對評估離子膜電解槽電能利用率的若干認識

(廣州市老科技工作者協(xié)會，廣東 廣州 510600)

長期以來，對于燒堿電耗的考核一直延用考核直流電單耗的辦法，未將整流設(shè)備的效率列入考核內(nèi)容。為更完整地反映產(chǎn)品電耗狀況，國家計量局、中國儀器儀表學(xué)會發(fā)布過《關(guān)于整流設(shè)備的整流效率及其供電對象的電能利用率測算方法》[1]的技術(shù)規(guī)范。此規(guī)范適用于大功率用電的電化學(xué)、電冶金等行業(yè)?；谡骷夹g(shù)和電解設(shè)備的更新?lián)Q代，當(dāng)前可控硅整流器取代了不可控(二極管)整流器，離子膜電解槽取代了隔膜電解槽，筆者對電解槽的電能利用現(xiàn)狀及其實際意義進行了簡單地探討。

1 電能利用率及其確定方法

“規(guī)范”的定義：

電能利用率=整流效率×電壓效率×電流效率。

對于電解槽而言，電能利用率就是指由電解槽的電壓效率、電流效率及其供電設(shè)備效率所構(gòu)成的綜合電效率。

1.1 整流效率的確定[2]

式中：

輸出直流功率=輸出直流電流×輸出直流電壓；

整流設(shè)備總損耗=調(diào)壓變損耗+整流變損耗+

整流器損耗+輔助設(shè)備損耗。

(1)調(diào)壓變壓器(以下簡稱“調(diào)壓變”)損耗=

空載損耗(鐵損)+短路損耗(銅損)。

(2)整流變壓器(以下簡稱“整流變”)總損耗=

鐵損+銅損+雜散損耗(渦流、諧波影響)。

調(diào)壓變和整流變的損耗在出廠試驗報告和設(shè)備銘牌中均有標(biāo)示。但是，這里所提供的數(shù)據(jù)均是指輸出電壓和電流均為額定值的鐵損和銅損，而在實際運行過程中，往往輸出電流和電壓都不是額定值，因此，要對其實際損耗值進行修正。

調(diào)壓變的損耗修正方法與調(diào)壓電路形式有關(guān)，可參考《電化學(xué)整流設(shè)備若干特殊問題》[3]。

整流變的雜散損耗一般取其額定銅損的10%～15%(輸出電流較小時取低值，輸出電流較大時取高值)。

(3)整流損耗的確定。

整流器損耗包括整流元件、快速熔斷器、連接銅排等的損耗。通常情況下，制造廠家一般不提供損耗數(shù)據(jù)。

由于以上各損耗值與通過電流及其直流總壓降值成正比，可按下式計算：

整流器損耗=直流總壓降×直流電流。

式中：直流總壓降以整流元件壓降為主，且基本不變。三相全控橋晶閘管整流器的總壓降為5～6 V，負荷較高時取6 V。

(4)整流效率的測量驗證[4]。整流效率亦可通過測量的方法加以驗證。

在運行過程中，同時測量其直流功率和交流功率，求出前者與后者的比值，便是運行實際效率(瞬時值)。

直流功率可利用在線的直流計量裝置測出，交流功率可在高壓配電柜的二次回路臨時裝接的功率表測出，操作簡單可行。有的企業(yè)雖有交流功率表，但其誤差較大，該表只供顯示用，其準(zhǔn)確度為1.5級，測量用的交流功率表的準(zhǔn)確度要求在0.5級以上。

1.2 電壓效率的確定[5]161-163

電壓效率=

(表觀分解電壓Et/槽電壓Uc)×100%。

式中：表觀分解電壓通常以標(biāo)準(zhǔn)槽溫90 ℃、陰極液質(zhì)量分數(shù)為32%作參考條件，其值在2.35～2.39 V,本文中取2.37 V。

槽電壓等于表觀分解電壓加上總等效壓降。其簡化計算式為：

Uc=E++K·Ic。

式中：K為電解槽電壓與電流密度比例特性值，0.5 mm膜極距電解槽，K的典型值為0.14 V·m2/kA；Ic為電解槽的電流密度，低電流密度電解槽的Ic為2.0～4.0 kA/m2，高電流密度電解槽的Ic為4～6 kA/m2。

1.3 電流效率的確定[5]159-161

電流效率是指生產(chǎn)單位質(zhì)量燒堿的理論電荷量占實際電荷量的百分數(shù)。

影響電流效率的因素共有8個，其中離子膜的特性和運行時間直接影響電流效率，本文中取其平均值，為95%。

2 電能利用率估算實例

2.1 估算條件

2.1.1 電解槽

復(fù)極式離子膜電解槽陽極面積為2.7 m2；高電流密度自然循環(huán)電解槽極距為0.5 mm，140臺單元槽串聯(lián)。

2.1.2 整流設(shè)備

晶閘管(可控硅)整流裝置：額定容量為8 000 kV·A，三相全控橋式接線，額定直流電流為16.5 kA,直流電壓為460 V。整流變(不帶調(diào)壓變)額定鐵損為18.5 kW，額定銅損為162.4 kW。估算過程略，估算結(jié)果如表1所示。

表1 電能利用率估算結(jié)果Table 1 The result of power efficiency estimation

2.2 估算結(jié)論

(1)電壓效率為85.2%～74.0%，最高與最低值相差11.2%，與電流密度成反比。

(2)整流效率為96.5%～97.2%，最高與最低值相差0.7%。其最高值出現(xiàn)時，負荷率為66.6%。負荷率增大或減少時，整流效率略有下降。

(3)電能利用率為78.3%～67.8%，最高與最低值相差10.5%，與電解槽電流密度成反比；電解槽電流每增大1 000 A，電能利用率平均降低1.30%。

3 電能利用率對優(yōu)化運行方式的參考意義

3.1 有利于進一步挖掘設(shè)備節(jié)電潛力

整流效率反映出整流設(shè)備損耗數(shù)據(jù)和效率水平。通過該次估算，對于已定型的整流設(shè)備而言，可發(fā)現(xiàn)在哪一種負荷率下運行的效率高。對于新建氯堿項目而言，可結(jié)合概率較高的負荷率設(shè)計出相應(yīng)較高效率的整流設(shè)備。所例舉實例的最高整流效率為97.2%，所對應(yīng)的負荷率為66.6%，表明設(shè)備經(jīng)常不在效率最高水平上運行。

3.2 為電解槽電流密度優(yōu)化提供參考方案

氯堿企業(yè)會隨氯堿市場供求情況的變化調(diào)整產(chǎn)量。在改變電解槽電流密度時，擁有多個系列電解槽的企業(yè)要根據(jù)各系列電解槽的槽齡和技術(shù)狀況的不同，相應(yīng)地調(diào)整電流密度；對于實行國家峰谷電價政策的企業(yè)，在每天不同時段也要調(diào)整電解槽的電流密度，所以，改變電解槽電流密度的情況，企業(yè)常遇到。在編制運行方案時，如將電能利用率列為必須考慮的因素，在方案擇優(yōu)中將有更多的對比，并可從電流密度動態(tài)管理中收到節(jié)電效果。

3.3 驗證直流計量的準(zhǔn)確性以提高計量質(zhì)量

用于直流電能計量的直流大電流傳感器及二次儀表一直沒有納入國家或行業(yè)的規(guī)范管理范圍內(nèi)，對其準(zhǔn)確度一直沒有限定。

通過整流效率的理論計算和實際測量對比，可以核準(zhǔn)其準(zhǔn)確度，發(fā)現(xiàn)問題及時改進計量質(zhì)量，以充分發(fā)揮儀表的監(jiān)測作用。

4 結(jié)語

電流密度取決于多種綜合因素，電能利用率只是參考因素之一；該估算實例的參數(shù)大多取的是典型值，各單位的實際情況千差萬別，應(yīng)按各自的實際情況估算才有意義。離子膜法燒堿生產(chǎn)已取得了顯著的節(jié)電效果，為了進一步挖掘節(jié)電潛力，建議從提高電能利用率入手，結(jié)合各單位的實際，設(shè)計更高效率的整流設(shè)備，優(yōu)化電解槽電流密度，雙管齊下，獲得更多的節(jié)電效果。