燒堿整流裝置晶閘管元件的選擇計算

何昱科 ，馬英

(中國成達工程有限公司，四川 成都 610041)

在燒堿生產系統中，電解槽是燒堿裝置的核心工藝設備，而整流裝置為電解槽提供直流電流，是燒堿生產必不可少的電氣設備。其中晶閘管是整流裝置中的核心元件。計算整流裝置的電流、電壓參數并選擇合適的晶閘管元件是燒堿項目設計的重點。

1 工藝的需求和電源狀況

建于赤道附近的印度尼西亞的某燒堿項目，電解槽數為52個,2組串聯；槽電壓為3.5 V；總電壓104×3.5=364(V)。 初期運行電流為18.78 kA(離子膜面積：3.276 m2,電流密度：5.733 kA/m2)；末期運行電流為20 kA。考慮到母線、隔離開關的電壓降，整流器額定輸出電壓在滿槽電壓基礎上增加15 V，即為364+15≈380(V)。考慮到該項目所在地為赤道附近，環境溫度較高，溫差小，整流器額定電流按電解槽末期電流的1.1倍考慮，即20×1.1=22(kA)=22 000 A。

該項目的電源全部來自廠內自備電網，電網容量偏小，所以變壓器及電力系統折算的短路阻抗考慮為12%，電網電壓波動最低為-5%。但因用電負荷跳車導致電壓最大波動可能超過15%。

綜合以上的因素，該項目晶閘管元件的選擇按照電流冗余倍數3倍，電壓冗余倍數3.5倍考慮。

2 晶閘管主要參數的選擇

2.1 計算理想空載電壓[1]716

Udio=Ud+Udx+Udα。

(1)

其中：Udio為理想空載電壓，V；Ud為負載直流電壓，V;Udx為電抗壓降;Udα為相控壓降，V。

Ud=Udn+Udr。

(2)

其中：Udn為額定直流電壓，V；Udr為電阻壓降,V。

2.2 計算相控壓降[1]224-226

2.2.1 計算相控理想空載直流電壓的積分公式

(3)

其中：Udioα為相控理想空載直流電壓，V；s為串聯的換向組數(三相全控整流橋，s取2)；q為換向次數(三相全控整流橋，q取3)；α為相控角，°；E2m為變壓器二次相電壓幅值，V；ω為角頻率，rad/s；t為相角弧度變化的時間，s。

理想空載電壓的積分公式為[1]222：

(4)

將理想空載電壓公式代入理想相控電壓公式，由式(2)、式(3)推導出式(5)：

Udioα=Udio·cosα。

(5)

(6)

圖1 推導公式用的電壓波形圖

2.2.2 計算相控壓降[1]239

因為：

Udα=Udio-Udioα，

(7)

所以：

(8)

(9)

2.3 計算電抗壓降[1]236

2.3.1 電抗壓降的有名值計算式

(10)

其中：γ為整流裝置換向角，；LH為換向電感，H；Id為直流電流，A；XH為換向電抗， Ω。

2.3.2 電抗壓降的標幺值

將換算成標幺值為：

(11)

(12)

2.3.3 根據三相橋式整流電路特性計算

(13)

其中：Idn為直流電流額定值，A。

2.4 計算電阻直流電壓降[1]238

(1)有名值的計算。

(14)

其中:ΣΔPR為總有功損耗，通常主要考慮變壓器的銅損。

(2)變壓器的容量計算。

PT=Udio·Id。

(15)

其中：PT為變壓器的功率，kW。

將式(15)代入式(14)得：

(16)

可近似考慮為變壓器銅損比值，通常取1%。

2.5 進一步換算

將式(7)～式(16)代入式(3)～式(6)得：

+Udio(1-cosα) ，

(17)

燒堿電解槽的負載特性更接近電抗，觸發角α一般控制在12°以內。

根據工藝條件，電解槽額定輸入電壓為380 V，再考慮半導體元件的壓降(5 V)和平波電抗器的壓降(3 V)，算得：

Udn=380+5+3=388(V) ；

2.6 計算變壓器閥側電壓

三相橋式整流輸出電壓平均值公式為：

(18)

其中：U2n為變壓器閥側電壓有效值，V。

(19)

其中：U2為計算變壓器閥側電壓，V。

=423.1×1.732×3.141÷(3×2.449)

=313.3(V)。

實際變壓器閥側額定輸出電壓為315 V，變壓器銘牌注明“33 kV/315 V”。

2.7 考慮系統偏差的計算結果

考慮系統電壓5%的偏差最終計算結果為：

實際變壓器調壓后的最高電壓為331 V，此時變壓器銘牌局部示意圖見圖2，與理論計算一致。

2.8 計算同相逆并聯每臂的平均電流值

因采用同相逆并聯設計，故每一直流輸出回路實際為兩組三相整流橋并聯。

圖2 實際變壓器調壓后的變壓器銘牌局部示意圖

(1)三相橋式整流電路每臂的平均電流值。

(20)

其中：Ibp為整流臂電流平均值，A；Ibp=1/3Idn。(2)采用同相逆并聯設計后每臂平均電流值。

IAT=1/2Idn。

(21)

其中：IAT為整流臂電流平均值，A。

IAT=1/2×(1/3Idn)，則：IAT=1/6Idn，

(22)

IAT=1/6×22 000=3 666.7(A)。

3 選擇晶閘管元件和冗余倍數

3.1 晶閘管元件的選擇

初選KPC-5700-100 mm晶閘管進行校驗，三相橋式整流電路每臂采用兩只晶閘管元件并聯，線路圖如圖3所示。

圖3 三相橋式整流電路每臂采用兩只晶閘管元件的并聯線路圖

3.2 冗余倍數校驗

(1)校驗電流冗余倍數。

(22)

其中：K1為電流冗余倍數；IF為晶閘管的額定電流，A；N為晶閘管數量，只。

IF=5 700 A，N=2只，則：

K1=2×5 700÷3 666.7=3.1。

(2)校驗電壓冗余倍數。

(23)

其中：K2為電壓冗余倍數；UF為晶閘管的額定電壓，V。

UF=1 800 V，則：K2=1 800÷445.5=4.0。

(3)小結。

以上計算結果均滿足整流設計要求的電流冗余倍數3倍、電壓冗余倍數3.5倍的要求。

4 投運后的實際狀況

在安裝投運后，該整流裝置帶電一次性成功，性能考核一次性通過。在實際運行中，不僅能滿足工藝生產的正常需求，而且還能滿足工藝長期超負荷10%工況的生產需要。晶閘管元件的表面溫度經測試均保持在40 ℃左右。在工廠試運期間，多次發生全廠停電事故，該整流裝置均安全停車，未發生安全事故。

5 結語

根據上述計算結果選擇晶閘管元件，并在印尼項目中投用近4年，一直保持非常良好、穩定的運行記錄。該國產整流裝置在海外熱帶赤道地區的成功投用，為今后承接更多類似EPC項目積累了豐富的經驗。為中國制造、中國裝備贏得了良好的國際口碑，也為國家帶來了不錯的經濟效益。