廖秀華

（廣州市化工設(shè)計院，廣東廣州510655）

進一步提高國產(chǎn)可控硅整流器的應(yīng)用水平

廖秀華

（廣州市化工設(shè)計院，廣東廣州510655）

分析了國產(chǎn)可控硅整流器的應(yīng)用現(xiàn)狀，指出了其應(yīng)用中的不足，提出了進一步提高應(yīng)用水平的見解。

氯堿生產(chǎn)；可控硅整流器；應(yīng)用水平

十多年來，國內(nèi)氯堿生產(chǎn)企業(yè)普遍實現(xiàn)了離子膜法燒堿工程的改造、擴建及新建。在新的工藝技術(shù)推動下，整流技術(shù)也上了一個新臺階，尤其以硅晶閘管整流取代硅二極管整流；國產(chǎn)可控硅整流器取代進口同類整流器為主要標(biāo)志。國產(chǎn)可控硅整流器的廣泛應(yīng)用表明，中國的可控硅整流技術(shù)和設(shè)備制造已趨于成熟，然而，其應(yīng)用水平還需進一步提高，使可控硅整流的優(yōu)良性能得到更充分的發(fā)揮。

1 國產(chǎn)可控硅整流器的應(yīng)用現(xiàn)狀

（1）主設(shè)備配置方案日趨完善。在離子膜電解槽供電中，調(diào)壓、變壓、整流三大設(shè)備的配置格局已經(jīng)形成，自耦式有載調(diào)壓、三相全控橋式整流電路、單機組十二脈波整流相數(shù)、自耦變移相配合整流變移相的等效多相制以及延邊三角移相方法等都為業(yè)內(nèi)普遍采用。由于電槽系列規(guī)模擴大，整流與電槽“一拖二”的配置方式，包括并列式和串聯(lián)式，均被企業(yè)所選取。隨著企業(yè)規(guī)模大型化，直降式整流正在逐步取代重復(fù)降壓整流，使設(shè)備簡化和線損節(jié)約得到一定效果。

從國外引進的可控硅整流裝置，普遍采用帶無載調(diào)壓的整流變壓器，附帶無功補償濾波設(shè)備的模式。而國內(nèi)同類設(shè)備，由于采用了有載調(diào)壓、多相制整流以及對控制角自動限制等措施，在不裝設(shè)濾波補償設(shè)備情況下，自然功率因數(shù)可達到0.90～0.94，諧波電壓、電流參數(shù)也能符合國標(biāo)。

多年實踐證明，上述的設(shè)備配置方案符合我國國情，適合企業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要。當(dāng)然，亦存在有待完善之處。

（2）可控硅整流的可靠性有一定的改進。業(yè)內(nèi)均認(rèn)為可控硅整流較好，但是不可靠，所以，在隔膜電解槽時期很少被采用，在離子膜電解槽初期也以進口為主。目前，國產(chǎn)可控硅整流設(shè)備的可靠性問題已基本解決，在離子膜法燒堿項目中，除個別企業(yè)仍從國外引進外，絕大多數(shù)企業(yè)都采用了國產(chǎn)設(shè)備，并且經(jīng)受了時間和實踐的檢驗。在普遍的1機對2槽，沒有并聯(lián)（備用）機組的供電方式下，因整流器故障而停產(chǎn)、元件損壞、快熔燒斷之類的事故已很少出現(xiàn)?？偨Y(jié)起來，是元器件質(zhì)量可靠、大功率元件和大規(guī)模集成電路芯片應(yīng)用的硬件因素、先進的數(shù)字化調(diào)節(jié)、監(jiān)控技術(shù)的引入和可靠性理念貫徹的軟件因素共同起作用的結(jié)果。

然而，設(shè)備可靠性有一定改進并不等于問題全部被解決，大大小小的故障還不同程度地發(fā)生。據(jù)報導(dǎo)，某企業(yè)的離子膜槽5套可控硅整流器2005年共跳閘停電9次；另一家企業(yè)的2套同類設(shè)備1年內(nèi)因故障停產(chǎn)檢修3次；尚有一家企業(yè)一次燒毀同一橋臂5只晶閘管；還有一家企業(yè)先后投產(chǎn)的5套整流器運行不穩(wěn)定、事故多，后來對其控制系統(tǒng)進行了徹底的改造。上述故障大都因控制系統(tǒng)的原因所引起。

設(shè)備可靠性理念強調(diào)，任何產(chǎn)品初期的可靠性均不可能達到預(yù)期的水平，需要一個不斷完善的過程。國產(chǎn)的可控硅整流器正是經(jīng)歷了這種從不可靠到基本可靠的過程。

設(shè)備可靠性的理論認(rèn)為，可靠性來自于設(shè)備的設(shè)計和生產(chǎn)，可靠性設(shè)計應(yīng)與功能設(shè)計同步，其內(nèi)容有簡化設(shè)計、冗余設(shè)計、電磁兼容性設(shè)計和熱設(shè)計等。這些原則應(yīng)在設(shè)計工作中細化、量化[1]。

（3）不同廠家所制造的設(shè)備質(zhì)量存在一定差距。國內(nèi)的整流設(shè)備廠家所生產(chǎn)的設(shè)備都能滿足電化生產(chǎn)的要求，可量化的技術(shù)指標(biāo)亦無太大的差異，所存在的差距仍然在于可靠性、穩(wěn)定性和綜合自動化水平方面。

對設(shè)備穩(wěn)靠性的檢驗，最基本的是在正常條件下能否保持連續(xù)按質(zhì)按量供電，這一點不難做到。難做到的是對控制器件的老化、軟故障的出現(xiàn)、外部的干擾等具有較強抵御能力和能采取有效的應(yīng)對措施，使供電不受影響。

有的設(shè)備運行初期一切正常，但一段時間后便露出故障苗頭，尤以電流不穩(wěn)定居多，電網(wǎng)電壓波動、系統(tǒng)受雷擊、晃電引起的電流波動、器件擊穿、突然跳閘停電，諧波干擾至觸發(fā)脈沖丟失或誤封鎖等。對于這些現(xiàn)象，有的廠家設(shè)備很少發(fā)生，甚至可以避免，即使發(fā)生了也易于判斷，方便處理，有的則不然，這就是穩(wěn)靠性的差別。所以，常有甲廠生產(chǎn)的設(shè)備由乙廠來改造的情況發(fā)生。

以上所述的設(shè)備穩(wěn)靠程度的差別，國產(chǎn)設(shè)備存在，引進的國外設(shè)備也不例外。據(jù)報道，湖北雙環(huán)氯化工廠、北京化工股份、青島海晶、山東濰坊亞星、石化齊魯氯堿等單位由不同國家的引進可控硅整流器都有運行不穩(wěn)定的現(xiàn)象，控制系統(tǒng)已由國內(nèi)廠家改造或面臨改造（已制定改造方案）。技術(shù)較先進、涉足行業(yè)較早的國外公司如瑞士ABB公司，設(shè)備運行中出現(xiàn)問題則較少。這說明不同廠家、不同時期的設(shè)備總有從不完善到完善的過程，時間長了也必然有老化問題發(fā)生，一勞永逸是不可能的。

（4）控制系統(tǒng)的技術(shù)水平有較大提高?？刂葡到y(tǒng)的技術(shù)水平?jīng)Q定了整流系統(tǒng)整體的先進性與穩(wěn)定性。目前，國內(nèi)廠家正在使用的整流器絕大部分為國產(chǎn)，而早期設(shè)備以進口為主。國內(nèi)常見的整流控制系統(tǒng)大多采用PLC與單片機相結(jié)合的結(jié)構(gòu)，PLC負責(zé)外圍信號的采集、通訊、連鎖邏輯控制與輸出等功能，數(shù)字觸發(fā)器負責(zé)根據(jù)給定反饋及同步信號形成觸發(fā)脈沖。PLC與單片機相結(jié)合的控制系統(tǒng)在硬件及軟件設(shè)計上仍存在著某些不足之處。在硬件上，由于PLC本身的功能欠缺，需要添加額外的電路板來實現(xiàn)交流采樣或?qū)⒔涣餍盘栟D(zhuǎn)換成直流信號后由PLC或單片機采樣，這給信號采樣精度帶來不小的問題，而且，當(dāng)面臨較多信號量時，只能通過擴展PLC模塊來實現(xiàn)功能，給系統(tǒng)成本帶來很大壓力；在軟件上，由于硬件性能的限制，這些系統(tǒng)還存在應(yīng)用程序無法靈活組態(tài)、通訊能力薄弱、控制模型不透明、調(diào)節(jié)參數(shù)無法實時調(diào)整等諸多問題。

目前，國內(nèi)已有整流廠家采用工業(yè)計算機或嵌入式微控制器代替PLC+單片機模式，控制系統(tǒng)的功能更多、性能更好、可靠性更高、人機界面也更為友好?？刂葡到y(tǒng)的技術(shù)進步使工廠實現(xiàn)了“遙控、遙調(diào)、遙測、遙信”，也為實現(xiàn)“無人值班、少人值守”創(chuàng)造了先決條件。

2 對進一步提高可控硅整流器應(yīng)用水平的建議

2.1 改進應(yīng)用中的不足

2.1.1 加強主設(shè)備選型的論證

目前，離子膜燒堿項目的整流設(shè)備選型中，有的還沿用隔膜燒堿時期二級管整流的傳統(tǒng)做法，缺乏具體的分析和論證，得出結(jié)果會使整流額定電壓偏高、調(diào)變的調(diào)壓范圍偏大、有載開關(guān)調(diào)壓級數(shù)偏多。由此帶來調(diào)壓整流變壓器組額定容量和型式容量偏大，設(shè)備容量浪費，成本增高，運行費用增大的不良后果。這些情況應(yīng)從加強論證入手，加以改變。

關(guān)于設(shè)備選型問題，應(yīng)根據(jù)規(guī)模進行計算和分析，得出主電量典型值。推薦對于國內(nèi)普遍采用的2.7 m2高電流密度，自然循環(huán)復(fù)極式離子膜電解槽，單元槽電壓設(shè)計值定在3.4 V較合適，調(diào)壓范圍在80%～105%、調(diào)壓級數(shù)選14級更經(jīng)濟適用。而通常的設(shè)計與此推薦值都有一定的差別，對2種方案的有關(guān)數(shù)據(jù)進行對比見表1。

表1所列的是可量化的項目對比，看不出結(jié)構(gòu)方面的差別。由于調(diào)壓級數(shù)偏多時（M型有載開關(guān)分接級數(shù)17級以上，V型開關(guān)分接級數(shù)13級以上），就要采用正反調(diào)或粗細調(diào)的調(diào)壓電路，而不能采用最為簡單可行的線性調(diào)壓電路，必須配帶分接選擇器（以前稱為范圍開關(guān)），勢必帶來繞組和接線的復(fù)雜化，運行中也用不上?；谶@種分析，業(yè)內(nèi)已開始認(rèn)同這種觀點，并陸續(xù)采用17級以內(nèi)的線性調(diào)壓電路，實踐證明了這種選擇的正確性。

表1 設(shè)備選型方案對比表

2.1.2 改進整流控制系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計

盡管控制系統(tǒng)的技術(shù)水平有了較大提高，但與相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域和相關(guān)行業(yè)的技術(shù)進步相比，仍有很大的提升空間。

可控硅整流器的應(yīng)用范圍十分廣泛，涉及電力、冶金、表面處理、建材等行業(yè)，應(yīng)加強行業(yè)之間的技術(shù)交流與溝通，把其他行業(yè)的先進適用技術(shù)引入到氯堿行業(yè)。比如，在電力系統(tǒng)廣泛使用的交流采樣技術(shù)，具有精度高、時間常數(shù)小的優(yōu)點，移植到氯堿行業(yè)整流設(shè)備中，不僅可提高控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)性能，還可全面監(jiān)測包括整流變壓器在內(nèi)的整流器的所有電氣參數(shù)，更能實現(xiàn)交直流冗余反饋。國內(nèi)外市場占有率高、技術(shù)領(lǐng)先的整流器生產(chǎn)廠家都具有跨行業(yè)的特點，這也是行業(yè)之間無縫技術(shù)交流的結(jié)果。

當(dāng)前，數(shù)字集成電路制造技術(shù)發(fā)展迅速，技術(shù)更新?lián)Q代的周期愈來愈短，ARM、DSP、FPGA等嵌入式智能控制芯片集成度愈來愈高，功能愈來愈強大。這些高性能微處理器應(yīng)用于整流器控制系統(tǒng)設(shè)計，實現(xiàn)了“總線不出板”，甚至“總線不出芯片”，單個芯片即可實現(xiàn)以前整個系統(tǒng)的功能。加之電磁兼容設(shè)計技術(shù)越來越受到重視，使得整流控制器性能和可靠性出現(xiàn)飛躍式發(fā)展。另外，嵌入式操作系統(tǒng)的引入可以提高應(yīng)用程序可靠性、可擴展性，系統(tǒng)開發(fā)者甚至可以將程序單元模塊化，讓項目設(shè)計人員通過簡單的組態(tài)就能實現(xiàn)1套適用的控制軟件。典型的例子是1套控制器可實現(xiàn)12脈整流甚至更多，這種模式不僅改善了諧波污染問題，而且大大節(jié)省了成本，同時還提高了設(shè)備運行的可靠性和性能。

整流控制系統(tǒng)不能局限于控制數(shù)字化，更要實現(xiàn)整流設(shè)備的數(shù)字化，比如數(shù)字化均流、數(shù)字化檢測等。這就需要把整流控制系統(tǒng)科學(xué)地分解為相對獨立的功能單元，各單元之間通過高速通訊網(wǎng)絡(luò)連接。功能的分散化可以讓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更為合理可靠，消除各單元之間的不利耦合，使系統(tǒng)拓撲更為明晰。系統(tǒng)各模塊之間若采用光纖通訊，各模塊從電氣上隔離開來，杜絕電磁干擾，可大幅提高系統(tǒng)的可靠性。

整流器控制系統(tǒng)還應(yīng)支持多種通訊協(xié)議和接口，實現(xiàn)與工廠自動化系統(tǒng)的無縫連接，甚至適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展要求，融入到互聯(lián)網(wǎng)中。諸如常見的以太網(wǎng)、RS485串行口等將作為標(biāo)準(zhǔn)配置，對于要求保密性的外聯(lián)接口，廠家可以開發(fā)支持OPC Server的上位機軟件，將網(wǎng)絡(luò)細節(jié)隱藏起來，也可滿足設(shè)備安全的要求。

2.2 配合做好電化學(xué)整流器行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的修訂和執(zhí)行

電化學(xué)整流器有對口的標(biāo)準(zhǔn)可依，目前執(zhí)行的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《電化學(xué)整流器》是1998年的版本，有的內(nèi)容仍然適用，有的應(yīng)作修改、補充，如離子膜電解槽負載，有規(guī)范意義的條款已不多。最近，全國電力電子學(xué)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會已提出并批準(zhǔn)，對標(biāo)準(zhǔn)進行修訂且指定了起草單位和起草人員。為了進一步提高電化學(xué)整流器的標(biāo)準(zhǔn)水平，使國內(nèi)自主開發(fā)的技術(shù)在標(biāo)準(zhǔn)中有所反映，可以把對標(biāo)準(zhǔn)的修訂意見匯集起來，以中國氯堿工業(yè)協(xié)會的名義向標(biāo)準(zhǔn)主管部門反映。

然而，對目前標(biāo)準(zhǔn)版本中的合理條款執(zhí)行，也有不盡人意之處，如整流變壓器調(diào)壓方案問題，對二級管整流和晶閘管整流就有區(qū)別。關(guān)于晶閘管整流變壓器的調(diào)壓標(biāo)準(zhǔn)，分接調(diào)壓范圍低于50%額定值時，分接檔數(shù)一般應(yīng)不多于13級，并優(yōu)先采用無載分接調(diào)壓，至于是否一律采用無載分接調(diào)壓，需結(jié)合國情、地情等對有載和無載分接調(diào)壓2種調(diào)壓方案加以論證，從這一側(cè)面說明了對晶閘管整流變壓器的有載調(diào)壓范圍并無多高的要求。

2.3 開展配合工藝節(jié)電的應(yīng)用研究

長期以來，工藝節(jié)電和整流節(jié)電都是各行其道，對整流如何配合工藝節(jié)電的課題尚未認(rèn)真提上議事日程，特別是利用可控硅的優(yōu)良調(diào)節(jié)性能方面，未引起足夠的關(guān)注。

以電解槽的電流質(zhì)量而論，穩(wěn)流精度、電流調(diào)節(jié)速度和電流隨工藝參數(shù)的自動調(diào)節(jié)都可通過可控硅的控制電路去實現(xiàn)，對于這些參數(shù)對工藝節(jié)電有無幫助且如何實現(xiàn)，必須與工藝人員一道研究和開發(fā)。關(guān)于電解槽穩(wěn)流精度的指標(biāo)，現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)是穩(wěn)流偏差一般不超過±1%；離子膜槽設(shè)計文件多數(shù)是±0.5%，有的廠家的保證值定為0.1%，如果此值是工藝提出，則是新的要求；如是廠家的承諾，則表明廠家的穩(wěn)流水平。在某種意義上，將其弄清對我們的工作亦有幫助。

2.4 進一步做好技術(shù)交流和技術(shù)培訓(xùn)

為適應(yīng)氯堿整流技術(shù)進步的新要求，推動整流設(shè)備的更新?lián)Q代，中國氯堿工業(yè)協(xié)會自2006年以來先后舉辦了5個年度的整流技術(shù)研討會，共收集技術(shù)論文160多篇，全部在當(dāng)年的論文集上刊登，部分在研討會上宣讀。此外，協(xié)會還組織編寫出版了《電化學(xué)整流實用技術(shù)手冊》（上冊）一書，并以此為教材舉辦崗位技術(shù)培訓(xùn)班2期。會議代表和受訓(xùn)學(xué)員來自生產(chǎn)、設(shè)計、研發(fā)、制造單位的專業(yè)人員和技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)。對整流技術(shù)進行廣泛的交流，涵蓋了綜述分析、方案論證、專題研討和經(jīng)驗介紹等方面。普遍反映，每參加一次活動都會有所收獲和啟發(fā)，認(rèn)可其在使用和生產(chǎn)、強電和弱電、單位和行業(yè)的技術(shù)互補和信息溝通方面是其他方式所不能代替的交流平臺。其不足之處是受時間限制，主題欠突出，研討不深透。

為使交流和培訓(xùn)工作能收到更好的效果，對今后的工作有待改進之處建議如下。

（1）采取點面結(jié)合的交流研討方式，面上的題目自選，保留目前這種方式。增加點上交流方式，選擇若干專題，進行重點突出，論證充分、權(quán)威性強的業(yè)內(nèi)高層次交流。

（2）為滿足與會者對整流設(shè)備的研發(fā)內(nèi)容和掌握國內(nèi)外研發(fā)動態(tài)，建議會上安排業(yè)內(nèi)研發(fā)專家作專題講座。

（3）為便于整流和電解之間的溝通和協(xié)調(diào)，建議互派專家參會，即整流會議邀請電解專家到會。電解會議也邀請整流專家到會，共同探索整流與電解最完美的結(jié)合方案。

（4）通過研討和培訓(xùn)，發(fā)現(xiàn)整流設(shè)備中的精品、整流技術(shù)中的精華和整流人員中的精英，加以總結(jié)推廣和鼓勵。對于特別優(yōu)秀的學(xué)員，由協(xié)會或建議單位予以表彰獎勵。

（5）加強與生產(chǎn)單位的聯(lián)系溝通和信息報道。使單位了解派出人員的動態(tài)和交流感受，爭取單位對交流和培訓(xùn)工作的更大支持。

Improve domestic silicon controlled rectifier application level

LIAO Xiu－h(huán)ua
（Guangzhou Chemical Design Institute，Guangzhou 510655，China）

The application status of domestic silicon－controlled rectifier was analyzed and deficiency in its application was pointed，the view is proposed to further enhance the application level.

chlor－alkali production；silicon－controlled rectifier；application level

TM461

A

1009－1785(2011)03-0004-03

2010-09-15