Teollisen sinkkielektrolyysiprosessin sähköinen vastinkytkentä
Palola, Kalle (2020)
Diplomityö
2020
School of Energy Systems, Energiatekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2020052739444
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2020052739444
Tiivistelmä
Tämän diplomityön ensisijaisena tavoitteena oli muodostaa sähköinen vastinkytkentä teollisesta sinkkielektrolyysiprosessista. Vastinkytkennän muodostamiseksi sekundääriset häviöreitit tuli kartoittaa ja näille tuli määrittää lukuarvot.
Prosessin kokoluokasta ja monimutkaisuudesta johtuen myös tutkimusmenetelmissä jouduttiin turvautumaan monipuolisiin mittausmenetelmiin. Työn keskeisimmät mittaukset olivat sekundääristen virtojen kartoitus DC-virtamittarilla, liuospiirin rännien jännitemittaukset sekä tasasuuntaajien transienttimittaukset. Liuosreittien vastusten määritys oli myös merkittävä osa tätä tutkimusta. Vastukset määritettiin liuoksen poikkipinta-alan ja johtokyvyn perusteella.
Työn tärkein tuotos oli virtapiiridokumentti, joka oli myös työn primäärinen tavoite. Yhtä tärkeänä voi kuitenkin pitää ratkaisujen määrittämistä, joilla osakomponenttien lukuarvot pystyttiin selvittää. Työ toimii siten myös kattavana pohjana tulevia tutkimuksia ajatellen. Työn yhteydessä toteutettujen mittausten data on myös arvokasta lähtötietoa seuraaviin projekteihin.
Tutkimuksessa saatiin määritettyä lukuarvot kaikille piirin olennaisille komponenteille. Piirin induktanssin täsmälliseen määrittämiseen mittausdataa ei saatu riittävästi, joten sen määrittämiseksi käytettiin myös epäsuoria laskentamenetelmiä, joissa piirin muotoa ja kokoa varioitiin suuruusluokan löytämiseksi. Mittauksissa ei löydetty selkeitä maasulkuja tai muita vikatilanteita. Rännien jännitteet ja syöttöletkujen DC-virrat käyttäytyivät loogisesti prosessin rakenteeseen nähden.
Yhteenvetona prosessin dynamiikasta voi todeta, että primäärisen ja sekundäärisen virtapiirin välillä on merkittävä suuruusluokkaero. Tämän seurauksena häviövirrat ovat maltillisia. Virtapiirien keskinäiset yhteydet jännitteellisen elektrolyytin kautta voivat kuitenkin aiheuttaa vaaratilanteita virtapiirin jännitteiden polarisoitumisen vuoksi.
Tutkimuksen edetessä kävi yhä selvemmäksi, että virtapiiristä tarvitaan dynaaminen simulointimalli. Tätä simulointimallia voitaisiin hyödyntää piirin erikoistilanteiden mallinnuksessa. Simulointimallia voi myös hyödyntää piirin komponenttien arvojen tarkempaan määrittämiseen. Jatkotutkimukset vastinkytkentäverkon alueella ovat tarpeen, jotta elektrolyysiprosessin kaikki näkökulmat saadaan otettua huomioon tarkemman piirikaavion muodostamiseksi vähäisemmin yksinkertaistuksin. The main purpose of this study was to create a visual equivalent circuit of an industrial zinc-electrolysis process. In order to form the equivalent circuit, the secondary leakage routes had to be mapped and numerical values had to be defined for these secondary routes.
On account of the complexity and the size of the process we had to lean on diverse study methods as well. The central measurements were; mapping out the secondary leakage currents with a DC-meter, voltage-measurements of chutes of the liquid circuits and the rectifier transient measurements. Defining the resistance of the liquid paths was also a crucial part of this study. The resistances were calculated by the cross-sectional area and the conductance of the liquid.
The most essential product of this work was the equivalent circuit diagram which was also the primary scope of this study. Defining the solution to form the numerical values of the circuit components can be considered as important as the circuit diagram itself. Therefore, this study functions as a comprehensive foundation considering the future studies. The results from the measurements conducted during this project is valuable source data for in-coming works as well.
A numerical value for all the key components of the circuit was succeeded to define. How-ever, not enough data could be gathered in order to specify the exact rate of induction. Therefore, indirect calculation methods had to be leaned on as well in which the shape and the size of the circuit was varied in order to find the magnitude of the phenomenon. Distinct earth faults or other fault occasions were not found during the measurements. The voltages of the liquid chutes and the current rates of the feeder hoses behaved logically in proportion to the structure of the process.
As a concluding phrase about the dynamics of the process it can be stated that there is a notable gap in magnitude between the primary and the secondary circuits. Consequently, current losses remain on a moderate level. Reciprocal connections between the current circuits via the live electrolyte may nevertheless cause hazardous situations as a result of the polarization of the circuit voltages.
The need for a dynamical simulation model became more and more obvious during the progression of the study. This model could be used to simulate special process occasions. The simulation model could also be utilized to define the values of the circuit components even more precisely. Further study around the equivalent circuit is needed to cover all the aspects of the electrolysis process in order to form a more detailed circuit diagram with less simplifications.
Prosessin kokoluokasta ja monimutkaisuudesta johtuen myös tutkimusmenetelmissä jouduttiin turvautumaan monipuolisiin mittausmenetelmiin. Työn keskeisimmät mittaukset olivat sekundääristen virtojen kartoitus DC-virtamittarilla, liuospiirin rännien jännitemittaukset sekä tasasuuntaajien transienttimittaukset. Liuosreittien vastusten määritys oli myös merkittävä osa tätä tutkimusta. Vastukset määritettiin liuoksen poikkipinta-alan ja johtokyvyn perusteella.
Työn tärkein tuotos oli virtapiiridokumentti, joka oli myös työn primäärinen tavoite. Yhtä tärkeänä voi kuitenkin pitää ratkaisujen määrittämistä, joilla osakomponenttien lukuarvot pystyttiin selvittää. Työ toimii siten myös kattavana pohjana tulevia tutkimuksia ajatellen. Työn yhteydessä toteutettujen mittausten data on myös arvokasta lähtötietoa seuraaviin projekteihin.
Tutkimuksessa saatiin määritettyä lukuarvot kaikille piirin olennaisille komponenteille. Piirin induktanssin täsmälliseen määrittämiseen mittausdataa ei saatu riittävästi, joten sen määrittämiseksi käytettiin myös epäsuoria laskentamenetelmiä, joissa piirin muotoa ja kokoa varioitiin suuruusluokan löytämiseksi. Mittauksissa ei löydetty selkeitä maasulkuja tai muita vikatilanteita. Rännien jännitteet ja syöttöletkujen DC-virrat käyttäytyivät loogisesti prosessin rakenteeseen nähden.
Yhteenvetona prosessin dynamiikasta voi todeta, että primäärisen ja sekundäärisen virtapiirin välillä on merkittävä suuruusluokkaero. Tämän seurauksena häviövirrat ovat maltillisia. Virtapiirien keskinäiset yhteydet jännitteellisen elektrolyytin kautta voivat kuitenkin aiheuttaa vaaratilanteita virtapiirin jännitteiden polarisoitumisen vuoksi.
Tutkimuksen edetessä kävi yhä selvemmäksi, että virtapiiristä tarvitaan dynaaminen simulointimalli. Tätä simulointimallia voitaisiin hyödyntää piirin erikoistilanteiden mallinnuksessa. Simulointimallia voi myös hyödyntää piirin komponenttien arvojen tarkempaan määrittämiseen. Jatkotutkimukset vastinkytkentäverkon alueella ovat tarpeen, jotta elektrolyysiprosessin kaikki näkökulmat saadaan otettua huomioon tarkemman piirikaavion muodostamiseksi vähäisemmin yksinkertaistuksin.
On account of the complexity and the size of the process we had to lean on diverse study methods as well. The central measurements were; mapping out the secondary leakage currents with a DC-meter, voltage-measurements of chutes of the liquid circuits and the rectifier transient measurements. Defining the resistance of the liquid paths was also a crucial part of this study. The resistances were calculated by the cross-sectional area and the conductance of the liquid.
The most essential product of this work was the equivalent circuit diagram which was also the primary scope of this study. Defining the solution to form the numerical values of the circuit components can be considered as important as the circuit diagram itself. Therefore, this study functions as a comprehensive foundation considering the future studies. The results from the measurements conducted during this project is valuable source data for in-coming works as well.
A numerical value for all the key components of the circuit was succeeded to define. How-ever, not enough data could be gathered in order to specify the exact rate of induction. Therefore, indirect calculation methods had to be leaned on as well in which the shape and the size of the circuit was varied in order to find the magnitude of the phenomenon. Distinct earth faults or other fault occasions were not found during the measurements. The voltages of the liquid chutes and the current rates of the feeder hoses behaved logically in proportion to the structure of the process.
As a concluding phrase about the dynamics of the process it can be stated that there is a notable gap in magnitude between the primary and the secondary circuits. Consequently, current losses remain on a moderate level. Reciprocal connections between the current circuits via the live electrolyte may nevertheless cause hazardous situations as a result of the polarization of the circuit voltages.
The need for a dynamical simulation model became more and more obvious during the progression of the study. This model could be used to simulate special process occasions. The simulation model could also be utilized to define the values of the circuit components even more precisely. Further study around the equivalent circuit is needed to cover all the aspects of the electrolysis process in order to form a more detailed circuit diagram with less simplifications.