国内氯碱整流装置的技术进展样本

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，从热电我产

发展到煤、盐、电结合，当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35kV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，当前已有

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UOkV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UOkV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UOkV直降式整流设

备，其整流变压器由国内制造，每台额定容量21000kVA,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。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L0-2.0万t/a。额定直流电流10.0T6.5kA,额

定直流电压350-540V,根据这些直流参数，当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己经完全成熟，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。同时还能够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。其工作原理是经过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。根据其较重

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

当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•种。当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）O

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，改进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5000A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，当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；三是阀测电

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见，网

侧交流互感器所提供的作热备用，当常见信号发生故障时，能够自动切换引入

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、计算机监控己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

全数字化控制不但在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最远

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能够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)数字控制系统能够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P1参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能够运行，并能够在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经过网络或现场总线

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。

(DDSC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能够独立完成

一定的信息处理任务，也能够相互交换信息，而且任一单元发生故障都不会影

响其它单元，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，经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1000m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。有了丰富画面能够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间管整流装置，其自然功率因数几乎都能

达到0.90以上，更高的能够

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绛档,

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

OOOkVA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%X98.5%=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%o中石化齐鲁氯城厂

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%o

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;水一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

能够说，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》一文阐述了当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，当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，变压器出现瓦斯。

应当承认，由于三相五芯柱结构的变压器理论还不很完善，加上设计

制造经验不足，上述问题的出现是能够理解的。但弄清原因之后，其适应范围和

技术对策也明确了。有关设计专家认为，在设计中应充分考虑谐波的影响。具体

操作上应注意以下几个问题。

(1)在控制深度较大的系统中应尽量少用，对于单机组12脉波，如在整

变高压移相也不宜