集约型600kA铝电解系列母线装置设计及应用

毛宇，毛继红，班允刚，李扬

（东北大学设计研究院（有限公司），辽宁 沈阳 110166）

铝是国民经济建设不可或缺的基础原来材料之一。进入21世纪以后，我国已连续十多年成为铝生产和消费第一大国，尤其是自2015年以来产量已占全球的一半以上。我国铝工业的快速发展，离不开核心装备技术大型化的支撑。众所周知，在工业生产中，主体装备大型化有利于节能减排，更为重要的是可带来项目占地面积、建设投资和运行成本的大幅降低。对于电解铝行业而言，其装备大型化主要体现在铝电解槽容量的提升上[1]。我国近十几年铝工业的发展史就是铝电解槽大型化技术的开发史，电解槽容量由最初的200kA提升至600kA。特别是在2014年世界首条超大容量600kA铝电解系列在山东的投运，标志着我国铝工业引领世界铝电解技术大型化发展的方向，奠定了我国铝工业大国地位，提高了我国电解铝企业的生产能力和国际化竞争力。

由于铝行业属于投资密集型行业，对当地经济拉动十分明显，尤其是近几年存在盲目发展引起产能的过剩。为了保证铝行业的健康发展，国务院提出了供给侧改革，要求清理淘汰落后和违规产能，提出铝工业要向节能减排、绿色环保和具有综合优势的区域发展。随着铝行业发展要素的变化，现在具备综合优势的地区通常在我国边远山区或者东部沿海区域，而这类地区土地资源都较为紧张。为了适应产能转移的市场需求，本文笔者提出在600kA大容量铝电解槽技术优势的基础上，设计出多电解系列连续排列的“集约型600kA铝电解系列技术”，将系列间距压缩至60m，以便进一步降低土地使用面积，达到降低投资、提高竞争力的目的。

1 方案及计算结果

1.1 面临的技术难题

电解系列随着电流的增大，产生的磁场也随之增大，因此集约型600kA铝电解系列设计的主要面临如下两个难题：

（1）由于电解系列增加，受强大电流引起的交叉磁场影响，各电解车间外界磁场因位置的不同而存在的差异性难题；

（2）由于电解系列增加，各车间因受不同交叉磁场的影响和在不同工况的生产稳定性难题。

1.2 解决方案

针对上述问题，本文以2个电解系列并排生产的集约型600kA铝电解系列为例进行研究。由于集约型电解系列主要是因布置方式的改变导致磁场的变化，因此问题的核心是磁场设计，即针对每个系列的磁场影响情况，需对其母线配置进行差异化设计。针对上述问题，本文作者在成功开发600kA铝电解槽技术经验的基础上，采用“数值模拟+”的铝电解槽开发方式，应用基于Ansys平台二次开发的铝电解槽物理场计算专用软件包[2]，分析多个电解系列间的相互关系，计算出各车间的交叉磁场影响。经计算，各车间交叉磁场影响结果详见表1。

表1 各车间交叉磁场影响结果对比表

由表1可知，集约型600kA铝电解系列各车间交叉磁场分布以两个电解系列的中心呈对称分布状态，且靠近中心的两个车间磁场大小一样且磁场数值较小，而远离中心的两个车间磁场大小相同且数值较大。较600kA单系列的相邻车间垂直磁场分布值小。

针对上述分布状态，采用“双补偿非对称性母线配置方式”对各车间电解槽母线进行差异化设计，并在系列首尾分别设置小补偿整流机组，通过调整外补偿电流的开关，解决生产的不同步性问题。具体解决方案详见图1.

图1 集约型600kA铝电解系列配置简图

1.3 计算结果

采用“双补偿非对称性母线配置方式”对各车间电解槽母线进行差异化设计后，在所有车间均生产时的磁场分布结果详见表2.

表2 各车间电解槽磁场结果对比表

由表2可知，差异化设计后的电解槽磁场，较单系列在垂直磁场上相近，但Y向磁场有较明显下降，根据铝电解槽内主要受磁场与电流场相互作用产生的电磁力的相互关系式（1）：

当仅有一条系列生产时，调整外补偿母线电流后，电解槽垂直磁场平均值变为3.35Gs，较正常生产状况略有增加，但Y向磁场保持在6Gs左右，在磁流体稳定需要的范围内，且磁场分布状态并未有较大变化，各象限分布均匀，磁场变化梯度小，电解槽仍在稳定范围内，可满足正常生产需求。其磁场分布状态详见图2。

图2 单系列生产时铝电解槽铝液垂直磁场分布图

2 运行效益分析

采用集约型600kA铝电解系列于2016年在山东投产，运行3年以来生产平稳，指标优异。该技术与500kA技术相比，吨铝投资降低8%，全员劳动生产率提高12%，吨铝成本降低约5%，占地减少近40%。与600kA单系列技术相比，集约型600kA技术再次降低占地减少近25%，正常生产时，外补偿电流更低，可使吨铝电耗降低16kWh,以年产100万吨规模计算，年节电量约16×106kW·h以上（电费按照0.3元/kWh计算），年节电效益近500万元。

集约型600kA铝电解系列的成功投运，是在600kA级大容量铝电解实现了铝电解槽技术与装备大型化跨越式发展技术的基础上的再一次技术升级。进一步降低了电解项目的占地，降低了投资成本和提高了企业竞争力，为我国电解铝产能向具有综合优势的地区转移打下坚实的技术储备。