大型氯碱企业膜极距离子膜电解槽的电气设计方案
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3 整流变压器的选择
3． 1 整流变压器网侧电压的选择 根据国产 2． 5 万 t /a 离子膜电解系统对整流装
置的要求，整流柜额定直流输出为 530 V、16 200 A。 按 1 拖 2 的运行方式计算，整流变压器的容量约为 20 300 kV·A。
如果选用 10 kV 作为网侧电压，其网侧电流约 为 1 172 A； 如果选用 35 kV 作为网侧电压，其网侧 电流约为 335 A； 如果选用 110 kV 作为网侧电压，其 网侧电流约为 106 A。所以整流变压器网侧电压应 选择 110 kV。
由于开关采取全密闭式结构，不受环境污染及 雨、雪、雾等大气环境因素的影响，适合于多种工业 污染和气候恶劣以及高海拔的地区，能确保开关动 作更加可靠、准确。
（ 3） 动力供电采用两段母线分段式运行方式， 也可通过闭合联络开关共段式运行，使动力供电方 式更加灵活，可靠性和安全性得到提高。如果整个 厂区的用电按照生产区域划分为烧碱、PVC、VCM， 以及公用企业这 4 部分，那么使 10 kV 供电系统在 树干式布局的基础上，还可形成环网式供电，提高供 电系统可靠性及灵活性，保证安全生产。
由于离子膜电解槽长时间运行的电流较高，较 稳定，所以无须大范围调压。调压范围为 75% ～ 105% 即可，可采用 19 级或 21 级等匝数有载调压。
整流变压器的接线方式是： 采用两个独立的铁 芯，一次绕组为曲折形接线，6 台整流变压器的移相 角度有如下 6 组：
（ + 2． 5°，－ 27． 5°） ； （ + 7． 5°，－ 22． 5°） ； （ + 12． 5°，－ 17． 5°） ； （ － 2． 5°，+ 27． 5°） ； （ － 7． 5°，+ 22． 5°） ； （ － 12． 5°，+ 17． 5°） 。 二次接线： 同一油箱内的两台均为角形接线，且 为同相逆并联连接。 等效脉波数： 单台 6 脉波，单机组 12 脉波，6 台 机组共组成等效 72 脉波。 整流变压器的调压范围严重影响整流变压器的 效率： 调压范围越小，整流变压器的效率越高。这是 因为达产后，整流变压器一般运行在 80% ～ 100% ， 多余调压绕组的电耗将永远无法消除。 曲折形接线具有运行损耗小的优点，所以将各 台整流变压器的一次绕组接线对称移相组合，使网 侧谐波电流相叠加后抵消了低次谐波分量，提高了 特征谐波的次数，从而降低了谐波电流的含有率。 这样，整流机组单台形成 6 脉波，2 台形成 12 脉波，3 台形成 18 脉波，4 台机组形成 24 脉波，12 台形成 72 脉波的三相全控桥式同相逆并联整流装 置。 3． 4 整流变压器的冷却方式 整流变压器的容量很大，自然风冷已经无法满 足要求，因此采用强油风冷的形式，每台整流变压器 用 3 套板式油风冷却器，可保证变压器的运行安全。 3． 5 整流变压器的阀侧出线方式 为了尽可能地减少整流变压器和整流柜之间的 铜排连接长 度，采 用“平 面 一 体 化 ”安 装 方 式，整 流 变压器的出线方式设计为两侧中下部侧出线。 整流设备采用平面一体化安装方式，整流变压
国产 2． 5 万 t /a 离子膜电解槽对整流电压的要 求较高，为直流 530 V，因此电连接方式采用三相全 控桥式同相逆并联整流结构。因为复极式电解槽具 有电压高、电流低的特点，整流主电路采用三相全控 桥式整流电路。为减少变压器阀侧大电流出线时对 周围铁磁物质的影响，采用同相逆并联技术。 3． 3 整流变压器的调压和移相
Key words： zero-gap ion-exchange membrane electrolyzer； rectifier transformer； rectifier cabinet； rectifier control cabinet； cooling device； polarization power； plane integration
经多种方案比较，建议新建大型氯碱企业采用 1 拖 2 运行方式的整流机组，单整流柜采用三相桥 式可控硅整流电路，6 脉波，柜内采用同相逆并联 （ 随着可控硅单元件的容量越来越大，也可采用非 同相逆并联） 结构，多机组构成等效 24 脉波（ 或 36、 48、60、72 脉波） 整流方案，具体等效脉波数还要根 据电解槽的额定电流及台数来确定。
第 52 卷 第 3 期 2016 年 3 月
氯碱工业 Chlor － Alkali Industry
Vol． 52，No． 3 Mar． ，2016
【供电与整流】
大型氯碱企业膜极距离子膜电解槽的 电气设计方案
耿庆鲁* ，孙书会 （ 德州实华化工有限公司，山东 德州 253007）
［关键词］ 膜极距离子膜电解槽； 整流变压器； 整流柜； 整流控制柜； 冷却装置； 极化电源； 平面一体化 ［摘 要］ 介绍了一种 30 万 t / a 膜极距离子膜电解槽的电气设计方案，包括整体供电方案，以及对整流变压 器、整流柜、整流控制柜、导电排、极化电源、直流大刀开关、直流大电流传感器、冷却装备的选择等。 ［中图分类号］ TM46 ［文献标志码］ B ［文章编号］1008 － 133X（ 2016） 03 － 0001 － 04
电压等级，架空进线，双回路，开关柜采用六氟化硫 式断路器（ 或六氟化硫式 GIS 组合电器） 。
整流装置宜采用 110 kV 直降式整流方式和 1 拖 2 的运行方式，多机组形成多脉波等效电路，以减 少高次谐波电压和电流对电网的污染，降低整个供 电系统的损耗。
整个厂区动力用电采用单设 2 台动力变压器 （ 110 kV /10 kV） 分别供电，10 kV 母线采用分段式 运行方式（ 也可通过闭合联络开关共段式运行） 。 1． 2 采用以上方案的原因
2 整流方式的选择
离子膜法整流装置是整个企业用电对象的重中 之重，不仅要保证其供电的可靠性、连续性、稳定性， 更要考虑整流装置谐波对供电网络的影响程度及系 统的无功补偿。
大量的高次谐波会引起变压器、电动机等电感 性设备发热量增大、响声异常，电容、电缆等容性设 备发热增加、绝缘老化、寿命缩短，严重的更会导致 电子设备误动作、指示失灵等，影响正常生产。所以 要慎重选择整流方式。
Electrical design of zero-gap ion-exchange membrane electrolyzers for large-scale chlor － alkali enterprises
GENG Qinglu，SUN Shuhui （ Dezhou Shihua Chemical Industry Co． ，Ltd． ，Dezhou 253007，China）
如果条件不允许或整流变压器离 110 kV 总变 电站比较近，也可以选择 35 kV 作为网侧电压。由 于网侧电压比较高，建议不在整流站重复设置开关
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第3 期
耿庆鲁等： 大型氯碱企业膜极距离子膜电解槽的电气设计方案
檵檵檵檵檵殝 供电与整流
站，由总降压变电站直接供电，可以节省很大的投资 费用。 3． 2 整流变压器的电连接方式
（ 2） 110 kV 开关柜推荐使用六氟化硫 GIS 组合 电器，原因是它采用先进的组合式电压、电流传感器 和组合式隔离开关、接地开关，使设备更加紧凑，体 积更小，减少了占地面积，节约了土建投资费用，与 常规变电站（ AIS） 相比，110 kV GIS 占地面积约为 AIS 的 20% ，土建投资减少 60% 。
（ 4） 采 用 110 kV 直 降 式 整 流 技 术，与 传 统 的 110 kV 降压后的 35 kV 整流技术相比，有如下 4 个 优点： ①减少变压层次，减少变电设备重复容量及相
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Fra Baidu bibliotek
应的电力损耗以及抑制谐波； ②减小供变电环节设 备的占地面积，减少配套企业的土建施工费用； ③由 于减少降压环节，设备数量减少，维护费用减少； ④ 由于供电电压的提高，以电网短路容量为基准所标 称的整流设备相对容量减少，因而高次谐波电流对 电网的干扰明显减轻。
离子膜电解法制碱技术具有节能、无污染、产品 质量高等优点，是当今世界最先进、最经济合理的制 碱方法。目前氯碱行业最流行的高电流密度电解槽 从电解槽的结构、电极的材质、涂层的活性、膜的性 能等方面都有了很大的提高。由于国内外大的经济 形势的影响，离子膜法烧碱市场也出现了供大于求 的局面。
为了降低运行成本，保证产品价格优势，很多企 业在电解槽的运行结构上进行了膜极距改造。其目 的是通过降低电极间的距离，减少电极间溶液的电 压降，降低槽电压，降低电耗，最终降低离子膜法烧 碱的生产成本［1］。
器和整流柜尽可能在同一平面上靠近安装。整流变 压器下部侧出线，整流柜为下部侧进线，这样安装使 交流铜排保持在同一高度，既减少了铜排长度，又降 低了交流电能的损耗。
* ［作者简介］ 耿庆鲁（ 1967—） ，男，高级电气工程师，1992 年 7 月毕业于成都科技大学电力工程系电力系统及自动化 专业，多年来一直从事氯碱生产的发电、输电、配电及整流装置的设计、安装和改造工作，现就职于山东德州实华化工有限公 司。
［收稿日期］2015 － 06 － 26
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Abstract： An electrical design of 300-kt / a zero-gap ion-exchange membrane electrolyzers was introduced，including the overall power supply scheme and the selections of rectifier transformer，rectifier cabinet，rectifier control cabinet，conducting bars，polarization power supply，DC master switch，DC sensor，cooling equipment and so on．
（ 1） 采用 110 kV 以上电压进线是根据整个企 业的运行负荷来确定的，并适当考虑后续企业用电， 运行负荷为 120 ～ 150 MW，运行电流为 660 ～ 825 A。架空线路采用 LGJ － 300 钢芯铝绞线，双回 线 路，电源来自 220 kV 不同母线段。
德州实华就是采用以上供电方案，确保了整个 项目及工业园区的用电，不再重复建设就减少了整 个企业的投资。
尽可能多地提高整流脉波数，可减少整流过程 中产生的谐波分量对电网电源质量的影响，减少变 压器、电缆、电动机、发动机等的发热、噪声，达到节 能的目的。
30 万 t / a 离子膜法烧碱的整流装置，按 6 台整 流变压器带 12 台整流柜给 12 台膜极距电解槽供电 组成，单机组 6 脉波，多机组构成 72 脉波整流。
膜极距离子膜电解槽对配套电气系统的要求与
普通离子膜有所不同，它对电气系统的要求更高，技 术更先进。与普通离子膜电解槽相比，同等电流密 度下膜极距电解槽电压降低约 180 mV，每生产 1 t 烧碱电耗相应下降约 127 kW·h，综合技术指标达 到国际先进水平。
德州实华 化 工 有 限 公 司 （ 以 下 简 称“德 州 实 华”） 30 万 t / a 离子膜法烧碱生产装置采用 12 台蓝 星（ 北京） 化工机械有限公司 NBZ － 2． 7 自然循环膜 极距电解槽，每台槽有 150 个单元槽，运行电流13． 8 kA。离子膜法整流装置采用“1 拖 2”（ 1 台整流变 压器带 2 台整流柜） 的运行方式，由 1 台整流变压器 带 2 台整流柜及 2 台离子膜电解槽组成。这就形成 6 台整流变压器带 12 台整流柜给 12 台膜极距电解
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檵檵檵檵檵殝 供电与整流
氯碱工业
2016 年
槽供电的规模化生产模式。一般大型氯碱企业均有 30 万 t / a 以上的离子膜法烧碱装备，下面对国产 30 万 t /a 离子膜电解槽的电气设计方案进行分析。
1 整体供电方案的确定
1． 1 整体供电方案 新建大型氯碱企业，用电宜采用 110 kV 以上的
3． 1 整流变压器网侧电压的选择 根据国产 2． 5 万 t /a 离子膜电解系统对整流装
置的要求，整流柜额定直流输出为 530 V、16 200 A。 按 1 拖 2 的运行方式计算，整流变压器的容量约为 20 300 kV·A。
如果选用 10 kV 作为网侧电压，其网侧电流约 为 1 172 A； 如果选用 35 kV 作为网侧电压，其网侧 电流约为 335 A； 如果选用 110 kV 作为网侧电压，其 网侧电流约为 106 A。所以整流变压器网侧电压应 选择 110 kV。
由于开关采取全密闭式结构，不受环境污染及 雨、雪、雾等大气环境因素的影响，适合于多种工业 污染和气候恶劣以及高海拔的地区，能确保开关动 作更加可靠、准确。
（ 3） 动力供电采用两段母线分段式运行方式， 也可通过闭合联络开关共段式运行，使动力供电方 式更加灵活，可靠性和安全性得到提高。如果整个 厂区的用电按照生产区域划分为烧碱、PVC、VCM， 以及公用企业这 4 部分，那么使 10 kV 供电系统在 树干式布局的基础上，还可形成环网式供电，提高供 电系统可靠性及灵活性，保证安全生产。
由于离子膜电解槽长时间运行的电流较高，较 稳定，所以无须大范围调压。调压范围为 75% ～ 105% 即可，可采用 19 级或 21 级等匝数有载调压。
整流变压器的接线方式是： 采用两个独立的铁 芯，一次绕组为曲折形接线，6 台整流变压器的移相 角度有如下 6 组：
（ + 2． 5°，－ 27． 5°） ； （ + 7． 5°，－ 22． 5°） ； （ + 12． 5°，－ 17． 5°） ； （ － 2． 5°，+ 27． 5°） ； （ － 7． 5°，+ 22． 5°） ； （ － 12． 5°，+ 17． 5°） 。 二次接线： 同一油箱内的两台均为角形接线，且 为同相逆并联连接。 等效脉波数： 单台 6 脉波，单机组 12 脉波，6 台 机组共组成等效 72 脉波。 整流变压器的调压范围严重影响整流变压器的 效率： 调压范围越小，整流变压器的效率越高。这是 因为达产后，整流变压器一般运行在 80% ～ 100% ， 多余调压绕组的电耗将永远无法消除。 曲折形接线具有运行损耗小的优点，所以将各 台整流变压器的一次绕组接线对称移相组合，使网 侧谐波电流相叠加后抵消了低次谐波分量，提高了 特征谐波的次数，从而降低了谐波电流的含有率。 这样，整流机组单台形成 6 脉波，2 台形成 12 脉波，3 台形成 18 脉波，4 台机组形成 24 脉波，12 台形成 72 脉波的三相全控桥式同相逆并联整流装 置。 3． 4 整流变压器的冷却方式 整流变压器的容量很大，自然风冷已经无法满 足要求，因此采用强油风冷的形式，每台整流变压器 用 3 套板式油风冷却器，可保证变压器的运行安全。 3． 5 整流变压器的阀侧出线方式 为了尽可能地减少整流变压器和整流柜之间的 铜排连接长 度，采 用“平 面 一 体 化 ”安 装 方 式，整 流 变压器的出线方式设计为两侧中下部侧出线。 整流设备采用平面一体化安装方式，整流变压
国产 2． 5 万 t /a 离子膜电解槽对整流电压的要 求较高，为直流 530 V，因此电连接方式采用三相全 控桥式同相逆并联整流结构。因为复极式电解槽具 有电压高、电流低的特点，整流主电路采用三相全控 桥式整流电路。为减少变压器阀侧大电流出线时对 周围铁磁物质的影响，采用同相逆并联技术。 3． 3 整流变压器的调压和移相
Key words： zero-gap ion-exchange membrane electrolyzer； rectifier transformer； rectifier cabinet； rectifier control cabinet； cooling device； polarization power； plane integration
经多种方案比较，建议新建大型氯碱企业采用 1 拖 2 运行方式的整流机组，单整流柜采用三相桥 式可控硅整流电路，6 脉波，柜内采用同相逆并联 （ 随着可控硅单元件的容量越来越大，也可采用非 同相逆并联） 结构，多机组构成等效 24 脉波（ 或 36、 48、60、72 脉波） 整流方案，具体等效脉波数还要根 据电解槽的额定电流及台数来确定。
第 52 卷 第 3 期 2016 年 3 月
氯碱工业 Chlor － Alkali Industry
Vol． 52，No． 3 Mar． ，2016
【供电与整流】
大型氯碱企业膜极距离子膜电解槽的 电气设计方案
耿庆鲁* ，孙书会 （ 德州实华化工有限公司，山东 德州 253007）
［关键词］ 膜极距离子膜电解槽； 整流变压器； 整流柜； 整流控制柜； 冷却装置； 极化电源； 平面一体化 ［摘 要］ 介绍了一种 30 万 t / a 膜极距离子膜电解槽的电气设计方案，包括整体供电方案，以及对整流变压 器、整流柜、整流控制柜、导电排、极化电源、直流大刀开关、直流大电流传感器、冷却装备的选择等。 ［中图分类号］ TM46 ［文献标志码］ B ［文章编号］1008 － 133X（ 2016） 03 － 0001 － 04
电压等级，架空进线，双回路，开关柜采用六氟化硫 式断路器（ 或六氟化硫式 GIS 组合电器） 。
整流装置宜采用 110 kV 直降式整流方式和 1 拖 2 的运行方式，多机组形成多脉波等效电路，以减 少高次谐波电压和电流对电网的污染，降低整个供 电系统的损耗。
整个厂区动力用电采用单设 2 台动力变压器 （ 110 kV /10 kV） 分别供电，10 kV 母线采用分段式 运行方式（ 也可通过闭合联络开关共段式运行） 。 1． 2 采用以上方案的原因
2 整流方式的选择
离子膜法整流装置是整个企业用电对象的重中 之重，不仅要保证其供电的可靠性、连续性、稳定性， 更要考虑整流装置谐波对供电网络的影响程度及系 统的无功补偿。
大量的高次谐波会引起变压器、电动机等电感 性设备发热量增大、响声异常，电容、电缆等容性设 备发热增加、绝缘老化、寿命缩短，严重的更会导致 电子设备误动作、指示失灵等，影响正常生产。所以 要慎重选择整流方式。
Electrical design of zero-gap ion-exchange membrane electrolyzers for large-scale chlor － alkali enterprises
GENG Qinglu，SUN Shuhui （ Dezhou Shihua Chemical Industry Co． ，Ltd． ，Dezhou 253007，China）
如果条件不允许或整流变压器离 110 kV 总变 电站比较近，也可以选择 35 kV 作为网侧电压。由 于网侧电压比较高，建议不在整流站重复设置开关
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耿庆鲁等： 大型氯碱企业膜极距离子膜电解槽的电气设计方案
檵檵檵檵檵殝 供电与整流
站，由总降压变电站直接供电，可以节省很大的投资 费用。 3． 2 整流变压器的电连接方式
（ 2） 110 kV 开关柜推荐使用六氟化硫 GIS 组合 电器，原因是它采用先进的组合式电压、电流传感器 和组合式隔离开关、接地开关，使设备更加紧凑，体 积更小，减少了占地面积，节约了土建投资费用，与 常规变电站（ AIS） 相比，110 kV GIS 占地面积约为 AIS 的 20% ，土建投资减少 60% 。
（ 4） 采 用 110 kV 直 降 式 整 流 技 术，与 传 统 的 110 kV 降压后的 35 kV 整流技术相比，有如下 4 个 优点： ①减少变压层次，减少变电设备重复容量及相
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Fra Baidu bibliotek
应的电力损耗以及抑制谐波； ②减小供变电环节设 备的占地面积，减少配套企业的土建施工费用； ③由 于减少降压环节，设备数量减少，维护费用减少； ④ 由于供电电压的提高，以电网短路容量为基准所标 称的整流设备相对容量减少，因而高次谐波电流对 电网的干扰明显减轻。
离子膜电解法制碱技术具有节能、无污染、产品 质量高等优点，是当今世界最先进、最经济合理的制 碱方法。目前氯碱行业最流行的高电流密度电解槽 从电解槽的结构、电极的材质、涂层的活性、膜的性 能等方面都有了很大的提高。由于国内外大的经济 形势的影响，离子膜法烧碱市场也出现了供大于求 的局面。
为了降低运行成本，保证产品价格优势，很多企 业在电解槽的运行结构上进行了膜极距改造。其目 的是通过降低电极间的距离，减少电极间溶液的电 压降，降低槽电压，降低电耗，最终降低离子膜法烧 碱的生产成本［1］。
器和整流柜尽可能在同一平面上靠近安装。整流变 压器下部侧出线，整流柜为下部侧进线，这样安装使 交流铜排保持在同一高度，既减少了铜排长度，又降 低了交流电能的损耗。
* ［作者简介］ 耿庆鲁（ 1967—） ，男，高级电气工程师，1992 年 7 月毕业于成都科技大学电力工程系电力系统及自动化 专业，多年来一直从事氯碱生产的发电、输电、配电及整流装置的设计、安装和改造工作，现就职于山东德州实华化工有限公 司。
［收稿日期］2015 － 06 － 26
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Abstract： An electrical design of 300-kt / a zero-gap ion-exchange membrane electrolyzers was introduced，including the overall power supply scheme and the selections of rectifier transformer，rectifier cabinet，rectifier control cabinet，conducting bars，polarization power supply，DC master switch，DC sensor，cooling equipment and so on．
（ 1） 采用 110 kV 以上电压进线是根据整个企 业的运行负荷来确定的，并适当考虑后续企业用电， 运行负荷为 120 ～ 150 MW，运行电流为 660 ～ 825 A。架空线路采用 LGJ － 300 钢芯铝绞线，双回 线 路，电源来自 220 kV 不同母线段。
德州实华就是采用以上供电方案，确保了整个 项目及工业园区的用电，不再重复建设就减少了整 个企业的投资。
尽可能多地提高整流脉波数，可减少整流过程 中产生的谐波分量对电网电源质量的影响，减少变 压器、电缆、电动机、发动机等的发热、噪声，达到节 能的目的。
30 万 t / a 离子膜法烧碱的整流装置，按 6 台整 流变压器带 12 台整流柜给 12 台膜极距电解槽供电 组成，单机组 6 脉波，多机组构成 72 脉波整流。
膜极距离子膜电解槽对配套电气系统的要求与
普通离子膜有所不同，它对电气系统的要求更高，技 术更先进。与普通离子膜电解槽相比，同等电流密 度下膜极距电解槽电压降低约 180 mV，每生产 1 t 烧碱电耗相应下降约 127 kW·h，综合技术指标达 到国际先进水平。
德州实华 化 工 有 限 公 司 （ 以 下 简 称“德 州 实 华”） 30 万 t / a 离子膜法烧碱生产装置采用 12 台蓝 星（ 北京） 化工机械有限公司 NBZ － 2． 7 自然循环膜 极距电解槽，每台槽有 150 个单元槽，运行电流13． 8 kA。离子膜法整流装置采用“1 拖 2”（ 1 台整流变 压器带 2 台整流柜） 的运行方式，由 1 台整流变压器 带 2 台整流柜及 2 台离子膜电解槽组成。这就形成 6 台整流变压器带 12 台整流柜给 12 台膜极距电解
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檵檵檵檵檵殝 供电与整流
氯碱工业
2016 年
槽供电的规模化生产模式。一般大型氯碱企业均有 30 万 t / a 以上的离子膜法烧碱装备，下面对国产 30 万 t /a 离子膜电解槽的电气设计方案进行分析。
1 整体供电方案的确定
1． 1 整体供电方案 新建大型氯碱企业，用电宜采用 110 kV 以上的