烘房電加熱設(shè)備技術(shù)改造實(shí)踐

毛海東，喻建樑，潘雪青

（寶武特種冶金有限公司電爐廠，上海 200940）

0 引言

隨著國(guó)家對(duì)環(huán)境保護(hù)、能源利用的日益重視，相關(guān)法律法規(guī)的逐步完善，以及相關(guān)技術(shù)的日臻成熟，一些依賴蒸汽的工藝過(guò)程逐漸被電力方式所取代，比如真空精煉爐的蒸汽噴射泵被機(jī)械泵取代，傳統(tǒng)的管道蒸汽伴熱被電伴熱取代，一些冶金企業(yè)耐材烘房的蒸汽加熱設(shè)備也逐漸被電加熱設(shè)備所取代。

1 耐材烘房蒸汽加熱方式與電加熱方式效果對(duì)比

1.1 蒸汽加熱方式

每間烘房配置蒸汽進(jìn)出管道，為烘房?jī)?nèi)若干套蒸汽盤管供汽，蒸汽盤管散發(fā)熱量加熱室溫，其缺點(diǎn)如下：①控溫精度低。蒸汽加熱裝置未配置溫控設(shè)備，室內(nèi)溫度由操作人員根據(jù)室內(nèi)實(shí)際溫度，手動(dòng)調(diào)節(jié)蒸汽閥的開度來(lái)調(diào)節(jié)蒸汽流量，從而起到調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度的作用，此方法控溫精度低，往往達(dá)不到生產(chǎn)工藝所要求的溫度，對(duì)工藝質(zhì)量有一定影響；②蒸汽有造成燙傷、爆炸、導(dǎo)致設(shè)備損壞、人身傷害的風(fēng)險(xiǎn)；③蒸汽供應(yīng)環(huán)節(jié)難免由于檢修或故障造成停供，這將直接影響和制約生產(chǎn)；④隨著蒸汽供應(yīng)單位蒸汽供應(yīng)總量的縮減，蒸汽單價(jià)逐年攀升，部門的蒸汽使用成本逐年增加。

1.2 電加熱方式

電加熱方式的優(yōu)點(diǎn)如下：①可大大降低生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)成本（電加熱成本是蒸汽使用成本的50%左右）；②可以精確控制烘房溫度，更有利于提升工藝質(zhì)量水平；③采用自動(dòng)控溫方式，可減少操作人員的工作量。

2 電加熱設(shè)備

2.1 電加熱設(shè)備的組成

2.1.1 主配電柜

烘房的電加熱設(shè)備設(shè)計(jì)總功率1000 kW 左右，配置兩臺(tái)低壓配電柜，總計(jì)8 路電源輸出，分別為8 間烘房的電加熱控制柜供電。

2.1.2 電加熱控制柜

每間烘房配置一臺(tái)電加熱控制柜，控制柜就近布置在每間烘房附近，控制柜具備防塵功能，并采用防塵式通風(fēng)散熱方式，柜內(nèi)主要元器件見(jiàn)表1。

2.1.3 電加熱箱

電加熱箱安裝在烘房?jī)?nèi)，是發(fā)熱裝置，主要由固定支架、U形電加熱管組、安全罩及安全防護(hù)網(wǎng)組成。每個(gè)烘房根據(jù)自身尺寸和存放物料類型配置合適數(shù)量的電加熱箱，分散布置在烘房?jī)?nèi)的各個(gè)加熱點(diǎn)，可獲得較均勻的加熱效果。

（1）U 形電加熱管組。U 形電加熱管由無(wú)縫不銹鋼外管、螺旋狀熱電阻絲、導(dǎo)熱性及絕緣性良好的結(jié)晶氧化鎂粉及高溫封口材料組成，整體耐溫650 ℃，額定功率2 kW。常規(guī)由12 支電加熱管并聯(lián)組成1 個(gè)加熱管組。每支加熱管可以單獨(dú)拆裝，便于日常維護(hù)。

（2）固定支架。固定支架采用優(yōu)質(zhì)Q235 型鋼組焊而成，用于安裝加熱管組、安全罩及安全防護(hù)網(wǎng)，每個(gè)支架上部設(shè)置接線端子，便于連接電源線。

2.2 電加熱設(shè)備的控制原理

每個(gè)烘房配置一套電加熱設(shè)備，其控制原理如圖1 所示，其主電路由空氣開關(guān)、接觸器、快速熔斷器、可控硅及電加熱器組成，控制及輔助電路的元器件有溫度控制儀、調(diào)功器、測(cè)溫?zé)崦綦娮琛⒍喙δ茈娔鼙?、電流表、電壓表等?/p>

圖1 電加熱設(shè)備控制原理

2.2.1 主電路

在主電路中，空氣開關(guān)將3 相交流380 V 電源通過(guò)接觸器、快速熔斷器供電至3 個(gè)雙向可控硅。在收到調(diào)功器的脈沖觸發(fā)信號(hào)前，可控硅處于截止?fàn)顟B(tài)，此時(shí)電加熱器無(wú)電流流過(guò)，處于加熱停止?fàn)顟B(tài)，一旦可控硅收到調(diào)功器的脈沖觸發(fā)信號(hào)，系統(tǒng)將按設(shè)定功率對(duì)電加熱箱供電，從而實(shí)現(xiàn)烘房的加熱功能。

2.2.2 溫控電路

烘房的實(shí)際溫度值由溫度控制儀、PT100 測(cè)溫?zé)崦綦娮鑼?shí)時(shí)測(cè)定，溫度控制儀將溫度設(shè)定值與實(shí)際溫度值進(jìn)行比較，采用PID 算法計(jì)算出當(dāng)前所需功率值，此功率設(shè)定值以4～20 mA 信號(hào)發(fā)送至調(diào)功器，調(diào)功器按此值向可控硅輸出帶相應(yīng)導(dǎo)通角的觸發(fā)信號(hào)，對(duì)其輸出功率進(jìn)行控制，從而最終實(shí)現(xiàn)對(duì)烘房室內(nèi)溫度的控制。

（1）溫度控制儀。采用FP93 型高精度智能溫度控制儀，該控制儀對(duì)PID 等參數(shù)按經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行設(shè)置后，就可以獲得較好的控制效果，可以實(shí)現(xiàn)快速升溫和良好的控溫精度。還可以利用其在線自整定功能，能獲得更佳的PID 參數(shù)，從而達(dá)到更理想的升溫速率、控溫精度。此外，該控制儀還具備超溫、熱電阻斷線報(bào)警、保護(hù)功能。

（2）調(diào)功器。調(diào)功器接收來(lái)自溫度控制儀的4～20 mA 功率設(shè)定值信號(hào)，并按此設(shè)定值向可控硅發(fā)出脈沖觸發(fā)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱功率的控制。

（3）數(shù)顯多功能電能表。每臺(tái)控制柜配置一塊數(shù)顯多功能電能表，用于記錄累計(jì)電耗，并能顯示即時(shí)功率、功率因數(shù)、電流等電信號(hào)。

（4）雙向可控硅。每個(gè)控制柜的主回路配置3 個(gè)雙向可控硅，雙向可控硅是在普通可控硅基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的，可以代替兩個(gè)反極性并聯(lián)的可控硅，和普通可控硅一樣，也是3 個(gè)電極（2 個(gè)主電極和1 個(gè)控制級(jí)），觸發(fā)電路也只需1 個(gè)。由于雙向可控硅具有無(wú)觸點(diǎn)控制、靈活調(diào)壓及其特有的雙向?qū)ㄌ匦?，不僅大大簡(jiǎn)化了主電路結(jié)構(gòu)，而且提高了設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定性和使用壽命。在此電加熱設(shè)備中，只需控制3 個(gè)可控硅的導(dǎo)通角，即可在額定功率范圍內(nèi)獲得無(wú)極可調(diào)的加熱功率。

2.3 系統(tǒng)安全保護(hù)功能

除了常規(guī)的接地、短路、過(guò)載保護(hù)，系統(tǒng)還具備超溫、熱敏電阻斷線保護(hù)功能，當(dāng)發(fā)生超溫、熱敏電阻斷線故障時(shí)，溫度控制儀將輸出開關(guān)量信號(hào)，切斷主回路接觸器，從而使主電路斷電，并發(fā)出聲、光報(bào)警，以警示操作人員立即采取相應(yīng)維護(hù)措施。溫度控制儀可以設(shè)定一個(gè)功率限定值，將輸出最大功率控制在此值以下，從而避免設(shè)備超負(fù)荷運(yùn)行。烘房室溫進(jìn)入保溫環(huán)節(jié)后，一旦實(shí)際溫度低于設(shè)定點(diǎn)3 ℃以下，系統(tǒng)將發(fā)出聲光報(bào)警。

3 設(shè)備檢查、調(diào)試、維護(hù)

3.1 設(shè)備投運(yùn)前檢查

（1）檢查各電加熱控制回路的接線，并用儀器測(cè)量主回路直流阻抗及對(duì)地絕緣電阻，確保系統(tǒng)不存在由于接線錯(cuò)誤或元器件故障造成的短路、開路、對(duì)地、絕緣異常或串線。

（2）采用指針式多用表，用極間阻值法測(cè)量雙向可控硅3 個(gè)電極間的直流阻抗，判斷其狀態(tài)是否良好。

（3）檢查各電氣元器件，并在通電后觀察其外觀及顯示狀態(tài)。

（4）檢查電加熱設(shè)備全部接線端子，確保接線緊固。對(duì)于主回路，須確保每個(gè)端子都帶防止接觸不良的彈簧墊片并連接緊固。

3.2 設(shè)備調(diào)試及首次維護(hù)

（1）依次合上各級(jí)電源開關(guān)。

（2）手動(dòng)設(shè)定一個(gè)20%的額定輸出功率，然后逐步增加功率，直至100%額定功率，期間檢查控制柜、電加熱箱的運(yùn)行狀態(tài)，檢查各儀表顯示的實(shí)際溫度、電信號(hào)，用便攜溫度計(jì)檢測(cè)室內(nèi)實(shí)際溫度，確保加熱系統(tǒng)各環(huán)節(jié)都正常隨功率輸出的變化而相應(yīng)變化，并且無(wú)接觸不良、發(fā)熱、電信號(hào)、聲音等異常現(xiàn)象。

（3）投入自動(dòng)溫控模式，設(shè)定目標(biāo)溫度，觀察設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，確保生產(chǎn)工藝標(biāo)準(zhǔn)要求的升溫速率和控溫精度。

（4）設(shè)備運(yùn)行一周內(nèi)，每日定時(shí)點(diǎn)檢設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。一周后停電，全面檢查各元器件和電路線纜，全面緊固各接線端子。

4 設(shè)備運(yùn)行效果

該電加熱設(shè)備于2020 年10 月投入運(yùn)行，至今已2 年時(shí)間，主要效果如下：①利用多功能電能表記錄的電耗數(shù)據(jù)，與往年的蒸汽成本數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，電加熱的電費(fèi)僅為蒸汽的50%左右，每年節(jié)約成本100 萬(wàn)元左右；②要烘房獲得恒定室溫，只需在溫度控制儀上設(shè)定好目標(biāo)溫度，并操作控制柜上的啟動(dòng)按鈕，設(shè)備即進(jìn)入自動(dòng)溫控模式，大大減輕了操作人員的工作量；③由于溫控精度高，提升了生產(chǎn)工藝質(zhì)量水平；④徹底消除原來(lái)蒸汽管道和加熱器存在的燙傷、爆炸等安全隱患。

5 系統(tǒng)技術(shù)改造展望

隨著公司產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，該套烘房設(shè)備即將搬遷，為了適應(yīng)公司信息化、智慧制造的管理理念和新產(chǎn)線集中控制的生產(chǎn)模式，該套烘房設(shè)備將在搬遷過(guò)程中同步進(jìn)行技術(shù)改造，將在原有設(shè)備基礎(chǔ)上增加一套PLC 控制器和HMI 操作計(jì)算機(jī)，并接入煉鋼生產(chǎn)線的基礎(chǔ)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)，最終實(shí)現(xiàn)在集中控制大廳的HMI操作計(jì)算機(jī)上遠(yuǎn)程監(jiān)控這套烘房設(shè)備，并可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程故障診斷，具體實(shí)現(xiàn)如下功能：①啟、停烘房電加熱設(shè)備；②按工藝需求修改設(shè)定溫度；③顯示實(shí)時(shí)電壓、電流、溫度值，并可查看3 年內(nèi)歷史溫度數(shù)據(jù)記錄；④實(shí)時(shí)顯示控制系統(tǒng)的短路、過(guò)載、超溫、熱電阻斷線等報(bào)警信號(hào)，并保存3 年歷史報(bào)警記錄。

另外，通過(guò)生產(chǎn)線配套的工業(yè)電視及大屏幕顯示設(shè)備，操作人員可以直觀查看、掌握現(xiàn)場(chǎng)烘房電加熱設(shè)備的運(yùn)行使用狀況，確保設(shè)備穩(wěn)定、安全運(yùn)行。

6 結(jié)束語(yǔ)

目前這套電加熱設(shè)備運(yùn)行安全、穩(wěn)定，滿足生產(chǎn)工藝要求，該設(shè)備經(jīng)過(guò)搬遷后的技術(shù)改造，將能融入公司信息化、智慧制造的發(fā)展戰(zhàn)略，在新產(chǎn)線繼續(xù)發(fā)揮重要作用。