Устройство для автоматического управления работой электролизера

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

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 защиты 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.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

3450 25 В 15 02

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

llO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3359933/23-26 (22) 05.12.81 (46) 23.06.83. Бюл. Р 23 (72) A.È. Васильев, П.К. Добров, Ю.К. Зюэин, Г.К. Ковалев, Г.A. Корсунский, Б.Н. Орлов и A.A. Мохов (53) 66.012-52(088.8) (56) 1. Патент CJ)A Р 3627666, кл. 204-228, 1971.

2. Патент ФРГ Р 2016449, кл. С 25 В 15/02, 1980.

3. Патент США Р 4098666, кл. 204-228, 1978. (54) (57) 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 сер= воприводом, источник опорного напряжения и измеритель напряжения, о т„„80„„1024528 А л и ч а ю щ е е с я 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, соединен-. ное с неинвертирующим 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, инвертирунхций вход которого подключен к выходу входного операционного усилителя, второй промежуточный операционный усилитель, выход которого соединен с инвертирующим входом выходного операционного усилителя, оптрон, связанный с инвертирующим 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.

1024528

Изобретение относится к устройствам управления однотипными электро лизерами с ртутным катодом,объединен ными по токовой нагрузке, и может быть использовано в химической промышленности. 5

Известно устройство для автоматического управления работой электро. лизера с ртутным катодом, содержащее анодную раму с сервоприводом, схему прогнозирования короткого замыкания JQ анодной группы, схему измерения скорости перемещения анодной рамы,, схему 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 прогнозировании короткого замыкания.

Известно также устройство для автоматического управления работой электролизера с ртутным катодом, содержащее измерительное сопротивление, предусмотренное на силовой шине и подключенное к входам усилителя, дополнительное и регулируемое сопротивления, включенные параллельно измерительному и последовательно по отношению друг к другу, измерительный прибор, включенный параллельно дополнительному и регулируемому сопротивлениям, интегратор, включенный параллельно измерительному прибору и подключенный через 35 счетчик анодных токов и переключатель к регулируемому источнику питания, регулятор порога срабатывания по току, включенный между измерительным прибором и интегратором, 40 параллельно интегратору, регулируемое сопротивление для установки заданного 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 f2) .

Однако это jjcTpoAcTBQ недостаточно 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 сервопривод связан лишь с регулируемым источником питания, вследствие чего он лишь постепенно снижает нагрузку на аноды, вместо того, чтобы поднять Щ их, что важно при прорыве продуктов электролиза в устройство управле/ ния или при коротком замыкании, когда 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 управ. ления работой электролизера с ртут-, ным катодом, содержащее сервопривод, 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 связàíà с вычислительной машиной через соответствующий усилитель и соответствующую относительно сложную электронную схему. .Целью изобретения является уменьшение расхода электрической энергии и повышение надежности защиты анодов от короткого замыкания.

Поставленная цель достигается тем„ что устройство для автоматического управления работой электролизера с ртутным катодом, содержащее установленные на анодных рамах индивидуальные сервоприводы для каждой ,группы анодов, объединенных парал1 ельными силовым шинами, в каждой из которых предусмотрено измерительное сопротивление, подключенное через первый операционный усилитель к измерителю тока в каждом канале управления, второй операционный усили" тель, своими входами подключенный к аниной раме и катоду, измеритель напряжения, исполнительное реле, подключенное к соответствующему сервоприводу, и источник опорного.напряжения, дополнительно содержит функциональный генератор напряжения с

1024528 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 неин- 5 вертирующим 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 опе рационный усилитель, выход которого соединен с инвертирующим входом выходного операционного усилителя, оптрон, связанный с инвертирующим 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.

На чертеже изображена функциональ. ная схема устройства.

Устройство для автоматического управления работой электролизера с ртутным катодом содержит ванну 1 с ЗО 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 35 анодных рам в электролизерной ванне может быть несколько (показана только одна рама) . Аноды 2 подключены к силовой шине 6, а катод 3 — к силовой шине 7. На силовой шине 6 пре- 4О дусмотрено измерительное сопротивление 8. Концы измерительного сопротивления 8 соединены с соответствующими входами операционного усилителя 9, выход которого связан с килоамперметром 10 и через суммирующее сопротивление 11 — с входом операционного усилителя 12, выполняющего функции суммирующего усилителя, коэффициент усиления которого можно устанавливать с помощью подключенного к его выходу установочного сопротивления 13.

Сигнал на выходе операционного усилителя 12 можно регулировать с 55 помощью подключенного к нему регулируемого сопротивления 14, выполняющего функции регулятора порога срабатывания. К анодной раме 4 через силовую шину 6 подключен неинверти- 6р рующий 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

17 и 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, реагирующим, на повышение тока в цепи нагрузки и связанным с сигнальной лампочкой 22, которая может быть вынесена на пульт оператора (не показан) для визуального контроля. Второй канал блока

18 разделения через разделительный диод 20 соединен с входом логического элемента ИЛИ 23, образованного из нескольких 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 HE 24, транзисторный ключ 25 и исполнительное реле 26 соединен с сервоприводом 5 и

ocTальными сервоприводами, установленными на других анодных рамах (не показаны) . Функциональный генератор

27 служит для выработки опорного сигнала, соответствующего вольтамперметрической характеристике электролизной ванны в каждый данный момент времени. Этот сигнал отображает падение напряжения при увеличении нагрузки и соответствует дифференциальному омическому сопротивлению электролиэной ванны. Генератор 27 содержит входной операционный усилитель 28, неинвертирующий вход которого через регулируемое сопротивление 14 подключен к выходу операционного усилителя 12, и выходной 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 опер ационными усилителями

28 и 29 предусмотрены три коммутационных канала. Выход входного операционного усилителя 28 функционального генератора 27 соединен с ин- . вертирующим входом выходного операционного усилителя 29 первым коммутационным каналом 31 с операционным усилителем 32, инвертирующий вход которого связан с выходом входного операционного усилителя 28. Выход входного операционного усилителя 28 функционального генератора 27 соеди нен,с инвертирующим входом выходного операционного усилителя 29 вто-.

1024528 рым коммутационным каналом 33 с диодом 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 инвертирующему входу операционного усили-. теля 29. Инвертирующий вход операционного 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„ зависящее от расстояния между ними.

Это падение напряжения подается на вход операционного усилителя 15 для линейного усиления сигнала. Усиленный сигнал с выхода операционного усилителя 15 подается на инвертирующий вход операционного усилителя

16, работающего в режиме компаратора напряжений. На другой вход этого операционного усилителя подается напряжение с выхода функционального reHeратора, 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 т окам си ловых шин 6 анодной рамы 4, суммируются на суммирующих сопротивлениях

11 и результирующее напряжение через операционный 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 ра5 ботает нормально. При этом выходной сигнал операционного усилителя 28 становится пропорциональным плотности тока ванны. Сигнал, полученный на выходе операционного усилителя

10 28, напоавляется 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 K=1, меняет свою полярность на отрицательную и поступает на инвертирующий вход выходного операционного усилителя 29.

На этот же вход операционного усилителя 29 по второму коммутационному каналу 33, т.е. через сопротивления

37 и 38 операционный усилитель 35 и диод 34 поступает etqe один сигнал с отрицательной полярностью. По третьему коммутационному каналу 42 через регулируемое сопротивление 43 сигнал уменьщает 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.

40 Алгебраическая сумма этих сигналов создает на входе операционного усилителя 29 отрицательный сигнал, прямо пропорциональный плотности тока электролизной ванны.

Сигнал, поступающий от отрицатель-. ного полюса стабилизированного источника постоянного напряжения через регулируемое сопротивление 45, зада50 ет 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(6), представляющую собой опорный сигнал сразу для нескольких измерителей напряжения, которые могут быть уста- .

1024528 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 этого усилителя несколько отличный от нуля сигнал положительной полярности, который после инвертирования подается на инвертирующий вход операцион- IО ного усилителя 29 в виде, несколько отличного от нуля отрицательного напряжения. И когда плотность тока 8 больше минимальной заданной, например, О, 1 8, операционный усилитель с помощью сопротивления 41 становится бистабильным и переходит в состояние отрицательного насыщения.

При этом. диод 34 блокирует сигнал, с этого усилителя, благодаря чему в это время на вход операционного усилителя 29 могут проходить сигналы по первому и третьему коммутационным каналам и сигнал, поступающий . через регулируемое сопротивление 45.

Если же плотность тока о становится меньше заданного минимального значения, например меньше 0,1 3, что говорит об угрозе короткого замыка ния, 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 опера- 35 ионным усилителем попадает через диод 34 на вход операционного усилителя 29 в виде положительного сигнала, несколько отличного от нуля.

В этом случае суммарный сигнал на 40 инвертирующем входе операционного усилителя 29, складывающийся из сигналов, поступающих на него по всем каналам, становится отрицательным, несколько отличным от нуля. 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 5 выходной сигнал усилителя 15, умень- . шаясь по величине, достигает значения опорного сигнала на другом входе операционного усилителя 16, которое почти не отличается от нуля, 60 что приводит к перепаду напряжения иа его выходе с минимального уровня до максимального. Этот перепад че» рез 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 заданного максимального уровня. Одновременно перепад напряжения с выхода операционного усилителя 16 через разделительный диод 20 поступает на логический элемент

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 питание на исполнительное реле 26, отключающее сервопривод 5, предотвращая дальнейшее опускание анодной рамы 4 еще на предварительной стадии, во время которой электрическое неравновесие электролизной ванны возросло, но еще не достигло аварийной стадии.

При такой работе электролизера короткое замыкание анодов на катод практически исключается. Однако некоторое возмущение поверхности текущей ртути в электролизерах с ртутным катодом, могущее возникнуть по какой-либо непредвиденной причине, способно вызвать превышение максимально допустимого уровня тока в одной из анодных групп. В этом слу" чае падение напряжения на сопротивлении 8 соответствующей анодной группы переводит операционный усилитель 9 в состояние положительного насыщения. При этом открывается диод 40, пропускающий сигнал с выхода операционного усилителя 9 на вход оптрона 39, вследствие чего выходной транзистор оптрона 39 открывается и закорачивает третий коммутационный канал 33 между сопротивлениями 37 и 38 на землю, что приводит к появлению на выходе операционного усилителя 29 нулевого напряжения, которое уже указанным путем приводит к срабатыванию тиристора 21 и исполнительного .реле 26 в каждом канале управления, что в результате обеспечивает отключение сервоприводов 5, тем самым предотвращая дальнейшее опускание анодных рам 4. После естественного прекращения возмущения поверхности ртути устройство управления обеспечивает переключение исполнительного реле 26 и включение сервоприводов анодных рам 4.

При таком выполнении устройства для автоматического управления работой электролизера с ртутным катодом обеспечивается контроль за однородным распределением анодного тока в электролизере, получение сигнала о наличии отклонения анодного тока выае заданного порога и использова10

1024528

Составитель Р. Клейман

Редактор О. Половка Техред B.далекорей Корректор A. Повх

Заказ 4342/26 Тираж б43 Подписное

BHHHIIH Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Рауыская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 ние 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 предотврацения дальнейшего опускания и этих анодных рам. Постоянное сравнение напряжения на анодных рамах с заданным нижним порогом обеспечивает работу электролизера без коротких замыканий при оптимальном напряжении.

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 уче том особенностей этой анодной группы,. например степени износа анодов, тцательности их монтажа на анодной раме, влияния температуры и т.п.