Устройство для автоматического управления работой электролизера Советский патент 1983 года по МПК C25B15/02 

Изобретение относится к устройствам управления однотипными электр лизерами с ртутнЕЛМ катодом, объедине ньлми по токовой нагрузке, и может быть использовано в химической прокышленности. Известно устройство для автоматического управления работой электро лизера с ртутным катодом, содержаще анодную раму с сервоприводом, схему прогнозирования короткого замыкания анодной группы, схему измерении ско рости перемещения анодной рамы,, схе му измерения тока, возросшего непро порционально скорости перемещения анодной рамы, и схему выбора величины перемещения анодной рамы 1 Но это устройство требует дополнительного расхода электрической энергии на перемещение анодной рамы к катоду и обратно при прогнозирова нии короткого замыкания. Известно также устройство для автоматического управления работой электролизера с ртутным катодом, содержащее измерительное сопротивле ние, предусмотренное на силовой шине и подключенное к входам усилителя, дополнительное и регулируемое сопротивления, включенные параллель но измерительному и последоват1ально по отношению друг к другу, измерительный прибор, включенный параллельно дополнительному и регулируемому сопротивлениям, интегратор, включенный параллельно измерительно му прибору и подключенный через счетчик анодных токов и переключатель к регулируемому источнику пита ния, регулятор порога срабатывания по току, включенный между измерительным прибором и интегратором, параллельно интегратору,регулируем сопротивление для установки заданно го значения тока, подключенное к ОДНОМУ входу блока разделения, другой вход которого через регулируемое сопротивление и усилитель подключен к измерительному сопротивлению, а выход через сервопривод связан с регулируемым источником питания 2 , Однако это устройство недостаточ но надежно,так как в нем в каждой анодной линии имеется отдельный переключатель. Такое устройство не обеспечивает также оптимального использования электрической энергии для электролизера, так как сервопри вод связан лишь с регулируемым: источником питания, вследствие чего он лишь постепенно снижает нагрузку на аноды, вместо того, чтобы поднят их, что важно при прорыве продуктов электролиза в- устройство управленйя или при коротком замыкании, ког да снижение нагрузки не устраняет короткое замыкание между анодами и ртутью и не защищает аноды от разрушения, а продукты электролизера от загрязнения. Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство для автоматического управления работой электролизера с ртут-. ным катодом, содержащее сервопри-вод, для каждой группы анодов, объединенных рамой с силовыми шинами, К каждой из силовых шин и, катоду через релейную схему и первый операционный усилитель последовательно подключены первые прерыватель, трансформатор, детектор тока, интегратор и запоминающее устройство, связанное с первым входом селектора. В каждой силовой шине каждой анодной .линии предусмотрено измерительное сопротивление, к входу и выходу которого через соответствующую релейную схему и второй операционный усилитель последовательно подключены вторые прерыватель, трансформатор, детектор напряжения, интегратор и запоминающее устройство, связанное с вторым входом селектора„ Селектор через последовательно соединенные аналогоцифровой преобразователь, цифровую вычислительную машину и исполнительное реле подключен к электроприводу 3. Недостатком известного устройства является то, что сигналы напряжения снимаются с катода и каждой силовой линии каждой анодной группы. Это при использовании большого числа анодных групп создает пропорционально возрастающие аппаратурные затраты, так как каждая силовая линия связана с вычислительной машиной через соответствующий усилитель и соответствующую относительно сложную электронную схему Лелью изобретения является уменьшение расхода электрической энергии и повышение надежности защиты анодов от короткого замыкания. Поставленная и,елъ достигается тем, что устройство для автоматического управления работой электролизера с ртутным катодом, содержащее установленные на анодных рс1мах индивидуальные сервоприводы для каждой .группы анодов, объединенных парал|лельными силовыми шинами, в каждой ;из которых предусмотрено измерительное сопротивление, подключенное чере.з первый операционный усилитель к измерителю тока в каждом канале управления, второй операционный усилитель , своими входами подключенный к аноднойpai e и катоду, иэмеритель напряжения, исполнительное реле, подключенное к соответствуквдему сервоприводу, и источник опорного,напряжения, дополнительно содержит функципкальный генератор напряжения с входным и выходным операционными ус лителями , подключенный к выходу измерителей тока всех силовых шин и входу измерителя напряжения каждой анодной рамы, первое регулируемое сопротивление, соединенное с неинвертирующим входом входного операционного усилителя и выходом измери телей тока всех анодных линий, второе регулируемое сопротивление, свя занное с инвертирующим входом выход ного операционного усилителя, первы промежуточный операционный усилител инвертирующий вход которого подключен к выходу входного операционного усилителя, второй промежуточный опе рационный усилитель, выход которого соединен с инвертирующим входом выходного операционного усилителя, оптрон, связанный с инвертирующим входом второго промежуточного опера ционного усилителя, к которому подключено дополнительно установленное третье регулируемое сопротивление, элемент ИЛИ, соединенный с оптроном и с измерителем тока в каждом канале управления. На чертеже изображена функционал ная схема устройства. Устройство дпя автоматического управления работой электролизера с ртутным катодом содержит ванну 1 с анодами 2 и ртутным катодом 3 в качестве объекта управления. Аноды 2 объединены в анодную группу на анодной раме 4, кинематически связанной с сервоприводом 5. Таких анодных рам в электролизерной ванне может быть несколько (показана толь ко одна рама). Аноды 2 подключены к силовой шине 6, а катод 3 - к силовой шине 7. На силовой шине 6 предусмотрено измерительное сопротивление 8. Концы измерительного сопро тивления 8 соединены с соответствую щими входами операционного усилителя 9, выход которого связан с килоамперметром 10 и через суммирующее сопротивление 11 - с входсм операционного усилителя 12, выполняющего функции суммирующего усилителя, коэффициент усиления которого можно устанавливать с помощью подключенно го к его выходу установочного сопро тивления 13. Сигнал на выходе операционного усилителя 12 можно регулировать с помощью подключенного к нему регулируемого сопротивления 14, выполняющего функции регулятора порога срабатывания. К анодной раме 4 через силовую шину 6 подключен неинвертирующий вход операционного усилителя 15, инвертирующий вход которого соединен с катодом 3 через силовую шину 7. Выход этого операционного усилителя подключен к инвертирующему входу операционного усилителя 16, выход которого связан с вольтметром 17и блоком 18 разделения, содержащим первый канал с разделительным диодом 19 и второй канал с разделительным диодом 20. Усилители 15 и 16 образуют измеритель напряжения. Первый канал разделительного блока 18 :соединен с тиристором 21, реагируншим 1на повы1Уение тока в цепи нагрузки и связанным с сигнальной лампочкой 22, которая может быть вынесена на пульт оператора (не показанj для визуального контроля. Второй канал блока 18разделения через разделительный диод 20 соединен с входом логического элемента ИЛИ 23, образованного из не.скольких диодов по числу анодных рам, т.е. по числу каналов управления. Таким образом с входом логического элемента ИЛИ 23 соединены и выходы всех остальных вторых каналов блоков разделения, соответствующих остальным анодным рамам электролизера. Логический элемент ИЛИ 23 через логический элемент НЕ 24, транзисторный ключ 25 и исполнительное реле 26 соединен с сервоприводом 5 и остальными сервоприводами, установлeнны Iи на других анодных рамах (не показаны). Функциональный генератор 27служит для выработки опорного сигнала, соответствующего вольтамперметрической характеристике электролизной ванны в каждый данный момент времени. Этот сигнал отображает падение напряжения при увеличении нагрузки и сортветствует дифференциальному етиическому сопротивлению электролизной ванны. Генератор 27 содержит в-ходной операционный усилитель 28, неинвертирующий вход которого через регулируемое сопротивление 14 подключен к выходу операционного усилителя 12, и вьЗ одной операционный усилитель 29, выход которого подключен к неинвертирующему входу операционного усилителя 16 в каждом канале управления анодными рамами и через диод 30 к своему входу. Между операционными усилителями 28и 29 предусмотрены три коммутационных каНала. Выход входного операционного усилителя 28 функционального генератора 27 соединен с инвертирующим входом выходного операционного усилителя 29 первым кокв утационным каналом 31 с операционным усилителем 32, инвертирующий вход которого связан с выходом входного операционного усилителя 28. Выход входного операционного усилителя 28 функционального генератора 27 соединен с инвертирующимВХОДОМ выходного операционного усилителя 29 вто-.

рам коммутационным каналом 33 с дио:дом 34 и операционным усилителем 35/ инвертирующий вход которого через сопротивления 36-38 подключен к выходу входного операционного усилителя 28, причем между сопротивлениями 37 и 38 подключен выход оптрона 39, вход которого связан с выходом измерителя тока через диод 40 в каждом канале управления. Диоды 40 в каждом канале управления образуют схему ИЛИ Неинвертирующий вход операционного усилителя 35 через :сопротивление 41 соединен с диодом 34. В третьем коммутационном канале 42 предусмотрено регулируемое сопротивление 43, подключенное к инвер- тирующему входу операционного усилителя 29 Инвертирующий вход опера ционного усилителя 29 дополнительно соединен с опорным каналом 44 с регулируемым сопротивлением 45, подключенным с отрицательному полюсу стабилизированного источника постоянного напряжения не показан). К этому ;же отрицательному полюсу через регулируемое сопротивление 46 подключен инвертирующий вход операционного усилителя 35.

Устройство работает следующим образом.

Анодный ток создает падение напряжения между анодом и катодом, завися1пее от расстояния между . :Это падение напряжения подается- на вход операционного усилителя 15 для линейного усиления сигнала. Усиленный сигнал с выхода операционного усилителя 15 -подается на инвертируивдий вход операционного усилителя 16, работающего в режиме компаратор напряжений. На другой вход этого опрационного усилителя подается напряжение с выхода функционального генератора, представляющее собой опорный сигнал. Этот сигнал зависит от анодного тока, определяемого путем измерения падения напряжения на сопротивлении 8 с помощью операционного усилителя 9. Сигнал на выходе этого операционного усилителя пропорционален падению напряжения на измерительном сопротивлении 8, а, следовательно, и анодному току. Выходные напряжения операционных усилителей 9, соответствующие токам силовых шин б анодной рамы 4, суммируются на суммирующих сопротивления 11 и результирующее напряжение через опергщионный усилитель 12 и регулируемое сопротивление 14 подается на вход функционального генератора 27 в качестве задающего при формировании опорного сигнала для операционных усилителей 16 каждого канала управления соответствующей анодной рамой. Опорный сигнал из задающего напряжения формируется

путем предварительного усиления с заданным коэффициентом операционным усилителем 28. Коэффициент усиления задается по плотности тока, при которой данная электролизная ванна работает нормально. При этом выходной сигнал операционного усилителя 28 становится пропорциональным плот.ности тока ванны. Сигнал, полученный на выходе операционного усилителя 28, наплавляется на инвертирующий вход выходного операционного усилителя 29 сразу по трем коммутационным каналам 31, 33 и 42. В первом коммутационном канале 31 сигнал, попадая на операционный усилитель 31 с коэффициентом усиления , меняет свою полярность на отрицательную и поступает на инвертирующий вход выходного операционного усилителя 29. На этот же вход операционного усилителя 29ПО второму коммутационному каналу 33, т.е. через сопротивления 37 и 38 операционный усилитель 35 и диод 34 поступает еще один сигнал; с отрицательной полярностью. По третьему коммутационному каналу 42 через регулируемое сопротивление 43 сигнал уменьшает свою величину и, не изменяя полярности, тоже поступает на инвертирующий вход операционного усилителя 29. На этот же вход операционного усилителя 29 через подключенное к отрицательному полюсу стабилизированного источника постоянного напряжения регулируемое сопротивление 45 поступает сигнал отрицательной полярности. Сигналы, поступающие по первому и по третьему коммутационным каналам 31 и 42, имеют противоположную полярность. Алгебраическая сумма этих сигналов создает на входе операционного усилителя 29 отрицательный сигнал, прямо пропорциональный плотности тока электролизной ванны. I t

Сигнал, поступающий от отрицательного полюса стабилизированного источника постоянного напряжения через регулируемое сопротивление 45, задает на входе операционного усилителя 29 отрицательную полярность. С помощью регулируемого сопротивления 45 этот сигнал устанавливается на необходимую абсолютную величину контролируемого напряжения и не зависит от плотности тока, так как является постоянным. После инвертирования операционным усилителем 29 он получает постоянную положительную полярность.

Алгебраическая сумма сигналов, поступающих на операционный усилитель 29, образует функцию V f(S), представляющую собой опорный сигнал сразу для нескольких измерителей напряжения, которые могут быть устаЧ

новлены на соответствующих рамах с индивидуальными сервоприводами,

Сигнал отрицательной полярности, поступающий через регулируемое сопротивление 46 на операционный усилитель 35, поддерживает с помощью сопротивлений 37 и 38 на входе этог усилителя несколько отличный от нуля сигнал положительной полярности, который после инвертирования подается на инвертирующий вход операционного усилителя 29 ввиде.несколько отличного от нуля отрицательного на ряжения. И когда плотность тока S больше минимальной заданной, например, 0,lS , операционный усилитель с помощью сопротивления 41 становится бистабильным и переходит в состояние отрицательного насыщения. При эгсум. диод 34 блокирует сигнал, с этого усилителя, благодаря чему в это время на вход операционного усилителя 29 могут проходить сигналы по первому и третьему кс Ф/1утационным каналам и сигнал, поступающий через регулируемое сопротивление 45

Если же плотность тока о становится меньше заданного ми.нимального значения, например меньше 0,1S , чт говорит об угрозе короткого замыкания, то сигнал отрицательной полярности , поступающий на операционный усилитель 35 через регулируемое сопротивление 46, благодаря подобранным сопротивлениям 37 и 38 становится по величине несколько отличным от .нуля и после инвертирования операиионга м усилителем попадает через диод 34 на вход операционного усилителя 29 в виде положительного сигнала, несколько отличного от нуля. В этом случае суммарный сигнал на инвертирующем входе операционного усилителя 29, складывающийся из сигналов , поступающих на него по всем каналам, становится отрицательным, несколько отличным от- нуляг. В результате функциональный генератор 27 оказывается заблокированным, т.е. на его выходе появляется сигнал, почти не отличающийся от нуля.

При приближении анодов 2 к катоду 3 происходит увеличение анодного тока, вызывающее увеличение падения напряжения на сопротивлении 8, и, следовательно, уменьшение анодного напряжения, подаваемого на вход операционного усилителя 15. При этом выходной сигнал усилителя 15,уменьшаясь по величине, достигает значе- ния опорного сигнала на другом входе операционного усилителя 16, которое почти не отличается от нуля, что приводит к перепаду напряжения на его выходе с минимального уровня до максимального. Этот перепад через разделительный диод 19 включает тиристор 21, в результате чего загорается сигнальная лампочка, свидетельствуя об угрозе короткого замыкания. По этой лампочке оператор может установить.анодную раму, где произошло увеличение анодного тока больше защанного максимального уровня. Одновременно перепад напряжения с выхода операционного усилителя 16 через разделительный диод 20 поступает на логический элемент

10 ИЛИ 23. Когда же на логический элемент ИЛИ 23 попадает хотя бы один сигнал о превышении уровня анодного тока, он проходит через логический элемент НЕ 24, открывающий транзисторный ключ 25, который подает пита5ние на исполнительное реле 26, отключающее сервопривод 5, предотвра- щая дальнейшее опускание анодной рамы 4 еще на предварительной стадии, во время которой электрическое не0равновесие электролизной ванны возросло, но еще не достигло аварийной стадии.

При такой работе электролизера короткое замыкание анодов на катод

5 практически исключается. Однако некоторое возмущение поверхности текущей ртути в электролизерах с ртутным катодом, могущее возникнуть по какой-либо непредвиденной причине,

0 способно вызвать превьаиение максимально допустимого уровня тока в одной из анодных групп. В этом случае падение напряжения на сопротивлении 8 соответствующей анодной

5 группы переводит операционный усилитель 9 в состояние положительного насыщения. При этом открывается диод 40, пропускающий сигнал с шлхода операционного усилителя 9 на вход оптрона 39Y вследствие чего выходной

0 транзистор оптрона 39 открывается и закорачивает третий ксяимутационный канал 33 между сопротивлениями 37 и 38 на землю, что приводит к появлению на выходе операционного усили5теля 29 нулевого напряжения, которое уже указанным путем приводит к срабатыванию тиристора 21 и исполнительного реле 26 в каждсм канале управ,ления, что в результате обеспечива0ет отключение сервоприводов 5, тем самым предотвращая дальнейшее опускание анодных рам 4. После естественного прекращения возмущения поверхности ртути устройство- управле5ния обеспечивает переключение исполнительного репе 26 и включение сервоприводов анодных рам 4.

При таком выполнении устройства для автЬматического управления рабо0той электролизера с ртутным катодом обеспечивается контроль за однород- ным распределёнив11 анодного тока в электролизере, получение сигнала р наличии отклонения анодного тока выие заданного порога и использова5ние этого сигнала для предупреждения дальнейшего:опускания анодной ра мы во избежание короткого замыкания, а также использование этого сигнала в качестве прогнозного для остальных анодных раМ| в том числе предотвращения дальнейшего опускания и этих анодных рам. Постоянное сравнение напряжений на анодных рамах с заданным нижним порогом обеспечивает работу электролизера без коротких замыканий при оптимальном напряжении. На 1 сербоприбоды 1 f 2810 Исключение коротких замыканий, вызванных работой сервоприводов, значительно уменьшает затраты электрической энергии на получение 1 т продукции, например каустической соды и хлора. Тем более, что для каждой анодной группы может быть установлено индивидуальное напряжение с учетом особенностей этой анодной группы, например степени износа анодов, тщательности их монтажа на анодной раме, влияния температуры и т.п.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ РАБОТОЙ ЭЛЕКТРОЛИЗЕРА с ртутным катодом, содержащее установленные на анодных рамах сервоприводы для каждой группы анодов, связанных между собой параллельными силовыми шинами, в каждой из которых установлено измерительное сопротивление, подключенное через первый операционный усилитель к измерителю тока в каждом канале управления, второй операционный усилитель, соединенный своими входами с анодной рамой и катодом, исполнительное реле, связанное с соответствующим сервоприводом, источник опорного напряжения и измеритель напряжения, о т личающееся тем, что, с целью сокращения расхода электроэнергии и повышения надежности защи- ты анодов от короткого замыкания, оно дополнительно содержит генератор напряжения с входным и выходным операционными усилителями, подключенный к выходу измерителей тока всех силовых шин и входу измерителя напряжения каждой анодной рамы, первое регулируемое сопротивление, соединенное с неинвертиругацим входом входного операционного усилителя и выходом измерителей тока всех анодных линий, второе регулируемое сопротивление, связанное с инвертирующим входом выходного операционного усилителя, первый промежуточный операционный усилитель, инвертирующий вход которого подключен к выходу входного операционного усилителя, второй промежуточный операционный усилитель, выход которого соединенс инвертирующим входом выходного операционного усилителя, оптрон, связанный с инвертирукйшм входом второго промежуточного операционного усилителя, к которому подключено дополнительно установленное третье регулируемое сопротивление, элемент ИЛИ, соединенный с оптроном и с измерителем тока в каждом канале управления.