離子膜電解槽槽電壓檢測系統的常見故障及改進措施

白靜，董永兵，張征國，李愛軍

(陜西北元化工集團股份有限公司，陜西 榆林 719319)

陜西北元化工集團股份有限公司(以下簡稱“陜西北元”)離子膜電解裝置共有24臺電解槽，每臺電解槽有200個單元槽，于2009年開始建設，2011年4條線正式投產。離子膜電解槽電壓是一項重要的技術經濟指標，在生產運行中槽電壓的變化往往可以直觀反映出電解槽及離子膜的運行狀況，單元槽電壓的準確檢測是保證離子膜電解槽正常運行的重要因素。

1 檢測離子膜電解槽槽電壓的重要性

1.1 影響離子膜槽電壓的主要因素

1.1.1 電流密度

電流密度升高，槽電壓隨之增加，電流效率相應提高，所以在正常生產中，要綜合考慮，以達到降低電耗的目的[1]。

1.1.2 循環堿濃度

循環堿濃度越高，膜中含水率越低，膜電阻越大，槽電壓越高。

1.1.3 淡鹽水濃度

淡鹽水濃度越高，槽電壓越高，電流效率也上升，所以在生產中要合理控制淡鹽水濃度在一定范圍，實現電耗的最低。

1.1.4 陰陽極液循環量

陰陽極液循環量減少時，槽內的液體中氣體含量增加，氣泡在膜及電極上的附著量增加，會引起槽電壓上升。

1.1.5 電解槽槽溫

溫度上升，離子膜的孔隙增大，提高了膜的導電性，降低了槽電壓。

1.1.6 鹽水中雜質

鹽水中Ca2+、Mg2+含量過高，將會在陰極側形成氫氧化物沉淀，使槽電壓上升。鹽水中Fe3+含量過高，將會在膜上形成雜質層，使槽電壓上升。Ba2+、Sr2+等雜質含量過大時，會在離子膜內形成結晶沉淀，使槽電壓上升。

1.1.7 陽極液pH值

陽極液pH值若小于2，全氟磺酸由—COONa型變為—COOH型，膜內部因發生水泡而受到損壞，使膜電阻升高，槽電壓上升。

1.1.8 電解槽壓力和壓差

電解槽壓力增大，電解液中氣體體積縮小，電解液電阻下降，槽電壓降低。因陽極電導率遠大于陰極，故控制電解槽正壓差，使離子膜貼向陽極，降低槽電壓。

1.1.9 開停車次數及膜自身結構、槽結構等

每一次開停車都可能使壓差控制不穩定，引起膜振動，使膜受損，從而導致槽電壓上漲。

1.2 槽電壓反映出的離子膜電解槽特性

通過上述影響槽電壓的9條因素，可以發現單元槽電壓可以反映出離子膜電解槽的如下特性。

1.2.1 單元槽進液軟管是否堵塞

若單元槽進液軟管堵塞，造成陰陽極循環量降低，單元槽內液體中氣體含量增加，氣泡在膜及電極上的附著量也增加，從而導致槽電壓上升。而離子膜單元槽進液軟管堵塞，會導致離子膜干燒，爆炸事故發生。通過實時檢測槽電壓的上漲情況，可以有效地避免此類事故的發生。

1.2.2 及時判斷進電解槽鹽水含雜質情況

進電解槽精制鹽水的雜質含量，由中控化驗人員每天進行一次全分析，而不是實時檢測，若鹽水中雜質含量超標，通過化驗檢測往往比較滯后。通過觀察電解槽的槽電壓上漲情況可以作為參考判斷條件。

1.2.3 通過單元槽電壓分析單元槽的離子膜性能、陰陽極涂層狀況

通過柱狀圖對比同一電流下各單元槽的槽電壓大小，可以對槽電壓過高、過低(與平均值之差≥150mv)單元槽進行重點觀察，或停車拆開檢查，檢查離子膜是否分層，是否有針孔泄漏，單元槽陰陽極涂層是否脫落。

1.2.4 及時判斷電流、槽溫、堿濃度等電解槽運行指標

電解槽的電流、槽溫、堿濃度在正常工作情況下都是通過現場儀表檢測，但若某一時刻檢測儀表顯示故障，就會帶來控制偏差，引起電解槽的不正常控制。此時，若能實時關注槽電壓變化，便會及時發現問題。陜西北元化工集團電解裝置曾發生過如下事例，2019年，C線B槽單元槽電壓整體上漲，檢查槽溫、堿濃度、陽極液pH值、單元槽進出液狀況等各方面指標運行正常，最終發現整流電流顯示偏低1 kA，導致電解槽實際電流偏大1 kA，聯系電氣人員進行處理，最終恢復正常。

2 現有槽電壓檢測系統的檢測原理及存在問題

2.1 現有槽電壓檢測系統的檢測原理

2.1.1 單元槽電壓的檢測

每臺電解槽有200單元槽，每個單元槽通過電纜連接至槽尾槽電壓檢測柜內，電解裝置崗位人員每天在槽電壓檢測柜內用萬用表檢測單元槽電壓并進行記錄，最終錄入電子版。電解槽管理人員定期對單元槽電壓進行分析，總結電解槽的運行情況。此外，將每7臺單元槽劃分為一組，并將組電壓信號通過電壓變送器送至DCS監控，在DCS內部又取了7臺單元槽的平均值，當單元槽電壓平均值大于高高限時聯鎖單槽停車。

2.1.2 單臺電解槽槽電壓的檢測

當某一組中的某一個單元槽電壓已經升高，但組電壓并未達到報警或聯鎖值，也不會產生報警或聯鎖動作，這種情況比較危險，為了彌補組電壓偏差報警這一缺陷，設置了不平衡電壓與不平衡電壓變化率報警與聯鎖功能。

每臺電解槽槽尾配置有槽電壓偏移檢測系統，目前在用的是隨電解槽附帶的PLC系統。它采用惠斯通電橋測量原理，對電解槽的電壓對稱進行監測。每臺電解槽分為前半槽與后半槽，前半槽設置有不平衡電壓U1，不平衡電壓變化率dU1，后半槽不平衡電壓U2，不平衡電壓變化率dU2。當不平衡電壓超過報警值時，通過PLC輸出報警和聯鎖信號至DCS。另外，通過PLC計算輸出不平衡電壓變化率報警和聯鎖信號至DCS，如圖1。

U1=U1-50-U1-100/2，

式中，U1-50指1號至50號總電壓，U1-100指1號至100號總電壓。

單位時間內不平衡電壓的變化率為：

dU1=ΔU1/Δt。

U2=U101-150-U101-200/2，

式中，U101-150指101號至150號總電壓，U101-200指101號至200號總電壓。

單位時間內不平衡電壓的變化率為：

dU2=ΔU2/Δt。

單臺電解槽總電壓U=U1-100+U101-200，當U大于聯鎖設定值時，聯鎖單槽停車。

當電流不低于4 kA時，不平衡電壓U1，U2，電壓變化率dU1、dU2聯鎖投入。隨著電解槽運行年限的增加，離子膜性能逐漸下將，不平衡電壓U1、U2會增大，有時會遠超出聯鎖值，在無其他特殊情況時，認為此種不平衡度在這一時間段內正常，這就要求對不平衡電壓進行清零。即設置補償值OFFSAT等于實際值，此時不平衡電壓顯示值C1就等于0。

C1=U1-OFFSAT值(補償值)

在此基礎上，若C1大于高限，則報警，大于高高限，則聯鎖停車。

在電解槽開車升電流時，當電流到達2.7 kA時進行不平衡電壓清零，建立一個新的起點。

2.2 現有槽電壓偏移檢測系統存在問題

(1)受使用年限以及現場環境影響，電解槽電壓偏移PLC系統(看門狗)的各類硬件相繼出現故障，而且某些硬件已經停產，無法采購到相同的備件，影響電解設備安全穩定運行。

(2)槽電壓偏移PLC控制柜放置于電解廠房二樓，因溫度過高，PLC控制柜內部元器件很容易燒毀或死機，陜西北元離子膜電解裝置因PLC內部元件燒毀或死機引起的誤停車次數每年平均達5次之多。

(3)不平衡電壓變化率誤動作停車次數遠大于正常檢測觸發停車，陜西北元離子膜電解裝置自2011年開車以來，電壓變化率引發的停車事故皆為誤動作引起。

(4)崗位人員每天檢測一次單元槽電壓，而DCS傳輸的是每7個一組的組電壓，不能實現單元槽電壓的實時檢測。

(5)電解廠房二樓溫度高，有時可達50 ℃，崗位人員用萬用表檢測人工檢測記錄單元槽電壓工作量大，工作環境差。尤其是在電解槽開車時，手動檢測槽電壓工作效率低，嚴重影響開車進度。

3 改進后槽電壓檢測系統的檢測原理及優勢分析

3.1 改進后槽電壓檢測系統的檢測原理

3.1.1 改進后單元槽電壓的檢測原理

在原電解槽槽尾單元槽電壓檢測柜內，分別用電纜自接線端子另一側引出單元槽電壓至新增PLC就地柜帶保險的接線端子，單元槽電壓在就地柜內被轉化為通訊信號。就地柜內的交換機和光電轉換器將單元槽電壓通訊信號經由光纜傳輸至控制柜(如圖2所示)。控制柜包含PLC在內，PLC通過MODBUS TCP通訊獲得來自就地柜的單元槽電壓，并通過上位機進行顯示，主控室操作人員可以實時在線監控每臺電解槽的單元槽電壓。

B、C線各線連接示意與相同；S—tkUCES供貨；B—最終用戶供貨圖2 改進后槽電壓的檢測原理

3.1.2 調整原槽電壓偏移PLC控制柜(看門狗)內設備

(1)原槽電壓偏移控制柜內的前后半區不平衡電壓檢測模塊SC-2和SC-4予以保留，模塊輸出量程為-10～+10 V，安裝在新槽電壓檢測PLC系統的現場柜內。

(2)原槽電壓偏移控制柜內的前后半區電壓檢測模塊SC-1和SC-3予以保留，模塊輸出量程為0～+10 V，安裝在新槽電壓檢測PLC系統的現場柜內。

(3)原槽電壓偏移控制柜內的總電流檢測模塊SC-5取消，新的電流取自整流電流，由硬線傳輸至新PLC系統I/O接線端子。

(4)原槽電壓偏移控制柜內的總電壓檢測模塊SC-6取消，總電壓由前半槽電壓與后半槽電壓取和所得，并由PLC通過I/O接線端子硬線輸出至DCS。

(5)原槽電壓偏移控制柜惠斯通電橋保留，繼續為前后半區不平衡電壓和前后半區電壓檢測使用。

(6)原槽電壓偏移控制柜內的PLC取消。包括PLC輸出的前后半區不平衡電壓報警和聯鎖點、前后半區不平衡電壓變化率報警和聯鎖功能點、總電壓的報警和聯鎖點、總電流的顯示點。原槽電壓看門狗(Watchdog)是以多個單元槽為一組，檢測一組的電壓來判斷電解槽的運行工況，當組電壓高于報警、聯鎖值時，產生報警、聯鎖動作。但是，如果某一組中的某一個單元槽的電壓已經升高，未達到報警或聯鎖值，也不會產生報警和聯鎖動作，那就比較危險，為了彌補組電壓偏差報警的這一缺陷，設置了電壓的變化率報警和聯鎖功能，只要某單元槽電壓發生變化并且變化率超出設定范圍，就產生電壓變化率的報警或聯鎖。另外，如果整流器輸出電流發生波動，同樣也會造成電壓變化率的變化，甚至誤動作聯鎖停車。改造后，新系統的槽電壓監測是以每個單元槽的電壓檢測為基礎的，只要單元槽電壓超過自身的報警和聯鎖范圍，即產生報警和聯鎖動作。所以，在使用了新系統的聯鎖保護功能的前提下，原有的不平衡電壓變化率的報警和聯鎖功能已無太多意義，可以取消。

3.1.3 新槽電壓檢測PLC系統內硬件設置

每臺電解槽由2個PLC的I/O基板，分別對應電解槽的前、后半區[2]。柜內硬件設置如下。

(1)槽電壓偏移控制柜內的前后半區不平衡電壓檢測模塊SC-2和SC-4輸出信號接入新槽電壓檢測系統前半區PLC的I/O基板上的空余通道，并將量程改為-10～+10 V。

(2)槽電壓偏移控制柜內的前后半區電壓檢測模塊SC-1和SC-3輸出信號接入新槽電壓檢測系統后半區PLC的I/O基板上的空余通道，并將量程改為0～+10 V。

(3)每條線的新槽電壓檢測PLC系統增加6個AO點，用于將總電壓通過4～20 mA信號輸出至DCS顯示；增加24個DO點和相應的DO繼電器，用于將前后半區的不平衡電壓的高高報警和聯鎖信號輸出至DCS[3](用作電解槽報警和聯鎖信號，1個框架占用2個DO點，其中1個點用于報警，1個點用于聯鎖)。

3.1.4 DCS控制系統側調整

(1)刪除由槽電壓偏移PLC(看門狗)通訊至DCS畫面顯示的前后半區的總電壓、不平衡電壓、不平衡電壓變化率和總電流信號。

(2)總電壓信號、不平衡電壓聯鎖信號，由新槽電壓檢測PLC系統提供，并刪除不平衡電壓變化率的報警和聯鎖。總電壓信號的聯鎖邏輯仍由DCS完成。

3.1.5 新槽電壓監控PLC系統功能

(1)原槽電壓偏移控制系統的不平衡電壓計算功能在新槽電壓檢測PLC系統上實現，不平衡電壓的顯示和調零在新槽電壓檢測PLC系統的上位機上設置。

(2)新槽電壓監控PLC系統通過RS485通訊引入DCS控制系統的燒堿濃度，槽溫，燒堿累計流量，用于自動計算電解槽的電流效率，修正槽電壓等參數。

3.2 改進后槽電壓檢測系統的優勢分析

(1)實現電解槽每個單元槽槽電壓實時監測，為進一步分析電解槽運行情況提供基礎信息。

(2)降低崗位人員勞動強度，避免崗位人員長時間在高溫區域工作，提高開車效率，節約電解槽開車時間。

(3)降低電解槽由于接線松動誤停車概率，避免崗位人員長期測量槽電壓而導致接線松動聯鎖停車。

(4)移除槽尾電壓偏移PLC控制柜，避免溫度過高引發的PLC模塊燒壞、死機等單槽誤停車事故。

(5)取消了不平衡電壓變化率報警與聯鎖，避免了電解槽誤停車次數。

4 結論

離子膜電解槽的槽電壓可以體現出離子膜的多方面運行指標，在日常工作中，若能實時關注槽電壓變化，對電解槽的安全穩定經濟運行起著決定性作用。本次電解槽槽電壓檢測系統的改造，可以有效地實現每個單元槽電壓的實時檢測，同時避免原槽電壓偏移裝置的誤停車事故，減輕電解裝置崗位人員的勞動強度，為電解槽的科學管理奠定基礎。