烧碱整流装置晶闸管元件的选择计算

何昱科 ，马英

(中国成达工程有限公司，四川 成都 610041)

在烧碱生产系统中，电解槽是烧碱装置的核心工艺设备，而整流装置为电解槽提供直流电流，是烧碱生产必不可少的电气设备。其中晶闸管是整流装置中的核心元件。计算整流装置的电流、电压参数并选择合适的晶闸管元件是烧碱项目设计的重点。

1 工艺的需求和电源状况

建于赤道附近的印度尼西亚的某烧碱项目，电解槽数为52个,2组串联；槽电压为3.5 V；总电压104×3.5=364(V)。 初期运行电流为18.78 kA(离子膜面积：3.276 m2,电流密度：5.733 kA/m2)；末期运行电流为20 kA。考虑到母线、隔离开关的电压降，整流器额定输出电压在满槽电压基础上增加15 V，即为364+15≈380(V)。考虑到该项目所在地为赤道附近，环境温度较高，温差小，整流器额定电流按电解槽末期电流的1.1倍考虑，即20×1.1=22(kA)=22 000 A。

该项目的电源全部来自厂内自备电网，电网容量偏小，所以变压器及电力系统折算的短路阻抗考虑为12%，电网电压波动最低为-5%。但因用电负荷跳车导致电压最大波动可能超过15%。

综合以上的因素，该项目晶闸管元件的选择按照电流冗余倍数3倍，电压冗余倍数3.5倍考虑。

2 晶闸管主要参数的选择

2.1 计算理想空载电压[1]716

Udio=Ud+Udx+Udα。

(1)

其中：Udio为理想空载电压，V；Ud为负载直流电压，V;Udx为电抗压降;Udα为相控压降，V。

Ud=Udn+Udr。

(2)

其中：Udn为额定直流电压，V；Udr为电阻压降,V。

2.2 计算相控压降[1]224-226

2.2.1 计算相控理想空载直流电压的积分公式

(3)

其中：Udioα为相控理想空载直流电压，V；s为串联的换向组数(三相全控整流桥，s取2)；q为换向次数(三相全控整流桥，q取3)；α为相控角，°；E2m为变压器二次相电压幅值，V；ω为角频率，rad/s；t为相角弧度变化的时间，s。

理想空载电压的积分公式为[1]222：

(4)

将理想空载电压公式代入理想相控电压公式，由式(2)、式(3)推导出式(5)：

Udioα=Udio·cosα。

(5)

(6)

图1 推导公式用的电压波形图

2.2.2 计算相控压降[1]239

因为：

Udα=Udio-Udioα，

(7)

所以：

(8)

(9)

2.3 计算电抗压降[1]236

2.3.1 电抗压降的有名值计算式

(10)

其中：γ为整流装置换向角，；LH为换向电感，H；Id为直流电流，A；XH为换向电抗， Ω。

2.3.2 电抗压降的标幺值

将换算成标幺值为：

(11)

(12)

2.3.3 根据三相桥式整流电路特性计算

(13)

其中：Idn为直流电流额定值，A。

2.4 计算电阻直流电压降[1]238

(1)有名值的计算。

(14)

其中:ΣΔPR为总有功损耗，通常主要考虑变压器的铜损。

(2)变压器的容量计算。

PT=Udio·Id。

(15)

其中：PT为变压器的功率，kW。

将式(15)代入式(14)得：

(16)

可近似考虑为变压器铜损比值，通常取1%。

2.5 进一步换算

将式(7)～式(16)代入式(3)～式(6)得：

+Udio(1-cosα) ，

(17)

烧碱电解槽的负载特性更接近电抗，触发角α一般控制在12°以内。

根据工艺条件，电解槽额定输入电压为380 V，再考虑半导体元件的压降(5 V)和平波电抗器的压降(3 V)，算得：

Udn=380+5+3=388(V) ；

2.6 计算变压器阀侧电压

三相桥式整流输出电压平均值公式为：

(18)

其中：U2n为变压器阀侧电压有效值，V。

(19)

其中：U2为计算变压器阀侧电压，V。

=423.1×1.732×3.141÷(3×2.449)

=313.3(V)。

实际变压器阀侧额定输出电压为315 V，变压器铭牌注明“33 kV/315 V”。

2.7 考虑系统偏差的计算结果

考虑系统电压5%的偏差最终计算结果为：

实际变压器调压后的最高电压为331 V，此时变压器铭牌局部示意图见图2，与理论计算一致。

2.8 计算同相逆并联每臂的平均电流值

因采用同相逆并联设计，故每一直流输出回路实际为两组三相整流桥并联。

图2 实际变压器调压后的变压器铭牌局部示意图

(1)三相桥式整流电路每臂的平均电流值。

(20)

其中：Ibp为整流臂电流平均值，A；Ibp=1/3Idn。(2)采用同相逆并联设计后每臂平均电流值。

IAT=1/2Idn。

(21)

其中：IAT为整流臂电流平均值，A。

IAT=1/2×(1/3Idn)，则：IAT=1/6Idn，

(22)

IAT=1/6×22 000=3 666.7(A)。

3 选择晶闸管元件和冗余倍数

3.1 晶闸管元件的选择

初选KPC-5700-100 mm晶闸管进行校验，三相桥式整流电路每臂采用两只晶闸管元件并联，线路图如图3所示。

图3 三相桥式整流电路每臂采用两只晶闸管元件的并联线路图

3.2 冗余倍数校验

(1)校验电流冗余倍数。

(22)

其中：K1为电流冗余倍数；IF为晶闸管的额定电流，A；N为晶闸管数量，只。

IF=5 700 A，N=2只，则：

K1=2×5 700÷3 666.7=3.1。

(2)校验电压冗余倍数。

(23)

其中：K2为电压冗余倍数；UF为晶闸管的额定电压，V。

UF=1 800 V，则：K2=1 800÷445.5=4.0。

(3)小结。

以上计算结果均满足整流设计要求的电流冗余倍数3倍、电压冗余倍数3.5倍的要求。

4 投运后的实际状况

在安装投运后，该整流装置带电一次性成功，性能考核一次性通过。在实际运行中，不仅能满足工艺生产的正常需求，而且还能满足工艺长期超负荷10%工况的生产需要。晶闸管元件的表面温度经测试均保持在40 ℃左右。在工厂试运期间，多次发生全厂停电事故，该整流装置均安全停车，未发生安全事故。

5 结语

根据上述计算结果选择晶闸管元件，并在印尼项目中投用近4年，一直保持非常良好、稳定的运行记录。该国产整流装置在海外热带赤道地区的成功投用，为今后承接更多类似EPC项目积累了丰富的经验。为中国制造、中国装备赢得了良好的国际口碑，也为国家带来了不错的经济效益。