500kA級鋁電解槽內外補償母線配置磁場及經濟性對比

李偉波

(廣元中孚高精鋁材有限公司,四川 廣元 628017)

0 概述

目前國內的500 kA 電解槽技術,母線的配置形式有兩種:自補償和外補償母線配置。

(1)自補償母線配置

即通過電解槽槽周圍母線系統的合理設計,使得電解槽槽內的磁場達到合理分布,從而保證電解槽的穩定運行。由于磁補償都通過槽周圍母線本體進行平衡,因此業內稱這種形式為“自補償”。

(2)外補償母線配置

即除了槽周圍母線以外,還需要額外的母線來通過電流,使電解槽槽內磁場達到合理分布。這一段額外的母線通過的電流僅用于磁場補償,不參與產鋁,因此業內稱這種形式為“外補償”。

在目前500 kA 電解槽投產越來越多的背景下,對以上兩種500 kA 電解槽的母線配置形式進行包括磁場及經濟性的對比分析及評價,得出一定的結論,具有較大的研究及實用價值。

1 500 kA 電解槽磁場計算結果及分析

1.1 磁場計算方法

鋁電解槽的磁場分為三個主要部分:一是母線的磁場;二是陽極、陰極、鋁液、電解質的磁場;三是槽殼等鐵磁材料的磁場。

對于母線的磁場,可認為各母線為線單元,應用Biot-Savart 定律的線積分形式計算。

對于陽極、陰極、鋁液、電解質的磁場,陽極、陰極、鋁液、電解質可認定為體單元,采用Biot.Savart定律的體積分形式計算。

對于槽殼等鐵磁材料的磁場一般采用表面磁荷法來計算。

1.2 鋁電解槽的磁場計算

1.2.1 恒定電流線導體磁場

Biot-Savart 定律線積分形式為:

式中H—待求場點P(x,y,z)處的磁場強度;I—電流強度;r—P點到電流元dl的距離。

1.2.2 陰極、陽極、鋁液和電解質所產生磁場的計算

這三部分產生的磁場主要采用體積分形式進行計算,由于鋁電解槽中這部分導體都為長方體,所以有必要推導出矩形導體所產生磁場的計算公式。

Blot-Savart 定律的體積分形式為:

式中H—待求場點P(x,y,z)處的磁場強度;J—導體中通過的電流密度;r—源點到場點P的距離。

1.3 500 kA 電解槽自補償磁場計算結果

按照圖紙建立仿真模型,計算得出的某廠500 kA 電解槽自補償母線的磁場結果如表1 所示。

表1 某廠500 kA 電解槽自補償母線磁場計算結果

表2 某廠500 kA 電解槽自補償母線磁場BZ 四象限分布

從以上圖表可以看出,整體分布較為均勻,磁場值BZ 在兩個端頭稍高,但曲線較為平滑,BY 均值8.633 GS,BZ 均值4.495 GS。

從四象限分布的結果來看,1、2 象限的結果較好,3、4象限的結果相對偏高一點,但是整體結果處于相對較好的區間。

圖1 自補償磁場BZ 分布云圖

圖2 自補償磁場BZ 曲線分布

1.4 500 kA 電解槽外補償磁場計算結果

按照圖紙建立仿真模型,計算得出的某廠500 kA 電解槽外補償母線的磁場結果如表3 所示。

表3 某廠500 kA 電解槽外補償母線磁場計算結果

表4 某廠500 kA 電解槽外補償母線磁場四象限分布

從以上圖表可以看出,整體分布較為均勻,磁場值BZ 在兩個端頭稍高,BY 均值6.955 GS,BZ 均值4.771 GS。

從四象限分布的結果來看,1、4 象限的結果較好,2、3 象限的結果相對偏高一點,但是整體結果處于相對較好的區間。

1.5 500 kA 鋁電解槽磁場計算結果對比

自補償及外補償的磁場計算結果匯總如表5 所示。

從表5 以及各自的BZ 分布云圖可以看出,自補償與外補償的垂直磁場BZ 相差不大,在0.3 GS左右,且四象限分布也相對較為均勻;而BY 均值,兩者相差了約1.7 GS,外補償相對較好;降低BY,能降低鋁液流速,減少界面波動,在此外補償具備一定優勢。

圖3 外補償母線磁場分布云圖

圖4 外補償母線磁場BZ 曲線分布

表5 磁場計算結果對比表

2 500 kA 電解槽自補償及外補償經濟性分析

在工程建設期間,母線配置對工程建設成本的影響主要包括兩個方面,一是母線本身用量所直接導致的材料成本;二是母線配置對電解車間的面積大小間接導致的建筑成本,下文分別就母線用量及電解車間所占面積等方面對500 kA 自補償電解槽和外補償電解槽進行經濟性分析。

2.1 母線用量

自補償母線配置及外補償母線配置在500 kA電解槽項目實際的母線用量,選取相同的電解槽槽數,產量50 萬t,且母線電流密度基本一致的條件下,進行對比。包含系列母線、過道臨時母線、槽周圍母線、立柱母線、陰極軟帶、外補償母線,不含陽極母線、陽極導桿,其結果如表6 所示。

從表6 可以看出,外補償母線配置平均單槽比自補償母線配置多1.848 t。一個產量50 萬t 共366 臺500 kA 電解槽的建設項目,外補償母線配置合計會增加母線用量676.368 t。

表6 自補償和外補償配置母線用量對比表(平均到單槽,單位:kg)

2.2 電解車間廠房面積

由于外補償母線配置的特點,可以大幅簡化槽周圍母線的配置,因此采用外補償配置,電解槽的槽間距能得到有效縮短,兩種母線配置的槽間距對比如表7 所示。

表7 自補償和外補償母線配置槽間距對比表

以單期50 萬t 電解系列配置366 臺電解槽,每棟廠房配置183 臺。按照通廊的長度一致計算,外補償配置每臺電解槽槽間距比內補償少0.2 m,則廠房長度比內補償配置少183 ×0.2=36.6 m。按照廠房跨度32 m 計算,采用外補償配置,比自補償配置廠房面積減少4 684.8 m2。

2.3 投資對比

根據以上廠房占地及母線用量,對自補償母線配置及外補償母線配置的項目建設投資差異進行對比(按50 萬t 366 臺電解槽計算),鋁母線單價按近三年的鋁價取14 000 元/t。廠房建筑成本按1 500 元/m2計價,征地成本按15 萬/畝計價,則各自的投資差異如表8 所示。

表8 自補償和外補償母線配置投資對比表

從表8 可以看出,外補償相對自補償,由于母線用量的增加,投資會增加約947 萬元,土建包含征地減少費用741 萬元,整體增加投資206 萬元。

3 結論

(1)針對500 kA 電解槽自補償及外補償兩種母線配置形式進行了磁場仿真模擬計算,得出如下結論:BZ 兩種形式相差不大,外補償的BY 有一定降低,相差了約1.7 GS,降低BY 有助于降低鋁液流速,減少界面波動;

(2)母線用量方面,外補償母線配置平均單槽比自補償母線配置多1.848 t;一個產量50 萬t 共366 臺500 kA 電解槽的建設項目,外補償母線配置合計增加母線用量676.368 t。

(3)電解車間廠房占地方面,由于槽間距的減少,采用外補償配置,比自補償配置廠房面積減少4 684.8 m2。

(4)建設一個50 萬t 366 臺槽的電解項目,外補償相對自補償,由于母線用量的增加,投資會增加約947 萬元,土建包含征地減少費用741 萬元,整體增加投資206 萬元。

(5)外補償母線配置形式和自補償母線配置形式,從磁場結果來說,具有一定的優勢,但不明顯;外補償母線配置形式的母線用量有較大提升,廠房占地有一定減少;投資相對有一定的增加;所以采取哪種母線配置形式需要綜合衡量。