論氧化鋁廠模塊化設計對未來發展影響

張鐵志，弭飛飛

（1.東北大學設計研究院（有限公司），遼寧 沈陽 110166 ;2.沈陽科維潤工程有限公司，遼寧 沈陽 110166）

氧化鋁廠屬于傳統產業，也是市場經濟體系和社會經濟發展的核心產業，對社會經濟的高速發展具有重要的推動作用，但是由于大部分氧化鋁廠生產工藝比較落后，產品設計理念比較傳統，在氧化鋁生產過程中需要消耗大量的資源，排放大量的污染物，并且所使用的電氣設備也需要浪費巨大的能源，完全與可持續發展和綠色發展戰略相違背，不利于氧化鋁廠未來發展，這也成為氧化鋁廠急需解決的重要發展問題。二十一世紀氧化鋁廠無論是產品設計，還是產業組織設計，都需要朝著模塊化、智能化、數字化、網絡化以及信息化的方向發展，在未來發展方向上模塊化設計自然需要放優先發展的戰略要位。模塊化又稱Modular design，該理念是在二十世紀八十年代由美國研究學者Simon提出的，當時模塊化設計是作為一種工藝方法被應用到鐘表制造業和船舶制造業，使鐘表制造業和船舶制造業的生產效率和生產質量達到了一個新高度。隨著模塊化設計理念的廣泛應用以及不斷研究，模塊化逐漸被應用到汽車生產制造、航天、生物工程等多個領域中，模塊化設計原則也逐漸擴展為包括創新靈活性、綠色環保性、物理分解性、適度合理性等多個原則，目前模塊化設計是當今設計領域中最先進的設計理念，并且也逐漸的向傳統工業領域發展。為了促進產業升級以及產業轉型，國內部分氧化鋁企業引入了模塊化設計理念，通過產品和生產技術的模塊化設計，提高氧化鋁廠資源利用效率，降低污染物的排放以及能源的浪費，對氧化鋁廠未來發展具有重要作用，為此提出論氧化鋁廠模塊化設計對未來發展影響。

1 氧化鋁廠模塊化設計對未來發展影響

1.1 促進氧化鋁廠未來綠色發展

綠色設計是模塊化設計中的一項重要設計原則，氧化鋁生產過程中存在多個污染環節，其中包括氫氧化鋁焙燒、氧化鋁原料運輸、氧化鋁原料加工、氧化鋁存儲等，在生產過程中需要向空氣中排放大量的污染物，包括一氧化硫、二氧化硫、一氧化氮、二氧化碳、碳氫化合物、氮氧化合物以及懸浮顆粒物，國家頒發的《氧化鋁廠氧化鋁生產工藝污染物排放標準》中明確規定了各個污染物的排放標準[1]。但是目前氧化鋁廠所實行的氧化鋁生產工藝很難滿足該標準的要求，大部分氧化鋁廠將污染物未經過妥善處理就將其排放到空氣中，導致控制嚴重污染。而利用現代科學技術對氧化鋁廠生產流程進行模塊化設計，對傳統氧化鋁生產工藝進行改革和創新，形成氧化鋁產品模塊化生產。

在生產系統中設計六種操作符，其中包括分割符（Delimiter）、替代符（Substitution）、擴展符（Extension）、排除符（Exclusion）、歸納符（Inductive sign）以及移植符（Porting symbol），運用這六種操作符可以靈活的對氧化鋁生產工作進行控制，每個操作符各負責一種功能，并且負責一個氧化鋁生產流程，嚴格控制污染物的生成和排放。對氧化鋁生產工藝進行模塊化設計，使氧化鋁生產具備物理分解和重組，對生產工藝的物理層面上劃分出六個獨立的功能單元，實現模塊的通用性和組合性，根據氧化鋁生產中污染物的排放需求，對生產設備以及生產工藝進行調節變換，從而降低污染物的排放[2]。為了更好的說明氧化鋁生產工藝中模塊化設計對污染物排放的影響，此次對模塊化設計前后污染物排放濃度進行測試，檢測結果如下表所示。

表1 氧化鋁生產工藝模塊化設計前后污染物排放濃度

從上表可以看出，氧化鋁生產工藝模塊化設計可以有效降低污染物的排放濃度，可以將污染物排放濃度控制在0.2 mg/m3以下，尤其是對空氣污染比較嚴重的碳氫化合物以及懸浮顆粒物[3]。除此之外，氧化鋁廠模塊化設計還有利于提高資源利用率。氧化鋁廠在生產過程中不僅需要消耗大量的原料資源，并且資源的利用效果不夠明顯，下表為國內前十氧化鋁廠資源利用率情況。

表2 國內前十氧化鋁廠資源利用率情況

從上表可以看出氧化鋁廠資源利用率基本在20-60%之間，資源利用率較低。氧化鋁廠模塊化設計理念中最重要的一點為減少原材料和自然資源的使用，注重資源使用上的可回收性以及可重復利用性，從而提高氧化鋁原料資源的利用率[4]。由此可以看出氧化鋁廠模塊化設計不僅能夠減少空氣污染，還能提高對資源利用率，對氧化鋁廠未來綠色發展具有重要的推動作用。

1.2 促進氧化鋁廠未來可持續發展

氧化鋁廠在生產過程中對大型的電氣設備依賴性較高，同時對電氣設備的損耗程度也較高，導致一部分無功功率生產，增加了氧化鋁廠的生產成本。而氧化鋁廠電氣設備的模塊化設計可以促進氧化鋁廠節能降耗的實現。氧化鋁廠核心電氣設備主要包括變壓器和變頻器，這兩種電氣設備也是氧化鋁廠電能損耗程度最高的設備，運用模塊化理念對該兩種電氣設備進行模塊化設計[5]。對于變壓器模塊化設計實現節能降耗，是對變壓器控制系統進行模塊化設實現的。平均負荷率和負載功率因數是變壓器運行中重要的參數值，如果變壓器的平均負荷率過小，會出現變壓器超載運行狀況，影響變壓器使用效率[6]。反之如果平均負荷率過大，氧化鋁廠在生產過程中設備所消耗的電壓遠遠不能達到變壓器的平均負荷率，會出現“大材小用”的現象，會增加變壓器的空載損耗率，所以通過模塊化設計有效控制變壓器平均負荷率運行參數，使變壓器在運行過程中平均負荷率始終能夠滿足氧化鋁廠電氣需求[7]。其次負載功率因數的降低會直接影響到變壓器的運行效率，導致變壓器的耗損過大，為了抑制無功功率的消耗，設計功率轉化模塊與電壓器搭配運行，通過該模塊將氧化鋁廠在生產過程中消耗的無功功率轉化為有功功率，對氧化鋁廠的電網系統的負載功率因數具有修復作用，從而提高變壓器的運行效率，減少氧化鋁廠的電能消耗。

氧化鋁廠變頻器的作用是用來控制電氣設備運轉速度的，而電氣設備的運轉速度與功率消耗成正比關系。通過對變頻器模塊化設計控制氧化鋁廠電氣設備的運轉速度，從而實現節能效果。首先根據氧化鋁廠電氣設備的負荷特性、正常負載率等情況，設計負載率參數控制模塊，大多數氧化鋁廠的電氣設備負載率在60%～70%之間，且在運行過程中負荷穩定在150kW左右，在不影響氧化鋁廠生產效率，且能量使用價值最大。通過該模塊控制變頻器負載率參數，使變頻器的運轉周期為15分鐘，每個運轉周期為間隔10秒，這樣降低電氣設備負載率，緩解電氣設備在啟動時對電源的沖擊作用，同時也減輕了電氣設備在運轉過程中的沖擊作用。此外，變頻器在運行過程中由于始終處于高速運轉狀態，會產生一部分諧波電流，該電流會使氧化鋁廠的電氣設備在運行過程中溫度增加，電氣設備的使用壽命減少，并且還會額外增加電氣設備的消耗功率，為了降低諧波電流對電氣設備的影響，設計一個諧波治理模塊，通過該模塊來緩解諧波電流對電氣設備的消耗，保證變頻器的運行效率，從而降低氧化鋁廠電能消耗。通過以上分析，氧化鋁廠電氣設備模塊化設計，可以有效節約氧化鋁廠能量消耗，實現節能減排，對促進氧化鋁廠未來可持續發展具有重要影響。

2 結語

本文對氧化鋁廠模塊化設計對未來發展影響進行了研究，有利于促進氧化鋁廠模塊化設計理念的應用，對氧化鋁廠產業轉型和產業升級具有重要推動作用，為氧化鋁廠未來發展提供了明確的發展方向。