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CN111575737B - 离子膜电解槽安全保护系统 - Google Patents

离子膜电解槽安全保护系统 Download PDF

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CN111575737B CN202010542406.8A CN202010542406A CN111575737B CN 111575737 B CN111575737 B CN 111575737B CN 202010542406 A CN202010542406 A CN 202010542406A CN 111575737 B CN111575737 B CN 111575737B
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Abstract

离子膜电解槽安全保护系统，包括控制器，内置有三重联锁机制，用于三重联锁机制均被触发时输出联锁停车信号给现场控制设备；电流采集模块，用于采集电解槽的运行电流，第一重联锁机制根据采集的电流计算每片离子膜单元的运行电压并与设定的安全运行电压阈值比较，根据比较结果判断是否触发报警；电压采集模块，用于采集单片离子膜单元的电压和电解槽的总电压，第二重联锁机制计算电解槽的所有离子膜单元的电压总和并与电解槽的总电压比较，根据比较结果判断是否触发报警；比较模块，用于比较相邻离子膜单元的电压，第三重联锁机制根据比较结果判断是否触发报警；报警模块，用于三重联锁机制中任意一重联锁机制被触发时发出报警信号。

Description

离子膜电解槽安全保护系统
技术领域
本发明属于安全技术领域，具体涉及一种离子膜电解槽安全保护系统。
背景技术
离子膜电解槽现有的安全保护采用电压值平均值联锁方式，是对采集监测每片单元槽离子膜的电压值，数据每秒刷新一次，计算当前负荷下的平均值，在平均值的基础上加上人为设定的阈值，再此基础上再加入每片单元槽离子膜的的偏移值，设定其为电压联锁值。当电解槽内任意一片单元槽离子膜电压超出设定值后，控制器发出联锁停车信号给现场控制设备。由于离子膜电解槽会根据生产负荷的要求通入不同大小的电流，而不同的电流所对应的单元槽电压是不等的，并且每一片离子膜的特性、运行曲线、每次开车运行曲线、斜率及每片离子膜针孔、阴阳极涂层劣化情况都不同。而且电流升降的过程中，电压斜率是不停在变化，电压曲线并不是一条平滑的曲线，如果只用平均值加固定值和偏差值来作为整台电解槽的联锁电压，会造成某片离子膜要么联锁数值偏大，要么联锁偏小，并且在手动设定联锁阈值或偏移值时必须解除联锁，这种操作方式及联锁方式是无法保证电解槽安全运行，而且还存在人为误差造成的联锁误跳车的情况。
发明内容
为解决现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种有效规避由于异常原因引起的误跳车、能够保证电解槽安全运行的离子膜电解槽安全保护系统。
本发明采用的技术方案是：
离子膜电解槽安全保护系统，其特征在于：包括
控制器，内置有三重联锁机制，用于三重联锁机制均被触发时输出联锁停车信号给现场控制设备；
电流采集模块，用于采集电解槽的运行电流，第一重联锁机制根据采集的电流计算每片离子膜单元的运行电压并与设定的安全运行电压阈值比较，根据比较结果判断是否触发报警；
电压采集模块，用于采集单片离子膜单元的电压和电解槽的总电压，第二重联锁机制计算电解槽的所有离子膜单元的电压总和并与电解槽的总电压比较，根据比较结果判断是否触发报警；
比较模块，用于比较相邻离子膜单元的电压，第三重联锁机制根据比较结果判断是否触发报警；
报警模块，用于三重联锁机制中任意一重联锁机制被触发时发出报警信号；
所述电流采集模块、电压采集模块、比较模块、报警模块均与控制器相连。
进一步，第一重联锁机制的触发条件如下：
(1)计算出每片单元槽离子膜的安全运行的预期电压作为安全运行电压阈值；
(2)将采集到的电解槽的运行电流计算得到每片离子膜单元的理论运行电压，当理论运行电压超出设定的安全运行电压阈值时，触发第一重安全报警。
进一步，每片单元槽离子膜的安全运行的预期电压的计算过程如下：
根据电流电压曲线斜率计算出当前的标准电压V理论1，在理论电压的基础上设定阈值V偏离1作为高报警值VHH，计算方法如下：
VHH＝V理论1+V偏离值1；
VHH：高高报警值；
V理论1：通过电流电压曲线关系计算的标准电压；
V偏离值1：手动给定值，该值为正有理数；
同时设定电解槽在任意运行电流时槽电压最小的报警值为VLL，其中：
VLL＝V理论1-V偏离值1；
VLL：低低报警值；
V理论1：通过电流电压曲线关系计算的标准电压；
V偏离值1：手动给定值，该值为正有理数；
当电解槽单元槽电压超出VHH和VLL时触发第一重安全报警，同样的在此基础上设定电压极限值：VHHH，VHHH是固定值，电解槽单元槽电压在运行时任何时刻下单元槽电压只要超过VHHH，触发安全保护信号。
进一步，每片离子膜单元的理论运行电压的计算过程如下：
设定V0是离子膜电解槽理论分解电压，获取V0时刻下的电流值I0；
首先获取I1运行时电压V1，获取I2运行时电压V2；其中I1-I0＝1kA，I2-I1＝1kA，(差值可设定，范围是0.1～2kA，以1kA举例说明)；此时I1和I2间的曲线的斜率为K1，I0和I1曲线的斜率为K0，
Figure BDA0002539443430000031
以上可知区间电流下的运行斜率：K0、K1、K2、K3……Kn-1、Kn，其中n是电解槽运行满负荷时对应的电流值，电压值；
离子膜单元的理论运行电压V理论2：
V理论2＝Kn*In+V0。
或者，每片离子膜单元的理论运行电压的计算过程如下：
设定V0是离子膜电解槽理论分解电压，获取V0时刻下的电流值I0；
当电解槽运行电流达到满负荷时Imax，同时采集的电压值为Vmax，此时把当前的运行曲线时视作一条直线，此时的Kmax值为：
Figure BDA0002539443430000032
离子膜单元的理论运行电压V理论3：
V理论3＝Kmax*In+V0。
或者，每片离子膜单元的理论运行电压的计算过程如下：
设定V0是离子膜电解槽理论分解电压，获取V0时刻下的电流值I0；
获取电解槽I运行4状态时的实测电压V实测4，此时计算电流I运行4时的理论电压V理论4：
Figure BDA0002539443430000041
进一步，第二重联锁机制的触发条件如下：
当计算电解槽的所有离子膜单元的电压总和不等于电解槽的总电压时，触发第二重安全报警。
进一步，当第一重安全报警被触发时，若第二重联锁机制计算电解槽的所有离子膜单元的电压总和等于电解槽的总电压，则判定电解槽运行处于正常状态。
进一步，第三重联锁机制的触发条件如下：
当电解槽低负荷运行时，同时运行趋于稳定，此时比较相邻离子膜单元的电压，若相邻离子膜单元的电压差值小于等于设定阈值，则判定电解槽运行处于正常状态，若相邻离子膜单元的电压差值大于设定阈值，触发第三重安全报警。
进一步，电解槽低负荷运行的条件是电解槽运行电流I处于4kA<I<满负荷。
进一步，电压差值的设定阈值为±0.1。
本发明的有益效果是：可以有效的规避由于模块异常、线路异常等原因引起的误跳车。三重联锁方式互补，同样检测电压，弥补单一的联锁方式弊端引起的电解槽误跳车，不同的联锁在报警时给出不同的提示，达到电解槽安全运行的目的。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的安全运行电压阈值的设定示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例来对本发明进行进一步说明，但并不将本发明局限于这些具体实施方式。本领域技术人员应该认识到，本发明涵盖了权利要求书范围内所可能包括的所有备选方案、改进方案和等效方案。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
参见图1，本实施例提供了一种离子膜电解槽安全保护系统，包括
控制器，内置有三重联锁机制，用于三重联锁机制均被触发时输出联锁停车信号给现场控制设备；
电流采集模块，用于采集电解槽的运行电流，第一重联锁机制根据采集的电流计算每片离子膜单元的运行电压并与设定的安全运行电压阈值比较，根据比较结果判断是否触发报警；
电压采集模块，用于采集单片离子膜单元的电压和电解槽的总电压，第二重联锁机制计算电解槽的所有离子膜单元的电压总和并与电解槽的总电压比较，根据比较结果判断是否触发报警；
比较模块，用于比较相邻离子膜单元的电压，第三重联锁机制根据比较结果判断是否触发报警；
报警模块，用于三重联锁机制中任意一重联锁机制被触发时发出报警信号；
所述电流采集模块、电压采集模块、比较模块、报警模块均与控制器相连。
本实施例的第一重联锁机制的触发条件如下：
(1)计算出每片单元槽离子膜的安全运行的预期电压作为安全运行电压阈值；
每张离子膜和组成它这个单元的阴极和阳极，在不同的电流下有不同的运行特性。并且每张离子膜具有差异性，不同位置不同负荷下运行曲线不同，通过算法计算出每片单元槽离子膜的安全运行的预期电压，运行电压在这个电压范围内，则认为它就是一个安全电压，如果超过这个范围，则认为它处于危险，同时系统报警或是联锁。
其中每片单元槽离子膜的安全运行的预期电压的计算过程如下：
根据电流电压曲线斜率计算出当前的标准电压V理论1，在理论电压的基础上设定阈值V偏离1作为高报警值VHH，计算方法如下：
VHH＝V理论1+V偏离值1；
VHH：高高报警值；
V理论1：通过电流电压曲线关系计算的标准电压；
V偏离值1：手动给定值，该值为正有理数；
同时设定电解槽在任意运行电流时槽电压最小的报警值为VLL，其中：
VLL＝V理论1-V偏离值1；
VLL：低低报警值；
V理论1：通过电流电压曲线关系计算的标准电压；
V偏离值1：手动给定值，该值为正有理数；
当电解槽单元槽电压超出VHH和VLL时触发第一重安全报警，同样的在此基础上设定电压极限值：VHHH，VHHH是固定值，电解槽单元槽电压在运行时任何时刻下单元槽电压只要超过VHHH，触发安全保护信号。
(2)将采集到的电解槽的运行电流计算得到每片离子膜单元的理论运行电压，当理论运行电压超出设定的安全运行电压阈值时，触发第一重安全报警。
通过硬件监测到电解槽的运行电流(整流器电流)I1，同时获取当前状态时的实测电压V1，系统采集周期1s，同时获取1s后的运行电流(整流器电流)I2，通过V0(常数：离子膜电解槽理论分解电压)，计算得知运行电流I2时的理论电压V2，在此V2，设定一定阈值作为该值的联锁值，当运行电流达到I2时，电压值V2超出设定阈值，触发第一重安全报警。
具体的，如图2，设定V0是离子膜电解槽理论分解电压，获取V0时刻下的电流值I0；
设定V0是离子膜电解槽理论分解电压，获取V0时刻下的电流值I0；
首先获取I1运行时电压V1，获取I2运行时电压V2；其中I1-I0＝1kA，I2-I1＝1kA，(差值可设定，范围是0.1～2kA，以1kA举例说明)；此时I1和I2间的曲线的斜率为K1，I0和I1曲线的斜率为K0，
Figure BDA0002539443430000081
以上可知区间电流下的运行斜率：K0、K1、K2、K3……Kn-1、Kn，其中n是电解槽运行满负荷时对应的电流值，电压值；
离子膜单元的理论运行电压V理论2：
V理论2＝Kn*In+V0。
提供了第二种计算方法，把运行电流、电压视为一条线性曲线，计算出总斜率Kmax，两种方法可以根据用户实际运行情况选择其一。计算方法如下：
设定V0是离子膜电解槽理论分解电压，获取V0时刻下的电流值I0；
当电解槽运行电流达到满负荷时Imax，同时采集的电压值为Vmax，此时把当前的运行曲线时视作一条直线，此时的Kmax值为：
Figure BDA0002539443430000082
离子膜单元的理论运行电压V理论3：
V理论3＝Kmax*In+V0。
由于电解槽随着时间的运行性能逐渐劣化，电解槽正常按照每年开车-运行-停车一个检修周期，所以在电解槽每次开车时重新校正区间斜率。以每次计算的区间斜率为准。
当然也可以是，获取电解槽I运行4状态时的实测电压V实测4，此时计算电流I运行4时的理论电压V理论4：
Figure BDA0002539443430000091
即本发明的理论值计算方式有多种，以根据用户实际运行情况定。
本实施例第二重联锁机制的触发条件如下：
当计算电解槽的所有离子膜单元的电压总和不等于电解槽的总电压时，触发第二重安全报警。
当第一重安全报警被触发时，若第二重联锁机制计算电解槽的所有离子膜单元的电压总和等于电解槽的总电压，则判定电解槽运行处于正常状态。
第二重联锁是监测电解槽整槽电压，对整槽电压单独有个监测点，这个单独的整槽电压是通过独立的传感器发出来的，传感器信号是不受之前单元电压走通讯方式影响，此路传感器直接从设备上采集，通过变送器发送到可编程控制器。它排除了由于电流或信号不稳定或者信号异常引起的一个误跳车。
具体的，采集单片电压，并计算总和V计算总1，采集总电压V测量总1，电解槽运行正情况下，V计算总1＝V测量总1，当电解槽系统电流信号丢失或者断线时，第一重联锁会进行误动作，此时，如果第二重联锁正常，判断电解槽运行处于正常状态。屏蔽第一重联锁由于信号断线、信号丢失引起的误报警。同时系统给出相应的报警信息告知现场操作人员。
具体的，1.获取电解槽运行时整流器的运行状态信号Run，整流器的运行电流I运行3，获取电解槽的测量总电压V测量总2，获取电解槽每个单元槽的电压值V1、V2、V3……Vn，并计算总电压V计算总2：
Figure BDA0002539443430000101
n：上界，表示电解槽中单元槽的最大数量；
i：下界，从1开始；
k：总和，从i开始取数，一直取到n，全部相加。
如果I运行3<3kA，同时整流器运行状态信号存在Run＝1，且V测量总2≥V计算总2，触发第二重安全报警。
2.获取电解槽运行时整流器的运行状态信号Run，获取电解槽的测量总电压V测量总3，获取电解槽的计算总电压V计算总3：
Figure BDA0002539443430000102
V测量总3-V计算总3＝V，V绝对值超出设定V设定1阈值时，触发第二重安全报警。
|V-V设定1|>1.5
本实施例第三重联锁机制的触发条件如下：
当电解槽低负荷运行时，同时运行趋于稳定，此时比较相邻离子膜单元的电压，若相邻离子膜单元的电压差值小于等于设定阈值，则判定电解槽运行处于正常状态，若相邻离子膜单元的电压差值大于设定阈值，触发第三重安全报警。
具体的，每个电解槽的每片离子膜单元，它处于电解槽不同的位置，它和相邻单元的关系和它自身的位置，都决定了这片膜的运行特性，由于运行的时候，电流的变化和电流信号的变化，会引起单元电压的变化。通过相邻单元的比较，也能知道现在这张膜的电压到底是正常还是异常的。通常来说，不同位置存在的细微的电压差别，低负荷运行时，槽两头和槽中间的单元电压是不一样的，一般会呈现出两头高，中间低的态势。如果由于硬件采集单元的问题，会造成相邻单元两个电压呈现了一高一低的态势，但是两个电压的平均值却是在安全范围之内，这样通过算法和之前的硬件采集共同判断，不应该启动联锁，只需提示报警，这样就可以避免无谓的停车。
当运行电流3kA<I<(满负荷)时，同时运行趋于稳定，这是，比较相邻两片单元槽电压，当相邻两片单元槽差值V≤±0.1(范围可调)，判断电解槽为正常运行状态。正常运行时，如果此值出现V>±0.1时，系统发出报警信号。
具体的，获取电解槽运行电流I运行5，10min后运行电流I运行6，获取电解槽单元槽电压V1、V2、V3……Vn-1、Vn；电流I运行5＞3kA时，且I运行6-I运行5＜100A时：
对于第一片单元槽：
|V1-V2|>0.1；
对于中间片单元槽：
|Vn-V(n-1)|>0.1或者|Vn-V(n+1)|>0.1；
对于最后一片单元槽：
|Vn-V(n-1)|>0.1。
以上三路联锁通过对应电解槽电压不同检测，当任意一路出现异常时候，触发电解槽报警信号，当三路同时异常时，发出停车信号给到现场控制设备。
应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上所述仅是对本发明的优选实施例及原理进行了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，依据本发明提供的思想，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.离子膜电解槽安全保护系统，其特征在于：包括
控制器，内置有三重联锁机制，用于三重联锁机制均被触发时输出联锁停车信号给现场控制设备；
电流采集模块，用于采集电解槽的运行电流，第一重联锁机制根据采集的电流计算每片离子膜单元的运行电压并与设定的安全运行电压阈值比较，根据比较结果判断是否触发报警；其中第一重联锁机制的触发条件如下：
(1)计算出每片单元槽离子膜的安全运行的预期电压作为安全运行电压阈值；
(2)将采集到的电解槽的运行电流计算得到每片离子膜单元的理论运行电压，当理论运行电压超出设定的安全运行电压阈值时，触发第一重安全报警；
电压采集模块，用于采集单片离子膜单元的电压和电解槽的总电压，第二重联锁机制计算电解槽的所有离子膜单元的电压总和并与电解槽的总电压比较，根据比较结果判断是否触发报警；其中第二重联锁机制的触发条件如下：
当计算电解槽的所有离子膜单元的电压总和不等于电解槽的总电压时，触发第二重安全报警；
比较模块，用于比较相邻离子膜单元的电压，第三重联锁机制根据比较结果判断是否触发报警；第三重联锁机制的触发条件如下：
当电解槽低负荷运行时，同时运行趋于稳定，此时比较相邻离子膜单元的电压，若相邻离子膜单元的电压差值小于等于设定阈值，则判定电解槽运行处于正常状态，若相邻离子膜单元的电压差值大于设定阈值，触发第三重安全报警；
报警模块，用于三重联锁机制中任意一重联锁机制被触发时发出报警信号；
所述电流采集模块、电压采集模块、比较模块、报警模块均与控制器相连。
2.根据权利要求1所述的离子膜电解槽安全保护系统，其特征在于：
每片单元槽离子膜的安全运行的预期电压的计算过程如下：
根据电流电压曲线斜率计算出当前的标准电压V理论1，在理论电压的基础上设定阈值V偏离1作为高高报警值VHH，计算方法如下：
VHH＝V理论1+V偏离值1；
VHH：高高报警值；
V理论1：通过电流电压曲线关系计算的标准电压；
V偏离值1：手动给定值，该值为正有理数；
同时设定电解槽在任意运行电流时槽电压最小的报警值为VLL，其中：
VLL＝V理论1-V偏离值1；
VLL：低低报警值；
V理论1：通过电流电压曲线关系计算的标准电压；
V偏离值1：手动给定值，该值为正有理数；
当电解槽单元槽电压超出VHH和VLL时触发第一重安全报警，同样的在此基础上设定电压极限值：VHHH，VHHH是固定值，电解槽单元槽电压在运行时任何时刻下单元槽电压只要超过VHHH，触发安全保护信号。
3.根据权利要求2所述的离子膜电解槽安全保护系统，其特征在于：
每片离子膜单元的理论运行电压的计算过程如下：
设定V0是离子膜电解槽理论分解电压，获取V0时刻下的电流值I0；
首先获取I1运行时电压V1，获取I2运行时电压V2；其中I1-I0＝1kA，I2-I1＝1kA，此时I1和I2间的曲线的斜率为K1，I0和I1曲线的斜率为K0，
Figure FDA0003624246650000021
以上可知区间电流下的运行斜率：K0、K1、K2、K3……Kn-1、Kn，其中In，Vn是电解槽运行满负荷时对应的电流值，电压值；
离子膜单元的理论运行电压V理论2：
V理论2＝Kn*In+V0。
4.根据权利要求2所述的离子膜电解槽安全保护系统，其特征在于：
每片离子膜单元的理论运行电压的计算过程如下：
设定V0是离子膜电解槽理论分解电压，获取V0时刻下的电流值I0；
当电解槽运行电流达到满负荷时Imax，同时采集的电压值为Vmax，此时把当前的运行曲线时视作一条直线，此时的Kmax值为：
Figure FDA0003624246650000031
离子膜单元的理论运行电压V理论3：
V理论3＝Kmax*In+V0，
其中In是电解槽运行满负荷时对应的电流值。
5.根据权利要求2所述的离子膜电解槽安全保护系统，其特征在于：
每片离子膜单元的理论运行电压的计算过程如下：
设定V0是离子膜电解槽理论分解电压，获取V0时刻下的电流值I0；
获取电解槽I运行4状态时的实测电压V实测4，此时计算电流I运行4时的理论电压V理论4：
Figure FDA0003624246650000032
6.根据权利要求1所述的离子膜电解槽安全保护系统，其特征在于：当第一重安全报警被触发时，若第二重联锁机制计算电解槽的所有离子膜单元的电压总和等于电解槽的总电压，则判定电解槽运行处于正常状态。
7.根据权利要求1所述的离子膜电解槽安全保护系统，其特征在于：电解槽低负荷运行的条件是电解槽运行电流I处于4kA＜I＜满负荷；电压差值的设定阈值为±0.1。
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