EMS能效管理平臺降低銅電解單耗的應(yīng)用

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：電單耗是銅電解生產(chǎn)的一項(xiàng)重要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。重點(diǎn)介紹了某冶煉廠電解車間通過使用安科瑞EMS能效管理平臺監(jiān)測到電流效率、電解槽電壓等參數(shù)間關(guān)系變化，之后采用提高電流效率、降低電解槽電壓、優(yōu)化生產(chǎn)作業(yè)流程等措施降低陰極銅電單耗的一些生產(chǎn)實(shí)踐。

關(guān)鍵詞：電單耗;陰極銅;電流效率;槽電壓；EMS；能源管理；

0引言

2015 年初，某冶煉廠為了進(jìn)一步降低成本，要求各車間持續(xù)優(yōu)化生產(chǎn)指標(biāo)。在廠電解生產(chǎn)中，電力消耗占陰極銅生產(chǎn)可控成本的近 60%。因此，降低噸銅電耗是降低生產(chǎn)成本的重點(diǎn)工作。

1、影響噸銅電耗的因素

在銅電解過程中，采用銅陽極爐產(chǎn)出的陽極板為陽極，以種板工序生產(chǎn)的始極片作為陰極，以硫酸銅溶液作為電解液，在通以直流電的工藝條件下，陽極的金屬銅溶解，形成二價(jià)的銅離子，經(jīng)電子遷移在陰極上放電析出，從而與雜質(zhì)分離，形成高純度的金屬銅。

銅電解的直流電單耗計(jì)算公式如下:

W = (V×103)/(1. 1852 × η)

其中，W— 直流電單耗;V— 槽電壓;η— 電流效率 。

由上式可知，直流電單耗與槽電壓成正比，與電流效率成反比。因此，降低直流電單耗措施從降低槽電壓和提高電效率兩方面來著手。

在應(yīng)用中，通過安科瑞EMS能效管理平臺監(jiān)測槽電壓，計(jì)算電流效率等功能，自動計(jì)算出直流電單耗。

2、降低槽電壓

2.1調(diào)整電解液酸濃度

安科瑞EMS系統(tǒng)監(jiān)測到適當(dāng)提高電解液中含硫酸量，可以使電解液導(dǎo)電性增加，降低電解液電阻，從而降低槽電壓。高酸低銅的電解方式可有效降低電解液的電阻，但是，在酸高時(shí)，會降低硫酸銅的溶解度，導(dǎo)致硫酸銅從溶液中析出，引起陽極鈍化。另外，由于廠產(chǎn)出的陽極板中鉍元素含量較高，在電解過程中，如果酸度過高，會將導(dǎo)致部分金屬鉍未能充分沉降，而黏附在陰極上，使得陰極銅質(zhì)量下降。經(jīng)過探索和安科瑞EMS系統(tǒng)多次的監(jiān)測記錄，將電解液中的硫酸含量控制在170 ～185 g/L 為較佳條件。

2.2清潔接觸點(diǎn)

保持接觸點(diǎn)清潔，可以降低接觸電阻，從而降低槽電壓。1) 安科瑞EMS系統(tǒng)監(jiān)測到當(dāng)電解時(shí)間較長時(shí)，接觸點(diǎn)處會有硫酸銅析出，使接觸條件變差，接觸電壓會升高，造成銅棒溫度升高而氧化，在表面形成氧化膜，使得電阻增加，接觸電壓升高。針對這種情況，采用直接沖水，可以清洗在接觸點(diǎn)處析出的硫酸銅，改善接觸條件，杜絕了銅棒氧化膜的形成，從而明顯地防止槽電壓升高。2)由于出銅時(shí)，行車起吊殘極及陰極銅從槽面上經(jīng)過，殘極及陰極銅上的殘余電解液會滴落在槽面上，其中的硫酸銅會在導(dǎo)電排上，造成附著物增加，僅用水沖，不足以保持清潔，所以，又增加了一道酸洗工序。通過長期實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，上述兩種方式，可以有效保持接觸點(diǎn)清潔，降壓效果明顯。

2.3及時(shí)查補(bǔ)殘極

安科瑞EMS系統(tǒng)的長期監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，與新陽極板相比，殘極槽電壓平均高出 0. 02 ～0. 04 V 左右，主要由于殘極的陽極面積減小，使得陽極電流密度增加;同時(shí)，殘極的陽極泥層加厚，電阻增加。針對以上問題，各生產(chǎn)班組都成立了殘極查補(bǔ)班組，專門負(fù)責(zé)槽面殘極的更換，采用腳踩、手掂、眼觀、表測等多種方法，確保及時(shí)更換每一塊不合格的殘極。

2.4調(diào)整槽溫

提高電解液溫度，可以加速電解液中的離子擴(kuò)散，降低濃差極化。經(jīng)試驗(yàn)，通過安科瑞EMS系統(tǒng)監(jiān)測，電解液在 60 ℃時(shí)的導(dǎo)電率幾乎為 25 ℃時(shí)的2. 5 倍;在50 ～60 ℃時(shí)，溫度每升高 1 ℃，電解液電阻約減少 0. 7% 〔4〕 。但是，升高槽溫會增加蒸汽消耗，也影響車間作業(yè)環(huán)境。經(jīng)實(shí)踐，對原先的電解槽溫范圍60 ～65 ℃進(jìn)行了調(diào)整，在夏季，適當(dāng)提高了槽溫下限，調(diào)整為 62 ～65 ℃;在冬季，槽溫調(diào)整為 64 ～67 ℃。

2.5控制電排發(fā)熱

導(dǎo)電排和導(dǎo)電總排的發(fā)熱均會引起電阻升高，增加電耗。安科瑞EMS系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測導(dǎo)電排和總排溫度，發(fā)現(xiàn)溫度異常，及時(shí)報(bào)警，提醒維護(hù)人員采取緊固螺栓或用酒精清擦，除去污漬，改善接觸條件，以降低電耗。

3、提高電流效率

3.1減少漏電

電解液循環(huán)管道全部使用 PVC 塑料管，槽體與梁柱之間用絕緣皮隔開，絕緣效果較好。主進(jìn)液管道、回液管道、溜槽全部采用吊環(huán)懸吊式固定，基本杜絕了電解槽對地漏電現(xiàn)象。

（1）剩余電流繼電器應(yīng)用介紹

剩余電流繼電器是由剩余電流互感器來檢測剩余電流，并在規(guī)定條件下，當(dāng)剩余電流達(dá)到或超過給定值時(shí)，使電器的一個(gè)或多個(gè)電氣輸出電路中的觸點(diǎn)產(chǎn)生開閉動作的開關(guān)電器。

下面介紹三種常見的漏電情況：

防直接接觸電擊需要采用I△n≤30mA的高靈敏度的RCD。

防間接接觸電擊可采用I△n大于30mA的中靈敏度的RCD。

防火RCD需采用4極或2極RCD。

對于IT系統(tǒng)，按規(guī)定采用剩余電流繼電器。為防止系統(tǒng)絕緣降低和作為二次故障后備保護(hù)，依據(jù)接線型式，采用類似 TT 或 TN 系統(tǒng)的保護(hù)措施。首先應(yīng)采用絕緣監(jiān)視裝置，預(yù)測一次故障。

對于TT系統(tǒng)，推薦采用剩余電流繼電器。因?yàn)楫?dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，故障電流很小，且較難估計(jì)，達(dá)不到開關(guān)的動作電流，外殼上將出現(xiàn)危險(xiǎn)電壓。此時(shí)N線穿過剩余電流互感器。

對于TN-S系統(tǒng)，可采用剩余電流繼電器。更快速靈敏切斷故障，以提高安全可靠性，此時(shí) PE 線不得穿過互感器，N 線穿互感器，且不得重復(fù)接地。

對于TN-C系統(tǒng)，不能采用剩余電流繼電器。因?yàn)?PE 線和 N 線合一，若 PEN 線不重復(fù)接地，當(dāng)外殼帶電，互感器進(jìn)出電流相等，ASJ拒動；若PEN線重復(fù)接地，部分單相電流將流入重復(fù)接地，達(dá)一定值后，ASJ 誤動。 需將TN-C系統(tǒng)改造成TN-C-S系統(tǒng)，同TN-S系統(tǒng)，再將剩余電流互感器接入TN-S系統(tǒng)中。

（2）安科瑞電氣ASJ產(chǎn)品簡介

安科瑞電氣ASJ系列剩余電流繼電器能夠滿足上述幾種漏電情況的防護(hù)，與遙控跳閘開關(guān)聯(lián)用，及時(shí)切斷電源，防止間接接觸、限制漏電電流。也可以直接作為信號繼電器，監(jiān)控電力設(shè)備。特別適用于學(xué)校、商廈、工廠車間、集貿(mào)市場、工礦企業(yè)、國家重點(diǎn)消防單位、智能大廈與小區(qū)，地鐵、石油化工、電信及國防等部門用電的安全保護(hù)。

ASJ系列產(chǎn)品主要有兩種安裝方式，ASJ10系列為導(dǎo)軌安裝，外形和功能如下表所示：

ASJ20系列為面板安裝，外形和功能如下表所示：

其中AC型和A型剩余電流繼電器的區(qū)別是：AC型剩余電流繼電器是對突然施加或緩慢上升的剩余正弦交流電流能確保脫扣的剩余電流繼電器，主要監(jiān)測正弦交流信號。A型剩余電流繼電器是對突然施加的或緩慢上升的剩余正弦交流電流和剩余脈動直流電流能確保脫扣的剩余電流繼電器，主要監(jiān)測正弦交流信號和脈沖直流信號。

儀表具體的接線端子和典型接線如下所示：

3.2減少短路

(1)在電解過程中，陽極板的物理外觀是造成短路的一個(gè)重要原因，陽極板上的飛邊毛刺、板面彎曲都有可能造成陰、陽極接觸，形成短路。陽極校正崗位明確要求除去飛邊、毛刺。板面有鼓包、大小耳扭曲、不一致的陽極板挑出，全部放在電解槽頭、槽尾，以減少短路率。

(2)對始極片采取分類使用，將種板生產(chǎn)第 4 ～6d 產(chǎn)出的較厚、易加工成形的始極片加工后，用于生產(chǎn)槽中空間較小的新陽極之間，其它較差始極片用于陽極板尾板。

(3)保證裝槽時(shí)陰、陽極板平行正對，從而減少生產(chǎn)中出現(xiàn)肥邊銅造成短路。

(4)實(shí)行零短路交接班制度。

(5)限流式保護(hù)器產(chǎn)品介紹

ASCP系列電氣防火限流式保護(hù)器是安科瑞專門為了保護(hù)低壓配電線路中短路、過載等問題研發(fā)，可以有效克服傳統(tǒng)斷路器、空氣開關(guān)和監(jiān)控設(shè)備存在的短路電流大、切斷短路電流時(shí)間長、短路時(shí)產(chǎn)生的電弧火花大，以及使用壽命短等弊端，當(dāng)發(fā)生短路故障時(shí)，能以微秒級速度快速限制短路電流以實(shí)現(xiàn)滅弧保護(hù)，從而能顯著減少電氣火災(zāi)事故，保障使用場所人員和財(cái)產(chǎn)的安全。

保護(hù)器可廣泛應(yīng)用于學(xué)校、醫(yī)院、商場、賓館、娛樂場所、寺廟、文物建筑、圖書館、檔案室、會展、住宅、倉庫、幼兒園、老年人建筑、集體宿舍、電動車充電站及租售式商場商鋪、批發(fā)市場、集貿(mào)市場、甲乙丙類危險(xiǎn)品庫房等各種用電場所末端干、支路的線路保護(hù)。

保護(hù)器主要有兩個(gè)型號適用于地下商場用電監(jiān)控，ASCP200-20D是簡易型保護(hù)器，主要適用于額定電流20A以下的照明和插座回路。ASCP200-40D是功能型保護(hù)器，主要適用于額定電流40A以下的插座和其他用電回路。兩種型號保護(hù)器均采用導(dǎo)軌安裝，可以與空氣斷路器并排安裝。

(6)限流式保護(hù)器功能介紹

短路保護(hù)功能。保護(hù)器實(shí)時(shí)監(jiān)測用電線路電流，當(dāng)線路發(fā)生短路故障時(shí)，能在150微秒內(nèi)實(shí)現(xiàn)快速限流保護(hù)，并發(fā)出聲光報(bào)警信號。

過載保護(hù)功能。當(dāng)被保護(hù)線路的電流過載且過載持續(xù)時(shí)間超過動作時(shí)間（3~60秒可設(shè)）時(shí)，保護(hù)器啟動限流保護(hù)，并發(fā)出聲光報(bào)警信號。

表內(nèi)超溫保護(hù)功能。當(dāng)保護(hù)器內(nèi)部器件工作溫度過高時(shí)，保護(hù)器實(shí)施超溫限流保護(hù)，并發(fā)出聲光報(bào)警信號。

通訊功能。保護(hù)器具有1路RS485接口，Modbus-RTU協(xié)議。可以將數(shù)據(jù)發(fā)送到后臺監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

ASCP200系列標(biāo)配以上四個(gè)功能，ASCP200-40D功能型還包含過欠壓保護(hù)功能，線纜溫度監(jiān)測功能，剩余電流監(jiān)測功能，選配無線通訊方式，支持4G、NB-IoT。

(7)限流式保護(hù)器產(chǎn)品應(yīng)用

所有的末端設(shè)備可以通過有線或者無線的方式接入到電氣火災(zāi)監(jiān)控主機(jī)，主機(jī)設(shè)置在地下商場的消控室，消控室也可以布置智慧消防云平臺，監(jiān)控所有接入的消防設(shè)備，云平臺可以采用網(wǎng)頁訪問，也支持手機(jī)APP查看數(shù)據(jù)和報(bào)警。

4、結(jié)語

針對我廠的電解工序自動化不高的現(xiàn)實(shí)情況，通過安科瑞EMS系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測，采取多種降低槽電壓方式，包括調(diào)整酸濃度、清潔接觸點(diǎn)、提高槽溫等以及多種提高電流效率的措施，能夠顯著降低陰極銅的電單耗，創(chuàng)造出大極板生產(chǎn)電銅的電單耗較優(yōu)指標(biāo)。為企業(yè)在復(fù)雜的市場經(jīng)濟(jì)條件中贏得一定的生存空間。也可以為其它銅冶煉廠的電解生產(chǎn)提供一定的借鑒作用。

審核編輯 黃宇