高壓變頻器在電解鋁廠排煙機上的應用

楊聰富

（云南文山鋁業有限公司,云南文山 663000）

0 前言

根據相關研究機構公布的數據，2013 年到2018年，我國電解鋁產業呈現出快速增長的態勢，2019年受到多種因素的影響，行業規模下降，總體產量下降到3504.4 萬噸，隨著行業布局的深入調整，電解鋁產業規模擴大，2020 年國內電解鋁產量達到3712.3 萬噸[1]。為保持良好的行業發展勢頭，厚植產業優勢，越來越多的生產企業嘗試通過高壓變頻器的介入，推動電解鋁排煙改造工作的有序開展，加速構建體系化、完備化的電解鋁生產模式。

1 電解鋁生產流程概述

電解鋁作為一種成熟的產業模式，通過冰晶石-氧化鋁融鹽電解處理的方式，完成鋁制品的生產加工，與傳統的制備模式相比，冰晶石-氧化鋁融鹽電解制備模式效率更高、成本更低，具有推廣的價值與意義。具體來看，在制備過程中，熔融冰晶石作為溶劑、氧化鋁作為溶質，將碳素體作為陽極、鋁液作為陰極，在直流電流的作用下，催生2Al2O3+3C＝4Al+3CO2的化學反應，形成電解現象。整個電解過程中，在陽極區域會產生一定量的二氧化碳、一氧化碳、氟化氫等氣體，這些氣體如果不經處理直接進行排放，對于周邊區域的生態環境產生極大的危害[2]。

2 高壓變頻器技術分析

2.1 高壓變頻器技術優勢

高壓變頻依托電力半導體器件的定向通斷來完成工頻電源的精準轉換，從而實現功率的變頻調控，切實滿足不同排煙機設備多元化的電力資源使用需求。現階段高壓變頻器廣泛應用于礦石生產、石油化工、市政供水、鋼鐵冶金等不同技術領域，成為目前主流的負載流量調節方案，冶金等產業在運行的過程中，無疑需要驅動電機類設備的參與，從而為產業活動提供驅動力，根據相關研究機構公布的數據，驅動電機類負載約占整個用電設備能耗的40%左右，出現這種情況的原因在于電力設備生產研發企業在進行產品設計時，基于設備運行穩定性與安全性的考量，往往會在產品內預留一定的余量，避免出現設備過載的情況。同時電力設備由于工況的不同，其輸出功率會有不同的要求。為更好地兼顧電力設備的使用需求，減少能耗的產生，技術團隊逐步將高壓變頻技術引入到電力設備的設計與制造環節，期望通過技術體系的豐富完善，增強對電力設備中驅動電機類負載的靈活調控，減少電力設備運行過程中整體電力損耗，實現了設備運行成本的有效控制[3]。

2.2 排煙機中應用高壓變頻器

電解鋁生產過程中排煙機的重要作用在于，通過排煙機的運轉，完成廢氣與外界控制的快速交互，在交互過程中，由于電解鋁電解反應的不連續性，排煙機在實際的運行過程中，往往不需要按照固定的轉速進行運動。技術團隊嘗試將高壓變頻器納入到排煙機技術體系之中，借助高壓變頻器的技術優勢，實現排煙機轉速的靈活控制，進而達到排煙能力與能耗控制水平全面提升的目的。具體來看，高壓變頻器對于排煙機轉速調節的實質在于，改變功率等參數來實現，在這一過程中，充分利用了排煙機設計環節的余量，通過功率的靈活調整，使得排煙機的轉速受到相應的影響，進而達到轉速控制的目的。高壓變頻器類型多元，根據有無直流參與，可以劃分為交交變頻器、交直交變頻器，根據直流部分的性質，可以劃分為電流型變頻器、電壓型變頻器，根據有無低壓回路，可以劃分為高高變頻器和高低高變頻器，這些高壓變頻器的不同類型，較好滿足不同場景下的使用需求，使得排煙機的轉速更容易得到控制，確保了轉速得到有效控制，逐步構建起穩定的電解鋁排煙機運行與管理機制，從設備層面，完成了原有技術體系的升級，實現了整個電解鋁產業能耗的有效控制，確保整個電解鋁產業成本投入保持在較低的水平，為產業發展營造利潤空間。

3 高壓變頻器在電解鋁廠排煙機改造中的主要思路

高壓變頻器在排煙機改造過程中，充分利用移相變壓器、功率柜、控制系統等有針對性完善，通過針對性地技術優化與調整，逐步增強排煙機性能。移相變壓器做的主要作用在于降低輸入諧波電流，為達到這一目的，采取多重化的結構方式，將高壓電源通過二次側移相變壓器進行降壓處理，利用降壓后的電源為變頻器功率單元開展供電操作，這種處理方式，可以在較短的時間周期內，快速完成電流、電壓的調控，為后續功率調控等技術活動的開展創造條件。在對排煙機功率調整過程中，主要借助功率柜來實現，目前主流的功率柜采取三組輸入、單組輸出的交-直-交的SPWM 逆變器結構，功率單元以整流、逆變等方式，完成對驅動電機供電電源的頻率調節，排煙機改造升級環節，技術人員可以根據不同的使用場景，對功率單元采取串聯的方式，快速完成電壓、電流的調整，進而實現驅動電機運行功率的靈活化轉變，確保驅動電機運行的平穩性與高效性。控制系統作為整個高壓變頻器的核心，是實現對排煙機變頻控制、排煙機保護的重要組件，通過控制系統，高壓變頻器可以根據排煙機運行需要，完成高壓變頻器運行狀態的有效調整，通過對高壓變頻器的控制，間接介入排煙機的運行狀態。為確保高壓變頻器可以更好地融入到排煙機體系內部，技術人員需要認真開展主回路系統的改造工作，在改造過程中，考慮到大部分的排煙機在運行過程中，采取一用一備的設備處理方式，基于這種設備工況條件，在改造過程中，則應當采取用一拖二的方式，即一臺高壓變頻器與兩臺排煙機相連接，其中一臺排煙機電機進行變頻運動，另一臺排煙機電機則作為備用。這種回路改造方式，可以最大程度地提升設備運行的穩定性，科學應對設備故障等突發情況，相關改造方案如圖1所示：

圖1 高壓變頻器主線路改造示意圖

高壓變頻器在加入整個排煙機后，當啟動#1 號風機時，回路中的KM1、KM4 以及KM6 會自動斷開，同時KM3 以及KM5 會自動閉合，高壓變頻器直接與#1號風機聯動，形成變頻運行，#2號風機則處于工頻啟動狀態。上述技術準備工作完成后，工作人員利用控制系統開啟變頻按鈕，在接收到相關指令后KM7閉合為高壓變頻器進行充電，充電30秒后，高壓變頻器啟動，并根據設定的頻率驅動#1 號風機進行運轉，通過穩定升頻的方式將排煙機的風機提升到預設的運行頻率。這種改造思路，無疑在很大程度上，滿足了排煙機對于設備功率、勻速速度的調整要求，并且改造操作難度相對較低，具備在實踐層面推廣與應用的價值[5]。

4 高壓變頻器在電解鋁廠排煙機改造中的應用策略

高壓變頻器在電解鋁廠排煙機改造中的應用，要求技術人員在科學性原則、實用性原則的框架下，精準把握電解鋁基本流程與高壓變頻器技術內涵，在此基礎上，整合技術資源，采取系列舉措，實現排煙機改造工作的順利開展，實現排煙機運行穩定性與運行能耗的有效控制。

4.1 整機電路方案

高壓變頻器排煙機系統在整機電路的設置環節，為時序提升改造效果，強化控制過程中的有效性與合理性，將單片機引入到系統控制機制之中，通過單片機的有效參與，使得排煙機控制系統更具操作性。但是必須認識到，單片機的使用，要求技術人員對原有的電路方案做出調整。例如現階段使用的PWM 控制器，其主要包括了室內傳感器、室內通信電路、內外風門片電路、室內風機等電路，電路構建環節，為實現不同的電路聯動，在電路的連接區域可以使用四通閥、傳感器電路、電子膨脹閥以及室內外通信電路，形成整機電路。

4.2 室內控制單元設計方案

排煙機系統在對電動機進行控制環節，需要設立室內控制單元，需要做好控制單元的綜合設置。將集功率器件、驅動電路、保護功能、故障監測等模塊，使得排煙機系統的管控能力得到顯著提升。尤其在IGBT 模組的支持下，排煙機系統的控制單元，對于電動機等設備運行狀態的識別能力得到顯著提升，可以更好地匯總、分析各類數據信息，完成高壓變頻器排煙機系統的有效運轉。

4.3 通訊單元設計方案

通訊單元的設計對于排煙機系統控制能力的提升有著直接的影響，增強高壓變頻器的可控性，技術人員可以將通訊元件納入到排煙機系統之中。在通訊單元的介入下，排煙機控制系統與其他系統之間的信息交互能力得到持續提升，形成信息數據的快速獲取、精準傳輸與有效交互，以保證排煙機控制系統可以更好地服務于高壓變頻器的運轉調控需求。

4.4 完善控制系統

高壓變頻器排煙機系統軟件平臺的搭建，技術人員可以針對電動機、通信模塊進行必要的軟件優化，形成EEPROM 軟件架構。這種軟件架構主要基于模糊控制理念，可以對電動機、電子膨脹閥等相關模組在運行過程中產生的數據進行實時監測，根據監測結果將運行數據、狀態評估結果上傳到相應的模塊之中。模塊中重要包括了制冷模式、制熱模式、自動模式、除濕模式、送風模式，系統軟件根據相關數據，結合用戶需求，對高壓變頻器的運行模式做出明確。運行模式確定后，利用軟件系統，建立起終端控制器與排煙機系統的穩定聯系。由排煙機系統控制器，調整電動機等設備運行狀態，在此基礎上，實現制冷、制熱、換氣等操作，確保高壓變頻器服務能力的提升，為用戶營造出舒適的環境。

5 結語

高壓變頻器對于電解鋁廠排煙機性能的提升有著極大的裨益，是控制電解鋁生產能耗水平，加速產業轉型的重要路徑。為更好地發揮出高壓變頻器的技術價值，文章在理順高壓變頻器技術構成、電解鋁生產流程的前提下，理順思路，明確要求，采取針對性舉措，推動高壓變頻器在電解鋁廠排煙機改造升級中的針對性應用。