用國產(chǎn)整流設(shè)備替換進(jìn)口整流設(shè)備的技術(shù)對比與分析
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1 引言
本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/179403.htm近年來，我國電解鋁工業(yè)得到了前所未有的迅猛發(fā)展，這不僅給我國整流電源設(shè)備制造行業(yè)帶來了發(fā)展的機遇，而且也促進(jìn)了我國電化學(xué)用整流電源設(shè)備技術(shù)水平的提高。目前，國產(chǎn)電解鋁用超高功率整流電源設(shè)備與國外同類產(chǎn)品相比，不僅在價格上占有優(yōu)勢，而且在技術(shù)水平的提高上也是非常顯著的。
整流電源設(shè)備是電解鋁生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備之一，其主要特點是輸出功率非常大，必須能常年不間斷地連續(xù)運行，給電解槽穩(wěn)定地提供強大的直流電流。就其技術(shù)進(jìn)步和技術(shù)先進(jìn)性而言，主要體現(xiàn)在輸出功率大小，損耗與效率，可靠性，自動化程度等幾個方面。
現(xiàn)在，即使是單系列年產(chǎn)250kt以上的電解鋁工程所需要的整流電源設(shè)備已不再依賴國外進(jìn)口，這是國產(chǎn)設(shè)備技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)全面提高的重要標(biāo)志。從中鋁青海分公司一電解用國產(chǎn)整流設(shè)備替換進(jìn)口整流設(shè)備的實踐說明，用現(xiàn)在的國產(chǎn)整流設(shè)備替換過去進(jìn)口的整流設(shè)備已完全具備條件。
2 整流主電路連接結(jié)構(gòu)問題
一個電解鋁系列的設(shè)計年產(chǎn)量是確定并聯(lián)整流機組個數(shù)和單機組功率的基本依據(jù)。單個整流機組輸出功率越大，所需并聯(lián)機組個數(shù)越少，便可相對降低電源設(shè)備的投資。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前國內(nèi)在建的大型電解鋁工程的主要技術(shù)數(shù)據(jù)如表1所列。
由表1可見，現(xiàn)在單機組直流輸出功率最大已達(dá)到1300×38×2×103=98.8MW。實踐證明，再進(jìn)一步增大單機組直流輸出功率，除受到整流器件電壓等級和快速熔斷器極限分?jǐn)嗄芰Φ南拗浦?，還受到整流變壓器和整流器連接結(jié)構(gòu)的制約。下面就三種有代表性的整流主電路連接方式進(jìn)行對比分析。
表1 國內(nèi)目前在建的大型電解鋁工程主要技術(shù)數(shù)據(jù)
| 名稱 | 年產(chǎn)量/kt | 系列電流/kA | 系列電壓/V | 機組個數(shù) | 機組電流/kA | 機組電壓/V | 器件選擇 | 快熔選擇 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 青銅峽鋁業(yè) | 250 | 350 | 1250 | 6 | 38×2 | 1250 | 進(jìn)口 | 國產(chǎn) |
| 云南鋁業(yè) | 250 | 350 | 1300 | 6 | 38×2 | 1300 | 進(jìn)口 | 進(jìn)口 |
| 河南中孚鋁業(yè) | 240 | 320 | 1300 | 6 | 35×2 | 1300 | 進(jìn)口 | 國產(chǎn) |
| 東方希望鋁業(yè) | 240 | 320 | 1300 | 6 | 35×2 | 1300 | 進(jìn)口 | 國產(chǎn) |
| 山西關(guān)鋁鋁業(yè) | 200 | 300 | 1200 | 6 | 32×2 | 1200 | 進(jìn)口 | 國產(chǎn) |
| 信發(fā)希望鋁業(yè) | 140 | 250 | 1000 | 4 | 43×2 | 1000 | 進(jìn)口 | 國產(chǎn) |
| 廣元啟明星鋁業(yè) | 200 | 320 | 860 | 5 | 42×2 | 860 | 進(jìn)口 | 國產(chǎn) |
| 山東華信鋁業(yè) | 140 | 250 | 1050 | 4 | 43×2 | 1050 | 進(jìn)口 | 國產(chǎn) |
| 山西華澤鋁業(yè) | 140 | 320 | 1200 | 6 | 32×2 | 1200 | 進(jìn)口 | 進(jìn)口 |
| 山東鄒平鋁業(yè) | 80 | 250 | 600 | 4 | 43×2 | 600 | 進(jìn)口 | 國產(chǎn) |
| 山東澳伸鋁業(yè) | 150 | 250 | 1050 | 4 | 43×2 | 1050 | 進(jìn)口 | 國產(chǎn) |
| 中鋁青海鋁業(yè) | 100 | 160 | 1200 | 4 | 33×2 | 1200 | 進(jìn)口 | 進(jìn)口 |
2.1 BBC整流設(shè)備存在的問題和原因分析
中鋁青海分公司一電解，年產(chǎn)電解鋁100kt。整流電源設(shè)備是在1985年由當(dāng)時的瑞士BBC提供，也是BBC自1958年生產(chǎn)電化學(xué)用硅整流設(shè)備以來，承接的第330份訂單。整個系列有260臺電解槽，系列電流160kA，系列電壓1150V，由四個電流為56kA，電壓1150V的整流機組并聯(lián)供電。這在當(dāng)時稱得上是世界上功率最大，技術(shù)最先進(jìn)的電化學(xué)用整流設(shè)備了。至今，經(jīng)過16～17年的運行，就整流器本身而言，與后來國內(nèi)其他各廠從德國西門子，瑞典ASEA，法國西吉萊克，意大利安薩爾多以及日本富士電機等國際著名公司引進(jìn)的同類整流器相比，仍不遜色。
圖1和圖2分別是整流主電路連接原理圖與整流裝置結(jié)構(gòu)示意圖。由圖2可知，整流裝置的結(jié)構(gòu)特點是將整流的正、負(fù)極分成兩個獨立單元，以避免整流裝置內(nèi)部發(fā)生直流側(cè)短路。不僅如此，其母線結(jié)構(gòu)的整體性和動態(tài)穩(wěn)定性也非常優(yōu)越。然而，經(jīng)過十多年的運行證明，該整流裝置的優(yōu)點是以增加整流變壓器的制造難度和縮短整流變壓器使用壽命為代價獲得的。其主要表現(xiàn)為：
1）變壓器噪聲過大，達(dá)到90dB以上；
2）運行溫升偏高，最高可達(dá)到85℃；
3）絕緣過快老化，現(xiàn)在最嚴(yán)重的地方，表面已出現(xiàn)焦裂現(xiàn)象；
4）自飽和電抗器調(diào)壓范圍不夠，只有20V左右。
圖1 整流主電路連接原理圖
圖2 整流裝置結(jié)構(gòu)示意圖
由于BBC當(dāng)時是第一次制造這么大容量的整流變壓器，對于大電流交變磁場所產(chǎn)生的危害認(rèn)識不足。由圖1可見，當(dāng)強大的交流電流通過閥側(cè)交流母線時，所產(chǎn)生的交變磁場不能被相互抵消；而閥側(cè)母線的連接方式使得自飽和電抗器的引出線之間有過多的相互交叉，結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，因此，不得不過多地采用軟連接，使之沒有足夠的支撐；在大電流交變磁場的作用下，產(chǎn)生的振動，局部渦流發(fā)熱和對自飽和電抗性能的影響就很突出，以致于超出允許范圍，加速設(shè)備老化。
另外，或者是受運輸尺寸的限制，或者是為了節(jié)省材料，BBC將本應(yīng)做成兩個器身的整流變壓器合二為一成一個。并且取消了中間的共軛鐵心，使變壓器結(jié)構(gòu)特別緊湊，變成了分裂式變壓器。分裂式變壓器的電磁特性還與其穿越阻抗的大小有關(guān)，所產(chǎn)生的負(fù)面影響也不能被輕易忽視。
2.2 克服交變電磁場影響的主要對策
在超高功率整流機組中，由于強電流引起的交變磁場，給機組的運行帶來一系列的負(fù)面影響，其主要表現(xiàn)為：
1）在閥側(cè)母線周圍的鋼結(jié)構(gòu)件中產(chǎn)生渦流，引起局部發(fā)熱；
2）閥側(cè)母線電抗壓降引起的無功損耗導(dǎo)致機組的平均功率因數(shù)相對偏低，變壓器補償繞組和補償電容器的容量相對偏大；
3）容易引起各相之間，各整流臂之間和同臂內(nèi)各支路之間電流分配不均衡。
其中因渦流引起的局部發(fā)熱是影響整流機組，特別是整流變壓器使用壽命的主要原因之一。
為了克服強電流交變磁場產(chǎn)生的不利影響，各制造廠商都有針對性地采取了各種各樣的專門措施。由于采取的措施不一樣，所以，獲得的效果也就不盡相同。相對來講，比較典型的有三種：一種是全部采用非導(dǎo)磁材料做結(jié)構(gòu)件；另一種是采用同軸式結(jié)構(gòu)；再一種就是采用同相逆并聯(lián)結(jié)構(gòu)。三者之間的主要優(yōu)缺點對比如表2所列。
表2 克服大電流交變磁場不利影響的各種措施的比較
| 項目 | 非導(dǎo)磁材料結(jié)構(gòu) | 同軸式結(jié)構(gòu) | 同相逆并聯(lián)結(jié)構(gòu) |
|---|---|---|---|
| 主電路連接圖 | 圖1 | 圖3 | 圖5 |
| 基本結(jié)構(gòu)示意圖 | 圖2 | 圖4 | 圖6 |
| 代表性廠商 | ABB和德國西門子 | 法國阿爾斯通和西吉萊克 | 日本富士和中國各廠家 |
| 消除閥側(cè)交變磁場引起局部渦流發(fā)熱的原理 | 采用非導(dǎo)磁材料構(gòu)件以避免母線周圍構(gòu)件發(fā)熱 | 采用同軸結(jié)構(gòu)使交變磁場相互抵消避免渦流發(fā)熱 | 采用同相逆并聯(lián)結(jié)構(gòu)使交變磁場相互抵消避免渦流發(fā)熱 |
| 消除整流裝置渦流發(fā)熱的實際效果 | 差 | 一般 | 好 |
| 消除變壓器渦流發(fā)熱的實際效果 | 差 | 差 | 好 |
| 功率因數(shù) | 低 | 一般 | 高 |
| 對均流的影響 | 大 | 中 | 小 |
| 對絕緣結(jié)構(gòu)要求 | 一般 | 高 | 高 |
| 整流裝置結(jié)構(gòu)的相對復(fù)雜程度 | 簡單 | 復(fù)雜 | 一般 |
2.2.1 全部采用非導(dǎo)磁材料
以ABB和西門子為代表的大部分廠商，采取的措施是從選材入手。在整流裝置內(nèi)部及其周圍盡可能地避免使用鋼結(jié)構(gòu)件，而是選用非導(dǎo)磁材料構(gòu)件，以防止渦流引起局部發(fā)熱。如圖2所示，ABB的做法是將正、負(fù)連接母線焊接成兩個整體的框架，其結(jié)構(gòu)強度和抗電動力都非常好。但是，這種方式對于消除大電流交變磁場負(fù)面影響只是一種治標(biāo)的辦法，實際效果并不理想，限制了單機組電流的繼續(xù)增大。
2.2.2 同軸式結(jié)構(gòu)
法國阿爾斯通和西吉萊克的做法是將整流裝置的各個整流臂做成同軸式結(jié)構(gòu)。整流主電路連接原理圖和整流臂結(jié)構(gòu)示意圖如圖3和圖4所示。這種結(jié)構(gòu)是將交流母線穿過直流母線框窗口，再把器件和快熔以交流母線為軸線對稱分布安裝在交流母線上，然后經(jīng)連接母排匯接到后面的直流母線框上。
圖3 同軸式三相橋式整流主電路連接原理圖
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