大型铝电解系列不停电技术及成套装置研制项目(ppt 71页).ppt

国家重大产业技术装备研制和重大产业技术开发专项“300kA级铝电解槽生产综合节能技术开发”大型铝电解系列不停电(全电流)技术及成套装置研制,项目汇报河南中孚实业股份有限公司华中科技大学郑州中实赛尔科技有限公司,一、项目简介,1、项目背景,电解铝是一种重要的基础原材料，是仅次于钢铁的第二大金属铝电解槽大容量、大系列已成当今世界铝电解工业的技术主流“铝电合一”形成的大系列、小电网运行模式成为电解铝工业发展的突出特点，电网适应电流波动的能力薄弱系列中电解槽停槽检修、新槽启动、大修槽阴极钢棒焊接而沿用的系列停电或大幅度降负荷的操作模式对于铝电解系列而言，好比正在行军的部队，因为一个士兵的原因，整个部队要停下来等待；造成的不良影响日益突出而又无法避免，成为长期困扰铝电解行业的技术难题,2、项目来源,本项目是国家重大产业技术装备研制和重大产业技术开发专项“300kA级铝电解槽生产综合节能技术开发”项目（豫发改高技20051005号和发改办高技1255号）课题之一本项目由河南中孚实业股份有限公司承担，华中科技大学、郑州中实赛尔科技有限公司共同实施,3、项目主要内容,研究铝电解槽停、开槽电流转移过程的规律及控制方法，研究铝电解槽大修阴极钢棒各区磁场分布与母线电流的关系及调整方法研制铝电解槽不停电（全电流）停、开槽，及大修焊接的方法和装置推广应用以上方法和装置，从而彻底解决铝电解槽大修停电的技术难题,4、项目主要研发过程,早在1995年12月，我国280kA大型铝电解试验槽开动前首次进行短路试验时，没有停电操作，结果造成了短路口“放炮”，短路母线遭到严重损坏，使整个试验槽启动计划推迟了3天然而经过对许多电气专家和电器设备厂的咨询，当时形成的结论开发这样的装置几乎是不可能的1997年9月，课题组成员之一的梁学民同志联合时任湖北超高压输变电局总工程师的李国兴教授（国家带电作业专家委员会成员），所在单位提交了“开发铝电解不停电短路装置的申请报告”和初步设想，经专家讨论，结论也是否定的,最早提出本项目研发的文件,一九九七年提出的项目申请报告,研究人员就项目合作签订的技术协议,4、项目主要研发过程,本项目于1996年开始构思，并进行前期调研和数据收集；2002年开始申报国家经贸委技术创新项目；由于政府换届未能立项；2004年6月企业自筹资金启动。根据课题组顾问李国兴教授和孙立锦教授的建议开始与国外某著名大电流开关制造企业（产品最大电流60kA）合作开发该技术。与此同时再次以“300kA级大型铝电解槽综合节能技术开发”课题（本课题为六项分课题之一）开始申报国家发改委“国家重大技术装备及重大产业技术开发专项”资金计划，经过多次评审论证，并于2004年9月30日在北京铁道大厦通过了最后一次专家评审。2005年6月25日国家发改委正式批准立项（发改办高技1255号）。,4、项目主要研发过程,其间课题组在中孚实业320kA电解槽上模拟大电流分流短路试验条件进行了大电流转移试验取得了成功，证明了大电流短路分流方法的可行性经过历时一年多时间的合作开发，通过不断的技术研究和方案修改，两次现场考察和四次技术谈判。2005年6月12日课题组与国外合作单位在西安就电解槽不停电停开槽专用大电流开关组的开发方案达成一致，并签订了技术合作协议，约定于2005年7月初正式签订商务合同。但是一个多月后外方通过代理商转告课题组“对项目没有把握，担心影响其产品声誉”。至此，课题组开发工作陷入困境。,4、项目主要研发过程,课题组根据李国兴教授的建议，决定联合华中科技大学按照课题组最早提出的开发方案，由国内自主开发试验。本项目历经十多年的理论研究和资料收集，经过数十次的试验室试验和十余次现场试验，于2006年9月，终获成功。经过对技术及装置的进一步完善，形成了成熟的不停电（全电流）停、开槽和大修焊接技术，制造并应用了成套的装置。目前，河南中孚实业股份有限公司已应用该技术及装置成功停、开320kA电解槽79台次，大修焊接电解槽10余台次，申报国家专利7项,4、项目主要研发过程,二、项目开发研制,1、铝电解不停电技术研究与试验,铝电解槽停、开槽过程计算与分析铝电解槽不停电停、开槽研究思路大电流转移试验与分析全电流条件下大修槽阴极钢棒焊接技术研究与试验,铝电解槽停、开槽过程计算与分析,铝电解系列的特点系列有几十台到数百台电解槽串联而成，单台槽具有大电流（达直流300kA以上）、低电压（直流4V左右）的特点，整个系列具有大电流、高电压（达1300V以上）的特点。系列中任一台电解槽停槽或开槽操作，都将涉及系列主回路，并承受巨大的电流转移。电解槽的停或开槽是通过操作短路口的闭合和断开来实现的。,单台电解槽电路原理,电解槽短路口断开过程中，短路母线分流量及槽电压变化量如右表。短路口闭合过程与此相反。,停、开槽计算,停、开槽分析,无论是停槽还是开槽，都是电流从一个回路转移到另一个回路的过程，这个过程是动态的非线性变化电解槽停槽时带电闭合第一块短路块，开槽时带电断开最后一块短路块，电流转移的能量最大只要短路块接触面之间有电位差，在闭合或断开短路块时，都会产生气体放电现象，即所谓的“打火”或“放炮”现象“打火”的能量取决于打火的电流、电压（槽电压）和维持时间逐个断开和闭合短路块的最大电流转移量近200kA，直接操作短路块是不可行的,铝电解槽停、开槽过程电流、电压动态变化曲线,不停电停、开槽过程研究的关键问题,电流转移动态过程的监测与控制无论停槽还是开槽，闭合或打开每一片短路块，电流转移量及电压变化量都是不同的，对过程中的每一个步骤都要有相应的控制策略和措施，以避免形成电弧；回路电阻的控制与平衡电流转移过程中，所有电接触部位及导体的电阻都必须限制到很低的数值，否则由电发热引起的温升可能造成接触部位金属熔融，形成熔焊。,铝电解槽不停电停、开槽研究思路及方案,总体思路不停电停、开电解槽的关健是在全电流条件下安全打开或闭合短路块。安全打开或闭合短路块的前提是电流转移的能量要小，即产生火花的能量小降低电流转移的能量的途径是，降低短路口两端的电压（等于槽电压）、减小短路口通过的电流经过研究提出了采用短路口分流技术技术路线。,短路口分流技术（方案一）,采用一种电阻足够小并带有大电流开、合功能的装置。在停槽时，把处于断开状态的装置接入电路，然后让装置闭合，形成短路口的分流，然后闭合短路口，再断开并联回路，即实现停槽；开槽时，反之。此法称之为“分流短路法”,短路口分流技术（方案二）,电解槽开槽前，在短路口两端并联上一组电阻足够小的分流电阻，然后在此分流电阻的分流保护下，断开所有的短路块，随后电阻阻值迅速增大，使分流量逐渐减少，通过电解槽的电流逐渐增大，最终使电流全部转移到电解槽上，实现电解槽的开动。反之，用于停槽。此法称之为“过渡电阻分流法”,其它方案,研究过程中，项目组专家还提出了如“液态电阻调压法”、“超导分流调压法”等研究方案，经研究和试验分析论证后，选择了前述的两种方法开展进一步的研究开发。,不停电大修阴极钢棒焊接技术,现象电解槽大修时，需要把阴极钢棒与外部的母线焊接连通，这一操作必须在电解厂房完成阴极钢棒焊接部位处于上、下游电解槽及自身母线电流产生的强磁场中，钢棒头磁性较强，焊接时偏弧和飞溅严重，无法进行常规焊接。,目前采用的方法,一是槽壳内磁屏蔽焊接法二是系列停电焊接法三是钢棒头压接法四本项目电、磁平衡调整法,电磁平衡调整法,通过对中孚320kA铝电解槽进行研究和试验，经过现场测量、槽母线配置分析及电、磁计算后，将电解槽划分为几个区域，采用电流平衡和电磁补偿措施分别调整各施焊区域的磁感应强度，使区域内的磁场数值降低到能够顺利焊接的范围，从而保证钢棒能够很好地进行焊接。同理，分步调整各区的磁场强度，最终实现全部焊接。2005年10月25日，对1024#大修槽采用该技术进行焊接试验，取得了成功。此后，中孚实业320kA系列所有的大修槽全部采用这种方法进行不停电焊接。2006年该技术实现了技术转让（见附件）。,2、不停电停、开槽装置研制,大型铝电解系列全电流条件下停、开槽装置研制涉及电、磁、热、材料及机械等学科。涉及电解槽停、开槽大电流转换过程电流、电压以及能量转移等动态过程控制装置应具备的最基本的功能有三个：一是具备大电流（数十万安培）有载接通和分断能力二是具有较大的通流能力三是体积小、重量轻、无磁性，能够符合现场的使用要求。主要技术难点：大电流转移过程中电弧熄灭及大电流发热问题；多点操动机构的同步问题；现场装置的安装与操作问题,“大电流分流有载短路”装置,试验样机的研制试验样机用于本项目原理性试验，装置技术指标及性能的测试，为实用样机提供技术参数。试验样机一台。技术要求额定断口电压DC10V额定工作电流DC70kA带电部位对地最高耐压DC1400V额定通流情况下压降150mV瞬间耐受冲击电流DC350kA环境温度80外观尺寸5007001000mm内,单触电结构设计方案,设计制造,方案设计。确定样机的基本结构：板式框架多触头，多驱动，快速动作方案论证。触头形式论证，驱动机构选择论证，导电材料论证，控制方式论证设计计算。通流能力计算，电动力计算，电气发热计算，结构力学计算，驱动力计算设计。结构设计、电气设计、控制设计、安装方式设计、配套工具设计材料选择、机构匹配。无磁性材料，磁动力驱动，分级绝缘设计样机制造,样机试验,热稳定试验接通样机20分钟，测量分流量和导电部件温度，测量导体电压降动稳定试验闭合、断开样机数次，观察闭合、断开过程，观察机械应变情况,试验样机首次试验照片,试验结果,样机闭合顺利，闭合后槽电压由原来的4.2V降到了1V以下，装置通流量59kA，稳定通流20分钟，测量装置内部导电体温均能不高于80，总电阻不大于10。样机断开时，观察到个别触头有较强火花，并伴随有爆鸣声，产生火花的触头表面被烧蚀。经过测量分析，造成以上现象的原因是灭弧装置导流量小，因此在改进型样机试验中采取了新的灭弧措施。,改进型样机制造与试验,改进型样机共五台（针对中孚320kA电解槽设计）组成，由电气智能控制系统完成整套装置整体操动。技术要求额定断口电压DC10V额定工作电流DC350kA带电部位对地最高耐压DC1400V额定通流情况下本体压降150mV五台不同步时间0.02s环境温度80,改进型样机的特点,采用超大截面断口及高导流导电系统，单断口通流能力达10kA，通流率高，发热量小；导电分流系统采用扁平结构，增加表面散热，在电流密度比试验样机增大一倍的情况下，导电体温升并没有增大；创新设计并应用了板式框架结构，整个框架只有三块钢板和数根连接杆件组成，体积小巧，安装方便，重量比第一代样机降低了60%；驱动机构采用近几年来开关行业最新技术磁动力操动机构，创新应用多组磁动力机构驱动单台设备技术和多组磁动力机构同步联动技术；传动部分研制并应用了联臂杠杆机构和强弹力推动机构，使各断口的同步性达到毫秒级，并使断口之间形成强力弹性压接，单个断口压力可达200kg以上；,改进型样机的特点,6.创新应用了断口自适应平面接触装置，使断口电接触率高，压接效果好，单断口电阻降低到10以下；7.研制应用了二次灭弧装置，可使电弧集中到预定的灭弧触头上，并在灭弧触头上被熄灭；8.简化了外部连接结构，通过软母排直接压接到立柱与短路块之间，软母排总长度不到1米，开发了专用压接卡具，安装方便，总安装时间不到30分钟；9.研制了“多路磁力机构智能控制装置”，实现了多达数十台磁力操动机构的智能同步动作，同步动作误差小于20mS，解决了多台同步动作的技术难题；10.主体结构采用非磁性材料制造，能够在强磁场环境下安全运行；11.采用三级电气绝缘，保证使用时的电气安全。,多路磁力机构智能控制系统,结构组成此装置主要由控制单元、调压整流单元和储能放电单元三个部分组成。控制单元采用PLC控制器，通过编制程序来控制装置的分、合闸操作以及储能电容器的自动充电；调压整流单元根据现场不同的电源形式来调整整流侧的输入电压，从而得到符合要求的整流输出电压；储能电容主要是用来给磁力机构提供大电流脉冲。,技术参数,输入电压AC380V充电电压DC0400V可调充电时间1065S手动放电时间20S合闸电流200A分闸电流150A合闸脉冲宽度10300mS分闸脉冲宽度10200mS动作精度误差3%输出回路数30个通讯接口RS232口,成套装置应用试验,由五台改进型样机组成的具有超大电流通、断能力的短路分流装置及“多路磁力机构智能控制装置”组成的成套装置于2006年8月完成试制，9月完成调试和性能测试。10月4日，进行了工业生产实用试验。试验在中孚实业320kA系列1036#槽上进行。,320成套装置首次工业试验现场照片,试验条件,改进成套样机首次工业现场试验在中孚320kA电解槽上进行，该槽进电方式为非对称五立柱进电，试验槽处于正常生产状态，槽电压.2，电流320kA。不停电停、开槽装置共有五台设备构成，每个立柱上安装一台。安装方式为软母线连接。控制方式为“多路磁动力机构智能同步控制”。,冷态试验,把成套装置中的五台设备调试好，接通设备与控制柜的连接线。按下闭合按钮，观察五台设备的动作情况，检查十五组触头动作的同步性。检查处于闭合状态的触头的闭合压力和接触情况。按动分闸按钮，断开设备，检查断开的同步性，检查触头接触面的接触率。反复动作三次，观察各传动机构是否工作正常。试验结果：触头合分同步性好，单个触头闭合压力达到200kg以上，触头面接触率达到80%以上。反复动作三次，各机构动作灵活，无异常。,动态试验,装置处于打开状态，进出连接板通过软母线分别与电解槽的立柱和短路块连接。装置同步动作接通后，槽电压由4.1v降低到0.6v。闭合过程十分平稳，没有出现任何打火花现象。按动分闸按钮，装置同步断开。断开过程中，发现处于裸露状态的二次弧触头（为了方便观察拆下了弧触头的灭弧罩）有打火花现象并伴有响声，试验后对二次弧触头进行了解剖，发现其电接触表面有如烟熏后斑点状的痕迹，但没有烧伤；工作触头则没有任何打火现象。表明所设计的三级触头二次灭弧装置取得了成功。,稳态试验与分流量,装置闭合前，槽电压为4.2V，电流320kA，闭合装置，槽电压降低到0.V，分流量测试值为274166A。稳定通流0分钟，对各部件温升进行测量，最高温度不超过0。,短路口操作试验与分析,本次试验表明此技术及装置应用于全电流状态下正常工作的320kA电解槽停或开槽的是完全可行的。根据此次试验，项目组完成了第一代产品的研制，已应用于中孚实业铝业二分公司320KA电解铝系列上。该大电流不停电开关被命名为“赛尔开关”，“CELLSwitch”（电解槽ReductinCell）,赛尔开关样机,赛尔开关整体安装,3、“可变电阻分流法”开槽装置,“可变电阻分流”由连接部分和可变电阻部分组成，即“过渡电阻分流”的一种形式；真正找到一种电阻无限可调的材料是十分困难的，本方案设想这种材料是一种由低电阻开始的导电良好的材料，其电阻值可根据需要迅速增大，到足够大；事实上对导电材料而言就接近于断开，通过研究找到低熔点的特性使其在一定温度下熔断；该装置的核心是可变电阻部分，在电解槽参数一定时，其决定了电流转移的过程，包括分流量、转移速度及熔断时间等。,“可变电阻分流装置”开槽技术理论研究,由于这一过程是不可逆的，因此仅适用于开槽过程先把可变电阻分流装置并接入短路口两端，形成短路口的分流回路，在其分流作用下，可以安全打开短路口。当短路块断开后，大部分电流流经“可变电阻分流装置”，使其严重过负荷而导致温度急剧上升，温度上升时其电阻率也会发生很大的变化。随着通电时间的延长，可变电阻的温度会越来越高，电阻率越来越大，电流逐步向电解槽内转移，通过电解槽导的电流逐步增大，这正适合电解槽开槽时要求的通流特性，避免了系列电流瞬间出现大的扰动，保证了生产的稳定。当可变电阻的温度继续上升，大到其熔点温度时就会被熔断，从而使电流全部转移到电解槽上，实现开槽。可变电阻我们也称其为“熔断器”。,可变电阻分流装置的设计,“可变电阻分流装置”设计要经过严格的电、热计算，并充分考虑到环境温度、通风条件等现场使用条件的影响，以保证精确的熔断时间和合适的分流电流。如果选择不当，可能会使熔断器不熔断或熔断过早，如果熔断过早，会威胁操作人员安全。当电压已升高到一定值，若不熔断，电流就不能完成开槽过程，若强行拆除，则存在较大的危险性，这是试验最不希望出现的结果。分流量：要求总的分流量达到一定比例，才能够满足短路口全部断开时电压不会过高，确保操作安全，分流量过小，会造成短路口无法安全打开；分流量过大，会增加装置的重量，还可能出现熔断过快。,一种“可变电阻分流装置”的分流量计算,一种“可变电阻分流装置”的热传导图,图中A为可变电阻，红色部分是电解槽母线，其余为可变电阻连接部分。,热路图,熔断时间,熔断时间过长或过短都是不利的；在电压一定的情况下，熔断时间取决于分流量多少和熔断器本身的设计参数，如材质、结构、尺寸等。熔断器熔点、热容等参数不同，电阻随温度变化的特性不同，外部形状不同则散热特性，这些均影响熔断器温度升高的速度及热平衡点。熔断器重量不同，熔断需要热量就不同。在电解槽电参数发生变化时，或使用环境（如气温等）变化时，熔断器的以上参数均相应变化，以保证适宜的熔断时间。根据反复试验，得出了熔断时间理论计算至于实际熔断时间之间的经验关系式，并将熔断时间控制在10-15分钟。,分流量计算值,试验分析,根据2068#槽试验的数据，对可变电阻截面及成份进行了改进，并在1065#、1022#、1069#三台槽上进行了试验，试验数据见下表。本次试验在系列满负荷的条件下进行，试验的成功表明，采用“可变电阻分流”技术，选用合适的材料及规格制成的可变电阻，可以实现大型铝电解槽在系列全电流条件下电流转移，从而顺利启动电解槽。首次试验成功的录像资料,三、经济效益和社会效益,经济效益,计算条件数据(中孚320kA系列)系列安装槽数282台电解槽大修周期1500天（设计值）每年大修槽数量70台（282/4）单台槽日产铝2.423吨（电流效率94%）每停、开一台电解槽系列停电时间30分钟每大修一台电解槽焊接停电时间2小时每停一次电影响电解槽电流效率降低1%持续1天每停一次电影响电解槽能耗升高1%持续1天优化生产按每次两台槽停电一次计算全年停电次数105次（7023）每吨铝利税（以目前价格水平计）5000元,减产原铝计算年停开槽时间(30260+2)702=105小时系列减产原铝10524）天2.423吨/台天280台=2968吨电流效率降低减产原铝105天2.423吨/槽天280台1%=713吨总减产原铝量2968+713=3681吨增加能耗按每停一次电影响电解槽能耗（增加1%）持续1天计算105天2.423吨/槽天14200KWH/吨1%X280台=1011.6万kWh,经济效益测算,避免减少铝产量效益5000元3681吨=1840万元节电效益1011.6kwh0.35元/kwh=354万元另外：避免电厂停电少发电5000万kwh,消耗燃油每年3000多吨，经济效益1800万元。对中孚实业而言，该技术产生的经济效益总和超过4000万元/年。预计到2010年，我国电解铝产量将达到1200万吨，推广后预计每年可节电8.5亿度，折合标准煤近10.4万吨，减少电厂燃油消耗3.99万吨（铝电合一企业按1/5份额），折合标准煤5.7万吨，增产铝约12万吨，增加经济效益10亿元以上。,社会效益,本项目研制开发的技术及装置能够实现铝电解系列不停电停、开槽和大修焊接，节能效果显著，且降低阳极效应减少了大量CO2及其它有害物质的排放量，减少了能源消耗；由于增加了电解槽及发电设备的寿命，减少了由大修带来的废物排放，节约大量的资源，具有显著的节能和环保效果，符合国家的产业政策。,推广应用前景解决了铝电解槽系列单台电解槽大修系列停电的技术难题，避免了因此造成的供电负荷大幅波动对电解系列造成影响，改变了传统的生产操作模式，实现了电解铝在非事故条件下的不停电生产，对于高耗能产业的电解铝工业而言，在节能、增产、环保以及减少对电解铝、电力系统的设备危害都有着重要意义。,我国电解铝产能居世界第一位。除大型特大型电解槽系列以外，本项目技术及装置不仅适用于大型、特大型铝电解系列，而且对于中小型电解槽生产系列而言，