食盐电解整流器

食盐电解整流器 2泐年氯碱整流技术研讨会论文集 食盐电解整流器 阳楚君 (宜宾天原股份公司，四川宜宾644004) 摘要:简述三个历史时期电解槽的结构、电气特点，与之相适应的整流元件、整流臂、 元件均衡电流、整流器以及控制技术特点，根据电解槽和化工自控技术的发展，预测了食盐电 解整流装置的发展趋势。 关键词:食盐电解槽、整流器及结构变化 在氯碱化工生产中电解槽是必备的主要设备，它的功能是:盐水通过它，在直流电流 的作用下对盐水进行电解，产生氢气、氯气和电解液。直流电是电解槽不能缺少的能源， 它是由交流电源通过整流装置交换而来。电解槽规格型号材料的不同，对直流电源的电流 电压的参数要求也是不同的。在行业中一般是由工艺先选定电解槽的规格型号及数量后， 提出所要求的直流电流、电压，电气按工艺提出的直流电流、电压条件，选配整流装置来 满足电解工序对直流电流、电压的要求，在氯碱化工行业中整流装置总是随着电解槽和整 流元件的发展而发展的。 1我国氯碱化工行业中电解槽经历了三个时期，对应三个时期的整流装置 1(1水银整流器(石墨阳极电解时期) 石墨阳极电解槽是采用石墨碳素板，通过加工成一 定规格尺寸制作成电解槽的阳极， 阴极是采用金属网制成，并在金属网上吸附一层一定厚度的石棉绒。石墨阳极板与导电铜 板通过浇铅实现连接，加工工艺是金属铅加入铁锅内，加热熔化后浇注在石墨碳素板与导 电铜板的连接空隙处，冷却后石墨碳素板和导电铜板成为一个整体，形成电解槽的阳极。 石墨碳素板在运行中要发生损耗，这使石墨碳素板的有效截面积减小造成电槽电压增高、 烧碱电耗增加，所以要定期更换截面积减小的石墨碳素板阳极。该种类型电解槽存在电耗 高，维护工作量大，阴极箱在检修中石棉绒随废水流入环境将造成环境危害，阳极在更换 石墨碳素板时铅蒸汽对检修工人有职业健康危害，是50,70年代是国内主要电解设备，现 已列入国家淘汰设备目录。 A,1 000 石墨阳极电解槽为10-16型，电流密度J为800 A,m'，直流电流I。为6"---12 kA。整流元件采用电子管整流原理的水银整流桶作为整流元件，整流电路为三相桥式或双 kA、6 反星形整流电路，直流电流输出I。为3 kA，直流供电采用N+I多机组构成供电 彩晒年氯碱整流技术研讨会论文集 系统向电解槽供电。水银整流桶在整流工作时电压降高，能源损失大。用电加热水银，使 水银形成水银蒸气作为导体介质。在运行中，要保证水银整流桶中的真空度，要定期和不 定期的用真空泵抽取水银整流桶中的真空，在抽取真空过程中都要排出大量水银蒸气。在 水银整流桶的检修过程中，检修工人要接触大量的水银，而且水银不可避免要发生泄漏， 将造成环境污染和危害工人的身体建康。控制手段为:采用移相器移相尖峰脉发生器产生 尖峰电流作为栅极控制整流电流的大小，在整流过程中水银整流桶中产生的热量由桶壁夹 套中的冷却水带出。这 一时期的整流控制室，一般都是单独设置，与外界的联络是采用专 用电话。 1(2硅二极管整流器(石墨阳极、金属阳极时期) 金属阳极电解槽是用金属网做电解槽的阳极，金属网用钛作母材，并在母材上涂一层 金属钌，增加阳极耐腐蚀、耐磨及电流强度，使电解槽的容量增大。阴极的结构变化不大。 单槽的容量增大，烧碱的电耗低于石墨阳电槽，电解槽的运行周期长，维护工作量大大减 少，消除了铅对工人的职业危害，但存在石棉绒对环境的影响。是80，---90年代末期国内电 解槽主要设备。 300，---2 000 kh'-"A,re'，直流电流I。为20 金属阳极电解槽为16—30型、电流密度J为1 55 kA、直流电压U。在550 V以下，前期为200 A二极管螺栓型整流元件，后期发展平板型 h、l 000 A、2 000 A、3 000 000 A、 元件电流为500 A。螺栓型元件整流机组电流为3 A。 这6 000 A、12 000 A、24 000 000"'35 000 A，平板型整流元件的整流机组电流I。为10 N台机组方案和N十l台机 组阶段由于单机组电流小于电解槽的电流，整流系统供电采用 (1)调压开关粗调十调压开关细调。(2)调压开关粗调十饱和电抗 器方案，调压方式有: (3)N台二极管有载调压机组十1台可控硅机组进行微调。控制系统多为开环控 细调。 制系统。控制元件多为继电器。整流机组同臂支路电流均流度问较为突出。为解决同臂 电流与单只元件电流的关系，采用增加整流桥数的办法，具体做法是:(1)选择N台机组， 机组整流元件臂数为6或12个，总的元件臂数为6N或12N。(2)机组采用同相逆并联、 ?,Y形式接线，构成12个桥臂。(3)单机组采用双反星形带平衡电抗器接线构成12个桥 臂。(4)单机组采用2个双反星带平衡电抗器组成同相逆并联接线构成24个桥臂。对整流 所产生的谐波重视，在多机组方案、单机组中采用移相的做法，降低谐波电流的产生。这 一时期整流控制室的布置上有2种方式:第一种是整流站与变电站合一;第二种是整流操 作人员与电解操作人员共用一个操作室。通讯上与生产调度联系是采用专用电话。化工生 产中重要参数指标已进入生产调度室的显示器，调度员可在调度室直接监视重要参数，操 2 翻彩年氯碱整流技术研讨会论文集 作命令是由调度通过电话进行指挥岗位人员来下达的，整流装置进行操作与工艺、生产调 度的关系加强了。 1(3可控整流器(离子膜电解槽时期) 离子膜电解槽是采用高分子有机材料的离子膜技术 来替代了传统用金属网吸附石棉作 阴极技术。阳极还是采用钛丝网作母材，并在母材上涂一层钌和其他的元素，提高阳极寿 命和电流强度。它的特点是产品质量纯度高，单位产品电耗低节能，从电解槽出来的电解 液为3096浓度的烧碱产品，可直接进行销售，电流强度高，设备体积小，占地面积小，但 对盐水的质量要求高，是国家推荐的节能设备。 在近几年烧碱扩建中，离子膜碱的份额超过50,以上。离子膜电解槽有单极式电解槽， A,m'，直流电流I。为45,55 kA;复合式电解槽(三槽式)，电流密度 j电流密度j为2700 500 200 A,m'，直流 为4 A,m'，直流电流I。为55 kA;复极式电解槽，电流密度j为4 电流I。为10---15 kA。因复极式电解槽电流I。小，电压Ud高(一只复极式电解槽的电压是 取决于槽内串联的离子膜片的多少，一般为300---500 V)，一只复极式电解槽的碱产量为 1(0,2(0万t,a，由独立整流装置供电、其占地面积少、检修方便，已成为国内的主流。 kA、35 kA、60 kA机组。 这阶段的整流器:单极、复合式电解槽采用整流单机电流为25 复极式离子膜电解槽:整流机组电流为12(5,15 kA。元件结构形式为平板型，元件电流 000 A，2‘000A 、3 000 A、4 000 A、5 000 A、6 500 置容量为:1 A。单极式整流机组配 2机组居多，复极式整流机组配置1机组。调节方式:有载调压粗调十可控硅细凋，注 意控制角r在30度以内，重视提高功率因数和减少谐波电流。控制系统为闭环控制系统， 机组电流稳定精度高。机组同臂支路电流的均流度较高。可控硅的触发电路由模拟分立元 件、集成模拟电路过渡至现在的全集成数字电路，辅助控制元件由继电器、过渡到PLC控 制。用后台计算机进行操作、显示、、报警智能化控制。整流操作人员与电解操作人 员共一个操作室，共用一个计算机操作台，计算机系统是分开使用。与工艺生产调度方式 同前。随着生产系统越来越大，自动控制水平的提高，网络通讯的应用，化工企业中DCS 控制系统得到广泛的应用，同时对化工生产的安全性要求也在不断的提高，原有的调度指 挥系统也在变化，化工生产过程的重要参数的运行参数变化，将引起整个氯碱系统中各工 序工艺参数的变化，人工来协调各种关系、工艺参数调整、指挥的时效上都不能适应安全 生产的需要，整流器机组、电解槽、氯氢处理、盐酸、合成等工序之间安全自动连锁得到 较大的发展。实现了离子膜，整流供电与变电站合一。 1(4氯碱化工行业电解槽的电流变化轨迹(见图1)。 彩,年氯碱整流技术研讨会论文集 i(KA) 55 kA 16 kA 1 2 kA 年代80 90 85 9720002005 图l电解槽电流的轨迹图 2整流器的结构变化 2(1整流臂的变化 从三相桥式、三相双反星形整流电路公式中，可计算出每一个整流电路 中臂电流平均 值IV与有效值IS与直流电流Id之间的数量关系。 在三相桥式整流电路中，通过公式计算 Is是臂电流平均值Iv的1(73 出臂电流有效值 倍，示为Is,Iv=1(73，臂电流平均值Iv是直流电流I。的1,3倍表示为Iv,Id=l,3，臂电 流有效值I。是直流电流I。的0(577倍表示为I。,Id-0(577。 三相双反星带平衡电抗器整流电路中，通过公式计算出臂电流有效值Is是臂电流平均 Iv值Iv的1(76倍，表示为Is,Iv=1(76，臂电流平均值Iv是直流电流I。的1,6倍表示为 ,I。=1,6，臂电流有效值IS是直流电流I。的0(293倍表示为I。,I。=O(293。 如果整流元件的电流值小于臂电流平均值，就必须使用多个并联元件和增加附属设备 来保证元件的安全运行。为满足安全运行要求，可采取增加整流机组即增加元件桥臂数量， 来降低桥臂电流的办法。如在总直流电流一定的情况下，可采用N机组方案，多一个机组 至少增加6个元件桥臂，2机组共12个元件桥臂，3个机组共18个元件臂。整流机组阀侧 采用同相逆并联、Y一么接线都构成整流桥臂为12的接线。这些都是在元件电流容量不能满 足臂电流时采取的各种措施和方法，比较好的解决了元件电流与臂电流的关系。 例:金属阳极30型直流电流55 kA，三相桥式接线。 a(采用200 A螺栓型元件，求整流机组、整流臂数、臂电流、元件数。 采用3台机组， L=24 kA，每机组分成4个三相桥式整流回路，每个回 路直流电流每台机组直流电流 kA+4=6 L1=24 kA，每臂电流Iv=2 kA，每臂元件数=I，?I，=2000+200=10只， 考虑均流问 X 题除0(8，元件数为lO?0(8=13只，每个机组桥臂数6 4=24个，3个机组总 的桥臂数为24X3=72个。 500 b(采用4 A平板型元件，求整流机组、整流臂数、臂电流、元件数。 4 墨蚴年氯碱整流技术研讨会论文集 采用2台机组，每台机组直流电流I。=35 kA，每机组由2个三相桥式构成同相逆并联整流 回路，每个回路直流电流 ，每个整流元件臂电流Iv=I。。?3=5(8 kA1(1=17(5 kA，每只元件 臂元件数=I，?I，=2只，考虑元件均衡电流问题除0(8，元件数为2?o(8=3只，即每个整流 机 X组的整流元件臂数为6 2=12个，2个机组总的整流元件臂数为12×2=24个。 2(2整流元件臂同臂各元件支路电流的均流变化 由于单只元件电流容量不能满足臂电流， 必须采用元件并联，元件的并联会在并联支 路中出现电流分配不均的现象。其中，因可控硅门极开通的差异而引起电流不均，称为瞬 态均流。导通进入稳定状态后，由于各元件正向压降，差异引起的电流分布不均，称为稳 态均流。为解决电流分配不均，保证整流机组的安全，须采取必要的元件均衡电流措施。 氯碱化工行业整流器中常用2种整流同臂支路电流均流技术。 (1)选配元件 a(要求所有 V。 并联元件同级正向电压降的元件，最好使各元件的正向压降之差不超过0(05 b(优点是: 不附加器件，装置结构简化。不足之处是造配元件耗费工时，元件更换不方便， 均流度随着并联元件数增加而降低。 C(适用于同臂并联数较少，有选配条件的整流器。 (2)采用均流互感器法 a(均流互感器的铁芯截面和绕 组等关系式计算如下: WS?(zflUT+Kf么B)×108 通常绕组匝数取1-5匝。 b(支路大于2时，结构布置复杂。 C(适用于同臂并联支路数较少的设备。 d(采用均流互感器的接法，见图2。 A 流 感器 口 [ 立 立, , + 5 彩哳年氯碱整流技术研讨会论文集 图2均流互感器接线 2(3整流元件的排列方式与引出母线位置对均流的影响 整流元件的通态电阻很小，因而并 联各支路阻抗的差异对电流均衡度的影响很大，在 大电流电路中尤其如此。为此，各支路的电阻和自感必须相等，互感大致相等，见图3。 A A + + n1 2 3 (a)不合理 (b)合理 A A,ll立D D1 ]l_[V+] + 正面 一+便卜?卜恼 1}1 n 1 2 3 1 2 3 4 (c)改进后的布置 (d)同轴分布 图3引出线对均流的影响 在多相电路中，除了同臂各支路之间的互感影响外，还有其他相电流在换相过程中产 生的互感影响。所以在设计大电流交流框时，必须增大各相母线之间间隔距离或减少这种 影响的特殊结构，如改变进出线位置或利用同相逆并联方式，见图4。 6 黝莎年氯碱整流技术研讨会论文集 D + 图4三相桥式逆变接线方式 3氯碱化工行业解决，电解槽电流与元件电流相适应的整流方案 3(I氯碱化工主要应用整流元件的电流发展轨迹，见图5。 A。50年代中"-70年代前期，大功率整流元件为水银整流桶，元件电流为500 70年代后期"80年代初期，大功率整流元件为硅二极管，结构为螺栓型风冷、水冷， A。元件电流为200 80年代中期"-90年代中期，大功率整流元件为硅二极管，结构为平板型水冷，元件电 流为500"-'3 000 A。 90年代中期"一2000年初期，大功率整流元件为硅二极管、可控硅管，结构为平板型水 000"4 000 A。 冷，元件电流l 000，一"2000年初,现在，大功率整流元件为可控硅管，结构为平板型水冷，元件电流1 A。 6 500 i(A) 6 50 0 A 5 000 A 1 000 A 5 00 A 20 0 A 年代 90 95 2?0 2?5 图5我国整流元件电流的发展轨迹图 3(2电解槽电流与整流元件电流相适应的整流方案 7 彩沥年氯碱整流技术研讨会论文集 200 石墨阳极16 (1)多机组方案N+I配置 A螺栓型元件。 kA以 下 (2)元件之间电流不均衡现象突出，不均衡电流对整流机组的安全运 行成为首要问题。 (3)同臂元件多达10-'--15只。 (4)总的整流元件臂 数多。 (5)调压方案为有载调压+饱和电抗器开环 控制。 (6)电流I。控制精度单?1(5, 金属阳极电解槽、 (1)2-3机组方案，单机组12臂(单机组同相逆并联或V,丫接线)200 000,4 500 离子膜(单极式) A螺栓型、1 A平板型元件 55 kA以下 (2)元件之间电流不均衡现象较为突出，不均衡电流对整流机组的安 全运行成为首要问题。 (3)同臂元件多达10只以上，采用大元件后同 臂元件可在4只以上。 (4)总的整流元件臂数减少。 (5)调压方案有? 有载调压十饱和电抗器闭环控制?N台有载调压十1 台可控硅调压? 有载调压十可控硅调压。 (6)电流I。控制精度?1,。 离子膜(复极式) (1)可控硅机组广泛应用，触发电路采用数字替代模拟，用双通道热 12(5 kA 备用替代单通道冷备用，用后台微机+现场PLC控制替代继电接触 控制。 器 500 (2)单机组1个整流回路对应1只电解。4 A以上可控硅元件在逐 步应用。 (3)元件之间不均衡电流，对整流机组的安全运行退至次要 位置，节 能成为主要问题。 (4)整流供电系统的总整流元件臂少，同臂元件数少。 (5)弱化了 元件间的不均衡电流问题。单机组12臂与6臂共存。 (6)调压方 案有载调压十可控硅，即幅值调压十相位调压。 (7)电流I。控制 精度?1,。 4氯碱整流器发展的趋势 离子膜电解槽由单极式向复极式过渡成为主流，它的发展方向是 复极式电槽，发展趋 势是电流密度J向高密度，直流电压U。向高电压，直流电流I。向小电流，电耗向低电耗方 8 i 20t;够年氯碱整流技术研讨会论文集 向发展。氯碱化工DCS控制系统、安全联锁系统在广泛使用的基础上获得更加完善和成 熟。 整流器的发展趋势如下。 (1)整流器主回路 a(一个调变带一个整变(共油箱结构)，一个整变带一个整流器再带一只电解槽称一 () 机带一槽方式。或一个调变带二个整变共油箱结构，一个整流变压器带一个整流器再带一只电解槽，即一个变压器带二只电解槽称一机带二槽方式。用多机组在网侧移相形成 多相整流接线，减小谐波总量，提高电能质量。 b(一个直流供电单元整流器的整流臂数为6。 C(同臂元件数为1只，为提高可靠性从 安全角度可为2只，选用单只元件电流I，大于 臂电流Iv一般I，?1(3Iv，消除并联元件、同臂支路以及进出线对均流的影响，使整流器 成为安全运行可靠结构简单的设备。目前国内×××单位已研制出单只最大电流为5英寸 6 500 A的可控硅元件，在江苏xx公司的整流器上投入运行，为离子膜(复极式)整流器 的发展创造了良好条件。 (2)可控硅的触发回路 目前较为广泛采用数字集成电路触发、双通道、热备用、防晃电、防 同步缺相、双反 馈等技术替代模拟触发技术。 (3)对机组采用后台计算机+现场PLC控制技术，替代传统控制模式，使各种操作更加方便、 功能更加完善，可靠性、智能化程度进一步提高。模糊整流岗位，它与电解工艺操作岗位 合并，由一个计算机系统进行统一操作。整流室内实现无人值守，定期巡检。整流所继电 保护与变电站合一应用综合自动化计算机保护，可能最终与化工系统总控机联网进行遥测、 遥信、远距离控制，实现氯碱工艺生产系统的最优控制。 (4)整流设备的检修向专业化、社会化检修发展。 (5)IGBT元件在整流回路中的应用 IGBT在拖动系统如鼠笼电动机的变频调速、绕线式电动 机的内反馈斩波调速中得到了 普遍应用，正逐步替代可控硅元件，它的优点是控制特性好、速度快、动态参数好，适用 于速度快、动态参数变化大等场合。目前IGBT元件的电流、电压与可控硅元件相比还有较 大差距，而且元件正向压降大、价格高，对氯碱化工电解负荷来说变化相对缓慢平稳，采 用可控硅机组从控制技术指标上能满足工艺要求，而且制造工艺成熟，所以IGBT目前进入 氯碱化工整流装置中显得竞争力不强。 收稿日期:2006--08一” 9