20萬t/a離子膜燒堿整流系統(tǒng)設(shè)備的配置

魏成江，張志利

（昊華宇航化工有限責(zé)任公司，河南焦作 454002）

昊華宇航20萬t/a 離子膜燒堿裝置采用國際先進(jìn)的膜極距離子膜電解槽。配套的整流設(shè)備由9臺GIS 型氣體絕緣金屬封閉式開關(guān)、4臺110 kV 直降式整流變壓器、8臺可控硅整流柜、8臺雙通道計(jì)算機(jī)整流控制柜、8臺極化電源、4臺純水冷卻裝置、2臺上位機(jī)等組成。

1 高壓供電系統(tǒng)

（1）110 kV 高壓供電系統(tǒng)采用GIS 高壓組合電器ZF10－126L/T2000-31.5型氣體絕緣金屬封閉式開關(guān)，運(yùn)行方式采用分段加聯(lián)絡(luò)方式，每段母線供2臺整流變壓器運(yùn)行。110 kV 堯昊2進(jìn)線間隔向110 kVI 段供電，通過昊111、昊113間隔分別向1＃、2＃ 整流變壓器供電，110 kV 氯昊2進(jìn)線間隔向110 kVⅡ段供電，通過昊112、昊114間隔分別向3＃、4＃ 整流變壓器供電，110 kV I、II 段母線通過昊110間隔實(shí)現(xiàn)兩段聯(lián)絡(luò)；

（2）整流變壓器共有4臺，型號為ZHSFPT-20800/110，額定電壓110 kV、額定容量為20 800 kVA，采用27級（±13級）等差電壓有載調(diào)壓，冷卻方式為強(qiáng)迫油循環(huán)風(fēng)冷，出線為雙側(cè)中下部出線。4臺整流變壓器網(wǎng)側(cè)互差7.5度的電角度，組成單機(jī)組6脈波，1套整流系統(tǒng)2機(jī)組構(gòu)成等效12相整流，4套整流系統(tǒng)構(gòu)成等效48相整流，從而有效地抑制了47次以下的諧波，改善了系統(tǒng)電源質(zhì)量。供電系統(tǒng)圖見圖1。

2 整流柜

（1）整流柜共有8臺，型號為KHS-15 kV/590 V，后下進(jìn)線、直流側(cè)上出線。每臺整流柜有2組三相全控橋整流電路構(gòu)成同相逆并聯(lián)聯(lián)結(jié)。其原理是將相位相同、極性相反的整流聯(lián)結(jié)自二次繞組到整流之間盡可能靠近裝配，從而使通過二者的電流在任何瞬間都大小相等，方向相反，各自產(chǎn)生的交變磁場在兩逆并導(dǎo)體之外相互抵消，從根本上解決了大電流產(chǎn)生強(qiáng)交變磁場引起的局部發(fā)熱，電抗壓降增大及并聯(lián)元件之間電流不均衡等大電流整流設(shè)備存在的特殊問題，有利于提高機(jī)組效率和功率因數(shù)。

圖1 供電系統(tǒng)圖

（2）脈沖分配板將6路脈沖隔離、耦合、送到每個(gè)整流元件控制極和陰極上。每個(gè)整流臂由四個(gè)晶閘管整流元件并聯(lián)，與晶閘管元件串聯(lián)的快熔用作短路保護(hù)，當(dāng)元件擊穿時(shí)，快熔過流熔斷，防止直流側(cè)短路。發(fā)生一只快熔熔斷時(shí)，有相應(yīng)臂元件損壞的故障報(bào)警，整流裝置仍能正常工作，同一橋臂的2只快熔熔斷時(shí)，多快熔熔斷報(bào)警，并封鎖脈沖。與整流橋臂并聯(lián)的電阻用于吸收晶閘管的換相過電壓。電容C1～C6，壓敏電阻RV1～RV6在網(wǎng)側(cè)作星形連接，可吸收交流操作過電壓。臂過熱保護(hù)，每個(gè)橋臂安裝有溫度繼電器，當(dāng)橋臂溫度超過65 ℃時(shí)報(bào)警。整流柜冷卻回水溫度達(dá)到45 ℃時(shí)，水溫過高報(bào)警。當(dāng)整流柜進(jìn)水壓力低于0.08 MPa 或斷水時(shí)，水壓異常報(bào)警，如果在設(shè)定的延時(shí)時(shí)間內(nèi)（9 s）沒能消除故障，封鎖觸發(fā)脈沖。當(dāng)整流柜輸出電流超過1.1 IdN時(shí)，過載保護(hù)動作，過載報(bào)警，當(dāng)負(fù)載發(fā)生短路或電流輸出超過1.3 IdN時(shí)，則封鎖觸發(fā)脈沖，使直流輸出降到零。確保設(shè)備安全運(yùn)行。

3 雙通道計(jì)算機(jī)整流控制柜

（1）雙通道計(jì)算機(jī)控制柜共有8臺，型號為SFCS-6D，由雙通道控制系統(tǒng)、PLC 監(jiān)控系統(tǒng)、人機(jī)界面（觸摸屏）及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通訊接口組成。通過2路現(xiàn)場通訊總線同時(shí)與2臺上位機(jī)通訊對整流器及輔機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控操作。

（2）雙通道控制系統(tǒng)采用雙通道熱冗余技術(shù)，觸發(fā)控制器全數(shù)字控制，抗干擾能力強(qiáng)，穩(wěn)定性好。智能識別和濾除同步信號中的干擾，在同步信號波形畸變或強(qiáng)毛刺干擾情況下，也能可靠工作。具有同步模擬和鎖定功能。在任一相同步信號丟失時(shí)，根據(jù)三相同步的線性相關(guān)性，用程序模擬產(chǎn)生的同步信號，使觸發(fā)脈沖不受影響，在所有同步信號都丟失時(shí)，鎖相環(huán)自動鎖定觸發(fā)脈沖1 s 以上，對于防止電網(wǎng)瞬間調(diào)電引起的擾動十分有效。2個(gè)通道無擾動切換，可以不停機(jī)檢修、更換控制通道，設(shè)定運(yùn)行參數(shù)。并具有電流反饋消失保護(hù)、回零保護(hù)、故障自診斷、電流線性軟啟動功能。

（3）數(shù)字觸發(fā)控制器移相范圍為0～150°，觸發(fā)脈沖輸出為雙窄脈沖。同步信號取自整流變壓器閥側(cè)。自動穩(wěn)流精度優(yōu)于0.3%，當(dāng)系統(tǒng)工作在自動穩(wěn)流方式時(shí)，CPU 對電流給定信號和反饋信號相比較，將其偏差作PI 調(diào)節(jié)運(yùn)算。當(dāng)電網(wǎng)電壓或負(fù)載大小發(fā)生變化時(shí)，輸出電流Id 隨之波動，電流反饋信號IF 跟著變化，經(jīng)PI 調(diào)節(jié)運(yùn)算輸出一個(gè)相應(yīng)的移相控制量UK 給觸發(fā)器。使觸發(fā)器輸出脈沖的相位a 角相應(yīng)地改變，從而達(dá)到調(diào)整直流輸出電流，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)自動穩(wěn)流的目的。穩(wěn)流過程可簡述為：

（4）CPU 對移相控制角與設(shè)定值比較，超出范圍（a＞20°，a＜5°）就輸出整流變壓器升/降檔信號。雙通道熱備用控制器實(shí)時(shí)監(jiān)測工作通道和備用通道是否工作正常。熱備用控制器出現(xiàn)故障時(shí)，數(shù)字觸發(fā)控制器仍能正常工作，可以通過后備給定旋鈕進(jìn)行給定操作。

（5）監(jiān)控系統(tǒng)選用S7-200 PLC 做為主控單元，對整流器及輔機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)、狀態(tài)、故障進(jìn)行檢測和操作。人機(jī)界面觸摸屏（HMI）實(shí)時(shí)顯示控制角、電流給定值、直流電壓、直流電流、直流功率、直流電度、整變油溫、純水水溫、純水水壓、整變內(nèi)附CT 變換后的直流電流；顯示手動開環(huán)/直流穩(wěn)流/交流穩(wěn)流工作方式、A/B 通道工作狀態(tài)、有載開關(guān)檔位、每只快熔的工作狀態(tài)和每只橋臂溫度繼電器的狀態(tài)、純水冷卻器水泵、整變油風(fēng)冷卻器、直流隔離開關(guān)的狀態(tài)；實(shí)時(shí)故障報(bào)警顯示和歷史故障記錄。通過觸摸屏可以進(jìn)行電流給定、手動開環(huán)/自動穩(wěn)流切換、A 通道/B 通道切換操作和所有系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行在線修改，達(dá)到“即改即用”的效果，更換備用通道后，可直接將工作通道的參數(shù)拷貝到備用通道。

（6）雙通道計(jì)算機(jī)整流控制柜保護(hù)特性為，a.發(fā)生單只快熔熔斷、整流臂過熱、冷卻水溫過高、水壓異常等故障時(shí)，故障報(bào)警，并響鈴警告；b.發(fā)生電源缺相、過流、操作過電壓故障、多快熔熔斷、緊急停車、水壓異常（超過9S）等故障時(shí)，故障報(bào)警，鳴笛警告，封鎖脈沖，使直流輸出降到零；c.開機(jī)時(shí)，監(jiān)測到相序錯(cuò)誤或缺相，封鎖脈沖，并在人機(jī)界面觸摸屏（HMI）顯示故障信息。

4 整流裝置計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)

整流裝置計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)由通訊網(wǎng)絡(luò)和2臺上位機(jī)組成，構(gòu)成分布式監(jiān)測控制系統(tǒng)，負(fù)責(zé)對整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)和管理，顯示各種畫面、表格、告警信息和管理信息等；提供遙控、遙調(diào)等操作界面，具有以下功能。

（1）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集：對整流器及輔機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行檢測、對整流器及輔機(jī)系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行檢測、對整流器及輔機(jī)系統(tǒng)的故障進(jìn)行檢測。

（2）操作控制：升/降直流電流；手動開環(huán)/穩(wěn)流工作方式切換；A/B 通道切換；有載調(diào)壓開關(guān)升/降檔。

（3）人機(jī)界面：系統(tǒng)電氣主接線圖顯示，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)畫面顯示，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)曲線顯示，各種參數(shù)在線設(shè)定和修改。

（4）報(bào)表和歷史數(shù)據(jù)：運(yùn)行日報(bào)、運(yùn)行月報(bào)、歷史數(shù)據(jù)顯示和保存。

（5）運(yùn)行記錄：設(shè)備投停記錄、操作記錄、保護(hù)定值修改記錄；保護(hù)信息：保護(hù)定值顯示及修改、保護(hù)動作信息及事件記錄。

5 純水冷卻裝置

（1）純水冷卻裝置共有4臺，型號LSS250B，每臺整流柜共用1臺純水裝置。純水冷卻裝置采用雙泵組合設(shè)計(jì)，二泵互為工作或備用，自動換向閥門單路輸出。且能不停機(jī)對故障泵進(jìn)行檢修。

（2）電氣控制部分具有動力切換控制功能，具有水溫、水壓、水質(zhì)、流量、液位等數(shù)值顯示裝置和報(bào)警系統(tǒng)。工作泵萬一發(fā)生故障，另一水泵自動啟動工作。換向閥自動換向并發(fā)出信號。電源電壓波動水泵跳停，在電源恢復(fù)后，水泵能自動啟動，防止因電壓閃絡(luò)水泵停運(yùn)，造成整流柜封鎖觸發(fā)脈沖事故。

（3）換熱器組為單獨(dú)的不銹鋼板式換熱器，采用不銹鋼雙人字型波紋板式逆流結(jié)構(gòu)，膠墊采用丁睛橡膠一次模具成型，具有很高的密封性、耐用性。2臺換熱器組并聯(lián)安裝，互為工作或備用。可不停機(jī)對其中一臺進(jìn)行清洗或檢修。

（4）由于該公司的離子膜使用的純水水質(zhì)完全滿足整流裝置的使用要求，且供水管道距離整流室較近，由純水工序通過不銹鋼管直接引至純水高位箱，供純水冷卻裝置使用，這樣可以節(jié)約離子交換器投資。

6 極化電源

（1）極化電源共有8臺，型號為KHA-120A/385V，額定輸出功率為46.2 kW，額定輸出電壓為385 V，額定電流為120 A，調(diào)壓范圍為0～385 V。由可控硅整流系統(tǒng)、JHKD-1AP 型數(shù)字觸發(fā)控制箱、保護(hù)系統(tǒng)、操作和指示系統(tǒng)組成。采用全數(shù)字控制電路，開機(jī)可手動控制，又可以DCS 控制和根據(jù)整流柜的輸出電流自動控制，當(dāng)整流柜輸出電流＜2 700 A 時(shí)，自動投入；輸出電流＞2 700 A 時(shí)，自動退出。為了保證在供電中斷時(shí)，極化整流器能立即有備用電源投入，極化電源供電系統(tǒng)采用可靠的雙電源供電，保證不間斷供電。

7 運(yùn)行情況

20萬t/a 離子膜燒堿整流裝置投產(chǎn)后，運(yùn)行的直流電流為13.2 kA，直流電壓約為510 V，變流效率高于97%，穩(wěn)流精度優(yōu)于0.2%，運(yùn)行效果良好，所有數(shù)據(jù)均滿足裝置設(shè)計(jì)要求。整流裝置數(shù)字控制技術(shù)的使用，其技術(shù)性能對裝置的平穩(wěn)可靠運(yùn)行起了決定性作用，大大地提高了控制系統(tǒng)的可靠性，使得離子膜燒堿裝置能耗降低，提高了整流供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，增強(qiáng)了產(chǎn)品競爭力。