电解槽零点电位差短路自切断装置的设想及安全改造思路

董志威

(唐山三友氯碱有限责任公司,河北 唐山 063305)

近年来，电解槽零点电位差检测装置逐步向着检测数据更精确、运行数据分析更全面的方向发展，但对于此套电压检测系统本身安全性能提升方面的内容却鲜有提及。那么电解槽的零点电位差检测系统是否存在着安全隐患呢？又能否在提升装置本质安全性能方面做出改善呢？下面以唐山三友氯碱有限责任公司(以下简称“唐山三友氯碱”)3R-230H为例，对现有零点电位差检测装置的基本架构及存在隐患进行分析，并提出改进思路。

1 电解槽零点电位差检测系统概述

唐山三友氯碱应用的电解槽为日本旭化成设计,此套电解槽零点电位差检测装置核心设计思想是为了实时监控电解槽正负两侧对中点的电压差，从而判断电解槽内正负两半段电位分布是否平衡，当出现可能导致电解槽电位分布不均的因素(如破膜、断流、泄漏等)时能够及时切断电解槽电流，避免危险情况的持续，确保设备安全运行。其具体计算方法如下：

正端对中电压-负端对中电压=槽零点电位差。

由于其原始信号为直流电压差，如果想实现远程监控,并降低信号传输安全隐患，原本设计思路是：通过对施加在电解槽上的直流电压进行传输、整定、变送等方式，将其转换为4～20 mA直流信号，显示于就地报警盘IP501内的就地直流电流表中，同时将电流信号输送至DCS接线端子，实现各槽零点电位差的DCS实时监控及趋势记录功能。

2 零点电位差检测装置的基本配置

零点电位差检测装置控制回路如图1所示，自电解槽头、中、尾三点引出独芯电缆，引入就地接线箱3JB-8中，通过端子排转接引出1根3×6独芯电缆，将信号传送至IP501，正、负两极通过盘柜接线端子处各加装1个3 A熔断保险，然后接入可调电阻，通过3EDT-230H将电压信号转换为4～20 mA直流信号，分两路串联将此信号传送给现场操作人员实时监控。一路传送至就地电流指示仪3EDI-230H，配合现场可调电阻进行微调，在负荷稳定时调整电阻阻值，以达到平衡槽内前后半段电压差的目的；另一路传送至DCS四线制接线端子，用于DCS实时监控、报警、联锁及趋势记录，当发生压差超过±0.5 V的波动时进行报警，超过±1 V时执行单槽联锁的断电停槽。另外，因为电解槽在电流升降过程中，因负荷并不稳定，会造成电解槽电压差呈现无规律波动，为避免停槽误动作，还为DCS联锁程序设置联锁投入/切除硬开关IS8(3EDZA-230H)，用于负荷调整过程中联锁的适时切换。

图1 电解槽零点电位差检查装置控制回路

当IS8处于切除状态的时候正是此篇论文需要探讨的重点。

3 零点电位差系统存在的隐患

从此回路中不难看出，对于IP501就地报警盘及DCS接线端子之后的部分，是此系统的关键所在，集中了变送器、指示仪、就地指示仪等一系列精密仪表，特别是对于电解槽升降负荷过程中可能出现的过电流情况，通过正负两极的熔断器、可调电阻很好地得到保护，使其下游的精密仪表处于一个非常安全的环境之下,如图2所示。

图2 电路中精密仪器的保护方案示意图

但是，对于这一路信号来说，从电解槽头3JB-8箱内传输出来的电缆部分却恰恰成为了整条回路中的安全短板，存在着容易被忽略的安全隐患。

当引自电解槽正、中、负3点的电压信号被接至3JB-8中后，仅通过端子排转接，就将高达kVA级别的电压信号通过电缆传送至百米以外的控制室，对于此条电缆来说，如果发生电缆绝缘层老化、破皮等硬件故障，其短路产生的强电流会因为电阻原因在保护电阻上游发生强大的短路电流，而且无法通过控制室端熔断电阻的熔断进行制止，从而引发一系列的安全事故。虽然针对此类问题可以通过DCS设置的联锁值、报警值进行紧急处理，但是却有一个无法忽视的特殊时间点——旁路开关IS8处于切除状态时的情况。

如前文所述，电解槽升降负荷过程中，因负荷并不稳定，会造成电解槽电压差呈现无规律波动，为避免停槽误动作，会将IS8置于切除状态，也就是说，如果在此状态下发生电缆短路的情况，设备将完全处于失控状态，无法实现联锁程序的实时保护。

4 改造方案对比分析

针对电解槽负荷调整时的联锁真空期，可采取的改造方法的核心仍然可以借鉴其原始设计中的架构。

4.1 方案一(增加熔断电阻)

针对缺乏保护的电缆，首先想到的是采取IP501内的熔断电阻。在传输电缆进入机柜内部后，经过接线端子，在正负两极各增加一个3 A熔断电阻，对后续的变送装置进行保护，如图3所示。

图3 增加熔断电阻的保护措施

该方案不仅简单易行，而且能够在电缆出现短路、过电流的过程中准确、迅速地完成电力切断操作。其弊端是：无法准确、迅速地通知操作人员回路工作状态，须定期对熔断电阻进行检测，确保其在熔断后及时发现并更换；另一方面，虽然熔断器能够切断回路，但无法实现与DCS端的同步动作，无法实现电解槽的停槽动作。

4.2 方案二(增加带节点输出的断路器)

针对方案一的反馈不及时的问题，可以将问题适当延伸为如何做到电流过大时回路的自动切断并迅速通知操作人员。可以选用额定电流为3 A或5 A的附带干接点输出功能的三联断路器取代3JB-8内的接线端子。当断路器闭合时，通过辅助节点3IZA-230H输出数字信号1至DCS，证明系统回路畅通。如果发生传输线路端短路的情况，断路器自动断开，并通过辅助节点输出数字信号0至DCS，证明回路断开，以达到随时监控回路运行情况的目的。完整回路图如图4所示，云线部分为新加保护断路器及其配套输出信号。

图4 增加带节点输出的断路器的保护措施

与方案一相比，方案二增加了断路器、干节点信号来作为现场检测装置，既做到了保护，又完成了信息的快速、准确传输，实现了现场与DCS操作方面的动作统一。

5 结语

总结以上内容不难发现，电缆作为日常工作中信号的传输者，虽然在系统中扮演着至关重要的角色，但往往不能引起足够的重视。在为回路增加保护装置的同时，如何提高电缆本身的抗风险能力更是需要思考的问题。在最初的设计中，3JB-8箱内至IP501端子间的传输电缆采用的是3×6独芯电缆，此种电缆虽能满足使用需求，但如果能够提高电缆的应用标准，改为3根独立的1×6独芯阻燃电缆分开敷设，从很大程度上就能再次提高系统的容错性，提高安全防护水平，确保系统的长时间稳定、高效运行。