500kA大型电解槽关键供电设备参数计算.pdf
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1、中国新技术新产品2024 NO.4(上)-75-工 业 技 术随着电解铝行业的持续发展,电解技术向着机组系列大电流、大规模方向发展,电解铝厂正不断向大型化、规模化方向发展。供电整流技术在经历了几十年的不断探索后,在设计理念和新技术的应用等方面已实现了全方位的发展和进步,电解槽系列电流已发展到目前的 500kA。在满足生产需求的同时,安全性、设备选型合理性和投资经济性决定了电解铝供电系统在市场上的竞争能力。针对电解铝电源系统设备的安全性、合理性问题,本文研究了整流变压器、整流柜的关键参数计算,以不断提高电解铝行业相关从业人员对电解铝电源整流系统的认知。1 整流机组的调压方案目前,电解铝行业常用的
2、整流方式为二极管整流机组和可控硅整流机组。整流变压器、饱和电抗器、有载调压变压器和二极管整流器构成了二极管整流机组,有载开关粗调,电抗器细调。可控硅整流机组通常由有载调压变压器、整流变压器和可控硅整流器组成,有载开关粗调,可控硅细调。在电解铝行业迅速发展的同时,整流系统也得到快速发展,广泛应用的整流技术有 2 种,即同相逆并联技术和非同相逆并联技术。同相逆并联是指 2 根同相位、反极性的导排组成的母线并联在整流装置中,整流变压器阀侧由一个线圈分为 2 个线圈,而且反极性使用;非同相逆并联与同相逆并联不同,其采用双桥接线结构,采用传统的三相单桥接线方式。与同相逆并联比较,非同相逆并联结构简单、安
3、全性高且整流效率高。1.1 可控硅整流可控硅整流的优点是稳流精度高、响应速度快且调压范围广,通常其调压整流变压器可不采用大范围调压的有载调压开关。但可控硅整流装置也有一定的缺点,例如谐波电流大、控制回路复杂等。1.2 二极管整流目前,电解铝行业普遍采用有载调压变压器粗调配合自饱和电抗器细调的方式实现二极管整流,这是行业最成熟的解决方案。采用该方案具有运行可靠、便于维护的优点,但同时也具有空间占用多、噪声大的缺点。1.3 方案的选择结合对可控硅整流和二极管整流的研究,本文确定采用降压自耦线端连续 107 级调压方式,通过调压变压器和整流变压器,将 220kV 进线电压直接转变为 1560V 直流
4、电压输出,同时满足直流电流 246kA 输出。调变采用线端有载调压,绕组接线简单。整流变采用 2 个独立铁芯,分别为曲折星形/正反三角形、曲折三角形/正反三角形,移相角度分别为 1.875、5.625、9.375和 13.125,自饱和电抗器线性调压范围为 0V70V,单机组等效 12 脉波输出,整流变阀侧同相逆并联,整流装置为非同相逆并联。2 整流变压器参数选择计算年产 45 万 t 电解铝生产线,采用 500kA 大型预焙槽,调变采用首端自耦调压1-2,整流装置采用二极管非同相逆并联接线方式整流,整流变压器由调压变、整流变以及饱和电抗器组成。2.1 45万 t 铝产量与电解槽的数量电化当量
5、为 0.3355A/n,电流效率为 0.92。一台电解槽年产铝量为0.3355500243650.921000=1351.93t/年台。生产 45 万 t 电解铝所需 500kA 电解槽数量为4500013521.05=349台。因为该厂的管理、工艺控制水平较好,电流效率高,电流效率取 0.9510-3,所以一台电解槽每年产铝量为0.3355500243650.951000=1396.02t/年台,每台设备的产量为4500013961.05=338 台。2.2 直流电压 UdN(额定直流电压)根据电解槽槽台数,选择系列直流电压 UdN(额定直流电压),取每个电解槽槽压为4.2V,考虑3个阳极效
6、应电压90V,系列黑电压 50V,UdN=(3384.2)+90+50=1559.6V=1560V。2.3 额定直流空载电压 Udio额定直流空载电压 Udio如公式(1)所示。UUUPSNUUSdiodNKKsT?1 0 5112.cos/?(1)500kA大型电解槽关键供电设备参数计算赵钢1周飞2白礼平1张艳龙1杜灿林1(1.鹤庆溢鑫铝业有限公司,云南 大理白族自治州 671500;2.云南铝业股份有限公司,云南 昆明 652103)摘 要:电解铝整流系统一般由整流变压器、整流器等关键设备组成,本文用三相桥式全控整流电路、大功率硅整流元件原理等知识对铝电解铝220kV 供电整流系统中的整流
7、变压器、整流器关键参数进行了研究,通过合理的设备选型,以达到降低电解铝生产成本的目的。关键词:整流变压器;整流器;三相桥式全控整流电路;大功率硅整流元件原理中图分类号:TM714文献标志码:A中国新技术新产品2024 NO.4(上)-76-工 业 技 术式中:UdN为额定直流电压;Ux为变压器阻抗百分数(取12%);PK为变压器负载损耗百分数(取 1%);S 为串联换相组数(三相桥为 2,双反星型带平衡电抗器为 1);NS为每臂串联元件数(暂取 1);UT为整流管通态压降(硅管为 0.7V,可控硅为 1V);US 为 0.2%2.5%UdN;为电网电压允许波动幅值,一般取 5%,个别地区取 1
8、0%(本列取 5%);为可控硅最小控制角(一般取=50 200,二极管取=0)。当 UdN 800V 时取小值,当电压 100V 且电流 3kA时可取 2.5%(本列取 0.5%)。如有饱和电抗器,还包括其调压范围的 7%10%(取 10%,即 7010%)。代入数据则有公式(2)。Udio=1560(1+0.512%+1%)+(210.7)+0.5%1560+70+10%(1-5%)(1+cos0)/2=1774.1V(2)考虑留一定裕量,实际取 Udio=1810V。在通常的计算中,可以用 Udio=1.15UdN来计算,也可用 Udio=UdN+200 计算,即,Udio=1.15UdN
9、=1.151560=1794V,Udio=UdN+200=1560+200=1760V。2.4 整流变压器阀侧交流线电压有效值 U2L(三相桥式整流电路)整流变压器阀侧交流线电压有效值 U2L如公式(3)所示。UULdio23 618101 351340 7?.V (3)2.5 整流变压器阀侧交流相电压有效值 U2P整流变压器阀侧交流相电压有效值 U2P如公式(4)所示。UUUPdiodio23 30 42750 4275 1810773 775?.V(4)2.6 整流变压器阀侧交流相电流有效值 I2三相桥式整流电路3-4,Y 接,线电流等于相电流,I2=0.8165IdN。其中IdN为整流器
10、单机组额定直流电流,单位kA。当 UdN 800V 时,一般从可靠角度出发,不会考虑双反星型带平衡电抗器5-6整流电路;当 IdN 8%12%UdN时,侧三相桥式整流电路综合指标较好,IdN=8%1560=124.8kA;当 IdN 12%UdN时,如果选择三相桥式整流电路,就会出现阀侧变压器内部局部过热和附加损耗增大的现象,IdN=12%1560=187.2kA。为此,对年产 45 万 t 电解铝以上、系列电流 500kA 的项目,阀侧整流电路只能是三相桥式同相逆并联(或非同相逆并联)电路,并且每台套整流机组直流电流不宜超过 125kA。整流机组配置为 N 模式,整流机组组数 N=50012
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