劉 義

(沈陽鋁鎂設(shè)計(jì)研究院有限公司,遼寧 沈陽 110001)

隨著全球二氧化碳排放,溫室氣體猛增,氣候變化已成為人類面臨的全球性問題。因此,各國以全球協(xié)約的方式減排溫室氣體,中國政府承諾2030年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰,2060年實(shí)現(xiàn)碳中和。2021年8月國家發(fā)改委印發(fā)《關(guān)于完善電解鋁行業(yè)階梯電價(jià)政策的通知》,要求對(duì)電解鋁行業(yè)實(shí)行階梯電價(jià)政策,按鋁液綜合交流電耗對(duì)階梯電價(jià)進(jìn)行分檔,2022年分檔標(biāo)準(zhǔn)為13 650 kWh/t,2023年起為13 450 kWh/t,2025年起為13 300 kWh/t,對(duì)不高于分檔標(biāo)準(zhǔn)的,鋁液生產(chǎn)用電量不加價(jià),高于分檔標(biāo)準(zhǔn)的,每超過20 kWh,加價(jià)0.01元/kWh,不足20 kWh的,按20 kWh計(jì)算。同時(shí),鼓勵(lì)企業(yè)提高風(fēng)電、光伏發(fā)電等非水可再生能源的利用[1]。

如果電解鋁企業(yè)未能達(dá)到上述要求,將支付高額的電費(fèi),導(dǎo)致生產(chǎn)成本大幅增加,甚至造成企業(yè)經(jīng)營虧損。因此,電解鋁廠除了聚焦生產(chǎn)工藝方面的節(jié)能技改,還應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注節(jié)能潛力較大的電氣設(shè)施等方面的節(jié)能減排措施及利用,以主輔結(jié)合、多措并舉的方式開展節(jié)能減排工作。同樣,氧化鋁廠也應(yīng)積極主動(dòng)開展電氣設(shè)施的節(jié)能減排工作,從而使鋁行業(yè)取得最佳節(jié)能減排效果,積極促進(jìn) “雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。

1 鋁廠電氣設(shè)施現(xiàn)狀

我國電解鋁產(chǎn)能約4 000多萬噸[2],電流強(qiáng)度200～400 kA、500～600 kA,400 kA及以下的電解系列達(dá)到上百個(gè),基本是在2012年以前建成投產(chǎn)的,這部分電解系列的配套電氣設(shè)施受到當(dāng)時(shí)的裝備制造水平限制和較為寬松的電能質(zhì)量政策等因素的影響,自身能耗較高,節(jié)能減排潛力較大;500 kA及以上的電解系列基本是在近10年建成投產(chǎn)的,其配套電氣設(shè)施的裝備水平和電能質(zhì)量等方面有所提高,但受行業(yè)景氣度和企業(yè)控制投資成本等因素的影響,提升幅度有限,尚有節(jié)能減排潛力可以挖掘。氧化鋁產(chǎn)能方面,總產(chǎn)能約9 000多萬噸[2],單條生產(chǎn)線產(chǎn)能約50～130萬噸,其電氣設(shè)施的裝備水平和電能質(zhì)量等方面與電解鋁廠情況相似,也有較大的節(jié)能減排潛力。

供電系統(tǒng)方面,電解鋁廠供電系統(tǒng)通常采用220 kV、也有部分鋁廠采用330 kV和110 kV供電系統(tǒng),電解直流負(fù)荷用電由整流機(jī)組負(fù)責(zé)提供,其一次側(cè)輸入電壓為供電系統(tǒng)電壓,調(diào)壓整流變壓器接線方式通常采用雙圈降壓或自耦降壓,冷卻方式為強(qiáng)油風(fēng)冷,調(diào)壓方式采用有載調(diào)壓開關(guān)粗調(diào)配自飽和電抗器細(xì)調(diào)或晶閘管連續(xù)調(diào)壓,整流元件采用二極管或晶閘管;電解鋁廠動(dòng)力負(fù)荷供電采用10 kV供電系統(tǒng)、少數(shù)采用6 kV供電系統(tǒng),由2臺(tái)及以上動(dòng)力變壓器負(fù)責(zé)提供10 kV電源,動(dòng)力變一次側(cè)輸入電壓為供電系統(tǒng)電壓,降壓后通過10 kV中心配電所和分配電所為全廠中壓負(fù)荷提供供電電源。同時(shí),在低壓負(fù)荷較為集中處設(shè)置10/0.4/0.23 kV車間變電所,為附近低壓負(fù)荷提供供電電源。氧化鋁廠供電系統(tǒng)通常采用110 kV或35 kV供電系統(tǒng),經(jīng)2臺(tái)及以上主變壓器降壓后與自備電廠發(fā)電機(jī)組聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行,為全廠中壓用電負(fù)荷提供10 kV供電電源,10/0.4/0.23 kV車間變電所設(shè)置原則同電解鋁廠。

中低壓配電系統(tǒng)電氣設(shè)施裝備水平方面,電解鋁廠和氧化鋁廠的10/0.4/0.23 kV車間變壓器通常采用S9、S10系列油浸式變壓器,低壓電動(dòng)機(jī)多數(shù)采用EFF3及以下能效等級(jí)電機(jī),照明燈具采用金鹵燈和功率因數(shù)較高的節(jié)能燈具等,但LED燈具并未普及。

2 電氣設(shè)施能耗問題

電解鋁廠和氧化鋁廠供電系統(tǒng)及電氣設(shè)施采用了行業(yè)成熟可靠的技術(shù),但隨著裝備水平、技術(shù)應(yīng)用和設(shè)計(jì)理念的不斷發(fā)展,其在能耗方面存在如下較為突出的問題。

2.1 電解鋁廠電氣設(shè)施能耗問題

供電整流系統(tǒng)調(diào)壓整流變壓器通常采用自耦或雙繞組降壓的連續(xù)調(diào)壓整流變壓器,此種接線方式變壓器的結(jié)構(gòu)容量約是電氣容量的1.75倍～2倍[3]。因此,存在自身鐵磁損耗較大問題。

調(diào)壓整流變壓器的冷卻方式通常采用強(qiáng)油風(fēng)冷,而油風(fēng)冷卻器配套的循環(huán)油泵和冷卻風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)電機(jī)也導(dǎo)致其輔機(jī)能耗進(jìn)一步增加。

功率因數(shù)補(bǔ)償及諧波治理設(shè)施方面采用整流機(jī)組就地補(bǔ)償方式,通過在調(diào)壓整流變壓器設(shè)置角形穩(wěn)定繞組兼做補(bǔ)償繞組來實(shí)現(xiàn),濾波器采用傳統(tǒng)的二階、三階濾波器,存在基波電流損耗較高、能耗較大的問題。

對(duì)于動(dòng)力配電系統(tǒng),10/0.4/0.23 kV車間變壓器采用S9、S10系列油浸式變壓器,此型號(hào)及系列變壓器按照現(xiàn)行的能效等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)劃分為3級(jí)能效產(chǎn)品,其自身損耗與1級(jí)能效產(chǎn)品相比,存在運(yùn)行損耗較高的問題。低壓電動(dòng)機(jī)的能效等級(jí)不高,其能效限定值與現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《中小型三相異步電動(dòng)機(jī)能效限定值及能效等級(jí)》(GB18613)相比存在較大差距,導(dǎo)致其運(yùn)行能耗增加。

全廠照明系統(tǒng)供電電源均直接引自車間低壓配電系統(tǒng),由于沒有設(shè)置電壓智能調(diào)節(jié)裝置,導(dǎo)致照明燈具工作電壓高出額定電壓,造成一定程度的能耗浪費(fèi);車間內(nèi)雖然采用了節(jié)能燈具和光源,但裝備水平還有待提高,LED節(jié)能光源和燈具尚未普及應(yīng)用,導(dǎo)致照明系統(tǒng)工作容量偏大,也產(chǎn)生較大的電能消耗。

2.2 氧化鋁廠電氣設(shè)施能耗問題

氧化鋁廠的動(dòng)力供電系統(tǒng),其車間變壓器的裝備水平和能效等級(jí)等方面存在的問題,與電解鋁廠基本相同,詳見上述問題描述。

高、低壓電動(dòng)機(jī)的能效等級(jí)不高,能效限定值與現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)相比存在較大差距,導(dǎo)致其運(yùn)行能耗增加;此外,引風(fēng)機(jī)高壓電動(dòng)機(jī)控制策略方面,采用液力耦合器調(diào)節(jié)方式較多,變頻調(diào)速控制系統(tǒng)應(yīng)用較少,存在液耦執(zhí)行器長(zhǎng)期運(yùn)行在較低范圍內(nèi),特別是低負(fù)荷運(yùn)行工況下,液力耦合器調(diào)節(jié)開度均較小,運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性較差,直接導(dǎo)致能耗增加。

由于上述能耗問題的存在,對(duì)生產(chǎn)企業(yè)的節(jié)能減排工作帶來較大的沖擊。此外,各企業(yè)對(duì)太陽能、風(fēng)能,以及氧化鋁廠對(duì)生物質(zhì)能發(fā)電等綠色能源的應(yīng)用也十分有限,進(jìn)一步加劇了節(jié)能減排難度。因此,應(yīng)對(duì)電氣設(shè)施開展節(jié)能減排技術(shù)措施的研究工作。

3 節(jié)能減排技術(shù)研究

調(diào)壓整流變壓器的節(jié)能減排技術(shù)措施重點(diǎn)在于對(duì)其接線方式進(jìn)行優(yōu)化,通過研制和采用自身損耗更低的接線方式來實(shí)現(xiàn)。如采用雙繞組降壓二次角形接線取消獨(dú)立角形補(bǔ)償繞組結(jié)構(gòu)的新型調(diào)壓整流變壓器,此種接線方式的調(diào)壓變壓器將二次調(diào)壓繞組由傳統(tǒng)的星形調(diào)壓繞組改為延邊三角形調(diào)壓繞組,同時(shí)利用三角形調(diào)壓繞組的1～2個(gè)基本粗調(diào)繞組抽頭引出作為功率因數(shù)補(bǔ)償兼諧波治理設(shè)施使用,具體接線方案為:調(diào)變二次側(cè)五段粗調(diào)繞組連接成延邊三角形線路,三角形內(nèi)的兩段粗調(diào)繞組兼做補(bǔ)償繞組,調(diào)變中不再設(shè)置獨(dú)立補(bǔ)償繞組,將補(bǔ)償繞組和粗調(diào)繞組合二為一,從而降低了調(diào)變自身的運(yùn)行損耗[4]。此種結(jié)構(gòu)的調(diào)壓變壓器具有抗短路能力強(qiáng)、運(yùn)行可靠性高、損耗低、運(yùn)行效率高等優(yōu)點(diǎn),其接線方式如圖1所示。

圖1 雙繞組降壓取消獨(dú)立角型補(bǔ)償繞組接線圖

此外,還可采用第三繞組調(diào)壓的整流變壓器,此種變壓器的結(jié)構(gòu)容量?jī)H是電氣容量的1.5倍,采用第三繞組進(jìn)行調(diào)壓,取消了獨(dú)立補(bǔ)償繞組,將補(bǔ)償繞組和粗調(diào)繞組合二為一,同樣能夠?qū)崿F(xiàn)變壓器運(yùn)行損耗的降低。以上2種優(yōu)化后的接線方案均可使調(diào)壓變壓器自身損耗降低約6%以上。

調(diào)壓整流變壓器輔機(jī)消耗方面的節(jié)能減排技術(shù)措施應(yīng)重點(diǎn)考慮冷卻方式的優(yōu)化,如將調(diào)壓整流變壓器的冷卻方式由強(qiáng)油風(fēng)冷優(yōu)化為自冷方式,以此來取消或減少原有冷卻系統(tǒng)的循環(huán)油泵和冷卻風(fēng)扇等用電設(shè)備,從而降低輔機(jī)的電量消耗,實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排目的。

供電整流系統(tǒng)的功率因數(shù)補(bǔ)償及諧波治理設(shè)施方面的節(jié)能減排技術(shù)措施,重點(diǎn)應(yīng)在濾波方案的選擇和優(yōu)化,對(duì)于采用整流機(jī)組就地補(bǔ)嘗方式時(shí),可考慮采用新型的C型濾波器方案替代現(xiàn)有的高通濾波器方案,主要是因?yàn)镃型濾波器是一種補(bǔ)償型低能耗濾波器,其電容Cd滿足公式(1)[5]:

(1)

式中:ω1為額定工頻角頻率,單位rad/s;L為電感,單位H;Cd為與電阻并聯(lián)支路電容,單位F。

從而可使基波電流幾乎全部流經(jīng)C-L支路,與高通濾波器相比,它的有功功率損耗更低。此外,如在各方面條件允許情況下,也可采用高壓配電裝置母線處集中補(bǔ)償方案替代整流機(jī)組就地補(bǔ)償方案,以此來降低總補(bǔ)償裝機(jī)容量,從而有效降低濾波器能耗。

對(duì)于全廠10/0.4/0.23 kV車間變壓器的節(jié)能減排技術(shù)措施,可通過采用能效等級(jí)更高的節(jié)能型變壓器進(jìn)行替代,如采用能效1級(jí)的高效節(jié)能非晶合金變壓器,與現(xiàn)有車間變壓器相比空載損耗方面可節(jié)能70%～80%、負(fù)載損耗方面可節(jié)能10%～20%。在進(jìn)行有功功率損耗分析計(jì)算時(shí)可按簡(jiǎn)化式(2)進(jìn)行計(jì)算;年電能損耗分析計(jì)算可按簡(jiǎn)化公式(3)進(jìn)行計(jì)算[6]。

(2)

式中:△Pb為變壓器有功功率損耗,單位kW;△Pk為變壓器空載損耗,單位kW;△Pd為變壓器負(fù)載損耗,單位kW;Sjs為變壓器二次側(cè)計(jì)算負(fù)荷,單位kVA;Se為變壓器額定容量,單位kVA。

(3)

式中:△Wb為變壓器年電能損耗,單位kWh;t為變壓器年運(yùn)行小時(shí),單位h;τ為變壓器最大負(fù)荷小時(shí),單位h。

對(duì)于全廠高、低壓電動(dòng)機(jī)的節(jié)能減排技術(shù)措施,可通過采用能效等級(jí)為1級(jí)的電機(jī)產(chǎn)品進(jìn)行替代實(shí)現(xiàn),能效1級(jí)的電動(dòng)機(jī)與現(xiàn)有的電動(dòng)機(jī)相比,可使電動(dòng)機(jī)的效率提高3%～5%。同時(shí),對(duì)額定容量較大或備用容量較大的高壓電動(dòng)機(jī)輔以變頻調(diào)速控制,根據(jù)設(shè)備的壓力-流量特性曲線,按照生產(chǎn)工藝要求的參數(shù),通過采用變頻調(diào)速控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)設(shè)備的變速變流量控制,也可以取得較好的節(jié)能減排效果。在進(jìn)行電動(dòng)機(jī)有功功率損耗分析計(jì)算時(shí)可按簡(jiǎn)化公式(4)[6]進(jìn)行計(jì)算。

(4)

式中:△Wb為電動(dòng)機(jī)年電能損耗,單位kWh;PN為電動(dòng)機(jī)額定功率,單位kW;η1為高效電動(dòng)機(jī)的效率;η2為普通電動(dòng)機(jī)的效率;t為電動(dòng)機(jī)年運(yùn)行小時(shí),單位h;K為負(fù)載率。

對(duì)于全廠照明系統(tǒng)的節(jié)能減排技術(shù)措施,首先,應(yīng)設(shè)置電壓智能調(diào)節(jié)裝置,通過對(duì)照明系統(tǒng)輸入電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)優(yōu)化,使各照明負(fù)載的電壓與燈具設(shè)計(jì)電壓基本一致,并應(yīng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分時(shí)控制,從而降低電量消耗;其次,應(yīng)提高照明燈具的裝備水平,采用LED高效節(jié)能燈具和光源替換現(xiàn)有全部照明燈具,可使照明系統(tǒng)的功率消耗降低40%～50%;除此之外,還應(yīng)積極推廣和應(yīng)用建筑物光伏發(fā)電系統(tǒng)及儲(chǔ)能系統(tǒng),此舉將會(huì)取得更好的節(jié)能減排效果,甚至全廠的照明系統(tǒng)用電都可以由建筑物光伏發(fā)電系統(tǒng)提供,實(shí)現(xiàn)全廠照明系統(tǒng)的節(jié)電率達(dá)到100%。

設(shè)計(jì)理念方面,可以通過大數(shù)據(jù)分析和研究,對(duì)現(xiàn)有配電室設(shè)置方案進(jìn)行優(yōu)化,確定更加合理的總圖配置方案,以保證配電室真正處于用電負(fù)荷中心,從而降低供電線路損耗;對(duì)現(xiàn)有中壓系統(tǒng)電壓進(jìn)行優(yōu)化,選擇更為合理的供電電壓等級(jí),從而降低供電系統(tǒng)自身的損耗等;推廣和普及建筑物光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用、氧化鋁廠自備熱電站生物質(zhì)能發(fā)電等技術(shù)的應(yīng)用,從而提高綠電的應(yīng)用,進(jìn)一步降低二氧化碳排放。

通過上述對(duì)電解鋁廠和氧化鋁廠供電系統(tǒng)及電氣設(shè)施節(jié)能減排技術(shù)研究和分析,下面結(jié)合實(shí)際工程應(yīng)用,以單系列年產(chǎn)能為45萬噸的電解鋁廠、80萬噸的氧化鋁廠為分析研究對(duì)象,當(dāng)上述節(jié)能減排技術(shù)措施得到應(yīng)用后,與鋁廠現(xiàn)有的電氣設(shè)施能耗相比,其在有功功率、電量消耗方面的節(jié)能效果和二氧化碳排放量的減少情況見表1和表2所示。

表1 電解鋁廠電氣設(shè)施節(jié)能減排分析表

表2 氧化鋁廠電氣設(shè)施節(jié)能減排分析表

通過上述節(jié)能技術(shù)措施的應(yīng)用,該電解鋁廠可節(jié)約有功功率2 510 kW、每年節(jié)約電量19 245 000 kWh,每年減少二氧化碳排放量19 245噸;該氧化鋁廠可節(jié)約有功功率1 815 kW、每年節(jié)約電量12 540 600 kWh,每年減少二氧化碳排放量12 540.6 噸;取得良好的節(jié)能減排效果。各企業(yè)在實(shí)際應(yīng)用時(shí),還可綜合評(píng)估相關(guān)的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性,以便獲得較為合理的投入和產(chǎn)出。

4 結(jié) 語

綜上所述,通過對(duì)鋁行業(yè)典型電解鋁廠調(diào)壓整流變壓器及其冷卻器輔機(jī)、功率因數(shù)補(bǔ)償及諧波治理設(shè)施、10/0.4 kV車間變壓器、低壓電動(dòng)機(jī)和照明系統(tǒng)等電氣設(shè)施,以及氧化鋁廠10/0.4 kV車間變壓器、高低壓電動(dòng)機(jī)和照明系統(tǒng)等電氣設(shè)施能耗方面存在的問題進(jìn)行分析研究,結(jié)合電氣設(shè)施裝備水平的不斷提高、先進(jìn)技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用和設(shè)計(jì)理念的不斷發(fā)展,對(duì)供電系統(tǒng)和電氣設(shè)施提出相應(yīng)的節(jié)能減排技術(shù)措施,以期各企業(yè)能夠根據(jù)自身的實(shí)際情況多措并舉系統(tǒng)地解決能耗問題,從而有利于企業(yè)進(jìn)一步降低生產(chǎn)能耗、減少碳排放量,促進(jìn)鋁行業(yè)早日實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)。