整流系統(tǒng)設(shè)計特點綜述

王文生，何 鵬

（內(nèi)蒙古晨宏力化工集團有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 阿拉善750306）

整流系統(tǒng)設(shè)計特點綜述

王文生，何 鵬

（內(nèi)蒙古晨宏力化工集團有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 阿拉善750306）

內(nèi)蒙古晨宏力化工集團有限責(zé)任公司二期燒堿項目采用離子膜法電解和意大利迪諾拉電解槽，結(jié)合項目建設(shè)綜合敘述對迪諾拉電槽電流的控制特點。

燒堿；整流；特點

1 整流系統(tǒng)組成

內(nèi)蒙古晨宏力化工集團有限責(zé)任公司二期燒堿項目整流配套裝置包含變壓器、晶閘管主整流柜、整流控制柜、整流監(jiān)控系統(tǒng)、極化整流柜、純水冷卻器、直流傳感器、直流隔離開關(guān)、智能均流儀等。

該整流系統(tǒng)包括2套整流機組和1套監(jiān)控系統(tǒng)，每個整流機組采用1個變壓器帶2個整流柜（一拖二），每個整流柜帶80個單元電解槽。5萬t/a燒堿為2套整流機組，總共包括：變壓器2臺，主整流柜4個（KHS-16 kA/295V），整流控制柜（RCS9000型）4臺，極化整流器4臺（KJ-50A/290V），純水冷卻器（LSS-125B）4臺，直流隔離開關(guān)（HD16-III 20 kA）8套，直流傳感器（HLZ-B 20 kA）4套，智能均流儀（XH-12）4臺內(nèi)置，1套監(jiān)控系統(tǒng)。整流器的設(shè)計參數(shù)及功能如下。

（1）單機直流額定輸出電流：16 kA。

（2）直流輸出額定電壓：295 V。

（3）整流相數(shù)：6脈波/每臺整流器，每套整流系統(tǒng)等效12脈波。

（4）每臺整流器單獨給一臺電槽供電。

（5）整流方式：三相全控橋整流，非同相逆并聯(lián)布置。

（6）控制方式：RCS9000系統(tǒng)，全數(shù)字式調(diào)節(jié)器，雙通道熱備用方式。

（7）調(diào)壓方式：一臺整流變帶2臺整流柜，整流變壓器有載調(diào)壓開關(guān)范圍：60%～105%Udn，有載分接開關(guān)粗調(diào)，晶閘管相控細(xì)調(diào)。具有軟起和零啟動功能，并可連續(xù)平滑調(diào)節(jié)至額定電流。相控條件下電壓輸出大于60%時，整流電流輸出100%連續(xù)。

（8）有載開關(guān)聯(lián)動方式：整流變有載調(diào)壓開關(guān)與晶閘管相位控制聯(lián)調(diào)設(shè)有自動和手動解除開關(guān)。在相控角超限時微機上有提示信號。整流柜的a角小于10°時，發(fā)升檔信號；當(dāng)大于25°時，發(fā)降檔信號。在一拖二系統(tǒng)中，對于任何一臺整流控制柜退出運行（包括完全失電，甚至移走），均不會影響另外一臺整流控制柜對有載開關(guān)升降檔的控制。

（9）穩(wěn)流精度。電網(wǎng)電壓±5%額定電壓變化范圍內(nèi)，負(fù)載電壓在30%～100%條件下，其精度優(yōu)于設(shè)置電流的±0.2%。

（10）整流元件均流系數(shù)≥0.93；整流臂間均流系數(shù)≥0.98。并均能在控制柜及后臺上監(jiān)控。

（11）整流元件電流儲備系數(shù)≥3.08，可在150%額定直流電流下運行1 min。

（12）整流元件電壓儲備系數(shù)≥6.03。

（13）整流器網(wǎng)側(cè)平均自然功率因數(shù)保證值＞0.85（額定負(fù)載時）。

（14）整流柜效率≥99.03%（效率計算見后）。

（15）控制角與整流效率關(guān)系：控制角越?。磳?dǎo)通角越大）整流器整流效率越高，反之效率低。但控制角不能過小（一般不小于10°），控制角過小時，如果電網(wǎng)電壓波動，輸出電流也有可能發(fā)生波動的情況。

（16）DCS遠程啟停方式：硬線I/O方式直接啟停整流器的功能，可由遠端實現(xiàn)，即將其中某一臺整流器脈沖封鎖。也可以通過該種方式直接切斷整流變壓器高壓開關(guān)。凡是連鎖與控制信號，均可通過硬線連接。

（17）噪音水平：額定狀態(tài)下運行在設(shè)備1 m處≤65 dB。

（18）電流反饋控制方式：直流反饋+交流反饋的形式，直流電流取自直流傳感器，交流電流取自整流變壓器內(nèi)調(diào)變與主變之間的互感器，直流反饋與交流反饋能夠自動相互校準(zhǔn)。以直流反饋為主，交流反饋為輔。直流反饋與交流反饋在各自都正常的情況下，可以自動切換。當(dāng)系統(tǒng)直流反饋異常自動切換至交流反饋后，如直流反饋恢復(fù)正常，自動發(fā)出切換至直流反饋的提示信息，然后由人工手動切換至直流反饋。

（19）整流系統(tǒng)可在3個地方進行開停車及升降電流，分別為就地控制柜、整流后臺、DCS操作員站。在就地控制柜上進行權(quán)限設(shè)置，每次只能選擇一個地方操作，針對迪諾拉電槽，國內(nèi)均為DCS遠程給定（DCS輸出4～20 mA）調(diào)節(jié)控制電流升降。

（20）整流控制柜安裝有電流表、電壓表。

（21）主整流柜和控制柜設(shè)置帶保護蓋的急停按鈕，操作時系統(tǒng)自動記錄。

（22）整流器冷卻方式：純水循環(huán)冷卻，整流元件雙面水冷，快熔單面水冷，匯流銅母線雙孔水冷，整流柜內(nèi)部裝水風(fēng)冷換熱器。

（23）出線方式：整流器交流進線：整流柜背后下方，直流出線為整流柜頂部。

（24）安裝方式：整流柜為戶內(nèi)式結(jié)構(gòu)，外殼防護等級IP42，具有防塵防滴特點，并具有防化學(xué)腐蝕措施。

（25）每套機組由一臺整流變壓器帶兩臺整流柜。共計2套機組，可允許一臺整流柜運行另一臺整流柜檢修的情況，并不影響運行。

2 整流系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢

（1）控制系統(tǒng)在硬件設(shè)計上采用ARM微處理器+FPGA大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷Ｊ?，在軟件設(shè)計上采用嵌入式操作系統(tǒng)作為開發(fā)平臺，完善多任務(wù)運行機制，在系統(tǒng)內(nèi)部取消PLC，采用CAN總線和光纖傳輸技術(shù)用于內(nèi)部信息交換，實現(xiàn)分散的、可靠的控制，實現(xiàn)整流系統(tǒng)各個部分的有機集成，也提高系統(tǒng)的智能化程度。

（2）整流柜和外圍設(shè)備的信號采集和控制采用分布式I/O模式，全數(shù)子化處理、系統(tǒng)穩(wěn)定、抗干擾能力強。數(shù)字化系統(tǒng)主要涵蓋調(diào)節(jié)器、整流柜、整流變壓器和其它輔助設(shè)備。整流系統(tǒng)的各部分均能實現(xiàn)智能化的檢測、顯示、控制、信息傳輸?shù)取?/p>

（3）系統(tǒng)控制平臺有12路脈沖獨立輸出調(diào)節(jié)，采用交流采樣與直流采樣技術(shù)、移窗算法與全波算法技術(shù)，同步PID調(diào)節(jié)器實現(xiàn)輸入電壓變化過程中實現(xiàn)動態(tài)化調(diào)節(jié)。

（4）采用3相全控整流方式、全密閉式水冷技術(shù)等，實現(xiàn)綠色、節(jié)能、環(huán)保和高效的整流電流設(shè)計。

該系統(tǒng)的數(shù)字化不僅體現(xiàn)在調(diào)節(jié)器，也體現(xiàn)在整流柜、整流變壓器和其他輔助設(shè)備。整流系統(tǒng)的各個部分均能實現(xiàn)智能檢測、智能顯示、智能控制、信息智能傳輸；采用CAN總線（控制器局域網(wǎng)）用于整流系統(tǒng)的各個部分進行控制和信息交換，使整套整流裝置成為一個完整的整體。

現(xiàn)場總線用于整流系統(tǒng)內(nèi)部進行控制和信息交換，減少了大量的隔離器件、端子、柜間接線等，同時節(jié)省了安裝、維護等費用，提高了工藝水平，實現(xiàn)了徹底的分散控制，也提高系統(tǒng)運行可靠性。單機組控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見圖1。

3 晶閘管整流柜特點

該項目每臺整流柜采用6脈波三相全控橋非同相逆并聯(lián)連接方式，整流臂縱向布置，立式結(jié)構(gòu)，每臂并聯(lián)3個硅元件。單柜內(nèi)共有36只株洲南車時代的QTKP3300-22晶閘管，36只西整熔斷器廠RS8-380V/3600A快速熔斷器。整流柜交流進線位于整流柜后側(cè)下方，直流出線位于整流柜頂部。

整流器結(jié)構(gòu)上采用非同結(jié)構(gòu)，柜體簡潔、兼顧可靠，并解決了非同結(jié)構(gòu)導(dǎo)致母排彎曲、振動以及絕緣的問題，使得整流器運行噪聲大幅下降。

圖1 單機組控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

整流柜與外圍設(shè)備的信號采集和控制采用分布式I/O模式，全數(shù)子化處理、系統(tǒng)穩(wěn)定、抗干擾能力強。數(shù)字化系統(tǒng)主要涵蓋調(diào)節(jié)器、整流柜、整流變壓器和其它輔助設(shè)備。整流系統(tǒng)的各部分均能實現(xiàn)智能化的檢測、顯示、控制、信息傳輸?shù)取?/p>

在每個整流柜內(nèi)安裝有一套智能控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括智能檢測單元、通訊接口、傳感器、以及相應(yīng)的輸入輸出接口電路等。由于引入了智能控制系統(tǒng)，取消了常規(guī)表計和指示燈，整流柜的操作、控制、狀態(tài)監(jiān)視、信息傳遞、信息顯示等均實現(xiàn)了智能化，具體如下。

（1）工況檢測實現(xiàn)智能化

智能控制系統(tǒng)對整流柜的檢測是全方位的，分布式I/O控制器功能強大，全數(shù)字化數(shù)據(jù)采集，智能可靠。

（2）工況顯示實現(xiàn)智能化

以圖形的形式在人機界面上實時顯示每個整流柜的信息，它包括：溫度、輸出電流等模擬量以及橋臂電流、均流系數(shù)、快熔是否熔斷、脈沖是否有故障、整流柜與調(diào)節(jié)器的通訊是否正常等開關(guān)量狀態(tài)。

（3）信息傳輸實現(xiàn)智能化

將現(xiàn)場總線技術(shù)用于智能化整流柜，整流柜的開關(guān)量信號和模擬量信號均通過現(xiàn)場總線傳遞到調(diào)節(jié)柜，也可直接傳遞到控制系統(tǒng)。這不僅提高了信息傳輸量，也大大減少了柜間接線，提高了系統(tǒng)運行可靠性，提高了裝置的整體工藝水平。

（4）智能化保護

當(dāng)智能控制系統(tǒng)檢測到整流柜處于某種故障狀態(tài)時，比如水壓不正常、脈沖故障、橋臂斷流等，立即發(fā)出信號給調(diào)節(jié)器，如果在指定時間內(nèi)沒有人為處理故障，調(diào)節(jié)器將根據(jù)故障情況自動減荷運行或封鎖脈沖，實現(xiàn)智能化退柜。

（5）分布式數(shù)據(jù)的采集和控制

分布式I/O板非常適用采集信號多，且分散的場合。氯堿整流器因其橋臂電流大，需要并聯(lián)的元件個數(shù)較多，而橋臂與橋臂之間有一定絕緣距離，在每一同相逆并聯(lián)橋臂附件安裝一塊分布式I/O板，就可以采集同相逆并聯(lián)橋臂上的所有狀態(tài)信號，而且連接線短，方便檢修、查找、更換。因此采用分布式I/O板能很方便、簡潔、安全、完整地將電解整流器內(nèi)部狀態(tài)信號采集，再通過現(xiàn)場總線傳送至控制柜和綜控室。在綜控室上位機或后臺機上，能實時瀏覽和查詢整流柜內(nèi)完整的狀態(tài)信號。見圖2～圖5。

4 數(shù)字式控制柜特點

數(shù)字式控制柜是廣東擎天最新研制的RCS9000型直流平臺控制系統(tǒng)，它以ARM+FPGA為控制器核心，實現(xiàn)電流的精確、穩(wěn)定輸出。系統(tǒng)可靠性好、功能豐富、自動化程度高。就地控制柜對本機組進行穩(wěn)流調(diào)節(jié)，控制有載開關(guān)作電流粗調(diào)，控制晶閘管細(xì)調(diào)。電流控制獨立采用直流反饋和交流反饋方

圖2 分布式IO系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

圖3 整流變與變壓器的連接圖（單臺整流器6個銅排進線）

圖4 單臺整流器方框圖

圖5 整流器實際輸出電流波形

RCS9000采用ARM+FPGA嵌入式計算機作為式進行輸出電流調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)精度滿足要求。

RCS9000采用ARM+FPGA嵌入式計算機作為控制核心，可靠性更好、功能豐富、自動化程度高且抗干擾性更強。

4.1 冗余技術(shù)

（1）二通道冗余設(shè)計

采用2個ARM+FPGA為核心的嵌入式計算機控制通道（A、B通道），2個控制通道采用對等冗余技術(shù)、互為熱備用，通道間具有自檢和互檢功能，出現(xiàn)故障時實現(xiàn)無擾動（1us）切換，不需要第三方模塊參與，可確保任何工況下控制系統(tǒng)的可靠性，防止“掉電”。

（2）同步信號冗余

采用整流變閥側(cè)三相同步信號，只要有其中一相，整流器仍能正常工作，并采用過零點信號檢測技術(shù)，控制角更準(zhǔn)確、抗干擾性更強。

（3）控制電源冗余

控制柜電源采用廠用電和整流變閥側(cè)并列供電，互為熱備用，任一路電源的消失不會影響系統(tǒng)的正常工作。

（4）通訊冗余

采用雙光纖冗余，通訊網(wǎng)絡(luò)具有可靠保障。

4.2 高度數(shù)字化技術(shù)

（（11））現(xiàn)場總線（CAN總線）技術(shù)

現(xiàn)場總線（CAN總線）技術(shù)使得控制系統(tǒng)有能力對整流系統(tǒng)的各種參數(shù)進行全面采集，其中包括：高壓側(cè)PT、高壓側(cè)CT、直流電壓、直流電流、交流電壓、交流電流、同步電壓、橋臂電流、元件電流、冷卻水參數(shù)、整流變油溫。通過對采集到的數(shù)據(jù)進行計算，可以實時顯示：有功功率、無功功率、功率因數(shù)、電流累計及輸出電度等。

就地控制柜和遠控臺均安裝了彩色觸摸屏，具有顯示、操作、報警、故障追憶等功能。采集到的整流系統(tǒng)各部分參數(shù)和計算結(jié)果在觸摸屏上實時顯示，設(shè)備的各種參數(shù)設(shè)定和操作在觸摸屏上完成。信息集中，操作簡便?？芍苯语@示每個快熔的狀態(tài)和硅元件流過的電流，計算均流系數(shù)。通過對硅元件電流參數(shù)的監(jiān)測，可及時預(yù)知即將發(fā)生的故障，在故障發(fā)生前對系統(tǒng)進行檢修，避免損失。

整流系統(tǒng)的各個部分通過現(xiàn)場總線進行控制和信息交換，使整流系統(tǒng)成為一個有機的、完整的整體，系統(tǒng)簡潔，可靠性高。相關(guān)人員通過局域網(wǎng)可隨時了解整流系統(tǒng)的工作狀況。

（2）產(chǎn)品調(diào)試軟件化

隨機附送調(diào)試軟件，操作人員通過電腦操作對設(shè)備進行調(diào)試并存儲調(diào)試結(jié)果，控制柜需要更換板卡時可直接將存儲的數(shù)據(jù)拷貝而不需要重新調(diào)試，使用極為方便。

（3）故障錄波功能

設(shè)備發(fā)生故障時，工控機自動保存故障前、后5秒的整流設(shè)備數(shù)據(jù)，用調(diào)試軟件調(diào)閱數(shù)據(jù)進行故障分析。

（4）在線檢修

線路板安裝采用標(biāo)準(zhǔn)歐洲板卡結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)故障時可直接拔插更換，不需停電。要更換板卡時可通過調(diào)試軟件直接將存儲的數(shù)據(jù)拷貝后直接上機，板卡更換后不需要重新調(diào)試。

4.3 節(jié)電技術(shù)

RCS9000控制系統(tǒng)是一個全數(shù)字化智能控制系統(tǒng)，可控硅觸發(fā)脈沖不對稱度小于0.3°，控制角準(zhǔn)確、實時顯示。與有載開關(guān)聯(lián)動的上、下限控制角可根據(jù)電網(wǎng)及生產(chǎn)情況在線修改，以確保整流器在較高的功率因數(shù)下運行。

5 后臺監(jiān)控系統(tǒng)與DCS的連接

為了便于用戶對整流設(shè)備進行狀態(tài)監(jiān)控和遠程操作、保護，后臺監(jiān)控系統(tǒng)通過光纖傳輸數(shù)據(jù)，完成對整個整流系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)和各類數(shù)據(jù)的顯示、記錄及曲線記錄、實時歷史故障記錄及打印輸出工作，并能夠?qū)φ髟O(shè)備進行升降電流和升降檔位等操作。

整流控制柜提供豐富的滿足DCS要求的接口方案和通訊規(guī)約，工藝DCS系統(tǒng)可以通過通訊方式得到整流系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)，并能夠?qū)χ绷麟娏?、軟啟時間等進行設(shè)定，并能開停整流器系統(tǒng)。DCS也可以通過硬線方式對直流電流進行調(diào)節(jié)，DCS通過I/O方式對整流控制柜與35 kV開關(guān)微機保護裝置進行相應(yīng)地聯(lián)鎖。

（1）后臺監(jiān)控系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

整流控制柜對整流后臺監(jiān)控系統(tǒng)的通訊采用以太網(wǎng)通訊，整流控制柜對DCS采用RS485協(xié)議進行放射式通訊。

整流控制柜和監(jiān)控系統(tǒng)通訊采用以太網(wǎng)TCPMODBUS協(xié)議。

DCS系統(tǒng)作為后臺微機遠程監(jiān)控系統(tǒng)的延伸，可獨立完成主整流器和極化整流器的監(jiān)控。整流控制柜和DCS通訊采用RS485-MODBUS協(xié)議。

（2）項目DCS通過硬線方式調(diào)節(jié)整流器電流輸出、實現(xiàn)緊急停機等功能。DCS通過4～20 mA信號控制整流器電流大小。通過硬接點開停整流器。當(dāng)用戶選擇通過該信號調(diào)節(jié)輸出電流時，智能控制單元將4～20 mA轉(zhuǎn)化后的數(shù)字信號發(fā)送給數(shù)字調(diào)節(jié)器單元，使整流系統(tǒng)按用戶的設(shè)置輸出直流電流。

（3）整流器的常規(guī)控制可以從3個位置選擇，就地控制柜、后臺機和工藝DCS操作站。用戶可選擇當(dāng)前哪一處的輸出電流設(shè)置信號有效，這樣既可保證系統(tǒng)的靈活性，也可保證系統(tǒng)調(diào)節(jié)的條理性。

6 主整流器效率計算

整流器的損耗包括元件正向功率損耗、元件反向功率損耗、快熔損耗、母線及連接損耗、阻容吸收損耗。

對于本項目的整流器，元件的正向功率損耗、快熔損耗和母線損耗為主要損耗，其他可以略去不計。以下計算以單柜16 kA/295 V整流器為例。

（1）整流管正向功率損耗

根據(jù)公式計算ΔPa為40.14 kW，單個元件損耗1 115 W。

（2）快熔損耗

整流器額定工作時快熔實際流過的電流有效值 I為 1 538 A。

快熔負(fù)荷率Id/IN＝1 538/3 600＝42.7%；

查得相應(yīng)的功耗修正系數(shù)KP＝18%；

快熔損耗 ΔPF＝36×0.315×18%＝2（kW）；

單個快熔功耗=315×18%=56.7（W）。

（3）母線的損耗

根據(jù)銅母線的損耗計算公式計算ΔPfM為3.87 kW。

（4）整流器效率

單臺整流器的總損耗：

整流器額定功率輸出時的效率計算采用下述公式：

式中：Ua為整流器額定輸出電壓；Ia為整流器額定輸出電流。為整流器各主要損耗之和。計算得約為99.03%。

整流器運行時最大損耗約為46 kW，整流器在額定功率輸出時效率為99.03%，滿足技術(shù)要求。

7 結(jié)語

該公司二期燒堿項目其突出特點為整流柜采用三相全橋非同相逆并聯(lián)連接方式，橋臂縱向布置空間大、便于維護，升降電流穩(wěn)定、穩(wěn)流精度高，投運后觀察電流波形無任何波動。

Review on design characteristics of rectifier system

WANG Wen-sheng,HE Peng

(Inner Mongolia Chenhongli Chemical Group Co.,Ltd.,Alashan 750306,China)

The caustic soda project use ion-exchange membrane method and DENORA company electrolyzer.Combined with the construction project,introduced the control characteristics of DENORA electrolyzer current.

caustic soda;rectification;characteristics

TM461

A

1009-1785(2017)11-0001-05

2017-03-16