對評估離子膜電解槽電能利用率的若干認識

(廣州市老科技工作者協會，廣東 廣州 510600)

長期以來，對于燒堿電耗的考核一直延用考核直流電單耗的辦法，未將整流設備的效率列入考核內容。為更完整地反映產品電耗狀況，國家計量局、中國儀器儀表學會發布過《關于整流設備的整流效率及其供電對象的電能利用率測算方法》[1]的技術規范。此規范適用于大功率用電的電化學、電冶金等行業。基于整流技術和電解設備的更新換代，當前可控硅整流器取代了不可控(二極管)整流器，離子膜電解槽取代了隔膜電解槽，筆者對電解槽的電能利用現狀及其實際意義進行了簡單地探討。

1 電能利用率及其確定方法

“規范”的定義：

電能利用率=整流效率×電壓效率×電流效率。

對于電解槽而言，電能利用率就是指由電解槽的電壓效率、電流效率及其供電設備效率所構成的綜合電效率。

1.1 整流效率的確定[2]

式中：

輸出直流功率=輸出直流電流×輸出直流電壓；

整流設備總損耗=調壓變損耗+整流變損耗+

整流器損耗+輔助設備損耗。

(1)調壓變壓器(以下簡稱“調壓變”)損耗=

空載損耗(鐵損)+短路損耗(銅損)。

(2)整流變壓器(以下簡稱“整流變”)總損耗=

鐵損+銅損+雜散損耗(渦流、諧波影響)。

調壓變和整流變的損耗在出廠試驗報告和設備銘牌中均有標示。但是，這里所提供的數據均是指輸出電壓和電流均為額定值的鐵損和銅損，而在實際運行過程中，往往輸出電流和電壓都不是額定值，因此，要對其實際損耗值進行修正。

調壓變的損耗修正方法與調壓電路形式有關，可參考《電化學整流設備若干特殊問題》[3]。

整流變的雜散損耗一般取其額定銅損的10%～15%(輸出電流較小時取低值，輸出電流較大時取高值)。

(3)整流損耗的確定。

整流器損耗包括整流元件、快速熔斷器、連接銅排等的損耗。通常情況下，制造廠家一般不提供損耗數據。

由于以上各損耗值與通過電流及其直流總壓降值成正比，可按下式計算：

整流器損耗=直流總壓降×直流電流。

式中：直流總壓降以整流元件壓降為主，且基本不變。三相全控橋晶閘管整流器的總壓降為5～6 V，負荷較高時取6 V。

(4)整流效率的測量驗證[4]。整流效率亦可通過測量的方法加以驗證。

在運行過程中，同時測量其直流功率和交流功率，求出前者與后者的比值，便是運行實際效率(瞬時值)。

直流功率可利用在線的直流計量裝置測出，交流功率可在高壓配電柜的二次回路臨時裝接的功率表測出，操作簡單可行。有的企業雖有交流功率表，但其誤差較大，該表只供顯示用，其準確度為1.5級，測量用的交流功率表的準確度要求在0.5級以上。

1.2 電壓效率的確定[5]161-163

電壓效率=

(表觀分解電壓Et/槽電壓Uc)×100%。

式中：表觀分解電壓通常以標準槽溫90 ℃、陰極液質量分數為32%作參考條件，其值在2.35～2.39 V,本文中取2.37 V。

槽電壓等于表觀分解電壓加上總等效壓降。其簡化計算式為：

Uc=E++K·Ic。

式中：K為電解槽電壓與電流密度比例特性值，0.5 mm膜極距電解槽，K的典型值為0.14 V·m2/kA；Ic為電解槽的電流密度，低電流密度電解槽的Ic為2.0～4.0 kA/m2，高電流密度電解槽的Ic為4～6 kA/m2。

1.3 電流效率的確定[5]159-161

電流效率是指生產單位質量燒堿的理論電荷量占實際電荷量的百分數。

影響電流效率的因素共有8個，其中離子膜的特性和運行時間直接影響電流效率，本文中取其平均值，為95%。

2 電能利用率估算實例

2.1 估算條件

2.1.1 電解槽

復極式離子膜電解槽陽極面積為2.7 m2；高電流密度自然循環電解槽極距為0.5 mm，140臺單元槽串聯。

2.1.2 整流設備

晶閘管(可控硅)整流裝置：額定容量為8 000 kV·A，三相全控橋式接線，額定直流電流為16.5 kA,直流電壓為460 V。整流變(不帶調壓變)額定鐵損為18.5 kW，額定銅損為162.4 kW。估算過程略，估算結果如表1所示。

表1 電能利用率估算結果Table 1 The result of power efficiency estimation

2.2 估算結論

(1)電壓效率為85.2%～74.0%，最高與最低值相差11.2%，與電流密度成反比。

(2)整流效率為96.5%～97.2%，最高與最低值相差0.7%。其最高值出現時，負荷率為66.6%。負荷率增大或減少時，整流效率略有下降。

(3)電能利用率為78.3%～67.8%，最高與最低值相差10.5%，與電解槽電流密度成反比；電解槽電流每增大1 000 A，電能利用率平均降低1.30%。

3 電能利用率對優化運行方式的參考意義

3.1 有利于進一步挖掘設備節電潛力

整流效率反映出整流設備損耗數據和效率水平。通過該次估算，對于已定型的整流設備而言，可發現在哪一種負荷率下運行的效率高。對于新建氯堿項目而言，可結合概率較高的負荷率設計出相應較高效率的整流設備。所例舉實例的最高整流效率為97.2%，所對應的負荷率為66.6%，表明設備經常不在效率最高水平上運行。

3.2 為電解槽電流密度優化提供參考方案

氯堿企業會隨氯堿市場供求情況的變化調整產量。在改變電解槽電流密度時，擁有多個系列電解槽的企業要根據各系列電解槽的槽齡和技術狀況的不同，相應地調整電流密度；對于實行國家峰谷電價政策的企業，在每天不同時段也要調整電解槽的電流密度，所以，改變電解槽電流密度的情況，企業常遇到。在編制運行方案時，如將電能利用率列為必須考慮的因素，在方案擇優中將有更多的對比，并可從電流密度動態管理中收到節電效果。

3.3 驗證直流計量的準確性以提高計量質量

用于直流電能計量的直流大電流傳感器及二次儀表一直沒有納入國家或行業的規范管理范圍內，對其準確度一直沒有限定。

通過整流效率的理論計算和實際測量對比，可以核準其準確度，發現問題及時改進計量質量，以充分發揮儀表的監測作用。

4 結語

電流密度取決于多種綜合因素，電能利用率只是參考因素之一；該估算實例的參數大多取的是典型值，各單位的實際情況千差萬別，應按各自的實際情況估算才有意義。離子膜法燒堿生產已取得了顯著的節電效果，為了進一步挖掘節電潛力，建議從提高電能利用率入手，結合各單位的實際，設計更高效率的整流設備，優化電解槽電流密度，雙管齊下，獲得更多的節電效果。