电解整流装置技术改造优化设计研究

电解整流装置技术改造优化设计研究

李玉峰

山东泰汶盐化工有限责任公司 山东泰安 271000

摘要：电解整流装置在氯碱企业电解生产中起着举足轻重的作用。本文运用原理知识和借鉴有关技术成果，对某氯碱化工企业电解整流装置技术改造项目进行了优化设计，通过数据统计分析，验证了整流系统的稳流精度。本次项目改进了整流系统的运行和控制性能，提高了系统稳定可靠性和操作维护水平。

关键词：整流柜，技术改造，设计，优化

前言

某氯碱化工企业烧碱产能为12万吨/年，工程用电负荷容量较大，装置生产所需容量为64000KVA，采用35KV供电。为实现35KV电源输电线路的经济性和可靠性，将电解生产的整流负荷分为两部分，一部分为烧碱生产的整流负荷容量为45500KVA，另一部分动力负荷容量为18480KVA。电解整流直流电源的工艺原理为：将35KV电源送至整流变压器上，再利用晶闸管元件在阳极和阴极之间承受正向压降时，门极若有触发脉冲，则晶闸管导通；当阳极和阴极之间承受反向压降时，晶闸管能够可靠关断且不会被触发导通的可控特性，将变电站工序送来的35KV交流电压通过整流变压器降压，再经过晶闸管元件组成的三相桥式整流得到稳定连续可调的低电压大电流直流电去电解工序单元。

当前，在电解供电系统中，整流装置是最关键的设备。电解整流装置运行不平稳成为电解系统满负荷运行的瓶颈问题，影响了企业产能效益的提升。因此，需要一是从根本上解决电气硬件和系统控制问题，为该企业稳产高产创造良好的机电设备基础。二是设备装置良好的运行，会降低电解电单耗，降低物料和资源消耗，提高生产的安全性，才能使企业达到稳产高效的要求，从而提高企业的经济效益。

1电解整流装置优化改进分析

对整流装置技术改造需改进问题和可优化设计内容进行全面分析，绘制鱼刺分析图如下：

图1 整流装置优化设计鱼刺分析图

对于大功率整流系统而言，通常采用三相桥式整流电路^〔1〕，整流装置技术改造优化设计包括五大方面主要内容：整流柜、控制系统、保护系统和冷却系统、运行操作和维护。

2整流装置技术改造方案设计

目前，晶闸管整流装置采用均流技术和数字计算机控制方式能够获取较高的功率因数，产生的谐波电流较小，可以自动巡检和诊断故障，使系统运行稳定可靠。同时，把晶闻管整流装置通过信息网络与上位计算机组成运行监控系统，实现生产装置操作和控制自动化，提高操作的精准化程度和系统的可靠性，提高了设备功能的利用率^〔2〕。

2.1改造后仍采用整流柜与整流控制柜一对一配套模式，在整流控制柜上实现现场操作和故障报警功能，在触摸屏上可以设置和修改必要的运行参数，具有参数和组件运行状态显示功能。每台控制柜内配置两个控制器，采用双通道互为热备用数字控制系统，能够实现主工作通道与备用通道在调试或故障状态时的真正无扰动自动切换。

2.2改造后触发环节采用全数字控制，脉冲触发板与整流晶闸管采用一对一配置，若一只出现故障不会影响其他晶闸管触发输出，不会造成偏流及停车现象。改造后实现整流晶闸管温度检测和报警功能，实现24小时实时在线检测和显示每只晶闸管元件的运行温度并对温度超限报警。

2.3冷却系统：每台整流柜进出纯水管均为一进一出。冷却水总汇水管、连接管件和水嘴紧固件采用不锈钢材质，尽量采用法兰连接。纯水冷却系统管路与整流电气组件的连接，要尽量减少电腐蚀的形成。全部冷却水管路采用橡胶带网筋水管，在0.4Mpa压力条件下耐压30min无渗漏。当水温高于上位机设定值，或进水压力低于0.1Mpa及出现断水情况时，由PLC给出报警信号。

2.4保护系统：在整流柜设置内部过电压吸收阻容原件，在整流交流侧设置吸收装置吸收外部过电压。在过电压吸收回路中串联熔断器，出现回路故障时熔断，微动开关会发出紧急跳闸信号。与晶闸管串联快速熔断器，实现晶闸管击穿损坏和故障保护。过电流保护及过载报警，当输出电流超过额定电流的1.1倍时，发出报警并连锁停车。

2.5整流器技术参数主要取决于电解槽的系统参数要求，包括电解槽电压、运行电流和高压侧的电压等级及变化范围^〔3〕。整流变压器阀侧线电压U_VL= U_dN /1.35=326÷1.35=241(V)；同相逆并联晶闸管整流臂平均电流I_bp=1/3×1/2×I_Dn=20000÷3÷2=3333A；每臂选用3000A晶闸管4只，电流安全裕量为：K₁=3000×4÷3333=3.6；晶闸管承受的反向峰值电压U_M= ×U_VL=343（V）；晶闻管的耐压取1600V，电压安全裕量为：K_U＝1600÷343=4.67。故晶闸管选用3000A/1600V型，每臂采用4只并联。

2.6均流仪和上位机选择：采用晶闸管并联方式输出大电流时，并联晶闸管稳态和瞬态电流分布不均^〔4〕。采用的均流仪工作参数为：量程为0-3000A，监测点≤0.2秒(12个臂，每臂3个管)，电流采集分辨率为0.2％，测量精度为1%，管电流采集速率≤15µS，采集点数700点/20ms。上位机监控系统实现对整流设备升降电流和升降档位操作，对整个整流系统状态参数和实时故障监测和管理，也担负着与生产DCS系统的信号传输任务。智能均流测试仪用以及时调整运行参数和提高整流效率

^〔5〕，为整流器的周期性检修提供参考依据。

3 整流系统优化对比分析

3.1整流系统的稳流精度：在新整流器开停车时和在正常运行状态，升降电流能够平稳可靠，波动可在10A左右。控制系统采用数字双通道无扰动切换控制，主备控制器真正达到了无扰动切换，其保护功能齐全，在调试及运行过程中均进行了验证，电流运行到20KA，波动几十安，稳流精度达到了0.1%。

3.2控制系统的控制性能：新控制系统主要采用可编程控制器PLC，每台控制柜内配置两个控制器，以“一用一备”方式运行。无论是通过触摸屏或上位机采取手动切换，或是两通道数字控制板自动切换时，对整流柜输出直流电压和电流的影响都要达到无扰动，在闭环、开环两种控制方式下，均能调整整流装置的输出电流。

3.3晶闸管温度检测和预警：新整流装置在每台整流控制柜安装在线温度预警装置，对整流器桥臂每只晶闸管温度进行24小时监控，在上位机、现场触摸屏上实时在线显示每只晶闸管元件的运行温度。当某只晶闸管的温度超过报警设定值时，控制系统自动发出晶闸管元件温度超限报警信号。

3.4优化调节电流操作方式：新系统升降电流采用上位机控制，可任意组合多台电解槽同时实现升降操作。同时监控全部整流系统设备的运行状态，使用现场控制柜触摸屏，以可靠的性能和良好的人机界面，实时显示设备运行状况及工艺参数。每台远程操作台也均能对现场整流控制器进行操作及监控，并实现整流柜封锁脉冲和整流变压器跳闸等紧急停车操作功能。

3.5改进跳高压联锁停车方式：本次借整流柜技术改造时机，对整流控制程序重新编排，降低联锁级别，将DCS连锁封锁触发脉冲改为二类跳闸，从而去除了跳高压信号，再就是直接切除变压器进线高压柜跳闸信号的继电器K1。在控制程序设置上，通过面板设置为“禁止跳高压”，使整流变压器进线高压柜不再接收跳闸信号。

4整流稳流数据分析

4.1 在整流柜技术改造后，对其中一台整流器前30次输出直流电流的变动数据进行了收集汇总。运行期间，整流器直流电流给定为18000A，实际直流电流变动数据见下表：

表1整流器前30次直流电流波动数据表 单位：A

4.2绘制直流电流数据直方图

图2整流器输出直流电流变动直方图

4.3稳流状况分析：直方图数据形态呈正态分布，表明整流器输出电流稳定；实际运行电流最大值18015A和最小值17983A与给定值18000A最大偏差为-0.094%，表明稳流精度在±0.1%之内，电流控制精度良好；30个直流电流数据的平均数为540003/30=18000.1A，与给定电流18000A相差仅0.1A，表明系统稳流性能良好，运行控制处于有效状态。

5结论

本次研究通过对某公司电解整流器技术参数计算、选型以及结构形式的选取确定，成功完成了整流装置技术改造设计等工作，并且对整流器运行、控制、监测进行组合优化，编制了该整流柜技术改造方案，对新系统优化改进做了比对分析。经过对稳流数据统计分析，稳流精度达到目标要求，促进了企业整流系统运行保持稳定，企业产能效益不断得到提升。

参考文献

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[4]侯红.均流仪在大功率整流装置上的应用[J].氯碱工业，2006；(2).

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