对评估离子膜电解槽电能利用率的若干认识

(广州市老科技工作者协会，广东 广州 510600)

长期以来，对于烧碱电耗的考核一直延用考核直流电单耗的办法，未将整流设备的效率列入考核内容。为更完整地反映产品电耗状况，国家计量局、中国仪器仪表学会发布过《关于整流设备的整流效率及其供电对象的电能利用率测算方法》[1]的技术规范。此规范适用于大功率用电的电化学、电冶金等行业。基于整流技术和电解设备的更新换代，当前可控硅整流器取代了不可控(二极管)整流器，离子膜电解槽取代了隔膜电解槽，笔者对电解槽的电能利用现状及其实际意义进行了简单地探讨。

1 电能利用率及其确定方法

“规范”的定义：

电能利用率=整流效率×电压效率×电流效率。

对于电解槽而言，电能利用率就是指由电解槽的电压效率、电流效率及其供电设备效率所构成的综合电效率。

1.1 整流效率的确定[2]

式中：

输出直流功率=输出直流电流×输出直流电压；

整流设备总损耗=调压变损耗+整流变损耗+

整流器损耗+辅助设备损耗。

(1)调压变压器(以下简称“调压变”)损耗=

空载损耗(铁损)+短路损耗(铜损)。

(2)整流变压器(以下简称“整流变”)总损耗=

铁损+铜损+杂散损耗(涡流、谐波影响)。

调压变和整流变的损耗在出厂试验报告和设备铭牌中均有标示。但是，这里所提供的数据均是指输出电压和电流均为额定值的铁损和铜损，而在实际运行过程中，往往输出电流和电压都不是额定值，因此，要对其实际损耗值进行修正。

调压变的损耗修正方法与调压电路形式有关，可参考《电化学整流设备若干特殊问题》[3]。

整流变的杂散损耗一般取其额定铜损的10%～15%(输出电流较小时取低值，输出电流较大时取高值)。

(3)整流损耗的确定。

整流器损耗包括整流元件、快速熔断器、连接铜排等的损耗。通常情况下，制造厂家一般不提供损耗数据。

由于以上各损耗值与通过电流及其直流总压降值成正比，可按下式计算：

整流器损耗=直流总压降×直流电流。

式中：直流总压降以整流元件压降为主，且基本不变。三相全控桥晶闸管整流器的总压降为5～6 V，负荷较高时取6 V。

(4)整流效率的测量验证[4]。整流效率亦可通过测量的方法加以验证。

在运行过程中，同时测量其直流功率和交流功率，求出前者与后者的比值，便是运行实际效率(瞬时值)。

直流功率可利用在线的直流计量装置测出，交流功率可在高压配电柜的二次回路临时裝接的功率表测出，操作简单可行。有的企业虽有交流功率表，但其误差较大，该表只供显示用，其准确度为1.5级，测量用的交流功率表的准确度要求在0.5级以上。

1.2 电压效率的确定[5]161-163

电压效率=

(表观分解电压Et/槽电压Uc)×100%。

式中：表观分解电压通常以标准槽温90 ℃、阴极液质量分数为32%作参考条件，其值在2.35～2.39 V,本文中取2.37 V。

槽电压等于表观分解电压加上总等效压降。其简化计算式为：

Uc=E++K·Ic。

式中：K为电解槽电压与电流密度比例特性值，0.5 mm膜极距电解槽，K的典型值为0.14 V·m2/kA；Ic为电解槽的电流密度，低电流密度电解槽的Ic为2.0～4.0 kA/m2，高电流密度电解槽的Ic为4～6 kA/m2。

1.3 电流效率的确定[5]159-161

电流效率是指生产单位质量烧碱的理论电荷量占实际电荷量的百分数。

影响电流效率的因素共有8个，其中离子膜的特性和运行时间直接影响电流效率，本文中取其平均值，为95%。

2 电能利用率估算实例

2.1 估算条件

2.1.1 电解槽

复极式离子膜电解槽阳极面积为2.7 m2；高电流密度自然循环电解槽极距为0.5 mm，140台单元槽串联。

2.1.2 整流设备

晶闸管(可控硅)整流装置：额定容量为8 000 kV·A，三相全控桥式接线，额定直流电流为16.5 kA,直流电压为460 V。整流变(不带调压变)额定铁损为18.5 kW，额定铜损为162.4 kW。估算过程略，估算结果如表1所示。

表1 电能利用率估算结果Table 1 The result of power efficiency estimation

2.2 估算结论

(1)电压效率为85.2%～74.0%，最高与最低值相差11.2%，与电流密度成反比。

(2)整流效率为96.5%～97.2%，最高与最低值相差0.7%。其最高值出现时，负荷率为66.6%。负荷率增大或减少时，整流效率略有下降。

(3)电能利用率为78.3%～67.8%，最高与最低值相差10.5%，与电解槽电流密度成反比；电解槽电流每增大1 000 A，电能利用率平均降低1.30%。

3 电能利用率对优化运行方式的参考意义

3.1 有利于进一步挖掘设备节电潜力

整流效率反映出整流设备损耗数据和效率水平。通过该次估算，对于已定型的整流设备而言，可发现在哪一种负荷率下运行的效率高。对于新建氯碱项目而言，可结合概率较高的负荷率设计出相应较高效率的整流设备。所例举实例的最高整流效率为97.2%，所对应的负荷率为66.6%，表明设备经常不在效率最高水平上运行。

3.2 为电解槽电流密度优化提供参考方案

氯碱企业会随氯碱市场供求情况的变化调整产量。在改变电解槽电流密度时，拥有多个系列电解槽的企业要根据各系列电解槽的槽龄和技术状况的不同，相应地调整电流密度；对于实行国家峰谷电价政策的企业，在每天不同时段也要调整电解槽的电流密度，所以，改变电解槽电流密度的情况，企业常遇到。在编制运行方案时，如将电能利用率列为必须考虑的因素，在方案择优中将有更多的对比，并可从电流密度动态管理中收到节电效果。

3.3 验证直流计量的准确性以提高计量质量

用于直流电能计量的直流大电流传感器及二次仪表一直没有纳入国家或行业的规范管理范围内，对其准确度一直没有限定。

通过整流效率的理论计算和实际测量对比，可以核准其准确度，发现问题及时改进计量质量，以充分发挥仪表的监测作用。

4 结语

电流密度取决于多种综合因素，电能利用率只是参考因素之一；该估算实例的参数大多取的是典型值，各单位的实际情况千差万别，应按各自的实际情况估算才有意义。离子膜法烧碱生产已取得了显著的节电效果，为了进一步挖掘节电潜力，建议从提高电能利用率入手，结合各单位的实际，设计更高效率的整流设备，优化电解槽电流密度，双管齐下，获得更多的节电效果。