離子膜燒堿整流裝置隔離變送器的改進

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?，隔離變送器作為電解槽運行電流數(shù)據(jù)采集裝置中的一個重要組成部分，其設計的合理性有利于提高整流控制系統(tǒng)運行的安全性、穩(wěn)定性及其對外界各種干擾因素的快速應變能力，對整個生產(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（簡稱數(shù)控器）、可編程邏輯控制器（PLC）、整流柜、觸摸屏、DCS保護系統(tǒng)、直流電流測量裝置等組成，其工作原理見圖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)，隔離變送器會將實際測得的直流電流信號轉(zhuǎn)換成直流電流反饋信號送入數(shù)控器，并與直流電流給定值進行比較，用于穩(wěn)流系統(tǒng)的自動控制。若測得的直流電流高于給定值時，數(shù)控器會通過減小一定量的晶閘管導通角來降低直流電流；反之，若測得的直流電流低于給定值時，數(shù)控器會通過增大一定量的晶閘管導通角來增大直流電流[1]。當電解槽內(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)控器也能通過比例積分（PI）調(diào)節(jié)器快速地調(diào)整晶閘管導通角，減小直流電流的波動范圍，保證整流裝置能夠按照工藝指標穩(wěn)定地輸出直流電流[2]。

數(shù)控器內(nèi)部并沒有設置過流聯(lián)鎖保護，整流裝置的過流聯(lián)鎖保護是由DCS保護系統(tǒng)來完成的。在該控制系統(tǒng)中，DCS將接收到的直流電流信號換算成實際的電流，用于在線實時監(jiān)測和過流聯(lián)鎖控制。當檢測到電解槽的直流電流達到過流聯(lián)鎖值后，DCS保護系統(tǒng)將向數(shù)控器發(fā)出電解槽聯(lián)鎖停車信號，使整流裝置停止運行，降低直流過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，整流裝置晶閘管導通角超上限報警，其數(shù)值為120°（全開通），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保護系統(tǒng)的直流電流無顯示。由于直流輸出電流的給定值為6 kA，值班人員試圖通過降低電流給定值來達到降電流的目的。但是，當電流給定值低于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)控器將會通過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。在整流裝置高負荷運行期間，電解槽的直流電流為12.7 kA，DCS自動控制系統(tǒng)的過流聯(lián)鎖值為14.85 kA，隔離變送器故障將造成整流裝置失去DCS過流聯(lián)鎖保護功能，導致電解槽長時間處于過電流運行狀態(tài)。

對于離子膜電解槽來說，電解食鹽水的流量與當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。當電解槽內(nèi)的直流電流出現(xiàn)大幅度上升且食鹽水的流量不變時，食鹽水的電解速度就會遠遠大于電解槽內(nèi)食鹽水的進口流量。

此時，食鹽水被電解時產(chǎn)生氫氣和氧氣，正常情況下，離子交換膜是有選擇透過性的，爆炸性氣體不會相互混合而發(fā)生爆炸。但是，隨著水電解反應的不斷增強，離子交換膜表面的張力就會隨之發(fā)生變化，導致離子交換膜出現(xiàn)嚴重起泡、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，陰極和陽極之間的氫氣、氧氣、氯氣等就會混合。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 改進措施

從這個故障案例中可知，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，其故障損壞也是無法避免的，單純地通過產(chǎn)品重新選型來延長產(chǎn)品的使用壽命只能降低該類故障的發(fā)生頻率，并不能完全解決問題。若增加一個電流信號采集系統(tǒng)，使用獨立的隔離變送器為數(shù)控器采集直流電流反饋信號，DCS保護系統(tǒng)、電流表計、數(shù)控器可以分別由3個獨立的信號回路進行數(shù)據(jù)采集。但是，這樣的改造方法需要新采購一批材料，包括大電流互感器、測量單元、隔離變送器等，改造的成本較高。

由于整流裝置現(xiàn)場的電磁場干擾較強，因此電子元器件的故障率相對較高，尤其是通訊系統(tǒng)。通訊系統(tǒng)故障后，觸摸屏無法正常顯示整流裝置運行的各項參數(shù)，包括實際運行的直流電流數(shù)據(jù)。但是，電流表的信號來自于隔離變送器，不受通訊系統(tǒng)影響。即使DCS保護系統(tǒng)的隔離變送器和通訊系統(tǒng)同時出錯，電流表也可以輔助值班人員進行直流電流數(shù)據(jù)監(jiān)測和操作。然而，電流表是不參與系統(tǒng)的自動控制，并且該故障的根本原因是數(shù)控器和DCS保護系統(tǒng)使用同一個隔離變送器進行電流信號采集。

為此，解決該故障的最有效的方法是對這2個信號回路進行分離，將數(shù)控器的直流電流反饋信號由隔離變送器（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圖2。

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

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

從改造后的實際運行情況看，隔離變送器發(fā)生故障、晶閘管導通角超上限報警時，值班員工錯誤地通過升高整流變壓器的檔位來降低晶閘管導通角，造成整流裝置輸出更高的直流電流，DCS保護系統(tǒng)過流保護立即發(fā)出聯(lián)鎖信號，停止整流裝置的運行，避免了故障影響范圍的擴大，降低了裝置故障給生產(chǎn)系統(tǒng)造成影響。

4 結(jié)束語

隔離變送器作為整流控制系統(tǒng)的一部分，負責對電解槽的實際運行電流信號進行轉(zhuǎn)換，不合理的線路設計將給整個電解整流裝置埋下安全隱患。數(shù)控器自動穩(wěn)流系統(tǒng)和DCS保護系統(tǒng)的獨立控制有利于提高整個裝置的安全性能，對裝置今后的安全穩(wěn)定運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:機械工業(yè)出版社,2000:54-59.

[2]胡壽松.自動控制原理[M].4版.北京:科學出版社,2001: 1-7.

[3]王剛,徐巖,李延國.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.