整流装置主电量典型值的分析计算

廖秀华

（广州化工设计院，广东广州510655）

整流装置主电量典型值的分析计算

廖秀华

（广州化工设计院，广东广州510655）

以10万t/a离子膜烧碱规模为例，从确定电解槽的单元数开始，对整流装置各主电量进行逐项典型值计算和分析，阐明整流与工艺协调一致的工程算法，得出以2.5万t/a烧碱为单位的主电量典型值。

烧碱；整流；主电量；典型值

在烧碱项目设计中，整流装置主电量的计算都是以电解工艺所提供的电解槽系列的直流电流和直流电压为依据的，即使烧碱规模相同，电槽系列的单元数和整流主电量也相差不少。究其原因，除了基础条件不相同外，是由于计算方法不一样所造成的。本文以10万t/a离子膜烧碱规模为例，从整流到电解系统的角度探讨整流装置主电量的工程算法，并按设定的计算条件算出其典型值。

1 主电量计算条件的确定

1.1 电解槽系列

共分4个电解系列，每个系列烧碱规模2.5万t/a，烧碱总规模10万t/a。采用ZMBC（H）-2.7型国产复极式离子膜电解槽，高电流密度，自然循环方式。槽的阳极面积为2.7m2，设计电流密度为4.5～5.5 kA/m2；最大负荷电流为15 kA；单槽电压为3.08～3.10 V；电流效率为93%～96%。

1.2 整流供电系统

采用1套机组带2个系列电槽的“一拖二”配置方式，每套机组2台整流装置，12脉波整流。2套机组在35 kV母线上形成等效24脉波整流。有2种移相方案，其一是在整流变压器网侧延边三角形移相接线，如图1（a）；其二是同机组的2台整流变压器网侧一角接，一星接，2台调压变压器分别移相+7.50和-7.50，如图1（b）。

1.3 电解槽单元数的确定

目前国内氯碱厂采用上述电解槽的系列年产规模大致有1.00万t、1.25万t、1.50万t、1.75万t、2.00万t和2.50万t，换算成以万t/a为单位，系列的槽单元数最多为88个，最少为68个，以68单元者居多，应该说是代表性的单元数。多于68单元者，有预留备用单元，年生产时间较少。

关于单元数，其计算公式为：

式中：W—每小时烧碱产量，t/h，以生产时间为8 400 h计，对于2.5万t/a的规模而言，W=2.974 t/h；

Id—电槽运行电流，取电流密度4.67 kA/m2，Id= 12.5 kA；

ηDL—电槽的电流效率，取95%。

将有关数据代入N的计算式，得出N=168单元，接近统计数字68单元/万t×2.5万t≈170（单元）。

可见，如果生产时间为8 400 h，平均开动电流12.5 kA，平均电流效率为95%，2.5万t/a电解系列的典型单元数为168台。倘若有关参数不符，则应对值作相应修正。

1.4 电解系列额定直流电压值的确定

直流电压是单元槽压之和，单元槽压确定后，可计算出直流电压值。有关资料显示，与系列的单元槽数一样，单元槽设计电压也存在高低不一的情况，以相同的电流密度计，最低槽电压为3.59 V，最高槽电压为4.11 V，以3.80～3.90 V居多。

关于单元槽压确定的方法，设计权威人士推荐的计算式为：

式中：N—电槽系列单元总数；

u0—槽电压初值，通常称极化电压（本计算定为2.4 V）；

kt—电槽电压降，随电流密度变化的梯度，分初期值和终期值，有关资料介绍，初期值为0.14V·m2/kA，终期值为0.16 V·m2/kA；

k·j—电槽回路母排压降随电流密度变化的值，对于复极槽来说，没有槽间联排，该项不在槽压之列。其正负端进出线排的压降，在空载电压的直流母排压降中考虑便可。

初期槽压按4.5 kA/m2、4.63 kA/m2和5.56 kA/m23种电流密度计算，得出：

从以上的槽压值可见，主电量计算条件中的槽电压是指初期电压，到了终期，在最高电流密度下，槽电压的理论值约为3.3 V。当然，这些只是理论值而已，实际还有槽温、槽内阻变化，盐水质量等有关因素。因此，有的电槽供应商提出将电压降梯度加大0.05 V的观点，按此梯度，电槽在最高电流密度下，其槽压为Uc（5.56）=2.4+（0.16+0.05）×4.63=3.56（V），这就是电解工艺供电条件中较常出现的电压，但这不宜定为槽压的典型值。因为到了电槽终期，在最高电流密度下运行已不经济，不再为普遍单位采用，作为典型值，还是按设计的电流密度范围，取4.63 kA/m2来计算为宜，此时槽压为Uc（4.63）=2.4+（0.16+0.05）× 4.63=3.37（V），取3.4 V为槽压典型值。如果超过3.4 V，便已经与金属阳极电解槽的槽压相近了，这就失去了离子膜法电解的节电意义。根据日本旭化成公司提供的资料显示，在电流密度不变的前提下，离子膜末期用电功率为初期的1.32倍，单槽电压3.81 V，已超出正常运行范围。

以3.4 V定作槽电压典型值，计算出直流电压= 168×3.4≈572（V）。

1.5 额定直流电流值的确定

电解槽属于Ⅰ类负荷，不会过负荷运行，故将其设计的最大电流值确定为整流装置的额定电流值便可，即IdN=15 kA。至于电流储备系数、一般取2.5～3.5，由用户与厂家商定。

2 整流设备的主电量计算

下面以IdN=15 kA、UdN=572 V，计算2.5万t/a烧碱整流设备的主电量。

（1）整流变压器理想空载直流电压依下式计算

式中：UdN—整流设备额定直流电压，取572 V；

（9）确定自耦调变调压范围。首先应指出的是，晶闸管整流装置中的有载调压有别于二极管整流的有载调压，不是以电槽的零电流起动为目的，而是为了运行中保持晶闸管适度的控制角，以利于自然功率因数和谐波状况的改善。因此，装置调压范围上下限值的设计是根据电网电压偏移值和电槽运行电压最大值和最小值以及控制角的大小来确定的。

国家电能质量标准规定“35 kV及以上供电电压正负偏差的绝对值之和不超过额定值的10%”。根据目前国内35 kV电网实际电压偏高的情况，本计算假定电压偏差值为＋10%和－5%。

电槽运行中可能出现的最高电压就是前述的额定电压，最低电压可能发生在电密下限运行（4.5 kA/m2），同时退出若干单元槽，现假定8个单元槽。当电网电压正偏差时，控制角不超过20°。

将以上各假定值代入空载电压计算式，求出空载电压最小值Udio（min）=510（V），为补偿电网电压的负偏差、将调压器输出电压升高5%，因此，

为安全起见，开关上下限端宜留1级空余档位。因此，应采用14级的调压级数，选择标准产品MⅢ500△型，35 kV、500A，16个工作位置的有载分接开关便可。

（11）计算调压整流变压器组的型式容量。采用自耦调压变压器，整流变压器容量分离算法。

方案Ⅰ自耦变调压，整流变网侧延边三角移相的变压器组的计算容量。

整流变压器计算容量应为整流变压器额定容量加上因移相而增加的绕组容量△PL（C），查表得出延边三角移相7.5°时，增加容量相对值为0.013 5，因此，Sjx（2）=PL（N）+△PL（C）=1.013 5PLN=1.013 5×10 300= 10 439（kVA）。

调压整流变压器组计算容量S∑（jx）=Sjx（T）+2×Sjx（Z）

方案Ⅱ自耦变调压曲折接线移相，整流变压器组型式容量。

自耦变压器计算容量

式中，前段为基本绕组计算容量和因升压而增加的容量，后段则为移相绕组的计算容量，将已知数代入后，Sjs（T）=IL·UL[1.05·sin（60°-7.5°）+sin7.5°]=1.11×计算过程中包括调压和移相在内的绕组容量系数，取其1/2即为计算容量。

本文整流变压器没有移相绕组，其计算容量等于额定容量Sjx（Z）=PL（N）=10 300（kVA）

调压移相整流变压器组的计算容量

比较方案Ⅰ和方案Ⅱ的容量可见，前者较后者小了349 kVA，这是移相方法不同所致。方案Ⅰ是整流延边三角移相，方案Ⅱ是自耦变曲折移相，方案Ⅰ的容量增加相对值较方案Ⅱ的小。两方案自耦调变因升压5%所增加的容量是相等的。

以上是对三相桥式整流联结的调压整流变压器的容量计算，如果是正反星形带平衡电抗器电联结的调压整流变压器的型式，其容量计算较之复杂，因其阀侧容量与网侧容量不相等，加之对平衡电抗器和自耦调变的容量有各自的算法，因此，不同厂家得出来的容量值相差不小。鉴于型式容量是询价的依据及其算法的不一致，对变压器的性价比难于科学评估。倘若碰到这种情况，推荐关于“变压器换算容量”的经验公式参考。

换算容量的理论来自2种调压方式的方案比较，为将一次侧抽头调压的单级整流变压器方案与自耦调压变压器加固定变比的整流变压器组进行经济比较，在相同的调压深度和通过容量下，从金属材料消耗、电能损耗和外形尺寸等方面考虑，可以采用变压器换算的经验公式进行量化对比。

表1是2种调压方案在典型的调压深度下，变压器的换算容量与直流最大输出功率（对应于最高直流输出电压和额定电流）之间的关系。运用此关系，可以判别在经济上比较有利的调压方式所对应的调压范围，也可以在通过容量和调压方式相同的情况下，对2种电联结的整流变压器耗材、耗电等进行对比，还可以在计算出三相桥式联结的整流变压器组总的型式容量之后，估算出正反星形带平衡电抗器联结的整流变压器组总的型式容量。

表1 整流变压器换算容量与调压范围的关系

本计算假定额定输出位置Ud0开关在#10档，#11～#15档为补偿电网电压-5%的升压档位。

d.求换相角μcos（α+μ）=cosα-（1-cosμ0）

cos（20°+μ）=cos20°-0.072=0.867

μ=29.8°-20°=9.8°

e.求位移因数cos'φα，（未考虑变压器励磁电流时）φα=25.8°

f.设变压器励磁电流相对值I0=0.01，考虑变压器励磁电流时的位移因数cosφα：

h.求实际畸变系数V

3 主电量典型值计算结果和特点

主电量典型值计算结果见表2。本计算的特点如下。

（1）本计算试从电气角度解读电解工艺提出的电气参数，以便专业间沟通。长期以来的设计惯例都是以工艺为龙头，整流服从工艺。因此，对工艺所提出的电气参数很少深入思考，难免出现目前普遍存在的额定直流电压选得偏高，整流装置容量相应偏大的问题。通过本计算，可以了解从工艺到电气的过程和量值关系，为专业间沟通打下技术基础，探求尽量合理的设备选型方案。

（2）对整流设备的计算容量留有适当的余地。本计算整流装置的电流额定值以电槽电流最大值15 kA为准，计算出烧碱每万吨规模的整流设备平均功率为4 120 kVA，显然此值偏大。在确定电槽单元数的计算中，是按平均运行电流12.5 kA设定的，其对应的平均容量仅31 000 kVA，按同样条件计算，电槽运行电流15 kA时，烧碱每系列可达到3万t/a。当然，这只是阶段性生产水平，不等于长期如此。

表2 主电量值计算结果

此外，设计装置的阀侧电压也预留了余地。在空载电压计算中，将控制角设定为20°，在有载开关配合下，运行中的控制角完全可以小于此值。由于后面的功率因数计算可以达到0.9，没有修改控制角的设定值。目的就是，如果要增加单元槽数，将控制角设定在10°运行，单元槽数便可以增多6台。

整流设备的电流和电压留有适当的余地，是根据复极槽的单元数不能随意增加的特点所决定的，欲增加产能，只能采用调高运行电流和适当增加单元数的办法。各单位应结合具体情况确定，预留电流、电压余量及其值。

（3）本计算充分发挥了有载调压方式的效能，选用自耦有载调压方式，根据只有22%的调压深度和16个分接位置，采用了最简单的线性调压电路，不需要粗细调或正反调的绕组，使调压绕组容量最小，计算容量和额定容量接近，造价和损耗最经济。

对于电网电压负偏移的补偿，不是采用传统的提高阀侧额定电压的方法，而是将调变的输出电压设计高于电网额定电压5%。2种方法相比，节省了容量500 kVA，同时，减少了阀侧绕组的铜损。

本计算调压下限值选得比通常设计要高，是根据复极槽的负荷变化不大，晶闸管有0～100%的调压功能，运行中能避免深控，自然功率因数可达0.9以上综合考虑，并结合调压范围的实践总结而确定的。事实上，20世纪八九十年代，从日本引进的离子膜法晶闸管整流装置，只配无载调压整流变压器，带的是5级无载分接开关，调压范围为80%～100%，采用了高压无功补偿滤波措施。实践证明，该方案简洁、可行而经济。

Calculation of rectifiermain power typicalvalue

LIAOXiu-hua
(Guangzhou ChemicalDesign Institute,Guangzhou 510655,China)

Take 100 kt/a ionicmembrane caustic soda production for example and begin with the number of electrolyzer units,all typical valuesof rectifying devicemain powerwere analysed and counted.Engineering calculation method of rectifyingmatch with process was explained,and arrived at themain power typical valuesof25 kt/a caustic soda production.

caustic soda;rectifying;main power;typicalvalues

book=1,ebook=207

TM461

B

1009－1785(2010)06－0001-05

2009-09-21