電解槽零點電位差短路自切斷裝置的設想及安全改造思路

董志威

(唐山三友氯堿有限責任公司,河北 唐山 063305)

近年來，電解槽零點電位差檢測裝置逐步向著檢測數據更精確、運行數據分析更全面的方向發展，但對于此套電壓檢測系統本身安全性能提升方面的內容卻鮮有提及。那么電解槽的零點電位差檢測系統是否存在著安全隱患呢？又能否在提升裝置本質安全性能方面做出改善呢？下面以唐山三友氯堿有限責任公司(以下簡稱“唐山三友氯堿”)3R-230H為例，對現有零點電位差檢測裝置的基本架構及存在隱患進行分析，并提出改進思路。

1 電解槽零點電位差檢測系統概述

唐山三友氯堿應用的電解槽為日本旭化成設計,此套電解槽零點電位差檢測裝置核心設計思想是為了實時監控電解槽正負兩側對中點的電壓差，從而判斷電解槽內正負兩半段電位分布是否平衡，當出現可能導致電解槽電位分布不均的因素(如破膜、斷流、泄漏等)時能夠及時切斷電解槽電流，避免危險情況的持續，確保設備安全運行。其具體計算方法如下：

正端對中電壓-負端對中電壓=槽零點電位差。

由于其原始信號為直流電壓差，如果想實現遠程監控,并降低信號傳輸安全隱患，原本設計思路是：通過對施加在電解槽上的直流電壓進行傳輸、整定、變送等方式，將其轉換為4～20 mA直流信號，顯示于就地報警盤IP501內的就地直流電流表中，同時將電流信號輸送至DCS接線端子，實現各槽零點電位差的DCS實時監控及趨勢記錄功能。

2 零點電位差檢測裝置的基本配置

零點電位差檢測裝置控制回路如圖1所示，自電解槽頭、中、尾三點引出獨芯電纜，引入就地接線箱3JB-8中，通過端子排轉接引出1根3×6獨芯電纜，將信號傳送至IP501，正、負兩極通過盤柜接線端子處各加裝1個3 A熔斷保險，然后接入可調電阻，通過3EDT-230H將電壓信號轉換為4～20 mA直流信號，分兩路串聯將此信號傳送給現場操作人員實時監控。一路傳送至就地電流指示儀3EDI-230H，配合現場可調電阻進行微調，在負荷穩定時調整電阻阻值，以達到平衡槽內前后半段電壓差的目的；另一路傳送至DCS四線制接線端子，用于DCS實時監控、報警、聯鎖及趨勢記錄，當發生壓差超過±0.5 V的波動時進行報警，超過±1 V時執行單槽聯鎖的斷電停槽。另外，因為電解槽在電流升降過程中，因負荷并不穩定，會造成電解槽電壓差呈現無規律波動，為避免停槽誤動作，還為DCS聯鎖程序設置聯鎖投入/切除硬開關IS8(3EDZA-230H)，用于負荷調整過程中聯鎖的適時切換。

圖1 電解槽零點電位差檢查裝置控制回路

當IS8處于切除狀態的時候正是此篇論文需要探討的重點。

3 零點電位差系統存在的隱患

從此回路中不難看出，對于IP501就地報警盤及DCS接線端子之后的部分，是此系統的關鍵所在，集中了變送器、指示儀、就地指示儀等一系列精密儀表，特別是對于電解槽升降負荷過程中可能出現的過電流情況，通過正負兩極的熔斷器、可調電阻很好地得到保護，使其下游的精密儀表處于一個非常安全的環境之下,如圖2所示。

圖2 電路中精密儀器的保護方案示意圖

但是，對于這一路信號來說，從電解槽頭3JB-8箱內傳輸出來的電纜部分卻恰恰成為了整條回路中的安全短板，存在著容易被忽略的安全隱患。

當引自電解槽正、中、負3點的電壓信號被接至3JB-8中后，僅通過端子排轉接，就將高達kVA級別的電壓信號通過電纜傳送至百米以外的控制室，對于此條電纜來說，如果發生電纜絕緣層老化、破皮等硬件故障，其短路產生的強電流會因為電阻原因在保護電阻上游發生強大的短路電流，而且無法通過控制室端熔斷電阻的熔斷進行制止，從而引發一系列的安全事故。雖然針對此類問題可以通過DCS設置的聯鎖值、報警值進行緊急處理，但是卻有一個無法忽視的特殊時間點——旁路開關IS8處于切除狀態時的情況。

如前文所述，電解槽升降負荷過程中，因負荷并不穩定，會造成電解槽電壓差呈現無規律波動，為避免停槽誤動作，會將IS8置于切除狀態，也就是說，如果在此狀態下發生電纜短路的情況，設備將完全處于失控狀態，無法實現聯鎖程序的實時保護。

4 改造方案對比分析

針對電解槽負荷調整時的聯鎖真空期，可采取的改造方法的核心仍然可以借鑒其原始設計中的架構。

4.1 方案一(增加熔斷電阻)

針對缺乏保護的電纜，首先想到的是采取IP501內的熔斷電阻。在傳輸電纜進入機柜內部后，經過接線端子，在正負兩極各增加一個3 A熔斷電阻，對后續的變送裝置進行保護，如圖3所示。

圖3 增加熔斷電阻的保護措施

該方案不僅簡單易行，而且能夠在電纜出現短路、過電流的過程中準確、迅速地完成電力切斷操作。其弊端是：無法準確、迅速地通知操作人員回路工作狀態，須定期對熔斷電阻進行檢測，確保其在熔斷后及時發現并更換；另一方面，雖然熔斷器能夠切斷回路，但無法實現與DCS端的同步動作，無法實現電解槽的停槽動作。

4.2 方案二(增加帶節點輸出的斷路器)

針對方案一的反饋不及時的問題，可以將問題適當延伸為如何做到電流過大時回路的自動切斷并迅速通知操作人員?？梢赃x用額定電流為3 A或5 A的附帶干接點輸出功能的三聯斷路器取代3JB-8內的接線端子。當斷路器閉合時，通過輔助節點3IZA-230H輸出數字信號1至DCS，證明系統回路暢通。如果發生傳輸線路端短路的情況，斷路器自動斷開，并通過輔助節點輸出數字信號0至DCS，證明回路斷開，以達到隨時監控回路運行情況的目的。完整回路圖如圖4所示，云線部分為新加保護斷路器及其配套輸出信號。

圖4 增加帶節點輸出的斷路器的保護措施

與方案一相比，方案二增加了斷路器、干節點信號來作為現場檢測裝置，既做到了保護，又完成了信息的快速、準確傳輸，實現了現場與DCS操作方面的動作統一。

5 結語

總結以上內容不難發現，電纜作為日常工作中信號的傳輸者，雖然在系統中扮演著至關重要的角色，但往往不能引起足夠的重視。在為回路增加保護裝置的同時，如何提高電纜本身的抗風險能力更是需要思考的問題。在最初的設計中，3JB-8箱內至IP501端子間的傳輸電纜采用的是3×6獨芯電纜，此種電纜雖能滿足使用需求，但如果能夠提高電纜的應用標準，改為3根獨立的1×6獨芯阻燃電纜分開敷設，從很大程度上就能再次提高系統的容錯性，提高安全防護水平，確保系統的長時間穩定、高效運行。