集約型600kA鋁電解系列母線裝置設計及應用

毛宇，毛繼紅，班允剛，李揚

（東北大學設計研究院（有限公司），遼寧 沈陽 110166）

鋁是國民經濟建設不可或缺的基礎原來材料之一。進入21世紀以后，我國已連續十多年成為鋁生產和消費第一大國，尤其是自2015年以來產量已占全球的一半以上。我國鋁工業的快速發展，離不開核心裝備技術大型化的支撐。眾所周知，在工業生產中，主體裝備大型化有利于節能減排，更為重要的是可帶來項目占地面積、建設投資和運行成本的大幅降低。對于電解鋁行業而言，其裝備大型化主要體現在鋁電解槽容量的提升上[1]。我國近十幾年鋁工業的發展史就是鋁電解槽大型化技術的開發史，電解槽容量由最初的200kA提升至600kA。特別是在2014年世界首條超大容量600kA鋁電解系列在山東的投運，標志著我國鋁工業引領世界鋁電解技術大型化發展的方向，奠定了我國鋁工業大國地位，提高了我國電解鋁企業的生產能力和國際化競爭力。

由于鋁行業屬于投資密集型行業，對當地經濟拉動十分明顯，尤其是近幾年存在盲目發展引起產能的過剩。為了保證鋁行業的健康發展，國務院提出了供給側改革，要求清理淘汰落后和違規產能，提出鋁工業要向節能減排、綠色環保和具有綜合優勢的區域發展。隨著鋁行業發展要素的變化，現在具備綜合優勢的地區通常在我國邊遠山區或者東部沿海區域，而這類地區土地資源都較為緊張。為了適應產能轉移的市場需求，本文筆者提出在600kA大容量鋁電解槽技術優勢的基礎上，設計出多電解系列連續排列的“集約型600kA鋁電解系列技術”，將系列間距壓縮至60m，以便進一步降低土地使用面積，達到降低投資、提高競爭力的目的。

1 方案及計算結果

1.1 面臨的技術難題

電解系列隨著電流的增大，產生的磁場也隨之增大，因此集約型600kA鋁電解系列設計的主要面臨如下兩個難題：

（1）由于電解系列增加，受強大電流引起的交叉磁場影響，各電解車間外界磁場因位置的不同而存在的差異性難題；

（2）由于電解系列增加，各車間因受不同交叉磁場的影響和在不同工況的生產穩定性難題。

1.2 解決方案

針對上述問題，本文以2個電解系列并排生產的集約型600kA鋁電解系列為例進行研究。由于集約型電解系列主要是因布置方式的改變導致磁場的變化，因此問題的核心是磁場設計，即針對每個系列的磁場影響情況，需對其母線配置進行差異化設計。針對上述問題，本文作者在成功開發600kA鋁電解槽技術經驗的基礎上，采用“數值模擬+”的鋁電解槽開發方式，應用基于Ansys平臺二次開發的鋁電解槽物理場計算專用軟件包[2]，分析多個電解系列間的相互關系，計算出各車間的交叉磁場影響。經計算，各車間交叉磁場影響結果詳見表1。

表1 各車間交叉磁場影響結果對比表

由表1可知，集約型600kA鋁電解系列各車間交叉磁場分布以兩個電解系列的中心呈對稱分布狀態，且靠近中心的兩個車間磁場大小一樣且磁場數值較小，而遠離中心的兩個車間磁場大小相同且數值較大。較600kA單系列的相鄰車間垂直磁場分布值小。

針對上述分布狀態，采用“雙補償非對稱性母線配置方式”對各車間電解槽母線進行差異化設計，并在系列首尾分別設置小補償整流機組，通過調整外補償電流的開關，解決生產的不同步性問題。具體解決方案詳見圖1.

圖1 集約型600kA鋁電解系列配置簡圖

1.3 計算結果

采用“雙補償非對稱性母線配置方式”對各車間電解槽母線進行差異化設計后，在所有車間均生產時的磁場分布結果詳見表2.

表2 各車間電解槽磁場結果對比表

由表2可知，差異化設計后的電解槽磁場，較單系列在垂直磁場上相近，但Y向磁場有較明顯下降，根據鋁電解槽內主要受磁場與電流場相互作用產生的電磁力的相互關系式（1）：

當僅有一條系列生產時，調整外補償母線電流后，電解槽垂直磁場平均值變為3.35Gs，較正常生產狀況略有增加，但Y向磁場保持在6Gs左右，在磁流體穩定需要的范圍內，且磁場分布狀態并未有較大變化，各象限分布均勻，磁場變化梯度小，電解槽仍在穩定范圍內，可滿足正常生產需求。其磁場分布狀態詳見圖2。

圖2 單系列生產時鋁電解槽鋁液垂直磁場分布圖

2 運行效益分析

采用集約型600kA鋁電解系列于2016年在山東投產，運行3年以來生產平穩，指標優異。該技術與500kA技術相比，噸鋁投資降低8%，全員勞動生產率提高12%，噸鋁成本降低約5%，占地減少近40%。與600kA單系列技術相比，集約型600kA技術再次降低占地減少近25%，正常生產時，外補償電流更低，可使噸鋁電耗降低16kWh,以年產100萬噸規模計算，年節電量約16×106kW·h以上（電費按照0.3元/kWh計算），年節電效益近500萬元。

集約型600kA鋁電解系列的成功投運，是在600kA級大容量鋁電解實現了鋁電解槽技術與裝備大型化跨越式發展技術的基礎上的再一次技術升級。進一步降低了電解項目的占地，降低了投資成本和提高了企業競爭力，為我國電解鋁產能向具有綜合優勢的地區轉移打下堅實的技術儲備。