Способ стабилизации тока серии алюминиевых электролизеров

Использование: в области производства алюминия из криолит-глиноземных расплавов для питания электролизных серий. Технический результат заключается в стабилизации величины тока в нагрузке при значительных стохастических изменениях сопротивления нагрузки. Способ заключается в автоматическом регулировании силовых тиристоров выпрямительного агрегата по результатам измерения величины тока в нагрузке, при этом выпрямительный агрегат формируют на суммарную мощность, превышающую расчетную для данной конструкции электролизеров, из нескольких выпрямительных блоков, мощность которых превышает номинальную для данной конструкции электролизеров, каждый выпрямительный блок содержит силовые трехфазные трансформаторы, выходные обмотки которых через тиристоры и шунты подключены к суммарной нагрузке выпрямительного агрегата, а управление тиристорами осуществляют по величине отклонения текущего значения тока в нагрузке от заданной уставки, величину которой задают из центральной АСУ, отклонения текущего значения тока от уставки определяют по разности между измеренным напряжением на шунте выпрямительного блока и напряжением уставки, по величине разности формируют время запуска тиристоров выпрямительного блока (время открытия тиристоров). 1 ил.

 

Изобретение относится к области производства алюминия из криолит-глиноземных расплавов, более конкретно к энергетическим промышленным установкам, преобразующим переменный ток промышленной частоты в постоянный ток для питания электролизных серий.

Известен «Агрегат бесперебойного питания» (Патент РФ, №2165670, опубл. 2004.01.10, аналог), включающий выпрямительный агрегат, состоящий из преобразовательных блоков, подключенных к одной из трехфазных вентильных обмоток преобразовательного трансформатора, а выводами постоянного тока - к нагрузке шестифазных выпрямительных мостов, каждое вентильное плечо которых выполнено в виде последовательно соединенных диодной группы и уложенной на магнитопровод рабочей обмотки дросселя насыщения, обмотки управления и смещения которого, уложенные на тот же магнитопровод, соединены последовательно с аналогичными обмотками других дросселей насыщения и подключены соответственно к источникам управления и смещения постоянного тока, причем рабочие обмотки управления и смещения дросселей насыщения противофазных вентильных плеч каждого из шестифазных выпрямительных мостов уложены на индивидуальный магнитопровод, выполнен так, что рабочие обмотки, обмотки управления и смещения дросселей насыщения одноименных противофазных вентильных плеч всех шестифазных выпрямительных мостов, подключенных к вентильным обмоткам преобразовательного трансформатора с одинаковой схемой соединения, уложены на один общий магнитопровод.

Недостатком данного технического решения (аналога) является низкая стабильность постоянного тока в нагрузке при случайных перепадах сопротивления нагрузки, возникающих за счет анодных эффектов на электролизерах.

Известен также «Способ автоматического регулирования напряжения электрофильтра» (Пат. РФ №2147469. Опубл. 2000.04.20, прототип), в котором для поддержания среднего значения напряжения на электрофильтре на максимально возможном уровне система автоматического регулирования определяет возможность перехода пробоя в дуговой разряд и осуществляет его гашение посредством закрытия силовых тиристоров агрегата на определенное время. При этом измеряется величина среднего значения тока через электрофильтр непосредственно перед пробоем, и, если этот ток меньше некоторой критической величины, длительность паузы гашения устанавливается равной нулю. Если ток равен или превышает критическое значение, то длительность паузы гашения устанавливается в зависимости от абсолютного значения величины среднего тока - большему значению тока соответствует большая длительность паузы гашения.

Недостатком данного технического решения (прототипа) является низкая стабильность постоянного тока в нагрузке при случайных перепадах (увеличениях) сопротивления нагрузки, за счет анодных эффектов на электролизерах.

Задачей предлагаемого технического решения является обеспечение стабильной заданной величины тока в нагрузке при значительных стохастических изменениях сопротивления нагрузки.

Результатом решения поставленной задачи является способ стабилизации тока серии алюминиевых электролизеров, в котором для обеспечения стабильной величины тока серии выпрямительный агрегат формируют на суммарную мощность, превышающую расчетную для данной конструкции электролизеров, из нескольких выпрямительных блоков, мощность которых превышает номинальную для выпрямительного блока, каждый выпрямительный блок содержит силовые трехфазные трансформаторы, выходные обмотки которых через тиристоры и шунты подключены к суммарной нагрузке выпрямительного агрегата. Управление тиристорами осуществляют по величине отклонения текущего значения тока в нагрузке от заданной уставки, величину которой задают из центральной АСУ ТП электролизного корпуса. Отклонение текущего значения тока в нагрузке определяют по разности между измеренной величиной падения напряжения на шунте выпрямительного блока и напряжением уставки. По разности этих напряжений формируют время запуска тиристоров выпрямительного блока (время открытия тиристоров).

Существенным отличием является увеличение мощности выше номинальной каждого выпрямительного блока и агрегата в целом, рассчитанной для данной конструкции электролизеров, а управление тиристорами ведут по величине отклонения текущего значения тока в нагрузке от заданной уставки. Применение индивидуальной для каждого блока схемы управления работой тиристоров повышает быстродействие и качество стабилизации выпрямительного агрегата в целом.

Вторым существенным отличием является то, что задание уставки из центральной АСУ ТП позволяет при необходимости отключить один из выпрямительных блоков для профилактики или текущего ремонта с сохранением номинального значения тока, но при сниженной стабильности.

Способ может быть осуществлен с помощью выпрямительного агрегата, который включает несколько выпрямительных однотипных выпрямительных блоков мощностью, превышающей номинальную для данной конструкции электролизеров, структурная схема такого блока приведена на чертеже(а), где введены следующие обозначения:

L₁-L₃ - вторичные обмотки силовых трехфазных трансформаторов, соединенные «треугольником» и «звездой», 1-12 - силовые тиристоры, R_ш - сопротивление шунта на выходе силового блока, R_н - сопротивление нагрузки (серия электролизеров), 13 - аналого-цифровой преобразователь, 14 - управляющая вычислительная машина (микроконтроллер), 15 - цифроаналоговый преобразователь, 16 - согласующее устройство запуска тиристоров.

На чертеже(б), представлена эпюра изменения во времени тока, протекающего через один из тиристоров: t_уст. - время открытия тиристора (время уставки), устанавливается из расчета обеспечения номинальной величины тока серии для данной конструкции электролизеров при отсутствии анодных эффектов на серии.

Поясним работу устройства:

1. В режиме настройки выпрямительного агрегата и выпрямительных блоков.

Начальное время открытия тиристора (время уставки) определяется расчетным путем для данной конструкции электролизеров с учетом номинальной величины тока серии, количества электролизных ванн в серии и выбранного технологического режима. Это время открытия тиристоров вводится в программу УВМ (или микроконтроллер) 14 от централизованной АСУ ТП. УВМ 14 вырабатывает цифровой код, пропорциональный напряжению открытия тиристоров. Цифровой код поступает на ЦАП 15, где преобразуется в аналоговый сигнал, который через согласующее устройство 16 передается на управляющие электроды силовых тиристоров 1-12. Номинальное время открытия тиристоров (время уставки) уточняется по результатам измерения тока серии (величины падения напряжения на шунтах всех выпрямительных блоков выпрямительного агрегата при отсутствии анодных эффектов на серии) и используется для уточнения напряжения уставки, обеспечивающего номинальный ток.

2. В режиме промышленной эксплуатации.

При анодном эффекте на одном или нескольких электролизерах увеличивается суммарное сопротивление R_н серии, ток снижается пропорционально снижению тока уменьшается падение напряжения на шунте R_ш. Напряжение с шунта поступает на вход АЦП 13, где преобразуется в цифровой код и передается на первый вход УВМ (микроконтроллер) 14. Разность напряжений с первого входа УВМ и напряжением уставки преобразуется во временной интервал, изменяющий время открытия тиристоров t_уст. в направлении t₀. В результате обеспечивается стабильное значение тока серии независимо от анодных эффектов.

Внедрение предлагаемого технического решения даст существенный экономический эффект. Ниже приведен расчет экономической эффективности предлагаемого технического решения.

Исходные данные:

Средняя величина выхода по току нормально работающих электролизеров η_I=88%.

Средняя величина ванно-суток M_t=1110 кг.

Стоимость 1000 кВт·ч электроэнергии ΔС_э=0,324 руб.

Электрохимический эквивалент алюминия α=0,33577 г/(А*ч).

Средняя величина силы тока I_с=156430 А.

Количество работающих ванн в корпусе n=92 шт.

Стоимость тонны алюминия $1200=31200 руб.

Средняя величина падения напряжения на электролизере во время анодного эффекта U_АЭ=30 В.

Количество анодных эффектов в сутки на одном электролизере θ=2 шт.

Средняя продолжительность анодного эффекта, берем максимальную величину, t_c=2 мин.

Дополнительный расход электроэнергии при наличии двух анодных эффектов на каждом электролизере составит .

Стоимость затраченной электроэнергии составит С_р=С_д×ΔC_э=6807783,5 руб.

Стоимость тонны глинозема - $160=4160 руб.

Общее время электролизеров в состоянии анодного эффекта nΘt_с=6 ч.

Снижение выхода по току на нормально работающем электролизере при анодном эффекте на одном из электролизеров корпуса составит 3,5%, что вызовет снижение выхода металла на 38,85 кг в сутки.

За год, при реализации способа, будет дополнительно получено 7827,5 тонны, или С_Σ=244218000 руб.

Расходы на реализацию системы стабилизации тока серии составят С_с=12000000 руб.

Расходы на глинозем С_г=2·4160·7827,5=65124800 руб.

Экономический эффект от внедрения системы стабилизации тока серии на одном электролизном корпусе, без учета накладных расходов, составит С_эф=С_Σ-С_р-С_с-С_г-С_т=160285417 руб.

Кроме этого эффекта, стабилизация тока серии обеспечит устойчивость магнитогидродинамического режима электролизных ванн.

Способ стабилизации тока серии алюминиевых электролизеров, включающий систему автоматического регулирования силовых тиристоров агрегата по результатам измерения величины тока в нагрузке, отличающийся тем, что выпрямительный агрегат формируют на суммарную мощность, превышающую расчетную для данной конструкции электролизеров, из нескольких выпрямительных блоков, мощность которых превышает номинальную для выпрямительного блока, каждый выпрямительный блок содержит силовые трехфазные трансформаторы, выходные обмотки которых через тиристоры и шунты подключены к суммарной нагрузке выпрямительного агрегата, а управление тиристорами осуществляют по величине отклонения текущего значения тока в нагрузке от заданной уставки, величину которой задают из центральной АСУ ТП, отклонения текущего значения тока от уставки определяют по разности между измеренным напряжением на шунте выпрямительного блока и напряжением уставки, по величине разности формируют время запуска тиристоров выпрямительного блока (время открытия тиристоров).