离子膜烧碱整流装置隔离变送器的改进

时间：2024-07-28

王孙俊毛益舟

（浙江巨化股份有限公司电化厂，浙江衢州324004）

离子膜烧碱电解槽的整流装置将35 kV交流电转变为直流电，隔离变送器作为电解槽运行电流数据采集装置中的一个重要组成部分，其设计的合理性有利于提高整流控制系统运行的安全性、稳定性及其对外界各种干扰因素的快速应变能力，对整个生产系统的产品质量、生产成本控制起着重要的作用。

1 整流控制系统的工作原理

整流控制系统主要由晶闸管数字稳流控制器（简称数控器）、可编程逻辑控制器（PLC）、整流柜、触摸屏、DCS保护系统、直流电流测量装置等组成，其工作原理见图1。

图1 整流控制系统工作原理Fig 1 Working principle of rectifier control system

正常情况下，数控器处于自动控制状态，稳流控制系统为闭环调节，隔离变送器会将实际测得的直流电流信号转换成直流电流反馈信号送入数控器，并与直流电流给定值进行比较，用于稳流系统的自动控制。若测得的直流电流高于给定值时，数控器会通过减小一定量的晶闸管导通角来降低直流电流；反之，若测得的直流电流低于给定值时，数控器会通过增大一定量的晶闸管导通角来增大直流电流[1]。当电解槽内的电阻值或者供电系统电压等外界因素发生变化，数控器也能通过比例积分（PI）调节器快速地调整晶闸管导通角，减小直流电流的波动范围，保证整流装置能够按照工艺指标稳定地输出直流电流[2]。

数控器内部并没有设置过流联锁保护，整流装置的过流联锁保护是由DCS保护系统来完成的。在该控制系统中，DCS将接收到的直流电流信号换算成实际的电流，用于在线实时监测和过流联锁控制。当检测到电解槽的直流电流达到过流联锁值后，DCS保护系统将向数控器发出电解槽联锁停车信号，使整流装置停止运行，降低直流过流给整套装置造成的影响。

2 故障及分析

2.1 故障现象

某日，整流装置晶闸管导通角超上限报警，其数值为120°（全开通），直流电压为512 V，直流电流为7.5 kA，触摸屏显示的直流电流为0 kA，DCS保护系统的直流电流无显示。由于直流输出电流的给定值为6 kA，值班人员试图通过降低电流给定值来达到降电流的目的。但是，当电流给定值低于5.5 kA，直流输出电流也依然保持7.5 kA不变。值班人员检查现场整流装置发现数控器上的直流电流显示为0 kA，于是安排停车检修。

2.2 原因分析

经过检查，发现故障是由隔离变送器（MVI 1）损坏引起的。因此，数控器接收到的直流电流反馈信号始终为0。即使值班人员降低直流电流给定值至5.5 kA，其数值还是大于数控器接收到的直流电流反馈值。从整流控制系统的工作原理可知，数控器将会通过PI闭环调节使直流电流上升，其数值为整流变压器当前档位所能输出的最大值。整流变压器档位越高，其阀侧电压越高，整流装置所能输出的直流电流越大，直流电流上升的幅度越大。在整流装置高负荷运行期间，电解槽的直流电流为12.7 kA，DCS自动控制系统的过流联锁值为14.85 kA，隔离变送器故障将造成整流装置失去DCS过流联锁保护功能，导致电解槽长时间处于过电流运行状态。

对于离子膜电解槽来说，电解食盐水的流量与当前整流装置的直流输出电流是成正比的。整流装置输出的直流电流越大，食盐水的电解能力就越强。当电解槽内的直流电流出现大幅度上升且食盐水的流量不变时，食盐水的电解速度就会远远大于电解槽内食盐水的进口流量。

此时，食盐水被电解时产生氢气和氧气，正常情况下，离子交换膜是有选择透过性的，爆炸性气体不会相互混合而发生爆炸。但是，随着水电解反应的不断增强，离子交换膜表面的张力就会随之发生变化，导致离子交换膜出现严重起泡、分离、甚至击穿，最终造成永久性损坏[3]。离子交换膜被击穿后，阴极和阳极之间的氢气、氧气、氯气等就会混合。由于电解槽内的温度较高，这些爆炸性气体的混合很可能引起电解槽发生爆炸事故。

3 改进措施

从这个故障案例中可知，隔离变送器（MVI 1）的损坏是造成此类故障的直接原因。但是，电子产品的使用寿命是有限的，其故障损坏也是无法避免的，单纯地通过产品重新选型来延长产品的使用寿命只能降低该类故障的发生频率，并不能完全解决问题。若增加一个电流信号采集系统，使用独立的隔离变送器为数控器采集直流电流反馈信号，DCS保护系统、电流表计、数控器可以分别由3个独立的信号回路进行数据采集。但是，这样的改造方法需要新采购一批材料，包括大电流互感器、测量单元、隔离变送器等，改造的成本较高。

由于整流装置现场的电磁场干扰较强，因此电子元器件的故障率相对较高，尤其是通讯系统。通讯系统故障后，触摸屏无法正常显示整流装置运行的各项参数，包括实际运行的直流电流数据。但是，电流表的信号来自于隔离变送器，不受通讯系统影响。即使DCS保护系统的隔离变送器和通讯系统同时出错，电流表也可以辅助值班人员进行直流电流数据监测和操作。然而，电流表是不参与系统的自动控制，并且该故障的根本原因是数控器和DCS保护系统使用同一个隔离变送器进行电流信号采集。

为此，解决该故障的最有效的方法是对这2个信号回路进行分离，将数控器的直流电流反馈信号由隔离变送器（MVI 1）转移至隔离变送器（MVI 2），隔离变送器改造后的接线见图2。

图2 隔离变送器接线Fig 2 Isolation transmitter connection

这种改造方法既简单，又能实现数控器的直流反馈信号和DCS保护系统的电流信号回路分离，彻底解决此类安全隐患，还能将改造的成本降至最低。

从改造后的实际运行情况看，隔离变送器发生故障、晶闸管导通角超上限报警时，值班员工错误地通过升高整流变压器的档位来降低晶闸管导通角，造成整流装置输出更高的直流电流，DCS保护系统过流保护立即发出联锁信号，停止整流装置的运行，避免了故障影响范围的扩大，降低了装置故障给生产系统造成影响。