离子膜电解整流装置相关参数的控制及运行维护

2022-11-25刘宏庞智强贾培伟

氯碱工业 2022年3期

刘宏，庞智强，贾培伟

(新疆华泰重化工有限责任公司，新疆乌鲁木齐 830019)

新疆华泰重化工有限责任公司(以下简称“华泰重化工”)拥有50万t/a离子膜烧碱规模，二期30万t/a离子膜烧碱于2010 年10月建成投产。二期离子膜烧碱生产装置采用蓝星(北京)化工机械有限公司NBZ-2.7自然循环膜极距电解槽，单台生产能力2.5万t/a,共有150个单元槽，设计电流14.85 kA，运行电流13.5 kA。

离子膜整流装置的进线电压选择35 kV，选用35 kV整流变压器，采用“一拖二”并联运行方式，由1台整流变压器带2台整流柜及2台离子膜电解槽组成。共有16台膜极距离子膜电解槽。

整流变压器共8台，整流变压器型号为 ZHSFPT-16700 /35，主变两侧下部出线，所带负载为并联关系，主变散热系统采用强油风冷方式。主变调压范围70%～105%，有载开关选用27级等差调压，根据运行情况可通过整流控制系统升降变压器挡位，将控制角控制在最佳状态，即5°～15°之间，可有效提高整流设备功率因数，降低整流设备的无功损耗。

1 整流变压器参数的控制

整流变压器的油冷却器采用强油风冷却，分别由3组油泵和3组散热器带风机组成。

油温实现DCS实时监控，油温指示控制器为BWY-804型系列温度指示控制器，其用于测量和控制大型变压器的油温，并且附带有温度指示仪，可通过远传信号将温度指示远传至 DCS控制中心，在控制中心计算机界面显示变压器油温，这样可以做到实时监控，对变压器油温作出适时调整。

为确保油风冷却器运行良好，变压器油温是通过强制油循环风冷冷却，每组油冷都有1个强制循环泵来保证油量循环。在夏季高温天气时，3组油风冷却器全开时，变压器油温高达65 ℃，因此，在进入高温天气时务必确保油风冷却器3个循环泵及管件密封处于优良的运行状态。在冬季，3个循环泵开2备1，即可满足冷却要求。

整流变压器有载调压开关设有自动和手动两种调压方式。

(1)自动调压方式。整流变压器有载调压开关与整流器控制角α联动调挡，控制角α设定范围为5°～25°。当控制角α超出上述范围后，控制器发出调挡请求，自动联动有载调压开关进行调挡。整流变压器为一机二槽方式运行，1台整流器控制角α达到设定值范围，控制器发出调挡请求，自动联动有载调压开关进行调挡。在实际运行中控制角α低于5°容易造成电流波动，所以只要1台整流控制系统控制角α低于5°就必须升挡，提高阀侧电压，增大控制角α，保障电槽设备电流稳定。反之,当整流设备控制角α高于25°时必须是两台同时满足条件，才可以进行降压动作，原因是两台整流设备α控制角大，不会造成电流波动，不影响设备稳定运行，其中还有升降电流造成的两台设备控制角α不同，电槽新旧程度等原因都会造成相同设备、相同负荷但是控制角不同的差别。

(2)手动调压方式。当控制角α(5°≤α≤25°)超过设定值范围上限或下限时，控制器即发出调挡请求。操作人员可在上位机或本控机上在手动方式下对整流变压器有载调压开关挡位进行升/降挡操作。

正常运行状况下，整流变压器有载调压开关应设置在“手动方式”调节，一般不设置“自动方式”调节。在升/降电流的过程中严禁调挡；在升电流前或降电流后可根据整流器α控制角的范围进行挡位的调节，以避免挡位调节过程中电流有过大的波动，影响电解槽正常工作。

整流变压器瓷瓶安装在35 kV进线端，因此其日常维护非常重要。整流变压器瓷瓶须定期清灰、清理油污，保持清洁。瓷瓶处的进线电缆应做好绝缘保护，防止瓷瓶处与铜排尖端放电、拉弧产生大电流而引起电缆发热，导致相间或对地绝缘击穿，造成保护动作跳闸；并要严格控制电网谐波，防止运行中产生过电压、涌流而发生事故。

2012年11月19日16:30，3#整流变压器35 kV侧A相电缆头接地，急停5#、6#离子膜电解槽。35 kV母线发生单相接地报警后，现场人员巡检发现3#整流变压器35 kV侧A相电缆冒烟，电气人员立即启动紧急停车停电应急预案，急停5#、6#离子膜电解槽后，断开3#整流变压器35 kV侧电源，并做好停电、验电、挂接地线工作。在重新制作35 kV单芯电缆头，进行电缆耐压试验后，送电恢复生产。

造成该次事故的原因如下。

(1)瓷瓶固定的导电杆与电缆连接处发热，引起电缆发热而破坏绝缘，造成35 kV母线发生单相接地报警。

(2)电缆头安装时天气寒冷，电缆头制作不严格，有绝缘损伤，当通过大电流时，因发热，绝缘继续降低，直到被击穿而对地短路。

(3)电网谐波过电压、涌流对电力设备、电缆的绝缘薄弱部分更容易造成绝缘破坏。

(4)电缆终端处灰尘引起放电。

总之，整流变压器在日常维护中，瓷瓶和电缆头的清扫工作、电网谐波的控制对绝缘保护都很重要，可减少停电事故。

整流变压器每年须更换1次有载开关内的变压器油，做1次变压器油色谱分析，每3 年进行1次有载调压开关抽芯检查[1]。

2 整流柜的运行和参数控制

整流柜共有16 台，输出电压为530 V，电流为16 200 A，冷却方式为纯水冷却，连接方式为交流后下进线、直流侧上出线。每个整流柜由2组三相全控桥整流电路构成同相逆并联连接，单机组6脉波整流。移相范围为0°～150°，触发脉冲输出为双窄脉冲。同步信号取自整流变压器阀侧，采用数字双通道热备用控制器，实时监测工作通道和备用通道是否工作正常。

如果工作通道发生故障，自动将备用通道切换为工作通道，并指示出故障通道。整流柜运行时易出现桥臂过热、纯水冷却装置冷却水管路超温及渗漏水等故障。

整流柜桥臂过热检测温度为65 ℃ ，运行中出现桥臂过热报警时要针对实际情况进行处理。

(1)由于多台整流柜共用 1 套纯水冷却装置，柜内冷却支路较多，每次检修冷却水路后，大量空气滞留在个别桥臂或水套冷却支路内，一旦进入管路内，就会造成水流不畅。当桥臂温度超过65 ℃ 时，就会出现桥臂过热报警。

处理办法：适当开大整流柜的进水阀门，增加整流柜的水流量及水压，使堵塞的气泡循环至纯水冷却装置的水气分离器后排出，正常后把该进水阀门的开度还原。

(2)长期运行中的整流柜出现桥臂过热报警，多为电腐蚀或杂质堵塞冷却水路造成的。

处理办法：根据报警指示和采用手持式红外线温度仪确定堵塞部位后，停运整流设备，并进行疏通。

(3)在夏季，当整流柜运行环境的气温较高且湿度较大时，如果冷却水温度低于结露温度，水蒸气将在水套表面凝成水珠，使绝缘体表面的绝缘强度降低，导致桥臂上安装的温度继电器误动作而发出报警。

处理办法：当整流柜桥臂、水套凝结大量水珠造成误报警时，立即关闭纯水冷却装置的循环水控制阀门，使整流柜冷却水回水温度升高至38 ℃左右；待凝结的水珠蒸发后，再将整流柜回水温度调整至合适温度。

整流柜回水温度超过 45 ℃报警(回水温度冬季一般控制在 20～25 ℃，夏季控制在38 ℃左右)。在巡检时，一旦发现冷却水回水温度超过38 ℃，就须立即调整纯水冷却装置的循环水控制阀门，将冷却水降至合适温度。

注意：调节时不要忽大忽小，要缓慢平稳，以免影响冷却水压力；要注意循环水的压力不要太大，以免循环水渗漏到主水(整流柜冷却用纯水称为主水)内，引起副水(冷却纯水的循环水称为副水)压力大于主水压力，水质下降。

整流柜冷却水压力要求整流柜冷却水水压低于0.06 MPa时，先发出报警信号。

如果在设定的60 s内没能消除故障，则整流装置双通道计算机控制柜封锁触发脉冲，使整流柜直流输出降到零，以保证晶闸管元件不会过温损坏。

冷却水压力应控制在0.15 MPa左右。在巡检过程中，一旦发现压力有波动，应及时查找原因，消除故障；管路有渗漏时，应及时修复；有影响冷却水压力的作业活动时，应采取适当措施，防止因压力降低而引起保护封锁触发脉冲，甚至跳闸停车。

3 整流装置直流电流的控制[2]

(1)整流装置的软启时间设置及输出电流设置：输出电流参数按工艺要求设置，要求每分钟运行500 A 电流。现设置输出运行电流为12 000 A ，需升/降500 A。点按输出电流设置对话框，写入电流升/降累加或累减值为12 500 A 或11 500 A。写入电流值后按确定键，输出电流返回值与设定值相符时，参数设置成功。

(2)自动运行方式下，操作人员可以修改“输出电流设置”参数，可以根据“输出电流返回”值判断参数是否设置成功。

(3)自动运行方式下，操作人员可以修改“软启动时间设置”参数，可以根据“软启动时间返回”值判断参数是否设置成功。“软启动时间”是指输出电流从 0 上升到额定直流输出电流所花费的时间，此参数决定了电流上升的速率。手动运行方式下，操作人员可以修改“控制角设置”参数，可以根据“控制角返回”值判断参数是否设置成功，设备调试时使用此方式。

(4)直流输出电流达到设定值后，可以通过增、减按钮操作改变输出电流。增减输出操作在本质上直接改变的是调节器的给定值，可在上位机上进行。

4 整流控制柜的运行和控制

整流控制柜共有16台，采用双通道计算机控制PLC监视系统，由双通道全数字调节触发控制系统、触摸屏及计算机网络通信接口组成。

(1)出现报警信号的处理方法。当出现报警信号时，要立即解除报警音响，并根据报警故障指示，迅速查找原因；消除故障后，再按“故障复位”按钮。

(2)在正常运行过程中，A、B通道不能切换，停机时应及时检修，确保互为备用。

(3)“电源缺相”故障处理。同步电源取至整流变阀侧母排，经同步变压器变压后送至触发控制板。出现“电源缺相”报警时，要检查整流变投运情况，检查同步变压器二次侧AT、BT、 CT 相电压12 V时的运行情况；如不正常，要更换同步变压器。

(4)给定电流不能升降的情况。可能是操作器与控制器通信故障，或是双通道热备用控制器故障。

5 纯水装置的日常维护

在整流柜日常运行过程中，由于电流的热效应会产生热量，须对晶闸管等设备降温，确保变流元件正常运行。

(1)在循环过程中，在各种因素的影响下，水质不断下降，为此须设置离子交换器进行水质净化，维持纯水水质。在日常维护过程中，须定期进行水质化验，以便及时处理水质变差的高纯水。

(2)由于桥臂母排及水套水阀内径较小，为防止长期运行中产生的电腐蚀堵塞冷却管路，整流柜冷却水水质要求为：悬浮物质量浓度不超过30 mg/L， pH 值为6～9，硬度(以氧化钙浓度计)不超过4.28 mmol/L，进口压力不低于0.15 MPa，进水温度为5～30 ℃，电阻率大于1 MΩ·cm。在运行期间，如果水质不合格，须对整流柜的纯水冷却水进行置换(平均每两个月置换 1 次)。每次在设备停运检修时，须彻底排空冷却管路内的纯水后，再注入合格的纯水以确保冷却水水质合格。

(3)泵采用双泵组合设计，两泵互为备用，可根据水压自动切换电路。如果工作泵发生故障，备用泵就会自动启动工作，泵切换时间不大于0.5 s。换向阀自动换向并发出信号，可不停机对故障泵进行检修。

(4)设计中采用自动切换电路和自动单流的指挥阀门，工作泵万一发生故障，工作电路立即转换，备用泵同时投入运行，单流阀自动换向，无需操作阀门，水压就可以瞬间恢复，且不停机对故障泵进行检修，保障了纯水装置工作的连续可靠性。

(5)在实际生产中，启动备用泵的条件为纯水压力低，无论工作泵状态如何，都启动备用泵。应该注意的是，工作泵和备用泵的电源应为两路不同的电源。

6 直流大电流测量仪的运行

电流传感器采用16台DC-CT霍尔直测式直流大电流传感器，每台整流单元配1套，最大测量电流为20 kA，输出DC 4～20 mA、0～5 V信号，现场就地安装无干扰，安装方便，系统精确度为0.1%。传感器具有正反测功能并带有逆电流报警门限，完成电流测量、报警，可以输出多种信号，提供RS-485 总线接口，方便连接计算机。电流测量仪故障造成整流柜输出直流电流波动，可能导致整流柜实际输出电流升高或降低而电流仪表显示正常。

原因分析：大电流直流测量仪电路板上精密电位器电阻使输出的控制信号(0～5 V)比实际值发生漂移(降低或升高)，正常时系统在自动稳流状态下工作。直流反馈信号(假信号)达到给定值，触发控制器CPU调节运算，对换相角α进行调节。

处理方法：安装备用的大电流测量仪，拆下来的测量仪回厂进行维修校验。对直流大电流测量仪附件箱作密封处理，防止受到环境腐蚀而损坏。在运行过程中，当发现不明原因的直流电流升高或降低时，应重点检查直流大电流测量仪。

7 极化柜的运行

正常开车时，在直流电流达到3.0 kA后，自动切出极化柜；当停车和紧急停车时，直流电流降至2.7 kA后，立刻投入极化柜。为了保证在供电中断时极化柜能立即有备用电源投入，利用另一路的10 kV保安供电电源，形成了可靠的双电源线路，以保证供电不间断。华泰重化工共有16台极化柜，极化柜由整流主回路、控制稳流电路、继电保护电路、电流检测及操作界面显示，也可以采用PLC和DCS组成。开机可手动控制、自动控制。额定输出电压为 500 V，额定电流为120 A。

如果是极化给定电流超过整定值，复位即可；如果是晶闸管触发控制板故障，一般多为电源变压器烧坏。

由于极化电源触发控制板RUN端子为外部封锁脉冲/软启动控制端，当该端子与 GND端子短接时，解除脉冲封锁，开始正常工作；当直流输出降到零时，RUN端子悬空时触发脉冲被封锁，与GND控制线经中间继电器KA1常开触点输出。由于该控制信号为弱电信号，继电器KA1为普通式继电器，一旦触点接触不良，就会造成RUN与 GND信号时有时无，引起触发信号不正常，造成极化电源无输出或电流不稳。将继电器 KA1改为封闭式小型继电器，没有再出现类似故障。

(1)检查电源电压是否正常。

(2)检查输出脉冲电压发光二极管VL3～VL8指示，如有不亮，则可能是控制板到可控硅的脉冲线开路或脉冲输出回路故障而导致无脉冲输出。

(3)检查可控硅的导通性能，不好则更换。