電加熱器在武漢分站原級標(biāo)準(zhǔn)裝置中的應(yīng)用

曹然偉

（中國石化天然氣分公司計量研究中心，湖北武漢 430073）

0 引言

根據(jù) JJG 1030—2007《超聲流量計》，JJG 1037—2008《渦輪流量計》等檢定規(guī)程中要求：開展流量計檢定、校準(zhǔn)用天然氣組分要相對穩(wěn)定，且在檢定過程中，天然氣的溫度變化量應(yīng)不超過±0.5℃。天然氣的組成、溫度等各影響因素變化將直接影響測量準(zhǔn)確度，因此，為確保檢定、校準(zhǔn)過程中天然氣溫度接近工況，需對天然氣進(jìn)行加熱升溫至檢定所需溫度，以降低溫度測量因素引起的測量誤差[1-3]。

電加熱相對于傳統(tǒng)的蒸汽加熱、水套爐加熱等加熱方式來說，具有加熱時間短，延遲時間短，占地面積較小，清潔以及自動化控制等優(yōu)點，電加熱器能夠?qū)に嚱橘|(zhì)直接加熱，也可加熱傳熱介質(zhì)，再由傳熱介質(zhì)將熱量傳遞給工藝介質(zhì)。電加熱器在天然氣加熱的實際應(yīng)用中一般最大負(fù)荷不超過600 kW，因此，天然氣加熱用電加熱器在小負(fù)荷工況中應(yīng)用較為普遍[4-6]。武漢分站采用電加熱器方式進(jìn)行溫度控制。

1 工作原理及結(jié)構(gòu)特點

電加熱器包括加熱管、法蘭、隔離管、接線盒、外殼體、控制柜。電加熱器的內(nèi)部設(shè)有均勻布置的U形管狀電熱元件，溫度檢測傳感器以及固定板等，進(jìn)入容器內(nèi)的天然氣在加熱區(qū)內(nèi)被電熱元件進(jìn)行分級加熱，隔熱段位于加熱區(qū)與接線盒之間，主要作用是在加熱區(qū)和接線盒之間隔熱，以防止電熱元件接線柱長期在高溫條件下性能發(fā)生改變。電熱元件的電源接線及分組全部在接線盒內(nèi)完成。加熱器的加熱管材料為SS321，電熱絲為鎳鉻合金，絕緣材料為高溫絕緣氧化鎂粉。

加熱器控制系統(tǒng)可根據(jù)設(shè)定的溫度，結(jié)合進(jìn)入加熱器前的流量和溫度參數(shù)，控制器能精確計算所需加熱功率，通過晶閘管整流實現(xiàn)智能控制。在加熱器啟動時，為了避免對電網(wǎng)造成嚴(yán)重的沖擊，需采取分組啟動，而且每組啟動時由晶閘管控制進(jìn)行柔性啟動，使加熱器對電網(wǎng)沖擊減至最小。

為保證安全和加熱精度，加熱器配備加熱原件過熱保護(hù)傳感器、加熱器殼體溫度監(jiān)測傳感器和出口介質(zhì)溫度監(jiān)測傳感器，傳感器類型為PT100。過熱保護(hù)和殼體監(jiān)控傳感器測得溫度一旦超過設(shè)定溫度，溫控儀表動作，發(fā)出超溫報警信號，同時控制、切斷電源，以保證整套設(shè)備的安全可靠。出口介質(zhì)溫度傳感器主要用于介質(zhì)溫度監(jiān)測，為控制介質(zhì)溫度提供反饋。介質(zhì)溫度傳感器將溫度信號傳入控制器，與系統(tǒng)內(nèi)設(shè)定溫度進(jìn)行比對，然后根據(jù)比對結(jié)果通過晶閘管自動調(diào)節(jié)加熱器的功率，使最終出口溫度穩(wěn)定為設(shè)定值，實現(xiàn)自動控制。加熱器外殼體為材料為SS321無縫鋼管，設(shè)計壓力不低于10 MPa，筒體法蘭選用帶頸突面法蘭，便于現(xiàn)場安裝與調(diào)試。

2 現(xiàn)場應(yīng)用

國家石油天然氣大流量計量站武漢分站（簡稱武漢分站）是國內(nèi)第一個建有HPPP（High Pressure Piston Prover）天然氣計量原級標(biāo)準(zhǔn)裝置的檢定站，該裝置采用標(biāo)準(zhǔn)容積法原理，量值溯源至國家長度基準(zhǔn)和時間基準(zhǔn)，為天然氣計量檢定工作級標(biāo)準(zhǔn)提供量值傳遞，該裝置設(shè)計壓力 10 MPa，流量范圍，擴(kuò)展不確定度：0.07%（k=2）。武漢分站檢定用氣來自川氣東送干線，天然氣經(jīng)過濾分離器后，通過調(diào)壓閥組將壓力調(diào)整至檢定工作所需壓力并進(jìn)行穩(wěn)定性控制，最后進(jìn)入檢定工藝流程。由于高壓天然氣經(jīng)過調(diào)壓引起的焦耳—湯姆遜效應(yīng)，故需在調(diào)壓系統(tǒng)前設(shè)置加熱系統(tǒng)，對檢定氣源進(jìn)行加熱處理以滿足原級標(biāo)準(zhǔn)裝置對氣源的溫度要求。

Watlow（瓦特?。┑姆ㄌm式電加熱器用于武漢分站原級標(biāo)準(zhǔn)裝置檢定氣源的加熱升溫。其過程為：天然氣先進(jìn)加熱器升溫至所需溫度，而后進(jìn)入原級標(biāo)準(zhǔn)裝置，加熱器滿足天然氣壓力和節(jié)流降壓工況加熱升溫?zé)嶝?fù)荷的要求，溫度控制滿足在數(shù)據(jù)采集過程中，氣體溫度波動10 min內(nèi)應(yīng)控制在，1 h內(nèi)波動范圍在。

3 性能和特點

Watlow的法蘭式電加熱器由加熱器芯、壓力容器和低壓控制柜等3部分組成。低壓控制柜主要功能是配合用戶的DCS/SIS一起，提供電加熱器的（本地或遠(yuǎn)程）啟動和停止、報警及聯(lián)鎖保護(hù)功能，滿足用戶對工藝溫度的控制要求。電加熱器技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 電加熱器技術(shù)指標(biāo)

電加熱器占地面積較小，換熱快，通過改變加熱管功率來實現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)，電加熱器控制柜設(shè)置啟、停接口、電加熱器運行狀態(tài)及溫控設(shè)定、溫度顯示、超溫報警信號等。溫控為獨立自動控制、恒溫控制。電氣保護(hù)在電柜內(nèi)部實現(xiàn)，采用可控硅無級調(diào)功控制，可實現(xiàn)電加熱器功率在的調(diào)節(jié)。日常運行、維護(hù)操作簡單，諧波采用三相過零（周波）觸發(fā)，也可移相觸發(fā)，電氣控制柜具有常規(guī)的電氣保護(hù)措施（短路、缺相、過流、過熱），自身安全保護(hù)措施完善，自動化控制水平較高。

4 日常使用維護(hù)

通常情況下，法蘭式電加熱器的設(shè)計預(yù)期運行壽命約（15～20）a。在電加熱器正式投運后，定期、有計劃的對電加熱器各個部件、各項功能進(jìn)行維護(hù)檢查，不但可以及時發(fā)現(xiàn)安全隱患，保證設(shè)備安全，延長加熱器使用壽命；還能有效降低故障停機的可能性，從而保證用戶生產(chǎn)裝置的穩(wěn)定運行，提升經(jīng)濟(jì)效益。

武漢分站投用的電加熱器主要用于原級標(biāo)準(zhǔn)裝置對工作級標(biāo)準(zhǔn)裝置進(jìn)行量值傳遞和開展測試實驗期間，并非24 h長期運行，由于開機時間短，使用頻次低，再加上武漢地區(qū)空氣濕度大，為此專門制定了日常維護(hù)方案，來確保電加熱器處于正常運行狀態(tài)。

4.1 電加熱器主體

每3個月邀請廠家工程師檢查加熱器相間電阻和絕緣是否正常；檢查加熱器接線盒內(nèi)線路連接件，確保連接件緊固、無氧化層固結(jié)，同時無灰塵或污物積聚。必要時，檢查加熱器接線盒內(nèi)電氣接線端是否出現(xiàn)銹蝕、污物或灰塵。如有銹蝕，請使用鋼絲絨（或同類工具）進(jìn)行清除，然后利用干燥無油空氣徹底吹凈。

4.2 控制柜

每3個月檢查清潔控制盤內(nèi)灰塵和異物；檢查控制盤三相電壓指示是否正常；使用測試按鈕檢查所有指示燈是否正常；檢查所有保護(hù)元器件是否工作正常（包括漏電保護(hù)，高溫保護(hù)等）；檢查控制盤是否有異味、異音。

5 結(jié)論

（1）考慮到高壓天然氣經(jīng)過調(diào)壓引起的焦耳—湯姆遜效應(yīng)，為降低溫度測量因素引起的測量誤差，在加熱負(fù)荷的小工況中可以采用電加熱方法控制天然氣溫度的下降。

（2）電加熱器在武漢分站的應(yīng)用，對氣源進(jìn)行加熱升溫，滿足了原級標(biāo)準(zhǔn)裝置對檢定氣源溫度要求。

（3）針對武漢分站電加熱器，為保持加熱器絕緣電阻值在合理范圍內(nèi)，須做好設(shè)備運行計劃，每2個月啟動加熱器運行一段時間，使得加熱器的絕緣電阻值維持在一個較理想的范圍，從而在生產(chǎn)需要時隨時可開機運行。