30萬t/a離子膜燒堿整流設(shè)計應(yīng)考慮的節(jié)電措施

耿慶魯

（德州實華化工有限公司，山東 德州 253007）

30萬t/a離子膜燒堿整流設(shè)計應(yīng)考慮的節(jié)電措施

耿慶魯

（德州實華化工有限公司，山東 德州 253007）

結(jié)合30萬t/a離子膜燒堿實際設(shè)計經(jīng)驗，介紹了在離子膜整流設(shè)計上應(yīng)考慮的節(jié)電措施。

優(yōu)化；整流；設(shè)計方案；節(jié)電；措施

在整流設(shè)計上考慮節(jié)電措施，首先應(yīng)該優(yōu)化整流設(shè)計方案，基于合理選擇整流站的位置、整流電路、整流變壓器及整流相數(shù)、整流柜、整流調(diào)壓方式、整流設(shè)備的布置、整流元件的冷卻方式等，對于優(yōu)化整流系統(tǒng)，提高整流效率，取得好的節(jié)電效果是非常有幫助的。另外，還應(yīng)采取一些新的節(jié)能設(shè)計理念，爭取每一個節(jié)電機(jī)會。

以德州實華30萬t/a離子膜燒堿為例，國產(chǎn)2.5萬t/a離子膜燒堿生產(chǎn)裝置采用藍(lán)星化工機(jī)械有限公司NBZ—2.7自然循環(huán)零極距電解槽，共有150個單元槽，運行電流13.8 kA。30萬t/a離子膜整流裝置，采用“一拖二”的運行方式，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，這樣形成6臺整流變壓器帶12臺整流柜給12臺零極距電解槽供電的規(guī)?；a(chǎn)模式。

1 合理選擇整流站的位置

整流站位置的選擇應(yīng)接近負(fù)荷中心，交直流網(wǎng)絡(luò)運行方式要合理，縮短供電半徑，減少線路電阻和電壓降，降低線損率，實現(xiàn)整流設(shè)備經(jīng)濟(jì)運行。一般總變電站的距離以不超過500 m為宜。

2 合理選擇整流電路

整流機(jī)組額定直流電壓UdN的計算。

如果選用NBH-2.7型零極距離子膜電解槽，年產(chǎn)量為2.5萬t燒堿，由產(chǎn)量理論計算公式：產(chǎn)量=理論系數(shù)×運行電流×全年運行時間×電解槽臺數(shù)×效率（理論系數(shù)=1.492，運行電流取13.8 kA，全年運行時間取8 520 h，效率取0.95）計算得電解槽臺數(shù)= 150，應(yīng)投用150臺電解槽。

一般換槽電壓取3.3 V，則總電壓為150×3.3= 495（V）。由于國產(chǎn)2.5萬t/a離子膜對整流電壓的要求較高，為直流530 V，大于400 V，因此，電連接方式采用三相全控橋式同相逆并聯(lián)整流結(jié)構(gòu)。

因為復(fù)極式電解槽具有電壓高、電流低的特點，整流主電路采用三相全控橋式整流電路。為減少變壓器閥側(cè)大電流出線時對周圍鐵磁物質(zhì)的影響，采用同相逆并聯(lián)技術(shù)。

3 合理選擇整流元件

優(yōu)化整流系統(tǒng)，合理選擇整流元件，有以下幾點依據(jù)。

（1）元件串聯(lián)數(shù)少。元件串聯(lián)數(shù)越少，功率損耗就越低。（2）提高整流臂并列支路均流系數(shù)。整流臂中并列支路電流分配不均，會在整流設(shè)備滿負(fù)載運行的時候出現(xiàn)支路電流過載的情況，支路電流過載也會導(dǎo)致整流設(shè)備功率損耗，造成浪費。（3）選用元件正向壓降小，反向泄漏電流小的硅整流元件。如果元件正向壓降小，反向泄漏電流小，功率損耗就會隨之降低，這樣也可以節(jié)電。 （4）盡量選擇大電流的元件，以減少元件的并聯(lián)數(shù)，提高了均流系數(shù)。

4 合理選擇整流變壓器及整流相數(shù)

離子膜整流變壓器一般選擇“一拖二”模式，方便運行管理。整流變壓器的制造要選用優(yōu)質(zhì)冷軋硅鋼片，采用斜接縫及新綁扎工藝，適當(dāng)加大鐵心面積，增大匝電壓，合理降低電流密度及雜散損耗?？傊x用節(jié)能型整流變壓器，效率在99.0%以上。

合理選擇整流相數(shù)，可以基本消除幅值較大的低次諧波，是一種很好抑制諧波的手段。通過增多整流相數(shù)，可以起到節(jié)電的功效。

在整流過程中，整流電壓的脈動率減少會相應(yīng)減少連接系統(tǒng)高次諧波的干擾，這樣就降低了電能損耗。同時，整流變電抗會使整流的電流和電壓間出現(xiàn)角位移，角位移是相數(shù)變換時在變壓器內(nèi)部產(chǎn)生的無功損耗的表現(xiàn)。相數(shù)增多，整流的角位移隨之降低，功率因數(shù)會增高。

合理選擇單機(jī)脈波數(shù)P，是構(gòu)成整流機(jī)組總體方案的重要部分。由于整流機(jī)組為非正弦用電設(shè)備，因而會引起供電網(wǎng)絡(luò)內(nèi)電壓，電流波形畸變，對電話通信產(chǎn)生干擾，使系統(tǒng)內(nèi)發(fā)電機(jī)損耗增加，降低出力，引起系統(tǒng)內(nèi)電力電容器過載等諧波影響問題。整流相數(shù)愈高，上述各問題的嚴(yán)重程度隨之降低。因此，在不增加或少增加投資的條件下，應(yīng)盡量使全套整流裝置構(gòu)成較高的整流相數(shù)。

離子膜整流變壓器一般為“一拖二”的大型整流變壓器，是雙鐵芯變壓器，可以形成單機(jī)組12脈波。以單機(jī)組12脈波整流為基礎(chǔ)，兩機(jī)組可構(gòu)成等效24相，三機(jī)組可構(gòu)成等效36相，四機(jī)組可構(gòu)成等效48相，這種移相方法的特點是變壓器參數(shù)對稱性好，屬于3種移相方法中在相同移相角時，因移相而增加變壓器等值計算容量最小的一種。目前，用延邊三角移相構(gòu)成等效多相制系統(tǒng)最多相數(shù)的是60相，用得較多的是24相。

5 合理選擇調(diào)壓方式

由于離子膜電解槽長時間運行的電流較高，較穩(wěn)定，所以不需要大范圍的調(diào)壓。調(diào)壓范圍為75%～105%即可，可采用19級或21級等匝數(shù)有載調(diào)壓。

整流變壓器的調(diào)壓范圍嚴(yán)重影響整流變壓器的效率：調(diào)壓范圍越小，整流變壓器的效率越高。這是因為達(dá)產(chǎn)后，整流變壓器一般運行在80%～100%，那么多余調(diào)壓繞組的電耗將永遠(yuǎn)無法消除。

6 合理選擇整流柜的參數(shù)

整流柜型號為KHS-16200A/530V，采用后下進(jìn)線，直流上出線方式；電連接方式采用三相全控橋式同相逆并聯(lián)結(jié)構(gòu)；每臂選用3只KP-3200A/2600V大功率低損耗晶閘管，配3只RSH-3600A/800V快速熔斷器。

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)結(jié)構(gòu)，其原理是將相位相同、極性相反的整流銅排連接自二次繞組到整流柜之間盡可能的靠近安裝，使通過二者的電流在任何時候都大小相等，方向相反，各自產(chǎn)生的交變磁場在兩逆并導(dǎo)體之外相互抵消，從根本上解決了大電流產(chǎn)生強交變磁場引起的局部發(fā)熱，以及電抗壓降和并聯(lián)元件之間電流不平衡等問題，便于提高整流機(jī)組的功率因數(shù)和效率。每個橋臂選用3只KP-3200A/2600V晶閘管并聯(lián)使用，當(dāng)一只元件損壞時，整流裝置仍能正常工作。

7 合理選擇整流變壓器和整流元件的冷卻方式

由于整流變壓器采用“一拖二”，整流變壓器的容量很大，自然風(fēng)冷已經(jīng)無法滿足要求，因此采用強油風(fēng)冷的形式，每臺整流變壓器用3套板式油風(fēng)冷卻器，可保證變壓器的運行安全。

因為整流柜的電流為16 200 A，電流較高，風(fēng)冷已經(jīng)不能冷卻，所以采用水冷，通過水泵集中供應(yīng)循環(huán)水。

8 合理進(jìn)行整流設(shè)備的布置

為了盡可能減少整流變壓器和整流柜之間的銅排連接長度，采用“平面一體化”安裝方式，整流變壓器的出線方式設(shè)計為兩側(cè)中下部側(cè)出線。

整流設(shè)備采用“平面一體化”安裝方式，整流變壓器和整流柜盡可能在同一平面上靠近安裝，整流變壓器下部側(cè)出線，整流柜為下部側(cè)進(jìn)線，這樣使交流銅排保持在同一各高度進(jìn)行安裝，既減少了銅排長度，又降低了交流電能損耗。整流柜采用頂部直流出線方式，直接平行進(jìn)入離子膜廠房連接離子膜電解槽，最大限度的減少了直流銅排的用量，也降低了直流電能損耗。

9 整流變壓器網(wǎng)側(cè)電壓的選擇

根據(jù)國產(chǎn)2.5萬t/a離子膜對整流的要求，整流柜額定直流輸出為530 V，16 200 A。按“一拖二”的運行方式計算，整流變壓器的容量約為20 300 kVA，如果選用10 kV作為網(wǎng)側(cè)電壓，其網(wǎng)側(cè)電流約為1 172 A；如果選用35 kV作為網(wǎng)側(cè)電壓，其網(wǎng)側(cè)電流約為335 A；如果選用110 kV作為網(wǎng)側(cè)電壓，其網(wǎng)側(cè)電流約為106 A，所以整流變壓器網(wǎng)側(cè)電壓應(yīng)選擇110 kV。如果條件不允許或離110 kV總變電站比較近，也可以選擇35 kV作為網(wǎng)側(cè)電壓。當(dāng)選用110 kV電壓時，由于網(wǎng)側(cè)電壓比較高，建議整流站不再重復(fù)設(shè)置開關(guān)站，由總降壓變電站直接供電，可以節(jié)省很大的投資費用。

10 合理選擇導(dǎo)電排

整流導(dǎo)電排主要選用銅排，交直流導(dǎo)電排的截面積應(yīng)按經(jīng)濟(jì)電流密度選擇，接頭盡可能的少，并采用銅焊接工藝。如焊接有困難，應(yīng)降低銅排接觸面的電流密度δ，一般選銅接頭δ=0.1～0.15 A/mm2。另外，銅接頭安裝時接觸面應(yīng)保證不低于100 kg/cm2的壓力，還應(yīng)涂上一層導(dǎo)電膏或凡士林，以降低接觸電阻和防止氧化。

在實際應(yīng)用中，銅導(dǎo)電排的電流密度選取應(yīng)≤1.2 A/mm2；交流導(dǎo)電排因為交流磁場感應(yīng)的影響，可適當(dāng)降低電流密度到1.0 A/mm2。此外，還應(yīng)確保交直流導(dǎo)電排的高寬比為10～20以上，以便減低集膚效應(yīng)系數(shù)，減少損耗。

實際中交流銅排可以選用300×10的尺寸；直流銅排可以選用350×20的尺寸。

11 新的節(jié)能設(shè)計理念

（1）整流電壓電流的設(shè)計值應(yīng)裕度合適

有時，整流電壓電流的設(shè)計值與實際最高值超出過高，這樣整流電壓電流偏高會有一些不良的后果，會造成能源浪費。

a.浪費容量，增高成本。整流設(shè)備的容量與直流電壓成正比，容量增大，直流電壓就會增高，也就是說直流電壓的百分?jǐn)?shù)增高，設(shè)備容量的百分?jǐn)?shù)也會增加。而設(shè)備容量的百分?jǐn)?shù)增加就意味著價格也隨之增高。

b.運行費用增加。整流設(shè)備容量大，運行時耗電量增大。

c.有損整流設(shè)備的經(jīng)濟(jì)運行。一般情況下，整流效率在額定電壓輸出的時候最高，輸出電壓偏離額定值越大，相對效率就越低，損耗就越大。

（2）認(rèn)識新的整流電路接線方式

隨著科技進(jìn)步，整流電路的接線方式有很多種，應(yīng)根據(jù)負(fù)荷的容量、電壓、電流以及對整流電壓波紋系數(shù)的要求，通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，合理選擇整流裝置的接線方式。一般應(yīng)以三相橋式整流和帶平衡電抗器的雙反星行整流電路為優(yōu)選方案。目前，除了對電壓要求較低的整流設(shè)備采用雙反星行接線方式外，新制造的整流設(shè)備大都采用三相橋式的接線方式。相對于雙反星行接線方式來說，三相橋式接線方式具有減少有功和無功功率損耗的優(yōu)點。

（3）對同相逆并聯(lián)的使用的再認(rèn)識

對同相逆并聯(lián)的使用也應(yīng)該認(rèn)真比較，同相逆并聯(lián)結(jié)構(gòu)只是在一定技術(shù)條件下，解決外磁場發(fā)熱問題的結(jié)構(gòu)形式之一，適應(yīng)于小直徑元件和較低電壓大直流的場合。從結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改進(jìn)可解決高電壓大電流安全問題。三相橋軸式對稱結(jié)構(gòu)克服了同相逆并聯(lián)結(jié)構(gòu)上存在的缺陷，可較好解決高電壓、大電流整流器在電場、磁場、電動力、電腐蝕等方面的問題。

（4）可以采用新型整流變壓器

目前較新型的整流變壓器是三相五柱整流變壓器，是用新型的五芯柱取代傳統(tǒng)的平衡電抗器，這樣的設(shè)計具有節(jié)省材料、時間和電力等優(yōu)點，能夠從根本上降低總損耗。

（5）通過改變電阻來優(yōu)化整流系統(tǒng)

a.取消均流電抗的功率損耗。在每個整流支路上有多只并聯(lián)的元件，為了提高均流系數(shù)，常采用在元件之路上串均流電抗來強制均流，這樣會因為電抗的磁場發(fā)熱產(chǎn)生功率耗損?，F(xiàn)在元件特性已經(jīng)提高，如果根據(jù)元件參數(shù)進(jìn)行匹配，完全可以取消均流電抗，減少功率損耗。

b.采用低功耗的壓敏電阻。整流機(jī)組操作的時候，內(nèi)部過電壓會導(dǎo)致元件損壞，為了防止這種損壞，在整流器閥側(cè)和直流側(cè)裝上交流阻容和直流阻容的保護(hù)裝置。阻容保護(hù)裝置裝上后會產(chǎn)生功率損耗，這時用壓敏電阻來替換阻容保護(hù)裝置，不僅能夠保護(hù)操作過的電壓，還能夠減少功率的損耗，達(dá)到雙贏的效果。

12 結(jié)論

通過在離子膜整流設(shè)計上應(yīng)考慮的節(jié)電措施，優(yōu)化整流設(shè)計方案，降低了生產(chǎn)成本，又可以優(yōu)化經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)，提高經(jīng)濟(jì)效益。

Energy saving measures in the rectification design of 300 kt/a ionic membrane caustic soda

GENG Qing-lu
（Dezhou Shihua Chemical Co.,Ltd.,Dezhou 253007，China）

Combined with practical experience in the practical design of ion-exchange membrane caustic soda，the electricity saving measures should be considered in the design of rectification.

optimization；rectification；design scheme；power saving；measures

TM461

B

1009－1785(2016)12-0005-03

2016-08-22