整流機組運行效率優化提升

張建超

（唐山三友氯堿有限責任公司，河北 唐山 063305）

氯堿企業為高耗能用電大戶， 在國家大力提倡碳達峰、碳中和及能耗雙控目標的大背景下，氯堿行業的高耗能矛盾越發凸顯。 近期國家發改委要求加快推動有關強制性能耗限額標準修訂工作， 氯堿行業重點產品單位產品能源消耗限額將會進一步提高， 提高行業整體能效水平已勢在必行。 在原有設備未進行更新換代的前提下提高整流效率、 降低電能消耗成為企業降本增效和指標達標的重要途徑。

1 整流機組現狀

唐山三友氯堿有限責任公司2021 年耗電量約14 億kW·h， 燒堿工序的離子膜電解法燒堿生產工藝主要設備電解槽耗電量約占75%。 直接用于電解槽電解反應的電能為直流電， 由電網交流電供電的35 kV 整流變壓器降壓后進入整流柜整流后產生，一段時間內整流后經電解槽消耗的直流電能值和整流變壓器電網側消耗的交流電能值的比值一般認為就是整流效率[1]。 經過統計測算，三友氯堿公司的整流效率約95%，低于行業內的優秀水平。 整流效率低則說明整流過程中損耗大， 交流電變換成直流電的過程中一部分能量因導通角控制不當、 發熱等原因損失掉， 并未成功轉換為可供電解槽使用的直流電。

2 現狀研究及優化

通過對在用整流設備分析， 整流變壓器和整流器的最大效率在設備出廠時已確定， 用戶并沒有有效方法去提升， 三友氯堿公司提升整流效率的切入點主要從提高整流控制精度及穩定性、降低損耗、升級整流變壓器檔位控制方式等方面著手。

2.1 提高整流系統控制精度

2.1.1 調整整流數控器的修正系數

晶閘管數字穩流控制器簡稱數控器， 作為三友氯堿公司整流系統變流和穩流控制的核心器件，由它完成大容量晶閘管整流穩流控制系統的全部調節觸發和控制保護功能， 并允許構建完全獨立的全數字化雙通道冗余熱備用系統， 它得到的數據精準程度對整流變流控制的精度和效率都至關重要。 通過運行參數對比發現， 整流數控器上顯示的給定電流值和主控室DCS顯示電流值存在偏差， 最多的機組偏差值達500 A，而整流柜允許輸出到電解槽的直流電流大小由工藝操作人員根據DCS顯示電流值作為依據進行控制。 由于此偏差存在且數值較大，導致部分整流機組出現“假滿載”現象，例如一期整流柜所供電電解槽DCS顯示滿載直流電流值為13.5 kA，而整流控制柜給定整流柜輸出直流電流值為13 kA，此偏差會導致整流系統和電解系統均未達到設計的最優匹配，整流柜內晶閘管的導通角較低，一般低于110°，距設計最大值120°差距較大，根據晶閘管整流器原理可知導通角低則整流效率低。

針對此問題進行調研后， 解決方法是對整流數控器的修正系數進行修改。 數控器內部接收的輸入信號為0~5 V 標準電壓信號， 為避免電壓信號因線路阻抗較大發生衰減或線路存在干擾等因素造成電壓信號失真， 需要對0~5 V 標準電壓信號做出局部調整、修正，調整的比例范圍就是修正系數。 實際的修改方法是根據DCS 顯示電流值和整流給定電流值的正負偏差， 對數控器的修正系數值進行適當增大或減小，調整的過程中比較DCS 顯示電流值和整流給定電流值的偏差，在DCS 顯示電流值和整流給定電流值趨于一致，消除偏差后，確定修正系數值的最終值。通過對整流數控器修正系數的修改，目前三友氯堿公司整流柜輸出電流和電解槽工藝控制需要電流一致性達到最小的偏差甚至消除了偏差， 整流柜內晶閘管的導通角約113°，電解槽和整流柜運行在設計最優效率點，整流效率得到了提高。

2.1.2 普通直流大電流傳感器更換為高精度直流大電流傳感器

直流大電流傳感器為整流柜輸出直流電流值的檢測元件，其原理為利用霍爾元件作為檢測元件，通過多個霍爾元件將被測直流大電流轉換成正比于被測直流的霍爾電流信號， 通過電子電路進行求和放大以及線性化處理， 轉換成標準的直流電壓0～5 V信號和標準的的直流電流 4～20 mA 信號輸出[2]。 標準的電壓、電流信號參與整流機組和電解槽DCS 系統的控制， 如果直流大電流傳感器輸出的信號不準確或精度較差， 則整流機組的控制精度必然會大打折扣， 由此可見直流大電流傳感器對于整流系統的重要性。

通過對行業內其他公司的考察和對行業內新技術的調研， 三友氯堿公司選用行業內先進的高精度直流大電流傳感器， 該型號傳感器采用獨特的磁路技術，即在確保直流大電流傳感器不飽和的前提下，增大傳感器內的鐵芯截面積， 使傳感器內部達到全鐵芯狀態。由于磁路的優化，最大限度地增強了傳感器的穩定性，同時有效解決了外磁場的干擾，確保了傳感器的高精度， 將直流電流的檢測精度由0.5 級提高到0.2 級。同樣以整流一期滿載電流13.5 kA 為例， 更換為高精度直流大電流傳感器后輸出直流電流檢測誤差能夠減少40 A，輸出的標準電壓和電流信號更加精準， 即參與整流數控器給定電流反饋的為直流大電流傳感器輸出的直流電壓0～5 V 信號和參與電解槽DCS 系統控制的直流電流4～20 mA 信號更加精準，對整流系統的變流、穩流控制精準度提升起到了積極作用， 對整流效率的提升發揮了重要作用。

2.2 提高整流控制系統的穩定性

對化工行業來說，安全穩定是首要任務，即使整流系統本身的效率很高，如果運行不穩定、經常發生故障停車事故， 當每臺整流柜、 電解槽停車后再開車， 整流柜輸出直流電流需要從0 緩慢升到工藝要求滿載電流值，而在工藝要求滿載電流值以下，整流系統晶閘管導通角低， 造成在開車的初期整流系統的效率很低， 在包含開車過程的一段時間內整流系統的平均效率不會太高。 三友氯堿公司著力提升整流效率的一項舉措就是保障整流控制系統的穩定，力爭將因整流控制系統故障導致的停車次數降為零，使整流系統能夠長期運行在高效率區間[3]。 將普通直流大電流傳感器更換為高精度直流傳感器，雖然整流系統的控制精度提高了但因直流大電流傳感器本身發生故障而導致停車的風險仍然存在， 且直流大電流傳感器故障為多發故障， 是導致整流控制系統不穩定的重要因素。 因整流數控器本身限制不具備主備反饋信號的互備功能， 當主用直流大電流傳感器故障時備用直流大電流傳感器正確的反饋信號不能被數控器采集用于穩流控制， 且即使數控器具備反饋信號互備功能，但傳輸到電解工藝DCS 的電流信號也是錯誤的， 三友氯堿公司曾發生過多次因主用直流大電流傳感器故障導致的停車事故。

為消除此風險，與整流設備廠家、直流大電流傳感器廠家進行多次交流探討后提出了一種控制信號切換裝置的初步設計， 經由直流大電流傳感器廠家代為開發，裝置應用成功?？刂菩盘柷袚Q裝置的原理為增加一路輔助傳感器，主用直流大電流傳感器、備用直流大電流傳感器和輔助傳感器的輸出共同接入控制信號切換裝置， 通過對三路輸入信號的比較運算確定主用直流大電流傳感器輸出是否正確， 如果控制信號切換裝置通過比較判斷主用直流大電流傳感器輸出錯誤則會將備用直流大電流傳感器輸出值接通到輸出線路上。 由于控制信號切換裝置切換時間約為100 ms， 實現了主用直流大電流傳感器、備用直流大電流傳感器的無擾動切換。 控制信號切換裝置于2017 年7 月在三友氯堿公司13# 整流系統上成功應用， 經過現場試驗單臺直流大電流傳感器故障或斷電不會造成整流控制系統反饋信號故障引發停車事故， 系統仍能準確穩定運行， 電解工藝DCS 電流同樣連續穩定。 自 2018 年 10 月起，整流系統借系統大修停車機會逐批進行控制信號切換裝置的安裝， 截止目前，24 套整流系統已全部安裝完畢， 每年可避免因直流大電流傳感器故障造成的停車4 次以上， 保證了整流及化工電解生產的連續及穩定性，提升了整流設備的利用率和效率。

2.3 降低整流系統的損耗

三友氯堿公司電解槽槽間隔離器（C-DCDS）兩極自建廠起使用硅橡膠軟電纜連接， 由于電纜由電解槽下部引出至槽間隔離器， 電解槽環境溫升較高和電纜運行中發熱，電纜長期運行中溫度高達100 ℃以上，高溫使電纜絕緣層嚴重老化開裂，不僅有直流接地的隱患，而且存在人員觸電的風險。如果能夠降低槽間隔離器兩端連接電纜的發熱問題， 減少電能轉化成為熱量的損耗，能夠消除安全隱患，也對整流系統效率的提升有助益。針對此問題，經過大量調研，對各種連接介質和形式進行比較后最終選定澆注式母線在電解槽槽間隔離器兩極進行電氣連接[4]。 澆注式母線使用環氧樹脂材質將銅排進行整體澆筑，形成具有防水、防火、防腐、防爆等四防功能的新型無金屬外殼母線槽。借助其優越的電氣絕緣性能、機械性能及良好的散熱性能， 應用于槽間隔離器后使用良好，主要表現在用澆注式母線替換電纜連接后，在相近的溫升環境下用紅外熱成像儀測溫顯示澆注式母線溫度相較于電纜明顯降低， 僅有電纜溫度的一半左右， 說明發熱損耗降低， 整流效率進而得到提升。

以下為電解槽槽間隔離器連接介質由電纜更換為澆注式母線后，損耗降低的粗略計算。

對槽間隔離器兩極使用萬用表測量電壓降，一般認為此電壓降即槽間隔離器連接介質的損耗，測量時，二三期5#A、5#B、8#B 3 臺電解槽槽間隔離器仍在用電纜連接，7#A、7#B、8#A 3 臺電解槽槽間隔離器已改造為澆注式母線連接， 電纜連接損耗和母線連接的損耗見表1。

表1 二三期測量數據比較

由表1 可知， 二三期電解槽槽間隔離器使用電纜連接時的平均電壓損耗為0.558 V，更換為澆注式母線連接后平均電壓損耗為0.229 V，二三期電解槽穩定運行電流為13 500 A， 按每年350 天穩定運行計算，則單臺電解槽年節約直流電為37 308 kW·h，按整流效率0.97 計算， 則單臺電解槽年節約交流電38 462 kW·h。

數據進行測量時， 四五期 13#、14#、15#3 臺電解槽槽間隔離器仍在用電纜連接，9#、10#、16#3 臺電解槽槽間隔離器已采用澆注式母線連接， 電纜連接損耗和母線連接的損耗見表2。

表2 四五期測量數據比較

由表2 可知， 四五期電解槽槽間隔離器使用電纜連接時的平均電壓損耗為0.588 V， 在更換為澆注式母線連接后平均電壓損耗為0.282 V， 四五期電解槽穩定運行電流為16 kA，按每年350 天穩定運行計算，則單臺電解槽年節約直流電41 126 kW·h，按整流效率0.97 計算， 則單臺電解槽年節約交流電42 397 kW·h。

由以上測算來看， 電解槽槽間隔離器連接介質由電纜更換為澆注式母線后， 電壓損失降低即發熱量降低、電能的損耗降低，整流系統的整流效率得到了提升。

2.4 整流變壓器檔位控制方式升級

三友氯堿公司共有16 臺有載調壓整流變壓器[5]為24 臺整流柜變換網側電壓，整流變壓器輸出二次側電壓對整流效率同樣存在影響， 在保證整流柜輸出電流穩定的前提下， 整流變壓器二次側電壓越低則整流柜內晶閘管的導通角越高，整流效率越高，故提高整流效率的做法是盡量往低控制整流變壓器有載調壓開關檔位。自建廠起，整流變壓器的檔位控制由主控室操作人員在監控后臺進行手動控制， 控制模式為在整流變壓器停止運行后將變壓器有載調壓開關檔位調整到最低檔， 整流系統開車時由最低的二次側電壓供整流柜進行變流， 在升電流的過程中根據導通角的變化對整流變壓器有載調壓開關檔位進行逐次升檔，在導通角接近112°時執行1 次升檔操作， 以便整流變壓器二次側輸出電壓能夠滿足直流電流和直流電壓的升高需求， 在升電流的過程中持續對整流變壓器有載調壓開關檔位進行升檔操作，直至直流電流升高到工藝要求值，在工藝要求穩定運行電流下， 主控室操作人員根據導通角的變化適當調整有載調壓開關檔位。 整流變壓器有載調壓開關的檔位控制完全由操作人員手動控制， 但由于操作人員無法實時盯住每一臺整流機組的導通角變化情況， 在電網電壓發生波動導致導通角發生變化時， 不能及時對整流變壓器有載調壓開關檔位進行調節，不能做到使導通角始終保持在較高值。

針對上述問題， 三友氯堿公司對整流變壓器有載調壓開關的檔位控制方式進行升級， 升級后由程序自動控制有載調壓開關的檔位。 整流變壓器有載調壓開關檔位自動控制的原理為在程序內設置導通角上下限值， 在運行中導通角超過設置上限值后執行有載調壓開關升檔操作， 整流變壓器二次側電壓升高導通角降低到上限值以下， 在運行中導通角低于設置下限值后執行有載調壓開關降檔操作， 整流變壓器二次側電壓降低導通角升高到下限值以上，上下限值之間為較高的導通角運行區間， 即整流高效率區間。 通過程序控制可以實時監測每一臺整流柜的導通角值， 超出上下限區間時可以立即調整有載調壓開關檔位，相比于原來的人工控制，響應時間大幅降低，能夠使變壓器檔位保持在高效率區間，使整流柜運行在高效率區間。

3 效果評價

三友氯堿公司近年來持續對整流系統進行改進和優化，大大提升了整流設備的利用率和效率，降低了機組發熱損耗， 保證了整流及化工電解生產的連續及穩定性，確保了整流柜在高效率區間運行。經過測算，整流效率已由95%提高到97%，年節約電費一千余萬元，不僅為公司的降本增效、效益攻堅做出了貢獻，而且對于減少化石能源消耗、減少碳排放同樣做出了貢獻，具有積極的社會效益。