離子膜燒堿整流裝置隔離變送器的改進(jìn)

王孫俊 毛益舟

（浙江巨化股份有限公司電化廠，浙江 衢州324004）

離子膜燒堿電解槽的整流裝置將35 kV交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姡綦x變送器作為電解槽運(yùn)行電流數(shù)據(jù)采集裝置中的一個(gè)重要組成部分，其設(shè)計(jì)的合理性有利于提高整流控制系統(tǒng)運(yùn)行的安全性、穩(wěn)定性及其對(duì)外界各種干擾因素的快速應(yīng)變能力，對(duì)整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)的產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)成本控制起著重要的作用。

1 整流控制系統(tǒng)的工作原理

整流控制系統(tǒng)主要由晶閘管數(shù)字穩(wěn)流控制器（簡(jiǎn)稱數(shù)控器）、可編程邏輯控制器（PLC）、整流柜、觸摸屏、DCS保護(hù)系統(tǒng)、直流電流測(cè)量裝置等組成，其工作原理見(jiàn)圖1。

圖1 整流控制系統(tǒng)工作原理Fig 1 Working principle of rectifier control system

正常情況下，數(shù)控器處于自動(dòng)控制狀態(tài)，穩(wěn)流控制系統(tǒng)為閉環(huán)調(diào)節(jié)，隔離變送器會(huì)將實(shí)際測(cè)得的直流電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成直流電流反饋信號(hào)送入數(shù)控器，并與直流電流給定值進(jìn)行比較，用于穩(wěn)流系統(tǒng)的自動(dòng)控制。若測(cè)得的直流電流高于給定值時(shí)，數(shù)控器會(huì)通過(guò)減小一定量的晶閘管導(dǎo)通角來(lái)降低直流電流；反之，若測(cè)得的直流電流低于給定值時(shí)，數(shù)控器會(huì)通過(guò)增大一定量的晶閘管導(dǎo)通角來(lái)增大直流電流[1]。當(dāng)電解槽內(nèi)的電阻值或者供電系統(tǒng)電壓等外界因素發(fā)生變化，數(shù)控器也能通過(guò)比例積分（PI）調(diào)節(jié)器快速地調(diào)整晶閘管導(dǎo)通角，減小直流電流的波動(dòng)范圍，保證整流裝置能夠按照工藝指標(biāo)穩(wěn)定地輸出直流電流[2]。

數(shù)控器內(nèi)部并沒(méi)有設(shè)置過(guò)流聯(lián)鎖保護(hù)，整流裝置的過(guò)流聯(lián)鎖保護(hù)是由DCS保護(hù)系統(tǒng)來(lái)完成的。在該控制系統(tǒng)中，DCS將接收到的直流電流信號(hào)換算成實(shí)際的電流，用于在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和過(guò)流聯(lián)鎖控制。當(dāng)檢測(cè)到電解槽的直流電流達(dá)到過(guò)流聯(lián)鎖值后，DCS保護(hù)系統(tǒng)將向數(shù)控器發(fā)出電解槽聯(lián)鎖停車信號(hào)，使整流裝置停止運(yùn)行，降低直流過(guò)流給整套裝置造成的影響。

2 故障及分析

2.1 故障現(xiàn)象

某日，整流裝置晶閘管導(dǎo)通角超上限報(bào)警，其數(shù)值為120°（全開(kāi)通），直流電壓為512 V，直流電流為7.5 kA，觸摸屏顯示的直流電流為0 kA，DCS保護(hù)系統(tǒng)的直流電流無(wú)顯示。由于直流輸出電流的給定值為6 kA，值班人員試圖通過(guò)降低電流給定值來(lái)達(dá)到降電流的目的。但是，當(dāng)電流給定值低于5.5 kA，直流輸出電流也依然保持7.5 kA不變。值班人員檢查現(xiàn)場(chǎng)整流裝置發(fā)現(xiàn)數(shù)控器上的直流電流顯示為0 kA，于是安排停車檢修。

2.2 原因分析

經(jīng)過(guò)檢查，發(fā)現(xiàn)故障是由隔離變送器（MVI 1）損壞引起的。因此，數(shù)控器接收到的直流電流反饋信號(hào)始終為0。即使值班人員降低直流電流給定值至5.5 kA，其數(shù)值還是大于數(shù)控器接收到的直流電流反饋值。從整流控制系統(tǒng)的工作原理可知，數(shù)控器將會(huì)通過(guò)PI閉環(huán)調(diào)節(jié)使直流電流上升，其數(shù)值為整流變壓器當(dāng)前檔位所能輸出的最大值。整流變壓器檔位越高，其閥側(cè)電壓越高，整流裝置所能輸出的直流電流越大，直流電流上升的幅度越大。在整流裝置高負(fù)荷運(yùn)行期間，電解槽的直流電流為12.7 kA，DCS自動(dòng)控制系統(tǒng)的過(guò)流聯(lián)鎖值為14.85 kA，隔離變送器故障將造成整流裝置失去DCS過(guò)流聯(lián)鎖保護(hù)功能，導(dǎo)致電解槽長(zhǎng)時(shí)間處于過(guò)電流運(yùn)行狀態(tài)。

對(duì)于離子膜電解槽來(lái)說(shuō)，電解食鹽水的流量與當(dāng)前整流裝置的直流輸出電流是成正比的。整流裝置輸出的直流電流越大，食鹽水的電解能力就越強(qiáng)。當(dāng)電解槽內(nèi)的直流電流出現(xiàn)大幅度上升且食鹽水的流量不變時(shí)，食鹽水的電解速度就會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電解槽內(nèi)食鹽水的進(jìn)口流量。

此時(shí)，食鹽水被電解時(shí)產(chǎn)生氫氣和氧氣，正常情況下，離子交換膜是有選擇透過(guò)性的，爆炸性氣體不會(huì)相互混合而發(fā)生爆炸。但是，隨著水電解反應(yīng)的不斷增強(qiáng)，離子交換膜表面的張力就會(huì)隨之發(fā)生變化，導(dǎo)致離子交換膜出現(xiàn)嚴(yán)重起泡、分離、甚至擊穿，最終造成永久性損壞[3]。離子交換膜被擊穿后，陰極和陽(yáng)極之間的氫氣、氧氣、氯氣等就會(huì)混合。由于電解槽內(nèi)的溫度較高，這些爆炸性氣體的混合很可能引起電解槽發(fā)生爆炸事故。

3 改進(jìn)措施

從這個(gè)故障案例中可知，隔離變送器（MVI 1）的損壞是造成此類故障的直接原因。但是，電子產(chǎn)品的使用壽命是有限的，其故障損壞也是無(wú)法避免的，單純地通過(guò)產(chǎn)品重新選型來(lái)延長(zhǎng)產(chǎn)品的使用壽命只能降低該類故障的發(fā)生頻率，并不能完全解決問(wèn)題。若增加一個(gè)電流信號(hào)采集系統(tǒng)，使用獨(dú)立的隔離變送器為數(shù)控器采集直流電流反饋信號(hào)，DCS保護(hù)系統(tǒng)、電流表計(jì)、數(shù)控器可以分別由3個(gè)獨(dú)立的信號(hào)回路進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。但是，這樣的改造方法需要新采購(gòu)一批材料，包括大電流互感器、測(cè)量單元、隔離變送器等，改造的成本較高。

由于整流裝置現(xiàn)場(chǎng)的電磁場(chǎng)干擾較強(qiáng)，因此電子元器件的故障率相對(duì)較高，尤其是通訊系統(tǒng)。通訊系統(tǒng)故障后，觸摸屏無(wú)法正常顯示整流裝置運(yùn)行的各項(xiàng)參數(shù)，包括實(shí)際運(yùn)行的直流電流數(shù)據(jù)。但是，電流表的信號(hào)來(lái)自于隔離變送器，不受通訊系統(tǒng)影響。即使DCS保護(hù)系統(tǒng)的隔離變送器和通訊系統(tǒng)同時(shí)出錯(cuò)，電流表也可以輔助值班人員進(jìn)行直流電流數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和操作。然而，電流表是不參與系統(tǒng)的自動(dòng)控制，并且該故障的根本原因是數(shù)控器和DCS保護(hù)系統(tǒng)使用同一個(gè)隔離變送器進(jìn)行電流信號(hào)采集。

為此，解決該故障的最有效的方法是對(duì)這2個(gè)信號(hào)回路進(jìn)行分離，將數(shù)控器的直流電流反饋信號(hào)由隔離變送器（MVI 1）轉(zhuǎn)移至隔離變送器（MVI 2），隔離變送器改造后的接線見(jiàn)圖2。

圖2 隔離變送器接線Fig 2 Isolation transmitter connection

這種改造方法既簡(jiǎn)單，又能實(shí)現(xiàn)數(shù)控器的直流反饋信號(hào)和DCS保護(hù)系統(tǒng)的電流信號(hào)回路分離，徹底解決此類安全隱患，還能將改造的成本降至最低。

從改造后的實(shí)際運(yùn)行情況看，隔離變送器發(fā)生故障、晶閘管導(dǎo)通角超上限報(bào)警時(shí)，值班員工錯(cuò)誤地通過(guò)升高整流變壓器的檔位來(lái)降低晶閘管導(dǎo)通角，造成整流裝置輸出更高的直流電流，DCS保護(hù)系統(tǒng)過(guò)流保護(hù)立即發(fā)出聯(lián)鎖信號(hào)，停止整流裝置的運(yùn)行，避免了故障影響范圍的擴(kuò)大，降低了裝置故障給生產(chǎn)系統(tǒng)造成影響。

4 結(jié)束語(yǔ)

隔離變送器作為整流控制系統(tǒng)的一部分，負(fù)責(zé)對(duì)電解槽的實(shí)際運(yùn)行電流信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，不合理的線路設(shè)計(jì)將給整個(gè)電解整流裝置埋下安全隱患。數(shù)控器自動(dòng)穩(wěn)流系統(tǒng)和DCS保護(hù)系統(tǒng)的獨(dú)立控制有利于提高整個(gè)裝置的安全性能，對(duì)裝置今后的安全穩(wěn)定運(yùn)行起著十分重要的作用。

[1]黃俊,王兆安.電力電子技術(shù)[M].4版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2000:54-59.

[2]胡壽松.自動(dòng)控制原理[M].4版.北京:科學(xué)出版社,2001: 1-7.

[3]王剛,徐巖,李延國(guó).離子膜和電解槽性能的主要影響因素[J].氯堿工業(yè),2008（7）:1-2.