Технико-экономическая оптимизация параметров ошиновок электролизеров с обожженными анодами

С.Н.Ахмедов, Б.С.Громов, В.Г.Скворцов, В.А.Козлов, Р.В.Пак

В структуре капитальных затрат на строительство корпусов электролиза алюминиевых заводов затраты на изготовление ошиновки электролизеров и общесерийной (корпусной) ошиновки в сумме могут составлять около 10%. Поэтому выбор мощности электролизера и соответствующей ему схемы ошиновки имеет не только технологическое, но и экономическое значение.

Оптимизация по экономическому параметру (капитальные затраты на изготовление и монтаж) следует за технологической оптимизацией (магнитогидродинамическая устойчивость электролизера).

Для получения электромагнитных, гидродинамических и энергетических параметров электролизера нами была разработана математическая модель, основанная на последовательном решении электрической, магнитной и гидродинамической задач.

Распределение тока в ошиновке рассчитывается на основании теории цепей. В результате решения электрической задачи в ошиновке определяются токи, протекающие по каждому элементу ошиновки, падение напряжения и потери в ошиновке. Значения плотности тока в элементах ошиновки являются начальными условиями для определения магнитного поля ошиновки.

Магнитное поле ошиновки алюминиевого электролизера, включая влияние соседних электролизеров и электролизеров соседнего ряда, рассчитывается интегральным методом от линейных источников на основании закона Био-Саварра-Лапласа. Этой же моделью учитываются особенности общесерийной ошиновки (компенсаторы, шунты) и особенности размещения расчетной ванны (у КПП, в торце, у прохода).

На основании геометрии рабочей зоны алюминиевого электролизера, электрофизических характеристик материалов и параметров конструкции формируется краевая задача Пуассона (для кусочно-однородных сред) относительно скалярного электрического потенциала. Задача смоделирована на неравномерной сетке в плоскопараллельном приближении, с учетом трехмерной неравномерности (горизонтальные токи вдоль длинной стороны). Таким образом, анализируется электрическое поле (с учетом технологических и электротепловых особенностей) в аноде, электролите, жидком металле и катоде, затем вычисляются составляющие трехмерной плотности тока и собственное магнитное поле.

Магнитное поле от ошиновки и распределенных токов является сторонним для ферромагнетиков. На основании листовых, шпальных и брусковых моделей представления ферромагнитных конструкций (автоматическая дискретизация) строится матрица взаимовлияний относительно вектора намагниченности ферромагнетика, которая рассчитывается итерационным методом сопряженных градиентов. Нелинейность системы учтена в реальной кривой намагничивания для конструкционной стали. По определенным намагниченностям вычисляется магнитное поле от ферромагнитных элементов в расчетной области. Как сумма по составляющим всех трех полей формируется полное магнитное поле в рабочей зоне алюминиевого электролизера.

Модель пондермоторных сил (силы Лоренца) представляет собой векторное произведение полного магнитного поля и трехмерной плотности тока в расчетной области, и имеет как самостоятельную ценность для анализа баланса сил и давлений, так и основу гидродинамического анализа всей системы. На основании рассчитанных ранее физических полей, с учетом геометрических, технологических и конструктивных параметров алюминиевого электролизера строятся модели поведения жидкой фазы. В качестве гидродинамической модели использована модель Моро-Эванса-Бояревича (турбулентная, с усреднением поперек слоев), которая позволяет анализировать топологию движения, вычислять параметры поля скоростей. Как равновесное положение электромагнитной силы, силы тяжести и сил трения строится модель анализа перекосов поверхности металл-электролит, формируется стационарная форма зеркала металла, и рассчитываются характеристики перекоса.

В результате применения данной комплексной математической модели формируется совокупность физических полей для конкретной конструкции алюминиевого электролизера.

В качестве примера расчетов в таблице 1 приведены основные технические параметры ошиновок для электролизеров на 125, 210, 280 кА с обожженными анодами. Электролизеры на силу тока 125 кА располагались продольно и поперечно в корпусе электролиза. Параметры по каждому из электролизеров, приведенные в таблице 1, в свою очередь являются результатом оптимизационных расчетов нескольких десятков вариантов.

Основные характеристики ошиновки электролизеров с различной силой тока
(нажмите на ссылку для просмотра таблицы)

Результаты расчетов показывают, что с увеличением силы тока растет падение напряжения в ошиновке, потери мощности в ошиновке, масса ошиновки. Для технологически оптимизированных типов ошиновок увеличение силы тока должно сопровождаться падением скорости циркуляции металла.

На примере электролизера малой мощности (на силу тока 125 кА) видно, что при переходе от продольного к поперечному расположению улучшаются параметры индукции магнитного поля и снижается скорость циркуляции металла. Вместе с тем вес ошиновки электролизера существенно возрастает.

Стоимостную оценку ошиновки можно производить по параметру М_пр.о - приведенная к току масса ошиновки. Этот параметр определяется путем деления массы ошиновки на силу тока электролизера.

Из рисунка1 видно, что величина параметра М_пр.о растет с увеличением силы тока электролизера от 125 кА к 250 кА и с переходом от продольного к поперечному расположению электролизеров на силу тока 125 кА. Параметр М_пр.о в конечном итоге определяет капитальные затраты на изготовление ошиновки и затраты на электроэнергию при эксплуатации.

Оценка капитальных вложений на изготовление ошиновки производилась для завода производительностью 250 тыс. тонн первичного алюминия в год. Было рассмотрено несколько вариантов компоновки завода.

Результаты сопоставительного анализа технико-экономических показателей ошиновок представлены на рисунках 2, 3, 4. Из рисунка 2 видно, что масса ошиновки по заводу в целом и стоимость изготовления ошиновки растут с увеличением силы тока со 125 кА до 280 кА. На примере электролизера с силой тока 125 кА видно, что стоимость изготовления ошиновки для варианта продольного расположения электролизеров в корпусе ниже, чем для поперечного.

Суммарное падение напряжения по всем электролизерам завода для рассмотренных вариантов показано на рисунке 3. С ростом силы тока растут суммарные потери мощности в ошиновке и снижается падение напряжения в ошиновке в расчете на все электролизеры завода. Оценка годовых затрат на электроэнергию, теряемую в ошиновке завода, приведена на рисунке 4. С ростом силы тока затраты на электроэнергию, теряемую в ошиновке, растут. Полученные расчетные данные показывают, что конструкции электролизеров малой мощности (на силу тока 125 кА) по сравнению с электролизерами большой мощности (на силу тока 210 и 280 кА) имею меньшую стоимость изготовления ошиновки в целом по заводу и ниже годовые затраты электроэнергии, теряемые в ошиновке.

Вывод:

РЕФЕРАТ

Оптимизация капитальных затрат на изготовление и монтаж электролизеров для электролитического получения алюминия следует за технологической оптимизацией магнитогидродинамической устойчивости электролизера. Оценку капитальных затрат на изготовление ошиновки, затрат на электроэнергию при эксплуатации ошиновки, а, следовательно, и выполнение оптимизации можно выполнить по величине приведенной к току массы ошиновки.

Увеличение силы тока на электролизере с обожженными анодами приводит к увеличению капитальных и эксплуатационных затрат на ошиновку завода.