電解機組電控柜空調選型及設計改進

高 瑩

(中國有色(沈陽)冶金機械有限公司， 遼寧 沈陽 110141)

0 引言

自二十世紀九十年代以來，電解鋁行業在國內得到了迅猛發展，電解車間的惡劣環境對其內部的設備影響較大，很多設備為了提高其穩定性都選用了較高的配置。電解機組是鋁電解車間必不可少的操作設備，其穩定性關系到電解車間的生產任務完成情況，為了保證設備的穩定性，目前無論國內外設備，電控系統中的電氣元件基本都選用進口品牌。

在我們日常工作中，電控系統的PLC、變頻器是大家給予的關注度最高的，也是對電解機組電控系統的穩定性起到決定性作用的，而大家卻忽視了對PLC、變頻器等重要電氣設備的工作環境起到決定性作用的電控柜空調。眾所周知，無論是PLC還是變頻器，其工作的環境對其工作穩定性和使用壽命存在較大影響，而電控柜空調的穩定性就直接決定了電控柜內所有電氣設備的工作環境溫度，穩定的電控柜空調能夠保證電控柜內溫度在35～38℃之間，空調工作不正常時，電氣設備產生的熱量無法排出，電控柜內的溫度就會達到55～70℃，在這樣的環境下，電控柜內的電氣設備的穩定性和工作壽命都將受到嚴重的影響，所以，電控柜空調的穩定性不容忽視。

最初，電控柜的空調壽命基本在半年左右，且穩定性不好，除了空調的選型存在問題之外，還存在有些空調不適合在惡劣的環境下使用的因素。最近幾年，市場上的空調穩定性和使用壽命有所好轉，但還有待于進一步提高。

1 空調不穩定原因分析

前面已經闡述，鋁電解車間的環境比較惡劣，是惡劣的工業環境中相對惡劣的，所以，這種高溫、強導電性粉塵等都在影響電空調的穩定性和使用壽命，再加之設計選型問題和使用方的使用問題，造成了電控柜空調問題較多。

1.1 電解車間的溫度

電解車間的溫度相對比較穩定，雖然個別地區的冬季和夏季的溫差較大，但在電解車間，一般車間內溫度維持在45～55 ℃，夏季溫度偏高一些，冬季溫度偏低一些，為了能夠更加準確的分析電解車間的溫度環境，這里以500 kA電解槽生產車間為例，從供電側到非供電側兩電解槽中間的不同高度進行了溫度的數據檢測，并根據檢測的結果進行了電解車間電解溫度分布圖繪制，如圖1所示：

圖1 500 kA單個電解槽溫度分布圖

根據500 kA單個電解槽溫度分布圖，分析如下：

(1)電解車間溫度受電解槽影響，車間地面處距離電解槽越近溫度越高，供電側和煙道側溫度較低，且變化比較明顯，因供電側的過道比非供電側寬，所以供電側溫度較非供電側低。

(2)車間內的通道處離電解槽較遠，且空氣流動較好，所以通道處的溫度與電解槽附近相比，有明顯降低的現象。

(3)溫度隨著與地面距離的增大，明顯下降，離地面越高，溫度越低，電解槽方向的溫度變化越小，到天車橋架時，不同位置的溫度差別只有幾度。

(4)車間距離電解槽稍遠的地方，溫度變化沒有電解槽附近溫度變化強烈，曲線比較平滑。

(5)地面附近電解槽中部溫度最高，這是車間內溫度最高的位置，供電側是車間內溫度最低的位置。

1.2 電解車間的導電性粉塵

電解車間在其生產過程中，受其生產工藝影響，粉塵非常大，特別是在距離地面3 m以內的高度，粉塵相對較大，其主要來源有：

(1)電解機組在向電解槽下料的過程中，由于有些料是粉狀的，雖然下料管有一定的遮擋作用，但還是會因下料過程中料是從高到低會產生較大的粉塵，并向周圍擴散。

(2)電解機組在電解槽更換陽極之間的打殼過程中，因打殼的振打，會產生一定的粉塵，并向周圍擴散。

(3)電解機組在更換陽極和清理殘渣的過程中，電解槽處于槽蓋板打開狀態，這一過程中，煙塵不斷產生，并不斷向外擴散，而這一過程電解機組處于打開槽蓋板的電解槽正上方，所以這一煙塵對電解機組的影響較大。

(4)電解槽上部下料裝置在不斷向電解槽加料，在加料的過程中，雖然電解槽的槽蓋板都是關閉狀態，但是在下料過程中還是會產生一定的灰塵并擴散到電解槽外面來。

(5)在電解鋁生產的過程中，因其工藝原因，不斷產生煙塵，雖然目前的電解車間都配備了凈化系統，但凈化系統的運轉情況及故障情況直接影響到了電解車間的粉塵和煙塵環境。即便是凈化系統工作非常穩定的鋁電解車間，也避免不了生產過程中粉塵和煙塵的產生。

(6)電解鋁過程中，產生的煙塵和粉塵都是具有一定的導電性的，且還存在一部分煙塵具有腐蝕性的影響，這些都加重了對電解機組及其電控柜空調等電器設備的影響。

1.3 控制系統的設計方選型問題

(1)個別設計單位和個人因沒有設計經驗，參照其它單位或個人的空調選型，一旦空調功率不夠，就會造成空調一直處于壓縮機工作狀態，也無法將電控柜內溫度降至設定溫度，長期處于這樣的工作狀態，空調的使用壽命將大打折扣，也會嚴重影響其工作穩定性。

(2)所選空調不適宜強磁場、強粉塵環境使用，電磁干擾對電路產生的干擾以及導電性粉塵對電路板造成的短路降低了空調的使用壽命和工作穩定性。

(3)所選空調不是高溫空調，其空調的最高工作溫度低于電解車間的最高環境溫度，一旦環境溫度高于空調的允許工作最高溫度，空調將停止制冷，無法正常工作。

1.4 使用方的使用維護不當

(1)設備使用單位在日常衛生清理過程中沒有進行吸塵處理，而是采用風管吹灰，在吹灰過程中，很多粉塵進入空調內部，嚴重影響了空調的使用效果。

(2)設備使用單位沒有按照空調的使用維護說明書對空調進行定期濾網清理，影響風道進出風，空調長期處于這種狀態，影響制冷效果和使用壽命。

(3)設備使用單位沒有按照空調的使用維護說明書對空調進行定期保養，到期應該更換的器件沒有及時更換，造成了整個空調工作的不穩定性且使用壽命大打折扣。

2 空調的選型計算及使用設定

目前，電解機組上應用的電控柜都是帶有隔熱層的，一般隔熱層選用延綿、石棉等隔熱材料，隔熱層一般達到80 mm，這樣的電控柜要比沒有隔熱層的單層鋼板的電控柜的熱傳遞慢，在空調制冷的情況下，能更好的阻隔熱量的傳遞，減緩了熱量從電控柜外部的電解車間環境中傳遞到電控柜內部。所以，這種帶隔熱層的電控柜的空調功率選型計算方法與常規單層鋼板電控柜有一定的區別。

電解機組空調功率的計算除考慮電控柜外部熱量向電控柜內部傳導以外，還需要考慮電控柜內部的電氣設備本身在工作過程中不斷的產生熱量，在產生熱量的電氣設備當中，變頻器是目前應用到電解機組控制系統安裝到控制柜當中的主要發熱設備，所以，在計算過程中，其余電氣設備基本忽略，只考慮變頻器的發熱情況。

變頻器產生的熱負荷為：

Q1=k1K0

(1)

式中k1—變頻器熱負荷計算系數0.02；

K0—電控柜內所有變頻器的功率之和。

與電控柜外環境接觸產生熱交換的熱負荷：

Q2=k2S(C2-C1)

(2)

式中k2—變頻器熱負荷計算系數1.2；

S—電控柜表面積，m2；

C1—空調設定溫度,℃；

C2—電控柜室外環境溫度,℃。

電控柜需要的制冷負荷：

Q=k3(Q1+Q2)

(3)

式中k3—制冷負荷計算系數1.15。

所選空調的總制冷功率之和大于或等于Q即可滿足現場使用條件。下面以一臺雙35噸出鋁車(大車變頻器90 kW，工具車變頻器18.5 kW，出鋁小車變頻器18.5 kW，出鋁鉤變頻器75 kW，駕駛室旋轉變頻器2.2 kW)，以電控柜長5.5 m、寬1.2 m、高2 m為例，按照室外溫度55 ℃，電控柜室內設定溫度35 ℃計算：

變頻器產生的熱負荷：

Q1=0.02×297.7=5.954 kW

與電控柜外環境接觸產生熱交換的熱負荷：

Q2=1.2×40×(55-35)=960 W=0.96 kW

電控柜需要的制冷負荷：

Q=k3(Q1+Q2)=1.15×(5.954+0.96)=7.951 1 kW

所選空調的總制冷功率大于7.951 1 kW即可，根據這一計算結果，一般選用2臺4 kW的高溫工業空調即可滿足現場使用要求。

3 空調設計應該采取的措施

電解機組上應用的高溫工業空調的設計與一般的高溫空調設計不同，需要充分考慮電解車間的惡劣環境。

(1)電路板在設計上充分考慮散熱問題，不能過于緊湊而使其內部溫度過高影響散熱，電子元件長期在高溫環境下工作會使其穩定性和使用壽命降低，影響空調的使用效果。

(2)電路板需做涂層處理，避免在導電性粉塵和煙塵進入空調內部造成電路板焊點之間短路而燒毀空調，一般該涂層要2～3層，可用環氧樹脂等材料進行噴涂。

(3)空調的整體結構需要考慮各元件的散熱問題，避免結構緊湊，保證散熱空間，提高空調的散熱效率，降低空調本身的工作溫度。

(4)空調的散熱部分需要噴涂環氧樹脂處理，以提高其表面的光滑度，有利于日常灰塵和煙塵的清理，避免因其表面不夠光滑而產生粉塵積累，過多的粉塵積累會嚴重影響空調散熱，這一點是以往的空調不能長期穩定運行的一個重要原因。

(5)空調溫度設定的最低溫度不能低于30 ℃，設定溫度過低會使空調壓縮機工作壓力過大，同時還會因電控柜內外溫差過大結露，這對電氣設備的穩定性和使用壽命影響較大。

(6)空調自清理設計，根據程序設定，空調定期對濾網處進行反吹風清灰，起到空調自清潔作用，延長濾網的維護時間，進一步保證空調長期穩定的運行。

4 結束語

通過對空調工作環境的分析，并根據目前應用在電解機組上電控柜實際情況，給出了電控柜空調的選型計算方法及空調設計時應該注意的問題，通過改進，電控柜空調在現場運行的情況有明顯好轉，但目前，電控柜空調仍然需要定期清理和維護，相信隨著行業的發展，針對電解鋁行業的工業空調會更加先進，更加智能，維護周期會不斷延長，甚至會出現免維護的電控柜空調，進一步保證電解機組電控系統的長期穩定運行。