（机械电子工程专业论文）大型预焙槽电流叠加供电技术的研究与应用.pdf

出末夫学疆卜警瞧硷文 摘要 酹前世界铝工业均采用熔盐电解法将氧化锅还原为金属铝。丽实现这一还原 过程，嚣要鼹大量壹滚邀。霞梵各电解铝厂帮设有功率大弱整流历来完或交流 电两蠹滚电豹转交。峦予锅电解行延豹重复上马和污染润题，国务貌下达了“关、 停国内自焙槽铝电解系列”的有关文件。在国内自焙槽铝电解系列关、停及改造 过程中，应尽可能降低损耗，节约资金，发展锅电解生产。 程电解改造过程中，爱够充分秘用现辑设备，提供一静薪的、安全可靠的 貘毫方袋，在满是铝电瓣雯产工艺要求熬条 擎下，洚抵整滚馔魄设备豹投资。 本文主要研究内容怒： ( 1 ) 独创了大功率可控硅整流装置叠加傲电方式，既能提供8 0 k a 系列小型 预焙檬熙产用电，又能提供2 0 0 k a 系列大型预焙槽生产用电，满足了生产、改造的 需要，为我鋈锾龟磐行效凑夸墅龟解疆改为大鍪龟辫攘，提供一鼗残功懿筷龟技 术。 ( 2 ) 改造了整流器的快速熔断器的冷却装鼹，设计、加装了水冷系统，使得 快熔的温度平均降低了约4 0 c ，降低了昂贵备件的消耗。 ( 3 ) 对予整流器一次侧过压吸收保护装嚣遴行了改造，基骚寒的混台接法改 为星鍪缓法，取瀵电辍器；援敦毫疆接线方式改为三焦形接法。邋免了电容器静 损坏，使保护正常动作。 ( 4 ) 对原来的计算机控制系统进行了改进，稳流系统采用p l c 组成的网络结 构，可攥性积稳定性得到了很太的提高，故障窭明显下降。 ( 5 ) 针怼迄淡叠燕珙魄嚣系统谐波缮趣发英囊蕊缮趣造成舅阏供毫懿臻辜嚣 数降低、电压畸变率增大的情况，对原有滤波系统进行了改造，达到了抑制谐波 的效果，提高了电网质量。 关键潺：铝电解颓绥戆供电电流夔躯滤波 v 山东大学硕卜学位论文 a b s t r a c t t o d a y , m o s ta l u m i n u mm a n u f a c t u r e r sa r o u n dt h ew o r l du s et h es a l t d i g e s t i n g s m e l t i n gm e t h o dt od e o x i d i z ea l u m i n at oa l u m i n u m t or e a l i z ed e o x i d i z a t i o np r o c e s s ， n e e dal o to fd i r e c tc u r r e n t ( d c ) t h e r e f o r e ，e a c hs m e l t i n gf a c t o r yh a sp o w e r f u l c o m m u t a t i o ns t a t i o nt oc o n v e r tt h ea l t e m a t i n gc u r r e n t ( a c ) t od c i no r d e rt os a v ec o s t a n di n s u r en o r m a lo p e r a t i o n ，s m e l t i n g f a c t o r yn e e d st os p e n dh u g ea m o u n to f i n v e s t m e n to nc o m p l e xc o m m u t a t i o ns y s t e mt oi n s u r ep o w e rs u p p l y d u et or e p e a t e d c o n s t r u c t i o na n dp o l l u t i o np r o b l e m ，t h es t a t e m i n i s t r yd e p a r t m e n ti s s u e dd o c u m e n t s r e g a r d i n gs h u ta n dc e a s es e l f - b a k e da l u m i n u ms e r i e s a n dd u r i n gt h i sp e r i o d ，r e l a t e d f a c t o r i e ss h o u l dd e c r e a s ew a s t a g e ，s a v ec o s t ，d e v e l o pd e o x i d i z a t i o na l u m i n u mi n d u s t r y d u r i n gr e b u i l d i n gp r o c e s s ，e a c hf a c t o r ys h o u l dm a k et h em o s to ft h ec u r r e n t e q u i p m e n t ，p r o v i d eas a f ea n dr e l i a b l ep o w e rs u p p l ym e t h o d a n df i n dn e wp o w e r s u p p l ys c h e m et om i n i m u mt h ei n v e s t m e n ta n du t i l i z et h ee x i s t i n ge q u i p m e n tt os u p p l y p o w e rs a f e l y , s t e a d i l ya n dc o n s t a n t l y m a i ns t u d yc o n t e n t ： ( 1 ) p r e s e n tam e t h o dw h i c hc a l ls u p p l yp o w e r t ot w os e p a r a t es y s t e m sa ts a m et i m e t h i sa p p l i c a t i o ng i v e sas u c c e s se x a m p l ei nc h i n ah o wt os o l v et h ep o w e rs u p p l y p r o b l e mw h e ns m a l l e re l e c t r i cc e l l sc h a n g e dt ol a r g e ro n e s ( 2 ) t r a n s f o r m e dr e c t i f i e rf u s ec o o l i n gs y s t e m ，d e s i g n e da n di n s t a l l e daw a t e r - c o o l i n g s y s t e m ，c a u s e dt h ef u s et e m p e r a t u r er e d u c e da p p r o x i m a t e l y4 0 r e d u c e de x p e n s i v e a c c e s s o r i e sc o n s u m p t i o n ( 3 ) t r a n s f o r m e da b s o r p t i o np r e s s u r ep r o t e c t i v ed e v i c e ，a d o p tas t a rc o n n e c t i o n m e t h o d ，c a n c e l l e dt h er e s i s t o r ；r e s i s t a n c ew i r i n gc o n n e c t i o na d o p tt r i a n g l ec o n n e c t i o n a v o i dd a m a g et oa c a p a c i t o r , p r o t e c t sn o r m a lm o v e m e n t s ( 4 ) t r a n s f o r m e do r i g i n a lc o m p u t e rc o n t r o ls y s t e m ，t h es t a t i o n a r yc u r r e n ts y s t e m a d o p tp i cn e t w o r ka r c h i t e c t u r e ，r e l i a b i l i t ya n ds t a b i l i t yo b t a i n sav e r yb i gi m p r o v e m e n t ， a n df a i l u r er a t eo b v i o u s l yd r o p p e d ( 5 ) a f t e rt h ec u r r e n ts u p e r i m p o s i t i o np o w e rs u p p l y , s y s t e mh a r m o n i ci n c r e a s ec a u s e s p o w e rf a c t o rr e d u c e ，t h ev o l t a g ea b n o r m a lc h a n g ei n c r e a s e s t r a n s f o r m e do r i g i n a lf i l t e r i i i i l l w a v es y s t e m ，h a r m o n i cd e c e a s e da n dp o w e rs u p p l yq u a l i t yi m p r o v e d k e yw o r d s ：a l u m i n u ms m e l t i n g , p r e b a k e dc e l l ，p o w e rs u p p l y , c u r r e n ts u p e r i m p o s e s ， 磊l t e rw a v e v 珏 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：址咝一 日 期：型竽一 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：礁! ! 垂导师签名：日期：型：忆 第1 章绪论 。1 研究背黎 自薅穰在发达的嚣方国家已被淘汰，餮夕 铝锭主燹鸯颓焙稽生产。我嚣由于 受铝工业的发展历史、技术水平和经济条件等要因素的影响，自焙槽在锻工业中 仍占有主要地位。到2 0 0 0 年底，我国建成的铝厂达1 3 0 多家，总产量达到2 9 8 万 吨，成为世界第三产锡大国。其中露焙槽生产9 0 家，产能占总量的近7 0 ，且绝 大多数为6 0 k a 翻矮垂磐疆。 近年来，黼家连续出台了一系列政策遏制钢铁、电解铝、水泥等荦亍渡鼙本建 设投资过热势头。加上氧化铝供威短缺价格居高不下，近期爆发的能源熊机导致 电价上涨，及出口退税率降低等因豢的影响，电解铝众妣四面受敌，这对于正处 予发震鬏跨豹彀鳞错工韭亲说不照予一场风暴。工程建设急副跨遗，金簸袋产残 本大幅增加，剃润缩农，相当一部分氽、 | ，m l 蠹亏损，掇缀遒茸静全国己裔六十家 f 铝厂处于停产或部分停产状态，电解铝企业陷入前所求脊困境。 我国电解锻工业自建国以来经历了5 0 多年的发展，已逐步由电解铝的纯进口 酱变为毽界第大产锯围。但是，国于我国镪工业产渡络擒不会理，氧化镪供应 严重不是，并纛襞纯镭这一毫鳃键生产蕞主要懿覆辩按澍在少数企篷酶手牵，加 上受到电力体制的限制，我国电解铝生产用电问题一赢是困扰电解铝企般的难题， 近年来虽然一然企业实现了铝电联觜，但对大多数企般阁电问题并未能很好解决， 因此电解铝企溅在这场风暴面前显得异常脆弱。 霆魏，采惩纾之毒效魏办法，戮绕污染l 赦这标、嬲遴簿垂慧槽逐嚣综合援 术改造是当翦氏焙稽生产厂家的当努之急，也是必由之路。在对电解稽进行技术 改造的同时，绘电解供电的“心脏”整流所，也必须进行相应的技术改造， 以适应新的生产环境和技术要求。 。2 电藤生声现状 1 2 1 电解锅生产历史 由参考文献聃。州可知，铝的生产是由铝土矿开采般、氧化铝工业、电解铝工 业等构成。1 8 0 9 年，英翻化学家戴维缛这种想象的尚未命名豹金璃称为 山东大学而 学位论文 “a l u m i u m ”，后又改为“u m i i t l m ”。1 8 2 5 年丹麦人奥斯忒用钾汞齐还原无水 氯化铝，制得一些其颜色与锡白色相同的小颗粒，成为了当今的铝。1 8 4 5 年，法 国科学家德维尔用钠还原n a a l c l 4 络合盐制成了一定数量的金属铝。由于当时用 这种方法生产的铝量少且成本高，其价格一度接近了黄金价格，人们只能把铝加 工成一些诸如餐具、摆设之类的工艺品共皇室和高官贵人使用。 1 8 8 6 年美国奥柏林学院化学系的学生c m 霍尔( h a l l ) 发明冰晶石一氧化铝 熔盐电解法。几乎同时大洋彼岸法国巴黎矿业学院大学生p l t 埃鲁( h e r o u l t ) 也 发明生产铝的这种方法。从此，人们把此法称为霍尔一埃鲁法，直到1 0 0 多年后 的今天，全世界的原铝生产还都是用此种方法。1 0 0 多年来，世界铝工业生产从铝 矿的采掘、材料的供应、氧化铝和电解铝的生产、技术应用、进出口贸易等已形 成了一个相当完整的体系，各国日j 也形成了一种分工明确、组织有序、相互依存、 相互竞争的格局。 1 2 2 电解铝生产原理 铝电解的原理是使直流电通过一氧化铝为原料、冰晶石为溶剂组成的电解质， 在9 5 0 _ - 9 7 0 摄氏度下，电解质溶液中的氧化铝分解为铝和氧。由于比重的差别在 阴极上析出的铝液汇集于电解槽槽底，而在阳极上析出二氧化碳和一氧化碳气体， 铝液从电解槽中吸出，经过净化去处氢气、非金属和金属杂质并澄清后，铸成各 种铝锭。霍尔一埃鲁铝电解法的问世是铝冶炼的革命性突破，铝生产从此步入大 工业化生产。从此，生产成本逐年下降，产量大幅度上升，从而使铝能够迅速广 泛应用于生产和生活的各个领域。1 9 5 6 年全世界的铝产量开始超过铜跃居有色金 属的首位，成为仅次于( 钢) 铁的第二大金属。2 0 0 3 年全球原铝产量为2 7 9 4 6 万 吨。 1 2 3 电解生产技术 工业铝电解槽大体上可分为侧插阳极棒自焙槽、上插阳极棒自焙槽和预焙阳极 槽三类。1 9 2 3 年，世界首次刀：始使用侧插阳极棒自焙槽生产电解铝。这种生产工 艺具有投资省、技术装备简单、建设周期短的特点，但也有烟气无法处理，污染 环境严重，机械化困难，劳动强度大，不宣大型化，单槽产量低等一些不以克服 的缺点。2 0 世纪3 0 年代后期，电解槽的电流强度上升到2 5 k a ，直流电耗下降到 2 0 0 0 0 一2 5 0 0 0 k w h 吨铝。到了5 0 年代，普基铝业公司开发出上插阳极棒自焙槽， 2 山东大学够 掌位论文 不但提高了电解槽机械化操作程度，而且烟气收集率也有较大提高。进入6 0 年代， 电解槽的电流强度从1 0 0 k a 发展到1 8 0 k a ，吨铝电耗进一步下降，达到1 4 5 0 0 k w h 吨铝左右，而且劳动强度人为下降，生产效率大幅度提高。8 0 年代对上插阳极棒 自焙槽的改进又取得了新进展，电耗进一步下降到约1 3 7 0 0 k w h 吨铝，但自焙槽固 有的许多不足仍无法得到有效改善。小型预焙电解槽的问世，使电流下降到8 k a 以下，但直流电耗仍高达4 2 0 0 0 k w h 吨铝。而随着大型预焙槽的研制成功使电解槽 的单槽产量大幅增加，既可自动化打壳与加料，也可用计算机进行自动化控制， 特别是电解槽可在全密闭状态下进行操作，烟气收集率大于9 0 ，甚至可达9 9 ， 粉尘排放等可满足当前最严格的环保法规要求。目前国际上约8 0 的原铝是由预 焙槽生产的，在运转的预焙阳极槽超过7 0 种，一些大型的现代化电解铝企业都采 用了中间加料的大型预培槽，槽的电流强度达到了3 5 0 k a 。 1 3 电解供电技术的现状 目前世界铝工业均采用熔盐电解法将氧化铝还原为金属铝。而实现这一还原 过程，需要用大量直流电。为了降低成本保证庞大的电解槽高效运行，电解铝厂 需耗费大量的投资建设复杂的整流所以实现安全、经济、连续的供电。 供电整流系统n 1 7 1 是整个铝电解生产系统的核心，负责向电解供电的整流所 ( 供电站) 常常被誉为电解生产的“心脏”，其重要性由此可见一斑。对铝电解生 产过程束说，恒定的直流电流供给是非常重要的一环。目前，由于绝大多数电解 铝企业都采用可控硅整流技术，可控硅整流元件又叫晶闸管，英文缩写s c r ，是 一种大功率硅半导体器件。它具有同半导体二极管相似的单向导电特性，但它的 导通可控制，所以说它是具有可控的单向导电特性的整流元件。利用它的特性， 可以组成各种不同功能的装置把交流电变换成大小可调的直流电。 但是在实际生产中，很难按生产实际保证瞬时恒定直流的供给。由于铝电解 过程中的阳极效应及供电系统的电压波动是很难避免的，从而引起电解系列电流 不同程度的波动，通常其波动范围都在设定恒流值的1 5 。在其它条件相同的情 况下，这种电流波动将使铝厂的电能消耗增加3 左右，即吨铝增加电耗 4 0 0 5 0 0 k w h 。 对于新建的电解生产线来 兑，供电方案是比较容易选定的：根据产能设计的 需要，选用合适的设备和参数，电力供应线路选用符合设计标准的选型即可，不 用过多考虑现有设备的影响，而且施工完毕后，可以按照标准程序试运行。但是 山东大学母 学位论文 对于电解改造项目来说，由于受现有场地、设备、投资额度等等各方面因素的限 制和制约，就要在现有基础上，综合考虑对于现有生产线和产能的影响，现有设 备的综合利用率有多高，能节约哪些设备投资，对现有设备还要有哪些必不可少 的改造等等。这就给每一个不同的电解生产厂家提出了不同的难题。供电方案的 重新设计和选择就在所难免。 1 4 本课题的研究意义 由于铝电解行业的重复上马和污染问题，国务院下达了“关、停国内自焙槽 铝电解系列”的有关文件。 我国处于社会主义初级阶段，生产力不够发达，经济基础薄弱。在国内自焙 槽铝电解系列关、停及改造过程中，应尽可能降低损耗，节约资金，发展铝电解 生产。 本研究课题独创了大功率可控硅整流装置叠加供电方式，既能提供8 0 k a 系列 小型预焙槽生产用电，又能提供2 0 0 k a 系列大型预焙槽生产用电，满足了生产、改 造的需要，为我国铝电解行业由小型电解槽改为大型电解槽，提供一种成功的供 电技术，在满足铝电解生产工艺要求的条件下，降低整流供电设备的投资，从而 实现降低设备投资和节约社会资源的目的。 1 5 课题的来源和主要内容 山东铝业公司是我国“一五”期间的国家重点建设企业，在铝行业有较高的 影响。根据国家的政策，需要对6 0 k a 侧插自焙槽进行改造，改造成2 0 0 k a 预焙槽。 由于建设资金紧张，现有整流所场地较小，加之要“边建设边生产”，考虑到一 所、二所整流机组运行稳定，能否在尽量少地改动原有设备的基础上，提供一种 新的、安全可靠的供电方式，使得两套独立系列的大功率可控硅系统能够同时应 用于铝电解生产的供电。使投资最小，能充分利用现有设备，安全、稳定、持续 供电。为我国铝电解行业由小型电解槽改为大型电解槽，在供电问题上，提供可 以借鉴的成功经验。 本文的主要研究内容是： ( 1 ) 独创了大功率可控硅整流装置叠加供电方式，既能提供8 0 k h 系列小型 预焙槽生产用电，又能提供2 0 0 k h 系列大型预焙槽生产用电，满足了生产、改造的 需要，为我国铝电解行业由小型电解槽改为大型电解槽，提供一种成功的供电技 4 山东大学顶l 学位论文 术。 ( 2 ) 改造了整流器的快速熔断器的冷却装置，设计、加装了水冷系统，使得 快熔的温度平均降低了约4 0 。c ，降低了昂贵备件的消耗。 ( 3 ) 对于整流器一次侧过压吸收保护装置进行了改造，由原来的混合接法改 为星型接法，取消电阻器：压敏电阻接线方式改为三角形接法。避免了电容器的 损坏，使保护正常动作。 ( 4 ) 对原来的计算机控制系统进行了改进，稳流系统采用p l c 组成的网络结 构来实现电解供电系统的自动稳流控制，可靠性和稳定性得到了很大的提高，故 障率明显下降。 ( 5 ) 针对电流叠加供电后系统谐波增加及其负荷增加造成异网供电的功率因 数降低、电压畸变率增大的情况，对原有滤波系统进行了改造，达到了抑制谐波 的效果，提高了电网质量。 1 6 本章小结 本章主要对电解铝生产的现状和面临的挑战和机遇进行了分析，这就是本课 题研究的背景；分析了课题的来源、主要研究内容和意义。原来的自焙槽要求关、 停，有条件的改为预焙槽。这不仅仅涉及到槽型的改变，更重要的是供电设备和 供电方式的重新投资和调整。在对现生产影响最小的前提下，改造现有设备，设 计科学、可行的供电方案，并对供电方案调整后带来的一系列问题进行攻关、改 造，是本课题的任务，同时为我国铝电解行业由小型电解槽改为大型电解槽，在 供电问题上，提供可以借鉴的成功经验。 垂末天掌硬卜学位论文 第2 章供电方式设计 2 。1 设备及供电现状 2 。1 1 毫解攘艨遴 所谓自焙电解槽和预焙电解槽，主要是针对铝电解用的阳极碳块柬说的。自 焙阳极指在电化举反应过程中，阳极碳块边通电边焙烧，以提高其导电性能。预 焙阳极指在进入魄亿学反应过程静，阳极碳块已焙烧宠成，导电性能高，憩孵厂 房惩尘少、浮繁羝。 铝电解槽的结构如下图，主要由静电秆、阳极碳块、槽壳、内衬、电解质、铝 水组成。 图2 1 错电解槽结构图 2 1 2 铝电解对供电的技术要求 l 、铝电解受簿为一级负荷，另外，电解车| b 的多功能天车、接取铝滚的粪空 泵，全厂毪承累蜷、整流掰懿蜜薅毫簿动力受蘸邀穆为一缀受芬。嚣瑟，丈爱键 电解厂的一级负衙约占全厂总负荷的9 5 ，因此供电的可靠性是第一位的。 2 、正常情况下( 包括检修及一般事故) 不许停电；极端情况下，允许众停电 3 沪叫5 分钟。全傍电时间指电解楷的悫流电源中断时蚓，即包括整流机组为恢复 送逮辑嚣对瓣，数电源实际中颧瓣瓣疲芟短。 6 山东大学母1 学位论正 3 、电解铝产应该有两个( 或以上) 独立电源供电。 4 、大型铝工业基地的电解系列电流向超大方向发展。我国目前的大型铝厂将 逐步淘汰6 0 k a 的自焙电解槽，发展为1 3 0 k a 至2 0 0 k a 的预焙电解槽，最大的可 达到2 8 0 k a ，而直流电压却不高，只有几百伏到一千多伏不等。整流电源是大电 流、低电压的超高压直降机组。 2 1 3 改造前供电现状 一 电解槽稳定生产需要的大电流，需要通过供电站或者变电所( 整流所) 来提 供稳定的电流。一般通过变压器、整流器得到符合规定电压和电流的稳定电源。 2 0 0 2 年，山东铝业股份有限公司电解铝厂有2 2 0 台6 0 k a 电解自焙槽和9 4 台 8 0 k a 电解预焙槽。 6 0 k a 电解自焙槽由瑞典a b b 公司生产的3 台直降可控硅整流机组( 以下简 称为一所整流机组) 供电，单机组容量为1 0 6 0 v 3 6 k a ，供电能力为1 0 6 0 v 1 0 8 k a ； 8 0 k a 电解预焙槽由国产的3 台直降可控硅整流机组( 以下简称为二所整流机组) 供电，单机组容量为5 0 0 v 4 5 k a ，供电能力为5 0 0 v 1 3 5 k a 。两套可控硅整流机组 均带1 1 0 k v 滤波器。 为一所供电的两路1 1 0 k v 线路来自距整流所1 2 k m 的南定电厂；为二所供电 的1 1 0 k v 线路，一条来自距整流所1 6 k m 的千峪变电站，另一条来自距整流所2 k m 的水泥厂变电站( 见图2 2 ) 。正常运行时，两个整流所的电网单独运行，不允许 环网运行。 2 2 供电技术改进 2 2 1 改进要求 在保证边生产、边改造的大原则的前提下，改造工程应尽量利用现有可用设 施，降低投资费用，改造工作应严格执行有关设计、施工、验收等技术规程和规 范。 2 2 2 设计原则 根据项目改造的要求，设计改进原则为： 1 、投资原则 用于铝电解生产的设备投资一般比较大，我国现行的投资为：年产能1 力| 吨 7 山乐人掌坝t 掌位论文 的电解铝厂，综合投资为1 1 亿元，而为其供电的整流设备造价一般为综合投资额 度的1 0 ，即1 1 0 0 万元左右。对于电解改造，遵循尽可能降低投资的原则，整流 供电系统也不例外，在尽可能利用原有设备的基础上，进行改造，一方面降低新 设备的投资额，同时利用了闲置设备，降低了整体投资额度。 冰泥厂变电站( 1 l o k v ) 千峪变电站南定电厂( 1 l o k v ) 图2 2 改造前供电系统图 山东大学顾卜掌垃论文 2 、设备选用原则 整流供电可以说是铝电解生产的命脉，因此，在设备整体选择时，必须满足 安全性高、可靠性高的原则。改造选用的设备必须是通过省部级鉴定的国产优质 产品，应优先选择国家经贸委和国家电力公司推荐的产品。 3 、施工原则 由于铝电解启动费用高，年产能1 力吨的电解铝厂，新槽启动费用在4 0 0 万 元左右，旧槽启动费用更高。因此，在设备改造时，一般采用边生产、边改造的 原则。 2 2 j 3 改进方案 1 、改进方案1 拆除第一整流所，将6 0 k a 电解槽全部停产，重新建一整流所，整流装置主 要为可控硅直降整流机组，这套设备预计投资7 5 0 0 万元。 图2 3 改进方案2 示意图 9 粕券天擘黟 学篷论z 2 、改进方案2 正常运行时，9 4 台8 0 k a 电解预焙槽直流电压约为4 0 0 v ，1 0 2 台2 0 0 k a 电解预 焙槽直流电压约为4 3 0 v 。 耄二鬃整浚糖缝为8 0 k a 电麓戆貘怠，这弹孝定戆够瀵廷8 0 k a 毫簿攮，童产嚣 要，如魄，鄹只能由一所整流梳缀栗为2 0 0 k a 电解礴供电。所整流丰凡缀供电能 力为1 0 6 0 v 1 0 8 k a ，整流变压器又凭倒段开关，而2 0 0 k h 电解槽正常运行时_ 敷流电 压大约只有4 3 0 v ，可控硅整流器势必要长期深控运行，而且功率因数低，逡行十 分不经济，同时，童流电渡要供给2 0 0 k a ，要么建设2 念5 0 0 v i o o k a 兹整浚援组， 魏匿2 3 麝汞，要么建设3 台5 0 0 v 5 6 k a 的整滚税缀。按照这静方案，设器授资 约为2 5 0 0 万元( 含更换一所3 台熬流变压器) 。 强2 - 4 蒋鞠供电方式示意楚 lo 山东大学硕卜学竹论z 3 、改进方案3 即叠加供电方案。正常运行时，9 4 台8 0 k a 电解预焙槽直流电压约为4 0 0 v ， 1 0 2 台2 0 0 k a 电解预焙槽直流电压约为4 3 0 v 。一所直流电压能够满足8 0 k a 电解 槽和2 0 0 k a 电解槽电压( 正常运行约8 3 0 v ) 的需要，而一所整流机组只能满足7 0 k a ， 考虑到一台机组停电检修，要供给8 0 k a 电流， 一所需增加一台整流机组。所 整流机组供给8 0 k a 电流，二所整流机组正常又只能供给8 5 k a 电流，也考虑到一 台机组停电检修，要满足2 0 0 幽, 电解槽供电，二所也需增加一台整流机组。这种 方案需设备投资1 0 0 0 万元。山铝股份电解铝厂2 0 0 k a 预焙槽叠加供电方式如图 2 - 4 所示。 从以上三种方案的比较可以看出，从节约投资、充分利用现有设备的要求来 看，选择方案3 是适宜的。 2 2 4 改进方案理论依据 1 、整流原理 所谓整流1 6 ，1 刀，是指利用半导体元件，将正常使用的正弦交流电转换为直流 电的过程。一般的整流元器件有二极管和可控硅两种。 二极管有一个p n 结，当承受正向电压即导通，其输出电压的调整依靠调整整 流器输入的交流电压来进行。可控硅有两个p n 结，当承受正向电压时，通过选择 对控制极施加正向电压，使可控硅导通。由这两种整流元件组成两种整流设备， 现在我国使用较广的是：电网一调压变压器一整流变压器一饱和电抗器一二极管 整流器系统，另一种是电网整流变压器一可控硅整流器系统。 2 、叠加原理 可控硅整流机组，在其直流电压 范围内，直流电流为一恒定值，我们 可以认为是一恒流源。 在电工学中，根据电流连续性原 理，我们得出节点电流定律，即克希 荷夫第一定律：复杂电路中流入任意 节点的电流之和等于从该节点流出的 电流之和，以及戴维南定理：任何一 图2 - 5 叠加供电原理图 山乐丈学坝f 一掌p 论文 个有源二端网络，都可以用一个电动势和一个内电阻相串联的等效电源来代替。 如图2 5 所示，负载r l 既要流过电源e 2 的电流1 2 ，又要流过电源e 1 的电流，流 过负载r 1 的电流为电源e 1 、e 2 的电流之和，流过负载r 2 的电流只能是电源e l 的电流1 1 。如果电源e l 为一所整流机组、电源e 2 为二所整流机组、负载r 1 为 2 0 0 k a 电解预焙槽、负载r 2 为8 0 k a 电解预焙槽，则该图会变成叠加供电的原理 图。 2 3 可行性分析 2 3 1 技术可行性 1 9 9 2 年，山东铝业股份有限公司电解铝厂三车间安装了8 台7 5 k a 电解试验 自焙槽，在解决供电问题时，由一所可控硅整流机组供给6 0 k a 电流，由原来停 用的1 l o k v - 1 0 k v - 8 2 5 v 调压变压器硅二极管整流器变电整流后供给2 0 k a 电流。 在三年的运行时间里，8 台试验槽运行稳定。这种应用证明可控硅整流机组与硅二 极管整流机组进行叠加供电是可行的，而且两种整流机组在整流变压器容量、电 压等级等完全不同。 在我国的化工行业，有过较小容量可控硅整流机组叠加供电的应用实例；在 铝行业，也有硅二极管整流机组叠加供电的应用实例。 无论是二极管整流还是可控硅整流，在我国的化工、冶金、铝冶炼行业均已 得到使用，在整流器的制造技术，国内已经基本过关。 2 3 2 实际操作可行性 自1 9 9 0 年，山东铝业公司已经使用瑞典a b b 公司生产的可控硅整流器，1 9 9 5 年，又使用了国产的第一套可控硅整流装置，可以说，对于可控硅整流技术和在 实际生产中的应用，设备的运行状态和日常故障的判断和维护，公司的专业技术 人员和运行值班人员已经有多年的设备运行和维护经验，能够处理一般性的技术 问题，能够保证设备的正常运行。 现有场地能够满足新增加的机组对于场地空间要求。 2 4 本章小结 在分析现有供电方式的基础上，从理论和实际两方面进行探讨，对提出的三 种供电方式进行分析，提出并确定合理和可行的供电方式，即电流叠加供电。使既 12 能满足生产改造的需求，又降低重新投资和改造的成本。电流叠加供电是在电解 改造项目中最具创新、降低成本最显著的环节。 第3 章叠加供电整流机组的技术参数 3 1 原整流机组技术参数 3 1 1 一所整流机组技术参数 1 、一所整流变压器( 挪威 技术参数 额定容量：4 7 3 0 0 k v a 额定电压：1 1 2 5 k v 9 2 7 v 额定电流：2 4 3 a 2 9 4 6 2 a 短路阻抗：1 0 冷却方式：强迫油循环风冷却 接线方式：y 三台整流器相位：+ 2 0 。、0 、2 0 无倒段开关 2 、一所整流器技术参数 一所整流器由瑞典a b b 公司生产，单台机组技术参数为：输入交流额定电 压：3 相9 2 7 v 输入额定交流电流：2 9 3 9 0 a 输入接线方式：三相桥式整流 输出额定直流电流：3 6 k a 输出额定直流电压：1 0 6 0 v 均流系数： 0 9 0 效率： o 9 8 稳流精度：1 可控硅并联数： 6 冷却方式：并联水冷却 三台整流器相位： + 2 0 。、0 、2 0 。 3 1 2 二所整流机组技术参数 1 、二所整流变压器( 江西变压器厂) 技术参数 额定容量：2 7 8 5 0 k v a 14 山东 、学硕卜学位论史 额定电压：1 1 0 k v h 3 7 v 额定电流：1 4 6 2 a 4 9 2 0 0 a 短路阻抗：1 0 2 冷却方式：强迫油循环风冷却 接线方式：y 三台整流器相位： + 3 0 。、+ 1 0 。、1 0 。 无倒段开关 2 、二所整流器技术参数 二所整流器由天津电气传动设计研究所生产，单台机组技术参数为： 输入交流额定电压：3 相4 3 7 v 输入接线方式：同相逆并联桥式整流 输出额定直流电流：4 5 k a 输出额定直流电压：5 0 0 v 均流系数：0 9 0 效率：o 9 8 稳流精度： 1 可控硅并联数：4 冷却方式：并联水冷却 三台整流器相位： + 3 0 。、+ 1 0 。、1 0 。 3 2 新增整流机组技术参数设计计算 3 2 1 新增整流器技术参数确定 1 、第一整流所 根据生产工艺的要求，第一整流所的供电电流由原来的6 4 k a 增加到9 2 k a ， 必须新增一套整流机组，该机组有整流器两台，考虑到安全裕量，并且与原来的 机组的匹配，每台整流器的直流电流确定为1 8 k a ，直流电压为1 0 6 0 v 。 2 、第二整流所 根据生产工艺的要求，第二整流所的供电电流由原来的8 4 k a 增加到1 2 0 k a ， 必须新增一套整流机组，该机组有整流器两台，考虑到安全裕量，并且与原来的 机组的匹配，每台整流器的直流电流确定为2 2 5 k a ，直流电压为5 0 0 v 。 15 山东大学硕 i 学位论史 3 2 2 新增整流变压器技术参数计算 1 、第一整流所 ( 1 ) 整流变压器二次额定电流计算： e b l 2 = i d l 0 4 0 8 = 1 8 x0 4 0 8 = 7 3 4 4 k a 取7 4k a ( i e b l 2 ：一所新增整流变压 器= 次线电流；i d l ：一所新增整流器输出直流电流；0 4 0 8 ：三相桥式、同相逆并 联计算系数) ( 2 ) 整流变压器二次额定电压计算： u e b l 2 = u d l 0 8 5 5 = 1 0 6 0 0 8 5 5 = 9 0 6 v ，取9 2 7 v ( u 聊2 ：一所新增整流变压器 二次线电压；u 一所新增整流器输出直流电压；0 8 5 5 ：整流器输出直流电压与 一次侧线电压的计算系数) ( 3 ) 整流变压器容量计算： & 1 = 1 7 3 2 xu e m 2 xi e a l 2 = 1 7 3 2 x7 4 9 2 7 = 1 1 8 8 1 k v a = 1 1 8 8 1 m v a 选取1 2m v a 。由于为同相逆并联方式，因此整流变压器的实际容量为1 2 2 = 2 4 m 气。 2 、第二整流所 ( 1 ) 整流变压器二次额定电流计算： i e 8 2 2 = i d 2 0 4 0 8 = 2 2 5 o 4 0 8 = 9 1 8 k a 取9 2k a ( i e b 2 2 ：一所新增整流变压 器二次线电流；i d 2 ：一所新增整流器输出直流电流；0 4 0 8 ：三相桥式、同相逆并 联计算系数) ( 2 ) 整流变压器二次额定电压计算： u e b 2 2 = u d 2 x0 8 5 5 = 5 0 0 0 8 5 5 = 4 2 8 v ，取4 3 7 v ( u e b 2 2 ：一所新增整流变压器 二次线电压；u d 2 一所新增整流器输出直流电压；o 8 5 5 ：整流器输出直流电压与 一次侧线电压的计算系数) ( 3 ) 整流变压器容量计算： s 。2 = 1 7 3 2 u e b 2 2 l e b 2 2 = 1 7 3 2 9 2 4 3 7 = 3 9 6 3 k v a = 6 9 6 3 m v a 选取7m v a 。由于为同相逆并联方式，因此整流变压器的实际容量为7 * 2 = 1 4 m v a 。 3 2 3 供电系统短路电流计算 电网短路电流的计算一般有两种方法：一种是直接计算法，另一种是相对法 l6 l 东大学而十学位论之 也叫杯幺值计算法。由于直接计算法比较复杂，一般采用标幺值计算法，本人采 用标幺值计算法。 1 、第一整流所 ( 1 ) 短路容量 由淄博市供电局给出，南定电厂出线口，短路阻抗x 1 = 0 3 7 6 3 基准短路容量 为s i = 1 0 0 0 m v a ，电网平均电压u j = l l o k v ，则电厂出口的短路电流为i = s i x 1 1 7 3 2 1 1 0 = 1 3 9 5 k a 。 ( 2 ) 整流变压器短路阻抗 x * j b = s s c b xu d 1 0 0 ( x * j b ：整流变短路阻抗；s j ：基准短路容量为 s j = 1 0 0 0 m v a ；s e a ：整流变压器额定容量，单位m v a ；u d ：整流变压器短路电压) 则整流变压器的相对短路阻抗x * j b = 1 0 0 0 2 4 x1 0 1 0 0 = 4 1 7 ( 3 ) 供电线路短路阻抗计算 x + j 1 ：s j u p j xx o xl = 1 0 0 0 1 1 0 2 xo 4 x1 2 = 0 0 3 9 6 ( x ；一所供电线路短路阻 抗；s j ：基准短路容量为s j = 1 0 0 0 m v a ；u l , i ：供电线路平均电压；x o ：供电线路的 单位感抗；l ：供电线路的长度) ( 4 ) 一所整流器一次侧短路参数计算 a 整流器一次侧短路阻抗 x + z = x + i + x * j b + x * x l = o 3 7 6 3 + 4 1 6 6 7 + 0 0 3 9 6 = 4 5 8 2 6 ( x + l ：电厂侧短路阻抗： x + i b ：整流变压器短路阻抗；x * x l ：供电线路短路阻抗) b 整流器一次侧短路容量 s z = s j x * z = 1 0 0 0 4 5 8 3 = 2 1 8 2 0 m v a ( s z ：整流器一次侧短路容量：s ；：基准短 路容量为s j = 1 0 0 0 m v a ；x ：整流器一次侧短路阻抗) c 整流器一次侧短路电流 k = s z 1 7 3 2 0 9 2 7 = 1 3 5 9 k a ( i z ：整流器一次侧短路电流；s z ：整流器一次侧 短路容量；9 2 7 ：整流器一次侧线电压) 2 、第二整流所 ( 1 ) 短路容量 由淄博市供电局给出，南定电厂出线口，短路阻抗x * l = o 9 7 0 3 基准短路容量 为s j = 1 0 0 0 m v a ，电网平均电压u 】= 1 1 0 k v ，则电厂出口的短路电流为i = s j x 4 1 1 7 3 2 1 1 0 = 5 5 k a 。 山琢尤