国内氯碱整流装置的技术进展.doc

国内氯碱整流装置的技术进展- 近几年来，国内氯碱企业普遍进行了以离子膜烧碱为中心的技术改造，电气部门配合电解新工艺重新布局，引入了一系列的新技术、新设备，从而提高了整流装置的技术档次和电气综合自动化水平。但在整流装置的设计中也存在一些问题。 1 自备电厂供电和直降式整流方式为更多的企业所采用 1.1 自备电厂供电 从节约能源、降低生产成本出发，不少企业选择了自办电厂，从热电联产发展到煤、盐、电结合，目前氯碱企业的发电机总装机容量在200万kW以上。较为普遍的单机容量为25MW和12MW，发电机额定电压为6.3kV和10.5kV。有并网运行和脱网运行2种方式，且有向脱网运行发展的趋势。有的以发电机电压直接向整流变压器供电，有的则升压至35 kV后向整流变供电。 自备电厂供电面临的技术关键之一就是解决好谐波问题。整流装置所产生的谐波会引起发电机转子表面局部过热，常需降低输出功率。有1台25MW脱网运行的发电机带的负荷是不对称的12脉波整流装置，负荷率只有75%时，转子温升105，超出额定值15。谐波干扰的另一表现是，由于谐波电压过大(含有率5%)时，容易出现准同期装置不能执行并网操作。某氯碱厂的发电机并网时，必须将整流装置停下，才能并网成功。经过多年的摸索、总结之后，目前已有多种成熟的谐波治理技术支持自备电厂的建设。 1.2 直降式整流装置 由电网供电的整流装置采用供电电压受电，电源由电网直接引至整流装置，实现直降式整流。对于由66kV以下电压供电的企业，已普遍采用这种方式，而对于110kV的电压级在氯碱行业还是近几年才陆续被采用。这除了地区是否具备电源条件之外，还由于企业氯碱装置规模的扩大，从合理输电减少变压层次、减少变电设备重复容量及电力损耗以及抑制谐波的角度都十分有必要。经过技术比较得出，年产10万t及以上企业生产能力的应优先考虑选用110kV直降式整流方案。这几年来，国产整流设备的性能参数和技术水平有了长足进步，在铝电解行业积累了二十年以上110kV直降式整流设备的运行经验，为直降式整流设备的广泛应用奠定了雄厚的技术基础。 据知，山东齐鲁公司的20万t/a离子膜项目就是采用110kV直降式整流设备，其整流变压器由国内制造，每台额定容量21 000kVA，共5台，构成等效60脉波整流。整流器额定直流电流15kA，额定直流电压610V，共10台。三相全控桥晶闸管整流，非同相逆并联接线。2004年10月投产至今，运行正常。 2 探索了离子膜烧碱整流装置基本模式 统计资料表明，近几年建设投产的离子膜烧碱装置中复极式电槽占了90%以上，每台槽的烧碱生产能力为1.0-2.0万t/a。额定直流电流10.0-16.5kA，额定直流电压350-540V，根据这些直流参数，目前整流装置基本模式如下。 2.1 整流装置的系统配置 2.1.1 整流系统与电解槽的配置 由一套整流装置带一台复极式电槽，即“一拖一”的方式居多，传统N+1的配置模式已不存在。这一方面是由于电槽设计电流都在16.5kA以下，另一方面说明了国产的晶闸管整流装置的技术和质量已经完全成熟，再无备用装置的必要。 离子膜电解槽装设极化电源的技术已被普遍采用，其目的是保护电槽。当电槽突然或计划停电时，为电解提供1个正向极化电流，防止电槽因反电势作用造成极网脱落。同时还可以避免电槽停电后的槽压升高而导致电耗的增加。极化电源一般由整流器厂家配套极化整流器，个别单位为了万无一失，当极化整流器无电时都能提供极化电源，采用“极化整流器+蓄电池”的极化电源方案。 电解系统对地绝缘情况的监测，以往是采用装设2具指示灯和电压表的简陋方法，现在已有了检测装置产品。其工作原理是通过2个电压继电器检测电解母线中性点的偏移，判别电槽系列的前半部或后半部对地绝缘不良。根据其轻重程度，经过延时后，由中间继电器动作，发出予告信号或电槽停电。装置中的继电器是特制的直流电压继电器。这是电磁式的检测装置，还有一种更先进的电子式检测装置也已经开发出来。它不是一台独立的装置，而是融入整流装置监控系统的电子电路，其监测功能在触摸屏实现。 2.1.2 整流系统的配置 目前较先进的系统配置是整流、工艺、电站一体化格局。整流柜和控制柜设在整流室内，远控系统分布在工艺中控室和总降压站。控制柜就近实现整流柜的电流调节和整流机组的监控。远控系统同时具有单机及系统的电流调节、设备监控功能。有的单位已做到整流室无人值守，输出电流控制融入工艺DCS系统，设备监控融入总降DCS系统。 2.2 整流电路 以三相桥式全波整流电路居多，采用同相逆并联接线和非同相逆并联接线并存，有条件的采用非同相逆并联接线已成为当前的热点。 整流器的设计以单机组等效12脉波居多，两组6脉波的整流单元在电压变比、阻抗压降、控制角度、输出功率方面都一一对称，使消除5次和7次谐波效果最好。 2.3 整流变压器 为1台有载自耦式调变带2台整流变，调压范围70%-105%、配13级有载分接开关，半钟罩式油箱，一次侧顶部进线，二次侧侧面出线，较多的采用油浸风冷方式。 在移相方面，经过多年的实践总结之后，普遍地选择了整变网侧绕组延边三角移相的接线。以单机组12脉波整流为基础，两机组可构成等效24相，三机组可构成等效36相，四机组可构成等效48相，这种移相方法的特点是变压器参数对称性好，属于三种移相方法中在相同移相角时，因移相而增加变压器等值计算容量最小的一种。目前用延边三角移相构成等效多相制系统最多相数的是60相，用得较多的是24相。用户普遍反映，这种变压器的噪音小，损耗低，温升低(三种移相方法指曲折形接线、多边形接线和延长三角形接线)。 2.4 有条件的采用“非同相逆并联”的母线排列方式 同相逆并联排列方式是在金属阳极电解槽出现以后，随着整流装置单机容量的不断增大，整流装置的阀侧母排电流也是在不断增大的背景下提出来的。其目的在于减少阀侧母线电流所产生的交变磁场对周围钢结构磁化，产生磁带和涡流损失，改善整流装置的效率和功率因数。 然而，同相逆并联排列方式也有其变压器绕组制造和母线连接，连接复杂，交直流导排数较多且总长度较长，安全系数较低等缺点。应该说，同相逆并联技术是在特定条件下的产物。在情况发生了变化的今天，“非同相逆并联”的排列方式又引起了业内同仁的广泛关注。 电槽电流已由数万安培变为一万多安培，这是工艺条件的最大变化。整流装置中的元件已由5 000A以上的大元件取代了几百安的小元件，桥臂并联元件数只有几个，甚至单元件不并联，元件均流已不成问题。装置阀侧母排长度已缩短到1m以内，母排压降值已相当小。因此，普遍认为，对于复极式离子膜电槽供电的整流装置，同相逆并联的技术优势已不明显，反而显出制造安装复杂，安全性降低，运行费用增大，维修不便等劣势。在这种技术背景下，倾向于选择非同相逆并联的排列方式。据有关报道，目前采用非同相逆并联技术的有江苏安邦、宜宾天原、广州吴天、齐鲁石化氯碱厂、南京化工厂等不少单位。 3 数字化、智能化、网络化的调节监控技术更加成熟 3.1 双通道、双同步、双反馈、热备用的调节系统 出于离子膜电槽高可靠性供电的要求，在硬件配置上，厂家采用于双通道、双同步、双反馈的“三双”冗余设计。 在整流调节系统中，调节器采用双计算机通道冗余结构，由2个自动电流调节通道A和通道B组成，这两个通道从检测回路到脉冲输出回路完全独立。调节通道以主从方式工作，两个通道的设计完全相同，对每个通道设置单片机实现独立的故障检测，通道间的跟踪由软件实现，备用通道无扰动切换，包括自动或人工切换。 调节器采用双同步电源，同步电源来自电站的电压互感器，站用变、动力变、整流变阀侧，还有整流变网侧的专用绕组，各家的做法不一。但有几点设计是相同的，首先是当主电源异常时，能自动切换到备用电源；二是单相同步电源消失时(如电力系统单相接地)，装置仍能保持正常运行；三是阀侧电压大于60%额定值时，视为同步电源正常。 双反馈就是自动稳流调节的比较信号以直流传感器提供的为常用，网侧交流互感器所提供的作热备用，当常用信号发生故障时，可以自动切换引入备用信号。厂家还设计了锁定控制角电路，当两路信号都消失时，保持装置原输出电流基本不变，避免了控制角全开放时的大电流冲击电槽。 3.2 全数字控制、计算机监控已成为整流装置的技术核心 3.2.1 数字控制具有模拟控制不可比拟的优点 全数字化控制不仅在PID调节和脉冲触发部分实现数字化，还在整流柜，整流辅助设备，整流系统和工厂自动化系统之间全部实现了数字化。因此具有一系列的优点。 (1)数字控制系统脉冲的不对称度0.3，无需调整；模拟控制系统脉冲的不对称度只能做到3-5。因此，数字控制的整流装置的非特征谐波量远小于模拟控制的整流装置。 (2)数字控制系统中触发脉冲的最小控制角限制值为0，控制角运行值一般在10左右。模拟控制系统最小控制角限制值在5-10或更大，有些装置的控制角长期运行值甚至超过30，功率因数达不到0.90。 (3)数字控制系统中触发可以实现有载调压开关自动升/降档操作，在稳定电流前提下，做到控制角优化，功率因数可达到0.92以上，特征谐波量也相应减小。而模拟控制难于实现这一点。 (4)数字控制系统可以在同步电源长期缺少一相或短时间缺三相情况下保持脉冲正常输出，抗同步干扰能力强。而模拟控制的触发脉冲的相位会直接受到同步缺相或波形畸变的影响。 (5)数字控制系统用数字式给定，直观准确，不受外界干扰。模拟控制系统用电位器给定，没有电流给定值显示，给定信号易受外界干扰。 (6)数字控制系统的参数全部采用数字存贮，不使用电位器调整参数，长期运行都不会发生参数漂移。模拟控制系统的参数容易发生变化，造成设备工作不稳定。需经常检查调整。 (7)数字调节器的PI参数可在线修改及在一定范围内进行自适应调整，稳定性和快速性接近最佳；模拟调节器的参数不易修改，难以调整到最佳参数。 (8)数字控制系统具有参数复制功能，更换主板后，只需要将原来的控制参数复制到新控制板就可以运行，并可以在PC机上载或下载控制系统参数。模拟控制系统更换主板后，一般都要重新调试。 3.2.2 先进的计算机监控系统深受欢迎 计算机监控系统是用工业计算机与整流系统设备通过网络或现场总线互联，构成集散控制系统(DCS)，提供直观友好的人机界面，定时采集和记录现场设备的运行数据，操作或控制现场设备的运行。最受用户欢迎的有以下两个方面。 (1)DSC控制系统的可靠性及高扩展性能好。按DSC模式设计的系统，将收集到的所有信息都挂在同一条网线上，而各计算机控制单元既可以独立完成一定的信息处理任务，也可以相互交换信息，而且任一单元发生故障都不会影响其他单元，这就在系统结构上保证了系统可靠性。 网络是计算机联系整流系统的桥梁，通过网络来解决整流系统、电解工艺、企业电站三个部门间的信号传递和交换等问题，将三者联合成一个有机整体，包括近期的和将来的。有的企业采用网联控制技术，将相距近1 000m的多个电解中心控制室、整流控制室及总降控制室设计成一个网络，实现了整流控制室无人值班，中心控制室远程控制，操作和总降压站(工程师监测站)远程监测的先进水平。 (2)人机界面拉近了人与设备的距离。人机界面是用户与整流系统间的一个操作接口，基于触摸屏的人机界面具有显示、操作、报警、故障报表生成和打印追忆等功能。 以往值班人员要面对大量的按钮、仪表及指示灯，操作记录频繁又琐碎，精力消耗大，效果也不好，出了故障手忙脚乱。人机界面的触摸屏取消了控制台上的这些电器元件，代之清晰明了的软面板。画面集中了装置运行的所有信息，包括系统开关动态画面，仪表面板显示画面，报警显示画面，数据查询和报表处理画面，系统管理画面等。有了丰富画面可以做到巡视和操作不出门，记录保存数据不费力。4 谐波治理方法对头、成效显著 谐波治理已列入电气设计内容，做到从源头抓起。首先是选用电压较高，短路容量较大的供电电源，其次是根据整流系统的装置容量设计适当的整流相数。为了实现等效多相制整流，如前所述，在变压器设计中做到4个对称。据反映，大多数企业的谐波指标和功率因数都达到了较满意的水平。 5 国产整流装置的性能指标与国外的差距 5.1 功率因数 多数企业的整流装置都是晶闸管整流装置，其自然功率因数几乎都能达到0.90以上，更高的可以达到0.94。这是由于采用了数字触发技术，加上控制角联动有载开关升降档，装置控制角在10以内运行的结果。早年，从国外引进的装置自然功率因数仅达到0.85左右，其整流变压器是无载调压，加上阀侧电压设计裕度较大，这种情况是不足为奇的。为了补偿无功，每套2万t/a烧碱的整流装置，都附有3 000kVA高压电容器组。 5.2 整流效率 整流机组效率，即计算效率时考虑了整流变和整流器的损耗。电化学整流器部标要求对于额定电压315-400V的晶闸管整流效率不得低于98.9%-99.2%；相当容量的整流变压器效率统计数字为98.5%，也就是整流机组的典型效率为99.2%98.5%=97.7%。 天津化工厂从日本三社电机引进的整流装置，额定整流电流12.5kA，额定整流电压370V，在额定工况下的整流效率指标为98.0%。中石化齐鲁氯碱厂新近从ABB引进的15kA，610V整流器在额定工况下的整流效率保证值大于99.3%。 可见，国产整流装置与国外装置整流效率的差距已从2.0%-3.0%降低到1.0%以下。 5.3 存在的差距 国外装置均流系数较高而且稳定，每个桥臂3个元件的均流系数能达到0.98；水水冷却装置做得很精致，冷却效果好，水质很稳定，维修量小。柜子的造形美观，柜体不发热，不振动，噪音小。这些实际差距，有待努力赶上。 6 整流装置设计中的问题讨论 6.1 整流变阀侧电压设计偏高问题 可以说，整流变阀侧电压设计偏高由来已久，早在上世纪八十年代，国家计委“烧碱节能设计规定”中就写明，整流变压器的阀侧电压不宜有余量。由于人们对此认识不足，重视不够，该现象依然存在。本文作者的整流设备电压选择过高的后果一文阐述了目前复极离子膜电解装置中，整流装置设计偏高的现状，分析了所带来的不良后果，指出了正确选择整流装置电压的方法。 6.2 三相五芯柱整流变压器适用范围 三相五芯柱整流变压器在技术上是成熟的，其省材，节能的特点在今天有其特别的意义，目前在金属电解和碳化硅行业用得较多。在电化行业也有的成功采用，但还是二极管整流、单机组运行的多见。对于晶闸管整流，特别是机组并联，多相制整流的，用户一直持慎重态度。因为这种结构的变压器有过多宗失败的案例。其表现有，变压器的结构件和油箱局部发热；变压器所带的2台整流柜电流不平衡；晶闸管频繁烧损，变压器出现