10萬t/a離子膜燒堿整流裝置技術方案和運行總結

洪龍根，蔣作權

（蕪湖融匯化工有限公司，安徽蕪湖241022）

2010 年，蕪湖融匯化工有限公司實施了10 萬t/a離子膜燒堿改擴建項目。該項目從電力系統(tǒng)220 kV 瑞豐變電站新建長5 km 的110 kV 輸電線路1 回，在現(xiàn)有110 kV 變電所內(nèi)新增1 套線變組GIS， 新增SFSZ11-50MVA/110kV 三繞組變壓器1 臺， 電壓等級為110/35/10 kV，35 kV 向整流整流裝置供電，10 kV 向配電變壓器和高壓電動機供電。 整流裝置是該項目的核心內(nèi)容， 整流裝置的設計要考慮整流裝置產(chǎn)生的諧波不能超標， 提高供電系統(tǒng)的功率因數(shù)，盡量做到節(jié)能、經(jīng)濟運行等因素。

1 諧波計算和脈波數(shù)選擇

1.1 計算諧波的意義

10 萬t/a 離子膜燒堿改擴建項目采用日本氯工程公司n-BiTAC-866 型電解槽，共8 臺，每臺電解槽有66 個單元，每2 臺電解槽前后串聯(lián)形成一個系列，8 臺電解槽共分為并排的4 個系列，由4 套整流裝置供電。 原設計方案將整流裝置共設計2 間整流廠房， 每間整流廠房只能容納1 臺整流變壓器和2 套整流裝置，向2 個系列的電解槽供電，即“一拖二”方案。

按照上述配置，最好是采用單機組6 脈波整流，4 套整流裝置等效成24 脈波。 若采用單機組6 脈波運行，首先需根據(jù)國家標準GB/14549-1993《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》規(guī)定，計算諧波是否超標和過大。諧波過大，將產(chǎn)生下列不良影響及危害：（1）使變壓器的鐵損和銅損增加， 輸電線路串聯(lián)諧振產(chǎn)生的過電壓使絕緣子擊穿；（2）使異步電動機轉矩減少，電機損耗增加，溫升增加，容易燒毀電機；（3）使電容器過電流發(fā)熱燒毀或過電壓絕緣擊穿；（4）使發(fā)電機附加損耗增加，降低發(fā)電機的額定出力；（5）對同一母線運行的可控硅整流裝置產(chǎn)生干擾及其他不良影響；（6）高次諧波電流的電磁和靜電感應，對鄰近弱電系統(tǒng)的干擾增加， 尤其是對通訊系統(tǒng)可能產(chǎn)生嚴重干擾；（7）影響微機和其他電子設備的正常工作；（8）使繼電保護裝置特別是高頻相差保護，裝置不能正確動作，危害電網(wǎng)安全運行；（9）高次諧波使感應型電能表產(chǎn)生誤差，降低計量裝置的準確性[1]。

1.2 諧波電壓計算結果

國家標準GB/14549-1993《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》要求110 kV 電壓總諧波畸變率（THD）允許值為≤2.0%。 根據(jù)諧波電流和諧波電壓的計算，當4 臺機組同時運行時，電壓總諧波畸變率不超標；但是當2 臺機組運行， 電壓總諧波畸變率將超標接近2 倍，不能保證電力系統(tǒng)安全運行，計算結果見表1。

表1 2臺機組運行時電壓總諧波畸變率（THD）允許值和計算值 %

1.3 諧波電流計算結果

國家標準GB/14549-1993《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》要求110 kV 基準短路容量為750 MVA。 根據(jù)蕪湖電網(wǎng)220 kV 瑞豐變電站110 kV 母線系統(tǒng)阻抗和110 kV 瑞融線的線路參數(shù)，計算得出，在最小運行方式下，110 kV 短路容量為549.139 MVA。 瑞豐變電站220 kV 主變壓器的容量為180 MVA， 融匯變電站110 kV 主變壓器的容量為50 MVA。 根據(jù)上述數(shù)據(jù)，經(jīng)過修正和計算，得出注入電網(wǎng)的各次諧波電流。 當4 臺機組同時運行時，諧波電流不超標；當3 臺機組運行時，5 次、7 次諧波電流超出標準值4倍左右，11 次、13 次諧波電流超出標準值2 倍左右，17 次和23 次諧波電流也超標，當2 臺機組運行時，5 次、7 次諧波電流超出標準值4.4 倍。 計算結果分別見表2、表3。

表2 3臺機組運行時，諧波電流的允許值和計算值

表3 2臺機組運行時，諧波電流的允許值和計算值

采用6 脈波整流， 諧波大大超標， 主要原因是220 kV 瑞豐變電所的短路容量較小造成的。

1.4 原方案的諧波問題

通過計算和分析，雖然離子膜燒堿裝置的可靠性比較高，但是考慮生產(chǎn)的實際情況，剛開車時，2個機組同時升電流，為2 機組運行；由于工藝、設備、DCS、整流等故障，1 個或2 個機組停止運行的情況還是常有的，此時，諧波將大大超標。 大量的諧波將產(chǎn)生上述危害，影響變壓器、電動機尤其是電容器等電氣設備微機保護、DCS、整流等自動化裝置的正常運行，另外，供電部門將不允許110 kV 變電所送電， 要求增加濾波裝置， 待諧波治理合格后才能送電。 治理諧波需設計濾波裝置， 需花費額外的諧波治理費用。

1.5 新方案的確定

經(jīng)過計算，若采用單機組12 脈波整流，在任何運行方式下， 電壓總諧波畸變率和諧波電流都優(yōu)于國家標準，有利于公司電力系統(tǒng)的安全、經(jīng)濟、可靠運行。 因此，本項目確定采用單機組12 脈波的整流方案：1 臺整流變壓器帶1 臺12 脈波整流裝置，向1個系列電解槽供電，即“一拖一”方案；10 萬t/a離子膜燒堿共需4 臺整流變壓器分別帶4 套整流裝置，向4 個系列的電解槽供電，4 套整流裝置等效48脈波。優(yōu)點是：（1）諧波優(yōu)于國家標準，母線電壓畸變率低，減少濾波裝置的投資；（2）開車及停、送電等操作靈活；（3）故障影響面小。

2 整流電壓等級和電容補償

電壓等級的選擇主要考慮投資和電費， 尤其是基本電費。 安徽電網(wǎng)的電費構成是， 電費=基本電費+電量電費+功率因數(shù)調(diào)整電費。 基本電費有2 種方式：一是按接入電網(wǎng)的變壓器容量按月收取，每月30 元/kVA；一是按電費計量點的最大需用負荷按月收取，每月40 元/kW。 功率因數(shù)調(diào)整電費=（基本電費+電量電費）×功率因數(shù)調(diào)整系數(shù)%。功率因數(shù)調(diào)整系數(shù)%的規(guī)定是，功率因數(shù)為0.9 時，電費調(diào)整系數(shù)為0，不獎不懲；功率因數(shù)為0.89～0.85 時，電費調(diào)整系數(shù)范圍為+0.5%～+2.5%， 電費按系數(shù)增加， 級差為+0.5%；功率因數(shù)為0.91～0.95 時，電費調(diào)整的系數(shù)范圍為-0.15%～-0.75%，級差為-0.15%，電費按系數(shù)減少；功率因數(shù)為0.95～1.00 時，電費調(diào)整系數(shù)均為-0.75%。

目前許多單位已采用110 kV 直降整流，目的是減少35 kV 變壓器損耗和35 kV 設備投資。 為了減少基本電費， 也就是減少接入電網(wǎng)的變壓器容量，110 kV 直降式整流一般需經(jīng)220 kV 主變壓器降為110 kV，然后向110 kV 整流變壓器供電。 按照經(jīng)濟規(guī)模供電原則， 當供電負荷超過80 MW 以上時，應采用220 V 電壓供電。 而本項目負荷只有31 MW，考慮未來五年發(fā)展也不會超過50 MW， 因此不能采用220 kV 供電，仍采用110 kV 供電。若采用110 kV直降式整流， 會增加4 套110 kV 的GIS 和4 回110 kV 電纜回路，變電所占地面積增大，110 kV 電纜線路較長、投資高。 由于本公司已在運行的7 萬t離子燒堿裝置為35 kV 整流， 考慮供電可靠性和電源的靈活性， 本項目不采用110kV 直降式整流，仍采用常規(guī)的35 kV 整流。

為了提高功率因數(shù)，增加變壓器的出力，降低線路和變壓器的電能損失， 本項目在35 kV、10 kV、380 V 均設計電容補償。35 kV 采用構架式高壓并聯(lián)電容器成套裝置，容量為7 500 kvar，一次性投切；10 kV 采用戶內(nèi)柜式無功自動補償成套裝置， 容量為900 kvar，電容器分為200 kvar+300 kvar+400 kvar 3組， 每組根據(jù)負荷自動投切；380 V 電容補償裝置采用可控硅過零自動投切，容量為2×480 kvar。電容器裝置均串聯(lián)電抗率為6%的電抗器。

3 同相逆并聯(lián)與非同相逆并聯(lián)的比較

3.1 同相逆并聯(lián)

同相逆并聯(lián)就是2 組相同的整流電路， 其直流輸出串聯(lián)或并聯(lián)， 并且使其閥側交流兩同相支路空間靠近，達到削弱交變磁場的目的。空間幾何靠近的2 支路中的交流電流瞬時值完全相等而方向相反[2]。

同相逆并聯(lián)的優(yōu)點是：（1）同相逆并聯(lián)使相鄰的母線導體產(chǎn)生的交變磁場互相抵消或減弱， 大大抑制了趨膚效應；（2）由于同相逆并聯(lián)交變磁場互相抵消， 可降低大電流整流柜金屬框架和金屬支承件的渦流發(fā)熱和磁滯發(fā)熱；（3）由于同相逆并聯(lián)交變磁場互相抵消， 交流銅排之間及其與周圍金屬構件之間的交變機械力可大大降低， 因而不易產(chǎn)生振動且交流聲減少；（4）由于母線阻抗降低，對整流換相有利，使重疊角變小，對晶閘管控制有利[2]。

同相逆并聯(lián)的缺點是： 同相逆并聯(lián)需要2 組相同的整流電路， 因而整流變壓器的閥側也必須有2組相同的繞組， 整流變壓器的結構比非同相逆并聯(lián)復雜，制造成本高，并存在逆變相母排的絕緣距離與產(chǎn)生效果的矛盾問題[2]。 另外，同相逆并聯(lián)的可控硅數(shù)量比非同相逆并聯(lián)要多，冷卻水管支路多，滲漏的可能性增多。

3.2 非同相逆并聯(lián)

對于向復極式離子膜電解槽供電的整流裝置，同相逆并聯(lián)的優(yōu)點已經(jīng)弱化，反而其制造安裝復雜，特別是安全性降低、運行費用增大、維護不便的缺點日趨明顯。在這種弊大于利的情況下，同相逆并聯(lián)的聯(lián)結方式已非為最佳的選擇， 采用一般并聯(lián)才是經(jīng)濟合理的方式[3]。 事實上，部標《電化學整流器》對額定直流電壓≤400 V，額定直流電流≤25 000 A 的整流裝置就是推薦一般并聯(lián)的電聯(lián)方式。實踐中，也有不少用戶采用這種方式獲得成功， 證明了其經(jīng)濟性和可行性。 對于金屬材料發(fā)熱的問題完全可通過非磁性材料的隔磁措施解決[3]。 非同相逆并聯(lián)可采用大功率可控硅，減少可控硅數(shù)量，可減少損耗。 考慮同相逆并聯(lián)的整流裝置結構復雜、造價較高，本裝置單柜額定電流為10.5 kA， 運行電流只有8 kA，因此，本項目整流裝置采用非同相逆并聯(lián)。

4 整流裝置的組成

本項目由于整流裝置只有2 間整流廠房， 廠房面積較小。 若選用4 臺有載調(diào)壓整流變壓器和4 臺油水冷卻器，則2 個整流廠房布置擁擠，沒有檢修的空間，給今后的運行維護帶來困難。 因此，本項目選用2 組有載調(diào)壓整流變壓器和2 臺油水冷卻器，每組有載調(diào)壓整流變壓器包括共油箱的2 臺調(diào)壓變壓器和4 臺整流變壓器，配1 套油水冷卻器，向2 個系列的電解槽供電。 每組有載調(diào)壓整流變壓器型號為ZHSSPT-2×12 000/35，一組移相為+3.75°和-11.25°，另一組變壓器為－3.75°和＋11.25°，等效48 脈波。 采用非同相逆并聯(lián)，每臺整流變壓器出3 根銅排。整流變壓器采用線端自耦調(diào)壓，調(diào)壓范圍為70%～105%，±13 級。35 kV 電纜側面進線，并外加金屬防護罩，可以保證巡視安全。油水冷卻器型號為LYAF2—250×3，共2 臺，油水冷卻器和整流變壓器就近布置。

整流系統(tǒng)配置為， 整流柜采用三相全控橋式整流、非同相逆并聯(lián)接線，整流柜型號為KHS，額定直流輸出電壓為460V，額定直流輸出電流為2×10.5 kA，3只KP-4 600 A/2 000 V 可控硅并聯(lián)；就地控制柜型號為KZX10-12，2 組數(shù)控器互為熱備用； 后臺監(jiān)控系統(tǒng)型號為ZL-200； 純水冷卻器型號為LSS—150B，主副水溫差為5 ℃；直流傳感器型號為SDA-25 KA；直流刀開關型號為HD16Ⅱ-31.5 KA；極化電源柜型號為KH-80 A/355 V， 能夠現(xiàn)場和后臺操作。4 套整流裝置采用2 臺監(jiān)控電腦操作。為保證計算機監(jiān)控系統(tǒng)工作高度可靠， 通訊網(wǎng)絡采用了冗余措施， 就地控制柜通過2 路現(xiàn)場通訊總線同時與計算機監(jiān)控系統(tǒng)的2 臺上位機通訊，極大提高了可靠性。

5 運行總結

本項目自投運以來，一直平穩(wěn)、安全運行，整流效率達到96%以上在運行中職得了一些經(jīng)驗。

5.1 優(yōu)化崗位人員配置

2005 年曾經(jīng)成立了整流工段，專門負責3 套共70 kt/a 整流裝置的操作和維護。 現(xiàn)精簡了整流操作人員，取消了整流工段，不設專職的整流操作人員，整流開停車、 運行中升降電流、 極化電源開停均由DCS 操作工進行。 目前，7 套共170 kt/a 整流裝置只有1 名整流技術員巡檢。

5.2 優(yōu)化整流柜和整流變壓器的制造方案

該項目整流裝置在夏天運行時， 整流柜框架的溫度較高， 主要是整流柜框架非磁性材料的隔磁效果不好，導致柜體發(fā)熱。整流柜的框架應采用鋁合金或不銹鋼，以達到隔磁效果。 另外，整流變壓器閥側為3 根出線排，若整流變壓器閥側出6 根銅排，則每根銅排的電流比3 根銅排電流小一半， 更有利于減少整流柜框架的發(fā)熱。

5.3 極化電源的經(jīng)濟運行

每套電解槽配有1 套獨立的極化電源， 其作用是在主整流器停電時， 向電解槽提供防止腐蝕的應急電源。 極化電源能夠自動投切，也能手動投切，大多數(shù)企業(yè)要求自動投切。 極化電源自動投切時，如果三相變壓器帶電空載運行，將產(chǎn)生不必要的電能損耗。 根據(jù)測量，單臺極化電源變壓器的空載電流為4 A，電壓為400 V，按功率因數(shù)0.75 計算，每天耗電50 kW·h， 每套極化變壓器每年空載耗電約1.8萬多kW·h，6 套空載耗電達11 kW·h。 因此，建議將極化電源手動與自動投切相結合； 極化控制電源時刻帶電，開車正常后，使極化電源變壓器斷電，以減少變壓器空載損耗；主整流裝置停止運行時，極化電源變壓器帶電，在后臺進行自動調(diào)節(jié)。

5.4 合理配置電容補償裝置

由于本項目的諧波優(yōu)于國家標準，380 V、10 kV、35 kV 電容器均運行良好。 110 kV 線路的功率因數(shù)為0.96～0.97，供電公司每月獎勵電費十一萬元左右，每年可節(jié)省電費一百多萬元。因此，對于用電大戶來說，合理配置電容器是利的措施，是一項重要的節(jié)能措施，也是為項目建設增值和項目使用（運行）增值的措施之一。

［1］中國氯堿工業(yè)協(xié)會．氯堿工業(yè)整流技術培訓教材．天津：天津科學技術出版，1992．

［2］中國氯堿工業(yè)協(xié)會．電化學整流技術實用手冊．天津：中國氯堿工業(yè)協(xié)會，2009．

［3］廖秀華．離子膜電解槽與金屬陽極電解槽供電設計的區(qū)別·見：中國氯堿工業(yè)協(xié)會編．2008年燒堿整流技術研討會論文集．天津：中國氯堿工業(yè)協(xié)會，2008，3－5．