電加熱器在分子篩純化系統(tǒng)中的應(yīng)用

張曉鋒

（伊犁新天煤化有限責(zé)任公司，新疆伊犁835000）

在現(xiàn)代制氧生產(chǎn)中，分子篩吸附器內(nèi)分子篩再生氣的加熱方式主要采用蒸汽加熱和電加熱兩種。蒸汽加熱成本比電低，但是蒸汽的供給和熱量受距離等多方面因素影響，通常壓力不足或溫度較低，從而影響分子篩再生效果，且蒸汽加熱器還可能發(fā)生泄漏，污染分子篩。而電加熱器加熱效果穩(wěn)定、易調(diào)節(jié)，安全，其設(shè)備成本也比蒸汽加熱器低。所以，電加熱器被廣泛應(yīng)用于加熱分子篩再生氣，某廠一期項(xiàng)目10 000 m3/h空分設(shè)備分子篩純化系統(tǒng)再生熱源在最初設(shè)計(jì)時(shí)是由一臺蒸汽加熱器和一臺電加熱器來提供，其中蒸汽加熱器作為主要加熱設(shè)備，電加熱器備用，后來由于蒸汽品質(zhì)不合格改成以電加熱器為主，蒸汽加熱器備用，在冬季溫度較低時(shí)也兩臺加熱器串聯(lián)使用。

1 電加熱器的工作原理

某廠一期項(xiàng)目分子篩電加熱器功率為1 000 kW，現(xiàn)場有43組三相電加熱管，電源由某廠家一臺型號為YYY的調(diào)功柜供給，其主電路如圖1所示。

加熱器正常工作時(shí)可以根據(jù)用戶的要求在溫控器上設(shè)定一個目標(biāo)溫度，現(xiàn)場溫度變送器將采集到的實(shí)際的爐口溫度送到溫度控制器，溫度控制器根據(jù)現(xiàn)場送回來的溫度和目標(biāo)溫度進(jìn)行對比后輸出一個直流信號（4～20 mA）給周波器，周波器則根據(jù)這個信號的大小，對晶閘管進(jìn)行調(diào)功控制，確定每一個運(yùn)行周期晶閘管輸出周波數(shù)，如實(shí)際爐溫遠(yuǎn)離設(shè)定溫度，溫度顯示控制儀輸出控制信號電流最大（20 mA），周波控制器接受這個信號后則使晶閘管在運(yùn)行周期內(nèi)全部導(dǎo)通，加熱器以最大功率升溫。

圖1 電加熱器主電路圖

如果爐溫接近目標(biāo)溫度，溫度顯示控制儀輸出電流便減小，例如減小到12 mA時(shí)，周波控制器將使晶閘管在運(yùn)行周期里導(dǎo)通50%，關(guān)斷50%。

此時(shí)面板指示加熱功率為50%，越接近設(shè)定溫度，溫度顯示控制儀輸出電流越小，在保溫時(shí)加熱功率只補(bǔ)充爐子散失的熱量，使?fàn)t溫保持在設(shè)定溫度，例如溫度顯示控制儀輸出7.2 mA，此時(shí)面板指示加熱為20%，周波控制器以控制周期內(nèi)輸出周波的多少達(dá)到控制加熱器功率。

1.1 晶閘管調(diào)功的主要原理

電加熱器調(diào)功的核心是雙向晶閘管，晶閘管導(dǎo)通需要具備兩個條件：一是晶閘管必須加正向電壓，二是控制極必須加適當(dāng)觸發(fā)電壓。由此便產(chǎn)生出兩種晶閘管觸發(fā)控制方式；移相觸發(fā)控制和過零觸發(fā)控制。由于移相觸發(fā)控制方式會產(chǎn)生比較嚴(yán)重的奇次諧波，在實(shí)際應(yīng)用中，晶閘管導(dǎo)通瞬間容易產(chǎn)生電壓變化，功率因數(shù)也因此而下降，會影響電網(wǎng)上其他用電設(shè)備的正常運(yùn)行。而過零觸發(fā)控制方式產(chǎn)生的諧波很小，因此，電加熱器晶閘管調(diào)功多采用過零觸發(fā)控制方式。

晶閘管過零觸發(fā)控制就是在電源電壓零點(diǎn)附近觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通之后，通過改變設(shè)定周期內(nèi)晶閘管導(dǎo)通的周波數(shù)，實(shí)現(xiàn)交流調(diào)壓和調(diào)功，其調(diào)節(jié)波形如圖2所示。

圖2 晶閘管過零觸發(fā)控制調(diào)節(jié)波形圖

圖2中，Tc為控制信號的周期，t1和t2分別為晶閘管的導(dǎo)通、斷開時(shí)間，而且Tc=t1+t2。

該電路是通過改變晶閘管的導(dǎo)通、斷開時(shí)間比，即改變導(dǎo)通、斷開的周波數(shù)來實(shí)現(xiàn)輸出功率的調(diào)節(jié)。

1.2 溫度控制器

XMT-7系列溫度控制器在投用狀態(tài)下，上排顯示窗顯示被控對象的測量值，下排副顯示窗顯示當(dāng)前設(shè)定的主回路控制值，各指示燈根據(jù)設(shè)置值和測量值之間的偏差情況，經(jīng)內(nèi)部計(jì)算機(jī)運(yùn)算后指示各路輸出的工況。

溫度控制器儀表可分二級參數(shù)設(shè)置。常用的自動控制值為一級參數(shù)設(shè)置，包括控制值設(shè)定以及報(bào)警溫度和跳閘溫度設(shè)定，修正控制品質(zhì)的PID值、手動輸出值等為二級參數(shù)設(shè)置。

1.3 周波控制器

周波控制器又稱晶閘管交流調(diào)功器，是半導(dǎo)體功率控制器的一種，是國際流行的新型無觸點(diǎn)功率控制器，其可與各種控溫儀表，雙向晶閘管組成先進(jìn)的PID調(diào)溫系統(tǒng)。按其輸出的周波特點(diǎn)，可分為定周期和變周期兩種類型。

周波器在整個回路中負(fù)責(zé)給雙向晶閘管觸發(fā)信號，一般開車前應(yīng)先將周波器放在“手動”位置，檢查手動調(diào)節(jié)是否與功率輸出百分比一致，待正常后再打到“自動”位置，此時(shí)周波控制器將根據(jù)控溫儀表輸出信號自動操作。

2 電加熱器常見故障案例及處理方法

2.1 晶閘管擊穿

1）故障經(jīng)過

分子篩電加熱器在運(yùn)行當(dāng)中出現(xiàn)溫度達(dá)到設(shè)定值后仍然持續(xù)上漲的現(xiàn)象，檢查現(xiàn)場調(diào)功柜控制回路正常、電加熱器內(nèi)部加熱管絕緣良好，電加熱器溫度控制器設(shè)定正常，周波器、輸出繼電器、故障燈等無異常，電氣柜內(nèi)無故障無報(bào)警。

再次啟動分子篩電加熱器，在加熱初期運(yùn)行正常，當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定值后溫度就不受控制，將周波器打倒“手動”位置，功率輸出調(diào)節(jié)為零，溫度仍持續(xù)上升。關(guān)閉電加熱器開關(guān)柜電源，用萬用表測晶閘管陰極和陽極之間電阻為零，判斷為晶閘管被擊穿（見圖3）。

圖3 被擊穿的晶閘管

2）原因分析

正常情況下晶閘管陰極和陽極之間電阻很大，陰極和門極之間電阻在幾千歐姆，陽極和門極之間電阻為5～100Ω，通電狀態(tài)下當(dāng)門極接受到觸發(fā)信號時(shí)，陰陽極之間導(dǎo)通，現(xiàn)場負(fù)載得電工作，維美化工一期電加熱器滿載運(yùn)行時(shí)相電流為1 000 A左右，晶閘管由于長期大電流運(yùn)行，受高溫和振動等影響，出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象。

3）處理措施

（1）對燒壞的晶閘管進(jìn)行更換，在更換時(shí)一定要注意其陰陽極安裝方向。

（2）晶閘管上安裝散熱能力更大的散熱風(fēng)扇。

（3）在日常工作中監(jiān)視晶閘管運(yùn)行溫度，并定周期對晶閘管進(jìn)行更換。

2.2 現(xiàn)場電加熱管絕緣破壞

1）故障經(jīng)過

分子篩電加熱器在運(yùn)行當(dāng)中溫度到達(dá)130℃后不再上升（設(shè)定目標(biāo)溫度為190℃），電流波動很大，萬能斷路器頻繁跳閘，溫控器、周波器顯示滿功率輸出，電氣柜內(nèi)無故障無報(bào)警。

從調(diào)功柜出線端解開出線，對每組電加熱管進(jìn)行絕緣測試，相間電阻正常，均在15Ω左右，其中26組，38組兩組管子對地絕緣為零，其余組對地絕緣正常。

打開電加熱器本體，找到絕緣較低的兩組管子發(fā)現(xiàn)在管子中間位置有明顯電弧燒傷破損，石英砂外漏，電阻絲已經(jīng)和外殼接觸，圖4為現(xiàn)場電加熱管分布及接線圖。

圖4 現(xiàn)場電加熱管分布及接線

2）原因分析

電加熱器本體正常運(yùn)行時(shí)溫度最高可達(dá)到200℃，加熱管電加熱絲和外殼之間采用填充石英砂隔離的方法絕緣，在長期高溫運(yùn)行情況下有個別加熱管因質(zhì)量或工況差異，絕緣會被破壞，出現(xiàn)接殼故障。

3）處理措施

（1）對絕緣不合格的加熱管進(jìn)行更換。

（2）對加熱器接線端子進(jìn)行防氧化處理。

2.3 溫度控制器故障

1）故障經(jīng)過

分子篩電加熱器在運(yùn)行當(dāng)中溫度已經(jīng)達(dá)到設(shè)定值但溫度仍在上漲，溫度控制器全信號輸出，周波器顯示滿功率運(yùn)行。

檢查三組晶閘管正常，電加熱器絕緣良好，校驗(yàn)溫控器：用信號源在溫控器熱電偶進(jìn)線處直接加溫度信號，發(fā)現(xiàn)溫控儀盤上的顯示與實(shí)際給定值一致，證明溫控儀工作正常，調(diào)校周波器：從溫控儀上手動給定溫度輸出信號，溫控器的輸出信號和周波器響應(yīng)信號大小一致，周波器正常。所有儀表檢查完后，初步懷疑是溫控器和周波器在配合上有問題。

2）原因分析

工藝工況可能會隨氣候、溫度等條件發(fā)生變化，在不同時(shí)期加熱器進(jìn)氣的流速、壓力、狀態(tài)可能都會有所變化，這時(shí)以前設(shè)定的控制器PID值在調(diào)節(jié)上可能出現(xiàn)響應(yīng)滯后，導(dǎo)致溫控儀和周波器在配合上出現(xiàn)問題。

3）處理措施

（1）啟用溫控器自整定功能（見圖5），運(yùn)行電加熱器，系統(tǒng)經(jīng)過三次震蕩后，計(jì)算出較為理想的PID參數(shù)值，運(yùn)行恢復(fù)平穩(wěn)。

圖5 自整定中的儀表

（2）定期對相關(guān)儀表進(jìn)行效驗(yàn)，以保證其正確性和靈敏性。

3 技術(shù)改造

某廠一期項(xiàng)目分子篩電加熱器由于長時(shí)間高溫、大電流運(yùn)行，設(shè)備老化較快，運(yùn)行當(dāng)中故障頻發(fā)，后經(jīng)多方調(diào)研和討論后對其進(jìn)行了技術(shù)改造，對原有調(diào)功柜進(jìn)行拆除，新系統(tǒng)采用一個調(diào)功柜和兩組固定柜供電，原負(fù)荷43組電加熱管由調(diào)功柜帶15組，其余兩組固定柜各帶14組，改造后的加熱器將負(fù)荷平均分配到了3組供電柜上，避免了大電流通過晶閘管，大大的降低了晶閘管損壞的風(fēng)險(xiǎn)，給日常生產(chǎn)和檢修帶來了極大方便。

4 存在問題

改造后的電加熱器從近兩年來的運(yùn)行情況來看比較穩(wěn)定，但仍然存在一些問題需要下一步繼續(xù)改進(jìn)。

4.1 溫度可調(diào)范圍不完整

1）存在問題

改造前的加熱器由調(diào)功柜單獨(dú)供電，所以溫度的可調(diào)范圍是0～目標(biāo)溫度，但新系統(tǒng)由兩組固定組和一組調(diào)功組供電，所以它的溫度可調(diào)范圍存在盲區(qū)，我們假設(shè)每個柜子可提供溫升為70℃，那么新系統(tǒng)的可調(diào)范圍為140～210℃，如果用戶需要低于140℃的某個目標(biāo)溫度，將無法實(shí)現(xiàn)。

2）改善方案

可以在調(diào)功柜上增加一個擋位轉(zhuǎn)換開關(guān)，將加熱器分為3擋，第1擋投用調(diào)功柜，固定柜不運(yùn)行，可調(diào)范圍為0～70℃，第2擋投用調(diào)功柜和一組固定柜，可調(diào)范圍為70～140℃，第3擋投用調(diào)功柜和兩組固定柜，可調(diào)范圍為140～210℃，這樣就可以實(shí)現(xiàn)0～目標(biāo)溫度的完整可調(diào)，正常運(yùn)行時(shí)將轉(zhuǎn)換開關(guān)調(diào)到3擋，當(dāng)用戶有特殊要求時(shí)再切換到其他兩擋。

4.2 信號沒有反饋到后臺系統(tǒng)

1）存在問題

加熱器的運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測是保證其正常運(yùn)行的基礎(chǔ)，某廠一期項(xiàng)目在建設(shè)電氣自動化后臺系統(tǒng)時(shí)沒有將加熱器的運(yùn)行信號、運(yùn)行溫度、故障報(bào)警等電氣參數(shù)引入后臺，電氣值班人員無法監(jiān)測到其運(yùn)行情況以及及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障。

2）改善方案

利用大修停車機(jī)會對其進(jìn)行改造，將各項(xiàng)參數(shù)引進(jìn)后臺。

5 結(jié)語

通過對電加熱器實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中一些常見故障的正確分析及處理改造，使電加熱器恢復(fù)了正常運(yùn)行，對電加熱器存在的新問題提出了改善方案，對保證分子篩純化系統(tǒng)的再生，避免了空分設(shè)備停車事故發(fā)生起到了重大意義。