بخشی از مقاله
چکیده
الکترولایزر، تجهیزی است که در صنایع پتروشیمی، برای تبدیل موادی با ارزش پایین مثل سدیم کلرید به موادی با ارزش بالا مثل سدیم هیدروکسید، کاربرد دارد. از آنجایی که الکترولایزرهای صنعتی، نیاز به جریان مستقیم یا DC با دامنهی بالاتر از ده کیلوآمپر دارند، هارمونیکهای تزریقی به شبکهی بالادست توسط آنها، مقدار قابل توجهی دارد.
یکی از روشهای متداول برای کاهش میزان هارمونیکها، استفاده از فیلترهای موازی از نوع اکتیو یا پسیو است. ولی روش مطلوبتر، کاهش هارمونیکهای جریان در شبکهی بالادست با استفاده از تجهیزات موجود در شبکه است. برای این منظور در این مقاله، ابتدا رفتار یکسوسازهای شش پالسه و دوازده پالسه مورد مطالعه قرار میگیرد. سپس تاثیر گروه برداری و به ویژه عدد مشخصهی ترانسفورماتورهای یکسوساز بر میزان هارمونیکهای تزریقی بررسی میشود. برای این منظور، شبکهی مورد مطالعه، به همراه ترانسفورماتورهای شیفت فاز و همچنین الکترولایزر، با دقت مناسبی در نرم افزار PSCAD مدل سازی شده است.
مقدمه
الکترولایزر دستگاهی است که دارای تعدادی سلول سری بوده و هرکدام حداقل شامل کاتد، آند، غشاء و الکترولیت میباشند. تغذیهی الکترولایزر از طریق برق جریان مستقیم بوده و برای تولید مواد شیمیایی با ارزش بیشتر نظیر سود سوزآور از مواد با ارزش کمتر، مانند محلول آب و نمک استفاده میشود. این امر منجر به تولید مواد با ارزشی میشود که در صنایعی نظیر پتروشیمی مورد استفاده قرار میگیرند. الکترولایزرهای شرکت پتروشیمی اروند که در این مقاله مورد بررسی قرار گرفته اند از نوع الکترولایزرهای کلرآلکالی هستند.
با توجه به اینکه فرایند الکترولیز با جریان مستقیم انجام می شود، لازم است از یکسوساز مناسبی استفاده شود. مقدار نامی جریان DC خروجی یکسوساز در هر یک از الکترولایزرهای شرکت پتروشیمی اروند، برابر با 14کیلوآمپر بوده که توسط یکسوساز تمام پل سه فاز تایریستوری، تامین می شود. این یکسوساز در شرایط مختلف بهره برداری سیستم - به ویژه در جریان کم - ، مقادیر قابل توجهی از هارمونیکهای مختلف را به شبکه تزریق نموده و موجب کاهش کیفیت توان در شبکه میگردد
به منظور جبران هارمونیکهای جریان، استفاده از فیلتر موازی پسیو را توصیه نموده است. این روش، ارزان و ساده بوده و تا حدی مقدار هارمونیکهای تزریقی به شبکه را کاهش میدهد. ولی تغییر محتوای هارمونیکی جریان در زوایای آتش مختلف تایریستور، باعث کاهش کارایی این نوع فیلتر می شود. برای حل این مشکل، - Carpinelli et al,2016 - پیشنهاد داده است که از فیلتر موازی اکتیو استفاده شود تا مقدار هارمونیکها را در هر زمان تعیین کرده و لذا مقدار با دامنه و فرکانس یکسان و اختلاف زاویه 180 درجه را تزریق نماید، تا هارمونیک جریان عبوری از شبکه، حذف شود. اثر بخشی این روش بیشتر از فیلتر پسیو بوده اما پیچیدهتر و گرانتر می باشد.
- Doughty et al, 2012 - پیشنهاد داده است که برای تغذیهی الکترولایزر از یکسوساز شش پالسه یا دوازده پالسه استفاده شود. ضمنا در صورت بهکارگیری یکسوساز شش پالسه، بایستی از ترانسفورماتورهای شیفت فاز استفاده شود. لیکن در این مرجع، در خصوص گروه برداری مناسب ترانسفورماتورهای مورد استفاده برای تغذیهی گروهی از الکترولایزرها بحثی مطرح نشده است.
در این مقاله، تاثیر یکسوسازهای شش پالسه و دوازده پالسه بر میزان هارمونیک های تولیدشده توسط الکترولایزر مورد بررسی قرار می گیرد. ضمنا به این بحث مهم پرداخته شده است که تغییر گروه برداری ترانسفورماتورهای یکسوساز و همچنین تغییر میزان شیفت فاز در ترانسفورماتورها، تاثیر قابل توجهی بر هارمونیکهای تزریقی به شبکهی بالا دست دارد. از این رو، انواع گروه برداری ترانسفورماتور در حضور یکسوساز شش پالسه، مورد بررسی قرار گرفته و نتیجهی آن با عملکرد یکسوساز دوازده پالسه مقایسه میشود تا گروه برداری مناسب ترانسفورماتور، وقتی تعدادی از الکترولایزرها با هم، توسط یک شبکه تغذیه می شوند، از منظر تزریق حداقل هارمونیک جریان به شبکهی بالادست تعیین شود
مدار معادل الکترولایزر
یکی از پرکاربردترین و سادهترین مدار معادلهای پیشنهاد شده برای توصیف رفتار حالت گذرای الکترولایزر، مدار معادل Randles است که توصیف سادهای از یک سلول الکتروشیمیایی را بیان می کند . همانگونه که در شکل 1 نمایش داده شده است، مدار معادل الکترولایزر، متشکل از دو مقاومت، یک خازن و نیز یک منبع ولتاژ DC میباشد . - Charles et al,2012 - - Larminie, 1994 - و - Zoulias et al - بیان کردهاند که این مدار معادل، علاوه بر مقاومت و خازن، شامل سلف پراکندگی سری نیز میباشد.
شکل :1 مدار معادل الکتریکی Randles برای الکترولایزر
روش تعیین مقدار پارامترهای مدار معادل حالت گذرای الکترولایزر، انجام آزمایش اندازهگیری امپدانس در حالت اعمال پالس ولتاژ و همچنین انجام آزمایش قطع ناگهانی تغذیهی الکترولایزر و اندازه گیری ولتاژ دو سر آن، می باشد . - Larminie, 1994 - این آزمایشها توسط دستگاه ثبات با فرکانس نمونه برداری 100 کیلوهرتز بر روی واحدهای الکترولایزر شرکت پتروشیمی اروند انجام شده است. شکل 2، مدار معادل به دست آمده از نتایج تست در مورد الکترولایزر تحت مطالعه را نمایش می دهد.
شکل :2 مدار معادل الکتریکی الکترولایزرهای اروند
همانگونه که در شکل 3 نشان داده شده است، نتیجهی حاصل از شبیه سازی الکترولایزر متصل به یکسوساز تایریستوری در زاویهی آتش تایریستور یکسان، تطابق مناسبی با مقدار اندازه گیری دارد که گویای مدل سازی مناسب الکترولایزر می باشد. لازم به ذکر است که مولفهی فرکانس بالای موجود در مقادیر اندازه گیری شده، مربوط به نویز اندازهگیری است.
شکل :3 شکل موج ولتاژ خروجی یکسوساز تایریستوری، - الف - نتیجه شبیهسازی و - ب - اندازه گیری شده
انواع یکسوساز
ولتاژ ورودی متناوب به الکترولایزرها، ابتدا توسط یکسوساز تبدیل به ولتاژ مستقیم میشود. این یکسوسازها از نوع یکسوسازهای تایریستوری میباشند و میتوانند به صورت شش پالسه یا دوازده پالسه، مورد استفاده قرار گیرند. شکلهای 4 و 5 به ترتیب بیانگر یکسوسازهای شش پالسه و دوازده پالسه میباشند . - Mohan, 2012 - در هرکدام از این یکسوسازها، به وسیلهی - تایریستورهای موجود، ولتاژ ورودی متناوب به ولتاژ مستقیم تبدیل میشود. وجود یکسوساز باعث ایجاد اعوجاج در خروجی ترانسفورماتورها شده و در نتیجه میزان هارمونیکهای جریان خط، افزایش مییابند.
شکل :4 یکسوساز 6 پالسهی تایریستوری
