直流用电设备及直流电源1

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1、工业用电设备,上海电力学院 电力系,第5章 直流用电设备 及直流电源,2019/3/2,上海电力学院 电力系,2,电解和电镀在直流用电设备中用电量最大， 电解铝和电解烧碱都属九种高耗电产品之列（P233）,直流用电设备： 直流电动机、直流电弧炉、直流电焊机、 电解、电镀等等。 直流电源： 电力电子变换装置将交流电转换为直流电， 蓄电池,第5章 直流用电设备及直流电源,2019/3/2,上海电力学院 电力系,3,5.1 电解,电解：利用直流电流引起的化学反应进行生产的工艺。,5.1.1 电解烧碱,一电解烧碱生产的基本原理,阴极反应: H+ + e H 2 H H2 阳极反应: Cl e Cl 2

2、 Cl Cl2 全部反应的化学方程式为 2NaCl + 2H2O 2NaOH + Cl2+ H2,图5.1.1 电解烧碱示意图,第5章 直流用电设备及直流电源,烧碱,2019/3/2,上海电力学院 电力系,4,5.1.1 电解烧碱,一电解烧碱生产的基本原理,第5章 直流用电设备及直流电源 5.1 电解,根据上述化学方程式，可以算出理论上: 电解产生1t烧碱(100 % NaOH ), 同时生产0.866t氯气（100）和0.025t氢气(100)， 需要消耗100的NaCl 1.463t。 电解制碱时，在阳极上产生氯气，阴极上产生氢气和氢氧化钠。 这些产物如果不把它们隔离分开，将会按下式进行反

3、应： 2NaOH十Cl2 NaC1ONaClH2O 产生次氯酸钠，次氯酸钠还会进一步变成氯酸钠，就得不到所需要的氯和碱； 如果不把氢气和氯气隔开，还会发生爆炸事故。,2019/3/2,上海电力学院 电力系,5,5.1.1 电解烧碱,一电解烧碱生产的基本原理,第5章 直流用电设备及直流电源 5.1 电解,为了解决上述问题，在电解槽的阴阳极之间设置了多孔渗透性的隔膜材料，把电解槽分为阳极室和阴极室两部分，这种采用隔膜的电解方法称“隔膜法电解”。隔膜材料能让离子(Na+、Cl、H+、HO)和水分子通过，却阻止阴阳极电解产物的混合。因此，在隔膜电解槽阳极室产生的氯气，不会进入阴极室，经阳极室上方氯气支

4、管导出；在阴极室产生的氢气，也不会进入阳极室，由阴极箱氢气支管导出，氢氧化钠溶液经阴极室下方导出。,图5.1.2 立式隔膜电解槽示意图,2019/3/2,上海电力学院 电力系,6,5.1.1 电解烧碱,一电解烧碱生产的基本原理 二. 电解烧碱的生产流程 三. 立式吸附隔膜电解槽,第5章 直流用电设备及直流电源 5.1 电解,2019/3/2,上海电力学院 电力系,7,四电解烧碱的电量消耗,电耗是电解生产的一个重要技术经济指标。 电解烧碱耗电较多其中：直流电能消耗约占97%98， 交流动力用电约占23， 电费约占生产成本的50。,法拉第定律：电解过程中电极上所产生物质的量， 与通过电解质溶液的电

5、量成正比， 即与电流强度及通电时间成正比。,5.1.1 电解烧碱,第5章 直流用电设备及直流电源 5.1 电解,2019/3/2,上海电力学院 电力系,8,五槽电压,5.1.1 电解烧碱,第5章 直流用电设备及直流电源 5.1 电解,槽电压即电解槽的实际工作电压， 是一项重要的技术指标，与能耗有极其密切的关系。 槽电压由 理论分解电压、 过电压、 金属导体电压降、 电解质溶液电压降、 隔膜电压降（离子膜电压降）、 接触电压降组成。,2019/3/2,上海电力学院 电力系,9,五槽电压,5.1.1 电解烧碱,第5章 直流用电设备及直流电源 5.1 电解,表5.1.1 电解槽槽电压分布情况,201

6、9/3/2,上海电力学院 电力系,10,1大功率整流电源,图5.1.7 电解烧碱的供电结构框图,工厂主变电所内的变压器，用于将电网高压降低；,三相桥式（200V）；双反星形带平衡电抗器（200V ）；6、12、24、36或48相,调节电压保持恒流,降低电压，双绕组或三绕组,六电解烧碱供电,5.1.1 电解烧碱,第5章 直流用电设备及直流电源 5.1 电解,2019/3/2,上海电力学院 电力系,11,IGBT大功率逆变电解电源： 体积小、重量轻、高效节能，比普通电源节能30% 功率因数可做到0.95。 电源具有稳压、低纹波、软启动等功能，抗冲击能力强、输出波形平稳、电解质量稳定、电压电流调节范

7、围宽，恒流恒压自动切换并对电网电压有自动补偿功能。防触电、过热、电压异常等多种保护功能，工作时安全可靠。该系列产品是专门为恶劣的强腐蚀环境设计的全封闭式电源，广泛用于铜箔厂、氯碱厂大电流低纹波电解。亦可用于其它化工行业大电流电解。,2大功率逆变电解电源,六电解烧碱供电,5.1.1 电解烧碱,第5章 直流用电设备及直流电源 5.1 电解,2019/3/2,上海电力学院 电力系,12,某型号IGBT大功率逆变电解电源的主要技术参数,2大功率逆变电解电源,六电解烧碱供电,5.1.1 电解烧碱,第5章 直流用电设备及直流电源 5.1 电解,2019/3/2,上海电力学院 电力系,13,3电解烧碱对供电

8、的要求,1）高压（35kV或110kV）供电，电解烧碱生产的用电量大， 2）供电电压稳定、不间断 从电网引来两路或三路独立电源。 电压稳定，连续生产，不仅对生产有利、槽的使用寿命延长， 还可降低直流损耗。 如果电流波动频繁，就会造成氯、氢气和电解流量的波动， 使正常生产受到破坏，还容易破坏隔膜。 严重时会因氢氯混合而引起爆炸。 3）严禁突然停电。 突然停电会造成氯气外溢，直接影响操作人员、 甚至工厂周围居民的健康安全，造成环境污染。,六电解烧碱供电,5.1.1 电解烧碱,第5章 直流用电设备及直流电源 5.1 电解,2019/3/2,上海电力学院 电力系,14,1提高整流效率 2降低槽电压、减

9、小直流电压损失 3采用金属阳极电解槽 据资料介绍，用金属阳极电解槽代替石墨电极电解槽， 每吨烧碱可节电530kWh。 4保证盐水质量 5合理保持盐水温度并加强对电解槽保温 6降低碱损失 7选择合适的电流密度,七电解烧碱的节电途径,5.1.1 电解烧碱,第5章 直流用电设备及直流电源 5.1 电解,2019/3/2,上海电力学院 电力系,15,5.1.2 电解铝,第5章 直流用电设备及直流电源 5.1 电解,铝因其质轻、抗腐蚀性强、具有对各种形式加工的适应性、制造加工费用低、外观美观等特点，广泛应用于： 建筑业、电力行业、包装业、汽车结构、海上应用、 航空航天、家用电器、加工设备、纺织设备、 煤

10、矿机械、移动式灌溉管与工具等领域。,2019/3/2,上海电力学院 电力系,16,5.1.2 电解铝,第5章 直流用电设备及直流电源 5.1 电解,20002008年我国电解铝产量,十年来我国电解铝工业发展迅速，技术装备水平明显提高，但投资严重过热，产量从2000年283万吨急剧增加到2008年的1376万吨，占世界总产量约33%。2009年已建产能已超过2100万吨。,2019/3/2,上海电力学院 电力系,17,5.1.2 电解铝,第5章 直流用电设备及直流电源 5.1 电解,我国铝产量占世界铝产量的比重,2019/3/2,上海电力学院 电力系,18,5.1.2 电解铝,第5章 直流用电设

11、备及直流电源 5.1 电解,电解铝的生产在电解槽中进行， 电解铝主原料：氧化铝（Al2O3）， 基本材料：阳极糊（由焦粉、焦粒和沥青组成）、 冰晶石（3NaFAlF3）、 氟化铝以及其他氟化物，如氟化镁、氟化钙等 电极：碳素材料。,一 . 电解铝生产的基本原理,电解质,2019/3/2,上海电力学院 电力系,19,5.1.2 电解铝,第5章 直流用电设备及直流电源 5.1 电解,电解槽的化学反应是： Al2O33/2C 2 Al3/2CO2 Al2O3 3C 2 Al3CO 电解的结果是： a. 阴极上得到铝； b. 阳极上生成CO2和CO气体； c. 电解质Al2O3被不断消耗掉。,一 .

12、电解铝生产的基本原理,2019/3/2,上海电力学院 电力系,20,5.1.2 电解铝,第5章 直流用电设备及直流电源 5.1 电解,二 . 电解铝的生产流程,图5.1.11 电解铝的基本生产流程,三 . 电解槽,2019/3/2,上海电力学院 电力系,21,耗电很大， 一座年产 50000 吨电解铝厂每年耗电89亿kWh， 需要功率达100MW。 电耗占成本的50%左右。 电解铝生产消耗的电能约占总电耗的 90， 而另10则用于动力，如厂房通风、排烟、运输、 供水、压风、供气及照明等。,5.1.2 电解铝,第5章 直流用电设备及直流电源 5.1 电解,四 . 电解铝用电情况,2019/3/2

13、,上海电力学院 电力系,22,5.1.2 电解铝,第5章 直流用电设备及直流电源 5.1 电解,四 . 电解铝用电情况,有色金属工业是国家重点高耗能产业之一，2005年我国有色金属工业总耗能量约占全国总能耗的3.1%。在国家发改委、国家能源领导小组等五部委联合发布千家企业节能行动实施方案中，2004年企业综合能源消费量达到18万吨标准煤以上的千家企业中，有色金属企业占了71家，其中铝冶炼企业51家。 电解铝产品能耗相对较高，俗称“电老虎”。经过多年技术进步，国内电解铝企业综合交流电耗由2001年15470 kWh /t降到2008年14323 kWh /t ，而且电解铝产量较大，2008年10

14、种有色金属总产量2519万吨，其中电解铝产量1318万吨，占52%以上，其耗电量约占全国总耗电的5%。,2019/3/2,上海电力学院 电力系,23,两种电解电源情况： 1. 大功率整流器设备（目前采用较多） 功率因数降低。高次谐波对电网的影响。 随着直流用电的增长，整流装置高次谐波对电网的危害也正日渐严重。 2. 高频开关直流电源， 采用高频谐振逆变控制技术， 功率因数高，对电网的谐波污染小，无干扰。,5.1.2 电解铝,第5章 直流用电设备及直流电源 5.1 电解,四 . 电解铝用电情况,五 . 槽电压,2019/3/2,上海电力学院 电力系,24,1必须有两个以上的独立电源，供电连续不能间断， 可靠性高。 2交流供电电压采用220kV或110kV。 220kV或110kV交流电压经降压变电所降至10kV后， 再经调压变压器、整流变压器和电力电子变换装置将交流电变为 直流电向电解槽供电。,1降低电解槽平均电压 2提高电流效率,七电解铝的节电途径,5.1.2 电解铝,第5章 直流用电设备及直流电源 5.1 电解,六 . 供电要求,