離子膜電解槽電壓檢測方案及其優化

杭州和利時自動化有限公司 高國光

黃河水利職業技術學院自動化工程系 武平麗

1 單元槽電壓檢測的必要性

1.1 電解工藝簡介

離子膜法電解制燒堿和氯氣的原理如圖1所示。離子膜由羧酸層和磺酸層組成，含有帶負電荷的固定離子（SO3－）和帶正電荷的對離子（Na+）的活性基團，有特殊的選擇透過性，只允許陽離子通過而阻止陰離子及氣體通過。因而起到了防止陽極產物Cl2與陰極產物H2相混合而導致爆炸的危險，還起到了避免Cl2與陰極另一產物NaOH反應而生成NaClO影響燒堿純度的作用。當離子膜出現破漏時不僅影響產品質量，更會危及到安全生產。所以生產運行中必須保證離子膜的完好。

圖1 離子膜電解原理

圖2 離子膜電解槽的組成

表1 單元槽電壓主要指標

1.2 單元槽電壓的構成

每臺復極式離子膜電解槽由多個裝有離子膜的單元槽串聯組成，如圖2所示。電解槽升電流后，相鄰兩個單元槽之間的電壓（簡稱單元槽電壓）構成如表1所示（電流密度4kA/m2）。影響單元槽電壓的因素較多，例如電解電流、氫氧化鈉濃度、陰/陽極液循環量、電解槽溫度、鹽水中雜質、陽極液pH值、陽極液中氯化鈉濃度、氯氫氣總管的壓力等。這些因素在生產中都有控制指標，以及檢測儀表在線檢測，控制比較平穩，單元槽電壓也比較穩定。如果離子膜在運行中出現破漏，膜電阻就會降低，直接反映到單元槽電壓的變化。

1.3 原有槽電壓檢測方案及其不足

為了通過檢測槽電壓的變化來及時掌握離子膜及電解槽的性能，通常采用兩種方案。

槽電位差檢測（方案1）：其原理是把整個電解槽（包含150個單元槽）平均分成前后兩組，采用電橋原理測量前后兩組的不平衡電壓。如圖3所示。EDIZA-230A即是電解槽R-230A的槽電位差，當電解槽溫度穩定兩小時后通過調節可變電阻使EDIZA-230A為0，如果有離子膜破漏EDIZA-230A就會改變。它檢測的是電解槽前后兩組電壓差的變化，并且檢測結果作為單臺電解槽聯鎖停車的一個關鍵參數。該方案簡單經濟也能對電解槽起到保護作用，但如果電解槽前后兩部分同時出現等電壓的變化，EDIZA-230A就反應不出來。

分組檢測（方案2）：把單元槽按順序等分成若干組，測量每一組的槽電壓。當某一張膜出現破漏或電極涂層脫落時，組電壓就會變化。早期多為10個一組（十點檢測），后來有3個一組的（三點檢測）。分組檢測雖然也能在線連續測量和記錄每組的槽電壓，但當每組的單元槽數越多時測量的精度就越低。

方案1在開車過程中就失去了作用，不能對故障的出現做出報警。這兩種方案有相同的不足：不能準確定位發生故障的離子膜或電解槽的具體位置，也不能測量單元槽電壓也就不能反映每張膜的性能。

圖3 槽電壓差檢測原理圖

1.4 單元槽電壓檢測的必要性

單元槽電壓正常與否代表著膜的性能好壞以及單元槽陽極陰極活性狀態，在線檢測單元槽電壓的變化可以及時準確地發現離子膜的破漏，特別是在裝置開車升電流期間，可以大大縮短開車時間。為了使離子膜能夠長期穩定地保持較高的電流效率和較低的槽電壓，降低直流電耗，延長離子膜的使用壽命（離子膜昂貴），開車時不因延誤操作而使膜受到損害，同時最大限度地減少電槽管理費用，降低人工測量的成本及人工測量不可避免的差錯，以及保證產品質量，確保安全生產，就必須對單元槽電壓實行在線檢測及記錄。

圖4 槽電壓與數據采集系統的連接

2 單元槽電壓檢測的難點

從離子膜法電解制燒堿的工藝原理和復極式電解槽的結構可以看出測量單元槽電壓的難點。測單元槽電壓時，測量回路前一個信號引線的正端，是下一個回路引線的負極，其共模電壓逐步累計，越到后段共模電壓越高。現在一臺電解槽一般裝150個單元槽，后端共模電壓可達500VDC。一般的測量儀表轉換器測量電路不能抗如此高的共模電壓，舉例來說，測0~5VDC是容易簡單的，但測500~505VDC是對電路有特殊要求。所以如何抑制共模直流電壓是技術關鍵點。

3 單元槽電壓檢測方案

檢測單元槽電壓的引線必需經過保險絲后方可接入檢測系統的輸入回路，檢測裝置可以放置在電解廠房附近，最好與電解廠房隔開。若放置在電解廠房內，則采用防爆機柜。方案大致有以下三種。

方案1：把電解槽的直流電壓信號（分組或單點）用電壓轉換器(如M5系列)轉換成標準4～20mA信號，然后再接入DCS系統的I/O模塊。

方案2：把電解槽的直流電壓信號（分組或單點）接入到數據采集系統（如橫河的MW100系統），數據采集系統通過485口用MODBUS協議與DCS系統通訊。系統連接示意圖如圖4所示。

方案3：把電解槽的直流電壓信號（分組或單點）直接接入DCS系統I/O模塊。

三種方案對比很明顯，方案3簡單可靠，是對前兩種方案的優化，但是由于槽電壓檢測的難點使一般廠家的DCS模塊無法直接完成此電壓信號的采集。在此著重介紹方案3的配置方案與優點（以和利時公司MACS-S系統為例）。

4 MACS-S系統對單元槽電壓檢測的優化

4.1 開發專用槽電壓檢測模塊SM413

和利時公司針對離子膜單元槽電壓檢測的特殊需求開發了專用模塊SM413。該模塊為8通道（路間隔離）電壓型模擬量輸入模塊，通過軟件組態有0～5V信號輸入和0～10V 信號輸入兩個量程可供選擇。對3個單元槽一組、2個單元槽一組或單個單元槽電壓都可以進行檢測。具體參數如表2所示。

該模塊為防腐模塊，在華泰集團東營協發化工有限公司50萬噸離子膜燒堿等多個項目上有成功的應用業績。

表2 SM413模塊的技術參數

4.2 專用槽電壓檢測偏差報警功能塊的開發

除了常規的DCS系統具有的功能外，和利時公司針對槽電壓檢測做了專用的偏差報警軟件功能塊。由于電壓和電流并非線性關系，在功能塊中還考慮了電解槽前后不同區域溫度、壓力及流量等因素的差別，根據不同的電流及運行狀態進行偏差報警。在開車升電流的過程中，偏差報警功能塊能及時準確定位發生故障的電解槽，不需要操作工到電解槽現場拿著電壓表對每個槽進行測量，避免了人工測量不可避免的差錯，大大提高了開車的效率，縮短了開車時間。槽電壓出現嚴重異常時可啟動聯鎖保護系統，在最短時間內對問題做出適時的處理，減少了停車時間，最大程度地避免損失。

4.3 硬件優化配置方案

以15萬噸離子膜燒堿項目（6臺電解槽，每臺槽150個單元槽）為例，其配置情況如下：

單點檢測時硬件配置如表3所示。兩個單元槽一組進行檢測時配置表數量減半。三個單元槽一組進行檢測SM413及SM3310為表中的三分之一。

表3 單點檢測硬件配置表

圖5 單元槽電壓信號與DCS系統的連接方式

如圖5所示，每個單元槽連接一根2.5平 聚氯乙烯絕緣銅線，線纜直接接到DCS現場I/O柜內的保險端子，然后接到SM413模塊。

4.4 優化配置方案的特點

（1）槽電壓信號直接進入DCS模塊，省去中間轉換模塊，提高測量精度，減少了故障點；

（2）MODBUS 通訊速率慢，同時避免了MODBUS 通訊的不穩定，通過冗余的工業以太網直接連到中央控制室離子膜燒堿DCS系統，通訊速率高、穩定可靠；

圖6 單點檢測在線畫面圖

（3）DCS I/O柜直接放在電解廠房附近，節省部分電纜；

（4）偏差報警、歷史記錄在線或離線查詢、歷史趨勢對比分析、故障點準確定位等管理功能強大；

（5）不需要為槽電壓檢測增加操作站電腦，可節省投資及維護費用；

（6）有成熟的應用業績，性價比高。

50萬噸離子膜燒堿項目中單點檢測的其中一幅在線畫面如圖6所示，I槽、J槽電流均為14.86kA。

5 結語

為了縮短電解開車時間，使離子膜電解槽長期安全穩定經濟的運行，對單元槽電壓的檢測的非常必要，在當前氯堿企業也有了成功的應用。和利時MACS系統對槽電壓檢測的優化方案使得檢測硬件精度高、穩定可靠、配置靈活，軟件技術先進，管理功能豐富實用，有較高的性價比。此方案值得國內離子膜燒堿企業參考借鑒。