離子膜整流技術(shù)方案

溫泉

（河北盛華化工有限公司，河北 張家口 075000）

河北盛華化工公司針對(duì)離子膜的高效率生產(chǎn)，選用國(guó)內(nèi)一流的高低壓控制柜、整流變壓器、整流柜及為電解槽在開(kāi)停車時(shí)提供電源的極化柜。

離子膜系統(tǒng)整流設(shè)備的選用和維護(hù)保養(yǎng)是保證正常生產(chǎn)的前提，對(duì)整流設(shè)備的設(shè)計(jì)要做到嚴(yán)、細(xì)、實(shí)。

1 整流變壓器

1.1 作用

整流變壓器將交流電網(wǎng)電壓變換成整流裝置所需要的電壓，并通過(guò)相數(shù)和相位角的變換，改變交流和直流側(cè)的運(yùn)行特性?？蓪⒄髟O(shè)備與電網(wǎng)電路隔離起來(lái)，確保設(shè)備的安全并且限制短路電流，減少整流設(shè)備對(duì)電網(wǎng)和其他并聯(lián)運(yùn)行設(shè)備相互間的電磁干擾，抑制晶閘管等整流原件的電流上升率。

1.2 等級(jí)

整流變壓器的等級(jí)見(jiàn)表1。

表1 電壓等級(jí)

1.3 設(shè)計(jì)

根據(jù)燒堿的生產(chǎn)能力和離子膜承受的容量選擇整流變壓器。整流設(shè)備為非線性用電設(shè)備，在整流設(shè)備運(yùn)行時(shí)，在從電網(wǎng)汲取有、無(wú)功率的同時(shí)，還向電網(wǎng)注入一定高次諧波電流。諧波電流的注入，造成電網(wǎng)電流電壓的波形發(fā)生畸變，將威脅電網(wǎng)的安全運(yùn)行。當(dāng)?shù)刃д髅}波數(shù)（P）一定時(shí)，整流設(shè)備注入電網(wǎng)的諧波電流含量為Σ（In），是與整流設(shè)備的受電功率成正比的。在選擇整流站的電源電壓等級(jí)時(shí)，必須協(xié)調(diào)好這二者之間的關(guān)系，還必須兼顧整流變壓器對(duì)網(wǎng)側(cè)電壓的某些特殊要求。例如，變壓器的容量＞8 000 kVA時(shí)，網(wǎng)側(cè)電壓盡可能不采用10 kV，否則，變壓器的某些技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)將惡化。

1.4 移相

大容量整流設(shè)備，其核心部件整流原件的V-I特性為非線性，所以，整流設(shè)備對(duì)為其提供的電網(wǎng)來(lái)說(shuō)是非線性用電設(shè)備。移相變壓器實(shí)質(zhì)上是輸入輸出電壓幅值相等但相位不同的自耦變壓器，又分為叉形接線、多邊形接線。

1.5 特點(diǎn)

整流變壓器常采用三相橋式或六相雙反星帶平衡電抗器的整流電路。但這2種接線方式在不移相的情況下脈波數(shù)P只能達(dá)到6，而大型整流變壓器為了提高功率因素，減少交流電網(wǎng)側(cè)的諧波電流，脈波數(shù)為P=6是不夠的。脈波數(shù)為P=12的整流變壓器組通常由移相角為30°的2臺(tái)整流變壓器并聯(lián)構(gòu)成1臺(tái)整流機(jī)組；而脈波數(shù)大于P＞12的整流變壓器組則由P/12臺(tái)整流機(jī)組并聯(lián)構(gòu)成，各機(jī)組間依次形成（360/P）°移相角，等效形成多脈波。35 kV及以下整流變壓器接線原理圖見(jiàn)圖1。

圖1 35 kV及以下移相自耦式線端調(diào)壓整流變壓器接線原理圖

1.6 壽命

有載開(kāi)關(guān)的壽命在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB10230-88中，做了明確規(guī)定：機(jī)械壽命50萬(wàn)次，觸頭電壽命20萬(wàn)次。

1.7 原理

為了提高電能質(zhì)量，整流變壓器的輸出波形不像電力變壓器，在1個(gè)周期內(nèi)只有3個(gè)正弦波，而是根據(jù)網(wǎng)側(cè)電壓和裝機(jī)容量，確定每臺(tái)變壓器在1個(gè)周期內(nèi)，整流變壓器的脈波數(shù)為6～12個(gè)，用以改善整流裝置的高次諧波對(duì)電網(wǎng)和通訊等設(shè)備的影響。

2 整流變壓器的選用

2.1 容量的確定

整流變壓器的容量為型式容量。計(jì)算方法是將整流變壓器有效材料的消耗折算成雙繞組無(wú)勵(lì)磁電力變壓器的容量。

2.2 鐵心磁通密度的選取

鐵心磁通密度的選取主要受噪聲的控制。一般來(lái)說(shuō)，12脈波整流變壓器的磁通密度可按普通的變壓器選取。

2.3 諧波電流影響

諧波電流一是引起變壓器內(nèi)部的附加損耗和溫度升高；二是引起交流電源系統(tǒng)的波形畸變。

2.4 銘牌容量運(yùn)行

整流變壓器負(fù)載能力問(wèn)題實(shí)際也是溫升問(wèn)題，負(fù)載能力決定了變壓器的容量。也就是在設(shè)計(jì)上要符合生產(chǎn)規(guī)模。

2.5 抑制環(huán)流問(wèn)題

由于12脈波整流變壓器的2個(gè)二次繞組一為Y形，一為d形，各接1組三相橋式整流器并聯(lián)運(yùn)行，同時(shí)向負(fù)載供電。其電路原理圖見(jiàn)圖2，對(duì)應(yīng)的脈波見(jiàn)圖3。

圖2 12脈波整流變壓器整流電路原理圖

3 整流裝置控制及保護(hù)

（1）電化學(xué)電解的設(shè)備是電解槽，要以直流電通過(guò)，在陽(yáng)極接正，陰極接負(fù)，食鹽溶液才能發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，在陽(yáng)極產(chǎn)生氯氣，在陰極產(chǎn)生氫氣和氫氧化鈉溶液。晶閘管伏安特性的非線性是產(chǎn)生整流作用的物理基礎(chǔ)。利用二極管的單相導(dǎo)電性，晶閘管的控制極特性實(shí)現(xiàn)整流過(guò)程的裝置就是整流器，二極管整流器是晶閘管整流器在控制角為零時(shí)的特殊情況。簡(jiǎn)言之，就是將交流轉(zhuǎn)化為直流的裝置。

圖3 12脈波整流變太器整流電波形

表2 Y、d連接繞組常用匝比組合

鎮(zhèn)流器和整流器區(qū)別：整流器是把交流電變成直流電的設(shè)備；鎮(zhèn)流器是一個(gè)鐵芯電感線圈，當(dāng)線圈中的電流發(fā)生變化時(shí)，在線圈中將引起磁通的變化，從而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，其方向與電流的方向相反，因而阻礙電流的變化。

（2）河北盛華化工公司采用的是株洲四方電氣有限公司的整流柜和控制柜裝置，是為配合國(guó)家對(duì)鋁電解、燒堿等高能耗生產(chǎn)企業(yè)降能減耗政策的貫徹執(zhí)行，以最新研制開(kāi)發(fā)的HBC-1型控制板、高性能機(jī)組PLC及觸摸屏為自動(dòng)化監(jiān)控核心，其創(chuàng)新主要表現(xiàn)在數(shù)字調(diào)節(jié)器，采用Fuzzy-PID控制，系統(tǒng)更穩(wěn)定，響應(yīng)速度更快。

（3）整流柜的銅牌因?yàn)殡娏鳟a(chǎn)生的熱量非常大，必須配備降溫冷卻系統(tǒng)。

（4）電解槽的極化電源的作用是當(dāng)離子膜電解槽在運(yùn)行中突然停電時(shí)，就相當(dāng)于1塊蓄電池，會(huì)產(chǎn)生反向的自放電，造成電解槽極板被腐蝕或氧化，如果極化電源送得不及時(shí)，就在兩槽間形成與正常工作電流相反的電流，而反方向的電流將直接影響涂層的壽命，降低電解槽的壽命，使過(guò)電壓升高。極化電流是在主整流器停電時(shí)，向電解槽提供防止腐蝕的應(yīng)急電源。

極化電源應(yīng)保證隨時(shí)可以自動(dòng)投入運(yùn)行，具有穩(wěn)流穩(wěn)壓控制功能，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換。直流輸出帶平波電抗器，如果沒(méi)有平波電抗器，輸出電流是不連續(xù)的脈動(dòng)電流。

要根據(jù)離子膜電解槽的要求來(lái)配置極化電源的額定電流和電壓。

（5）離子膜系統(tǒng)中有許多種保護(hù)措施，防止事故的發(fā)生。整流變壓器的保護(hù)有電流速斷保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、過(guò)負(fù)荷保護(hù)；整流設(shè)備的保護(hù)有失同步保護(hù)、回零保護(hù)、脈沖缺相保護(hù)等。

4 離子膜電解槽頻繁開(kāi)停車的影響

當(dāng)發(fā)生事故突然停電時(shí)，電解槽會(huì)產(chǎn)生很大的反向電流，形成電池效應(yīng)。如果不及時(shí)通入極化電流或處理不當(dāng)，將會(huì)因陽(yáng)極液和陰極液中的電解質(zhì)相互擴(kuò)散和水反向遷移擴(kuò)散，導(dǎo)致膜起泡。同時(shí)，因停電產(chǎn)生的反方向電流會(huì)使陽(yáng)極網(wǎng)活性涂層大量脫落，損壞陽(yáng)極網(wǎng)。頻繁開(kāi)停車使得離子膜頻繁地升溫和降溫，膜隨之頻繁地膨脹和收縮，使膜過(guò)度疲勞，造成膜物理松弛，性能下降。停車后的電池效應(yīng)也會(huì)縮短離子膜的使用壽命。