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电解铝厂自动化系统分析与优化

发表时间：2021/8/9 来源：《中国科技信息》2021年9月中作者：陆启辉

[导读] 近年来，随着国内经济下行压力增大，我国的铝行业产能过剩日益严重，已到了“爬坡过坎，转型升级”的关键时期。

广西百矿铝业有限公司陆启辉广西百色 533000

摘要：近年来，随着国内经济下行压力增大，我国的铝行业产能过剩日益严重，已到了“爬坡过坎，转型升级”的关键时期。大力促进铝行业结构调整和升级转型，已经成为企业运营的重中之重。对整流机组主要电气设备进行监控、保护和测量，合理调整负荷，实现优化运行，并能随时发现故障，迅速处理，减少停电时间，提高供电的可靠性，对此进行升级改造，从而解决运行中的故障，更进一步提高了电解供电的稳定性。
关键词：电解铝厂；自动化；分析与优化
        1.电解铝厂自动化系统分析
        20世纪50年代，我国就开始引进冶金工业自动化技术，目前我国电解铝厂自动化设备的覆盖率较高。一般而言，全厂自动化系统包括电解槽控系统、车间PLC控制系统和视频监视系统，均通过以太网络接入到全厂控制中心。电解槽控系统：在实时控制的基础上，对电解过程的生产数据进行统计分析，通过数据采集功能收集来自化验室、日常测量及电解槽实时数据，快速解析每台槽数据，对于异常槽，可以找到引起电解槽异常的根本原因，并以直观可追溯方式展现给操作者和管理者。车间PLC控制系统：在每个主要生产车间内设置一套PLC系统，实现所有设备自带控制系统的联网。设备信息及工艺参数通过以太网连接至主控楼控制中心，并实现控制中心远程监控功能。视频监控系统：包括生产视频监控及安保视频监控系统。系统采用全数字网络视频监控系统实现对生产现场、运行设备、保安的状况进行图像记录和实时监视。及时发现隐患，进行历史图像追忆和查询，为安全事故分析提供可靠信息资料。
        配电所未配备智能化电气设备，没有搭建智能化配电系统，电气巡检人员多，用电故障排查不及时，电网高低峰电价、负荷及电解槽的信息协同优化没有开展。重要工艺设备仪表测点缺乏冗余，当仪表损坏或受干扰时无法提供准确数据。部分电解铝厂的槽控箱为90年代产品，在高磁场、高电流的作用下，扛干扰能力差。此外，铝电解情况复杂，受出铝、效应等因素影响，现场需要技术经验丰富的工人进行手动调控，才能确保电解槽稳定运行。电解铝厂集团总部与下属分厂以及分厂各生产车间之间未实现统一信息平台，不能有效发挥各厂及部门的生产优势。
        2.电解铝厂整流机组事故分析
        造成电解铝整流系统事故的原因有，国内大型铝电解槽系列多采用4～6个机组，每个整流机组由一台变压器。2个整流柜组成，每套机组都能实现单柜稳流控制。而当其中一套整流机组直流侧汇流母线或整流内部出现短路故障时，往往会造成总汇流母线向该故障点回馈电流，形成逆流。特别是在超高直流电压的情况下。会形成很大的逆流，使故障范围扩大，引起整流柜组雪崩式烧毁，产生爆炸的恶性事故。使得电解生产长时停电。造成巨大的经济损失。整理柜中整流元件击穿，产生弧光，快熔不能及时熔断，引起弧光扩大，发展为整流柜内正负母线短路，产生爆炸。整流柜内冷却水管渗漏、喷水造成柜内元件放电短路，产生爆炸。
        由于近几年电解铝工业发展的突飞猛进。新型的大电流、高电压整流柜层出不穷，但设计上主要延续以前。在老的设计基础上进行了简单的放大制造。随着多起硅整流柜装置崩溃性爆炸事故的发生，国内电解铝厂现运行的整流柜设备设计缺陷也相继暴露出来。目前国内铝行业整流机组普遍采用同相逆并联结构，这种大功率高电压的整流设备，可以有效避免整流柜体产生涡流、磁场集中以及巨大吸引力造成桥臂变形、短路、框架融化坍塌。但是这种结构也有缺陷，运行中震动大，臂间电压高，相间电压高，存在很大的安全隐患。轻者整流柜造成跳闸电解停电事故，严重者则会造成整流柜爆炸，后果不堪设想。
        3.电解铝厂自动化系统及整流机组优化措施
        首先设备升级，高压开关柜接地刀采用电动设计，以便实现远程操作。在开关柜内安装摄像头，当电动操作时，对柜内电动底盘车及接地刀进行实时视频监测。厂用变压器、低压柜的进线和各重要负荷出线配置具有通讯功能的多功能仪表，通过通讯管理机将各特性参数上传至后台服务器，实现设备监测。其次建立智能供配电管理系统，该系统是基于物联网的数字化配电解决方案，结合云计算和大数据分析与服务，将配电系统中的智能设备互联互通，实现高效维护，保障配电运行更加可靠，全方位改善配电系统。

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通过高速采集和处理所有智能配电设备（断路器、变压器、绝缘监测、电容补偿装置）的数据，能够实现电能质量管理、电气资产管理和运行维护管理。对过载、过温、设备老化及电能质量起到预警作用，缩短停电时间，减少停电次数并延长设备寿命。通过互联网接口与供电公司信息对接，优化排产，以实现最低电价。
        提升铝厂工艺设备的传感器配置，对于核心工艺设备配置冗余智能型传感器，传感器能
够自动筛选有效的数据并初步加工，降低控制中心自动化系统的负荷压力。采用冗余配置，故障状态下能够选择自动切换至备用部件，避免设备故障引起工艺流程的中断，从而保障生产安全可靠性。选用智能模糊控制槽控机，电解槽控机之间通过 CAN 总线连接，槽控机硬件以 16位工业级 CPU 为控制核心，箱内集成知名厂家元器件，硬件系统具有灵活的模块插拔功能。软件系统具有专家模糊控制和槽况专家诊断等功能。专家模糊控制由推理机和模糊控制共同完成，推理机主要实现槽况分析、系统工作点和控制器性能的自调整等功能，而模糊控制则是完成下料速率调节和级距调节。
        智能化铝厂需搭建一套完善的工业化和信息化综合网络平台，一级平台为集团的 ERP 系统，通过云服务实现对各分厂的数据交换和共享。二级平台包括信息展示、智能槽控系统、能源管理、专家决策、数据模型、生产管控、巡检管理、智能工厂数据库等；三级平台包括电力系统管理、安防管理、智能网关、工控管理、办公网络、传感器、工艺智能化设备等，此平台的建设能够实现生产智能化和管理智能化。生产智能化。主要体现在以下方面：智能检测：基于物联网技术实现多厂站联结，在运营单元建设的二级平台实现对所有厂站集中式监控，统一调度控制和移动化管理。通过汇聚相应监测点视频监控录像、生产数据、管理数据等，启动专家系统进行故障诊断与风险预测，形成监控、报警、诊断的一体化联动机制。智能槽控：通过远程智能终端可以实现专家远程控制电解槽，同时通过历史数据进行大数据分析，实现电解槽的数字化。智能巡检：优化管理模式，通过手机或 PDA 等智能移动终端，辅以设备故障报警快速定位等方式进行智能巡检。如远程操控机器人完成电解槽自动换极与出铝、在整流所高危区域采用搭载监控摄像机等设备的巡检机器人获取母线温度、设备检修等作业。智能调度：通过建立铝厂与电网、物流系统模型，利用数学算法实现智能调度和仓储，在考虑生产安全可靠的前提下，综合利用高低峰电价和各车间气热供应信息，降低生产成本。智能安防：厂区视频监控摄像头实现了全厂无死角全覆盖，辅以门禁控制和巡更，在厂区外墙布设主动红外预警系统，通过人防和技防的结合，实现厂区安全。
        对整流设备优化改造，消除事故隐患通过对整流设备存在的隐患进行分析，对整流柜进行了如下改造：在整流柜内同相逆并桥臂相与相之间加装了隔弧板，隔弧板采用插槽式，选用高分子复合材料制品的玻璃布板，提高了相与相之间的绝缘性能。对整流柜内的操作过电压吸收装置进行了改造。将电容改为干式自愈式电容，并将柜内过电吸收装置全部移出柜外，单独安装在新增电器箱内，解决了阒振动引起的松动和失效问题，同时解决了检查人员穿越带电区域问题。换相过电压吸收装霞移位，将整流柜内换相过电压装置移出整流柜。采用耐压800一1000V、耐热、阻燃导线且引出柜外，有效缩短了连线减小了电感，易于人员检查巡视。增加逆电流保护装置多套整流机组并列供电系统中，在各台整流器直流侧汇流母线上安装逆流保护装置，是防止逆电流引起整流柜恶性爆炸事故的有效手段。当_}}{现逆流故障时。逆流保护装置可以直接发}n跳闸信号使交流侧高压断路器分断，迅速切断故障电流使其不波及其它并联的整流机组，从而防止恶性事件的发生。
        4.结语
        在多角度多方面的分析电解铝行业中自动化系统及整流机组的优化改造中，这需要电解铝行业的专业和技术研究人员在日常生产和经营过程中不断实践，对电解铝自动化系统及整流机组进行优化改进与调整，只有坚持这样一个漫长而又艰辛的过程，才能逐渐使得电解铝行业与设备本身的缺陷与隐患得到解决，电解铝行业与和电解铝行业相关的工业产业也才能因此获益，电解铝行业未来的强化发展和进步创新提供新的路径与更好的发展。
参考文献：
[1]张昕.基于PLC的电解铝整流供电系统[J].农村电气化,2020(07):22-24.
[2]黄宋密.电解铝整流机组电容补偿与滤波装置设计思考[J].企业科技与发展,2014(23):30-32.
[3]史晗.电解铝整流桥监控系统研究[J].电子世界,2013(10):46.
作者简介：陆启辉，男（1991.03-），壮族，广西田阳人，本科，研究方向：电气自动化