離子膜電解槽槽電壓檢測(cè)系統(tǒng)的常見故障及改進(jìn)措施

白靜，董永兵，張征國，李愛軍

(陜西北元化工集團(tuán)股份有限公司，陜西 榆林 719319)

陜西北元化工集團(tuán)股份有限公司(以下簡(jiǎn)稱“陜西北元”)離子膜電解裝置共有24臺(tái)電解槽，每臺(tái)電解槽有200個(gè)單元槽，于2009年開始建設(shè)，2011年4條線正式投產(chǎn)。離子膜電解槽電壓是一項(xiàng)重要的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，在生產(chǎn)運(yùn)行中槽電壓的變化往往可以直觀反映出電解槽及離子膜的運(yùn)行狀況，單元槽電壓的準(zhǔn)確檢測(cè)是保證離子膜電解槽正常運(yùn)行的重要因素。

1 檢測(cè)離子膜電解槽槽電壓的重要性

1.1 影響離子膜槽電壓的主要因素

1.1.1 電流密度

電流密度升高，槽電壓隨之增加，電流效率相應(yīng)提高，所以在正常生產(chǎn)中，要綜合考慮，以達(dá)到降低電耗的目的[1]。

1.1.2 循環(huán)堿濃度

循環(huán)堿濃度越高，膜中含水率越低，膜電阻越大，槽電壓越高。

1.1.3 淡鹽水濃度

淡鹽水濃度越高，槽電壓越高，電流效率也上升，所以在生產(chǎn)中要合理控制淡鹽水濃度在一定范圍，實(shí)現(xiàn)電耗的最低。

1.1.4 陰陽極液循環(huán)量

陰陽極液循環(huán)量減少時(shí)，槽內(nèi)的液體中氣體含量增加，氣泡在膜及電極上的附著量增加，會(huì)引起槽電壓上升。

1.1.5 電解槽槽溫

溫度上升，離子膜的孔隙增大，提高了膜的導(dǎo)電性，降低了槽電壓。

1.1.6 鹽水中雜質(zhì)

鹽水中Ca2+、Mg2+含量過高，將會(huì)在陰極側(cè)形成氫氧化物沉淀，使槽電壓上升。鹽水中Fe3+含量過高，將會(huì)在膜上形成雜質(zhì)層，使槽電壓上升。Ba2+、Sr2+等雜質(zhì)含量過大時(shí)，會(huì)在離子膜內(nèi)形成結(jié)晶沉淀，使槽電壓上升。

1.1.7 陽極液pH值

陽極液pH值若小于2，全氟磺酸由—COONa型變?yōu)椤狢OOH型，膜內(nèi)部因發(fā)生水泡而受到損壞，使膜電阻升高，槽電壓上升。

1.1.8 電解槽壓力和壓差

電解槽壓力增大，電解液中氣體體積縮小，電解液電阻下降，槽電壓降低。因陽極電導(dǎo)率遠(yuǎn)大于陰極，故控制電解槽正壓差，使離子膜貼向陽極，降低槽電壓。

1.1.9 開停車次數(shù)及膜自身結(jié)構(gòu)、槽結(jié)構(gòu)等

每一次開停車都可能使壓差控制不穩(wěn)定，引起膜振動(dòng)，使膜受損，從而導(dǎo)致槽電壓上漲。

1.2 槽電壓反映出的離子膜電解槽特性

通過上述影響槽電壓的9條因素，可以發(fā)現(xiàn)單元槽電壓可以反映出離子膜電解槽的如下特性。

1.2.1 單元槽進(jìn)液軟管是否堵塞

若單元槽進(jìn)液軟管堵塞，造成陰陽極循環(huán)量降低，單元槽內(nèi)液體中氣體含量增加，氣泡在膜及電極上的附著量也增加，從而導(dǎo)致槽電壓上升。而離子膜單元槽進(jìn)液軟管堵塞，會(huì)導(dǎo)致離子膜干燒，爆炸事故發(fā)生。通過實(shí)時(shí)檢測(cè)槽電壓的上漲情況，可以有效地避免此類事故的發(fā)生。

1.2.2 及時(shí)判斷進(jìn)電解槽鹽水含雜質(zhì)情況

進(jìn)電解槽精制鹽水的雜質(zhì)含量，由中控化驗(yàn)人員每天進(jìn)行一次全分析，而不是實(shí)時(shí)檢測(cè)，若鹽水中雜質(zhì)含量超標(biāo)，通過化驗(yàn)檢測(cè)往往比較滯后。通過觀察電解槽的槽電壓上漲情況可以作為參考判斷條件。

1.2.3 通過單元槽電壓分析單元槽的離子膜性能、陰陽極涂層狀況

通過柱狀圖對(duì)比同一電流下各單元槽的槽電壓大小，可以對(duì)槽電壓過高、過低(與平均值之差≥150mv)單元槽進(jìn)行重點(diǎn)觀察，或停車拆開檢查，檢查離子膜是否分層，是否有針孔泄漏，單元槽陰陽極涂層是否脫落。

1.2.4 及時(shí)判斷電流、槽溫、堿濃度等電解槽運(yùn)行指標(biāo)

電解槽的電流、槽溫、堿濃度在正常工作情況下都是通過現(xiàn)場(chǎng)儀表檢測(cè)，但若某一時(shí)刻檢測(cè)儀表顯示故障，就會(huì)帶來控制偏差，引起電解槽的不正?？刂啤４藭r(shí)，若能實(shí)時(shí)關(guān)注槽電壓變化，便會(huì)及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題。陜西北元化工集團(tuán)電解裝置曾發(fā)生過如下事例，2019年，C線B槽單元槽電壓整體上漲，檢查槽溫、堿濃度、陽極液pH值、單元槽進(jìn)出液狀況等各方面指標(biāo)運(yùn)行正常，最終發(fā)現(xiàn)整流電流顯示偏低1 kA，導(dǎo)致電解槽實(shí)際電流偏大1 kA，聯(lián)系電氣人員進(jìn)行處理，最終恢復(fù)正常。

2 現(xiàn)有槽電壓檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)原理及存在問題

2.1 現(xiàn)有槽電壓檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)原理

2.1.1 單元槽電壓的檢測(cè)

每臺(tái)電解槽有200單元槽，每個(gè)單元槽通過電纜連接至槽尾槽電壓檢測(cè)柜內(nèi)，電解裝置崗位人員每天在槽電壓檢測(cè)柜內(nèi)用萬用表檢測(cè)單元槽電壓并進(jìn)行記錄，最終錄入電子版。電解槽管理人員定期對(duì)單元槽電壓進(jìn)行分析，總結(jié)電解槽的運(yùn)行情況。此外，將每7臺(tái)單元槽劃分為一組，并將組電壓信號(hào)通過電壓變送器送至DCS監(jiān)控，在DCS內(nèi)部又取了7臺(tái)單元槽的平均值，當(dāng)單元槽電壓平均值大于高高限時(shí)聯(lián)鎖單槽停車。

2.1.2 單臺(tái)電解槽槽電壓的檢測(cè)

當(dāng)某一組中的某一個(gè)單元槽電壓已經(jīng)升高，但組電壓并未達(dá)到報(bào)警或聯(lián)鎖值，也不會(huì)產(chǎn)生報(bào)警或聯(lián)鎖動(dòng)作，這種情況比較危險(xiǎn)，為了彌補(bǔ)組電壓偏差報(bào)警這一缺陷，設(shè)置了不平衡電壓與不平衡電壓變化率報(bào)警與聯(lián)鎖功能。

每臺(tái)電解槽槽尾配置有槽電壓偏移檢測(cè)系統(tǒng)，目前在用的是隨電解槽附帶的PLC系統(tǒng)。它采用惠斯通電橋測(cè)量原理，對(duì)電解槽的電壓對(duì)稱進(jìn)行監(jiān)測(cè)。每臺(tái)電解槽分為前半槽與后半槽，前半槽設(shè)置有不平衡電壓U1，不平衡電壓變化率dU1，后半槽不平衡電壓U2，不平衡電壓變化率dU2。當(dāng)不平衡電壓超過報(bào)警值時(shí)，通過PLC輸出報(bào)警和聯(lián)鎖信號(hào)至DCS。另外，通過PLC計(jì)算輸出不平衡電壓變化率報(bào)警和聯(lián)鎖信號(hào)至DCS，如圖1。

U1=U1-50-U1-100/2，

式中，U1-50指1號(hào)至50號(hào)總電壓，U1-100指1號(hào)至100號(hào)總電壓。

單位時(shí)間內(nèi)不平衡電壓的變化率為：

dU1=ΔU1/Δt。

U2=U101-150-U101-200/2，

式中，U101-150指101號(hào)至150號(hào)總電壓，U101-200指101號(hào)至200號(hào)總電壓。

單位時(shí)間內(nèi)不平衡電壓的變化率為：

dU2=ΔU2/Δt。

單臺(tái)電解槽總電壓U=U1-100+U101-200，當(dāng)U大于聯(lián)鎖設(shè)定值時(shí)，聯(lián)鎖單槽停車。

當(dāng)電流不低于4 kA時(shí)，不平衡電壓U1，U2，電壓變化率dU1、dU2聯(lián)鎖投入。隨著電解槽運(yùn)行年限的增加，離子膜性能逐漸下將，不平衡電壓U1、U2會(huì)增大，有時(shí)會(huì)遠(yuǎn)超出聯(lián)鎖值，在無其他特殊情況時(shí)，認(rèn)為此種不平衡度在這一時(shí)間段內(nèi)正常，這就要求對(duì)不平衡電壓進(jìn)行清零。即設(shè)置補(bǔ)償值OFFSAT等于實(shí)際值，此時(shí)不平衡電壓顯示值C1就等于0。

C1=U1-OFFSAT值(補(bǔ)償值)

在此基礎(chǔ)上，若C1大于高限，則報(bào)警，大于高高限，則聯(lián)鎖停車。

在電解槽開車升電流時(shí)，當(dāng)電流到達(dá)2.7 kA時(shí)進(jìn)行不平衡電壓清零，建立一個(gè)新的起點(diǎn)。

2.2 現(xiàn)有槽電壓偏移檢測(cè)系統(tǒng)存在問題

(1)受使用年限以及現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境影響，電解槽電壓偏移PLC系統(tǒng)(看門狗)的各類硬件相繼出現(xiàn)故障，而且某些硬件已經(jīng)停產(chǎn)，無法采購到相同的備件，影響電解設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行。

(2)槽電壓偏移PLC控制柜放置于電解廠房二樓，因溫度過高，PLC控制柜內(nèi)部元器件很容易燒毀或死機(jī)，陜西北元離子膜電解裝置因PLC內(nèi)部元件燒毀或死機(jī)引起的誤停車次數(shù)每年平均達(dá)5次之多。

(3)不平衡電壓變化率誤動(dòng)作停車次數(shù)遠(yuǎn)大于正常檢測(cè)觸發(fā)停車，陜西北元離子膜電解裝置自2011年開車以來，電壓變化率引發(fā)的停車事故皆為誤動(dòng)作引起。

(4)崗位人員每天檢測(cè)一次單元槽電壓，而DCS傳輸?shù)氖敲?個(gè)一組的組電壓，不能實(shí)現(xiàn)單元槽電壓的實(shí)時(shí)檢測(cè)。

(5)電解廠房二樓溫度高，有時(shí)可達(dá)50 ℃，崗位人員用萬用表檢測(cè)人工檢測(cè)記錄單元槽電壓工作量大，工作環(huán)境差。尤其是在電解槽開車時(shí)，手動(dòng)檢測(cè)槽電壓工作效率低，嚴(yán)重影響開車進(jìn)度。

3 改進(jìn)后槽電壓檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)原理及優(yōu)勢(shì)分析

3.1 改進(jìn)后槽電壓檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)原理

3.1.1 改進(jìn)后單元槽電壓的檢測(cè)原理

在原電解槽槽尾單元槽電壓檢測(cè)柜內(nèi)，分別用電纜自接線端子另一側(cè)引出單元槽電壓至新增PLC就地柜帶保險(xiǎn)的接線端子，單元槽電壓在就地柜內(nèi)被轉(zhuǎn)化為通訊信號(hào)。就地柜內(nèi)的交換機(jī)和光電轉(zhuǎn)換器將單元槽電壓通訊信號(hào)經(jīng)由光纜傳輸至控制柜(如圖2所示)?？刂乒癜琍LC在內(nèi)，PLC通過MODBUS TCP通訊獲得來自就地柜的單元槽電壓，并通過上位機(jī)進(jìn)行顯示，主控室操作人員可以實(shí)時(shí)在線監(jiān)控每臺(tái)電解槽的單元槽電壓。

B、C線各線連接示意與相同；S—tkUCES供貨；B—最終用戶供貨圖2 改進(jìn)后槽電壓的檢測(cè)原理

3.1.2 調(diào)整原槽電壓偏移PLC控制柜(看門狗)內(nèi)設(shè)備

(1)原槽電壓偏移控制柜內(nèi)的前后半?yún)^(qū)不平衡電壓檢測(cè)模塊SC-2和SC-4予以保留，模塊輸出量程為-10～+10 V，安裝在新槽電壓檢測(cè)PLC系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)柜內(nèi)。

(2)原槽電壓偏移控制柜內(nèi)的前后半?yún)^(qū)電壓檢測(cè)模塊SC-1和SC-3予以保留，模塊輸出量程為0～+10 V，安裝在新槽電壓檢測(cè)PLC系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)柜內(nèi)。

(3)原槽電壓偏移控制柜內(nèi)的總電流檢測(cè)模塊SC-5取消，新的電流取自整流電流，由硬線傳輸至新PLC系統(tǒng)I/O接線端子。

(4)原槽電壓偏移控制柜內(nèi)的總電壓檢測(cè)模塊SC-6取消，總電壓由前半槽電壓與后半槽電壓取和所得，并由PLC通過I/O接線端子硬線輸出至DCS。

(5)原槽電壓偏移控制柜惠斯通電橋保留，繼續(xù)為前后半?yún)^(qū)不平衡電壓和前后半?yún)^(qū)電壓檢測(cè)使用。

(6)原槽電壓偏移控制柜內(nèi)的PLC取消。包括PLC輸出的前后半?yún)^(qū)不平衡電壓報(bào)警和聯(lián)鎖點(diǎn)、前后半?yún)^(qū)不平衡電壓變化率報(bào)警和聯(lián)鎖功能點(diǎn)、總電壓的報(bào)警和聯(lián)鎖點(diǎn)、總電流的顯示點(diǎn)。原槽電壓看門狗(Watchdog)是以多個(gè)單元槽為一組，檢測(cè)一組的電壓來判斷電解槽的運(yùn)行工況，當(dāng)組電壓高于報(bào)警、聯(lián)鎖值時(shí)，產(chǎn)生報(bào)警、聯(lián)鎖動(dòng)作。但是，如果某一組中的某一個(gè)單元槽的電壓已經(jīng)升高，未達(dá)到報(bào)警或聯(lián)鎖值，也不會(huì)產(chǎn)生報(bào)警和聯(lián)鎖動(dòng)作，那就比較危險(xiǎn)，為了彌補(bǔ)組電壓偏差報(bào)警的這一缺陷，設(shè)置了電壓的變化率報(bào)警和聯(lián)鎖功能，只要某單元槽電壓發(fā)生變化并且變化率超出設(shè)定范圍，就產(chǎn)生電壓變化率的報(bào)警或聯(lián)鎖。另外，如果整流器輸出電流發(fā)生波動(dòng)，同樣也會(huì)造成電壓變化率的變化，甚至誤動(dòng)作聯(lián)鎖停車。改造后，新系統(tǒng)的槽電壓監(jiān)測(cè)是以每個(gè)單元槽的電壓檢測(cè)為基礎(chǔ)的，只要單元槽電壓超過自身的報(bào)警和聯(lián)鎖范圍，即產(chǎn)生報(bào)警和聯(lián)鎖動(dòng)作。所以，在使用了新系統(tǒng)的聯(lián)鎖保護(hù)功能的前提下，原有的不平衡電壓變化率的報(bào)警和聯(lián)鎖功能已無太多意義，可以取消。

3.1.3 新槽電壓檢測(cè)PLC系統(tǒng)內(nèi)硬件設(shè)置

每臺(tái)電解槽由2個(gè)PLC的I/O基板，分別對(duì)應(yīng)電解槽的前、后半?yún)^(qū)[2]。柜內(nèi)硬件設(shè)置如下。

(1)槽電壓偏移控制柜內(nèi)的前后半?yún)^(qū)不平衡電壓檢測(cè)模塊SC-2和SC-4輸出信號(hào)接入新槽電壓檢測(cè)系統(tǒng)前半?yún)^(qū)PLC的I/O基板上的空余通道，并將量程改為-10～+10 V。

(2)槽電壓偏移控制柜內(nèi)的前后半?yún)^(qū)電壓檢測(cè)模塊SC-1和SC-3輸出信號(hào)接入新槽電壓檢測(cè)系統(tǒng)后半?yún)^(qū)PLC的I/O基板上的空余通道，并將量程改為0～+10 V。

(3)每條線的新槽電壓檢測(cè)PLC系統(tǒng)增加6個(gè)AO點(diǎn)，用于將總電壓通過4～20 mA信號(hào)輸出至DCS顯示；增加24個(gè)DO點(diǎn)和相應(yīng)的DO繼電器，用于將前后半?yún)^(qū)的不平衡電壓的高高報(bào)警和聯(lián)鎖信號(hào)輸出至DCS[3](用作電解槽報(bào)警和聯(lián)鎖信號(hào)，1個(gè)框架占用2個(gè)DO點(diǎn)，其中1個(gè)點(diǎn)用于報(bào)警，1個(gè)點(diǎn)用于聯(lián)鎖)。

3.1.4 DCS控制系統(tǒng)側(cè)調(diào)整

(1)刪除由槽電壓偏移PLC(看門狗)通訊至DCS畫面顯示的前后半?yún)^(qū)的總電壓、不平衡電壓、不平衡電壓變化率和總電流信號(hào)。

(2)總電壓信號(hào)、不平衡電壓聯(lián)鎖信號(hào)，由新槽電壓檢測(cè)PLC系統(tǒng)提供，并刪除不平衡電壓變化率的報(bào)警和聯(lián)鎖?？傠妷盒盘?hào)的聯(lián)鎖邏輯仍由DCS完成。

3.1.5 新槽電壓監(jiān)控PLC系統(tǒng)功能

(1)原槽電壓偏移控制系統(tǒng)的不平衡電壓計(jì)算功能在新槽電壓檢測(cè)PLC系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)，不平衡電壓的顯示和調(diào)零在新槽電壓檢測(cè)PLC系統(tǒng)的上位機(jī)上設(shè)置。

(2)新槽電壓監(jiān)控PLC系統(tǒng)通過RS485通訊引入DCS控制系統(tǒng)的燒堿濃度，槽溫，燒堿累計(jì)流量，用于自動(dòng)計(jì)算電解槽的電流效率，修正槽電壓等參數(shù)。

3.2 改進(jìn)后槽電壓檢測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)分析

(1)實(shí)現(xiàn)電解槽每個(gè)單元槽槽電壓實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為進(jìn)一步分析電解槽運(yùn)行情況提供基礎(chǔ)信息。

(2)降低崗位人員勞動(dòng)強(qiáng)度，避免崗位人員長(zhǎng)時(shí)間在高溫區(qū)域工作，提高開車效率，節(jié)約電解槽開車時(shí)間。

(3)降低電解槽由于接線松動(dòng)誤停車概率，避免崗位人員長(zhǎng)期測(cè)量槽電壓而導(dǎo)致接線松動(dòng)聯(lián)鎖停車。

(4)移除槽尾電壓偏移PLC控制柜，避免溫度過高引發(fā)的PLC模塊燒壞、死機(jī)等單槽誤停車事故。

(5)取消了不平衡電壓變化率報(bào)警與聯(lián)鎖，避免了電解槽誤停車次數(shù)。

4 結(jié)論

離子膜電解槽的槽電壓可以體現(xiàn)出離子膜的多方面運(yùn)行指標(biāo)，在日常工作中，若能實(shí)時(shí)關(guān)注槽電壓變化，對(duì)電解槽的安全穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行起著決定性作用。本次電解槽槽電壓檢測(cè)系統(tǒng)的改造，可以有效地實(shí)現(xiàn)每個(gè)單元槽電壓的實(shí)時(shí)檢測(cè)，同時(shí)避免原槽電壓偏移裝置的誤停車事故，減輕電解裝置崗位人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，為電解槽的科學(xué)管理奠定基礎(chǔ)。