整流机组运行效率优化提升

张建超

（唐山三友氯碱有限责任公司，河北 唐山 063305）

氯碱企业为高耗能用电大户， 在国家大力提倡碳达峰、碳中和及能耗双控目标的大背景下，氯碱行业的高耗能矛盾越发凸显。 近期国家发改委要求加快推动有关强制性能耗限额标准修订工作， 氯碱行业重点产品单位产品能源消耗限额将会进一步提高， 提高行业整体能效水平已势在必行。 在原有设备未进行更新换代的前提下提高整流效率、 降低电能消耗成为企业降本增效和指标达标的重要途径。

1 整流机组现状

唐山三友氯碱有限责任公司2021 年耗电量约14 亿kW·h， 烧碱工序的离子膜电解法烧碱生产工艺主要设备电解槽耗电量约占75%。 直接用于电解槽电解反应的电能为直流电， 由电网交流电供电的35 kV 整流变压器降压后进入整流柜整流后产生，一段时间内整流后经电解槽消耗的直流电能值和整流变压器电网侧消耗的交流电能值的比值一般认为就是整流效率[1]。 经过统计测算，三友氯碱公司的整流效率约95%，低于行业内的优秀水平。 整流效率低则说明整流过程中损耗大， 交流电变换成直流电的过程中一部分能量因导通角控制不当、 发热等原因损失掉， 并未成功转换为可供电解槽使用的直流电。

2 现状研究及优化

通过对在用整流设备分析， 整流变压器和整流器的最大效率在设备出厂时已确定， 用户并没有有效方法去提升， 三友氯碱公司提升整流效率的切入点主要从提高整流控制精度及稳定性、降低损耗、升级整流变压器档位控制方式等方面着手。

2.1 提高整流系统控制精度

2.1.1 调整整流数控器的修正系数

晶闸管数字稳流控制器简称数控器， 作为三友氯碱公司整流系统变流和稳流控制的核心器件，由它完成大容量晶闸管整流稳流控制系统的全部调节触发和控制保护功能， 并允许构建完全独立的全数字化双通道冗余热备用系统， 它得到的数据精准程度对整流变流控制的精度和效率都至关重要。 通过运行参数对比发现， 整流数控器上显示的给定电流值和主控室DCS显示电流值存在偏差， 最多的机组偏差值达500 A，而整流柜允许输出到电解槽的直流电流大小由工艺操作人员根据DCS显示电流值作为依据进行控制。 由于此偏差存在且数值较大，导致部分整流机组出现“假满载”现象，例如一期整流柜所供电电解槽DCS显示满载直流电流值为13.5 kA，而整流控制柜给定整流柜输出直流电流值为13 kA，此偏差会导致整流系统和电解系统均未达到设计的最优匹配，整流柜内晶闸管的导通角较低，一般低于110°，距设计最大值120°差距较大，根据晶闸管整流器原理可知导通角低则整流效率低。

针对此问题进行调研后， 解决方法是对整流数控器的修正系数进行修改。 数控器内部接收的输入信号为0~5 V 标准电压信号， 为避免电压信号因线路阻抗较大发生衰减或线路存在干扰等因素造成电压信号失真， 需要对0~5 V 标准电压信号做出局部调整、修正，调整的比例范围就是修正系数。 实际的修改方法是根据DCS 显示电流值和整流给定电流值的正负偏差， 对数控器的修正系数值进行适当增大或减小，调整的过程中比较DCS 显示电流值和整流给定电流值的偏差，在DCS 显示电流值和整流给定电流值趋于一致，消除偏差后，确定修正系数值的最终值。通过对整流数控器修正系数的修改，目前三友氯碱公司整流柜输出电流和电解槽工艺控制需要电流一致性达到最小的偏差甚至消除了偏差， 整流柜内晶闸管的导通角约113°，电解槽和整流柜运行在设计最优效率点，整流效率得到了提高。

2.1.2 普通直流大电流传感器更换为高精度直流大电流传感器

直流大电流传感器为整流柜输出直流电流值的检测元件，其原理为利用霍尔元件作为检测元件，通过多个霍尔元件将被测直流大电流转换成正比于被测直流的霍尔电流信号， 通过电子电路进行求和放大以及线性化处理， 转换成标准的直流电压0～5 V信号和标准的的直流电流 4～20 mA 信号输出[2]。 标准的电压、电流信号参与整流机组和电解槽DCS 系统的控制， 如果直流大电流传感器输出的信号不准确或精度较差， 则整流机组的控制精度必然会大打折扣， 由此可见直流大电流传感器对于整流系统的重要性。

通过对行业内其他公司的考察和对行业内新技术的调研， 三友氯碱公司选用行业内先进的高精度直流大电流传感器， 该型号传感器采用独特的磁路技术，即在确保直流大电流传感器不饱和的前提下，增大传感器内的铁芯截面积， 使传感器内部达到全铁芯状态。由于磁路的优化，最大限度地增强了传感器的稳定性，同时有效解决了外磁场的干扰，确保了传感器的高精度， 将直流电流的检测精度由0.5 级提高到0.2 级。同样以整流一期满载电流13.5 kA 为例， 更换为高精度直流大电流传感器后输出直流电流检测误差能够减少40 A，输出的标准电压和电流信号更加精准， 即参与整流数控器给定电流反馈的为直流大电流传感器输出的直流电压0～5 V 信号和参与电解槽DCS 系统控制的直流电流4～20 mA 信号更加精准，对整流系统的变流、稳流控制精准度提升起到了积极作用， 对整流效率的提升发挥了重要作用。

2.2 提高整流控制系统的稳定性

对化工行业来说，安全稳定是首要任务，即使整流系统本身的效率很高，如果运行不稳定、经常发生故障停车事故， 当每台整流柜、 电解槽停车后再开车， 整流柜输出直流电流需要从0 缓慢升到工艺要求满载电流值，而在工艺要求满载电流值以下，整流系统晶闸管导通角低， 造成在开车的初期整流系统的效率很低， 在包含开车过程的一段时间内整流系统的平均效率不会太高。 三友氯碱公司着力提升整流效率的一项举措就是保障整流控制系统的稳定，力争将因整流控制系统故障导致的停车次数降为零，使整流系统能够长期运行在高效率区间[3]。 将普通直流大电流传感器更换为高精度直流传感器，虽然整流系统的控制精度提高了但因直流大电流传感器本身发生故障而导致停车的风险仍然存在， 且直流大电流传感器故障为多发故障， 是导致整流控制系统不稳定的重要因素。 因整流数控器本身限制不具备主备反馈信号的互备功能， 当主用直流大电流传感器故障时备用直流大电流传感器正确的反馈信号不能被数控器采集用于稳流控制， 且即使数控器具备反馈信号互备功能，但传输到电解工艺DCS 的电流信号也是错误的， 三友氯碱公司曾发生过多次因主用直流大电流传感器故障导致的停车事故。

为消除此风险，与整流设备厂家、直流大电流传感器厂家进行多次交流探讨后提出了一种控制信号切换装置的初步设计， 经由直流大电流传感器厂家代为开发，装置应用成功。控制信号切换装置的原理为增加一路辅助传感器，主用直流大电流传感器、备用直流大电流传感器和辅助传感器的输出共同接入控制信号切换装置， 通过对三路输入信号的比较运算确定主用直流大电流传感器输出是否正确， 如果控制信号切换装置通过比较判断主用直流大电流传感器输出错误则会将备用直流大电流传感器输出值接通到输出线路上。 由于控制信号切换装置切换时间约为100 ms， 实现了主用直流大电流传感器、备用直流大电流传感器的无扰动切换。 控制信号切换装置于2017 年7 月在三友氯碱公司13# 整流系统上成功应用， 经过现场试验单台直流大电流传感器故障或断电不会造成整流控制系统反馈信号故障引发停车事故， 系统仍能准确稳定运行， 电解工艺DCS 电流同样连续稳定。 自 2018 年 10 月起，整流系统借系统大修停车机会逐批进行控制信号切换装置的安装， 截止目前，24 套整流系统已全部安装完毕， 每年可避免因直流大电流传感器故障造成的停车4 次以上， 保证了整流及化工电解生产的连续及稳定性，提升了整流设备的利用率和效率。

2.3 降低整流系统的损耗

三友氯碱公司电解槽槽间隔离器（C-DCDS）两极自建厂起使用硅橡胶软电缆连接， 由于电缆由电解槽下部引出至槽间隔离器， 电解槽环境温升较高和电缆运行中发热，电缆长期运行中温度高达100 ℃以上，高温使电缆绝缘层严重老化开裂，不仅有直流接地的隐患，而且存在人员触电的风险。如果能够降低槽间隔离器两端连接电缆的发热问题， 减少电能转化成为热量的损耗，能够消除安全隐患，也对整流系统效率的提升有助益。针对此问题，经过大量调研，对各种连接介质和形式进行比较后最终选定浇注式母线在电解槽槽间隔离器两极进行电气连接[4]。 浇注式母线使用环氧树脂材质将铜排进行整体浇筑，形成具有防水、防火、防腐、防爆等四防功能的新型无金属外壳母线槽。借助其优越的电气绝缘性能、机械性能及良好的散热性能， 应用于槽间隔离器后使用良好，主要表现在用浇注式母线替换电缆连接后，在相近的温升环境下用红外热成像仪测温显示浇注式母线温度相较于电缆明显降低， 仅有电缆温度的一半左右， 说明发热损耗降低， 整流效率进而得到提升。

以下为电解槽槽间隔离器连接介质由电缆更换为浇注式母线后，损耗降低的粗略计算。

对槽间隔离器两极使用万用表测量电压降，一般认为此电压降即槽间隔离器连接介质的损耗，测量时，二三期5#A、5#B、8#B 3 台电解槽槽间隔离器仍在用电缆连接，7#A、7#B、8#A 3 台电解槽槽间隔离器已改造为浇注式母线连接， 电缆连接损耗和母线连接的损耗见表1。

表1 二三期测量数据比较

由表1 可知， 二三期电解槽槽间隔离器使用电缆连接时的平均电压损耗为0.558 V，更换为浇注式母线连接后平均电压损耗为0.229 V，二三期电解槽稳定运行电流为13 500 A， 按每年350 天稳定运行计算，则单台电解槽年节约直流电为37 308 kW·h，按整流效率0.97 计算， 则单台电解槽年节约交流电38 462 kW·h。

数据进行测量时， 四五期 13#、14#、15#3 台电解槽槽间隔离器仍在用电缆连接，9#、10#、16#3 台电解槽槽间隔离器已采用浇注式母线连接， 电缆连接损耗和母线连接的损耗见表2。

表2 四五期测量数据比较

由表2 可知， 四五期电解槽槽间隔离器使用电缆连接时的平均电压损耗为0.588 V， 在更换为浇注式母线连接后平均电压损耗为0.282 V， 四五期电解槽稳定运行电流为16 kA，按每年350 天稳定运行计算，则单台电解槽年节约直流电41 126 kW·h，按整流效率0.97 计算， 则单台电解槽年节约交流电42 397 kW·h。

由以上测算来看， 电解槽槽间隔离器连接介质由电缆更换为浇注式母线后， 电压损失降低即发热量降低、电能的损耗降低，整流系统的整流效率得到了提升。

2.4 整流变压器档位控制方式升级

三友氯碱公司共有16 台有载调压整流变压器[5]为24 台整流柜变换网侧电压，整流变压器输出二次侧电压对整流效率同样存在影响， 在保证整流柜输出电流稳定的前提下， 整流变压器二次侧电压越低则整流柜内晶闸管的导通角越高，整流效率越高，故提高整流效率的做法是尽量往低控制整流变压器有载调压开关档位。自建厂起，整流变压器的档位控制由主控室操作人员在监控后台进行手动控制， 控制模式为在整流变压器停止运行后将变压器有载调压开关档位调整到最低档， 整流系统开车时由最低的二次侧电压供整流柜进行变流， 在升电流的过程中根据导通角的变化对整流变压器有载调压开关档位进行逐次升档，在导通角接近112°时执行1 次升档操作， 以便整流变压器二次侧输出电压能够满足直流电流和直流电压的升高需求， 在升电流的过程中持续对整流变压器有载调压开关档位进行升档操作，直至直流电流升高到工艺要求值，在工艺要求稳定运行电流下， 主控室操作人员根据导通角的变化适当调整有载调压开关档位。 整流变压器有载调压开关的档位控制完全由操作人员手动控制， 但由于操作人员无法实时盯住每一台整流机组的导通角变化情况， 在电网电压发生波动导致导通角发生变化时， 不能及时对整流变压器有载调压开关档位进行调节，不能做到使导通角始终保持在较高值。

针对上述问题， 三友氯碱公司对整流变压器有载调压开关的档位控制方式进行升级， 升级后由程序自动控制有载调压开关的档位。 整流变压器有载调压开关档位自动控制的原理为在程序内设置导通角上下限值， 在运行中导通角超过设置上限值后执行有载调压开关升档操作， 整流变压器二次侧电压升高导通角降低到上限值以下， 在运行中导通角低于设置下限值后执行有载调压开关降档操作， 整流变压器二次侧电压降低导通角升高到下限值以上，上下限值之间为较高的导通角运行区间， 即整流高效率区间。 通过程序控制可以实时监测每一台整流柜的导通角值， 超出上下限区间时可以立即调整有载调压开关档位，相比于原来的人工控制，响应时间大幅降低，能够使变压器档位保持在高效率区间，使整流柜运行在高效率区间。

3 效果评价

三友氯碱公司近年来持续对整流系统进行改进和优化，大大提升了整流设备的利用率和效率，降低了机组发热损耗， 保证了整流及化工电解生产的连续及稳定性，确保了整流柜在高效率区间运行。经过测算，整流效率已由95%提高到97%，年节约电费一千余万元，不仅为公司的降本增效、效益攻坚做出了贡献，而且对于减少化石能源消耗、减少碳排放同样做出了贡献，具有积极的社会效益。