20万t/a离子膜烧碱整流系统设备的配置

魏成江，张志利

（昊华宇航化工有限责任公司，河南焦作 454002）

昊华宇航20万t/a 离子膜烧碱装置采用国际先进的膜极距离子膜电解槽。配套的整流设备由9台GIS 型气体绝缘金属封闭式开关、4台110 kV 直降式整流变压器、8台可控硅整流柜、8台双通道计算机整流控制柜、8台极化电源、4台纯水冷却装置、2台上位机等组成。

1 高压供电系统

（1）110 kV 高压供电系统采用GIS 高压组合电器ZF10－126L/T2000-31.5型气体绝缘金属封闭式开关，运行方式采用分段加联络方式，每段母线供2台整流变压器运行。110 kV 尧昊2进线间隔向110 kVI 段供电，通过昊111、昊113间隔分别向1＃、2＃ 整流变压器供电，110 kV 氯昊2进线间隔向110 kVⅡ段供电，通过昊112、昊114间隔分别向3＃、4＃ 整流变压器供电，110 kV I、II 段母线通过昊110间隔实现两段联络；

（2）整流变压器共有4台，型号为ZHSFPT-20800/110，额定电压110 kV、额定容量为20 800 kVA，采用27级（±13级）等差电压有载调压，冷却方式为强迫油循环风冷，出线为双侧中下部出线。4台整流变压器网侧互差7.5度的电角度，组成单机组6脉波，1套整流系统2机组构成等效12相整流，4套整流系统构成等效48相整流，从而有效地抑制了47次以下的谐波，改善了系统电源质量。供电系统图见图1。

2 整流柜

（1）整流柜共有8台，型号为KHS-15 kV/590 V，后下进线、直流侧上出线。每台整流柜有2组三相全控桥整流电路构成同相逆并联联结。其原理是将相位相同、极性相反的整流联结自二次绕组到整流之间尽可能靠近装配，从而使通过二者的电流在任何瞬间都大小相等，方向相反，各自产生的交变磁场在两逆并导体之外相互抵消，从根本上解决了大电流产生强交变磁场引起的局部发热，电抗压降增大及并联元件之间电流不均衡等大电流整流设备存在的特殊问题，有利于提高机组效率和功率因数。

图1 供电系统图

（2）脉冲分配板将6路脉冲隔离、耦合、送到每个整流元件控制极和阴极上。每个整流臂由四个晶闸管整流元件并联，与晶闸管元件串联的快熔用作短路保护，当元件击穿时，快熔过流熔断，防止直流侧短路。发生一只快熔熔断时，有相应臂元件损坏的故障报警，整流装置仍能正常工作，同一桥臂的2只快熔熔断时，多快熔熔断报警，并封锁脉冲。与整流桥臂并联的电阻用于吸收晶闸管的换相过电压。电容C1～C6，压敏电阻RV1～RV6在网侧作星形连接，可吸收交流操作过电压。臂过热保护，每个桥臂安装有温度继电器，当桥臂温度超过65 ℃时报警。整流柜冷却回水温度达到45 ℃时，水温过高报警。当整流柜进水压力低于0.08 MPa 或断水时，水压异常报警，如果在设定的延时时间内（9 s）没能消除故障，封锁触发脉冲。当整流柜输出电流超过1.1 IdN时，过载保护动作，过载报警，当负载发生短路或电流输出超过1.3 IdN时，则封锁触发脉冲，使直流输出降到零。确保设备安全运行。

3 双通道计算机整流控制柜

（1）双通道计算机控制柜共有8台，型号为SFCS-6D，由双通道控制系统、PLC 监控系统、人机界面（触摸屏）及计算机网络通讯接口组成。通过2路现场通讯总线同时与2台上位机通讯对整流器及辅机系统进行实时监控操作。

（2）双通道控制系统采用双通道热冗余技术，触发控制器全数字控制，抗干扰能力强，稳定性好。智能识别和滤除同步信号中的干扰，在同步信号波形畸变或强毛刺干扰情况下，也能可靠工作。具有同步模拟和锁定功能。在任一相同步信号丢失时，根据三相同步的线性相关性，用程序模拟产生的同步信号，使触发脉冲不受影响，在所有同步信号都丢失时，锁相环自动锁定触发脉冲1 s 以上，对于防止电网瞬间调电引起的扰动十分有效。2个通道无扰动切换，可以不停机检修、更换控制通道，设定运行参数。并具有电流反馈消失保护、回零保护、故障自诊断、电流线性软启动功能。

（3）数字触发控制器移相范围为0～150°，触发脉冲输出为双窄脉冲。同步信号取自整流变压器阀侧。自动稳流精度优于0.3%，当系统工作在自动稳流方式时，CPU 对电流给定信号和反馈信号相比较，将其偏差作PI 调节运算。当电网电压或负载大小发生变化时，输出电流Id 随之波动，电流反馈信号IF 跟着变化，经PI 调节运算输出一个相应的移相控制量UK 给触发器。使触发器输出脉冲的相位a 角相应地改变，从而达到调整直流输出电流，实现闭环自动稳流的目的。稳流过程可简述为：

（4）CPU 对移相控制角与设定值比较，超出范围（a＞20°，a＜5°）就输出整流变压器升/降档信号。双通道热备用控制器实时监测工作通道和备用通道是否工作正常。热备用控制器出现故障时，数字触发控制器仍能正常工作，可以通过后备给定旋钮进行给定操作。

（5）监控系统选用S7-200 PLC 做为主控单元，对整流器及辅机系统运行参数、状态、故障进行检测和操作。人机界面触摸屏（HMI）实时显示控制角、电流给定值、直流电压、直流电流、直流功率、直流电度、整变油温、纯水水温、纯水水压、整变内附CT 变换后的直流电流；显示手动开环/直流稳流/交流稳流工作方式、A/B 通道工作状态、有载开关档位、每只快熔的工作状态和每只桥臂温度继电器的状态、纯水冷却器水泵、整变油风冷却器、直流隔离开关的状态；实时故障报警显示和历史故障记录。通过触摸屏可以进行电流给定、手动开环/自动稳流切换、A 通道/B 通道切换操作和所有系统参数进行在线修改，达到“即改即用”的效果，更换备用通道后，可直接将工作通道的参数拷贝到备用通道。

（6）双通道计算机整流控制柜保护特性为，a.发生单只快熔熔断、整流臂过热、冷却水温过高、水压异常等故障时，故障报警，并响铃警告；b.发生电源缺相、过流、操作过电压故障、多快熔熔断、紧急停车、水压异常（超过9S）等故障时，故障报警，鸣笛警告，封锁脉冲，使直流输出降到零；c.开机时，监测到相序错误或缺相，封锁脉冲，并在人机界面触摸屏（HMI）显示故障信息。

4 整流装置计算机监控系统

整流装置计算机监控系统由通讯网络和2台上位机组成，构成分布式监测控制系统，负责对整个系统的协调和管理，显示各种画面、表格、告警信息和管理信息等；提供遥控、遥调等操作界面，具有以下功能。

（1）实时数据采集：对整流器及辅机系统的运行参数进行检测、对整流器及辅机系统的状态进行检测、对整流器及辅机系统的故障进行检测。

（2）操作控制：升/降直流电流；手动开环/稳流工作方式切换；A/B 通道切换；有载调压开关升/降档。

（3）人机界面：系统电气主接线图显示，实时数据画面显示，实时数据曲线显示，各种参数在线设定和修改。

（4）报表和历史数据：运行日报、运行月报、历史数据显示和保存。

（5）运行记录：设备投停记录、操作记录、保护定值修改记录；保护信息：保护定值显示及修改、保护动作信息及事件记录。

5 纯水冷却装置

（1）纯水冷却装置共有4台，型号LSS250B，每台整流柜共用1台纯水装置。纯水冷却装置采用双泵组合设计，二泵互为工作或备用，自动换向阀门单路输出。且能不停机对故障泵进行检修。

（2）电气控制部分具有动力切换控制功能，具有水温、水压、水质、流量、液位等数值显示装置和报警系统。工作泵万一发生故障，另一水泵自动启动工作。换向阀自动换向并发出信号。电源电压波动水泵跳停，在电源恢复后，水泵能自动启动，防止因电压闪络水泵停运，造成整流柜封锁触发脉冲事故。

（3）换热器组为单独的不锈钢板式换热器，采用不锈钢双人字型波纹板式逆流结构，胶垫采用丁睛橡胶一次模具成型，具有很高的密封性、耐用性。2台换热器组并联安装，互为工作或备用。可不停机对其中一台进行清洗或检修。

（4）由于该公司的离子膜使用的纯水水质完全满足整流装置的使用要求，且供水管道距离整流室较近，由纯水工序通过不锈钢管直接引至纯水高位箱，供纯水冷却装置使用，这样可以节约离子交换器投资。

6 极化电源

（1）极化电源共有8台，型号为KHA-120A/385V，额定输出功率为46.2 kW，额定输出电压为385 V，额定电流为120 A，调压范围为0～385 V。由可控硅整流系统、JHKD-1AP 型数字触发控制箱、保护系统、操作和指示系统组成。采用全数字控制电路，开机可手动控制，又可以DCS 控制和根据整流柜的输出电流自动控制，当整流柜输出电流＜2 700 A 时，自动投入；输出电流＞2 700 A 时，自动退出。为了保证在供电中断时，极化整流器能立即有备用电源投入，极化电源供电系统采用可靠的双电源供电，保证不间断供电。

7 运行情况

20万t/a 离子膜烧碱整流装置投产后，运行的直流电流为13.2 kA，直流电压约为510 V，变流效率高于97%，稳流精度优于0.2%，运行效果良好，所有数据均满足装置设计要求。整流装置数字控制技术的使用，其技术性能对装置的平稳可靠运行起了决定性作用，大大地提高了控制系统的可靠性，使得离子膜烧碱装置能耗降低，提高了整流供电系统的稳定性，增强了产品竞争力。