離子膜電解整流裝置相關參數的控制及運行維護

劉宏，龐智強，賈培偉

(新疆華泰重化工有限責任公司，新疆 烏魯木齊 830019)

新疆華泰重化工有限責任公司(以下簡稱“華泰重化工”)擁有50萬t/a離子膜燒堿規(guī)模，二期30萬t/a離子膜燒堿于2010 年10月建成投產。二期離子膜燒堿生產裝置采用藍星(北京)化工機械有限公司NBZ-2.7自然循環(huán)膜極距電解槽，單臺生產能力2.5萬t/a,共有150個單元槽，設計電流14.85 kA，運行電流13.5 kA。

離子膜整流裝置的進線電壓選擇35 kV，選用35 kV整流變壓器，采用“一拖二”并聯運行方式，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。共有16臺膜極距離子膜電解槽。

整流變壓器共8臺，整流變壓器型號為 ZHSFPT-16700 /35，主變兩側下部出線，所帶負載為并聯關系，主變散熱系統(tǒng)采用強油風冷方式。主變調壓范圍70%～105%，有載開關選用27級等差調壓，根據運行情況可通過整流控制系統(tǒng)升降變壓器擋位，將控制角控制在最佳狀態(tài)，即5°～15°之間，可有效提高整流設備功率因數，降低整流設備的無功損耗。

1 整流變壓器參數的控制

整流變壓器的油冷卻器采用強油風冷卻，分別由3組油泵和3組散熱器帶風機組成。

油溫實現DCS實時監(jiān)控，油溫指示控制器為BWY-804型系列溫度指示控制器，其用于測量和控制大型變壓器的油溫，并且附帶有溫度指示儀，可通過遠傳信號將溫度指示遠傳至 DCS控制中心，在控制中心計算機界面顯示變壓器油溫，這樣可以做到實時監(jiān)控，對變壓器油溫作出適時調整。

為確保油風冷卻器運行良好，變壓器油溫是通過強制油循環(huán)風冷冷卻，每組油冷都有1個強制循環(huán)泵來保證油量循環(huán)。 在夏季高溫天氣時，3組油風冷卻器全開時，變壓器油溫高達65 ℃，因此，在進入高溫天氣時務必確保油風冷卻器3個循環(huán)泵及管件密封處于優(yōu)良的運行狀態(tài)。在冬季，3個循環(huán)泵開2備1，即可滿足冷卻要求。

整流變壓器有載調壓開關設有自動和手動兩種調壓方式。

(1)自動調壓方式。整流變壓器有載調壓開關與整流器控制角α聯動調擋，控制角α設定范圍為5°～25°。當控制角α超出上述范圍后，控制器發(fā)出調擋請求，自動聯動有載調壓開關進行調擋。整流變壓器為一機二槽方式運行，1臺整流器控制角α達到設定值范圍，控制器發(fā)出調擋請求，自動聯動有載調壓開關進行調擋。在實際運行中控制角α低于5°容易造成電流波動，所以只要1臺整流控制系統(tǒng)控制角α低于5°就必須升擋，提高閥側電壓，增大控制角α，保障電槽設備電流穩(wěn)定。反之,當整流設備控制角α高于25°時必須是兩臺同時滿足條件，才可以進行降壓動作，原因是兩臺整流設備α控制角大，不會造成電流波動，不影響設備穩(wěn)定運行，其中還有升降電流造成的兩臺設備控制角α不同，電槽新舊程度等原因都會造成相同設備、相同負荷但是控制角不同的差別。

(2)手動調壓方式。當控制角α(5°≤α≤25°)超過設定值范圍上限或下限時，控制器即發(fā)出調擋請求。操作人員可在上位機或本控機上在手動方式下對整流變壓器有載調壓開關擋位進行升/降擋操作。

正常運行狀況下，整流變壓器有載調壓開關應設置在“手動方式”調節(jié)，一般不設置“自動方式”調節(jié)。在升/降電流的過程中嚴禁調擋；在升電流前或降電流后可根據整流器α控制角的范圍進行擋位的調節(jié)，以避免擋位調節(jié)過程中電流有過大的波動，影響電解槽正常工作。

整流變壓器瓷瓶安裝在35 kV進線端， 因此其日常維護非常重要。整流變壓器瓷瓶須定期清灰、清理油污，保持清潔。瓷瓶處的進線電纜應做好絕緣保護，防止瓷瓶處與銅排尖端放電、拉弧產生大電流而引起電纜發(fā)熱，導致相間或對地絕緣擊穿，造成保護動作跳閘；并要嚴格控制電網諧波，防止運行中產生過電壓、涌流而發(fā)生事故。

2012年11月19日16:30，3#整流變壓器35 kV側A相電纜頭接地，急停5#、6#離子膜電解槽。35 kV母線發(fā)生單相接地報警后，現場人員巡檢發(fā)現3#整流變壓器35 kV側A相電纜冒煙，電氣人員立即啟動緊急停車停電應急預案，急停5#、6#離子膜電解槽后，斷開3#整流變壓器35 kV側電源，并做好停電、驗電、掛接地線工作。在重新制作35 kV單芯電纜頭，進行電纜耐壓試驗后，送電恢復生產。

造成該次事故的原因如下。

(1)瓷瓶固定的導電桿與電纜連接處發(fā)熱，引起電纜發(fā)熱而破壞絕緣，造成35 kV母線發(fā)生單相接地報警。

(2)電纜頭安裝時天氣寒冷，電纜頭制作不嚴格，有絕緣損傷，當通過大電流時，因發(fā)熱，絕緣繼續(xù)降低，直到被擊穿而對地短路。

(3)電網諧波過電壓、涌流對電力設備、電纜的絕緣薄弱部分更容易造成絕緣破壞。

(4)電纜終端處灰塵引起放電。

總之，整流變壓器在日常維護中，瓷瓶和電纜頭的清掃工作、電網諧波的控制對絕緣保護都很重要，可減少停電事故。

整流變壓器每年須更換1次有載開關內的變壓器油，做1次變壓器油色譜分析， 每3 年進行1次有載調壓開關抽芯檢查[1]。

2 整流柜的運行和參數控制

整流柜共有16 臺，輸出電壓為530 V，電流為16 200 A，冷卻方式為純水冷卻，連接方式為交流后下進線、 直流側上出線。每個整流柜由2組三相全控橋整流電路構成同相逆并聯連接，單機組6脈波整流。移相范圍為0°～150°，觸發(fā)脈沖輸出為雙窄脈沖。同步信號取自整流變壓器閥側，采用數字雙通道熱備用控制器，實時監(jiān)測工作通道和備用通道是否工作正常。

如果工作通道發(fā)生故障，自動將備用通道切換為工作通道，并指示出故障通道。 整流柜運行時易出現橋臂過熱、純水冷卻裝置冷卻水管路超溫及滲漏水等故障。

整流柜橋臂過熱檢測溫度為65 ℃ ，運行中出現橋臂過熱報警時要針對實際情況進行處理。

(1)由于多臺整流柜共用 1 套純水冷卻裝置，柜內冷卻支路較多， 每次檢修冷卻水路后， 大量空氣滯留在個別橋臂或水套冷卻支路內，一旦進入管路內，就會造成水流不暢。當橋臂溫度超過65 ℃ 時，就會出現橋臂過熱報警。

處理辦法：適當開大整流柜的進水閥門，增加整流柜的水流量及水壓，使堵塞的氣泡循環(huán)至純水冷卻裝置的水氣分離器后排出，正常后把該進水閥門的開度還原。

(2)長期運行中的整流柜出現橋臂過熱報警，多為電腐蝕或雜質堵塞冷卻水路造成的。

處理辦法：根據報警指示和采用手持式紅外線溫度儀確定堵塞部位后，停運整流設備，并進行疏通。

(3)在夏季，當整流柜運行環(huán)境的氣溫較高且濕度較大時，如果冷卻水溫度低于結露溫度， 水蒸氣將在水套表面凝成水珠，使絕緣體表面的絕緣強度降低，導致橋臂上安裝的溫度繼電器誤動作而發(fā)出報警。

處理辦法：當整流柜橋臂、水套凝結大量水珠造成誤報警時，立即關閉純水冷卻裝置的循環(huán)水控制閥門，使整流柜冷卻水回水溫度升高至38 ℃左右；待凝結的水珠蒸發(fā)后，再將整流柜回水溫度調整至合適溫度。

整流柜回水溫度超過 45 ℃報警(回水溫度冬季一般控制在 20～25 ℃，夏季控制在38 ℃左右)。在巡檢時，一旦發(fā)現冷卻水回水溫度超過38 ℃，就須立即調整純水冷卻裝置的循環(huán)水控制閥門，將冷卻水降至合適溫度。

注意：調節(jié)時不要忽大忽小，要緩慢平穩(wěn)，以免影響冷卻水壓力；要注意循環(huán)水的壓力不要太大，以免循環(huán)水滲漏到主水(整流柜冷卻用純水稱為主水)內，引起副水(冷卻純水的循環(huán)水稱為副水)壓力大于主水壓力，水質下降。

整流柜冷卻水壓力要求整流柜冷卻水水壓低于0.06 MPa時，先發(fā)出報警信號。

如果在設定的60 s內沒能消除故障，則整流裝置雙通道計算機控制柜封鎖觸發(fā)脈沖，使整流柜直流輸出降到零，以保證晶閘管元件不會過溫損壞。

冷卻水壓力應控制在0.15 MPa左右。 在巡檢過程中，一旦發(fā)現壓力有波動，應及時查找原因，消除故障；管路有滲漏時，應及時修復； 有影響冷卻水壓力的作業(yè)活動時，應采取適當措施，防止因壓力降低而引起保護封鎖觸發(fā)脈沖，甚至跳閘停車。

3 整流裝置直流電流的控制[2]

(1)整流裝置的軟啟時間設置及輸出電流設置：輸出電流參數按工藝要求設置，要求每分鐘運行500 A 電流?，F設置輸出運行電流為12 000 A ，需升/降500 A。點按輸出電流設置對話框，寫入電流升/降累加或累減值為12 500 A 或11 500 A。寫入電流值后按確定鍵，輸出電流返回值與設定值相符時，參數設置成功。

(2)自動運行方式下，操作人員可以修改“輸出電流設置”參數，可以根據“輸出電流返回”值判斷參數是否設置成功。

(3)自動運行方式下，操作人員可以修改“軟啟動時間設置”參數，可以根據“軟啟動時間返回”值判斷參數是否設置成功。“軟啟動時間”是指輸出電流從 0 上升到額定直流輸出電流所花費的時間，此參數決定了電流上升的速率。手動運行方式下，操作人員可以修改“控制角設置”參數，可以根據“控制角返回”值判斷參數是否設置成功，設備調試時使用此方式。

(4)直流輸出電流達到設定值后，可以通過增、減按鈕操作改變輸出電流。增減輸出操作在本質上直接改變的是調節(jié)器的給定值，可在上位機上進行。

4 整流控制柜的運行和控制

整流控制柜共有16臺，采用雙通道計算機控制PLC監(jiān)視系統(tǒng)，由雙通道全數字調節(jié)觸發(fā)控制系統(tǒng)、觸摸屏及計算機網絡通信接口組成。

(1)出現報警信號的處理方法。當出現報警信號時，要立即解除報警音響，并根據報警故障指示，迅速查找原因；消除故障后，再按“故障復位”按鈕。

(2)在正常運行過程中，A、B通道不能切換，停機時應及時檢修，確?；閭溆谩?/p>

(3)“電源缺相”故障處理。同步電源取至整流變閥側母排，經同步變壓器變壓后送至觸發(fā)控制板。出現“電源缺相”報警時，要檢查整流變投運情況，檢查同步變壓器二次側AT、BT、 CT 相電壓12 V時的運行情況；如不正常，要更換同步變壓器。

(4)給定電流不能升降的情況?？赡苁遣僮髌髋c控制器通信故障，或是雙通道熱備用控制器故障。

5 純水裝置的日常維護

在整流柜日常運行過程中，由于電流的熱效應會產生熱量，須對晶閘管等設備降溫，確保變流元件正常運行。

(1)在循環(huán)過程中，在各種因素的影響下，水質不斷下降，為此須設置離子交換器進行水質凈化，維持純水水質。在日常維護過程中，須定期進行水質化驗，以便及時處理水質變差的高純水。

(2)由于橋臂母排及水套水閥內徑較小，為防止長期運行中產生的電腐蝕堵塞冷卻管路，整流柜冷卻水水質要求為：懸浮物質量濃度不超過30 mg/L， pH 值為6～9， 硬度(以氧化鈣濃度計)不超過4.28 mmol/L，進口壓力不低于0.15 MPa，進水溫度為5～30 ℃，電阻率大于1 MΩ·cm。在運行期間，如果水質不合格，須對整流柜的純水冷卻水進行置換(平均每兩個月置換 1 次)。每次在設備停運檢修時，須徹底排空冷卻管路內的純水后，再注入合格的純水以確保冷卻水水質合格。

(3)泵采用雙泵組合設計，兩泵互為備用，可根據水壓自動切換電路。如果工作泵發(fā)生故障，備用泵就會自動啟動工作，泵切換時間不大于0.5 s。換向閥自動換向并發(fā)出信號，可不停機對故障泵進行檢修。

(4)設計中采用自動切換電路和自動單流的指揮閥門，工作泵萬一發(fā)生故障，工作電路立即轉換，備用泵同時投入運行，單流閥自動換向，無需操作閥門，水壓就可以瞬間恢復，且不停機對故障泵進行檢修，保障了純水裝置工作的連續(xù)可靠性。

(5)在實際生產中，啟動備用泵的條件為純水壓力低，無論工作泵狀態(tài)如何，都啟動備用泵。應該注意的是，工作泵和備用泵的電源應為兩路不同的電源。

6 直流大電流測量儀的運行

電流傳感器采用16臺DC-CT霍爾直測式直流大電流傳感器，每臺整流單元配1套，最大測量電流為20 kA，輸出DC 4～20 mA、0～5 V信號，現場就地安裝無干擾，安裝方便，系統(tǒng)精確度為0.1%。傳感器具有正反測功能并帶有逆電流報警門限，完成電流測量、報警，可以輸出多種信號，提供RS-485 總線接口，方便連接計算機。電流測量儀故障造成整流柜輸出直流電流波動，可能導致整流柜實際輸出電流升高或降低而電流儀表顯示正常。

原因分析：大電流直流測量儀電路板上精密電位器電阻使輸出的控制信號(0～5 V)比實際值發(fā)生漂移(降低或升高)，正常時系統(tǒng)在自動穩(wěn)流狀態(tài)下工作。 直流反饋信號(假信號)達到給定值，觸發(fā)控制器CPU調節(jié)運算，對換相角α進行調節(jié)。

處理方法：安裝備用的大電流測量儀，拆下來的測量儀回廠進行維修校驗。對直流大電流測量儀附件箱作密封處理， 防止受到環(huán)境腐蝕而損壞。在運行過程中，當發(fā)現不明原因的直流電流升高或降低時，應重點檢查直流大電流測量儀。

7 極化柜的運行

正常開車時，在直流電流達到3.0 kA后，自動切出極化柜；當停車和緊急停車時，直流電流降至2.7 kA后，立刻投入極化柜。為了保證在供電中斷時極化柜能立即有備用電源投入，利用另一路的10 kV保安供電電源，形成了可靠的雙電源線路，以保證供電不間斷。華泰重化工共有16臺極化柜，極化柜由整流主回路、控制穩(wěn)流電路、繼電保護電路、電流檢測及操作界面顯示，也可以采用PLC和DCS組成。開機可手動控制、自動控制。額定輸出電壓為 500 V，額定電流為120 A。

如果是極化給定電流超過整定值，復位即可；如果是晶閘管觸發(fā)控制板故障，一般多為電源變壓器燒壞。

由于極化電源觸發(fā)控制板RUN端子為外部封鎖脈沖/軟啟動控制端，當該端子與 GND端子短接時，解除脈沖封鎖，開始正常工作；當直流輸出降到零時，RUN端子懸空時觸發(fā)脈沖被封鎖，與GND控制線經中間繼電器KA1常開觸點輸出。由于該控制信號為弱電信號，繼電器KA1為普通式繼電器，一旦觸點接觸不良，就會造成RUN與 GND信號時有時無，引起觸發(fā)信號不正常，造成極化電源無輸出或電流不穩(wěn)。將繼電器 KA1改為封閉式小型繼電器，沒有再出現類似故障。

(1)檢查電源電壓是否正常。

(2)檢查輸出脈沖電壓發(fā)光二極管VL3～VL8指示，如有不亮，則可能是控制板到可控硅的脈沖線開路或脈沖輸出回路故障而導致無脈沖輸出。

(3)檢查可控硅的導通性能，不好則更換。

8 整流系統(tǒng)的優(yōu)化運行

(1)在整流系統(tǒng)運行過程中，盡量調整整流柜相控角，使共用1臺整流變的2臺整流柜的相控角盡量一致，這樣可使整流變在低一擋位運行。

(2)整流柜在低相控角下運行可以節(jié)電。比較運行數據，微小的變化對于優(yōu)化運行和節(jié)能降耗的影響都是非?？捎^的。所以，通過調整1#～16#整流柜的相控角控制范圍，由原來的5°～25°調整為5°～15°運行，整流變壓器的整流效率上升，基本達到了97.5%以上。

9 結語

氯堿生產中要確保整流設備的安全運行，提高操作運行水平，嚴格控制工藝指標，保證巡回檢查的質量，提前做好對事故的防范工作；同時，還要做好事故預案，從而防止事故擴大，避免次生事故，保證安全生產,提高經濟效益。