離子膜電解整流裝置相關(guān)參數(shù)的控制及運行維護

劉宏，龐智強，賈培偉

(新疆華泰重化工有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830019)

新疆華泰重化工有限責(zé)任公司(以下簡稱“華泰重化工”)擁有50萬t/a離子膜燒堿規(guī)模，二期30萬t/a離子膜燒堿于2010 年10月建成投產(chǎn)。二期離子膜燒堿生產(chǎn)裝置采用藍(lán)星(北京)化工機械有限公司NBZ-2.7自然循環(huán)膜極距電解槽，單臺生產(chǎn)能力2.5萬t/a,共有150個單元槽，設(shè)計電流14.85 kA，運行電流13.5 kA。

離子膜整流裝置的進線電壓選擇35 kV，選用35 kV整流變壓器，采用“一拖二”并聯(lián)運行方式，由1臺整流變壓器帶2臺整流柜及2臺離子膜電解槽組成。共有16臺膜極距離子膜電解槽。

整流變壓器共8臺，整流變壓器型號為 ZHSFPT-16700 /35，主變兩側(cè)下部出線，所帶負(fù)載為并聯(lián)關(guān)系，主變散熱系統(tǒng)采用強油風(fēng)冷方式。主變調(diào)壓范圍70%～105%，有載開關(guān)選用27級等差調(diào)壓，根據(jù)運行情況可通過整流控制系統(tǒng)升降變壓器擋位，將控制角控制在最佳狀態(tài)，即5°～15°之間，可有效提高整流設(shè)備功率因數(shù)，降低整流設(shè)備的無功損耗。

1 整流變壓器參數(shù)的控制

整流變壓器的油冷卻器采用強油風(fēng)冷卻，分別由3組油泵和3組散熱器帶風(fēng)機組成。

油溫實現(xiàn)DCS實時監(jiān)控，油溫指示控制器為BWY-804型系列溫度指示控制器，其用于測量和控制大型變壓器的油溫，并且附帶有溫度指示儀，可通過遠(yuǎn)傳信號將溫度指示遠(yuǎn)傳至 DCS控制中心，在控制中心計算機界面顯示變壓器油溫，這樣可以做到實時監(jiān)控，對變壓器油溫作出適時調(diào)整。

為確保油風(fēng)冷卻器運行良好，變壓器油溫是通過強制油循環(huán)風(fēng)冷冷卻，每組油冷都有1個強制循環(huán)泵來保證油量循環(huán)。 在夏季高溫天氣時，3組油風(fēng)冷卻器全開時，變壓器油溫高達(dá)65 ℃，因此，在進入高溫天氣時務(wù)必確保油風(fēng)冷卻器3個循環(huán)泵及管件密封處于優(yōu)良的運行狀態(tài)。在冬季，3個循環(huán)泵開2備1，即可滿足冷卻要求。

整流變壓器有載調(diào)壓開關(guān)設(shè)有自動和手動兩種調(diào)壓方式。

(1)自動調(diào)壓方式。整流變壓器有載調(diào)壓開關(guān)與整流器控制角α聯(lián)動調(diào)擋，控制角α設(shè)定范圍為5°～25°。當(dāng)控制角α超出上述范圍后，控制器發(fā)出調(diào)擋請求，自動聯(lián)動有載調(diào)壓開關(guān)進行調(diào)擋。整流變壓器為一機二槽方式運行，1臺整流器控制角α達(dá)到設(shè)定值范圍，控制器發(fā)出調(diào)擋請求，自動聯(lián)動有載調(diào)壓開關(guān)進行調(diào)擋。在實際運行中控制角α低于5°容易造成電流波動，所以只要1臺整流控制系統(tǒng)控制角α低于5°就必須升擋，提高閥側(cè)電壓，增大控制角α，保障電槽設(shè)備電流穩(wěn)定。反之,當(dāng)整流設(shè)備控制角α高于25°時必須是兩臺同時滿足條件，才可以進行降壓動作，原因是兩臺整流設(shè)備α控制角大，不會造成電流波動，不影響設(shè)備穩(wěn)定運行，其中還有升降電流造成的兩臺設(shè)備控制角α不同，電槽新舊程度等原因都會造成相同設(shè)備、相同負(fù)荷但是控制角不同的差別。

(2)手動調(diào)壓方式。當(dāng)控制角α(5°≤α≤25°)超過設(shè)定值范圍上限或下限時，控制器即發(fā)出調(diào)擋請求。操作人員可在上位機或本控機上在手動方式下對整流變壓器有載調(diào)壓開關(guān)擋位進行升/降擋操作。

正常運行狀況下，整流變壓器有載調(diào)壓開關(guān)應(yīng)設(shè)置在“手動方式”調(diào)節(jié)，一般不設(shè)置“自動方式”調(diào)節(jié)。在升/降電流的過程中嚴(yán)禁調(diào)擋；在升電流前或降電流后可根據(jù)整流器α控制角的范圍進行擋位的調(diào)節(jié)，以避免擋位調(diào)節(jié)過程中電流有過大的波動，影響電解槽正常工作。

整流變壓器瓷瓶安裝在35 kV進線端， 因此其日常維護非常重要。整流變壓器瓷瓶須定期清灰、清理油污，保持清潔。瓷瓶處的進線電纜應(yīng)做好絕緣保護，防止瓷瓶處與銅排尖端放電、拉弧產(chǎn)生大電流而引起電纜發(fā)熱，導(dǎo)致相間或?qū)Φ亟^緣擊穿，造成保護動作跳閘；并要嚴(yán)格控制電網(wǎng)諧波，防止運行中產(chǎn)生過電壓、涌流而發(fā)生事故。

2012年11月19日16:30，3#整流變壓器35 kV側(cè)A相電纜頭接地，急停5#、6#離子膜電解槽。35 kV母線發(fā)生單相接地報警后，現(xiàn)場人員巡檢發(fā)現(xiàn)3#整流變壓器35 kV側(cè)A相電纜冒煙，電氣人員立即啟動緊急停車停電應(yīng)急預(yù)案，急停5#、6#離子膜電解槽后，斷開3#整流變壓器35 kV側(cè)電源，并做好停電、驗電、掛接地線工作。在重新制作35 kV單芯電纜頭，進行電纜耐壓試驗后，送電恢復(fù)生產(chǎn)。

造成該次事故的原因如下。

(1)瓷瓶固定的導(dǎo)電桿與電纜連接處發(fā)熱，引起電纜發(fā)熱而破壞絕緣，造成35 kV母線發(fā)生單相接地報警。

(2)電纜頭安裝時天氣寒冷，電纜頭制作不嚴(yán)格，有絕緣損傷，當(dāng)通過大電流時，因發(fā)熱，絕緣繼續(xù)降低，直到被擊穿而對地短路。

(3)電網(wǎng)諧波過電壓、涌流對電力設(shè)備、電纜的絕緣薄弱部分更容易造成絕緣破壞。

(4)電纜終端處灰塵引起放電。

總之，整流變壓器在日常維護中，瓷瓶和電纜頭的清掃工作、電網(wǎng)諧波的控制對絕緣保護都很重要，可減少停電事故。

整流變壓器每年須更換1次有載開關(guān)內(nèi)的變壓器油，做1次變壓器油色譜分析， 每3 年進行1次有載調(diào)壓開關(guān)抽芯檢查[1]。

2 整流柜的運行和參數(shù)控制

整流柜共有16 臺，輸出電壓為530 V，電流為16 200 A，冷卻方式為純水冷卻，連接方式為交流后下進線、 直流側(cè)上出線。每個整流柜由2組三相全控橋整流電路構(gòu)成同相逆并聯(lián)連接，單機組6脈波整流。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)，采用數(shù)字雙通道熱備用控制器，實時監(jiān)測工作通道和備用通道是否工作正常。

如果工作通道發(fā)生故障，自動將備用通道切換為工作通道，并指示出故障通道。 整流柜運行時易出現(xiàn)橋臂過熱、純水冷卻裝置冷卻水管路超溫及滲漏水等故障。

整流柜橋臂過熱檢測溫度為65 ℃ ，運行中出現(xiàn)橋臂過熱報警時要針對實際情況進行處理。

(1)由于多臺整流柜共用 1 套純水冷卻裝置，柜內(nèi)冷卻支路較多， 每次檢修冷卻水路后， 大量空氣滯留在個別橋臂或水套冷卻支路內(nèi)，一旦進入管路內(nèi)，就會造成水流不暢。當(dāng)橋臂溫度超過65 ℃ 時，就會出現(xiàn)橋臂過熱報警。

處理辦法：適當(dāng)開大整流柜的進水閥門，增加整流柜的水流量及水壓，使堵塞的氣泡循環(huán)至純水冷卻裝置的水氣分離器后排出，正常后把該進水閥門的開度還原。

(2)長期運行中的整流柜出現(xiàn)橋臂過熱報警，多為電腐蝕或雜質(zhì)堵塞冷卻水路造成的。

處理辦法：根據(jù)報警指示和采用手持式紅外線溫度儀確定堵塞部位后，停運整流設(shè)備，并進行疏通。

(3)在夏季，當(dāng)整流柜運行環(huán)境的氣溫較高且濕度較大時，如果冷卻水溫度低于結(jié)露溫度， 水蒸氣將在水套表面凝成水珠，使絕緣體表面的絕緣強度降低，導(dǎo)致橋臂上安裝的溫度繼電器誤動作而發(fā)出報警。

處理辦法：當(dāng)整流柜橋臂、水套凝結(jié)大量水珠造成誤報警時，立即關(guān)閉純水冷卻裝置的循環(huán)水控制閥門，使整流柜冷卻水回水溫度升高至38 ℃左右；待凝結(jié)的水珠蒸發(fā)后，再將整流柜回水溫度調(diào)整至合適溫度。

整流柜回水溫度超過 45 ℃報警(回水溫度冬季一般控制在 20～25 ℃，夏季控制在38 ℃左右)。在巡檢時，一旦發(fā)現(xiàn)冷卻水回水溫度超過38 ℃，就須立即調(diào)整純水冷卻裝置的循環(huán)水控制閥門，將冷卻水降至合適溫度。

注意：調(diào)節(jié)時不要忽大忽小，要緩慢平穩(wěn)，以免影響冷卻水壓力；要注意循環(huán)水的壓力不要太大，以免循環(huán)水滲漏到主水(整流柜冷卻用純水稱為主水)內(nèi)，引起副水(冷卻純水的循環(huán)水稱為副水)壓力大于主水壓力，水質(zhì)下降。

整流柜冷卻水壓力要求整流柜冷卻水水壓低于0.06 MPa時，先發(fā)出報警信號。

如果在設(shè)定的60 s內(nèi)沒能消除故障，則整流裝置雙通道計算機控制柜封鎖觸發(fā)脈沖，使整流柜直流輸出降到零，以保證晶閘管元件不會過溫?fù)p壞。

冷卻水壓力應(yīng)控制在0.15 MPa左右。 在巡檢過程中，一旦發(fā)現(xiàn)壓力有波動，應(yīng)及時查找原因，消除故障；管路有滲漏時，應(yīng)及時修復(fù)； 有影響冷卻水壓力的作業(yè)活動時，應(yīng)采取適當(dāng)措施，防止因壓力降低而引起保護封鎖觸發(fā)脈沖，甚至跳閘停車。

3 整流裝置直流電流的控制[2]

(1)整流裝置的軟啟時間設(shè)置及輸出電流設(shè)置：輸出電流參數(shù)按工藝要求設(shè)置，要求每分鐘運行500 A 電流。現(xiàn)設(shè)置輸出運行電流為12 000 A ，需升/降500 A。點按輸出電流設(shè)置對話框，寫入電流升/降累加或累減值為12 500 A 或11 500 A。寫入電流值后按確定鍵，輸出電流返回值與設(shè)定值相符時，參數(shù)設(shè)置成功。

(2)自動運行方式下，操作人員可以修改“輸出電流設(shè)置”參數(shù)，可以根據(jù)“輸出電流返回”值判斷參數(shù)是否設(shè)置成功。

(3)自動運行方式下，操作人員可以修改“軟啟動時間設(shè)置”參數(shù)，可以根據(jù)“軟啟動時間返回”值判斷參數(shù)是否設(shè)置成功。“軟啟動時間”是指輸出電流從 0 上升到額定直流輸出電流所花費的時間，此參數(shù)決定了電流上升的速率。手動運行方式下，操作人員可以修改“控制角設(shè)置”參數(shù)，可以根據(jù)“控制角返回”值判斷參數(shù)是否設(shè)置成功，設(shè)備調(diào)試時使用此方式。

(4)直流輸出電流達(dá)到設(shè)定值后，可以通過增、減按鈕操作改變輸出電流。增減輸出操作在本質(zhì)上直接改變的是調(diào)節(jié)器的給定值，可在上位機上進行。

4 整流控制柜的運行和控制

整流控制柜共有16臺，采用雙通道計算機控制PLC監(jiān)視系統(tǒng)，由雙通道全數(shù)字調(diào)節(jié)觸發(fā)控制系統(tǒng)、觸摸屏及計算機網(wǎng)絡(luò)通信接口組成。

(1)出現(xiàn)報警信號的處理方法。當(dāng)出現(xiàn)報警信號時，要立即解除報警音響，并根據(jù)報警故障指示，迅速查找原因；消除故障后，再按“故障復(fù)位”按鈕。

(2)在正常運行過程中，A、B通道不能切換，停機時應(yīng)及時檢修，確保互為備用。

(3)“電源缺相”故障處理。同步電源取至整流變閥側(cè)母排，經(jīng)同步變壓器變壓后送至觸發(fā)控制板。出現(xiàn)“電源缺相”報警時，要檢查整流變投運情況，檢查同步變壓器二次側(cè)AT、BT、 CT 相電壓12 V時的運行情況；如不正常，要更換同步變壓器。

(4)給定電流不能升降的情況。可能是操作器與控制器通信故障，或是雙通道熱備用控制器故障。

5 純水裝置的日常維護

在整流柜日常運行過程中，由于電流的熱效應(yīng)會產(chǎn)生熱量，須對晶閘管等設(shè)備降溫，確保變流元件正常運行。

(1)在循環(huán)過程中，在各種因素的影響下，水質(zhì)不斷下降，為此須設(shè)置離子交換器進行水質(zhì)凈化，維持純水水質(zhì)。在日常維護過程中，須定期進行水質(zhì)化驗，以便及時處理水質(zhì)變差的高純水。

(2)由于橋臂母排及水套水閥內(nèi)徑較小，為防止長期運行中產(chǎn)生的電腐蝕堵塞冷卻管路，整流柜冷卻水水質(zhì)要求為：懸浮物質(zhì)量濃度不超過30 mg/L， pH 值為6～9， 硬度(以氧化鈣濃度計)不超過4.28 mmol/L，進口壓力不低于0.15 MPa，進水溫度為5～30 ℃，電阻率大于1 MΩ·cm。在運行期間，如果水質(zhì)不合格，須對整流柜的純水冷卻水進行置換(平均每兩個月置換 1 次)。每次在設(shè)備停運檢修時，須徹底排空冷卻管路內(nèi)的純水后，再注入合格的純水以確保冷卻水水質(zhì)合格。

(3)泵采用雙泵組合設(shè)計，兩泵互為備用，可根據(jù)水壓自動切換電路。如果工作泵發(fā)生故障，備用泵就會自動啟動工作，泵切換時間不大于0.5 s。換向閥自動換向并發(fā)出信號，可不停機對故障泵進行檢修。

(4)設(shè)計中采用自動切換電路和自動單流的指揮閥門，工作泵萬一發(fā)生故障，工作電路立即轉(zhuǎn)換，備用泵同時投入運行，單流閥自動換向，無需操作閥門，水壓就可以瞬間恢復(fù)，且不停機對故障泵進行檢修，保障了純水裝置工作的連續(xù)可靠性。

(5)在實際生產(chǎn)中，啟動備用泵的條件為純水壓力低，無論工作泵狀態(tài)如何，都啟動備用泵。應(yīng)該注意的是，工作泵和備用泵的電源應(yīng)為兩路不同的電源。

6 直流大電流測量儀的運行

電流傳感器采用16臺DC-CT霍爾直測式直流大電流傳感器，每臺整流單元配1套，最大測量電流為20 kA，輸出DC 4～20 mA、0～5 V信號，現(xiàn)場就地安裝無干擾，安裝方便，系統(tǒng)精確度為0.1%。傳感器具有正反測功能并帶有逆電流報警門限，完成電流測量、報警，可以輸出多種信號，提供RS-485 總線接口，方便連接計算機。電流測量儀故障造成整流柜輸出直流電流波動，可能導(dǎo)致整流柜實際輸出電流升高或降低而電流儀表顯示正常。

原因分析：大電流直流測量儀電路板上精密電位器電阻使輸出的控制信號(0～5 V)比實際值發(fā)生漂移(降低或升高)，正常時系統(tǒng)在自動穩(wěn)流狀態(tài)下工作。 直流反饋信號(假信號)達(dá)到給定值，觸發(fā)控制器CPU調(diào)節(jié)運算，對換相角α進行調(diào)節(jié)。

處理方法：安裝備用的大電流測量儀，拆下來的測量儀回廠進行維修校驗。對直流大電流測量儀附件箱作密封處理， 防止受到環(huán)境腐蝕而損壞。在運行過程中，當(dāng)發(fā)現(xiàn)不明原因的直流電流升高或降低時，應(yīng)重點檢查直流大電流測量儀。

7 極化柜的運行

正常開車時，在直流電流達(dá)到3.0 kA后，自動切出極化柜；當(dāng)停車和緊急停車時，直流電流降至2.7 kA后，立刻投入極化柜。為了保證在供電中斷時極化柜能立即有備用電源投入，利用另一路的10 kV保安供電電源，形成了可靠的雙電源線路，以保證供電不間斷。華泰重化工共有16臺極化柜，極化柜由整流主回路、控制穩(wěn)流電路、繼電保護電路、電流檢測及操作界面顯示，也可以采用PLC和DCS組成。開機可手動控制、自動控制。額定輸出電壓為 500 V，額定電流為120 A。

如果是極化給定電流超過整定值，復(fù)位即可；如果是晶閘管觸發(fā)控制板故障，一般多為電源變壓器燒壞。

由于極化電源觸發(fā)控制板RUN端子為外部封鎖脈沖/軟啟動控制端，當(dāng)該端子與 GND端子短接時，解除脈沖封鎖，開始正常工作；當(dāng)直流輸出降到零時，RUN端子懸空時觸發(fā)脈沖被封鎖，與GND控制線經(jīng)中間繼電器KA1常開觸點輸出。由于該控制信號為弱電信號，繼電器KA1為普通式繼電器，一旦觸點接觸不良，就會造成RUN與 GND信號時有時無，引起觸發(fā)信號不正常，造成極化電源無輸出或電流不穩(wěn)。將繼電器 KA1改為封閉式小型繼電器，沒有再出現(xiàn)類似故障。

(1)檢查電源電壓是否正常。

(2)檢查輸出脈沖電壓發(fā)光二極管VL3～VL8指示，如有不亮，則可能是控制板到可控硅的脈沖線開路或脈沖輸出回路故障而導(dǎo)致無脈沖輸出。

(3)檢查可控硅的導(dǎo)通性能，不好則更換。

8 整流系統(tǒng)的優(yōu)化運行

(1)在整流系統(tǒng)運行過程中，盡量調(diào)整整流柜相控角，使共用1臺整流變的2臺整流柜的相控角盡量一致，這樣可使整流變在低一擋位運行。

(2)整流柜在低相控角下運行可以節(jié)電。比較運行數(shù)據(jù)，微小的變化對于優(yōu)化運行和節(jié)能降耗的影響都是非常可觀的。所以，通過調(diào)整1#～16#整流柜的相控角控制范圍，由原來的5°～25°調(diào)整為5°～15°運行，整流變壓器的整流效率上升，基本達(dá)到了97.5%以上。

9 結(jié)語

氯堿生產(chǎn)中要確保整流設(shè)備的安全運行，提高操作運行水平，嚴(yán)格控制工藝指標(biāo)，保證巡回檢查的質(zhì)量，提前做好對事故的防范工作；同時，還要做好事故預(yù)案，從而防止事故擴大，避免次生事故，保證安全生產(chǎn),提高經(jīng)濟效益。