空分裝置純化系統(tǒng)電加熱器的優(yōu)化控制

趙萬伏

（四川空分設(shè)備（集團）有限責(zé)任公司，四川 簡陽　641400）

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空分裝置純化系統(tǒng)電加熱器的優(yōu)化控制

趙萬伏

（四川空分設(shè)備（集團）有限責(zé)任公司，四川 簡陽641400）

本文針對空分裝置中的純化系統(tǒng)所配置的典型電加熱器，結(jié)合以往的典型空分裝置的運行情況和存在的實際問題，提供了電加熱器的接線和控制的優(yōu)化方案。

空分純化；電加熱器；電氣控制系統(tǒng)；優(yōu)化

近年來，隨著空分裝置的產(chǎn)量不斷增大，其純化系統(tǒng)所配套的電加熱器的容量（功率）需求也越來越大。傳統(tǒng)的控制方案也逐漸不能適應(yīng)大空分裝置對電加熱器控制的安全要求，暴露出一定的安全隱患，甚至發(fā)生了安全事故。而為了應(yīng)對大空分的要求，電加熱器的接線和控制方案也應(yīng)進行相應(yīng)的改進和優(yōu)化。

1　空分裝置中的分子篩純化系統(tǒng)工藝簡介

空氣純化系統(tǒng)的基本原理，是利用沸石分子篩的選擇吸附特性，吸附空氣中水蒸氣，二氧化碳，乙炔等有害成分。

分子篩純化系統(tǒng)有兩臺內(nèi)裝吸附劑的吸附器。經(jīng)過預(yù)冷的含濕飽和空氣首先流經(jīng)其中一只吸附器，在加壓條件下，空氣中的水分、二氧化碳、乙炔等被分子篩吸附，一定時間后，分子篩吸附容量將達到飽和，無繼續(xù)吸附能力。此時，切換閥門使空氣進入另一只吸附器繼續(xù)吸附，而飽和吸附器則在泄壓后，引入約 150℃的空氣或污氮氣對吸附器床層加熱。分子篩內(nèi)的吸附質(zhì)（水蒸氣、二氧化碳、乙炔等）由于溫度升高而解吸出來，并在熱流氣體的推動下被趕出吸附床外。在完成加熱后，再對吸附床層進行吹冷，使溫度降低到接近吸附時的溫度。這一過程稱為吸附器的再生。兩只吸附器交替輪流吸附和再生，從而實現(xiàn)空氣的連續(xù)凈化。

其中，將再生用的空氣或污氮氣加熱到約 150℃的階段，需要用到加熱器，常用的有蒸汽加熱器和電加熱器兩種。本文介紹的就是對電加熱器運行中存在的安全隱患，給出電加熱器控制和接線的優(yōu)化方案。

2　電加熱器的傳統(tǒng)控制和接線方式存在的安全問題

以往的空分裝置中，電加熱器常見的接線和控制方案為：采用多根三芯動力小電纜將各個電加熱管束直接與調(diào)功柜相接，通過調(diào)功器調(diào)功的方式對電加熱器出口的再生氣溫度進行控制。

這種傳統(tǒng)的接線和控制方式下，對以往的小空分裝置而言，尚能基本滿足安全要求，但對于近來的大空分裝置，在部分設(shè)備運行過程中，卻多次發(fā)生諸如電加熱管燒壞、部分電纜短路熔化、電纜與電加管接頭燒毀等事故。其中有個別事故尤其嚴重，如2010年5月，唐山中邦氣體22000空分裝置的1450kW 電加熱器，因其中一組電加熱束的一根電纜發(fā)生短路，導(dǎo)致配電線路過流，事故蔓延到配電室，將7臺低壓開關(guān)柜、1臺調(diào)功柜和1臺10kV配電變壓器全部燒毀，造成全公司停工、停產(chǎn)特大生產(chǎn)安全事故。

經(jīng)過對事故的現(xiàn)場分析，并結(jié)合與其他空分設(shè)備公司相關(guān)產(chǎn)品的對比發(fā)現(xiàn)：①大功率電加熱器的接線結(jié)構(gòu)有問題；②電氣控制方案不完善，存在安全隱患。為此，需要對電加熱器的接線結(jié)構(gòu)和控制方式進行控制和接線方案的優(yōu)化設(shè)計。

3　分子篩電加熱器接線結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1電加熱器傳統(tǒng)的接線結(jié)構(gòu)

以往的空分裝置中，設(shè)計的電加熱器，不論功率大小，都是由幾組至幾十組電加熱管束組成的，每組加熱管束由3根電加熱管組成。每組加熱管束的電纜接線是直接通過1根3芯電纜與調(diào)功柜的匯流排（銅母排）相連接。如圖1所示。

圖1　傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的電纜接線示意圖

3.2傳統(tǒng)的接線結(jié)構(gòu)存在的問題

原電加熱的接線結(jié)構(gòu)，從原理上看似簡單，但實際接線施工中，卻存在很多弊端。

1）調(diào)功柜與電加熱器的安裝距離問題

因為調(diào)功柜內(nèi)有大功率的發(fā)熱元件可控硅，調(diào)功柜不可能制造成防水、防塵封閉式的控制柜，所以調(diào)功柜的防護等級低，一般安裝在配電室內(nèi)。如果配電室距離電加熱器很遠，每根電力電纜就很長，又由于每組電加熱管束的功率不大，單根電纜的截面積一般較小，所以電纜本身的能耗高，電壓降較大。這樣就可能造成電加熱管不能在額定電壓下工作，輸出功率達不到再生能耗，再生氣無法達到分子篩活化的溫度。

2）電纜接線和現(xiàn)場布置施工問題

電加熱器電纜的接線和現(xiàn)場施工較為復(fù)雜。由于每組電加管束需要一根三芯動力電纜，若加熱器功率很大，1000kW以上電加熱管束可達到80多組。且空分裝置中，出于循環(huán)再生的互備需要，電加熱器一般設(shè)置為兩臺，用一備一。而大空分裝置由于再生氣量的原因，則可能需要3臺電加熱器，用二備一。而總共數(shù)百根的 3×10mm2的動力電纜，需要相當大的電纜橋架來布置。另外，如此多數(shù)量的電纜重疊在一起，在加熱器運行時，散熱狀況也較差。電纜長期發(fā)熱嚴重，會大大降低電纜的載流量，縮短電纜的使用壽命。

3）電纜短路的安全性問題

假若在電加熱器的數(shù)量眾多的電纜中，有一根電纜發(fā)生相間短路（主要發(fā)生在加熱管束接線柱處），短路電流轉(zhuǎn)化的熱量可以使短路處導(dǎo)線迅速燃燒，破壞其他電纜絕緣表層，造成另外的電纜短路。這樣互相影響，惡性循環(huán)，往往會造成大面積電纜相間短路。輕者燒毀電纜，重者可將事故引至配電室燒毀調(diào)功柜、配電開關(guān)柜、甚至供電變壓器。

所以，傳統(tǒng)的接線結(jié)構(gòu)，任何一根電熱管束因故障短路，都有可能影響到整個配電系統(tǒng)。

3.3新型接線結(jié)構(gòu)的優(yōu)化說明

現(xiàn)今，在較大功率的電加熱器中，已普遍使用新的接線結(jié)構(gòu)，即將調(diào)功柜上的匯流排（銅母排）移裝在電加熱器頂端防雨罩內(nèi)，再通過多根3芯動力小電纜，分別將每組加熱管束與匯流排相連接，如圖2所示。

圖2　新型結(jié)構(gòu)的電纜接線示意圖

這種新的接線結(jié)構(gòu)，使電力接線盡量簡化，減少施工難度，并且將比較集中的接線向電加熱器收縮，遠離控制設(shè)備（調(diào)功器柜等），再結(jié)合新的控制方案（見下文第4部分），可大大增強回路安全性。

新型接線結(jié)構(gòu)形式，從調(diào)功柜到電加熱器的匯流排均采用大電纜連接。小功率的采用單根，大功率的最多2～3根電纜。接線簡單，施工方便。更重要的是大大提高了安全性。當一組加熱器管束的一根電纜發(fā)生相間短路時，短路電流最多使該組電纜導(dǎo)線燒毀，絕不會致于使匯流銅排熔化，從而避免發(fā)生大的短路事故，將損害限制在最小，將事故隱患阻斷在防雨罩內(nèi)。

4　電加熱器兩種不同接線結(jié)構(gòu)的控制方案

4.1對于電加熱器傳統(tǒng)接線結(jié)構(gòu)形式

對于小功率電加熱器（如500kW以下），在空分純化系統(tǒng)中仍然視情況采用傳統(tǒng)的接線結(jié)構(gòu)，但為了保證其安全性，我們在電加熱器和調(diào)功器柜之間增加一臺電纜轉(zhuǎn)接柜。電源經(jīng)過調(diào)功柜后，先進入機旁電纜轉(zhuǎn)接柜，再通過多根三芯動力小電纜分別與電加熱器的每組加熱管束相連接，如圖3所示。

電纜轉(zhuǎn)接柜的作用有兩種：

1）將調(diào)功柜上的匯流銅母排安裝在電纜轉(zhuǎn)接柜上，此匯流排的功能也相當于新型接線結(jié)構(gòu)形式中電加熱器防雨罩內(nèi)的匯流排的作用。調(diào)功柜與機旁電纜轉(zhuǎn)接柜間采用大電纜連接。

2）給每一組電加熱器管束的回路中（加熱管束之前）都單獨設(shè)置一個漏電式微斷開關(guān)。因為在舊的接線結(jié)構(gòu)形式中，當一組電加熱管束加熱管燒壞，發(fā)生接地短路（加熱體鎢絲一端掉到管壁上），或發(fā)生相間短路。短路電流不足以讓調(diào)功柜內(nèi)大開關(guān)和配電室大開關(guān)分閘。這時雖然設(shè)備看似正常運行，實則事故隱患已經(jīng)存在。隨著設(shè)備的老化，或更多加熱管束發(fā)生短路，大的事故則隨時可能發(fā)生。

圖3　設(shè)置電纜轉(zhuǎn)接柜的電纜接線示意圖

而新型接線結(jié)構(gòu)中，每個漏電式微斷開關(guān)，將各電加熱管束的回路分散化，使單個加熱管束的運行相對獨立，與其他的加熱管束以及主配電回路隔離開來。即使發(fā)生短路，也可以將危害限制在單個加熱管束回路中。比如，當某一組加熱管束中的某一根加熱管燒壞接地，或連接電纜相間短路，此加熱管束回路中的微斷開關(guān)會動作斷開，切斷事故電源，使該組加熱管束停止工作，但不影響其他組的正常運行。由此確保事故不延伸、不擴大。同時，新型接線結(jié)構(gòu)還可以在不停電的情況下，更換出故障的此組加熱管束。

這大大增強了電加熱器以及整個配電系統(tǒng)的安全性，如圖4所示。

4.2對于電加熱器新型接線結(jié)構(gòu)形式（分兩類）

新型接線結(jié)構(gòu)形式，現(xiàn)在已普遍應(yīng)用在大功率電加熱器（500kW及更大）中。根據(jù)電加熱器的功率，在成本和安全性之間需要進行合理的配置。大體可以分為兩種控制方案（以下兩類方案的劃分也不是絕對的，應(yīng)視情況，具體項目具體設(shè)計）。

1）功率在800kW以下的電加熱器

宜采用全負荷全調(diào)功的控制方式（如第2部分圖2所示），所有的加熱管束均由調(diào)功器柜控制調(diào)節(jié)。此類設(shè)備及控制已在我公司的空分設(shè)備中廣泛應(yīng)用，在此不再敘述。

圖4　電纜轉(zhuǎn)接柜內(nèi)的電纜接線示意圖

2）功率在800kW以上的電加熱器

宜采用部分負荷固定加熱、部分負荷調(diào)功的控制方式，如圖5所示。

圖5　部分固定加熱、部分調(diào)功的的電纜接線示意圖

因為隨著空分裝置容量越來越大，分子篩的再生氣量也逐漸增大，相應(yīng)的，所需的電加熱器的功率也越來越大。如果采用用全負荷全調(diào)功控制，那么需要可控硅的容量也非常大。大電流的可控硅發(fā)熱非常嚴重，如果調(diào)功柜的通風(fēng)散熱處理不好，可控硅就非常容易燒壞。并且對于加熱器出口再生氣的溫度調(diào)節(jié)控制精度也會降低。

因此，我們把電加熱器的所有加熱管束人為地均勻劃分成若干組（N組），由DCS統(tǒng)一控制。其中若干組（M組）固定加熱；另N-M組由調(diào)功柜調(diào)功控制。（分組數(shù)以及固定加熱組數(shù)/調(diào)功組數(shù)，應(yīng)根據(jù)純化系統(tǒng)的工藝要求確定）。這樣不但降低了單個電器元件的容量，提高了其可靠性，而且還提高了加熱器出口再生氣的溫度調(diào)節(jié)精度。全負荷全調(diào)功控制方式，再生氣溫度波動在?15℃～15℃；而部分負荷固定加熱部分負荷調(diào)功控制方式，再生氣溫度波動在?5℃～5℃。

5　增加爐膛溫度（電加熱器中部溫度）聯(lián)鎖控制點

電加熱器以往的溫度控制方式，是通過電加熱器的出口溫度來判斷再生氣的加熱程度，在純化器氣體再生加熱階段（或者說電加熱器有氣體通過時）是可以準確判斷的。但當電加熱器進口閥關(guān)閉（或者說電加熱器沒有氣體通過時），出口溫度就不能準確反應(yīng)加熱器是否還在工作。待出口溫度超溫聯(lián)鎖時，可能此時電加熱管已經(jīng)燒壞。

為此，對于這種情況，我們完善了控制，在每一個對電加熱器供電的斷路器的分閘回路中，增加了由DCS輸出的爐膛超溫聯(lián)鎖控制點。

當電加熱器爐膛溫度超過設(shè)定溫度時，直接由DCS發(fā)信號分斷低壓開關(guān)柜供電開關(guān)，切斷電源。完全可以避免操作不當引起的“干燒”現(xiàn)象。

圖6　帶有爐膛溫度高跳閘的電加熱器電源回路電氣原理圖

6　結(jié)論

通過對電加熱器接線結(jié)構(gòu)形式的改進，同時優(yōu)化了對電加熱器的控制方案。已在近期的空分設(shè)備電加熱器的控制設(shè)計中廣泛應(yīng)用，并且一些項目已通過了現(xiàn)場設(shè)備運行的檢驗。結(jié)果證明這套改進和優(yōu)化控制方案是非常成功和切實可行的。

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趙萬伏（1969-），四川成都人，本科，高級工程師，主要從事工業(yè)電氣控制及自動化設(shè)計工作。

Optimization Control of Electric Heater in Purification System for Air Separation Unit

Zhao Wanfu
（Sichuan Air Separation Plant （Group） Co.，Ltd，Jianyang，Sichuan641400）

Pointing at typical electric heaters in air separation units，and basing on operating conditions & problems in former classical air separation projects，this paper has provided a optimization solution of controlling and cable connection for electric heaters.

purification of air separation unit； electric heater； electric control system； optimization