杭州和利時(shí)自動(dòng)化有限公司 高國(guó)光

黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化工程系 武平麗

1 單元槽電壓檢測(cè)的必要性

1.1 電解工藝簡(jiǎn)介

離子膜法電解制燒堿和氯氣的原理如圖1所示。離子膜由羧酸層和磺酸層組成，含有帶負(fù)電荷的固定離子（SO3－）和帶正電荷的對(duì)離子（Na+）的活性基團(tuán)，有特殊的選擇透過(guò)性，只允許陽(yáng)離子通過(guò)而阻止陰離子及氣體通過(guò)。因而起到了防止陽(yáng)極產(chǎn)物Cl2與陰極產(chǎn)物H2相混合而導(dǎo)致爆炸的危險(xiǎn)，還起到了避免Cl2與陰極另一產(chǎn)物NaOH反應(yīng)而生成NaClO影響燒堿純度的作用。當(dāng)離子膜出現(xiàn)破漏時(shí)不僅影響產(chǎn)品質(zhì)量，更會(huì)危及到安全生產(chǎn)。所以生產(chǎn)運(yùn)行中必須保證離子膜的完好。

圖1 離子膜電解原理

圖2 離子膜電解槽的組成

表1 單元槽電壓主要指標(biāo)

1.2 單元槽電壓的構(gòu)成

每臺(tái)復(fù)極式離子膜電解槽由多個(gè)裝有離子膜的單元槽串聯(lián)組成，如圖2所示。電解槽升電流后，相鄰兩個(gè)單元槽之間的電壓（簡(jiǎn)稱(chēng)單元槽電壓）構(gòu)成如表1所示（電流密度4kA/m2）。影響單元槽電壓的因素較多，例如電解電流、氫氧化鈉濃度、陰/陽(yáng)極液循環(huán)量、電解槽溫度、鹽水中雜質(zhì)、陽(yáng)極液pH值、陽(yáng)極液中氯化鈉濃度、氯氫氣總管的壓力等。這些因素在生產(chǎn)中都有控制指標(biāo)，以及檢測(cè)儀表在線檢測(cè)，控制比較平穩(wěn)，單元槽電壓也比較穩(wěn)定。如果離子膜在運(yùn)行中出現(xiàn)破漏，膜電阻就會(huì)降低，直接反映到單元槽電壓的變化。

1.3 原有槽電壓檢測(cè)方案及其不足

為了通過(guò)檢測(cè)槽電壓的變化來(lái)及時(shí)掌握離子膜及電解槽的性能，通常采用兩種方案。

槽電位差檢測(cè)（方案1）：其原理是把整個(gè)電解槽（包含150個(gè)單元槽）平均分成前后兩組，采用電橋原理測(cè)量前后兩組的不平衡電壓。如圖3所示。EDIZA-230A即是電解槽R-230A的槽電位差，當(dāng)電解槽溫度穩(wěn)定兩小時(shí)后通過(guò)調(diào)節(jié)可變電阻使EDIZA-230A為0，如果有離子膜破漏EDIZA-230A就會(huì)改變。它檢測(cè)的是電解槽前后兩組電壓差的變化，并且檢測(cè)結(jié)果作為單臺(tái)電解槽聯(lián)鎖停車(chē)的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。該方案簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)也能對(duì)電解槽起到保護(hù)作用，但如果電解槽前后兩部分同時(shí)出現(xiàn)等電壓的變化，EDIZA-230A就反應(yīng)不出來(lái)。

分組檢測(cè)（方案2）：把單元槽按順序等分成若干組，測(cè)量每一組的槽電壓。當(dāng)某一張膜出現(xiàn)破漏或電極涂層脫落時(shí)，組電壓就會(huì)變化。早期多為10個(gè)一組（十點(diǎn)檢測(cè)），后來(lái)有3個(gè)一組的（三點(diǎn)檢測(cè)）。分組檢測(cè)雖然也能在線連續(xù)測(cè)量和記錄每組的槽電壓，但當(dāng)每組的單元槽數(shù)越多時(shí)測(cè)量的精度就越低。

方案1在開(kāi)車(chē)過(guò)程中就失去了作用，不能對(duì)故障的出現(xiàn)做出報(bào)警。這兩種方案有相同的不足：不能準(zhǔn)確定位發(fā)生故障的離子膜或電解槽的具體位置，也不能測(cè)量單元槽電壓也就不能反映每張膜的性能。

圖3 槽電壓差檢測(cè)原理圖

1.4 單元槽電壓檢測(cè)的必要性

單元槽電壓正常與否代表著膜的性能好壞以及單元槽陽(yáng)極陰極活性狀態(tài)，在線檢測(cè)單元槽電壓的變化可以及時(shí)準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)離子膜的破漏，特別是在裝置開(kāi)車(chē)升電流期間，可以大大縮短開(kāi)車(chē)時(shí)間。為了使離子膜能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定地保持較高的電流效率和較低的槽電壓，降低直流電耗，延長(zhǎng)離子膜的使用壽命（離子膜昂貴），開(kāi)車(chē)時(shí)不因延誤操作而使膜受到損害，同時(shí)最大限度地減少電槽管理費(fèi)用，降低人工測(cè)量的成本及人工測(cè)量不可避免的差錯(cuò)，以及保證產(chǎn)品質(zhì)量，確保安全生產(chǎn)，就必須對(duì)單元槽電壓實(shí)行在線檢測(cè)及記錄。

圖4 槽電壓與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的連接

2 單元槽電壓檢測(cè)的難點(diǎn)

從離子膜法電解制燒堿的工藝原理和復(fù)極式電解槽的結(jié)構(gòu)可以看出測(cè)量單元槽電壓的難點(diǎn)。測(cè)單元槽電壓時(shí)，測(cè)量回路前一個(gè)信號(hào)引線的正端，是下一個(gè)回路引線的負(fù)極，其共模電壓逐步累計(jì)，越到后段共模電壓越高。現(xiàn)在一臺(tái)電解槽一般裝150個(gè)單元槽，后端共模電壓可達(dá)500VDC。一般的測(cè)量?jī)x表轉(zhuǎn)換器測(cè)量電路不能抗如此高的共模電壓，舉例來(lái)說(shuō)，測(cè)0~5VDC是容易簡(jiǎn)單的，但測(cè)500~505VDC是對(duì)電路有特殊要求。所以如何抑制共模直流電壓是技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)。

3 單元槽電壓檢測(cè)方案

檢測(cè)單元槽電壓的引線必需經(jīng)過(guò)保險(xiǎn)絲后方可接入檢測(cè)系統(tǒng)的輸入回路，檢測(cè)裝置可以放置在電解廠房附近，最好與電解廠房隔開(kāi)。若放置在電解廠房?jī)?nèi)，則采用防爆機(jī)柜。方案大致有以下三種。

方案1：把電解槽的直流電壓信號(hào)（分組或單點(diǎn)）用電壓轉(zhuǎn)換器(如M5系列)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)4～20mA信號(hào)，然后再接入DCS系統(tǒng)的I/O模塊。

方案2：把電解槽的直流電壓信號(hào)（分組或單點(diǎn)）接入到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（如橫河的MW100系統(tǒng)），數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過(guò)485口用MODBUS協(xié)議與DCS系統(tǒng)通訊。系統(tǒng)連接示意圖如圖4所示。

方案3：把電解槽的直流電壓信號(hào)（分組或單點(diǎn)）直接接入DCS系統(tǒng)I/O模塊。

三種方案對(duì)比很明顯，方案3簡(jiǎn)單可靠，是對(duì)前兩種方案的優(yōu)化，但是由于槽電壓檢測(cè)的難點(diǎn)使一般廠家的DCS模塊無(wú)法直接完成此電壓信號(hào)的采集。在此著重介紹方案3的配置方案與優(yōu)點(diǎn)（以和利時(shí)公司MACS-S系統(tǒng)為例）。

4 MACS-S系統(tǒng)對(duì)單元槽電壓檢測(cè)的優(yōu)化

4.1 開(kāi)發(fā)專(zhuān)用槽電壓檢測(cè)模塊SM413

和利時(shí)公司針對(duì)離子膜單元槽電壓檢測(cè)的特殊需求開(kāi)發(fā)了專(zhuān)用模塊SM413。該模塊為8通道（路間隔離）電壓型模擬量輸入模塊，通過(guò)軟件組態(tài)有0～5V信號(hào)輸入和0～10V 信號(hào)輸入兩個(gè)量程可供選擇。對(duì)3個(gè)單元槽一組、2個(gè)單元槽一組或單個(gè)單元槽電壓都可以進(jìn)行檢測(cè)。具體參數(shù)如表2所示。

該模塊為防腐模塊，在華泰集團(tuán)東營(yíng)協(xié)發(fā)化工有限公司50萬(wàn)噸離子膜燒堿等多個(gè)項(xiàng)目上有成功的應(yīng)用業(yè)績(jī)。

表2 SM413模塊的技術(shù)參數(shù)

4.2 專(zhuān)用槽電壓檢測(cè)偏差報(bào)警功能塊的開(kāi)發(fā)

除了常規(guī)的DCS系統(tǒng)具有的功能外，和利時(shí)公司針對(duì)槽電壓檢測(cè)做了專(zhuān)用的偏差報(bào)警軟件功能塊。由于電壓和電流并非線性關(guān)系，在功能塊中還考慮了電解槽前后不同區(qū)域溫度、壓力及流量等因素的差別，根據(jù)不同的電流及運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行偏差報(bào)警。在開(kāi)車(chē)升電流的過(guò)程中，偏差報(bào)警功能塊能及時(shí)準(zhǔn)確定位發(fā)生故障的電解槽，不需要操作工到電解槽現(xiàn)場(chǎng)拿著電壓表對(duì)每個(gè)槽進(jìn)行測(cè)量，避免了人工測(cè)量不可避免的差錯(cuò)，大大提高了開(kāi)車(chē)的效率，縮短了開(kāi)車(chē)時(shí)間。槽電壓出現(xiàn)嚴(yán)重異常時(shí)可啟動(dòng)聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)，在最短時(shí)間內(nèi)對(duì)問(wèn)題做出適時(shí)的處理，減少了停車(chē)時(shí)間，最大程度地避免損失。

4.3 硬件優(yōu)化配置方案

以15萬(wàn)噸離子膜燒堿項(xiàng)目（6臺(tái)電解槽，每臺(tái)槽150個(gè)單元槽）為例，其配置情況如下：

單點(diǎn)檢測(cè)時(shí)硬件配置如表3所示。兩個(gè)單元槽一組進(jìn)行檢測(cè)時(shí)配置表數(shù)量減半。三個(gè)單元槽一組進(jìn)行檢測(cè)SM413及SM3310為表中的三分之一。

表3 單點(diǎn)檢測(cè)硬件配置表

圖5 單元槽電壓信號(hào)與DCS系統(tǒng)的連接方式

如圖5所示，每個(gè)單元槽連接一根2.5平 聚氯乙烯絕緣銅線，線纜直接接到DCS現(xiàn)場(chǎng)I/O柜內(nèi)的保險(xiǎn)端子，然后接到SM413模塊。

4.4 優(yōu)化配置方案的特點(diǎn)

（1）槽電壓信號(hào)直接進(jìn)入DCS模塊，省去中間轉(zhuǎn)換模塊，提高測(cè)量精度，減少了故障點(diǎn)；

（2）MODBUS 通訊速率慢，同時(shí)避免了MODBUS 通訊的不穩(wěn)定，通過(guò)冗余的工業(yè)以太網(wǎng)直接連到中央控制室離子膜燒堿DCS系統(tǒng)，通訊速率高、穩(wěn)定可靠；

圖6 單點(diǎn)檢測(cè)在線畫(huà)面圖

（3）DCS I/O柜直接放在電解廠房附近，節(jié)省部分電纜；

（4）偏差報(bào)警、歷史記錄在線或離線查詢(xún)、歷史趨勢(shì)對(duì)比分析、故障點(diǎn)準(zhǔn)確定位等管理功能強(qiáng)大；

（5）不需要為槽電壓檢測(cè)增加操作站電腦，可節(jié)省投資及維護(hù)費(fèi)用；

（6）有成熟的應(yīng)用業(yè)績(jī)，性?xún)r(jià)比高。

50萬(wàn)噸離子膜燒堿項(xiàng)目中單點(diǎn)檢測(cè)的其中一幅在線畫(huà)面如圖6所示，I槽、J槽電流均為14.86kA。

5 結(jié)語(yǔ)

為了縮短電解開(kāi)車(chē)時(shí)間，使離子膜電解槽長(zhǎng)期安全穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行，對(duì)單元槽電壓的檢測(cè)的非常必要，在當(dāng)前氯堿企業(yè)也有了成功的應(yīng)用。和利時(shí)MACS系統(tǒng)對(duì)槽電壓檢測(cè)的優(yōu)化方案使得檢測(cè)硬件精度高、穩(wěn)定可靠、配置靈活，軟件技術(shù)先進(jìn)，管理功能豐富實(shí)用，有較高的性?xún)r(jià)比。此方案值得國(guó)內(nèi)離子膜燒堿企業(yè)參考借鑒。