趙 鋼，尹傳興，周 飛

（1. 云南云鋁涌鑫鋁業(yè)有限公司，云南 建水 654300；2. 云南鋁業(yè)股份有限公司，云南 昆明 652103）

0 引言

2009年下半年至2010年初，根椐國(guó)內(nèi)外鋁工業(yè)發(fā)展形勢(shì)，國(guó)內(nèi)外設(shè)備裝備技術(shù)及國(guó)內(nèi)設(shè)備制造水平，經(jīng)過(guò)調(diào)研、反復(fù)充分的論證，制定了特大型整流設(shè)備立足國(guó)內(nèi)制造，部分設(shè)備引進(jìn)，國(guó)內(nèi)安裝的可行性方案。電解槽向高安全性、大電流、高電壓、高產(chǎn)能、高效率發(fā)展，對(duì)供電系統(tǒng)的安全性、可靠性、高效性提出了更高的要求。鋁電解生產(chǎn)工藝對(duì)整流設(shè)備提出了新要求，整流效率98.5%，功率因數(shù)0.95。

1 特大型供電整流設(shè)備的主要技術(shù)方案

1.1 供電負(fù)荷及電壓等級(jí)

根據(jù)本次建設(shè)項(xiàng)目的內(nèi)容，一級(jí)負(fù)荷占全廠總用電負(fù)荷95%以上，是單系列產(chǎn)能最大、負(fù)荷最大的用電戶(hù)。經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析、論證，整流機(jī)組供電電壓擬定為220kV。

1.2 整流機(jī)組臺(tái)數(shù)組合方案

整流機(jī)組臺(tái)數(shù)組合方案的選擇原則是：最大滿(mǎn)足工藝生產(chǎn)條件；要求獲得較高的整流效率；降低運(yùn)行損耗；滿(mǎn)足整個(gè)系統(tǒng)形成的較高的整流相數(shù)，減少整流機(jī)組產(chǎn)生的高次諧波對(duì)電網(wǎng)的影響。

經(jīng)過(guò)多方案的論證、優(yōu)化、比選，確定每臺(tái)機(jī)組直流輸出電壓、直流輸出電流，在N+2臺(tái)，負(fù)荷率在70%左右，能更好地發(fā)揮整流機(jī)組的效率。

1.3 整流機(jī)組的組成方式

整流變壓器組由調(diào)壓變壓器、整流變壓器、飽和電抗器、油冷卻裝置和控制系統(tǒng)組成。整流器組由整流裝置、交直流母線(xiàn)、水冷卻裝置和控制系統(tǒng)組成。

1.4 整流變壓器組的結(jié)構(gòu)型式

整流機(jī)組的特殊性：①滿(mǎn)足鋁電解槽的焙燒、啟動(dòng)及正常生產(chǎn)所需的大范圍電壓調(diào)節(jié)；②滿(mǎn)足恒流制工藝生產(chǎn)的調(diào)壓方式。由于它的特殊性，經(jīng)過(guò)多方案比較，擬定選用220kV直降式整流變壓器組方案，為解決整流變壓器組在鐵路、公路上的運(yùn)輸，將整流變壓器組分為：調(diào)壓變壓器、整流變壓器、獨(dú)立式自飽和電抗器及冷卻器等4部分組成，安裝時(shí)合成一個(gè)整體，稱(chēng)為分箱合體式結(jié)構(gòu)。

1.5 整流變壓器組的調(diào)壓方案

采用有載調(diào)壓變壓器配合飽和電抗器聯(lián)合調(diào)壓方案。

有載調(diào)壓開(kāi)關(guān)級(jí)數(shù)：XX級(jí)。

飽和電抗器調(diào)壓范圍：直流X—XX V。

有載調(diào)壓開(kāi)關(guān)進(jìn)行粗調(diào)，飽和電抗器配合細(xì)調(diào)。直流調(diào)壓范圍為：X%—XXX% V。

表1 機(jī)組效果比較

1.5.1 整流變壓器組的移相

本整流變壓器組的移相繞組設(shè)在整流變壓器網(wǎng)側(cè)繞組（D和Y接線(xiàn)），以實(shí)現(xiàn)各機(jī)組間的移相。

N+2臺(tái)變壓器組移相角：±1.875°、±5.625°、±9.375°、±13.125°。

1.5.2 整流變壓器組的飽和電抗器調(diào)壓（細(xì)調(diào)）

飽和電抗器型式為：油浸自飽和、獨(dú)立安裝式。

有效線(xiàn)性調(diào)壓范圍：直流側(cè)X—XXX V。 飽和電抗器的型式及較大范圍調(diào)壓在電解鋁還是第一次采用。油浸自飽和式，獨(dú)立安裝，有效線(xiàn)性調(diào)壓，范圍為直流側(cè)電壓80 V。

2 整流器

整流電路型式：三相橋式同相逆并聯(lián)（2組）。

各機(jī)組間移相角配置：±1.875°、±5.625°、±9.375°、±13.125°。正常8臺(tái)運(yùn)行，構(gòu)成96脈波。

整流效率：99.69%。

2.1 整流機(jī)組N+1和N+2方式的比較

2.1.1 實(shí)施效果

國(guó)產(chǎn)化特大型供電整流機(jī)組自建成投產(chǎn)至今，整流設(shè)備運(yùn)行良好，考核指標(biāo)達(dá)到或超過(guò)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的期望值。實(shí)施效果如表1。

1） 整流機(jī)組效率高。特大型機(jī)組的整流效率為98.5%，一期工程整流機(jī)組整流效率為98.5%，同類(lèi)進(jìn)口設(shè)備的整流效率保證值為98.3%。

2）整流設(shè)備容量安全裕量大、安全可靠。項(xiàng)目建成投產(chǎn)以來(lái)，長(zhǎng)時(shí)間8臺(tái)機(jī)組運(yùn)行（備用1臺(tái)），運(yùn)行指標(biāo)正常穩(wěn)定，其中1臺(tái)運(yùn)行時(shí)故障跳閘，6臺(tái)機(jī)組仍然能保證生產(chǎn)，整流系統(tǒng)可靠性極高。進(jìn)口設(shè)備方面如蘋(píng)果鋁、貴鋁三期電解共4臺(tái)機(jī)組，當(dāng)3臺(tái)整流機(jī)組運(yùn)行時(shí)，機(jī)組過(guò)負(fù)荷，溫度過(guò)高，需降負(fù)荷或需另采取降溫措施。

2.2 負(fù)荷率及冗余度比較

整流機(jī)組的負(fù)載率比較見(jiàn)表2。

N+2（8機(jī)組）配置具有更高的設(shè)備冗余度，即使系統(tǒng)出現(xiàn)2機(jī)組停機(jī)情況，N機(jī)組也可保證全系列電流供電，并仍具有6%的冗余度，對(duì)比數(shù)據(jù)如表3所示。采用N+2配置時(shí)，2×38kA配置在N+2機(jī)組運(yùn)行時(shí)整流機(jī)組負(fù)荷率為70%，處于整流系統(tǒng)最佳效率運(yùn)行點(diǎn)，對(duì)比數(shù)據(jù)如表2所示。而2×38kA配置機(jī)組變壓器通過(guò)容量為2×40kA配置通過(guò)容量的95%，每機(jī)組調(diào)變整變通過(guò)容量減少10MVA（調(diào)變和整變累加），8機(jī)組總計(jì)減少變壓器通過(guò)容量達(dá)80MVA，從而降低變電整流設(shè)備損耗。

2.3 諧波分量比較

N+2運(yùn)行時(shí)，由于機(jī)組運(yùn)行工作電流減小，相應(yīng)產(chǎn)生的諧波也減少。此外，N+1配置的7機(jī)組模式，由于有一組采用非對(duì)稱(chēng)相位運(yùn)行，系統(tǒng)中將不能抵消11，13以上高次諧波；而采用N+2的8機(jī)組配置，可將全系列配置為對(duì)稱(chēng)的等效96脈波，抵消11，13等高次諧波。

表2 整流機(jī)組的負(fù)載率比較

表3 整流機(jī)組的冗余度比較

2.4 可靠性比較

首先，這里討論的可靠性是指全系統(tǒng)供電的可靠性，而非單純某設(shè)備的可靠性，設(shè)備的可靠性無(wú)論采取何種配置，設(shè)備自身都應(yīng)具有滿(mǎn)足額定長(zhǎng)期運(yùn)行，承受極端運(yùn)行沖擊且不發(fā)生結(jié)構(gòu)性破壞的設(shè)備自身安全可靠性。就全系統(tǒng)運(yùn)行供電可靠性，指的是從對(duì)電解槽供電的角度，保證電解連續(xù)運(yùn)行生產(chǎn)的系統(tǒng)可靠性，這個(gè)可靠性主要與系統(tǒng)設(shè)備冗余度，正常運(yùn)行維護(hù)相關(guān)的設(shè)備使用壽命及重要器件故障率，機(jī)組非正常停機(jī)時(shí)的供電保證能力等相關(guān)。關(guān)于系統(tǒng)供電可靠性，如前所述，由于N+2機(jī)組具有更充分的整流機(jī)組冗余，即便出現(xiàn)2機(jī)組退出的情況，N機(jī)組（6機(jī)組）仍能保證全系列滿(mǎn)負(fù)荷供電，從系統(tǒng)供電可靠性而言，N+2機(jī)組具有更高的可靠性。關(guān)于與維護(hù)相關(guān)的設(shè)備壽命，整流系統(tǒng)如二極管、快速熔斷器、OLTC、過(guò)電壓保護(hù)器件等重要關(guān)鍵器件的使用壽命與使用條件緊密相關(guān)，特別是與電流負(fù)荷有直接的對(duì)應(yīng)關(guān)系。較低的運(yùn)行電流可以減少器件工作溫度并減少運(yùn)行中換向過(guò)電壓，減少設(shè)備運(yùn)行老化增加使用壽命，降低停機(jī)維護(hù)頻次，系統(tǒng)平均故障間隔時(shí)間的減少也是全系統(tǒng)可靠性的一個(gè)重要表征。運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，機(jī)組電流大于30kA時(shí)，整流柜、飽抗及閥側(cè)母線(xiàn)由于換向電流產(chǎn)生的電動(dòng)力振動(dòng)及噪音顯著增加，振動(dòng)若處理不當(dāng)造成局部諧振則對(duì)設(shè)備運(yùn)行安全不利，N+2機(jī)組由于工作在30kA以下的較低運(yùn)行電流，可減少運(yùn)行中振動(dòng)的安全隱患。

2.5 整流機(jī)組的損耗比較

變壓器損耗由2個(gè)部分組成，一個(gè)部分是變壓器空載損耗，一部分是變壓器負(fù)載損耗。變壓器空載損耗不隨負(fù)荷變化，所占比例很小，一般忽略不計(jì)，而負(fù)載損耗隨負(fù)荷電流的變化而變化，與負(fù)荷電流的平方成正比。實(shí)行8臺(tái)變壓器并列運(yùn)行，單臺(tái)變壓器一次電流減小了61A，其單臺(tái)負(fù)荷損耗比較如表3所示，從表3可以看出，8臺(tái)并列運(yùn)行是最經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行方式。

3 關(guān)于功率因數(shù)

二極管電解整流系統(tǒng)無(wú)功功率主要由變壓器激磁電流及整流器換向滯后角導(dǎo)致，整流器換向角取決于變壓器阻抗及飽和電抗器，變壓器阻抗于OLTC運(yùn)行檔位相關(guān)，而飽和電抗器無(wú)功與飽和電抗器調(diào)節(jié)控制范圍相關(guān)，因系統(tǒng)無(wú)功在全系列啟動(dòng)后基本確定，全系列運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)的自然功率因數(shù)隨電解槽直流功率的增加而增加，全系列電解槽啟動(dòng)后的功率因數(shù)主要取決于OLTC運(yùn)行檔位與飽抗控制深度的配合，其數(shù)據(jù)對(duì)比如表4所示。

4 應(yīng)用推廣前景

該大型整流設(shè)備是當(dāng)今國(guó)內(nèi)單機(jī)容量最大（XXX MVA），調(diào)壓范圍最廣（X%—XXX%），連續(xù)有載調(diào)壓級(jí)數(shù)最多（XX級(jí)），技術(shù)難度最大，技術(shù)性能最好的節(jié)能高效型220kV直降式有載調(diào)壓大容量整流變壓器，是21世紀(jì)開(kāi)創(chuàng)的新產(chǎn)品，也是代表當(dāng)代國(guó)際先進(jìn)水平的新產(chǎn)品。特大型整流設(shè)備新技術(shù)開(kāi)發(fā)研制成功，相繼投產(chǎn)運(yùn)行至今，設(shè)備性能穩(wěn)定，工況良好。獲得國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家的認(rèn)可和好評(píng)。對(duì)于大型電解鋁廠，一般供電電壓大都是220kV，供電整流設(shè)備大都相似。因此該項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)研制成功，具有一定的示范性，很有推廣價(jià)值。只要進(jìn)行認(rèn)真的總結(jié)不斷改進(jìn)和完善，其應(yīng)用前景非常廣闊。

5 經(jīng)濟(jì)效益

本項(xiàng)目的直接經(jīng)濟(jì)效益在于國(guó)內(nèi)自主開(kāi)發(fā)，制造成本低，節(jié)省外匯支出。工程特大變電整流設(shè)備與其它鋁廠引進(jìn)設(shè)備所需投資（表5）。

目前國(guó)內(nèi)最好水平的同容量（XXX MVA）整流變壓器額定損耗不小于1230kW·h；而本項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的整流變壓器額定損耗為934 kW·h，實(shí)際運(yùn)行有載開(kāi)關(guān)最高擋位為81檔，變壓器負(fù)荷率為79%，根據(jù)不同運(yùn)行情況相應(yīng)變壓器損耗及其節(jié)省的運(yùn)行費(fèi)用計(jì)算如下：

6機(jī)組運(yùn)行時(shí)（N）整流變壓器與國(guó)內(nèi)最好水平的同容量整流變壓器每臺(tái)總損耗降低：

1230-642.69=587.31（kW·h）

1臺(tái)整流變壓器1年可降低運(yùn)行費(fèi)用為：

587.31 ×24×365×0.51=2 623 866.156（元）

6臺(tái)整流變壓器1年可降低運(yùn)行費(fèi)用為：

2623866.156 ×6=15 743 196.936（元）≈1574（萬(wàn)元）

7機(jī)組運(yùn)行時(shí)（N+1）整流變壓器與國(guó)內(nèi)最好水平的同容量整流變壓器每臺(tái)總損耗降低：

1230-472.18=757.82（kW·h）

1臺(tái)整流變壓器1年可降低運(yùn)行費(fèi)用為：

757.82 ×24×365×0.51=3 385 636.632（元）

7臺(tái)整流變壓器1年可降低運(yùn)行費(fèi)用為：

3 385 636.632×7=23 699 456.424（元）≈2370（萬(wàn)元）

表5 工程設(shè)備投資對(duì)比表

8機(jī)組運(yùn)行時(shí)（N+2）整流變壓器與國(guó)內(nèi)最好水平的同容量整流變壓器每臺(tái)總損耗降低：

1230-361.51=868.49（kW·h）

1臺(tái)整流變壓器1年可降低運(yùn)行費(fèi)用為：

868.49 ×24×365×0.51=3 880 065.924（元）

8臺(tái)整流變壓器1年可降低運(yùn)行費(fèi)用為：

3 880 065.924×8=31 040 527.392（元）≈3104（萬(wàn)元）

注：式中 24為一天24小時(shí)，365為一年365天，0.51元/kW·h。為2012年不含稅購(gòu)電價(jià)

6 結(jié)語(yǔ)

N+2特大型變電整流新設(shè)備技術(shù)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用成功，為我國(guó)大型預(yù)焙電解鋁工程的建設(shè)及中、小型自焙電解鋁廠環(huán)境治理、技術(shù)改造成為大型預(yù)焙槽鋁廠樹(shù)立了典范，使國(guó)內(nèi)許多企業(yè)環(huán)境治理、技術(shù)改造在資金投入上成為可能。同時(shí)也為電解鋁廠生產(chǎn)及設(shè)備制造廠帶來(lái)了新的效益，加快了中、小自焙槽電解鋁廠環(huán)境治理、技術(shù)改造的步伐。它的開(kāi)發(fā)運(yùn)用標(biāo)志著我國(guó)大型鋁廠設(shè)計(jì)、 施工，面向世界走出國(guó)門(mén)，參與國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)的實(shí)力有了提升。