洪龍根，蔣作權(quán)

（蕪湖融匯化工有限公司，安徽蕪湖241022）

2010 年，蕪湖融匯化工有限公司實(shí)施了10 萬t/a離子膜燒堿改擴(kuò)建項(xiàng)目。該項(xiàng)目從電力系統(tǒng)220 kV 瑞豐變電站新建長5 km 的110 kV 輸電線路1 回，在現(xiàn)有110 kV 變電所內(nèi)新增1 套線變組GIS， 新增SFSZ11-50MVA/110kV 三繞組變壓器1 臺， 電壓等級為110/35/10 kV，35 kV 向整流整流裝置供電，10 kV 向配電變壓器和高壓電動機(jī)供電。 整流裝置是該項(xiàng)目的核心內(nèi)容， 整流裝置的設(shè)計(jì)要考慮整流裝置產(chǎn)生的諧波不能超標(biāo)， 提高供電系統(tǒng)的功率因數(shù)，盡量做到節(jié)能、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行等因素。

1 諧波計(jì)算和脈波數(shù)選擇

1.1 計(jì)算諧波的意義

10 萬t/a 離子膜燒堿改擴(kuò)建項(xiàng)目采用日本氯工程公司n-BiTAC-866 型電解槽，共8 臺，每臺電解槽有66 個(gè)單元，每2 臺電解槽前后串聯(lián)形成一個(gè)系列，8 臺電解槽共分為并排的4 個(gè)系列，由4 套整流裝置供電。 原設(shè)計(jì)方案將整流裝置共設(shè)計(jì)2 間整流廠房， 每間整流廠房只能容納1 臺整流變壓器和2 套整流裝置，向2 個(gè)系列的電解槽供電，即“一拖二”方案。

按照上述配置，最好是采用單機(jī)組6 脈波整流，4 套整流裝置等效成24 脈波。 若采用單機(jī)組6 脈波運(yùn)行，首先需根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/14549-1993《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》規(guī)定，計(jì)算諧波是否超標(biāo)和過大。諧波過大，將產(chǎn)生下列不良影響及危害：（1）使變壓器的鐵損和銅損增加， 輸電線路串聯(lián)諧振產(chǎn)生的過電壓使絕緣子擊穿；（2）使異步電動機(jī)轉(zhuǎn)矩減少，電機(jī)損耗增加，溫升增加，容易燒毀電機(jī)；（3）使電容器過電流發(fā)熱燒毀或過電壓絕緣擊穿；（4）使發(fā)電機(jī)附加損耗增加，降低發(fā)電機(jī)的額定出力；（5）對同一母線運(yùn)行的可控硅整流裝置產(chǎn)生干擾及其他不良影響；（6）高次諧波電流的電磁和靜電感應(yīng)，對鄰近弱電系統(tǒng)的干擾增加， 尤其是對通訊系統(tǒng)可能產(chǎn)生嚴(yán)重干擾；（7）影響微機(jī)和其他電子設(shè)備的正常工作；（8）使繼電保護(hù)裝置特別是高頻相差保護(hù)，裝置不能正確動作，危害電網(wǎng)安全運(yùn)行；（9）高次諧波使感應(yīng)型電能表產(chǎn)生誤差，降低計(jì)量裝置的準(zhǔn)確性[1]。

1.2 諧波電壓計(jì)算結(jié)果

國家標(biāo)準(zhǔn)GB/14549-1993《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》要求110 kV 電壓總諧波畸變率（THD）允許值為≤2.0%。 根據(jù)諧波電流和諧波電壓的計(jì)算，當(dāng)4 臺機(jī)組同時(shí)運(yùn)行時(shí)，電壓總諧波畸變率不超標(biāo)；但是當(dāng)2 臺機(jī)組運(yùn)行， 電壓總諧波畸變率將超標(biāo)接近2 倍，不能保證電力系統(tǒng)安全運(yùn)行，計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 2臺機(jī)組運(yùn)行時(shí)電壓總諧波畸變率（THD）允許值和計(jì)算值 %

1.3 諧波電流計(jì)算結(jié)果

國家標(biāo)準(zhǔn)GB/14549-1993《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》要求110 kV 基準(zhǔn)短路容量為750 MVA。 根據(jù)蕪湖電網(wǎng)220 kV 瑞豐變電站110 kV 母線系統(tǒng)阻抗和110 kV 瑞融線的線路參數(shù)，計(jì)算得出，在最小運(yùn)行方式下，110 kV 短路容量為549.139 MVA。 瑞豐變電站220 kV 主變壓器的容量為180 MVA， 融匯變電站110 kV 主變壓器的容量為50 MVA。 根據(jù)上述數(shù)據(jù)，經(jīng)過修正和計(jì)算，得出注入電網(wǎng)的各次諧波電流。 當(dāng)4 臺機(jī)組同時(shí)運(yùn)行時(shí)，諧波電流不超標(biāo)；當(dāng)3 臺機(jī)組運(yùn)行時(shí)，5 次、7 次諧波電流超出標(biāo)準(zhǔn)值4倍左右，11 次、13 次諧波電流超出標(biāo)準(zhǔn)值2 倍左右，17 次和23 次諧波電流也超標(biāo)，當(dāng)2 臺機(jī)組運(yùn)行時(shí)，5 次、7 次諧波電流超出標(biāo)準(zhǔn)值4.4 倍。 計(jì)算結(jié)果分別見表2、表3。

表2 3臺機(jī)組運(yùn)行時(shí)，諧波電流的允許值和計(jì)算值

表3 2臺機(jī)組運(yùn)行時(shí)，諧波電流的允許值和計(jì)算值

采用6 脈波整流， 諧波大大超標(biāo)， 主要原因是220 kV 瑞豐變電所的短路容量較小造成的。

1.4 原方案的諧波問題

通過計(jì)算和分析，雖然離子膜燒堿裝置的可靠性比較高，但是考慮生產(chǎn)的實(shí)際情況，剛開車時(shí)，2個(gè)機(jī)組同時(shí)升電流，為2 機(jī)組運(yùn)行；由于工藝、設(shè)備、DCS、整流等故障，1 個(gè)或2 個(gè)機(jī)組停止運(yùn)行的情況還是常有的，此時(shí)，諧波將大大超標(biāo)。 大量的諧波將產(chǎn)生上述危害，影響變壓器、電動機(jī)尤其是電容器等電氣設(shè)備微機(jī)保護(hù)、DCS、整流等自動化裝置的正常運(yùn)行，另外，供電部門將不允許110 kV 變電所送電， 要求增加濾波裝置， 待諧波治理合格后才能送電。 治理諧波需設(shè)計(jì)濾波裝置， 需花費(fèi)額外的諧波治理費(fèi)用。

1.5 新方案的確定

經(jīng)過計(jì)算，若采用單機(jī)組12 脈波整流，在任何運(yùn)行方式下， 電壓總諧波畸變率和諧波電流都優(yōu)于國家標(biāo)準(zhǔn)，有利于公司電力系統(tǒng)的安全、經(jīng)濟(jì)、可靠運(yùn)行。 因此，本項(xiàng)目確定采用單機(jī)組12 脈波的整流方案：1 臺整流變壓器帶1 臺12 脈波整流裝置，向1個(gè)系列電解槽供電，即“一拖一”方案；10 萬t/a離子膜燒堿共需4 臺整流變壓器分別帶4 套整流裝置，向4 個(gè)系列的電解槽供電，4 套整流裝置等效48脈波。優(yōu)點(diǎn)是：（1）諧波優(yōu)于國家標(biāo)準(zhǔn)，母線電壓畸變率低，減少濾波裝置的投資；（2）開車及停、送電等操作靈活；（3）故障影響面小。

2 整流電壓等級和電容補(bǔ)償

電壓等級的選擇主要考慮投資和電費(fèi)， 尤其是基本電費(fèi)。 安徽電網(wǎng)的電費(fèi)構(gòu)成是， 電費(fèi)=基本電費(fèi)+電量電費(fèi)+功率因數(shù)調(diào)整電費(fèi)。 基本電費(fèi)有2 種方式：一是按接入電網(wǎng)的變壓器容量按月收取，每月30 元/kVA；一是按電費(fèi)計(jì)量點(diǎn)的最大需用負(fù)荷按月收取，每月40 元/kW。 功率因數(shù)調(diào)整電費(fèi)=（基本電費(fèi)+電量電費(fèi)）×功率因數(shù)調(diào)整系數(shù)%。功率因數(shù)調(diào)整系數(shù)%的規(guī)定是，功率因數(shù)為0.9 時(shí)，電費(fèi)調(diào)整系數(shù)為0，不獎不懲；功率因數(shù)為0.89～0.85 時(shí)，電費(fèi)調(diào)整系數(shù)范圍為+0.5%～+2.5%， 電費(fèi)按系數(shù)增加， 級差為+0.5%；功率因數(shù)為0.91～0.95 時(shí)，電費(fèi)調(diào)整的系數(shù)范圍為-0.15%～-0.75%，級差為-0.15%，電費(fèi)按系數(shù)減少；功率因數(shù)為0.95～1.00 時(shí)，電費(fèi)調(diào)整系數(shù)均為-0.75%。

目前許多單位已采用110 kV 直降整流，目的是減少35 kV 變壓器損耗和35 kV 設(shè)備投資。 為了減少基本電費(fèi)， 也就是減少接入電網(wǎng)的變壓器容量，110 kV 直降式整流一般需經(jīng)220 kV 主變壓器降為110 kV，然后向110 kV 整流變壓器供電。 按照經(jīng)濟(jì)規(guī)模供電原則， 當(dāng)供電負(fù)荷超過80 MW 以上時(shí)，應(yīng)采用220 V 電壓供電。 而本項(xiàng)目負(fù)荷只有31 MW，考慮未來五年發(fā)展也不會超過50 MW， 因此不能采用220 kV 供電，仍采用110 kV 供電。若采用110 kV直降式整流， 會增加4 套110 kV 的GIS 和4 回110 kV 電纜回路，變電所占地面積增大，110 kV 電纜線路較長、投資高。 由于本公司已在運(yùn)行的7 萬t離子燒堿裝置為35 kV 整流， 考慮供電可靠性和電源的靈活性， 本項(xiàng)目不采用110kV 直降式整流，仍采用常規(guī)的35 kV 整流。

為了提高功率因數(shù)，增加變壓器的出力，降低線路和變壓器的電能損失， 本項(xiàng)目在35 kV、10 kV、380 V 均設(shè)計(jì)電容補(bǔ)償。35 kV 采用構(gòu)架式高壓并聯(lián)電容器成套裝置，容量為7 500 kvar，一次性投切；10 kV 采用戶內(nèi)柜式無功自動補(bǔ)償成套裝置， 容量為900 kvar，電容器分為200 kvar+300 kvar+400 kvar 3組， 每組根據(jù)負(fù)荷自動投切；380 V 電容補(bǔ)償裝置采用可控硅過零自動投切，容量為2×480 kvar。電容器裝置均串聯(lián)電抗率為6%的電抗器。

3 同相逆并聯(lián)與非同相逆并聯(lián)的比較

3.1 同相逆并聯(lián)

同相逆并聯(lián)就是2 組相同的整流電路， 其直流輸出串聯(lián)或并聯(lián)， 并且使其閥側(cè)交流兩同相支路空間靠近，達(dá)到削弱交變磁場的目的。空間幾何靠近的2 支路中的交流電流瞬時(shí)值完全相等而方向相反[2]。

同相逆并聯(lián)的優(yōu)點(diǎn)是：（1）同相逆并聯(lián)使相鄰的母線導(dǎo)體產(chǎn)生的交變磁場互相抵消或減弱， 大大抑制了趨膚效應(yīng)；（2）由于同相逆并聯(lián)交變磁場互相抵消， 可降低大電流整流柜金屬框架和金屬支承件的渦流發(fā)熱和磁滯發(fā)熱；（3）由于同相逆并聯(lián)交變磁場互相抵消， 交流銅排之間及其與周圍金屬構(gòu)件之間的交變機(jī)械力可大大降低， 因而不易產(chǎn)生振動且交流聲減少；（4）由于母線阻抗降低，對整流換相有利，使重疊角變小，對晶閘管控制有利[2]。

同相逆并聯(lián)的缺點(diǎn)是： 同相逆并聯(lián)需要2 組相同的整流電路， 因而整流變壓器的閥側(cè)也必須有2組相同的繞組， 整流變壓器的結(jié)構(gòu)比非同相逆并聯(lián)復(fù)雜，制造成本高，并存在逆變相母排的絕緣距離與產(chǎn)生效果的矛盾問題[2]。 另外，同相逆并聯(lián)的可控硅數(shù)量比非同相逆并聯(lián)要多，冷卻水管支路多，滲漏的可能性增多。

3.2 非同相逆并聯(lián)

對于向復(fù)極式離子膜電解槽供電的整流裝置，同相逆并聯(lián)的優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)弱化，反而其制造安裝復(fù)雜，特別是安全性降低、運(yùn)行費(fèi)用增大、維護(hù)不便的缺點(diǎn)日趨明顯。在這種弊大于利的情況下，同相逆并聯(lián)的聯(lián)結(jié)方式已非為最佳的選擇， 采用一般并聯(lián)才是經(jīng)濟(jì)合理的方式[3]。 事實(shí)上，部標(biāo)《電化學(xué)整流器》對額定直流電壓≤400 V，額定直流電流≤25 000 A 的整流裝置就是推薦一般并聯(lián)的電聯(lián)方式。實(shí)踐中，也有不少用戶采用這種方式獲得成功， 證明了其經(jīng)濟(jì)性和可行性。 對于金屬材料發(fā)熱的問題完全可通過非磁性材料的隔磁措施解決[3]。 非同相逆并聯(lián)可采用大功率可控硅，減少可控硅數(shù)量，可減少損耗。 考慮同相逆并聯(lián)的整流裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)較高，本裝置單柜額定電流為10.5 kA， 運(yùn)行電流只有8 kA，因此，本項(xiàng)目整流裝置采用非同相逆并聯(lián)。

4 整流裝置的組成

本項(xiàng)目由于整流裝置只有2 間整流廠房， 廠房面積較小。 若選用4 臺有載調(diào)壓整流變壓器和4 臺油水冷卻器，則2 個(gè)整流廠房布置擁擠，沒有檢修的空間，給今后的運(yùn)行維護(hù)帶來困難。 因此，本項(xiàng)目選用2 組有載調(diào)壓整流變壓器和2 臺油水冷卻器，每組有載調(diào)壓整流變壓器包括共油箱的2 臺調(diào)壓變壓器和4 臺整流變壓器，配1 套油水冷卻器，向2 個(gè)系列的電解槽供電。 每組有載調(diào)壓整流變壓器型號為ZHSSPT-2×12 000/35，一組移相為+3.75°和-11.25°，另一組變壓器為－3.75°和＋11.25°，等效48 脈波。 采用非同相逆并聯(lián)，每臺整流變壓器出3 根銅排。整流變壓器采用線端自耦調(diào)壓，調(diào)壓范圍為70%～105%，±13 級。35 kV 電纜側(cè)面進(jìn)線，并外加金屬防護(hù)罩，可以保證巡視安全。油水冷卻器型號為LYAF2—250×3，共2 臺，油水冷卻器和整流變壓器就近布置。

整流系統(tǒng)配置為， 整流柜采用三相全控橋式整流、非同相逆并聯(lián)接線，整流柜型號為KHS，額定直流輸出電壓為460V，額定直流輸出電流為2×10.5 kA，3只KP-4 600 A/2 000 V 可控硅并聯(lián)；就地控制柜型號為KZX10-12，2 組數(shù)控器互為熱備用； 后臺監(jiān)控系統(tǒng)型號為ZL-200； 純水冷卻器型號為LSS—150B，主副水溫差為5 ℃；直流傳感器型號為SDA-25 KA；直流刀開關(guān)型號為HD16Ⅱ-31.5 KA；極化電源柜型號為KH-80 A/355 V， 能夠現(xiàn)場和后臺操作。4 套整流裝置采用2 臺監(jiān)控電腦操作。為保證計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)工作高度可靠， 通訊網(wǎng)絡(luò)采用了冗余措施， 就地控制柜通過2 路現(xiàn)場通訊總線同時(shí)與計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的2 臺上位機(jī)通訊，極大提高了可靠性。

5 運(yùn)行總結(jié)

本項(xiàng)目自投運(yùn)以來，一直平穩(wěn)、安全運(yùn)行，整流效率達(dá)到96%以上在運(yùn)行中職得了一些經(jīng)驗(yàn)。

5.1 優(yōu)化崗位人員配置

2005 年曾經(jīng)成立了整流工段，專門負(fù)責(zé)3 套共70 kt/a 整流裝置的操作和維護(hù)。 現(xiàn)精簡了整流操作人員，取消了整流工段，不設(shè)專職的整流操作人員，整流開停車、 運(yùn)行中升降電流、 極化電源開停均由DCS 操作工進(jìn)行。 目前，7 套共170 kt/a 整流裝置只有1 名整流技術(shù)員巡檢。

5.2 優(yōu)化整流柜和整流變壓器的制造方案

該項(xiàng)目整流裝置在夏天運(yùn)行時(shí)， 整流柜框架的溫度較高， 主要是整流柜框架非磁性材料的隔磁效果不好，導(dǎo)致柜體發(fā)熱。整流柜的框架應(yīng)采用鋁合金或不銹鋼，以達(dá)到隔磁效果。 另外，整流變壓器閥側(cè)為3 根出線排，若整流變壓器閥側(cè)出6 根銅排，則每根銅排的電流比3 根銅排電流小一半， 更有利于減少整流柜框架的發(fā)熱。

5.3 極化電源的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行

每套電解槽配有1 套獨(dú)立的極化電源， 其作用是在主整流器停電時(shí)， 向電解槽提供防止腐蝕的應(yīng)急電源。 極化電源能夠自動投切，也能手動投切，大多數(shù)企業(yè)要求自動投切。 極化電源自動投切時(shí)，如果三相變壓器帶電空載運(yùn)行，將產(chǎn)生不必要的電能損耗。 根據(jù)測量，單臺極化電源變壓器的空載電流為4 A，電壓為400 V，按功率因數(shù)0.75 計(jì)算，每天耗電50 kW·h， 每套極化變壓器每年空載耗電約1.8萬多kW·h，6 套空載耗電達(dá)11 kW·h。 因此，建議將極化電源手動與自動投切相結(jié)合； 極化控制電源時(shí)刻帶電，開車正常后，使極化電源變壓器斷電，以減少變壓器空載損耗；主整流裝置停止運(yùn)行時(shí)，極化電源變壓器帶電，在后臺進(jìn)行自動調(diào)節(jié)。

5.4 合理配置電容補(bǔ)償裝置

由于本項(xiàng)目的諧波優(yōu)于國家標(biāo)準(zhǔn)，380 V、10 kV、35 kV 電容器均運(yùn)行良好。 110 kV 線路的功率因數(shù)為0.96～0.97，供電公司每月獎勵(lì)電費(fèi)十一萬元左右，每年可節(jié)省電費(fèi)一百多萬元。因此，對于用電大戶來說，合理配置電容器是利的措施，是一項(xiàng)重要的節(jié)能措施，也是為項(xiàng)目建設(shè)增值和項(xiàng)目使用（運(yùn)行）增值的措施之一。

［1］中國氯堿工業(yè)協(xié)會．氯堿工業(yè)整流技術(shù)培訓(xùn)教材．天津：天津科學(xué)技術(shù)出版，1992．

［2］中國氯堿工業(yè)協(xié)會．電化學(xué)整流技術(shù)實(shí)用手冊．天津：中國氯堿工業(yè)協(xié)會，2009．

［3］廖秀華．離子膜電解槽與金屬陽極電解槽供電設(shè)計(jì)的區(qū)別·見：中國氯堿工業(yè)協(xié)會編．2008年燒堿整流技術(shù)研討會論文集．天津：中國氯堿工業(yè)協(xié)會，2008，3－5．