离子膜电解槽槽电压检测系统的常见故障及改进措施

白静，董永兵，张征国，李爱军

(陕西北元化工集团股份有限公司，陕西 榆林 719319)

陕西北元化工集团股份有限公司(以下简称“陕西北元”)离子膜电解装置共有24台电解槽，每台电解槽有200个单元槽，于2009年开始建设，2011年4条线正式投产。离子膜电解槽电压是一项重要的技术经济指标，在生产运行中槽电压的变化往往可以直观反映出电解槽及离子膜的运行状况，单元槽电压的准确检测是保证离子膜电解槽正常运行的重要因素。

1 检测离子膜电解槽槽电压的重要性

1.1 影响离子膜槽电压的主要因素

1.1.1 电流密度

电流密度升高，槽电压随之增加，电流效率相应提高，所以在正常生产中，要综合考虑，以达到降低电耗的目的[1]。

1.1.2 循环碱浓度

循环碱浓度越高，膜中含水率越低，膜电阻越大，槽电压越高。

1.1.3 淡盐水浓度

淡盐水浓度越高，槽电压越高，电流效率也上升，所以在生产中要合理控制淡盐水浓度在一定范围，实现电耗的最低。

1.1.4 阴阳极液循环量

阴阳极液循环量减少时，槽内的液体中气体含量增加，气泡在膜及电极上的附着量增加，会引起槽电压上升。

1.1.5 电解槽槽温

温度上升，离子膜的孔隙增大，提高了膜的导电性，降低了槽电压。

1.1.6 盐水中杂质

盐水中Ca2+、Mg2+含量过高，将会在阴极侧形成氢氧化物沉淀，使槽电压上升。盐水中Fe3+含量过高，将会在膜上形成杂质层，使槽电压上升。Ba2+、Sr2+等杂质含量过大时，会在离子膜内形成结晶沉淀，使槽电压上升。

1.1.7 阳极液pH值

阳极液pH值若小于2，全氟磺酸由—COONa型变为—COOH型，膜内部因发生水泡而受到损坏，使膜电阻升高，槽电压上升。

1.1.8 电解槽压力和压差

电解槽压力增大，电解液中气体体积缩小，电解液电阻下降，槽电压降低。因阳极电导率远大于阴极，故控制电解槽正压差，使离子膜贴向阳极，降低槽电压。

1.1.9 开停车次数及膜自身结构、槽结构等

每一次开停车都可能使压差控制不稳定，引起膜振动，使膜受损，从而导致槽电压上涨。

1.2 槽电压反映出的离子膜电解槽特性

通过上述影响槽电压的9条因素，可以发现单元槽电压可以反映出离子膜电解槽的如下特性。

1.2.1 单元槽进液软管是否堵塞

若单元槽进液软管堵塞，造成阴阳极循环量降低，单元槽内液体中气体含量增加，气泡在膜及电极上的附着量也增加，从而导致槽电压上升。而离子膜单元槽进液软管堵塞，会导致离子膜干烧，爆炸事故发生。通过实时检测槽电压的上涨情况，可以有效地避免此类事故的发生。

1.2.2 及时判断进电解槽盐水含杂质情况

进电解槽精制盐水的杂质含量，由中控化验人员每天进行一次全分析，而不是实时检测，若盐水中杂质含量超标，通过化验检测往往比较滞后。通过观察电解槽的槽电压上涨情况可以作为参考判断条件。

1.2.3 通过单元槽电压分析单元槽的离子膜性能、阴阳极涂层状况

通过柱状图对比同一电流下各单元槽的槽电压大小，可以对槽电压过高、过低(与平均值之差≥150mv)单元槽进行重点观察，或停车拆开检查，检查离子膜是否分层，是否有针孔泄漏，单元槽阴阳极涂层是否脱落。

1.2.4 及时判断电流、槽温、碱浓度等电解槽运行指标

电解槽的电流、槽温、碱浓度在正常工作情况下都是通过现场仪表检测，但若某一时刻检测仪表显示故障，就会带来控制偏差，引起电解槽的不正常控制。此时，若能实时关注槽电压变化，便会及时发现问题。陕西北元化工集团电解装置曾发生过如下事例，2019年，C线B槽单元槽电压整体上涨，检查槽温、碱浓度、阳极液pH值、单元槽进出液状况等各方面指标运行正常，最终发现整流电流显示偏低1 kA，导致电解槽实际电流偏大1 kA，联系电气人员进行处理，最终恢复正常。

2 现有槽电压检测系统的检测原理及存在问题

2.1 现有槽电压检测系统的检测原理

2.1.1 单元槽电压的检测

每台电解槽有200单元槽，每个单元槽通过电缆连接至槽尾槽电压检测柜内，电解装置岗位人员每天在槽电压检测柜内用万用表检测单元槽电压并进行记录，最终录入电子版。电解槽管理人员定期对单元槽电压进行分析，总结电解槽的运行情况。此外，将每7台单元槽划分为一组，并将组电压信号通过电压变送器送至DCS监控，在DCS内部又取了7台单元槽的平均值，当单元槽电压平均值大于高高限时联锁单槽停车。

2.1.2 单台电解槽槽电压的检测

当某一组中的某一个单元槽电压已经升高，但组电压并未达到报警或联锁值，也不会产生报警或联锁动作，这种情况比较危险，为了弥补组电压偏差报警这一缺陷，设置了不平衡电压与不平衡电压变化率报警与联锁功能。

每台电解槽槽尾配置有槽电压偏移检测系统，目前在用的是随电解槽附带的PLC系统。它采用惠斯通电桥测量原理，对电解槽的电压对称进行监测。每台电解槽分为前半槽与后半槽，前半槽设置有不平衡电压U1，不平衡电压变化率dU1，后半槽不平衡电压U2，不平衡电压变化率dU2。当不平衡电压超过报警值时，通过PLC输出报警和联锁信号至DCS。另外，通过PLC计算输出不平衡电压变化率报警和联锁信号至DCS，如图1。

U1=U1-50-U1-100/2，

式中，U1-50指1号至50号总电压，U1-100指1号至100号总电压。

单位时间内不平衡电压的变化率为：

dU1=ΔU1/Δt。

U2=U101-150-U101-200/2，

式中，U101-150指101号至150号总电压，U101-200指101号至200号总电压。

单位时间内不平衡电压的变化率为：

dU2=ΔU2/Δt。

单台电解槽总电压U=U1-100+U101-200，当U大于联锁设定值时，联锁单槽停车。

当电流不低于4 kA时，不平衡电压U1，U2，电压变化率dU1、dU2联锁投入。随着电解槽运行年限的增加，离子膜性能逐渐下将，不平衡电压U1、U2会增大，有时会远超出联锁值，在无其他特殊情况时，认为此种不平衡度在这一时间段内正常，这就要求对不平衡电压进行清零。即设置补偿值OFFSAT等于实际值，此时不平衡电压显示值C1就等于0。

C1=U1-OFFSAT值(补偿值)

在此基础上，若C1大于高限，则报警，大于高高限，则联锁停车。

在电解槽开车升电流时，当电流到达2.7 kA时进行不平衡电压清零，建立一个新的起点。

2.2 现有槽电压偏移检测系统存在问题

(1)受使用年限以及现场环境影响，电解槽电压偏移PLC系统(看门狗)的各类硬件相继出现故障，而且某些硬件已经停产，无法采购到相同的备件，影响电解设备安全稳定运行。

(2)槽电压偏移PLC控制柜放置于电解厂房二楼，因温度过高，PLC控制柜内部元器件很容易烧毁或死机，陕西北元离子膜电解装置因PLC内部元件烧毁或死机引起的误停车次数每年平均达5次之多。

(3)不平衡电压变化率误动作停车次数远大于正常检测触发停车，陕西北元离子膜电解装置自2011年开车以来，电压变化率引发的停车事故皆为误动作引起。

(4)岗位人员每天检测一次单元槽电压，而DCS传输的是每7个一组的组电压，不能实现单元槽电压的实时检测。

(5)电解厂房二楼温度高，有时可达50 ℃，岗位人员用万用表检测人工检测记录单元槽电压工作量大，工作环境差。尤其是在电解槽开车时，手动检测槽电压工作效率低，严重影响开车进度。

3 改进后槽电压检测系统的检测原理及优势分析

3.1 改进后槽电压检测系统的检测原理

3.1.1 改进后单元槽电压的检测原理

在原电解槽槽尾单元槽电压检测柜内，分别用电缆自接线端子另一侧引出单元槽电压至新增PLC就地柜带保险的接线端子，单元槽电压在就地柜内被转化为通讯信号。就地柜内的交换机和光电转换器将单元槽电压通讯信号经由光缆传输至控制柜(如图2所示)。控制柜包含PLC在内，PLC通过MODBUS TCP通讯获得来自就地柜的单元槽电压，并通过上位机进行显示，主控室操作人员可以实时在线监控每台电解槽的单元槽电压。

B、C线各线连接示意与相同；S—tkUCES供货；B—最终用户供货图2 改进后槽电压的检测原理

3.1.2 调整原槽电压偏移PLC控制柜(看门狗)内设备

(1)原槽电压偏移控制柜内的前后半区不平衡电压检测模块SC-2和SC-4予以保留，模块输出量程为-10～+10 V，安装在新槽电压检测PLC系统的现场柜内。

(2)原槽电压偏移控制柜内的前后半区电压检测模块SC-1和SC-3予以保留，模块输出量程为0～+10 V，安装在新槽电压检测PLC系统的现场柜内。

(3)原槽电压偏移控制柜内的总电流检测模块SC-5取消，新的电流取自整流电流，由硬线传输至新PLC系统I/O接线端子。

(4)原槽电压偏移控制柜内的总电压检测模块SC-6取消，总电压由前半槽电压与后半槽电压取和所得，并由PLC通过I/O接线端子硬线输出至DCS。

(5)原槽电压偏移控制柜惠斯通电桥保留，继续为前后半区不平衡电压和前后半区电压检测使用。

(6)原槽电压偏移控制柜内的PLC取消。包括PLC输出的前后半区不平衡电压报警和联锁点、前后半区不平衡电压变化率报警和联锁功能点、总电压的报警和联锁点、总电流的显示点。原槽电压看门狗(Watchdog)是以多个单元槽为一组，检测一组的电压来判断电解槽的运行工况，当组电压高于报警、联锁值时，产生报警、联锁动作。但是，如果某一组中的某一个单元槽的电压已经升高，未达到报警或联锁值，也不会产生报警和联锁动作，那就比较危险，为了弥补组电压偏差报警的这一缺陷，设置了电压的变化率报警和联锁功能，只要某单元槽电压发生变化并且变化率超出设定范围，就产生电压变化率的报警或联锁。另外，如果整流器输出电流发生波动，同样也会造成电压变化率的变化，甚至误动作联锁停车。改造后，新系统的槽电压监测是以每个单元槽的电压检测为基础的，只要单元槽电压超过自身的报警和联锁范围，即产生报警和联锁动作。所以，在使用了新系统的联锁保护功能的前提下，原有的不平衡电压变化率的报警和联锁功能已无太多意义，可以取消。

3.1.3 新槽电压检测PLC系统内硬件设置

每台电解槽由2个PLC的I/O基板，分别对应电解槽的前、后半区[2]。柜内硬件设置如下。

(1)槽电压偏移控制柜内的前后半区不平衡电压检测模块SC-2和SC-4输出信号接入新槽电压检测系统前半区PLC的I/O基板上的空余通道，并将量程改为-10～+10 V。

(2)槽电压偏移控制柜内的前后半区电压检测模块SC-1和SC-3输出信号接入新槽电压检测系统后半区PLC的I/O基板上的空余通道，并将量程改为0～+10 V。

(3)每条线的新槽电压检测PLC系统增加6个AO点，用于将总电压通过4～20 mA信号输出至DCS显示；增加24个DO点和相应的DO继电器，用于将前后半区的不平衡电压的高高报警和联锁信号输出至DCS[3](用作电解槽报警和联锁信号，1个框架占用2个DO点，其中1个点用于报警，1个点用于联锁)。

3.1.4 DCS控制系统侧调整

(1)删除由槽电压偏移PLC(看门狗)通讯至DCS画面显示的前后半区的总电压、不平衡电压、不平衡电压变化率和总电流信号。

(2)总电压信号、不平衡电压联锁信号，由新槽电压检测PLC系统提供，并删除不平衡电压变化率的报警和联锁。总电压信号的联锁逻辑仍由DCS完成。

3.1.5 新槽电压监控PLC系统功能

(1)原槽电压偏移控制系统的不平衡电压计算功能在新槽电压检测PLC系统上实现，不平衡电压的显示和调零在新槽电压检测PLC系统的上位机上设置。

(2)新槽电压监控PLC系统通过RS485通讯引入DCS控制系统的烧碱浓度，槽温，烧碱累计流量，用于自动计算电解槽的电流效率，修正槽电压等参数。

3.2 改进后槽电压检测系统的优势分析

(1)实现电解槽每个单元槽槽电压实时监测，为进一步分析电解槽运行情况提供基础信息。

(2)降低岗位人员劳动强度，避免岗位人员长时间在高温区域工作，提高开车效率，节约电解槽开车时间。

(3)降低电解槽由于接线松动误停车概率，避免岗位人员长期测量槽电压而导致接线松动联锁停车。

(4)移除槽尾电压偏移PLC控制柜，避免温度过高引发的PLC模块烧坏、死机等单槽误停车事故。

(5)取消了不平衡电压变化率报警与联锁，避免了电解槽误停车次数。

4 结论

离子膜电解槽的槽电压可以体现出离子膜的多方面运行指标，在日常工作中，若能实时关注槽电压变化，对电解槽的安全稳定经济运行起着决定性作用。本次电解槽槽电压检测系统的改造，可以有效地实现每个单元槽电压的实时检测，同时避免原槽电压偏移装置的误停车事故，减轻电解装置岗位人员的劳动强度，为电解槽的科学管理奠定基础。