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蘇州市江南電器橋架有限公司
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關鍵詞 電加熱器 加熱元件 溫度控制 超溫報警1.前言燕山石化煉油廠30000Nm3/h干氣提濃乙烯裝置從催化裝置副產氣--干氣中提取C2+組分，為裂解裝置提供價值較高乙烯原料。該套裝置脫氧系統、脫砷系統共有四臺電加熱器：E-402（600kW）、E-404（560kW）、E-406（500kW）、E-407（200kW）。其中E-404為再生氣電加熱器，在脫氧干燥系統中負責再生氣的加熱，該電加熱器自投用以來運行狀態一直不穩定，出口溫度不能穩定下來，平均每5分鐘就會出現一次內部超溫報警，電加熱器自保停機，每次停機后需要人工現場復位，等待內部溫度降到設定溫度后才能重新啟動，嚴重影響生產和產品質量的穩定，同時也大大增加了操作工的維護強度。本文從介紹電加熱器的工作原理入手，分析其在工藝中加熱方式，找出影響加熱器不能穩定工作的原因，通過減少加熱元件數量，及時調整操作，確保電加熱器的平穩工作。2.問題提出電加熱器E-404出口溫度控制120℃，設定內部超溫報警溫度為200℃，加熱過程中，在出口溫度沒有達到控制溫度情況下，由于內部溫度很快達到報警溫度，導致電加熱器自保停止加熱，此時內部溫度仍保持一段時間后才能降到設定值以下，經現場復位后重新啟動加熱，這樣為了維持電加熱器的加熱過程，需要頻繁地去現場復位、啟動，導致如下問題：1）、加熱溫度波動大，出口溫度難以保證，再生效果變差，影響產品質量。2）、由于電加熱器頻繁啟動，大約5~10分鐘需要復位啟動一次，造成電加熱器控制部件頻繁動作，影響電氣元件使用壽命。3）、操作員勞動強度大，由于電加熱器每次自保停機，都需要操作人員去現場復位、重新啟動，勞動強度大，不利于安全生產。3.電加熱器介紹3.1電加熱器工作原理待加熱的氣體介質從電加熱器的殼程入口進入，沿著電加熱器內部換熱流程，吸收電加熱元件表面散發出的熱量，在電加熱器出口獲得滿足工藝要求的介質，如圖-1所示。其中的電加熱元件（見圖-2）是電加熱器的關鍵部件，一般為管狀金屬殼，外部為INCOLOY不銹鋼管，內部絕緣材料為高純的結晶氧化鎂粉，經過高溫燒結，在800℃的高溫下仍能保持良好的絕緣性能和介電強度。
圖-1電加熱器 圖-2電加熱元件
3.2電加熱器控制原理為保證電加熱器的安全運行，電加熱器設有如下控制功能：1）、出口溫度控制采用PLC或可控硅控制，根據出口溫度變化情況，調節電加熱器熱功率的輸出，確保出口溫度滿足工藝要求。2）、內部溫度監測，為保護電加熱器電加熱元件，在電加熱器內部設置電加熱元件表面溫度監測，當超過設定溫度時，電加熱器自動停機，確保電加熱器不干燒。3）、氣體流量監測，在電加熱器入口管道上安裝流量計，監測氣體流量，一旦流量低于設定值，電加熱器自動停機，防止電加熱器干燒，保護加熱元件。4）、電加熱器具有常規的電氣保護如短路保護、過載保護、溫度保護。5）、電加熱器安裝在現場危險環境，控制系統安裝在正壓防爆柜中。6）、電加熱器與室內DCS有信號聯系，電加熱器運行狀態、故障停車在DCS上顯示。3.3 E-404控制邏輯圖-3是電加熱器E-404的電氣原理圖，該電加熱器額定功率為560kW,分為11組加熱元件，分別為9組56kW和2組28kW，11組加熱元件組分為兩路，分別由兩個斷路器送電，但在內部由PLC按11組順序控制。
圖-3 E-404的電氣原理圖圖-4是二次控制回路，圖-5 是PLC控制邏輯。溫控表ST1采集到加熱器出口溫度（1Pt100），經PID調功后輸出功率信號（4-20mA）到PLC的A/D模塊，再由CPU控制加熱器的輸出功率（0-560kW）,通過固態繼電器控制接觸器的通斷，每組加熱元件間隔一定時間后投用。溫度報警儀ST2監測電加熱器內部溫度（2Pt100），當內部溫度超過設定值時，控制回路報警停止加熱并自鎖，此后必須等內部溫度降到設定值以下，人工復位，加熱器才能重新啟動。流量報警儀ST3檢測電加熱器入口氣體流量，當流量低于設定值時，電加熱器按順序停止各回路加熱，只有當流量恢復到設定值以上時，電加熱器才能自動啟動。對于E-404來說，流量還控制著電加熱器的啟動和停止，當有流量時電加熱器啟動并加熱，當不需要加熱時，程控閥關閉，沒有氣體進入電加熱器，流量為零，電加熱器自動停止加熱，一旦需要加熱時，由流量控制電加熱器自動啟動。
圖-4 E-404二次控制回路4.問題分析及解決措施4.1電加熱器分析針對出現的問題，先后采取如下措施進行檢查和試驗：1）、檢查出口溫度熱電阻、內部溫度熱電阻、入口流量計，輸出信號都正確。2）、檢查溫控儀ST1、溫度報警儀ST2以及流量報警儀ST3，參數設置正常，通過調整ST1 PID參數也無法消除故障。3）、將內部報警溫度設定值調高（300℃甚至更高），在加熱過程中，內部溫度逐漸上升，最后仍超過設定值，問題依然存在。
圖-5 E-404的PLC控制邏輯電加熱器每組加熱元件的投用和停用是由PLC根據出口溫度控制固態繼電器的按順序通斷，從而每組加熱元件是否啟運和停止，當檢測到出口溫度低于控制溫度時，11組加熱元件依次啟動，加熱負荷上升，出口溫度升高；當出口溫度超過控制溫度時，加熱元件又依次停止加熱，加熱負荷降低，出口溫度降低；通過控制投用加熱元件組數，保證電加熱器出口溫度滿足工藝要求。電加熱器內部溫度熱電阻的安裝位置，該熱電阻安裝在接近電加熱器出口某組電加熱元件附近，所測溫度為其附近的最高溫度（熱元件表面溫度）。內部超溫報警是為了防止由于電氣故障如某一根發熱元件因電壓過高出現超溫而設置的，如果電加熱器工作正常，該溫度應和電加熱器出口溫度接近或稍高（幾度到幾十度，這可以和其他幾臺電加熱器運行情況比較得到），E-404出口溫度控制120℃，內部超溫報警溫度設定提高到300℃，仍出現超溫報警問題，而且在加熱器停止加熱后，該溫度仍能逐漸降下來，說明該溫度測量值正確，但該熱電阻是否存在問題，由于開工狀態下無法打開檢查，所以無法確認。4.2工藝分析TSA干燥工藝中，共有2臺干燥器，每個干燥器要經過A(吸附)、D(逆放)、H(加熱)、C(冷卻)、RF(充壓)5個過程，時序見表-1。E-404為再生氣電加熱器，負責向TSA干燥過程加熱工序中提供熱源。
表-1 TSA時序表
分周期12
時間h80.53.53.50.5
A塔ADHCRF
B塔DHCRFA
根據時序表可知，E-404的工作方式為間歇式，在一個干燥器再生過程中，需要加熱3.5小時，然后冷卻3.5小時，加熱工程中，原設計加熱氣體為再生廢氣，設計流量為5000Nm3/h，改造后加熱氣體為半產品氣，設計流量為2000Nm3/h。冷卻過程中，流經電加熱器的氣體流量為0，電加熱器自動關斷，氣體走電加熱器旁路。氣體是否通過電加熱器由程控閥控制，電加熱器是否啟停由電加熱器是否通過氣體決定。由于工藝流程變動，加熱氣體流量降低，氣體進入電加熱器后，流速變小，由于折流的原因，某些部位流速更低，這樣在電加熱器這些部位可能出現局部溫度上升，而出口溫度變化較緩，對于電加熱器控制來說，當檢測到出口溫度低于設定值時，就依次投用各電加熱元件，而當出口溫度高于設定值時，就依次停用各組電加熱元件，直到出口溫度達到要求的溫度，由于有較大的熱慣性，在調整電加熱元件起停過程中，內部溫度由于局部超溫而發生自保停機，出口溫度達不到要求，而內部溫度又頻繁超溫的惡性循環。由以上關于電加熱器工作原理、以及工藝設計分析，認為加熱氣體流量降低，電加熱器熱負荷偏大，存在較大的熱慣性是電加熱器不能正常工作的主要原因，同時由于電加熱器間歇操作，在氣體剛剛進入加熱器時，氣體流量小，出口溫度低，加熱元件全部投入，加熱元件表面溫度迅速升高，在出口溫度沒有達到控制要求前，發生內部溫度超溫自保停止加熱。
為此，我們采用試驗的方法對電加熱器進行測試，通過減少加熱元件組數來減低電加熱器的加熱負荷，降低熱慣性，E-404共有11組加熱元件，當加熱元件組數減少到6組時，當控制溫度設定為120℃，超溫報警溫度設定為375℃左右時，內部溫度保持在290℃左右，可以保證電加熱器運行，保證生產的進行。同時通過優化TSA程序，控制再生氣量的穩定，也是保證電加熱器平穩運行的一個因素，圖-6是電加熱器改造后出口溫度控制曲線，由于內部溫度低于設定報警溫度，出口溫度控制比較平穩。
圖-6 電加熱器出口溫度曲線
5.結論
通過分析電加熱器E-404控制原理、內部結構以及工藝變化，當加熱氣體流量減少時，或變工況下，由于被加熱氣體熱負荷與電加熱器熱負荷不匹配，容易出現內部溫度超溫報警自保停止加熱，導致出口溫度波動，為匹配熱功率，通過適當減少加熱器加熱元件組數，使加熱器發熱功率與實際需要的加熱功率匹配，同時通過優化工藝操作，保證氣量的穩定，保證E-404的平穩運行，保證生產的正常進行。 |
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| 發布時間：2013/5/25 |
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