食盐电解整流器.doc

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1、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

2、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11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

3、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5070年代是国内主要电解设备，现 已列入国家淘汰设备目录。石墨阳极电解槽为10-16型，电流密度J为800 A1 000 Am，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 反星形整流电路，直流电流输出I。为3 kA、6 kA，

4、直流供电采用N+I多机组方案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

5、设置，与外界的联络是采用专用电话。12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。金属阳极电解槽为1630型、电流密度J为1 300，-2 000 Are，直流电流I。为20 kh-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

6、发展平板型 元件电流为500 h、l 000 A、2 000 A、3 000 A。螺栓型元件整流机组电流为3 000 A、6 000 A、12 000 A、24 000 A，平板型整流元件的整流机组电流I。为10 00035 000 A。 这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N台机组方案和N十l台机 组方案，调压方式有：(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 器细调。(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题较为突出。为解决同臂 电流与单只元件电流的关系，采用增加整

7、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

8、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。13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

9、槽有单极式电解槽， 电流密度j为2700 Am，直流电流I。为4555 kA；复合式电解槽(三槽式)，电流密度 j为4 200 Am，直流电流I。为55 kA；复极式电解槽，电流密度j为4 500 Am，直流 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1020万ta，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。 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 kA、35 kA、60 kA机组。 复极式离子膜电解槽：整流机组电流为12

10、515 kA。元件结构形式为平板型，元件电流 容量为：1 000 A，2000 A、3 000 A、4 000 A、5 000 A、6 500 A。单极式整流机组配 置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、记录、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

11、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。14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 kA16

12、 kA1 2 kA年代80 85 909720002005图l电解槽电流的轨迹图2整流器的结构变化21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，通过公式计算出臂电流有效值Is是臂电流平均值Iv的173倍，表示为IsIv=173，臂电流平均值Iv是直流电流I。的13倍表示为IvId=l3，臂电 流有效值I。是直流电流I。的0577倍表示为I。Id-0577。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 值Iv的176倍，表示为IsIv=176，臂电

13、流平均值Iv是直流电流I。的16倍表示为 IvI。=16，臂电流有效值IS是直流电流I。的0293倍表示为I。I。=O293。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

14、。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，每台机组直流电流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L1=24 kA+4=6 kA，每臂电流Iv=2 kA，每臂元件数=I，I，=2000+200=10只， 考虑均流问题除08，元件数为lO08=13只，每个机组桥臂数6 X 4=24个，3个机组总 的桥臂数为24X3=72个。b采用4 500 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

15、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11=175 kA，每个整流元件臂电流Iv=I。3=58 kA，每只元件臂元件数=I，I，=2只，考虑元件均衡电流问题除08，元件数为2o8=3只，即每个整流 机组的整流元件臂数为6 X 2=12个，2个机组总的整流元件臂数为122=24个。22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

16、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005 V。 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

17、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23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。AA+123n(a)不合理 (b)合理AD All立D1l_V+正面一+便卜卜恼11123n1234(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

18、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3I氯碱化工主要应用整流元件的电流发展轨迹，见图5。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 A。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， 元件电流为200 A。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 冷，元件电流l 0

19、004 000 A。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1 000，一6 500 A。i(A)6 5 0 0 A5 000 A1 00 0 A5 00 A2 0 0 A年代90952025图5我国整流元件电流的发展轨迹图32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石墨阳极16 kA以(1)多机组方案N+I配置 200 A螺栓型元件。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

20、流I。控制精度单15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 离子膜(单极式) A螺栓型、1 0004 500 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125 kA备用替代单通道冷

21、备用，用后台微机+现场PLC控制替代继电接触器 控制。(2)单机组1个整流回路对应1只电解。4 500 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8i20

22、t；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，13Iv，消除并联元件、同臂支

23、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

24、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