整流裝置主電量典型值的分析計(jì)算

廖秀華

（廣州化工設(shè)計(jì)院，廣東廣州510655）

整流裝置主電量典型值的分析計(jì)算

廖秀華

（廣州化工設(shè)計(jì)院，廣東廣州510655）

以10萬t/a離子膜燒堿規(guī)模為例，從確定電解槽的單元數(shù)開始，對(duì)整流裝置各主電量進(jìn)行逐項(xiàng)典型值計(jì)算和分析，闡明整流與工藝協(xié)調(diào)一致的工程算法，得出以2.5萬t/a燒堿為單位的主電量典型值。

燒堿；整流；主電量；典型值

在燒堿項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，整流裝置主電量的計(jì)算都是以電解工藝所提供的電解槽系列的直流電流和直流電壓為依據(jù)的，即使燒堿規(guī)模相同，電槽系列的單元數(shù)和整流主電量也相差不少。究其原因，除了基礎(chǔ)條件不相同外，是由于計(jì)算方法不一樣所造成的。本文以10萬t/a離子膜燒堿規(guī)模為例，從整流到電解系統(tǒng)的角度探討整流裝置主電量的工程算法，并按設(shè)定的計(jì)算條件算出其典型值。

1 主電量計(jì)算條件的確定

1.1 電解槽系列

共分4個(gè)電解系列，每個(gè)系列燒堿規(guī)模2.5萬t/a，燒堿總規(guī)模10萬t/a。采用ZMBC（H）-2.7型國產(chǎn)復(fù)極式離子膜電解槽，高電流密度，自然循環(huán)方式。槽的陽極面積為2.7m2，設(shè)計(jì)電流密度為4.5～5.5 kA/m2；最大負(fù)荷電流為15 kA；單槽電壓為3.08～3.10 V；電流效率為93%～96%。

1.2 整流供電系統(tǒng)

采用1套機(jī)組帶2個(gè)系列電槽的“一拖二”配置方式，每套機(jī)組2臺(tái)整流裝置，12脈波整流。2套機(jī)組在35 kV母線上形成等效24脈波整流。有2種移相方案，其一是在整流變壓器網(wǎng)側(cè)延邊三角形移相接線，如圖1（a）；其二是同機(jī)組的2臺(tái)整流變壓器網(wǎng)側(cè)一角接，一星接，2臺(tái)調(diào)壓變壓器分別移相+7.50和-7.50，如圖1（b）。

1.3 電解槽單元數(shù)的確定

目前國內(nèi)氯堿廠采用上述電解槽的系列年產(chǎn)規(guī)模大致有1.00萬t、1.25萬t、1.50萬t、1.75萬t、2.00萬t和2.50萬t，換算成以萬t/a為單位，系列的槽單元數(shù)最多為88個(gè)，最少為68個(gè)，以68單元者居多，應(yīng)該說是代表性的單元數(shù)。多于68單元者，有預(yù)留備用單元，年生產(chǎn)時(shí)間較少。

關(guān)于單元數(shù)，其計(jì)算公式為：

式中：W—每小時(shí)燒堿產(chǎn)量，t/h，以生產(chǎn)時(shí)間為8 400 h計(jì)，對(duì)于2.5萬t/a的規(guī)模而言，W=2.974 t/h；

Id—電槽運(yùn)行電流，取電流密度4.67 kA/m2，Id= 12.5 kA；

ηDL—電槽的電流效率，取95%。

將有關(guān)數(shù)據(jù)代入N的計(jì)算式，得出N=168單元，接近統(tǒng)計(jì)數(shù)字68單元/萬t×2.5萬t≈170（單元）。

可見，如果生產(chǎn)時(shí)間為8 400 h，平均開動(dòng)電流12.5 kA，平均電流效率為95%，2.5萬t/a電解系列的典型單元數(shù)為168臺(tái)。倘若有關(guān)參數(shù)不符，則應(yīng)對(duì)值作相應(yīng)修正。

1.4 電解系列額定直流電壓值的確定

直流電壓是單元槽壓之和，單元槽壓確定后，可計(jì)算出直流電壓值。有關(guān)資料顯示，與系列的單元槽數(shù)一樣，單元槽設(shè)計(jì)電壓也存在高低不一的情況，以相同的電流密度計(jì)，最低槽電壓為3.59 V，最高槽電壓為4.11 V，以3.80～3.90 V居多。

關(guān)于單元槽壓確定的方法，設(shè)計(jì)權(quán)威人士推薦的計(jì)算式為：

式中：N—電槽系列單元總數(shù)；

u0—槽電壓初值，通常稱極化電壓（本計(jì)算定為2.4 V）；

kt—電槽電壓降，隨電流密度變化的梯度，分初期值和終期值，有關(guān)資料介紹，初期值為0.14V·m2/kA，終期值為0.16 V·m2/kA；

k·j—電槽回路母排壓降隨電流密度變化的值，對(duì)于復(fù)極槽來說，沒有槽間聯(lián)排，該項(xiàng)不在槽壓之列。其正負(fù)端進(jìn)出線排的壓降，在空載電壓的直流母排壓降中考慮便可。

初期槽壓按4.5 kA/m2、4.63 kA/m2和5.56 kA/m23種電流密度計(jì)算，得出：

從以上的槽壓值可見，主電量計(jì)算條件中的槽電壓是指初期電壓，到了終期，在最高電流密度下，槽電壓的理論值約為3.3 V。當(dāng)然，這些只是理論值而已，實(shí)際還有槽溫、槽內(nèi)阻變化，鹽水質(zhì)量等有關(guān)因素。因此，有的電槽供應(yīng)商提出將電壓降梯度加大0.05 V的觀點(diǎn)，按此梯度，電槽在最高電流密度下，其槽壓為Uc（5.56）=2.4+（0.16+0.05）×4.63=3.56（V），這就是電解工藝供電條件中較常出現(xiàn)的電壓，但這不宜定為槽壓的典型值。因?yàn)榈搅穗姴劢K期，在最高電流密度下運(yùn)行已不經(jīng)濟(jì)，不再為普遍單位采用，作為典型值，還是按設(shè)計(jì)的電流密度范圍，取4.63 kA/m2來計(jì)算為宜，此時(shí)槽壓為Uc（4.63）=2.4+（0.16+0.05）× 4.63=3.37（V），取3.4 V為槽壓典型值。如果超過3.4 V，便已經(jīng)與金屬陽極電解槽的槽壓相近了，這就失去了離子膜法電解的節(jié)電意義。根據(jù)日本旭化成公司提供的資料顯示，在電流密度不變的前提下，離子膜末期用電功率為初期的1.32倍，單槽電壓3.81 V，已超出正常運(yùn)行范圍。

以3.4 V定作槽電壓典型值，計(jì)算出直流電壓= 168×3.4≈572（V）。

1.5 額定直流電流值的確定

電解槽屬于Ⅰ類負(fù)荷，不會(huì)過負(fù)荷運(yùn)行，故將其設(shè)計(jì)的最大電流值確定為整流裝置的額定電流值便可，即IdN=15 kA。至于電流儲(chǔ)備系數(shù)、一般取2.5～3.5，由用戶與廠家商定。

2 整流設(shè)備的主電量計(jì)算

下面以IdN=15 kA、UdN=572 V，計(jì)算2.5萬t/a燒堿整流設(shè)備的主電量。

（1）整流變壓器理想空載直流電壓依下式計(jì)算

式中：UdN—整流設(shè)備額定直流電壓，取572 V；

（9）確定自耦調(diào)變調(diào)壓范圍。首先應(yīng)指出的是，晶閘管整流裝置中的有載調(diào)壓有別于二極管整流的有載調(diào)壓，不是以電槽的零電流起動(dòng)為目的，而是為了運(yùn)行中保持晶閘管適度的控制角，以利于自然功率因數(shù)和諧波狀況的改善。因此，裝置調(diào)壓范圍上下限值的設(shè)計(jì)是根據(jù)電網(wǎng)電壓偏移值和電槽運(yùn)行電壓最大值和最小值以及控制角的大小來確定的。

國家電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定“35 kV及以上供電電壓正負(fù)偏差的絕對(duì)值之和不超過額定值的10%”。根據(jù)目前國內(nèi)35 kV電網(wǎng)實(shí)際電壓偏高的情況，本計(jì)算假定電壓偏差值為＋10%和－5%。

電槽運(yùn)行中可能出現(xiàn)的最高電壓就是前述的額定電壓，最低電壓可能發(fā)生在電密下限運(yùn)行（4.5 kA/m2），同時(shí)退出若干單元槽，現(xiàn)假定8個(gè)單元槽。當(dāng)電網(wǎng)電壓正偏差時(shí)，控制角不超過20°。

將以上各假定值代入空載電壓計(jì)算式，求出空載電壓最小值Udio（min）=510（V），為補(bǔ)償電網(wǎng)電壓的負(fù)偏差、將調(diào)壓器輸出電壓升高5%，因此，

為安全起見，開關(guān)上下限端宜留1級(jí)空余檔位。因此，應(yīng)采用14級(jí)的調(diào)壓級(jí)數(shù)，選擇標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品MⅢ500△型，35 kV、500A，16個(gè)工作位置的有載分接開關(guān)便可。

（11）計(jì)算調(diào)壓整流變壓器組的型式容量。采用自耦調(diào)壓變壓器，整流變壓器容量分離算法。

方案Ⅰ自耦變調(diào)壓，整流變網(wǎng)側(cè)延邊三角移相的變壓器組的計(jì)算容量。

整流變壓器計(jì)算容量應(yīng)為整流變壓器額定容量加上因移相而增加的繞組容量△PL（C），查表得出延邊三角移相7.5°時(shí)，增加容量相對(duì)值為0.013 5，因此，Sjx（2）=PL（N）+△PL（C）=1.013 5PLN=1.013 5×10 300= 10 439（kVA）。

調(diào)壓整流變壓器組計(jì)算容量S∑（jx）=Sjx（T）+2×Sjx（Z）

方案Ⅱ自耦變調(diào)壓曲折接線移相，整流變壓器組型式容量。

自耦變壓器計(jì)算容量

式中，前段為基本繞組計(jì)算容量和因升壓而增加的容量，后段則為移相繞組的計(jì)算容量，將已知數(shù)代入后，Sjs（T）=IL·UL[1.05·sin（60°-7.5°）+sin7.5°]=1.11×計(jì)算過程中包括調(diào)壓和移相在內(nèi)的繞組容量系數(shù)，取其1/2即為計(jì)算容量。

本文整流變壓器沒有移相繞組，其計(jì)算容量等于額定容量Sjx（Z）=PL（N）=10 300（kVA）

調(diào)壓移相整流變壓器組的計(jì)算容量

比較方案Ⅰ和方案Ⅱ的容量可見，前者較后者小了349 kVA，這是移相方法不同所致。方案Ⅰ是整流延邊三角移相，方案Ⅱ是自耦變曲折移相，方案Ⅰ的容量增加相對(duì)值較方案Ⅱ的小。兩方案自耦調(diào)變因升壓5%所增加的容量是相等的。

以上是對(duì)三相橋式整流聯(lián)結(jié)的調(diào)壓整流變壓器的容量計(jì)算，如果是正反星形帶平衡電抗器電聯(lián)結(jié)的調(diào)壓整流變壓器的型式，其容量計(jì)算較之復(fù)雜，因其閥側(cè)容量與網(wǎng)側(cè)容量不相等，加之對(duì)平衡電抗器和自耦調(diào)變的容量有各自的算法，因此，不同廠家得出來的容量值相差不小。鑒于型式容量是詢價(jià)的依據(jù)及其算法的不一致，對(duì)變壓器的性價(jià)比難于科學(xué)評(píng)估。倘若碰到這種情況，推薦關(guān)于“變壓器換算容量”的經(jīng)驗(yàn)公式參考。

換算容量的理論來自2種調(diào)壓方式的方案比較，為將一次側(cè)抽頭調(diào)壓的單級(jí)整流變壓器方案與自耦調(diào)壓變壓器加固定變比的整流變壓器組進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比較，在相同的調(diào)壓深度和通過容量下，從金屬材料消耗、電能損耗和外形尺寸等方面考慮，可以采用變壓器換算的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行量化對(duì)比。

表1是2種調(diào)壓方案在典型的調(diào)壓深度下，變壓器的換算容量與直流最大輸出功率（對(duì)應(yīng)于最高直流輸出電壓和額定電流）之間的關(guān)系。運(yùn)用此關(guān)系，可以判別在經(jīng)濟(jì)上比較有利的調(diào)壓方式所對(duì)應(yīng)的調(diào)壓范圍，也可以在通過容量和調(diào)壓方式相同的情況下，對(duì)2種電聯(lián)結(jié)的整流變壓器耗材、耗電等進(jìn)行對(duì)比，還可以在計(jì)算出三相橋式聯(lián)結(jié)的整流變壓器組總的型式容量之后，估算出正反星形帶平衡電抗器聯(lián)結(jié)的整流變壓器組總的型式容量。

表1 整流變壓器換算容量與調(diào)壓范圍的關(guān)系

本計(jì)算假定額定輸出位置Ud0開關(guān)在#10檔，#11～#15檔為補(bǔ)償電網(wǎng)電壓-5%的升壓檔位。

d.求換相角μcos（α+μ）=cosα-（1-cosμ0）

cos（20°+μ）=cos20°-0.072=0.867

μ=29.8°-20°=9.8°

e.求位移因數(shù)cos'φα，（未考慮變壓器勵(lì)磁電流時(shí)）φα=25.8°

f.設(shè)變壓器勵(lì)磁電流相對(duì)值I0=0.01，考慮變壓器勵(lì)磁電流時(shí)的位移因數(shù)cosφα：

h.求實(shí)際畸變系數(shù)V

3 主電量典型值計(jì)算結(jié)果和特點(diǎn)

主電量典型值計(jì)算結(jié)果見表2。本計(jì)算的特點(diǎn)如下。

（1）本計(jì)算試從電氣角度解讀電解工藝提出的電氣參數(shù)，以便專業(yè)間溝通。長期以來的設(shè)計(jì)慣例都是以工藝為龍頭，整流服從工藝。因此，對(duì)工藝所提出的電氣參數(shù)很少深入思考，難免出現(xiàn)目前普遍存在的額定直流電壓選得偏高，整流裝置容量相應(yīng)偏大的問題。通過本計(jì)算，可以了解從工藝到電氣的過程和量值關(guān)系，為專業(yè)間溝通打下技術(shù)基礎(chǔ)，探求盡量合理的設(shè)備選型方案。

（2）對(duì)整流設(shè)備的計(jì)算容量留有適當(dāng)?shù)挠嗟?。本?jì)算整流裝置的電流額定值以電槽電流最大值15 kA為準(zhǔn)，計(jì)算出燒堿每萬噸規(guī)模的整流設(shè)備平均功率為4 120 kVA，顯然此值偏大。在確定電槽單元數(shù)的計(jì)算中，是按平均運(yùn)行電流12.5 kA設(shè)定的，其對(duì)應(yīng)的平均容量僅31 000 kVA，按同樣條件計(jì)算，電槽運(yùn)行電流15 kA時(shí)，燒堿每系列可達(dá)到3萬t/a。當(dāng)然，這只是階段性生產(chǎn)水平，不等于長期如此。

表2 主電量值計(jì)算結(jié)果

此外，設(shè)計(jì)裝置的閥側(cè)電壓也預(yù)留了余地。在空載電壓計(jì)算中，將控制角設(shè)定為20°，在有載開關(guān)配合下，運(yùn)行中的控制角完全可以小于此值。由于后面的功率因數(shù)計(jì)算可以達(dá)到0.9，沒有修改控制角的設(shè)定值。目的就是，如果要增加單元槽數(shù)，將控制角設(shè)定在10°運(yùn)行，單元槽數(shù)便可以增多6臺(tái)。

整流設(shè)備的電流和電壓留有適當(dāng)?shù)挠嗟兀歉鶕?jù)復(fù)極槽的單元數(shù)不能隨意增加的特點(diǎn)所決定的，欲增加產(chǎn)能，只能采用調(diào)高運(yùn)行電流和適當(dāng)增加單元數(shù)的辦法。各單位應(yīng)結(jié)合具體情況確定，預(yù)留電流、電壓余量及其值。

（3）本計(jì)算充分發(fā)揮了有載調(diào)壓方式的效能，選用自耦有載調(diào)壓方式，根據(jù)只有22%的調(diào)壓深度和16個(gè)分接位置，采用了最簡單的線性調(diào)壓電路，不需要粗細(xì)調(diào)或正反調(diào)的繞組，使調(diào)壓繞組容量最小，計(jì)算容量和額定容量接近，造價(jià)和損耗最經(jīng)濟(jì)。

對(duì)于電網(wǎng)電壓負(fù)偏移的補(bǔ)償，不是采用傳統(tǒng)的提高閥側(cè)額定電壓的方法，而是將調(diào)變的輸出電壓設(shè)計(jì)高于電網(wǎng)額定電壓5%。2種方法相比，節(jié)省了容量500 kVA，同時(shí)，減少了閥側(cè)繞組的銅損。

本計(jì)算調(diào)壓下限值選得比通常設(shè)計(jì)要高，是根據(jù)復(fù)極槽的負(fù)荷變化不大，晶閘管有0～100%的調(diào)壓功能，運(yùn)行中能避免深控，自然功率因數(shù)可達(dá)0.9以上綜合考慮，并結(jié)合調(diào)壓范圍的實(shí)踐總結(jié)而確定的。事實(shí)上，20世紀(jì)八九十年代，從日本引進(jìn)的離子膜法晶閘管整流裝置，只配無載調(diào)壓整流變壓器，帶的是5級(jí)無載分接開關(guān)，調(diào)壓范圍為80%～100%，采用了高壓無功補(bǔ)償濾波措施。實(shí)踐證明，該方案簡潔、可行而經(jīng)濟(jì)。

Calculation of rectifiermain power typicalvalue

LIAOXiu-hua
(Guangzhou ChemicalDesign Institute,Guangzhou 510655,China)

Take 100 kt/a ionicmembrane caustic soda production for example and begin with the number of electrolyzer units,all typical valuesof rectifying devicemain powerwere analysed and counted.Engineering calculation method of rectifyingmatch with process was explained,and arrived at themain power typical valuesof25 kt/a caustic soda production.

caustic soda;rectifying;main power;typicalvalues

book=1,ebook=207

TM461

B

1009－1785(2010)06－0001-05

2009-09-21