電解槽零點電位差的重要性及參數選定

田 娜，郭 永，孫昌穩

（唐山三友氯堿有限責任公司，河北 唐山063305）

電解槽是離子膜法生產燒堿的核心設備[1]，在工藝生產過程中， 準確檢測電解槽運行是否正常尤為重要。現工藝在電解槽設置有零點電位差檢測裝置，零點電位差作為電解槽的監測裝置， 可快速判斷出電解槽在運行時的異常情況，并設有高高、低低聯鎖調停電解槽程序， 可在發現異常情況下直接切停整流裝置，避免發生生產事故，降低經濟損失。 零點電壓差裝置對安全生產有重要的意義。

1 電解槽零點電位差的重要性

離子膜法燒堿電解工序電解反應是連續進行的，進槽鹽水流量、循環堿液流量不正常等都會對電解槽離子膜帶來損傷， 影響離子膜的使用壽命，嚴重時會導致氫氣、氯氣泄漏，引起爆炸。 在電解過程中，每個單元槽槽電壓大約是3 V，以每臺電解槽有120 個單元槽為例，電解槽總電壓為360 V，上半區、下半區均為180 V，電解槽中點電壓理論上應該為零。 一旦電解槽上半區或是下半區出現問題，無論是發生斷路還是短路情況，電解槽中點電壓都會隨之發生很大的變化，破壞中點電壓的平衡，導致出現電位差， 電位差值超過允許的設置值時，DCS就會發出停車信號，聯鎖整流器封鎖脈沖進行停電保護。 零點電位差的聯鎖保護作為重要有效的防護措施[2]，其重要性顯而易見。

在電解工序中，每臺電解槽都安裝有獨立的零點電位差，并且電位差聯鎖是為正常運行的電解槽而設定的，反映的是電解槽在運行時突然變化的電位差，電解槽每次開停車過程中其電位差也會有變化，所以零點電位差每次開車都必須調整。 在正常生產過程中，零點電位差的信號以4～20 mA 的形式輸送至DCS，在DCS 程序控制中，設有高高、低低聯鎖，直接將停車信號發送整流器或整流變，實施聯鎖停對應的電解槽。 選用高質量、高精度的零點電位差對整個電解工序意義重大。

電解槽電位差作為檢測電解槽的重要設備，一旦電位差發生變化，一定要高度重視，及時處理。 單元槽陽極液進槽軟管堵塞、單元槽膜漏、單元槽漏等設備損壞情況都會導致電位差發生變化2， 如果電位差故障， 不能及時反應出生產中的異常狀態，很有可能會造成離子膜損壞，因此零點電位差長期處于良好的運行狀態尤為重要。

2 電解槽零點電位差測量原理

2.1 電解槽零點電位差測量原理

零點電位差是利用電解槽本體與兩個外接電阻共同組成一個電橋，把電解槽從中間分開，取出電解槽中點電位，再與兩個外接電阻中點電位相比較，得到的差值就是這個電位差。 由于每個單元槽的特性不完全相同，所以從電解槽取得的中點電位只是物理上的中點，不是電壓中點，為了解決這一問題，讓電橋保持平衡，就在兩個外接電阻之間設立了可調電阻，在系統開車前期通過調節可調電阻將電位差調到0 點，穩定后投入聯鎖，電解槽零點電位差測量原理示意圖見圖1。

圖1 電解槽零點電位差測量原理示意圖

2.2 電解槽零點電位差可調電阻及外接電阻規格的選定

圖1 中：R1、R2為零點電位差外接電阻， 且R1=R2，一般為kΩ 級（M5VS 變送器配套提供為10 kΩ）。

VR 為零點電位差可調電阻， 在電解槽開車階段，未投入聯鎖前，通過調節此電阻將電位差調為零，一般為kΩ 級（M5VS 變送器配套提供為5 kΩ）。

R 為電位差變送器的輸入內阻， 常用M5VS 變送器（此為超小型端子盤形信號變送器，可將直流信號轉換成標準過程信號）此內阻為1 MΩ。

隨著電解槽電解能力不同， 槽電壓也不同，一般為直流幾百伏（以UC=600 V 為例）。

按R1=R2=10 kΩ、VR=5 kΩ 計算

回路電阻：RH=R1+R2+VR=25 kΩ

回路電流：I0≈UC/RH=24 mA

電阻R1、R2功率約為5.76 W， 電阻處于發熱較大的狀態，電阻端子易出現老化現象，長期運行還會改變電阻的性質，甚至可能出現短路造成故障引起聯鎖停車。

按照此參數值選擇電阻還會造成電位器 （即可調電阻VR）分壓較大。 電位器轉動很小的角度時輸出就有較大的變化，不易調零，延長了開車調試時間。

綜合以上的分析結果， 為了降低電阻的發熱量， 需適當增大零點電位差回路電阻RH 阻值；為了提高調節精度，又需適當減小零點電位差電位器的阻值，即增大外接R1、R2的阻值，減小VR 阻值。電阻R1、R2選40 kΩ、10W，可調電阻選2kΩ、1 W。

回路電阻：RH=R1+R2+VR=82 kΩ

回路電流：I0≈UC/RH=7.3 mA

電阻R1、R2功率約為2.14 W，工作狀態良好。

通過查閱M5VS 變送器的規格書， 確定輸入內阻R 為1 MΩ，精度±0.1%，輸入量程為直流-2.5～+2.5 V，輸出為4～20 mA。 可得變送器最大輸入電流I2=2.5 μA，經過計算，新選定的電阻值對測量的最大影響為0.3‰，滿足測量精度要求。

3 結語

零點電位差是靠連接與電槽的一個電橋來實現檢測的，開車時要通過可調電阻將壓差調到0 點，這是因為每個單元槽的特性不會一致， 上下半區的電壓也不會相同，初始壓差也不會為0，但這并不表示電解槽有故障， 按照常規操作將電位差調0 即可。 另外，槽溫變化、陰陽極液濃度變化、流量變化都會造成電解槽電阻變化，要將零點電位差聯鎖解除，正常之后重新投用。

電解槽電位差在投入聯鎖前調0 過程中，由于中間環節很多， 加上電解槽總電壓最高可達500 V以上，因此用簡單信號發生器無法模擬現場的實際工況，而且由于最終測量的電壓變化范圍只有-2.5～2.5 V，因此有必要用專用的信號發生器對工況進行模擬。 目前行業內無專用校驗儀對電解槽零點電位差進行校驗，在零點電位差出現誤差、異常波動等現象時故障點查找困難，此問題可作為日后研究的方向，研制一種零點電位差專用的校驗裝置，便于迅速準確查找故障點， 保證零點電位差處于良好狀態。