十四冶建设集团云南机械制造安装工程有限公司 云南昆明 651701
【摘 要】本文以大屯铝业全数字整流控制系统为例，阐述了电解铝整流技术的原理，以及系统的整个架构与硬件软件的组成，并且分别介绍了稳流控制与集成控制系统，以及可视化检测系统的组成和性能。
【关键词】全数字整流控制系统；电解铝供电系统；节能研究
铝电解的工艺流程，是电解槽通过大电流把氧化铝粉电解成为金属铝的生产过程，整个过程耗能巨大。在市场经济的需求下，近年来我国的铝电解行业正趋于高产量，大电流，大功率的发展方向。整流技术作为铝电解工业的核心技术之一，与大型预焙电解槽控制和超浓相输送技术并驾齐驱，成为铝电解的三大核心技术。因此，整流电源必然是电解铝厂的最重要的核心设备，铝电解的原铝电耗将直接受到整流电源的效率，稳流精度与供电可靠性的影响。
1降低电解铝耗能的途径
1.1微机控制，节能降耗。
利用智能化微机控制铝电解的工艺流程，可以保证电流的平稳性，阳极效应的发生频率得到控制，因此达到节能降耗的目的。
1.2经济运行，节能降耗。
整流机组的运行是否合理科学，是控制电流，提高整流效率的关键所在。对于电解槽的控制，目前国内的相关机构已经开发出较为成熟的电解槽模糊控制系统，就现场的运行情况来看，效果比较理想。而对于整流控制，我国目前的设备技术相对落后，暂时没有太成熟的产品。
2铝电解电容的电源特点及整流技术的发展
2.1铝电解行业的电源要求
铝电解的工艺流程，要求电流强度必须平稳精准。追求超高的电流效率是如今电解铝生产线的普遍特点，每台电解槽都有独立的智能槽控箱，该槽的电解生产工艺参数都由槽控箱的单机板进行操控。电解槽的温度可高达1000℃，因为测量仪表尚不成熟，所以电解槽工况的各种参数只能间接得到——以电流强度和该槽中所形成的电压作为基础，通过数学模型进行计算。之后再去调节，进而得到理想的电流效率与低耗能指标。
2.2我国整流技术的发展
如表1所示。
3自动稳流的节能原理
电解系统中电流的波动，是因为铝电解槽的阳极效应和供电系统的电压波动引起的，电流的波动进而影响了铝电解的生产过程。
3.1系列电流波动致使电流效率低
槽电压以及电流效率很大程度上受到系列电流波动的影响，在电磁力的作用下，电解槽内阴极金属液面发生倾斜，而在电解槽的中心位置，垂直电流和固有磁场之间互相作用，两者的收缩力导致金属突起。导致金属镜面倾斜的力和系列电流的平方成正比，系列电流的波动值和初始倾斜值，决定了金属镜面最高突起的振幅。因此，若要让系列电流十分稳定，必须让金属镜面停止摆动。
系列电流在没有稳流装置的情况下，于是加大了金属液面的摆幅，电解槽无法在最合适的极距中工作，只能在保证不短路的基础上，加大阴阳极之间的最小极距，电解槽功率因此增大，最终导致增加了大约2%的槽平均电压。电解槽的热平衡在这种电流中，会让电解质持续保持在一个较高的温度，电流效率因此降低，下降幅度通常在2%~2.5%左右。
3.2系列电流波动致使电能单耗高
法拉第定律：单位时间里的铝产量和槽电流平均值是成正比的，回路内的电能耗损量又和电流有效值成正比。因此，只有在电流波动值是0的情况下，电流的有效值才和电流的平均值相等，否则，只要电流有波动，回路电流的平均值总会小于有效值。所以，在电流的波动下，增加了电能消耗。
3.3系列电流波动致使阳极效应频率加大
系统中若没有自动稳流装置，那么系列电流波动最终会让多个阳极效应的概率在同一时间内增大，进而增大电流波动幅度，阳极效应的频率又被提高。槽电压的升高会增大阳极电流的密度，槽温因此快速升高。通常情况下，每升高10℃，会降低1%的电流效率。阳极效应的发生，加剧了铝在电解质当中的二次反应，电流效率被严重降低。
4某铝业公司全数字整流控制系统的构成
4.1全数字整流控制系统
以云南某铝业全数字整流控制系统为例，见图1。
图1 云南某铝业公司整流控制系统图
总控柜1台，通过Profibus-DP、MPI、RS232C与外部设备联系。控制柜4台，分别保护各自整流机组的继电器和稳流。总控柜和控制柜之间的数据，通过现场总线通讯的方式传递得来。上位机设立在主控制室，采用WinCC构建可视化管理平台。
全数字整流控制系统共由三部分组成。
一，稳流控制系统，控制核心为SIEMEN S SIM ADYN D，电流给定与晶闸管闭环控制功能得以实现。
二，继电保护系统，采用SIEMEN S SIM ATIC系统，S7-300可编程序控制器以及TP170A人机界面。负责完成整流柜的继电保护，故障报警，分配电流和MR开关调档任务。
三，可视化监测系统，上位机组态由SIEMEN S WinCC6.0构建而成，整流柜系统的报警功能得以实现。
4.2控制系统的数学模型与原理
见图2。
图2 全数字整流控制系统电流调节原理示意图
分析如图2所示的系统中的各个部分，利用数学原理解析主要组成部分的输入输出间的函数关系，以此建立整流控制系统的动态模型。
电流调节系统的动态结构图见图3。
图3 可控硅整流装置电流调节动态结构图
图3中各参数的含义分别为：
给定电流：Ig，电流调节器时间常数：fi，可控硅失效时间常数：fs，电解槽系列等效时间常数：fR，电流反馈滤波时间常数：foi，电流调节器比例常数：Ki，可控硅整流器放大系数：Ks，铝电解槽系列等效电阻：R，整流装置输出电流值：Id，整流装置输出电压值：Ud，阳极效应等扰动电压值：ΔUd，电流反馈系数：T。
4.3全数字控制系统的科研价值
全数字控制系统的控制方式简单灵活，不需要经常维修，并且反应灵敏，稳流精度高。从投入成本考虑，虽然晶闸管整流器要比二极管整流器贵很多，但是从全局来看，SIMADYN D的可调节范围非常大，采用35级有载调压方案，反而会让整流变压器的造价降低。然而二极管的稳流方案却需要配备非常昂贵的饱和电抗器，此电抗器的调压范围小，必须采用79级调压方案，所以造价比35级高出很多。
5整流控制系统的应用与节能效果
5.1降低吨铝电耗量
电解槽在理想的极距下运行，会提高大约2%的电流效率。按照178台电解槽，每年生产铝10.6万t，吨铝的直流电消耗13600kw/h来计算——每年节电（10.6万t/年产能）13600×2%×10.6× 104= 2883.2×104 kW /h
5.2降低阳极效应
系统完全投入使用后，由于系列电流波动降低了，电流变平稳，从而降低了阳极效应的发生概率。另外，SIM ADYN D系统处理阳极效应时采取的是独特的控制方式——对MR调压开关没有依赖性，而是采用SIMADYN D控制系统中的电流闭环进行调节，因此完美地避免了在阳极效应发生的瞬间，冲击电流导致的电能消耗。
冲击电流的计算公式是：
在公式中，Idcx代表无效时的系列电流值，NX 代表电解系列同一时间发生阳极效应的数量，ΔuCX代表一个阳极效应电压值，以30V计算。
NXC是系列生产总槽数量，uP 是一个电解槽的平均电压，以4.3V计算。
EF是电解槽分解电压（反电势），以1.25 V计算。
那么，电解槽总量为178台，10万t/年产量，178台电解槽同时运行的情况下，一个效应冲击电流为：
按照系统在正常运行的情况下，阳极效应系数平均值0.3，效应5min来计算，那么每天降低的电流时间是：
全数字整流控制系统设备的投资成本较低，按照10.6万t/年产能计算，那么每年降低的总耗电量为4638.9×104kW/h，可见节能效果之显著，产生的经济效益非常可观。
结束语
采用SIM ADYN D为控制核心的全数字整流控制系统，同时具备了大容量晶闸管变流设备所必需的调节电流，闭环控制和整流机组的保护性能，从而增加了整个系统的稳定精度，扩大了控制范围，加快了反应速度。传统的MR开关调压被颠覆，取而代之的是独特的阳极效应处理方法，令系统的节能性和稳定性达到了质的飞跃。优质的SIEMENS集成架构，形成了一条从可编程控制器，变流控制系统，到人机界面，再到过程的可视化的产品线，从根本上保障了系统的完整性与可靠性，提升了系统的兼容性。自全数字整流控制系统投入使用，至今12年，未发生一次事故，充分证实了电解槽整流的效率及能力，值得大力推广。
参考文献：
[1]华桂林，芮智.铝电解全数字整流控制系统的节电效能[J].江苏冶金，2008，36（1）：1-6.
论文作者:刘德发
论文发表刊物:《低碳地产》2016年9期
论文发表时间:2016/9/6
标签：电流论文; 电解槽论文; 阳极论文; 控制系统论文; 效应论文; 系统论文; 系列论文; 《低碳地产》2016年9期论文;