Комбинированный способ повышения качества электроэнергии в питающей сети при питании регулируемым током серий алюминиевых электролизеров

 

Изобретение может быть использовано для питания мощных потребителей постоянного тока, например серий алюминиевых электролизеров. Сущность изобретения: повышение качества электроэнергии в питающей сети при одновременном упрощении создания многофазных схем выпрямления, включающих выпрямительные блоки 13 - 15, преобразовательные трансформаторы 7 - 12 и силовые трансформаторы 4 - 6, достигается за счет использования регулировочных частей первичных обмоток преобразовательных трансформаторов как для изменения (увеличения) фазности выпрямления, так и для регулирования тока нагрузки по определенному алгоритму. 1 з.п.ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к электротехнике и металлургии, в частности к повышению качества электроэнергии в электрических сетях при питании от них регулируемым током крупных выпрямительных нагрузок, например серий алюминиевых электролизеров.

Известен способ повышения качества электроэнергии путем увеличения фазности выпрямления, включающий координацию углов фазового сдвигаα схемой соединения и числом витков обмоток, соединяемых на фазовый сдвиг, когда схемой соединения вторичных обмоток (вентильных обмоток) преобразовательных трансформаторов (включаемых в звезду и треугольник) и числом витков этих обмоток (оно различается в раз), достигается эквивалентная фазность выпрямления, равная двенадцати, при регулировании тока серий алюминиевых электролизеров ступенчатым изменением числа витков регулируемой части первичных обмоток преобразовательных трансформаторов, при этом изменение числа витков первичной обмотки производится для выдерживания заданных ампер-часов (заданного по технологии среднего значения тока серии I_ср) за установленные промежутки времени (1-2 ч), поддерживая ток в периоды отсутствия анодных эффектов несколько выше заданного [1].

Для выдерживания среднего тока требуется при этом изменение напряжения серии (ΔU_р) для компенсации в основном влияния анодных эффектов, снижающих ток серии. В известном решении компенсация изменений сетевого напряжения производится сетевыми (силовыми) трансформаторами, предвключенными преобразовательным трансформатором (их вольтодобавочными трансформаторами).

Недостатком этого способа является невозможность получения фазности выпрямления более двенадцати, которая для мощных электролизных серий не дает требуемого стандартом качества электроэнергии (коэффициент несинусоидальности и уровни гармоник напряжения в питающей сети превышают требования государственного стандарта), что ведет к большому ущербу для алюминиевых заводов в связи с увеличением платы за электроэнергию при несоответствии ее качества указанным требованиям стандарта.

Недостатком этого способа является также то, что при регулировании тока максимальное значение тока серии (I_с) ничем не ограничено и заданное значение I_ср выдерживается за 1-2 ч независимо от того, как ведется технология и в результате максимальные значения тока могут превышать I_ср на 15% и более, что вызывает повышенную циркуляцию расплава в ваннах (из теоретической электротехники известно, что сила взаимодействия - проводников с током прямо пропорциональна произведению этих токов и, следовательно, в данном случае пропорциональна квадрату тока серии), вследствие чего снижаются срок службы ванн (футеровки ванн) и выход по току, увеличиваются удельные расходы сырья и электроэнергии.

Прототипом предлагаемому решению является способ повышения качества электроэнергии путем изменения (увеличения) фазности выпрямления [2], включающий координацию углов фазового сдвига αпреобразовательных трансформаторов, когда при изменении витков их первичных обмоток (за счет изменения витков фазосдвигающей их части) в пределах, обусловленных заданным качеством электроэнергии напряжение серии изменяется на ΔUα (при неизменном числе витков остальной части первичной обмотки), при изменении числом витков указанных первичных же обмоток (их части, предназначенной для регулирования тока серии) напряжения на серии на величину ΔU_р при отклонениях тока серии от заданного по технологии среднего значения I_ср.

В этом решении увеличение фазности выпрямления до 24 достигается тем, что в каждом преобразователе переменного тока в постоянный трансформаторная часть (агрегат) состоит из двух трансформаторов, каждый из которых имеет первичную обмотку, состоящую из трех частей: нерегулируемой, фазосдвигающей и регулировочной (для регулирования тока серии) части, причем на одном трансформаторе фазосдвигающая часть (обмотка) включена так, что обеспечивается фазовый сдвиг α= +7,5^о, а на другом трансформаторе так, что обеспечивается фазовый сдвиг α= (-7,5^о). Это решение также предполагает использование силовых трансформаторов, предвключенных преобразовательным, с помощью которых производится, как правило, компенсация изменений сетевого напряжения (регулированием напряжения под нагрузкой или переключением отпаек без возбуждения).

Недостатком этого решения является необходимость в каждом преобразовательном трансформаторе иметь первичную обмотку, состоящую из частей (обмоток), а для действующих алюминиевых заводов России, имеющих главным образом двенадцатифазную схему выпрямления [1], оно требует замены трансформаторного оборудования преобразователей, так как это оборудование не имеет фазосдвигающих обмоток или требуется дополнительная установка фильтркомпенсирующих устройств.

Задача, решаемая изобретением, сводится в основном к использованию одних обмоток, а именно регулировочных (для регулирования тока серии) частей первичных обмоток преобразовательных трансформаторов для изменения (увеличения) фазности выпрямления (повышения качества электроэнергии) при регулировании ими же тока серии, но по новому комбинированному алгоритму, удовлетворяющему как требования качества электроэнергии, так и более выгодному (экономичному) регулированию тока.

Решение поставленной задачи достигается тем, что координацию углов αвыполняют установкой в каждой серийной группе преобразовательных трансформаторов числа витков регулируемых частей первичных обмоток в интервалах значений, обеспечивающих величину ΔU_р, силовыми трансформаторами, к которым подключены первичные обмотки преобразовательных трансформаторов, устанавливают на своих сериях ток I_с и корректируют его витками указанных регулировочных частей обмоток в интервале значений витков, обеспечивающем величину ΔU_α, включающем интервал значений витков, обеспечивающий величину ΔU_р, не превышая при этом значения базового тока серии I_б, определяемого с учетом средних значений частоты, напряжения и продолжительности анодных эффектов из условия, при котором I_c≅I_б, I_б≥I_ср, ΔU_α- ΔU_р≥0.

Ограничение максимального тока серии базовым его значением приводит к тому, что регулирование тока серии по изобретению сводится к поддержанию его в периоды отсутствия анодных эффектов в пределах от I_б=I_ср (при длительном отсутствии анодных эффектов) до I_б= в периоды наихудшего ведения технологии, за которые принимается работы электролизеров со всеми показателями выполнения технологического регламента на уровне среднего (см. приведенную формулу): f - средняя частота или количество анодных эффектов на один электролизер в сутки; t - среднее время гашения одного анодного эффекта; U_аэ - среднее напряжение на электролизе при анодном эффекте; U_{э, l -} соответственно среднее напряжение без учета анодных эффектов и средняя противоЭДС одного электролизера; 24 I_ср - амперчасы за сутки.

Это ограничение максимального тока серии базовым его значением, определяемым требованиями технологического регламента, в основном к режиму анодных эффектов (см. приведенную формулу), дает как увеличение технико-экономических показателей при электролизе алюминия (снижение максимальных токов - уменьшение интенсивности циркуляции расплава в ваннах - увеличение срока службы футеровки ванн, повышение выхода по току, снижение удельных расходов сырья и электроэнергии), так и сужение диапазона ΔU_р, что позволяет выполнить условие ΔU_α -ΔU_р≥0 и использовать предложенным способом регулировочные обмотки в качестве фазосдвигающих.

Выполнение условия ΔU_α - ΔU_р≥0 проверяется или опытным путем или может быть определено по формуле ΔUα-ΔU_р= · U₁· W₂· - - N(U_э-l) - 1 где U_c, U₂ - соответственно напряжение серии и вторичное напряжение преобразовательных трансформаторов при работе их под нагрузкой серии; U₁ - первичное напряжение преобразовательного трансформатора; W₂ - число витков вентильной обмотки преобразовательного трансформатора;
W_э1, W_э2 - границы интервала значений эквивалентного числа витков первичной составляющей из двух частей обмотки преобразовательного трансформатора при соответственно меньшем и большем числе витков ее регулируемой части (в зоне ΔU_р), соединенной по схеме фазового сдвига с нерегулируемой частью.

На примере схемы электроснабжения алюминиевого завода предлагаемый способ осуществляют таким образом, что при питании завода от энергосистемы 1, когда через автотрансформаторы головной подстанции 2 подается напряжение на шины питания 3 алюминиевого завода, состоящего из трех серий (16, 17, 18) алюминиевых электролизеров (ванн), каждая из которых подключена к общему выходу одной из серийных групп преобразователей переменного тока в постоянный, каждая из которых состоит из выпрямительных блоков и преобразовательных трансформаторов (преобразовательные трансформаторы 7, 8 и выпрямительные блоки 13 с указанным общим выходом на серию 16 - одна группа; преобразовательные трансформаторы 9, 10 и выпрямительные блоки 14 с общим выходом на серию 17 - вторая группа; преобразовательные трансформаторы 11, 12 и выпрямительные блоки 15 с общим выходом на серию 18 - третья группа преобразователей переменного тока в постоянный), первичные обмотки которых через силовые трансформаторы 4, 5, 6 подключены к питающей сети (шинам питания 3) и состоят каждая из соединенных между собой регулируемых (21, 22) и нерегулируемых (19, 20) по количеству витков частей, а вентильные обмотки 23-26 подключены к входу соответствующих выпрямительных блоков, выходы которых образуют указанный общий выход, выполняются следующие действия:
1. Выполняют координацию углов фазового сдвигаα преобразовательных трансформаторов следующим, например, образом:
В а р и а н т 1.1.

1.1.1. На преобразовательных трансформаторах (ПТ) 7, 8 устанавливается нулевая отпайка, т.е. с числом регулировочных витков, равным нулю ( α =0^о);
1.1.2. На ПТ 9, 10 устанавливается такое число регулировочных витков, что α = ±10^о;
1.1.3. На ПТ 11, 12 устанавливают такое же, как по п. 1.1.2 число регулировочных витков и получают также α =± 10^о.

Полярность угловα (плюс или минус) зависит от чередования фаз напряжения сети, подаваемого на ПТ (например, если на фазу А ПТ II подается фаза А сети, на В-В, С-С и при этом получают угол, например +α , то при подаче на фазы А. В и С ПТ 12 фаз напряжения сети соответственно С, В и А получают угол -α ). При этой координации углов α (+10^о; -0^о, -10^о) на шинах 3 получается 36-ти фазная схема выпрямления.

В а р и а н т 1.2.

1.2.1 Серия 16 (ПТ 7, 8): α = ±2,5^о
1.2.2 Серия 17 (ПТ 9, 10): α =±7,5^о
1.2.3 Серия 18 (ПТ 11, 12) : α = ±12,5^o и на шинах 3 получают 72-ти фазную схему выпрямления (+12,5^о; +7,5^о; +2,5^о;-2,5^о; -7,5^о; -12,5^о)
В а р и а н т 1.3.

1.3.1 Серия 16 (ПТ 7, 8): α =0^о,
1.3.2 Серия 17 (ПТ 9, 10): α = ±5^о,
1.3.3 Серия 18 (ПТ 11, 12): α = ±10^о и на шинах питания получают эквивалентную 60-ти фазную схему выпрямления (+10^о; +5^о; 0^о; -5^о;-10^о);
2. Силовыми трансформаторами 4, 5, 6 устанавливают токи соответствующих серий в зоне значений ΔU_р (I_с≅I_б).

3. Преобразовательными трансформаторами регулируют (корректируют) токи серии в зоне ΔU_α путем установки базового тока (тока серии в период отсутствия анодных эффектов) в пределах от I_б=I_cр до максимального его значения, ограниченного требованиями технологического регламента (см. вышеприведенную формулу).

При этом
3.1 В варианте 1.1 в условиях регулирования тока углы фазового сдвигаα будут изменяться (колебаться):
для серии 16 - около 0^о (±)
для серии 17 - около 10^о (±)
для серии 18 - около 10^о (±) и таким образом на шинах 3 будет не фиксированная, а примерно 36-ти фазная схема выпрямления.

3.2. В варианте 1.2. углы фазового сдвига будут колебаться
для серии 16 - около 2,5^о (±)
для серии 17 - около 7,5^о (±)
для серии 18 - около 12,5 (±) и таким образом на шинах 3 будет примерно 72-ти фазная схема выпрямления.

3.3. В варианте 1.3. углы фазового сдвига будут меняться:
для серии 16 - около 0^о (±)
для серии 17 - около 5^о (±)
для серии 18 - около 10^о (±) и таким образом на шинах 3 будет примерно 60-ти фазная схема выпрямления.

На электролизе алюминия достигают увеличения выхода по току, увеличения срока службы футеровки ванн, снижения удельных расходов сырья и электроэнергии.

Формула изобретения

1. КОМБИНИРОВАННЫЙ СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В ПИТАЮЩЕЙ СЕТИ ПРИ ПИТАНИИ РЕГУЛИРУЕМЫМ ТОКОМ СЕРИЙ АЛЮМИНИЕВЫХ ЭЛЕКТРОЛИЗЕРОВ, каждая из которых подключена к общему выходу одной из серийных групп преобразователей переменного тока в постоянный, каждая из которых состоит из выпрямительных блоков и преобразовательных трансформаторов, первичные обмотки которых через силовые трансформаторы подключены к питающей сети и состоят каждая из соединенных между собой регулируемых и нерегулируемых по количеству витков частей, а вентильные обмотки подключены к входу соответствующих выпрямительных блоков, выходы которых образуют указанный общий выход, путем изменения фазности выпрямления, включающий в себя координацию углов фазового сдвига α преобразовательных трансформаторов, когда при изменении витков их первичных обмоток в пределах, обусловленных заданным качеством электроэнергии, напряжение серии изменяется на ΔU_α при изменении числом витков указанных первичных обмоток напряжения на серии на величину ΔU_pпри отклонении тока серии от заданного по технологии среднего значения I_ср, отличающийся тем, что координацию углов α выполняют установкой в каждой серийной группе преобразовательных трансформаторов числа витков регулируемых частей первичных обмоток в интервалах значений, обеспечивающих величину ΔU_p, силовыми трансформаторами устанавливают на своих сериях ток I_с и корректируют его витками указанных регулируемых частей обмоток в интервале значений витков, обеспечивающих величину ΔU_α, включающем в себя интервал значений витков, обеспечивающих величину ΔU_p, не превышая при этом значения базового тока серии I_б, определяемого с учетом средних значений частоты, напряжения и продолжительности анодных эффектов из условия, при котором
I_c ≅ I_б , I_б ≥ I_сp , ΔU_α - ΔU_p ≥ 0.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что ΔU_α - ΔU_p определяют из условия
ΔU_α-ΔU_р= · U₁· W₂· - - N(U_э-e) - 1,,
где U_с, U₂ - соответственно напряжение серии и вторичное напряжение преобразовательных трансформаторов при работе их под нагрузкой серии;
U₁ - первичное напряжение преобразовательного трансформатора;
W₂ - число витков вентильной обмотки преобразовательного трансформатора;
W_э1, W_э2 - границы интервала значений эквивалентного числа витков первичной состоящей из двух частей обмотки преобразовательного трансформатора при соответственно меньшем и большем числе витков ее регулируемой части, соединенной по схеме фазового сдвига с нерегулируемой частью;
N - число электролизеров в серии;
U_э, e - задаваемые по технологии соответственно среднее напряжение без учета анодных эффектов и средняя противоЭДС одного электролизера;
I_ср - среднее по технологии значение тока серии;
I_б - базовый ток серии, выбираемый в пределах от I_б = I_сp до
I_б= ,
где используют параметры, задаваемые по технологии, в том числе
24I_ср - амперчасы за сутки;
f - число анодных эффектов на одном электролизере за сутки;
t - время гашения одного эффекта;
U_аэ - среднее напряжение на электролизере при анодном эффекте.

РИСУНКИ

Рисунок 1