電解槽零點(diǎn)電位差的重要性及參數(shù)選定

田 娜，郭 永，孫昌穩(wěn)

（唐山三友氯堿有限責(zé)任公司，河北 唐山063305）

電解槽是離子膜法生產(chǎn)燒堿的核心設(shè)備[1]，在工藝生產(chǎn)過程中， 準(zhǔn)確檢測(cè)電解槽運(yùn)行是否正常尤為重要?，F(xiàn)工藝在電解槽設(shè)置有零點(diǎn)電位差檢測(cè)裝置，零點(diǎn)電位差作為電解槽的監(jiān)測(cè)裝置， 可快速判斷出電解槽在運(yùn)行時(shí)的異常情況，并設(shè)有高高、低低聯(lián)鎖調(diào)停電解槽程序， 可在發(fā)現(xiàn)異常情況下直接切停整流裝置，避免發(fā)生生產(chǎn)事故，降低經(jīng)濟(jì)損失。 零點(diǎn)電壓差裝置對(duì)安全生產(chǎn)有重要的意義。

1 電解槽零點(diǎn)電位差的重要性

離子膜法燒堿電解工序電解反應(yīng)是連續(xù)進(jìn)行的，進(jìn)槽鹽水流量、循環(huán)堿液流量不正常等都會(huì)對(duì)電解槽離子膜帶來損傷， 影響離子膜的使用壽命，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致氫氣、氯氣泄漏，引起爆炸。 在電解過程中，每個(gè)單元槽槽電壓大約是3 V，以每臺(tái)電解槽有120 個(gè)單元槽為例，電解槽總電壓為360 V，上半?yún)^(qū)、下半?yún)^(qū)均為180 V，電解槽中點(diǎn)電壓理論上應(yīng)該為零。 一旦電解槽上半?yún)^(qū)或是下半?yún)^(qū)出現(xiàn)問題，無論是發(fā)生斷路還是短路情況，電解槽中點(diǎn)電壓都會(huì)隨之發(fā)生很大的變化，破壞中點(diǎn)電壓的平衡，導(dǎo)致出現(xiàn)電位差， 電位差值超過允許的設(shè)置值時(shí)，DCS就會(huì)發(fā)出停車信號(hào)，聯(lián)鎖整流器封鎖脈沖進(jìn)行停電保護(hù)。 零點(diǎn)電位差的聯(lián)鎖保護(hù)作為重要有效的防護(hù)措施[2]，其重要性顯而易見。

在電解工序中，每臺(tái)電解槽都安裝有獨(dú)立的零點(diǎn)電位差，并且電位差聯(lián)鎖是為正常運(yùn)行的電解槽而設(shè)定的，反映的是電解槽在運(yùn)行時(shí)突然變化的電位差，電解槽每次開停車過程中其電位差也會(huì)有變化，所以零點(diǎn)電位差每次開車都必須調(diào)整。 在正常生產(chǎn)過程中，零點(diǎn)電位差的信號(hào)以4～20 mA 的形式輸送至DCS，在DCS 程序控制中，設(shè)有高高、低低聯(lián)鎖，直接將停車信號(hào)發(fā)送整流器或整流變，實(shí)施聯(lián)鎖停對(duì)應(yīng)的電解槽。 選用高質(zhì)量、高精度的零點(diǎn)電位差對(duì)整個(gè)電解工序意義重大。

電解槽電位差作為檢測(cè)電解槽的重要設(shè)備，一旦電位差發(fā)生變化，一定要高度重視，及時(shí)處理。 單元槽陽極液進(jìn)槽軟管堵塞、單元槽膜漏、單元槽漏等設(shè)備損壞情況都會(huì)導(dǎo)致電位差發(fā)生變化2， 如果電位差故障， 不能及時(shí)反應(yīng)出生產(chǎn)中的異常狀態(tài)，很有可能會(huì)造成離子膜損壞，因此零點(diǎn)電位差長期處于良好的運(yùn)行狀態(tài)尤為重要。

2 電解槽零點(diǎn)電位差測(cè)量原理

2.1 電解槽零點(diǎn)電位差測(cè)量原理

零點(diǎn)電位差是利用電解槽本體與兩個(gè)外接電阻共同組成一個(gè)電橋，把電解槽從中間分開，取出電解槽中點(diǎn)電位，再與兩個(gè)外接電阻中點(diǎn)電位相比較，得到的差值就是這個(gè)電位差。 由于每個(gè)單元槽的特性不完全相同，所以從電解槽取得的中點(diǎn)電位只是物理上的中點(diǎn)，不是電壓中點(diǎn)，為了解決這一問題，讓電橋保持平衡，就在兩個(gè)外接電阻之間設(shè)立了可調(diào)電阻，在系統(tǒng)開車前期通過調(diào)節(jié)可調(diào)電阻將電位差調(diào)到0 點(diǎn)，穩(wěn)定后投入聯(lián)鎖，電解槽零點(diǎn)電位差測(cè)量原理示意圖見圖1。

圖1 電解槽零點(diǎn)電位差測(cè)量原理示意圖

2.2 電解槽零點(diǎn)電位差可調(diào)電阻及外接電阻規(guī)格的選定

圖1 中：R1、R2為零點(diǎn)電位差外接電阻， 且R1=R2，一般為kΩ 級(jí)（M5VS 變送器配套提供為10 kΩ）。

VR 為零點(diǎn)電位差可調(diào)電阻， 在電解槽開車階段，未投入聯(lián)鎖前，通過調(diào)節(jié)此電阻將電位差調(diào)為零，一般為kΩ 級(jí)（M5VS 變送器配套提供為5 kΩ）。

R 為電位差變送器的輸入內(nèi)阻， 常用M5VS 變送器（此為超小型端子盤形信號(hào)變送器，可將直流信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)過程信號(hào)）此內(nèi)阻為1 MΩ。

隨著電解槽電解能力不同， 槽電壓也不同，一般為直流幾百伏（以UC=600 V 為例）。

按R1=R2=10 kΩ、VR=5 kΩ 計(jì)算

回路電阻：RH=R1+R2+VR=25 kΩ

回路電流：I0≈UC/RH=24 mA

電阻R1、R2功率約為5.76 W， 電阻處于發(fā)熱較大的狀態(tài)，電阻端子易出現(xiàn)老化現(xiàn)象，長期運(yùn)行還會(huì)改變電阻的性質(zhì)，甚至可能出現(xiàn)短路造成故障引起聯(lián)鎖停車。

按照此參數(shù)值選擇電阻還會(huì)造成電位器 （即可調(diào)電阻VR）分壓較大。 電位器轉(zhuǎn)動(dòng)很小的角度時(shí)輸出就有較大的變化，不易調(diào)零，延長了開車調(diào)試時(shí)間。

綜合以上的分析結(jié)果， 為了降低電阻的發(fā)熱量， 需適當(dāng)增大零點(diǎn)電位差回路電阻RH 阻值；為了提高調(diào)節(jié)精度，又需適當(dāng)減小零點(diǎn)電位差電位器的阻值，即增大外接R1、R2的阻值，減小VR 阻值。電阻R1、R2選40 kΩ、10W，可調(diào)電阻選2kΩ、1 W。

回路電阻：RH=R1+R2+VR=82 kΩ

回路電流：I0≈UC/RH=7.3 mA

電阻R1、R2功率約為2.14 W，工作狀態(tài)良好。

通過查閱M5VS 變送器的規(guī)格書， 確定輸入內(nèi)阻R 為1 MΩ，精度±0.1%，輸入量程為直流-2.5～+2.5 V，輸出為4～20 mA。 可得變送器最大輸入電流I2=2.5 μA，經(jīng)過計(jì)算，新選定的電阻值對(duì)測(cè)量的最大影響為0.3‰，滿足測(cè)量精度要求。

3 結(jié)語

零點(diǎn)電位差是靠連接與電槽的一個(gè)電橋來實(shí)現(xiàn)檢測(cè)的，開車時(shí)要通過可調(diào)電阻將壓差調(diào)到0 點(diǎn)，這是因?yàn)槊總€(gè)單元槽的特性不會(huì)一致， 上下半?yún)^(qū)的電壓也不會(huì)相同，初始?jí)翰钜膊粫?huì)為0，但這并不表示電解槽有故障， 按照常規(guī)操作將電位差調(diào)0 即可。 另外，槽溫變化、陰陽極液濃度變化、流量變化都會(huì)造成電解槽電阻變化，要將零點(diǎn)電位差聯(lián)鎖解除，正常之后重新投用。

電解槽電位差在投入聯(lián)鎖前調(diào)0 過程中，由于中間環(huán)節(jié)很多， 加上電解槽總電壓最高可達(dá)500 V以上，因此用簡(jiǎn)單信號(hào)發(fā)生器無法模擬現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際工況，而且由于最終測(cè)量的電壓變化范圍只有-2.5～2.5 V，因此有必要用專用的信號(hào)發(fā)生器對(duì)工況進(jìn)行模擬。 目前行業(yè)內(nèi)無專用校驗(yàn)儀對(duì)電解槽零點(diǎn)電位差進(jìn)行校驗(yàn)，在零點(diǎn)電位差出現(xiàn)誤差、異常波動(dòng)等現(xiàn)象時(shí)故障點(diǎn)查找困難，此問題可作為日后研究的方向，研制一種零點(diǎn)電位差專用的校驗(yàn)裝置，便于迅速準(zhǔn)確查找故障點(diǎn)， 保證零點(diǎn)電位差處于良好狀態(tài)。