36脈產生的諧波次數為35、37、71、73…。可以看出即使3臺機組中1臺機組退出，其諧波也與2臺機組持平，減少了高幅值的低次諧波。因此，采用3臺機組方案較為合理。

2 電源方案

天仁精鋁位于天北工業園區的左上角，與217國道相鄰，園區供電系統可提供110 kV、35 kV和10 kV 3種電壓的電源。在園區的正東十沙段上建設有一座2×125 MW華儀熱電廠，負責為園區供熱和供電。天仁精鋁與電廠相距7.3 km，經與農七師電力公司和華儀熱電廠協商，達成由華儀熱電廠為天仁精鋁直供電力的協議。通過華儀電廠和農七師電網2個電源供電，可滿足精鋁對電源可靠性的要求。

天仁精鋁總的計算負荷18 MW，110 kV或35 kV對其供電均能滿足供電質量的要求。考慮到以35 kV電壓對精鋁供電，整體投資較110 kV供電投資省。因此，確定以35 kV雙回路為天仁精鋁供電。

3 供電系統構成

在總負荷18 MW中，電解車間直流電解機組17.5 MW負荷占97.2%，其余為動力負荷0.5 MW。廠區內各車間負荷均在100 kW以內，且廠區為450 m×200 m的矩形。以0.4 kV作為廠區各車間動力供電電壓可以滿足電能質量的要求，也比較經濟。

由此可在廠區設置總的0.4 kV配電站，安裝2臺630 kVA電力變壓器，可滿足動力負荷用電要求和可靠性要求。電力變壓器一次電壓可選擇35 kV或10 kV，廠區已引進35 kV電源。但無10 kV電源，如果為2臺動力變設置35/10 kV轉換電力變壓器將增加成本。因此，采用由35 kV直降0.4 kV的方案。

電解車間最大直流電解負荷按系列電壓和系列電流計算為22 MW，按3臺整流機組供電，要求其中2臺就能滿足正常生產的負荷運行要求17.5 MW,則單臺整流機組容量12.5 MVA(考慮機組效率和功率因數)。3臺整流機組采用35 kV直降機組。

由此，35 kV系統的進出線合計7條，其中進線2條、動力變2條和整流機組3條。35 kV接線可采用雙母線或單母線分段接線，而雙母線接線具有更高的供電可靠性和靈活性。雙母線的缺點是裝置費用略高，且操作較單母線分段繁雜。但從精鋁電解對供電可靠性的要求，采用雙母線供電是首選。

4 整流所型式

整流所由整流變壓器、整流裝置、水冷裝置、諧波治理裝置和控制測量保護裝置組成。整流所有全室內布置的方式；整流變壓器室外布置，其它裝置室內布置的型式；還有全室外布置的方式。全室內布置的方式主要用于機組容量小，機組臺數也較少的情況。整流變壓器室外布置，其它裝置室內布置的型式，主要用于大型機組。在實際應用中全室外室外方式應用較少。

在同業主對整流裝置的考察中，發現湖南科瑞的戶外一體化整流裝置較有特色，其產品在比利時和俄羅斯等國家均有應用，且運行效果良好。該裝置組合了整流裝置、水冷裝置、測量和控制裝置，項目現場只需少量的土建工程，安裝亦很便捷。由于50 kA的整流裝置在行業內已是一個相當成熟的產品，因此。設計上只對產品的運行維護和對環境的適應能力進行了較深入的溝通，并得到肯定的答復。

整流變壓器考慮到濾波的需要，設置了第三繞組容量4 MVA，出線電壓9.5 kV。整流變調壓級數35級有載調壓，設2級無載倒段，共形成70級,調壓范圍5～400 V，滿足電解槽起動和正常運行的要求。整流方式：三相橋同相逆并聯，單機12脈波。單組戶外一體化整流裝置輸出30 kA、DC 450 V，環境溫度-45°～+45°,空氣相對濕度（20°）15%～90%，海拔≯4 000 m，環境污穢等級IV級。

平面布置見圖1。

圖1 平面布置圖

5 35 kV開關站的型式

35 kV開關站有戶外和戶內兩種布置型式，從投資角度看戶內型式高于戶外，但從運行安全和防污來看，室內布置有較大的優越性，且占地面積少，可減少土地購置費。因此，35 kV開關站采用全戶內布置。

開關站采用局部兩層布置，二層布置35 kV配電裝置，一層布置濾波補償裝置、35/0.4 kV電力變壓器、10 kV配電柜、0.4 kV配電柜和開關站控制保護屏以及整流機組操作臺。35/0.4 kV電力變壓器和0.4 kV配電柜為廠區動力系統供電裝置。濾波補償裝置和10 kV配電柜為一套濾波補償控制保護測量系統。

精鋁電解機組正常運行功率因數一般在0.85～0.9之間，需要補償的容量不是很大，每套機組補償2 400 kVar后，功率因數可到0.92～0.95之間。因此，濾波補償以濾波為主，從理論上看三套機組產生的諧波次數為35、37、71、73…高次諧波。由于我們是針對每臺機組就地補償，所以，濾波裝置面對的12脈波機組產生的諧波，其諧波次數為11、13、23、25…次。濾波補償的方案還有一個是集中在35 kV側設置，其優點是只需設置一套。但其缺點是在機組改變運行方式時，諧波次數發生了變化。如三套機組運行時諧波次數為35、37、71、73…高次諧波，而兩套機組運行時，諧波次數為23、25、47、49…高次諧波。濾波裝置參數正常按三套機組運行配置，在兩套機組運行時，濾波效率降低。且35 kV濾波裝置體型龐大，在室內亦不好布置。

在現有運行的鋁電解項目中，實際測量諧波的諧波含量，并不完全等同與理論計算的諧波含量參數。按設計安裝的濾波裝置有時并不能達到很好的濾波效果，因此，建設中濾波裝置不與項目同步采購安裝，在項目投運后實際測量諧波的次數和幅值。如其滿足GB/T14549標準規定要求，可不再安裝濾波裝置，僅設置補償即可。如不滿足，可針對測量結果采購濾波補償裝置，以達到較好的效果，當然這需要事先與電力公司溝通好。

6 電解車間

電解車間的動力負荷在正常運行期間主要是行車，其負荷等級也為一級負荷。但在電解槽起動時，需要進行烤槽。一個槽的烤槽功率在200 kW，同時有2個槽烤槽。因此，在設計時要特別注意，這對全廠動力變容量選擇也有影響。本項目設置2臺630 kVA電力變，其中1臺可滿足全廠動力用電需求，另1臺即可滿足在電解槽起動時2臺電解槽烤槽400 kW負荷的要求。

7 鑄錠車間

本項目鑄錠采用的能源是天然氣，如不能取得氣體，改用電力作為能源，該車間負荷將大幅增加，這是需要注意的。

以上是對一個完整的1萬t/a精鋁項目電力設計主要方案和需注意的地方進行了論述，希望對讀者有所幫助。

[1]霍慶發.電解鋁工業技術與裝備.2002,9.

[2]曾廣詵,等.硅整流所電力設計.冶金工業出版社，1983，12.

[3]水利電力西北電力設計院編.電力工程電氣設計手冊.中國電力出版社,1989,12.

收稿：2014-04-23