电解机组电控柜空调选型及设计改进

高 莹

(中国有色(沈阳)冶金机械有限公司， 辽宁 沈阳 110141)

0 引言

自二十世纪九十年代以来，电解铝行业在国内得到了迅猛发展，电解车间的恶劣环境对其内部的设备影响较大，很多设备为了提高其稳定性都选用了较高的配置。电解机组是铝电解车间必不可少的操作设备，其稳定性关系到电解车间的生产任务完成情况，为了保证设备的稳定性，目前无论国内外设备，电控系统中的电气元件基本都选用进口品牌。

在我们日常工作中，电控系统的PLC、变频器是大家给予的关注度最高的，也是对电解机组电控系统的稳定性起到决定性作用的，而大家却忽视了对PLC、变频器等重要电气设备的工作环境起到决定性作用的电控柜空调。众所周知，无论是PLC还是变频器，其工作的环境对其工作稳定性和使用寿命存在较大影响，而电控柜空调的稳定性就直接决定了电控柜内所有电气设备的工作环境温度，稳定的电控柜空调能够保证电控柜内温度在35～38℃之间，空调工作不正常时，电气设备产生的热量无法排出，电控柜内的温度就会达到55～70℃，在这样的环境下，电控柜内的电气设备的稳定性和工作寿命都将受到严重的影响，所以，电控柜空调的稳定性不容忽视。

最初，电控柜的空调寿命基本在半年左右，且稳定性不好，除了空调的选型存在问题之外，还存在有些空调不适合在恶劣的环境下使用的因素。最近几年，市场上的空调稳定性和使用寿命有所好转，但还有待于进一步提高。

1 空调不稳定原因分析

前面已经阐述，铝电解车间的环境比较恶劣，是恶劣的工业环境中相对恶劣的，所以，这种高温、强导电性粉尘等都在影响电空调的稳定性和使用寿命，再加之设计选型问题和使用方的使用问题，造成了电控柜空调问题较多。

1.1 电解车间的温度

电解车间的温度相对比较稳定，虽然个别地区的冬季和夏季的温差较大，但在电解车间，一般车间内温度维持在45～55 ℃，夏季温度偏高一些，冬季温度偏低一些，为了能够更加准确的分析电解车间的温度环境，这里以500 kA电解槽生产车间为例，从供电侧到非供电侧两电解槽中间的不同高度进行了温度的数据检测，并根据检测的结果进行了电解车间电解温度分布图绘制，如图1所示：

图1 500 kA单个电解槽温度分布图

根据500 kA单个电解槽温度分布图，分析如下：

(1)电解车间温度受电解槽影响，车间地面处距离电解槽越近温度越高，供电侧和烟道侧温度较低，且变化比较明显，因供电侧的过道比非供电侧宽，所以供电侧温度较非供电侧低。

(2)车间内的通道处离电解槽较远，且空气流动较好，所以通道处的温度与电解槽附近相比，有明显降低的现象。

(3)温度随着与地面距离的增大，明显下降，离地面越高，温度越低，电解槽方向的温度变化越小，到天车桥架时，不同位置的温度差别只有几度。

(4)车间距离电解槽稍远的地方，温度变化没有电解槽附近温度变化强烈，曲线比较平滑。

(5)地面附近电解槽中部温度最高，这是车间内温度最高的位置，供电侧是车间内温度最低的位置。

1.2 电解车间的导电性粉尘

电解车间在其生产过程中，受其生产工艺影响，粉尘非常大，特别是在距离地面3 m以内的高度，粉尘相对较大，其主要来源有：

(1)电解机组在向电解槽下料的过程中，由于有些料是粉状的，虽然下料管有一定的遮挡作用，但还是会因下料过程中料是从高到低会产生较大的粉尘，并向周围扩散。

(2)电解机组在电解槽更换阳极之间的打壳过程中，因打壳的振打，会产生一定的粉尘，并向周围扩散。

(3)电解机组在更换阳极和清理残渣的过程中，电解槽处于槽盖板打开状态，这一过程中，烟尘不断产生，并不断向外扩散，而这一过程电解机组处于打开槽盖板的电解槽正上方，所以这一烟尘对电解机组的影响较大。

(4)电解槽上部下料装置在不断向电解槽加料，在加料的过程中，虽然电解槽的槽盖板都是关闭状态，但是在下料过程中还是会产生一定的灰尘并扩散到电解槽外面来。

(5)在电解铝生产的过程中，因其工艺原因，不断产生烟尘，虽然目前的电解车间都配备了净化系统，但净化系统的运转情况及故障情况直接影响到了电解车间的粉尘和烟尘环境。即便是净化系统工作非常稳定的铝电解车间，也避免不了生产过程中粉尘和烟尘的产生。

(6)电解铝过程中，产生的烟尘和粉尘都是具有一定的导电性的，且还存在一部分烟尘具有腐蚀性的影响，这些都加重了对电解机组及其电控柜空调等电器设备的影响。

1.3 控制系统的设计方选型问题

(1)个别设计单位和个人因没有设计经验，参照其它单位或个人的空调选型，一旦空调功率不够，就会造成空调一直处于压缩机工作状态，也无法将电控柜内温度降至设定温度，长期处于这样的工作状态，空调的使用寿命将大打折扣，也会严重影响其工作稳定性。

(2)所选空调不适宜强磁场、强粉尘环境使用，电磁干扰对电路产生的干扰以及导电性粉尘对电路板造成的短路降低了空调的使用寿命和工作稳定性。

(3)所选空调不是高温空调，其空调的最高工作温度低于电解车间的最高环境温度，一旦环境温度高于空调的允许工作最高温度，空调将停止制冷，无法正常工作。

1.4 使用方的使用维护不当

(1)设备使用单位在日常卫生清理过程中没有进行吸尘处理，而是采用风管吹灰，在吹灰过程中，很多粉尘进入空调内部，严重影响了空调的使用效果。

(2)设备使用单位没有按照空调的使用维护说明书对空调进行定期滤网清理，影响风道进出风，空调长期处于这种状态，影响制冷效果和使用寿命。

(3)设备使用单位没有按照空调的使用维护说明书对空调进行定期保养，到期应该更换的器件没有及时更换，造成了整个空调工作的不稳定性且使用寿命大打折扣。

2 空调的选型计算及使用设定

目前，电解机组上应用的电控柜都是带有隔热层的，一般隔热层选用延绵、石棉等隔热材料，隔热层一般达到80 mm，这样的电控柜要比没有隔热层的单层钢板的电控柜的热传递慢，在空调制冷的情况下，能更好的阻隔热量的传递，减缓了热量从电控柜外部的电解车间环境中传递到电控柜内部。所以，这种带隔热层的电控柜的空调功率选型计算方法与常规单层钢板电控柜有一定的区别。

电解机组空调功率的计算除考虑电控柜外部热量向电控柜内部传导以外，还需要考虑电控柜内部的电气设备本身在工作过程中不断的产生热量，在产生热量的电气设备当中，变频器是目前应用到电解机组控制系统安装到控制柜当中的主要发热设备，所以，在计算过程中，其余电气设备基本忽略，只考虑变频器的发热情况。

变频器产生的热负荷为：

Q1=k1K0

(1)

式中k1—变频器热负荷计算系数0.02；

K0—电控柜内所有变频器的功率之和。

与电控柜外环境接触产生热交换的热负荷：

Q2=k2S(C2-C1)

(2)

式中k2—变频器热负荷计算系数1.2；

S—电控柜表面积，m2；

C1—空调设定温度,℃；

C2—电控柜室外环境温度,℃。

电控柜需要的制冷负荷：

Q=k3(Q1+Q2)

(3)

式中k3—制冷负荷计算系数1.15。

所选空调的总制冷功率之和大于或等于Q即可满足现场使用条件。下面以一台双35吨出铝车(大车变频器90 kW，工具车变频器18.5 kW，出铝小车变频器18.5 kW，出铝钩变频器75 kW，驾驶室旋转变频器2.2 kW)，以电控柜长5.5 m、宽1.2 m、高2 m为例，按照室外温度55 ℃，电控柜室内设定温度35 ℃计算：

变频器产生的热负荷：

Q1=0.02×297.7=5.954 kW

与电控柜外环境接触产生热交换的热负荷：

Q2=1.2×40×(55-35)=960 W=0.96 kW

电控柜需要的制冷负荷：

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

所选空调的总制冷功率大于7.951 1 kW即可，根据这一计算结果，一般选用2台4 kW的高温工业空调即可满足现场使用要求。

3 空调设计应该采取的措施

电解机组上应用的高温工业空调的设计与一般的高温空调设计不同，需要充分考虑电解车间的恶劣环境。

(1)电路板在设计上充分考虑散热问题，不能过于紧凑而使其内部温度过高影响散热，电子元件长期在高温环境下工作会使其稳定性和使用寿命降低，影响空调的使用效果。

(2)电路板需做涂层处理，避免在导电性粉尘和烟尘进入空调内部造成电路板焊点之间短路而烧毁空调，一般该涂层要2～3层，可用环氧树脂等材料进行喷涂。

(3)空调的整体结构需要考虑各元件的散热问题，避免结构紧凑，保证散热空间，提高空调的散热效率，降低空调本身的工作温度。

(4)空调的散热部分需要喷涂环氧树脂处理，以提高其表面的光滑度，有利于日常灰尘和烟尘的清理，避免因其表面不够光滑而产生粉尘积累，过多的粉尘积累会严重影响空调散热，这一点是以往的空调不能长期稳定运行的一个重要原因。

(5)空调温度设定的最低温度不能低于30 ℃，设定温度过低会使空调压缩机工作压力过大，同时还会因电控柜内外温差过大结露，这对电气设备的稳定性和使用寿命影响较大。

(6)空调自清理设计，根据程序设定，空调定期对滤网处进行反吹风清灰，起到空调自清洁作用，延长滤网的维护时间，进一步保证空调长期稳定的运行。

4 结束语

通过对空调工作环境的分析，并根据目前应用在电解机组上电控柜实际情况，给出了电控柜空调的选型计算方法及空调设计时应该注意的问题，通过改进，电控柜空调在现场运行的情况有明显好转，但目前，电控柜空调仍然需要定期清理和维护，相信随着行业的发展，针对电解铝行业的工业空调会更加先进，更加智能，维护周期会不断延长，甚至会出现免维护的电控柜空调，进一步保证电解机组电控系统的长期稳定运行。