食鹽電解整流器

1、2泐年氯堿整流技術研討會論文集食鹽電解整流器陽楚君(宜賓天原股份公司，四川宜賓644004)摘要：簡述三個歷史時期電解槽的結構、電氣特點，與之相適應的整流元件、整流臂、 元件均衡電流、整流器以及控制技術特點，根據(jù)電解槽和化工自控技術的發(fā)展，預測了食鹽電 解整流裝置的發(fā)展趨勢。關鍵詞：食鹽電解槽、整流器及結構變化在氯堿化工生產(chǎn)中電解槽是必備的主要設備，它的功能是：鹽水通過它，在直流電流 的作用下對鹽水進行電解，產(chǎn)生氫氣、氯氣和電解液。直流電是電解槽不能缺少的能源， 它是由交流電源通過整流裝置交換而來。電解槽規(guī)格型號材料的不同，對直流電源的電流 電壓的參數(shù)要求也是不同的。在行業(yè)中一般是由工藝先選定

2、電解槽的規(guī)格型號及數(shù)量后， 提出所要求的直流電流、電壓，電氣按工藝提出的直流電流、電壓條件，選配整流裝置來 滿足電解工序對直流電流、電壓的要求，在氯堿化工行業(yè)中整流裝置總是隨著電解槽和整 流元件的發(fā)展而發(fā)展的。1我國氯堿化工行業(yè)中電解槽經(jīng)歷了三個時期，對應三個時期的整流裝置11水銀整流器(石墨陽極電解時期) 石墨陽極電解槽是采用石墨碳素板，通過加工成一定規(guī)格尺寸制作成電解槽的陽極，陰極是采用金屬網(wǎng)制成，并在金屬網(wǎng)上吸附一層一定厚度的石棉絨。石墨陽極板與導電銅 板通過澆鉛實現(xiàn)連接，加工工藝是金屬鉛加入鐵鍋內(nèi)，加熱熔化后澆注在石墨碳素板與導 電銅板的連接空隙處，冷卻后石墨碳素板和導電銅板成為一個整

3、體，形成電解槽的陽極。 石墨碳素板在運行中要發(fā)生損耗，這使石墨碳素板的有效截面積減小造成電槽電壓增高、 燒堿電耗增加，所以要定期更換截面積減小的石墨碳素板陽極。該種類型電解槽存在電耗 高，維護工作量大，陰極箱在檢修中石棉絨隨廢水流入環(huán)境將造成環(huán)境危害，陽極在更換 石墨碳素板時鉛蒸汽對檢修工人有職業(yè)健康危害，是5070年代是國內(nèi)主要電解設備，現(xiàn) 已列入國家淘汰設備目錄。石墨陽極電解槽為10-16型，電流密度j為800 a1 000 am，直流電流i。為6-12 ka。整流元件采用電子管整流原理的水銀整流桶作為整流元件，整流電路為三相橋式或雙 反星形整流電路，直流電流輸出i。為3 ka、6 ka，

4、直流供電采用n+i多機組方案構成供電彩曬年氯堿整流技術研討會論文集 系統(tǒng)向電解槽供電。水銀整流桶在整流工作時電壓降高，能源損失大。用電加熱水銀，使 水銀形成水銀蒸氣作為導體介質(zhì)。在運行中，要保證水銀整流桶中的真空度，要定期和不 定期的用真空泵抽取水銀整流桶中的真空，在抽取真空過程中都要排出大量水銀蒸氣。在 水銀整流桶的檢修過程中，檢修工人要接觸大量的水銀，而且水銀不可避免要發(fā)生泄漏， 將造成環(huán)境污染和危害工人的身體建康。控制手段為：采用移相器移相尖峰脈發(fā)生器產(chǎn)生 尖峰電流作為柵極控制整流電流的大小，在整流過程中水銀整流桶中產(chǎn)生的熱量由桶壁夾 套中的冷卻水帶出。這一時期的整流控制室，一般都是單獨

5、設置，與外界的聯(lián)絡是采用專用電話。12硅二極管整流器(石墨陽極、金屬陽極時期)金屬陽極電解槽是用金屬網(wǎng)做電解槽的陽極，金屬網(wǎng)用鈦作母材，并在母材上涂一層 金屬釕，增加陽極耐腐蝕、耐磨及電流強度，使電解槽的容量增大。陰極的結構變化不大。 單槽的容量增大，燒堿的電耗低于石墨陽電槽，電解槽的運行周期長，維護工作量大大減 少，消除了鉛對工人的職業(yè)危害，但存在石棉絨對環(huán)境的影響。是80，-90年代末期國內(nèi)電 解槽主要設備。金屬陽極電解槽為1630型、電流密度j為1 300，-2 000 are，直流電流i。為20 kh-55 ka、直流電壓u。在550 v以下，前期為200 a二極管螺栓型整流元件，后期

6、發(fā)展平板型 元件電流為500 h、l 000 a、2 000 a、3 000 a。螺栓型元件整流機組電流為3 000 a、6 000 a、12 000 a、24 000 a，平板型整流元件的整流機組電流i。為10 00035 000 a。 這階段由于單機組電流小于電解槽的電流，整流系統(tǒng)供電采用n臺機組方案和n十l臺機 組方案，調(diào)壓方式有：(1)調(diào)壓開關粗調(diào)十調(diào)壓開關細調(diào)。(2)調(diào)壓開關粗調(diào)十飽和電抗 器細調(diào)。(3)n臺二極管有載調(diào)壓機組十1臺可控硅機組進行微調(diào)?？刂葡到y(tǒng)多為開環(huán)控制系統(tǒng)?？刂圃酁槔^電器。整流機組同臂支路電流均流度問題較為突出。為解決同臂 電流與單只元件電流的關系，采用增加整

7、流橋數(shù)的辦法，具體做法是：(1)選擇n臺機組， 機組整流元件臂數(shù)為6或12個，總的元件臂數(shù)為6n或12n。(2)機組采用同相逆并聯(lián)、y形式接線，構成12個橋臂。(3)單機組采用雙反星形帶平衡電抗器接線構成12個橋 臂。(4)單機組采用2個雙反星帶平衡電抗器組成同相逆并聯(lián)接線構成24個橋臂。對整流 所產(chǎn)生的諧波重視，在多機組方案、單機組中采用移相的做法，降低諧波電流的產(chǎn)生。這 一時期整流控制室的布置上有2種方式：第一種是整流站與變電站合一；第二種是整流操 作人員與電解操作人員共用一個操作室。通訊上與生產(chǎn)調(diào)度聯(lián)系是采用專用電話?；ど?產(chǎn)中重要參數(shù)指標已進入生產(chǎn)調(diào)度室的顯示器，調(diào)度員可在調(diào)度室直接

8、監(jiān)視重要參數(shù)，操2翻彩年氯堿整流技術研討會論文集 作命令是由調(diào)度通過電話進行指揮崗位人員來下達的，整流裝置進行操作與工藝、生產(chǎn)調(diào) 度的關系加強了。13可控整流器(離子膜電解槽時期) 離子膜電解槽是采用高分子有機材料的離子膜技術來替代了傳統(tǒng)用金屬網(wǎng)吸附石棉作陰極技術。陽極還是采用鈦絲網(wǎng)作母材，并在母材上涂一層釕和其他的元素，提高陽極壽 命和電流強度。它的特點是產(chǎn)品質(zhì)量純度高，單位產(chǎn)品電耗低節(jié)能，從電解槽出來的電解 液為3096濃度的燒堿產(chǎn)品，可直接進行銷售，電流強度高，設備體積小，占地面積小，但 對鹽水的質(zhì)量要求高，是國家推薦的節(jié)能設備。在近幾年燒堿擴建中，離子膜堿的份額超過50以上。離子膜電解

9、槽有單極式電解槽， 電流密度j為2700 am，直流電流i。為4555 ka；復合式電解槽(三槽式)，電流密度 j為4 200 am，直流電流i。為55 ka；復極式電解槽，電流密度j為4 500 am，直流 電流i。為10-15 ka。因復極式電解槽電流i。小，電壓ud高(一只復極式電解槽的電壓是 取決于槽內(nèi)串聯(lián)的離子膜片的多少，一般為300-500 v)，一只復極式電解槽的堿產(chǎn)量為1020萬ta，由獨立整流裝置供電、其占地面積少、檢修方便，已成為國內(nèi)的主流。 這階段的整流器：單極、復合式電解槽采用整流單機電流為25 ka、35 ka、60 ka機組。 復極式離子膜電解槽：整流機組電流為12

10、515 ka。元件結構形式為平板型，元件電流 容量為：1 000 a，2000 a、3 000 a、4 000 a、5 000 a、6 500 a。單極式整流機組配 置2機組居多，復極式整流機組配置1機組。調(diào)節(jié)方式：有載調(diào)壓粗調(diào)十可控硅細凋，注 意控制角r在30度以內(nèi)，重視提高功率因數(shù)和減少諧波電流?？刂葡到y(tǒng)為閉環(huán)控制系統(tǒng)， 機組電流穩(wěn)定精度高。機組同臂支路電流的均流度較高。可控硅的觸發(fā)電路由模擬分立元 件、集成模擬電路過渡至現(xiàn)在的全集成數(shù)字電路，輔助控制元件由繼電器、過渡到plc控 制。用后臺計算機進行操作、顯示、記錄、報警智能化控制。整流操作人員與電解操作人 員共一個操作室，共用一個計算機

11、操作臺，計算機系統(tǒng)是分開使用。與工藝生產(chǎn)調(diào)度方式 同前。隨著生產(chǎn)系統(tǒng)越來越大，自動控制水平的提高，網(wǎng)絡通訊的應用，化工企業(yè)中dcs 控制系統(tǒng)得到廣泛的應用，同時對化工生產(chǎn)的安全性要求也在不斷的提高，原有的調(diào)度指 揮系統(tǒng)也在變化，化工生產(chǎn)過程的重要參數(shù)的運行參數(shù)變化，將引起整個氯堿系統(tǒng)中各工 序工藝參數(shù)的變化，人工來協(xié)調(diào)各種關系、工藝參數(shù)調(diào)整、指揮的時效上都不能適應安全 生產(chǎn)的需要，整流器機組、電解槽、氯氫處理、鹽酸、合成等工序之間安全自動連鎖得到 較大的發(fā)展。實現(xiàn)了離子膜，整流供電與變電站合一。14氯堿化工行業(yè)電解槽的電流變化軌跡(見圖1)。彩年氯堿整流技術研討會論文集i(ka)55 ka16

12、 ka1 2 ka年代80 85 909720002005圖l電解槽電流的軌跡圖2整流器的結構變化21整流臂的變化 從三相橋式、三相雙反星形整流電路公式中，可計算出每一個整流電路中臂電流平均值iv與有效值is與直流電流id之間的數(shù)量關系。 在三相橋式整流電路中，通過公式計算出臂電流有效值is是臂電流平均值iv的173倍，表示為isiv=173，臂電流平均值iv是直流電流i。的13倍表示為ivid=l3，臂電 流有效值i。是直流電流i。的0577倍表示為i。id-0577。三相雙反星帶平衡電抗器整流電路中，通過公式計算出臂電流有效值is是臂電流平均 值iv的176倍，表示為isiv=176，臂電

13、流平均值iv是直流電流i。的16倍表示為 ivi。=16，臂電流有效值is是直流電流i。的0293倍表示為i。i。=o293。如果整流元件的電流值小于臂電流平均值，就必須使用多個并聯(lián)元件和增加附屬設備 來保證元件的安全運行。為滿足安全運行要求，可采取增加整流機組即增加元件橋臂數(shù)量， 來降低橋臂電流的辦法。如在總直流電流一定的情況下，可采用n機組方案，多一個機組 至少增加6個元件橋臂，2機組共12個元件橋臂，3個機組共18個元件臂。整流機組閥側 采用同相逆并聯(lián)、y一么接線都構成整流橋臂為12的接線。這些都是在元件電流容量不能滿 足臂電流時采取的各種措施和方法，比較好的解決了元件電流與臂電流的關系

14、。例：金屬陽極30型直流電流55 ka，三相橋式接線。a采用200 a螺栓型元件，求整流機組、整流臂數(shù)、臂電流、元件數(shù)。 采用3臺機組，每臺機組直流電流l=24 ka，每機組分成4個三相橋式整流回路，每個回 路直流電流l1=24 ka+4=6 ka，每臂電流iv=2 ka，每臂元件數(shù)=i，i，=2000+200=10只， 考慮均流問題除08，元件數(shù)為lo08=13只，每個機組橋臂數(shù)6 x 4=24個，3個機組總 的橋臂數(shù)為24x3=72個。b采用4 500 a平板型元件，求整流機組、整流臂數(shù)、臂電流、元件數(shù)。4墨蚴年氯堿整流技術研討會論文集 采用2臺機組，每臺機組直流電流i。=35 ka，每機

15、組由2個三相橋式構成同相逆并聯(lián)整流 回路，每個回路直流電流11=175 ka，每個整流元件臂電流iv=i。3=58 ka，每只元件臂元件數(shù)=i，i，=2只，考慮元件均衡電流問題除08，元件數(shù)為2o8=3只，即每個整流 機組的整流元件臂數(shù)為6 x 2=12個，2個機組總的整流元件臂數(shù)為122=24個。22整流元件臂同臂各元件支路電流的均流變化 由于單只元件電流容量不能滿足臂電流，必須采用元件并聯(lián)，元件的并聯(lián)會在并聯(lián)支路中出現(xiàn)電流分配不均的現(xiàn)象。其中，因可控硅門極開通的差異而引起電流不均，稱為瞬 態(tài)均流。導通進入穩(wěn)定狀態(tài)后，由于各元件正向壓降，差異引起的電流分布不均，稱為穩(wěn) 態(tài)均流。為解決電流分配

16、不均，保證整流機組的安全，須采取必要的元件均衡電流措施。氯堿化工行業(yè)整流器中常用2種整流同臂支路電流均流技術。 (1)選配元件 a要求所有并聯(lián)元件同級正向電壓降的元件，最好使各元件的正向壓降之差不超過005 v。 b優(yōu)點是：不附加器件，裝置結構簡化。不足之處是造配元件耗費工時，元件更換不方便， 均流度隨著并聯(lián)元件數(shù)增加而降低。c適用于同臂并聯(lián)數(shù)較少，有選配條件的整流器。 (2)采用均流互感器法 a均流互感器的鐵芯截面和繞組等關系式計算如下：ws(zflut+kf么b)108通常繞組匝數(shù)取1-5匝。 b支路大于2時，結構布置復雜。 c適用于同臂并聯(lián)支路數(shù)較少的設備。 d采用均流互感器的接法，見圖

17、2。a流 感器口立 立+5彩哳年氯堿整流技術研討會論文集圖2均流互感器接線23整流元件的排列方式與引出母線位置對均流的影響 整流元件的通態(tài)電阻很小，因而并聯(lián)各支路阻抗的差異對電流均衡度的影響很大，在大電流電路中尤其如此。為此，各支路的電阻和自感必須相等，互感大致相等，見圖3。aa+123n(a)不合理 (b)合理ad all立d1l_v+正面一+便卜卜惱11123n1234(c)改進后的布置 (d)同軸分布圖3引出線對均流的影響在多相電路中，除了同臂各支路之間的互感影響外，還有其他相電流在換相過程中產(chǎn) 生的互感影響。所以在設計大電流交流框時，必須增大各相母線之間間隔距離或減少這種 影響的特殊結

18、構，如改變進出線位置或利用同相逆并聯(lián)方式，見圖4。6黝莎年氯堿整流技術研討會論文集d+圖4三相橋式逆變接線方式3氯堿化工行業(yè)解決，電解槽電流與元件電流相適應的整流方案3i氯堿化工主要應用整流元件的電流發(fā)展軌跡，見圖5。50年代中-70年代前期，大功率整流元件為水銀整流桶，元件電流為500 a。70年代后期80年代初期，大功率整流元件為硅二極管，結構為螺栓型風冷、水冷， 元件電流為200 a。80年代中期-90年代中期，大功率整流元件為硅二極管，結構為平板型水冷，元件電流為500-3 000 a。90年代中期一2000年初期，大功率整流元件為硅二極管、可控硅管，結構為平板型水 冷，元件電流l 0

19、004 000 a。2000年初現(xiàn)在，大功率整流元件為可控硅管，結構為平板型水冷，元件電流1 000，一6 500 a。i(a)6 5 0 0 a5 000 a1 00 0 a5 00 a2 0 0 a年代90952025圖5我國整流元件電流的發(fā)展軌跡圖32電解槽電流與整流元件電流相適應的整流方案7彩瀝年氯堿整流技術研討會論文集石墨陽極16 ka以(1)多機組方案n+i配置 200 a螺栓型元件。下(2)元件之間電流不均衡現(xiàn)象突出，不均衡電流對整流機組的安全運 行成為首要問題。(3)同臂元件多達10-15只。 (4)總的整流元件臂數(shù)多。 (5)調(diào)壓方案為有載調(diào)壓+飽和電抗器開環(huán)控制。 (6)電

20、流i。控制精度單15金屬陽極電解槽、 (1)2-3機組方案，單機組12臂(單機組同相逆并聯(lián)或v丫接線)200 離子膜(單極式) a螺栓型、1 0004 500 a平板型元件55 ka以下 (2)元件之間電流不均衡現(xiàn)象較為突出，不均衡電流對整流機組的安 全運行成為首要問題。 (3)同臂元件多達10只以上，采用大元件后同臂元件可在4只以上。 (4)總的整流元件臂數(shù)減少。 (5)調(diào)壓方案有有載調(diào)壓十飽和電抗器閉環(huán)控制n臺有載調(diào)壓十1 臺可控硅調(diào)壓有載調(diào)壓十可控硅調(diào)壓。(6)電流i。控制精度1。離子膜(復極式) (1)可控硅機組廣泛應用，觸發(fā)電路采用數(shù)字替代模擬，用雙通道熱125 ka備用替代單通道冷

21、備用，用后臺微機+現(xiàn)場plc控制替代繼電接觸器 控制。(2)單機組1個整流回路對應1只電解。4 500 a以上可控硅元件在逐 步應用。 (3)元件之間不均衡電流，對整流機組的安全運行退至次要位置，節(jié) 能成為主要問題。(4)整流供電系統(tǒng)的總整流元件臂少，同臂元件數(shù)少。 (5)弱化了元件間的不均衡電流問題。單機組12臂與6臂共存。 (6)調(diào)壓方案有載調(diào)壓十可控硅，即幅值調(diào)壓十相位調(diào)壓。 (7)電流i?？刂凭?。4氯堿整流器發(fā)展的趨勢 離子膜電解槽由單極式向復極式過渡成為主流，它的發(fā)展方向是復極式電槽，發(fā)展趨勢是電流密度j向高密度，直流電壓u。向高電壓，直流電流i。向小電流，電耗向低電耗方8i20t；夠年氯堿整流技術研討會論文集向發(fā)展。氯堿化工dcs控制系統(tǒng)、安全聯(lián)鎖系統(tǒng)在廣泛使用的基礎上獲得更加完善和成熟。 整流器的發(fā)展趨勢如下。(1)整流器主回路a一個調(diào)變帶一個整變(共油箱結構)，一個整變帶一個整流器再帶一只電解槽稱一 機帶一槽方式?；蛞粋€調(diào)變帶二個整變(共油箱結構)，一個整流變壓器帶一個整流器再 帶一只電解槽，即一個變壓器帶二只電解槽稱一機帶二槽方式。用多機組在網(wǎng)側移相形成 多相整流接線，減小諧波總量，提高電能質(zhì)量