廖秀华  教授级高工

 [关键词]整流装置;设计方案:节电

      [摘  要]阐述了目前整流装置设计中挖掘节电潜力的途径、方案及预期效果，指出了在方案选择中应注意的问题。

    自20世纪九十年代引适离子膜电解装置至今，已经过20多年，国产化离子膜电解槽也问世10多年了，经过这些年的引进、消化、吸收、创新，离子膜电解技术逐渐完善，整流供电技术也发生了相应的变化和改进，再加上越来越突出的国家能源紧缺矛盾，如何从设计入手，做到精益求精，充分挖掘节电潜力，成为国内氯碱企业的新课题。

1  优化整流系统的设备选型

1·1整流装置网侧电压优化方案

    根据供电电压选择原则，结合我国电网的设置情况和整流变压器的设计制造水平，不同烧碱规模的企业应有不同的电压选择，参考范围如下。

    (l)烧碱产能不足2万t/a的企业:如果当地电网具备lOkV、35kV两种配电电压，应优先选用35kV电压。

(2)烧碱产能2万t/a以上不足5万t/a的企业:应优先选用35kV或66kV电压(东北电网)，一般不推荐lOkV电压。

    (3)烧碱产能5万t/a以上不足IO万t/a的企业:应优先选用35kV或66kV电压，如果附近有1lOkV电压可供选择，在经过技术经济论证后，确认11OkV合理时，则采用11OkV直降方案。

    (4)烧碱产能lO万t/a以上的企业:应优先考虑采用11OkV直降方案。

    烧碱产能在IO万t/a以下的企业，如果离较大容量发电厂很近,可考虑采用发电机母线电压直供方案，但必须注意高次谐波对发电机的不良影响。

     采用66kV或llOkV直接向整流变压器供电，减少了变压层次，也就减少了电网的投资和损耗。以1台1lOkV、40MVA的动力变为例，该动力变可供烧碱10万t/a规模用电，它的总损耗为180KV,如采用直降方案，这部分损耗节省下来，可节电150万kV·h/a。

    66KV和1lOKV整流设备均具有20年以上的运行经验，多数用于电解铝的二极管整流装置上。随着晶闸管元件性能的改善和设计制造水平的提高，即使在氯碱行业的晶闸管装置上。也完全具备了使用条件。齐鲁石化氯碱厂的2O万t/a离子膜烧碱项目就成功地采用了110KV直降整流方案，整流变压器为国内制造，两年来，运行一直正常。

1·2   等效整流相数的选择

    等效多相制整流是从源头上抑制谐波的手段，也是效果最好的一种方法。目前90%以上的离子膜电解装置都采用复极式电解槽，由1套整流装置向1个电解槽供电。每套装置宜设计成等效12相整流，以1个电解槽的整流装置作为12脉波单位，形成两糟24脉波、3槽36脉波的整流系统。当然，决不是说有N个电解槽就设计成N·12的等效整流相数，还要根据供电电压、系统短路容量、整流变压器的容量等具体参数来确定。但在整流系统的相位组合上一定要以1个电解槽的装置为1个单位，开停同步，参数对称，把分量最大的5次和7次谐波消除掉。构成完全等效多相整流，必须符合装置间“三对称”和“一相等”的条件。这就是:阻抗对称、变压比对称、控制角对称，输出功率相等。为此，最好采用整流变网侧延边三角移相方法。这样不但容易实现三对称，而且也是3种移相方法中延边部分所增加的变压器等效容量最小的方法，也就是因移相而增加的损耗最小的方法。

1·3   整流电路的选择

    选择整流电路的标准取决于元件的电压水平和价格。结合目前的元件生产水平，直流额定电压500V以上的整流设备采用三相桥式电路为宜，低于该电压的则采用人人形电路较合理。从损耗角度而言，在直流输出参数相同的条件下，三相桥式整流器的损耗大于人人形的，而三相桥式的整流变压器损耗却小于人人形的。综合估算，两种电路的总损耗比为4.3:4.0，也就是人人形电路稍有优势，两种电路的设备总造价无明显差别。

2  对正确选择新技术的再认识

2·1   “同相逆并联”与“非同相逆并联”接线方式

"同相逆并联"是电流相等、方向相反的两桥臂导排靠拢，从而达到交变磁场相互抵消、减少导排压降、提高功率因数和消除柜体涡流的目的。这是20世纪70年代从日本引入的技术，是金属阳极电解槽在大电流(分别为3OkA、6OkA、9OkA，具体由槽型大小决定)下运行，整流装置单柜电流大，阀侧母线长度都在几m以上，甚至超过10m的背景下采用的。实践证明。"同相逆并联"技术收到了预期效果，同时也付出了安全性低、成本高、损耗大的代价，因此，"非同相逆并联"技术的优点又凸现出来。目前的变化大大冲淡了同相逆并联的必要性；采用复极式离子膜电解槽之后，单柜电流均在15kA以下，阀侧母线长度不超过1m，采用4和5元件之后，柜内导排缩短，元件均流不再成问题。因此，在复极式电解槽负载的特定条件下，"同相逆并联"法弊多利少。而"非同相逆并联"法由于变压器绕组少一半，附加损耗相应减少，适宜选择正向压降较小的整流无件，柜内交直流导排数减少一半以上，这些都是节电潜力所在，应充分发挥这种接线节电、省材的优点。

2·2   规范三相五柱整流变压器的设计

    三相五柱整流变压器是一种新型结构的产品，它以五芯柱的特别设计取代了带平衡电抗器的整流变，而性能不变。该产品具有独特的省材、省工、省电的优势，变压器的总损耗可以降低10%左右。

    由于对该种结构的理论研究尚不够深透，经验也不足，在应用过程申也曾走一些弯路。其表现是:带二极管整流器、单机运行时一切都正常，带晶闸管整流器或多机并联运行时，出现箱体局部发热、整流器间负荷分配不均衡的情况。专家经过分析、总结，认为问题产生的原因归根结底是谐波磁通没处理好，并找到了行之有效的解决办法，包括控制角限制、电路连接、移相方法、器身与油箱距离等，目前已有采用这种5柱结构带晶闸管整流器的变压器，两台相位相差30。(即12脉波整流)并列运行，已为成功先例。但这毕竟是个别制造厂的做法，对该类变压器的设计还有待继续规范。

  3 　优化某些设计参数的意见

 3·1  应改变对整流电压设计过高的传统习惯

    长期的观察结果表明，复极式离子膜电解槽系列的额定直流电压设计值都偏高10%以上。这里指的偏高已经剔除了电解槽单元数会增多、电圾老化、槽压升高等因素。

    整流设备电压设计过高带来的后果有:设备容量浪费，成本提高，运行费用增加，增加的运行费用包括每月的用电负荷费和变压器损耗费。以1万t/a烧碱的整流设备为例，整流电压设计值偏高10%，就意味变压器容量偏大500KVA，全年就得增加负荷费10.8万元。电压设计值偏高，变压器的铜损就会增加3%。这还只是以1万t/a烧碱装置配套的整流设备为例，1年就浪费1800OkW.h的电能，增加电费开支9000元，虽然数目不大，但浪费了有钱也难买得到的能源，实在可惜。电压设计偏高有历史原因，也有设计思想、设计方法以及经验等原因，这些姑且不论。下面根据设计电压的计算公式进行讨论。

     理想空载直流电压U_dio为:

     U_dio＝[U_dN(1+K_x·e_x/100 +△P/p_r)+S·N_s·U_TM+∑U_s]/cosα_min·(1-b/100)。

    式中:U_Dn为整流器额定输出电压，V；e_x为变压器短路电压百分比值的感抗分量，%；K_x 为换相电压降计算因数; △P/p_r为变压器铜损此值，%；N_s为每臀串联元件数，个；S为串联换相组数，组；U_TM为整流元件通态正向峰值压降，V;∑U_s为附加电压降，V；b为网侧电压允许的持续负波动对额定值的比值，%。

    求出U_dio后，由式U_UN＝U_dio/K_s便可得出整流变的阀侧额定电压U_UN，式中K_x是交流、直流电压的换算系数。                        

   目前设计电压偏高普遍发生在几个参数的选择上。U_dN指的是整流器带满负荷后输至电解槽正、负入口端的电压，也就是电解槽的总电压，如将整流器至电解槽端的母线压降再加进去，便与∑U_s相重复；如果电解槽单元数预留的余量过大，单元电压的预计值偏高，都会造成U_dN值偏大。∑U_s指的是交流、直流母排的压降，现在变压器与整流器是紧凑布置，距离已大大缩短，进入电解槽的直流母排再不是原来弯弯曲曲的、架空式的硬排，而是由走直线的挠性电缆所取代，如仍然按5V甚至8V的设计。显然偏大。e_x /l00是压器电抗压降是满负荷时的试验数据。整流装置普遍开到80%的负荷，如不修正也会偏大。准确的计算应按与负荷率成正比修正。α_min是指晶闸管运行中的最小控制角，以往设计都假定在30°左右，目前已采用数字式的精确控制，加上有载开关的粗调配合，α_min值假设在15°已经足够，b%是电网电压负荷偏移值。现在有载调压变的调压范围都考虑了电网电压的负偏移因素;设了--段约5%的升压绕组，保证了电网电压在负偏时不影响装置的额定输出。所以，对b%应忽略不计。

3·2   对平衡电抗器计算容量应进行必要的修正

    对晶闸管整流器而言，在非理想情况下（α≠0，μ≠0），平衡电抗器的容量会随电抗器均衡电压的波形和等效正弦电压有效值、均相控制角α和换相角μ的不同数值范圃而变化，因而要对平衡电抗器的计算容量和型式容量进行修正。如按非相控（α＝0）的整流器设计或假设的相控角偏小，则会发生均衡电压偏低、电抗器铁芯饱和、变压器损耗增大，油面温升超标等问题，相控整流器宜按α＝π/6设计，其所对应的均衡电压、绕组容量、计算容量、型式容量都是非相控整流器的1.83倍。这在技术合同书上必须得到确认。

 3·3   优化整流变压器的调压参数

     对带晶闸管整流器的变压器配上有载调压功能是平衡电网电压波动、电解槽电压变化、提高自然功率因数的需要，宜采用自耦有载调压变压器带整流变压器的配置方式。对于与复极式电解槽配套的整流装置。推荐调压范围为80%。～105%、调压级数为13的线性调压。这样，既适应电源和负载的电压变化，又兼顾到平均控制角不超过10°、有载开关不至频繁动作的情况。那种调压深度大于25%、调压级数多于14的方案是不可取的。如果这样做，将会带来制造复杂、损耗增大的后果。

4  结语

    在氯碱企业改扩建过程中，在配套整流装置设计时注意参数的选择、修正及优化，必能挖掘出装置的节电潜力，从而降低生产成本，提高效益。

本文获第24届全国氯碱行业技术年会暨第7届“佑利”杯氯碱论文交流会优等奖。