论氧化铝厂模块化设计对未来发展影响

张铁志，弭飞飞

（1.东北大学设计研究院（有限公司），辽宁 沈阳 110166 ;2.沈阳科维润工程有限公司，辽宁 沈阳 110166）

氧化铝厂属于传统产业，也是市场经济体系和社会经济发展的核心产业，对社会经济的高速发展具有重要的推动作用，但是由于大部分氧化铝厂生产工艺比较落后，产品设计理念比较传统，在氧化铝生产过程中需要消耗大量的资源，排放大量的污染物，并且所使用的电气设备也需要浪费巨大的能源，完全与可持续发展和绿色发展战略相违背，不利于氧化铝厂未来发展，这也成为氧化铝厂急需解决的重要发展问题。二十一世纪氧化铝厂无论是产品设计，还是产业组织设计，都需要朝着模块化、智能化、数字化、网络化以及信息化的方向发展，在未来发展方向上模块化设计自然需要放优先发展的战略要位。模块化又称Modular design，该理念是在二十世纪八十年代由美国研究学者Simon提出的，当时模块化设计是作为一种工艺方法被应用到钟表制造业和船舶制造业，使钟表制造业和船舶制造业的生产效率和生产质量达到了一个新高度。随着模块化设计理念的广泛应用以及不断研究，模块化逐渐被应用到汽车生产制造、航天、生物工程等多个领域中，模块化设计原则也逐渐扩展为包括创新灵活性、绿色环保性、物理分解性、适度合理性等多个原则，目前模块化设计是当今设计领域中最先进的设计理念，并且也逐渐的向传统工业领域发展。为了促进产业升级以及产业转型，国内部分氧化铝企业引入了模块化设计理念，通过产品和生产技术的模块化设计，提高氧化铝厂资源利用效率，降低污染物的排放以及能源的浪费，对氧化铝厂未来发展具有重要作用，为此提出论氧化铝厂模块化设计对未来发展影响。

1 氧化铝厂模块化设计对未来发展影响

1.1 促进氧化铝厂未来绿色发展

绿色设计是模块化设计中的一项重要设计原则，氧化铝生产过程中存在多个污染环节，其中包括氢氧化铝焙烧、氧化铝原料运输、氧化铝原料加工、氧化铝存储等，在生产过程中需要向空气中排放大量的污染物，包括一氧化硫、二氧化硫、一氧化氮、二氧化碳、碳氢化合物、氮氧化合物以及悬浮颗粒物，国家颁发的《氧化铝厂氧化铝生产工艺污染物排放标准》中明确规定了各个污染物的排放标准[1]。但是目前氧化铝厂所实行的氧化铝生产工艺很难满足该标准的要求，大部分氧化铝厂将污染物未经过妥善处理就将其排放到空气中，导致控制严重污染。而利用现代科学技术对氧化铝厂生产流程进行模块化设计，对传统氧化铝生产工艺进行改革和创新，形成氧化铝产品模块化生产。

在生产系统中设计六种操作符，其中包括分割符（Delimiter）、替代符（Substitution）、扩展符（Extension）、排除符（Exclusion）、归纳符（Inductive sign）以及移植符（Porting symbol），运用这六种操作符可以灵活的对氧化铝生产工作进行控制，每个操作符各负责一种功能，并且负责一个氧化铝生产流程，严格控制污染物的生成和排放。对氧化铝生产工艺进行模块化设计，使氧化铝生产具备物理分解和重组，对生产工艺的物理层面上划分出六个独立的功能单元，实现模块的通用性和组合性，根据氧化铝生产中污染物的排放需求，对生产设备以及生产工艺进行调节变换，从而降低污染物的排放[2]。为了更好的说明氧化铝生产工艺中模块化设计对污染物排放的影响，此次对模块化设计前后污染物排放浓度进行测试，检测结果如下表所示。

表1 氧化铝生产工艺模块化设计前后污染物排放浓度

从上表可以看出，氧化铝生产工艺模块化设计可以有效降低污染物的排放浓度，可以将污染物排放浓度控制在0.2 mg/m³以下，尤其是对空气污染比较严重的碳氢化合物以及悬浮颗粒物[3]。除此之外，氧化铝厂模块化设计还有利于提高资源利用率。氧化铝厂在生产过程中不仅需要消耗大量的原料资源，并且资源的利用效果不够明显，下表为国内前十氧化铝厂资源利用率情况。

表2 国内前十氧化铝厂资源利用率情况

从上表可以看出氧化铝厂资源利用率基本在20-60%之间，资源利用率较低。氧化铝厂模块化设计理念中最重要的一点为减少原材料和自然资源的使用，注重资源使用上的可回收性以及可重复利用性，从而提高氧化铝原料资源的利用率[4]。由此可以看出氧化铝厂模块化设计不仅能够减少空气污染，还能提高对资源利用率，对氧化铝厂未来绿色发展具有重要的推动作用。

1.2 促进氧化铝厂未来可持续发展

氧化铝厂在生产过程中对大型的电气设备依赖性较高，同时对电气设备的损耗程度也较高，导致一部分无功功率生产，增加了氧化铝厂的生产成本。而氧化铝厂电气设备的模块化设计可以促进氧化铝厂节能降耗的实现。氧化铝厂核心电气设备主要包括变压器和变频器，这两种电气设备也是氧化铝厂电能损耗程度最高的设备，运用模块化理念对该两种电气设备进行模块化设计[5]。对于变压器模块化设计实现节能降耗，是对变压器控制系统进行模块化设实现的。平均负荷率和负载功率因数是变压器运行中重要的参数值，如果变压器的平均负荷率过小，会出现变压器超载运行状况，影响变压器使用效率[6]。反之如果平均负荷率过大，氧化铝厂在生产过程中设备所消耗的电压远远不能达到变压器的平均负荷率，会出现“大材小用”的现象，会增加变压器的空载损耗率，所以通过模块化设计有效控制变压器平均负荷率运行参数，使变压器在运行过程中平均负荷率始终能够满足氧化铝厂电气需求[7]。其次负载功率因数的降低会直接影响到变压器的运行效率，导致变压器的耗损过大，为了抑制无功功率的消耗，设计功率转化模块与电压器搭配运行，通过该模块将氧化铝厂在生产过程中消耗的无功功率转化为有功功率，对氧化铝厂的电网系统的负载功率因数具有修复作用，从而提高变压器的运行效率，减少氧化铝厂的电能消耗。

氧化铝厂变频器的作用是用来控制电气设备运转速度的，而电气设备的运转速度与功率消耗成正比关系。通过对变频器模块化设计控制氧化铝厂电气设备的运转速度，从而实现节能效果。首先根据氧化铝厂电气设备的负荷特性、正常负载率等情况，设计负载率参数控制模块，大多数氧化铝厂的电气设备负载率在60%～70%之间，且在运行过程中负荷稳定在150kW左右，在不影响氧化铝厂生产效率，且能量使用价值最大。通过该模块控制变频器负载率参数，使变频器的运转周期为15分钟，每个运转周期为间隔10秒，这样降低电气设备负载率，缓解电气设备在启动时对电源的冲击作用，同时也减轻了电气设备在运转过程中的冲击作用。此外，变频器在运行过程中由于始终处于高速运转状态，会产生一部分谐波电流，该电流会使氧化铝厂的电气设备在运行过程中温度增加，电气设备的使用寿命减少，并且还会额外增加电气设备的消耗功率，为了降低谐波电流对电气设备的影响，设计一个谐波治理模块，通过该模块来缓解谐波电流对电气设备的消耗，保证变频器的运行效率，从而降低氧化铝厂电能消耗。通过以上分析，氧化铝厂电气设备模块化设计，可以有效节约氧化铝厂能量消耗，实现节能减排，对促进氧化铝厂未来可持续发展具有重要影响。

2 结语

本文对氧化铝厂模块化设计对未来发展影响进行了研究，有利于促进氧化铝厂模块化设计理念的应用，对氧化铝厂产业转型和产业升级具有重要推动作用，为氧化铝厂未来发展提供了明确的发展方向。