電解鋁企業供電系統能耗分析及節能措施研究

葉 鵬， 郭喜鵬

（酒鋼集團甘肅東興鋁業有限公司， 甘肅 嘉峪關 735100）

0 引言

電解鋁企業是高耗能企業，在電解鋁生產成本比重中，電力成本比重占到30%～40%之間，能耗的有效控制極大程度上關系著企業的經濟效益。過去幾十年，一方面得益于市場環境相對優沃，企業競爭壓力小。另一方面，國家能源管控政策相對寬松，使得電解鋁企業對供電系統能耗分析及節能降耗的研究較少，但伴隨著近十年的快速發展，企業間的競爭愈發激烈。從2021 年開始，為提升電解鋁行業能源利用效率，使行業向著低碳、綠色方向發展，國家發改委對電解鋁行業推行了階梯電價政策，將分檔標準定為2021年T 型鋁/13 650 kW·h，2023 年T 型鋁/13 450 kW·h，到2025 年更是達到T 型鋁/13 300 kW·h的目標，超過該標準，按所超電量實行階梯加價[1]，這對電解鋁企業的經營帶來巨大挑戰。在此背景下，對電解鋁企業供電系統進行能耗分析及節能措施研究，最大程度地降低企業經營成本。

1 電解鋁供電系統概述

電解鋁供電系統主要由整流供電系統和交流供電兩部分組成，其中整流供電是電解鋁生產工藝的重要的組成部分，在整個電解鋁供電占比中達95%之多，其余為交流供電。

1.1 整流供電系統

電解鋁整流供電系統通常是將多臺整流電源并聯運行，網側高壓通過調壓變壓器調壓，整流變壓器調壓、移相、再經整流器整流，最終，變為直流電供電解鋁生產工藝使用[2]。其中所使用的調壓變壓器一般為有載可持續調壓變壓器，帶有補償繞組。主回路多采用三相橋式同相逆并聯電路構成，由一臺整流變帶兩臺整流柜方式運行。以6 脈波整流器為例，每臺整流柜內有12 個整流橋臂，每個整流橋臂由多只晶閘管并聯而成。采用調壓變壓器有載開關粗調和可控硅細調調壓，并配置自動穩流系統，實現對因電網電壓變化或負載電阻變化而引起的直流電流波動進行穩流，實現穩定輸出的直流電[3]。

1.2 交流供電系統

電解鋁交流供電系統主要供站內供電輔助設施、電解煙氣凈化、陽極炭塊組裝、空氣壓縮、鋁液鑄造工藝車間使用，運行方式一般為一個中心站帶多個下級子站構成，為滿足供電可靠性要求和系統最優化要求，一般中心站及下級子站都采用單母線分段接線方式，每個站都設兩條電源進線分別帶兩段母線運行。以某電解鋁企業交流供電系統為例，兩個系列交流供電系統分別是由一個10 kV 中心站帶四個10 kV 下級子站組成，每個站都采用兩條電源進線分別帶兩段母線的單母分段接線方式。其中，中心站兩段母線電源進線分別經一臺330 kV/10 kV 動力變接入，在下級子站中，主要高壓用電設備為10 kV 凈化風機，10 kV空壓機等，其用電量占到整個交流負荷的69%左右,其余為低壓用電設備。

2 影響電解鋁供電系統能耗的因素

2.1 整流供電系統效率

整流效率是電解鋁企業供電的重要指標，反映了供電系統的經濟性，經常作為電解鋁企業節能降耗的關鍵指標。其定義為：整流效率=輸出功率/輸入功率×100%。

由定義可知影響整流效率的因素有：整流變壓器損耗、整流器損耗、主電路連接件損耗、整流系統功率因數、運行方式、溫度等。而在實際運行中，存在整流系統損耗高、運行方式不優、功率因數、溫度控制不合理等缺陷，導致整流效率低下，能耗增加。

2.2 交流供電系統功率因數

電解鋁企業交流供電系統的用電設備大多是電機類感性負載，在正常運行時不僅向系統吸收大量的有功功率用來對外做功，還要吸收大量的無功功率用來建立自身磁場。在實際生產中因無功補償裝置配置不合理或未配置，導致系統功率因數低，無功損耗大，降低了設備利用率，增加了系統能耗。

2.3 輔助系統效率

在電解鋁供電系統中，為滿足供電設備運行要求，常配置一些輔助系統，如變壓器油風冷卻器、循環水冷卻系統等。變壓器、整流器運行時所產生的熱量都是通過他們各自的冷卻系統進行冷卻，而作為冷卻系統中的重要設備冷卻器、換熱器、冷卻塔，隨著運行年限的增加，一些灰塵等雜物會聚集在冷卻器、換熱器換熱片（管）波紋縫隙，冷卻水中的鈣、鎂等離子也會在換熱器、冷卻塔內部聚集結垢，造成有效換熱面積減小，換熱效率低下，極大地增加了輔助系統能耗。

2.4 設備性能

經過幾十年的快速發展，伴隨著新材料、新技術的不斷應用，一些高效率、低功耗的機電設備相繼產生。而大多數電解鋁企業所使用的設備還是建廠初期設備，技術性能都較為落后，能耗高、效率低，部分企業所使用的機電設備甚至是國家已列入計劃淘汰或已淘汰的設備，這些落后的設備，技術已不能滿足新形勢下企業對節能的要求，是電解鋁企業供電節能工作的絆腳石。

3 電解鋁企業供電系統節能降耗的主要措施

3.1 提升整流效率

整流效率的高低是反映整流系統能耗的關鍵指標，整流效率越高，系統越節能，在日常運行中，可通過降低變壓器，整流器損耗，合理控制溫度的方式去提高整流效率，減少能耗。

3.1.1 降低變壓器損耗

變壓器的損耗主要分為鐵損和銅損，其中，鐵損又名空載損耗，主要有渦流損耗及磁滯損耗，其大小取決于變壓器的鐵芯材質，制作工藝等，不受負荷影響，出廠基本確定。銅損又名短路損耗，是變壓器負載電流流經一、二次線圈時產生的損耗之和，其大小與電流的平方成正比[4]。降低變壓器的損耗可采取下列措施。

1）增加無功補償裝置，提升整流系統功率因數。絕大多數電解鋁供電系統整流變壓器都配置補償繞組，即第三繞組。根據6 脈波整流器的諧波電流特性，在補償側一般設置5 次、7 次、11 次諧波治理兼無功補償裝置，可有效提高系統功率因數，同時也抑制了整流系統高次諧波。

表1 是一個年產45 萬t 500 kA 系列9 臺整流機組濾波補償裝置投入前后的數據，由表中數據可知，在整流機組有功輸出恒定的情況下，功率因數由未投入補償裝置前的0.871 升高到投入補償裝置后的0.95，調變電流也明顯減小，通過增加了無功補償裝置，極大地降低了整流變壓器及線路的損耗。

表1 整流機組濾波補償裝置投入前后數據對照表

2）優化變壓器運行方式，合理分配負荷。在保證變壓器正常運行的前提下，優化變壓器運行方式，合理分配負荷，使變壓器盡可能的在最佳負載區間運行，可有效提高變壓器效率，電網損耗降低。以某電解鋁企業為例，共有17 臺型號為ZHSFPT-165000/330變壓器組（一系列9 臺，二系列8 臺），其中，一系列7臺，二系列6 臺雖然可以承受全部的直流負荷，但仍采取17 臺同時投運，因為17 臺同時投運時的總損耗為一系列7 臺，二系列6 臺同時運行時總損耗的76%左右，并且，整流波形對稱，諧波電流明顯降低，極大地降低了運行成本，實現了節能的目的。

3）合理控制變壓器有載檔位與整流器導通角。目前，絕大多數電解鋁整流供電系統都是采用調壓變壓器有載開關粗調和可控硅細調調壓，并配置自動穩流系統，通過控制導通角的大小來實現對因電網電壓變化或負載電阻變化而引起的直流電流波動進行穩流，實現穩定輸出的直流電。在實際生產運行中，穩流控制深度按2 個電解槽同時發生效應考慮，將穩流區間控制在60 V 即可滿足正常的電解鋁生產。因此，在確保正常的穩流控制區間前提下，適當降低變壓器有載開關檔位，增大導通角可有效提高系統功率因數，降低變壓器及線路的損耗[5]。

從表2 數據可直觀看出，整流器輸出直流電流穩定，隨著調壓變壓器有載擋位從64 擋逐步升高，呈現出整流器導通角逐漸減小，調變電流及無功功率增大，功率因數減低的趨勢。當整流器導通角一旦大于110°，便無法滿足整流器60 V 的穩流區間，在電解槽陽極發生效應時，會拉低系列電流，影響正常生產。在確保電解正常供電的前提下，適當降低調壓變壓器有載擋位，將導通角控制在104°～109°之間偏上限的范圍運行，可有效提高整流機組功率因數，降低系統損耗。

表2 某500 kA 系列單臺整流機組檔位、導通角與功率因數對照表

3.1.2 降低整流器損耗

整流器是整流柜中的核心器件，目前，國內的整流器大多采用二極管或晶閘管，由于二極管的通斷不可控，而晶閘管具有控制靈活，調壓范圍廣等特點被廣泛使用。由于電解鋁企業負載都比較大，在設計中，通常都采用大功率整流器，在每個整流橋臂上并聯多個整流器元器件，以增大整流輸出的目的，而均流系數就反映了各個整流元器件的出力情況。均流系數為并聯運行各支路電流的平均值與最大支路電流值之比，均流系數越高，整流器損耗越小，整流效率越高，而影響整流器均流性能的主要因素有：各支路的總電阻值及支路間的互感，通過采取同相逆并聯結構布置的整流器，可以使每個橋臂內的磁場相互抵消，從而減小了支路間的互感對均流性能的影響[6]。在日常運行中，由于受元件老化，連接件螺栓松動等原因，各支路總電阻值會發生變化，均流系數降低，損耗增大。故在整流器及快熔的選取上，選擇同型號，同批次的元器件，在檢修中檢查元器件的連接螺栓受力情況，定期測量和記錄均流系數，及時調整更換老化元件，確保整流器高均流系數運行是降低整流器損耗的有效措施。

3.1.3 合理控制設備運行溫度，提高經濟運行能力

變壓器繞組及整流主回路均是正溫度系數材料，隨著負荷的增大上面的熱損耗也顯著增大，無論是循環水冷卻系統還是變壓器油風冷卻系統，當溫度冷卻到一定值繼續冷卻時，冷卻器的冷卻效率會急劇下降，勢必增加了不必要的能源浪費，所以，在確保系統正常運行的溫度前提下，合理控制冷卻溫度，提高冷卻系統經濟運行能力。

3.2 提高交流供電系統功率因數

電力系統運行時，變壓器、電機等感性負載會從電網吸收大量的無功功率，這些無功電流流經輸電線路，變壓器線圈時就會產生損耗，造成大量的能源浪費，增加了用電成本。根據系統無功潮流，合理地進行無功補償，提高供電系統功率因數，可有效降低交流供電系統無功損耗[7]。常見的無功補償方式有高壓集中補償，低壓集中補償和低壓分散補償等，其補償效果越接近負載，其補償效果越好，節能效益越高，低壓分散補償效果好，但設備初期投資大，集中補償效果相對弱，但前期投資小，便于維護。結合三種補償方式的特點及企業實際負荷特性，通常采用集中補償和分散補償的方式相結合以達到系統無功潮流最優最節能的目的。

以某電解鋁企業交流供電系統為例，采用低壓分散補償和高壓集中補償的方式，在無功需求大的空壓站將多臺低壓電容器組分散安裝在負荷附近，達到同時投入同時切除的目的，既滿足了設備對無功的需求，也避免了因過補償造成無功反送的情況。在10kV中心站對母線設置自動跟蹤無功補償裝置進行高壓集中無功補償，極大程度地降低了總降變及線路的損耗，改善了供電線路末端的電壓質量，提高了供電經濟性，達到了節能的目的（見表3）。

表3 空壓機無功補償前后數據對照表

3.3 提高輔助系統運行效率

結合油風冷卻器、水水換熱器、冷卻塔維修保養指南與實際運行情況，定期清理外部積灰，對循環水冷卻系統加裝軟水裝置，實時對冷卻水進行軟化，降低水中鈣、鎂等離子濃度，降低冷卻水硬度，可有效避免水水換熱器、冷卻塔管道內部結垢造成效率低的問題，減少了輔助冷卻系統的能耗。

3.4 充分利用新設備、新技術、新能源

通過改造落后機電設備，充分利用變頻調速技術、大力發展新能源是當下節能降耗的重要舉措。

3.4.1 落后設備改造

以某電解鋁供電輔助系統為例，共2 個系列2 套循環水冷卻系統，每套循環水冷卻系統共配備四臺Y3-280s-4 型、功率75 kW 的電機驅動單極離心泵，按運三備一方式運行，實現了冷卻系統的副水循環。而Y3-280s-4 型電機為高耗能落后機電設備，已被國家列為第三批淘汰電機目錄行列[8]。與之匹配的單極離心泵存在流量偏小，揚程偏大現象，換熱效率低。通過設備改造，將四臺電機更換為功率為55kW 的YE2-225s-4 型節能高效電機，并在滿足系統對揚程條件的狀況下匹配大流量離心泵，改造后節能效果可觀。按兩個系列全年6 臺循環水泵運行，改造前全年用電75kW×24×365×6≈394.2 萬kW·h，改造后全年用電55kW×24×365×6≈289.08 萬kW·h，年節約電量105.12 萬kW·h。

3.4.2 凈化風機變頻改造

凈化高壓風機是電解鋁廠交流供電系統凈化車間主要的用電設備，作用是將電解鋁生產中產生的煙氣抽到凈化設備進行凈化處理后排出。根據流體力學的基本規律：風機的風量與電機轉速成正比，風壓與電機轉速的平方成正比[9]。在凈化風機系統設計時，風機容量應按最大工況需求設計，因電機工頻運行，轉速恒定，系統風量與壓力無法通過電機轉速來調節，只能通過控制風門開合度來控制系統流量與壓力，流量控制過小，凈化效果差，效率低，流量控制過大，又會帶走大量電解槽熱量，降低電解槽效率，為滿足工藝需求，常將風門開口度控制在40%～80%之間，風流量控制在450 000 m3/h 左右，這樣導致大量的能耗消耗在風門阻力上，造成大量能源浪費。

通過對凈化風機實施變頻技術改造，將風機風門全開，通過變頻器控制電源頻率的方式來控制風機轉速，以滿足系統對風量與壓力的需求，能較大程度地降低風機能耗，達到節能的目的。以某電解鋁企業凈化系統為例，共有8 套凈化系統，每套凈化系統配備3 臺700 kW 的10kV 高壓風機，按2 用1 備的方式運行。變頻改造前，8 套凈化系統16 臺風機全年用電約9 811.2 萬kW·h。變頻改造后，風門全開，當風流量達到450 000 m3/h 左右時，風機電機功率在660 kW 左右，16 臺風機全年用電約9 250.6 萬kW·h，年節約電量560.6 萬kW·h，節能效果顯著（見表4）。

表4 風機變頻器投入前后數據對照表

4.4.3 新能源技術的應用

結合西北地區日照時間長，光照充足的有利自然條件，充分利用清潔的太陽能資源，大力發展光伏發電并網技術是節能減排領域的重要趨勢。

1）分布式光伏發電并網。分布式光伏發電因其投資小，安裝靈活方便，綠色、節能、環保等特點受到越來越多企業的青睞。以某電解鋁企業為例，該企業充分利用建筑物屋頂及廠區閑置土地，裝設了容量為10 MW 的分布式光伏發電陣列，利用光電效應將豐富的太陽能轉換為電能，經過匯流、逆變、升壓，最終就近并入廠區10 kV 中心配電網（見圖1），實現了就近發電，就近并網，就近轉換，就近消納[10]。除去天氣、檢修等原因，按年發電天數300 d，日有效發電時間3.8 h 計算，一年就能發電1 140 萬kW·h。

圖1 分布式光伏發電并網系統框

2）太陽能- 市電雙電源照明機制的應用。電解鋁企業廠區大，照明面廣，照明耗電也不容小覷。將傳統的電解鋁廠高耗能鹵素燈、白熾燈更換為使用壽命長，亮度高，低功耗的LED 光源，采用新型太陽能發電儲能設備供電和市電作備用電源的雙電源供電機制[11]，既充分利用了太陽能清潔能源，又有效避免了因陰雨等天氣原因導致太陽能發電不足，影響正常照明的困擾。

4 結語

主要對影響電解鋁供電系統的能耗因素進行了分析，并結合能耗因素，提出了提升整流效率、提高供電系統功率因數、提高輔助系統運行效率、充分利用新設備、新技術、新能源等一系列節能降耗的技術改進策略，有效提升了供電經濟性。