CN105734612A - 一种应用铝电解系列消纳不稳定风电的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种应用铝电解系列消纳不稳定风电的方法，首先，结合现场测试与评估，通过数值计算获得铝电解槽系列在保证稳定生产的情况下理论上能承受的电流波动上下限；然后，根据电解系列的实际状况，基于工业试验确定电解系列能承受的实际电流波动上下限；最后，根据实时风电的波动情况，由整流所结合电网供电系统，在电解槽系列能承受的电流波动范围内，调整进入电解槽系列的电量和电解槽的工艺操作条件。本发明通过上述步骤，实现对不稳定风电的消纳，应用本方法可以较准确地确定风电消纳的运行方案，既可以为铝电解企业解决用电难题，又可以大幅度消纳不稳定风电，真正实现风电能源的高效环保应用。

Description

一种应用铝电解系列消纳不稳定风电的方法

技术领域

本发明涉及到铝电解对风电的消纳方式，属于铝电解技术领域，具体涉及一种应用铝电解系列消纳不稳定风电的方法。

背景技术

自然界中的风能是一种清洁无污染的可再生能源，取之不尽，用之不竭。风力发电是目前新能源发电技术中最成熟、最具规模化开发条件和商业化发展前景的发电方式之一。在过去几十年里，我国风力发电技术实现了从无到有、从弱到强的历程，风电技术的发展在很大程度上改善了人们的生活水平和生活环境。

我国风能资源丰富，可开发利用的风能储量约10亿kW，其中，陆地上风能储量约2.53亿kW(陆地上离地10m高度资料计算)，海上可开发和利用的风能储量约7.5亿kW，共计10亿kW。为了适应世界和我国“新常态”下的发展趋势，国家也越来越重视新能源的发展，如今中国已经成为风电装机容量最大的国家，到2015年底，中国累计装机容量已达到145.1GW，超过整个欧盟的装机总量，但是我国的“弃风率”仍然很高，2015全年“弃风率”达到15％，弃风主要是指由于某些原因不能让风电上网，只能将风机停止发电，从而浪费了风力资源。其中一个主要原因是用电负荷过小，或者说用电户不能适应风电的波动性，所以导致电网将风电并网无法实现将其合理地消纳，不得不关停一部分风机。

同时，铝电解是一种对电力资源及其依赖的高耗能产业，目前铝电解企业用电主要来源还是靠火力和水力发电，用电价格高，其电力成本占比近50％。而且近几年来，铝电解企业亏损极其严重，整个行业处于低迷状态，所以提高电流效率、减小能耗或者寻求更廉价的电力资源可以说是铝电解产业发展的有效途径。

从上述的分析不难看出，风电的消纳与铝电解的电力资源需求刚好形成互补的关系，特别是在我国风力资源丰富、铝电解产能高的北部(内蒙)、西部(甘肃、新疆、青海等地)地区。通过电网与铝电解技术的研发与设备升级，再配合电价补偿机制，则可以将风电直接应用于铝电解生产。这样既可以解决风电消纳的迫切问题，也可以实现铝电解节能和降低成本，从而实现两个产业的共赢。但是，现有技术还无法解决铝电解对风电波动的适应性问题。

因此，有必要设计一种应用铝电解系列消纳不稳定风电的方法。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于，针对现有技术的不足，提出一种应用铝电解系列消纳不稳定风电的方法，该方法能保证在电流波动的情况下，铝电解生产也能正常进行，从而实现铝电解槽系列对不稳定风电的消纳。

本发明应用铝电解对电能的庞大需求消纳不稳定风电，为实现不稳定风电能够应用于铝电解的实际生产，本发明采用如下的技术方案实现：

一种应用铝电解系列消纳不稳定风电的方法，首先，结合现场测试与评估，通过数值计算获得铝电解槽系列在保证稳定生产的情况下理论上能承受的电流波动上下限；然后，根据电解系列的实际状况，基于工业试验确定电解系列能承受的实际电流波动上下限；最后，根据实时风电的波动情况，由整流所结合电网供电系统，在电解槽系列能承受的电流波动范围内，控制和调整进入电解槽系列的电量和电解槽的工艺操作条件，实现对不稳定风电的消纳。

本发明的一种应用铝电解系列消纳不稳定风电的方法，确定电解槽系列所能承受的电流波动上下限按以下步骤进行：(1)电解槽现场测试与状态评估；(2)电解槽变电流运行理论波动上下限的确定；(3)电解槽变电流运行实际波动上下限的确定。

所述现场测试与评估是在现场当电流变化时对电解槽进行电压平衡测试(电解槽各部分的电压、电流分布情况)、能量平衡测试(各部分散热损失、槽膛内形、电解槽工艺及操作参数等)、流场测定、电解质组分测定；根据上述测定的参数对电流变化时电解槽状态进行评估，一是为计算电流理论波动上下限时提供电场和温度场的数据对比，确保建立的铝电解槽实体模型的正确和计算的准确性，二是为确定实际电流波动上下限提供理论依据。

所述数值计算包括电解槽安全性计算(母线的温度与电流密度不能超过额定值)、在母线能承受的安全范围内再进行电流理论波动上下限的计算，电流波动上下限的计算是计算当电流增加或者减少时，电解槽各部分的电场、温度场分布，并与现场测试值相对比，为确定电解槽能承受的实际电流波动范围提供一个理论依据，所述数值计算是利用ANSYS软件进行瞬态电热耦合计算完成的，具体步骤如下：(1)根据母线配置和铝电解槽实体结构，用ANSYS软件建立母线和铝电解槽几何模型(此处所建的几何模型不是特定的和唯一的，根据不同电解槽的母线配置和电解槽结构，可以根据现有技术建出不同的几何模型)；(2)对几何模型进行有限元网络划分；(3)对几何模型不同部分赋以相应的材料属性，包括电阻率、导热率、密度和比热容；(4)施加边界条件，在出电端施加零电势，在进电端施加瞬态的波动电流；(5)进行瞬态求解，即求解加载不同瞬态的波动电流下母线和电解槽的电场和温度场分布的情况；(6)分析求解结果，即分析加载不同瞬态电流下母线和电解槽的电场和温度场分布的情况，根据铝电解电场和温度场的合理分布标准(即保证铝电解能正常进行的电解电场和温度场要求)，确定电流理论波动上下限。

确定电流理论波动上下限之后，选定若干台电解槽作为实验槽，根据电流理论波动上下限采用短路分流的方式进行单槽电流的动态调整，确定实际电流波动上下限及其对应的电解槽工艺操作条件调节(包括覆盖料厚度、保温措施、铝液高度、电解质高度、下料制度)、电解质配方调节策略。

在上述测试、计算、分析与工业试验总结的基础上，可获悉电解槽所处状态、电流波动的可调区间及相应的关键参数操作范围，为风电应用于整个电解槽系列打下基础。

当风电应用于整个电解槽系列时，由火力和风力发电通过并网进入电网供电系统，再经过整流所向铝电解槽系列提供电能；由电网供电系统监测和控制进入整流所的电量。当风力加强，每台风机发电量增多，风力发电量突然增大，超过电解槽能承受的上限，则由电网供电系统减少接入电网的风机个数；相反，当风力减弱，每台风机发电量减少，风力发电量突然减小，低于电解槽能承受的下限，则由电网供电系统增加接入电网的风机个数。当风力发电量在电解槽系列能承受的电流波动上下限范围内增加或减少时，调整整流所相应增加或者减少整流机的个数，从而控制进入电解槽系列的直流电量。

当波动的电流进入铝电解系列时，参考工业试验结果，再根据实际情况，基于铝电解槽施加电流波动的情况，调整工艺技术条件、调整电解质配方、更新控制系统软硬件，实现电解槽在变电流下亦可建立起相对较厚的、规整的炉膛，仍然具有良好的热平衡与磁流体稳定性，从而确保电解槽能够在波动的风电电流下安全高效运行。

所述工艺技术调整包括覆盖料厚度、保温措施、铝液高度、电解质高度、下料制度等。当电流增加时，减少覆盖料厚度、增加散热、减低电解质水平高度、增加铝液水平高度、适当增加氧化铝下料的量；反之，当电流降低时，增加覆盖料厚度、加强保温、增加电解质水平高度、降低铝液水平高度、适当减少氧化铝下料的量。

所述电解质配方的调整，主要是为了保证在变电流运行的情况下，电解质有良好的电导率、适宜的初晶温度，氧化铝有良好的溶解能力。具体方法是：当电流增加时，适当降低分子比；当电流降低时，适当增加分子比。

所述控制系统的更新，包括下料控制(下料控制是指与下料制度相匹配的控制方法)、氟化铝添加控制等控制的更新，主要是与上述工艺技术和电解质配方的调整相匹配，确保电解槽可在电流频繁变动的条件下稳定运行。

在上述调整过程中，主要工艺参数控制在如下范围：氧化铝质量浓度1.8～2.5％，阳极电流密度0.8～1.0A/cm2，分子比2.0～2.4，以控制电解温度在930～960℃、过热度在10～15℃的范围内，槽电压在3.85～4.0V范围内；以保证电解槽系列安全、高效地运作。

本发明的有益效果：

本发明提供了一种应用铝电解系列消纳不稳定风电的方法，通过确定电流波动上下限和铝电解槽的优化，可以较准确地确定风电消纳的运行方案，使电解槽可以在变电流下亦可建立起相对较厚的、规整的炉膛，使电解槽仍然具有良好的热平衡与磁流体稳定性，从而确保电解槽能够在波动的风电电流下安全高效运行。这样既解决了风电的消纳问题，又解决了铝电解产业的用电难题和节能问题，从而实现风电产业与铝电解产业的共赢，真正实现了风电能源的高效环保应用，取得了良好的经济效益和环保效益。

附图说明：

附图1为本发明方法的示意图。

附图2为本发明实施例420kA铝电解槽正常电流状态下的温度分布图。

附图3为本发明实施例420kA铝电解槽电流增加10％，波动持续1h时的温度分布图。

具体实施方式

以下将结合图与具体实施过程对本发明进一步详细说明。

本发明提供的一种应用铝电解系列消纳不稳定风电的方法，其原理框图如图1所示。

选取某厂几台420kA铝电解槽，首先进行现场测试与评估，测试项目有电压平衡测定、能量平衡测定、流场测定和电解质组分测定，对电解槽状态进行评估，为下一步数值计算做准备。

根据所测试420kA铝电解槽的技术参数对其进行数值计算，计算出对其施加正常电流的情况下，电解槽的温度分布如图2所示。并对其理论波动上下限进行初步确定，计算结果表明，当电流增加10％时，保证槽帮不变，可以持续2个小时。电解槽电流增加10％，波动持续1h时的温度分布图如图3所示。当电流增加20％时，可以持续1个小时。当电流降低20％时，其电解槽温度也在能保证铝电解正常进行所能控制的温度范围内。如果保证槽帮形状不变，并且考虑到铝电解槽的自平衡能力，初步确定其波动上下限为正常电流的±20％。

然后，根据电解系列的实际状况，基于工业试验确定电解系列能承受的实际电流波动上下限。

最后，由火力和风力发电装置通过并网进入电网供电系统，再经过整流所向铝电解槽系列提供电能，由于风电的波动性，当风力发电量增加或减少时，在电解槽系列能承受的电流波动上下限范围内，由电网供电系统监测和控制进入整流所的电量，同时整流所相应增加或者减少整流机的个数，从而控制进入电解槽系列的直流电量。同时，需要调整电解槽工艺操作条件，包括：调整工艺技术条件、调整电解质配方、更新控制系统软硬件并改进电解槽操作制度。为保证电解槽系列安全、高效地运作，主要工艺参数控制在如下范围：电解温度930～960℃，过热度10～15℃，氧化铝质量浓度1.8～2.5％，阳极电流密度0.8～1.0A/cm2，槽电压3.85～4.0V，分子比2.0～2.4。

根据以上过程，电解槽可以在变电流下亦可建立起相对较厚的、规整的炉膛，并且仍然具有良好的热平衡与磁流体稳定性，从而确保电解槽能够在波动的风电电流下安全高效运行。

Claims (6)

1.一种应用铝电解系列消纳不稳定风电的方法，其特征在于：首先，结合现场测试与评估，通过数值计算获得铝电解槽系列在保证稳定生产的情况下理论上能承受的电流波动上下限；然后，根据电解系列的实际状况，基于工业试验确定电解系列能承受的实际电流波动上下限；最后，根据实时风电的波动情况，由整流所结合电网供电系统，在电解槽系列能承受的电流波动范围内，调整进入电解槽系列的电量和电解槽的工艺操作条件，实现对不稳定风电的消纳。

2.根据权利要求书1所述的一种应用铝电解系列消纳不稳定风电的方法，其特征在于：所述现场测试与评估是具体为：在现场当电流变化时对电解槽进行电压平衡测试、能量平衡测试、流场测定和电解质组分测定；根据测试结果对电流变化时电解槽状态进行评估。

3.根据权利要求书2所述的一种应用铝电解系列消纳不稳定风电的方法，其特征在于：所述数值计算包括：1)电解槽安全性计算，即计算母线的温度与电流密度的额定值；2)在母线能承受的安全范围内，即在保证母线的温度与电流密度不超过其额定值的范围内，进行电流理论波动上下限的计算；

电流理论波动上下限的计算是计算当电流增加或者减少时，电解槽各部分的电场和温度场分布，为确定电解系列能承受的实际电流波动上下限提供一个理论依据。

4.根据权利要求书3所述的一种应用铝电解系列消纳不稳定风电的方法，其特征在于：所述数值计算是利用ANSYS软件进行瞬态电热耦合计算；具体步骤如下：(1)根据母线配置和铝电解槽实体结构，用ANSYS软件建立母线和铝电解槽的几何模型；(2)对几何模型进行有限元网络划分；(3)对几何模型不同部分赋以相应的材料属性，包括电阻率、导热率、密度和比热容；(4)施加边界条件，在出电端施加零电势，在进电端施加瞬态的波动电流；(5)进行瞬态求解，即求解加载不同瞬态的波动电流下母线和电解槽的电场和温度场分布的情况；(6)分析求解结果，即分析加载不同瞬态电流下母线和电解槽的电场和温度场分布的情况，根据铝电解电场和温度场的合理分布标准，确定电流理论波动上下限。

5.根据权利要求书4所述的一种应用铝电解系列消纳不稳定风电的方法，其特征在于：确定电流理论波动上下限之后，选定若干台电解槽作为实验槽，进行工业试验；根据电流理论波动上下限进行单槽电流的动态调整，确定电流实际波动上下限及其对应的电解槽工艺操作条件和电解质配方。

6.根据权利要求书4所述的一种应用铝电解系列消纳不稳定风电的方法，其特征在于：由火力和风力发电通过并网进入电网供电系统，再经过整流所向铝电解槽系列提供电能；当风力发电量在电解槽系列能承受的实际电流波动上下限范围内，增加或减少时，由电网供电系统监测进入整流所的电量，同时调整整流所相应增加或者减少整流机的个数，从而控制进入电解槽系列的直流电量，使得电解槽系列消纳不稳定风电；同时，当波动的电流进入铝电解系列时，根据工业试验结果，调整工艺操作条件和电解质配方。