變換系統氮氣加熱爐的維護與應用

顏景鑾

（新能鳳凰滕州能源有限公司，山東滕州 277527）

0 引 言

我公司甲醇裝置變換系統采用了目前國內較為先進而又成熟的部分變換加配氣路線，水煤漿氣化來的煤氣經變換工段轉化為用于生產甲醇的合成氣，即煤氣中的一氧化碳與水蒸氣在變換催化劑的作用下發生變換反應，轉化成氫和二氧化碳；采用配氣路線，使出變換工段的合成氣中CO含量約為20%（體積分數，干基），且H2／CO≈2.32（V／V），同時，將部分有機硫轉化成無機硫。變換氣送至低溫甲醇洗工段。

變換爐操作溫度約為265～450℃，鑒于水煤氣中硫含量較高，故變換催化劑采用耐硫變換催化劑（QDB－01／03）。為保護催化劑的活性，防止水滴的產生，變換爐入口氣體溫度要高于露點25℃以上，即中變入口溫度至少在265℃以上。每次系統開車時，氮氣加熱爐的出口溫度必須提至350℃以上，以便激活耐硫變換催化劑，確保水煤漿氣化來的煤氣在變換爐中良好反應，從而保障了生產系統的順利開車運行。

我公司變換系統的氮氣加熱爐，在使用過程中，后期爐溫上升緩慢，難以滿足工藝需求。為解決這一問題，經考察研究并結合我公司的設備狀況，從設備維護和精心操作方面采取了一系列改進措施，取得了顯著效果，延長了氮氣加熱爐的檢修周期，大大減少了氮氣加熱爐的維護費用。從2010年7月20日氮氣加熱爐再次啟用，運行至今，加熱爐升溫正常，運行穩定，保障了生產系統的正常開車運行。

1 設備及工況現狀

根據變換工藝需求，我公司采用了電功率為1 500kW，容積是5.34m3的氮氣加熱爐。特別是加熱爐的電爐絲，我們經過考察，選擇了規格為φ30×4 500mm、10kW／根×150根的單端大功率直桿型電加熱棒，此種加熱棒具有以下優勢。

（1）加熱管結構與眾不同，不是采用常規形式（U型或雙U型電熱絲回路。常規U型電熱絲發熱不均勻，影響熱量傳遞，使用壽命短）。中心桿回路是采用獨螺旋的電阻絲，四周發熱均勻，大大提高了使用壽命。

（2）粗直徑、直桿型電加熱棒，使用過程中不會變形，整體強度大，從而能提高管子使用壽命。

（3）直桿式電熱棒理論上不需拆卸加熱爐爐體即可進行單支更換。

氮氣加熱爐配套的可控硅交流調壓器，型號為KTS（F）；功率1 000kW×2；相數三相；輸入電壓380V，輸出電壓0～370V；輸入控制信號4～20mA；負載連接方式三角形連接；觸發方式移相調壓型；調節電壓輸出范圍0～95%。控制部分由三相同步變壓器，同步RC濾波回路，集成電路，調節回路等組成。控制方式是三相移相觸發，由中控室DCS給出的4～20mA信號或由可控硅交流調壓器控制柜面板上的電位器給出的0～10V信號，變換成相應的電角度，控制可控硅的導通角，達到調節負載電壓之目的。

主回路采用三相三線回路，每相由一只可控硅與一支整流二極管反向并聯，輸出側配置63A熔斷器，加熱爐可控硅交流調壓器系統分為兩套，每套24路，一路三相（共24路支路），故總的調控功率為24×2×3×10＝1 440kW，電流為2 178A（實際爐體內裝有150根加熱棒，共1 500kW；多出的6根加熱棒作為備用）。

氣化、變換系統設備及加熱爐我公司于2008年10月吊裝／安裝，2009年12月17日整個甲醇生產系統一次試車成功。開車初期，系統停車次數較多，變換系統新安裝的氮氣加熱爐投用頻繁，基本上能滿足工藝需求，但在數次使用后，到2010年6月中旬，出現了氮氣加熱爐爐溫后期上升緩慢現象，打開調壓柜檢查，發現部分回路熔斷器熔斷，更換保險后升溫達到工藝要求。2010年7月19日工藝開車，14：00氮氣加熱爐送電，晚上電爐升溫，工藝人員反映，爐溫升至300℃不再上升，A套系統電流最高升至400A左右，B套系統電流最高升至900A左右，不能滿足工藝需求，影響工藝切氣的順利進行。檢修人員打開調壓柜檢查，發現15路分支回路無電流，回路保險熔斷，于是，我們把三相支路保險全熔斷的回路斷路器拉開，將搖測絕緣大于0.5MΩ的回路，更換保險恢復送電，勉強升溫，2010年7月20日9：00，氮氣加熱爐升溫完成，停電退出運行。

2 問題排查及原因分析

針對上述情況，我們對氮氣加熱爐調壓柜及爐體進行了全面檢查。

2.1 加熱爐調壓柜內48條回路的檢查結果（表1）

（1）第3、7、8、9、16、24、43共7條回路在系統開車前期送電升溫過程中，由于回路對地絕緣很低或相間電爐絲電阻值偏差很大均未投入使用，并早已將這7條回路的所有保險取下。

（2）第1、4、5、10、12、14、17、19、20、21、22、23、25、26、28、31、32、33、34、35、36、37、39、42、44、45、46、47、48共29條回路對地絕緣良好、相間電阻值平衡、回路保險無損壞、開關未跳閘，說明回路完好。

（3）第2（A）、6（B）、11（B）、13（B）、15（B）、18（AB）、27（B）、29（AB）、30（B）、38（AC）、40（A）、41（AC）共12條回路在本次送電升溫過程中保險熔斷，從測量的各回路對地絕緣和相間電阻值顯示，第2、13、30三條回路的相間電阻值不平衡，偏差5kΩ以上，其余9條回路的對地絕緣電阻良好，均在0.5MΩ以上，相間電阻值平衡。根據氮氣加熱電爐投運以來的維護狀況判明，這些回路更換所熔斷的保險后，在爐體狀況整體絕緣良好，操作精細正確的前提下，可以投入使用。

（4）更換所有的熔斷保險后，即使以前不合格的第3、7、8、9、16、24、43回路和新增的第2、13、30回路因回路對地絕緣很低或相間電爐絲電阻值偏差大而不能回復（部分回路經低溫烘爐應有回復的可能），加熱回路完好率為79%，應僅能維持下一次氮氣加熱爐升溫運行的要求。

（5）去DCS控制室詢問工藝操作人員得知，每次系統開車催得緊，氮氣加熱爐升溫時間有所縮短，工藝操作人員在升溫前不了解氮氣加熱爐的爐絲絕緣狀況，且沒有完全掌握氮氣加熱爐升溫控制操作要領和注意事項。

2.2 現場加熱爐爐體檢查結果

（1）氮氣加熱爐頂部接線腔內有積水，腔體四周銹蝕嚴重，爐壁氧化脫落，加熱棒接線柱壓接螺絲銹蝕，不好拆卸。

（2）加熱棒接線部分燒焦，引線過熱燒斷。

（3）加熱爐解線，測量部分引線燒斷或銹蝕嚴重的加熱棒絕緣電阻，阻值小于0.5MΩ或對地絕緣電阻為零。

表1 加熱爐調壓柜內48條回路的檢查結果（2010－07－20）

2.3 原因分析

這些狀況表明，如果不查清原因，采取措施，這臺氮氣加熱爐就無法繼續使用，必需進行爐體全面大修。而氮氣加熱爐的大修，對備件、工／器具、技術、環境要求都很高，需要所有測試合格的備品備件全部到位，大型吊車、叉車、拖車等機具投入，設備、工藝、電氣、儀表、電焊、氣焊、起重等各工種人員全力配合，在符合長爐絲加熱爐檢修的天氣環境下進行。于是，我們在咨詢原設備廠家未果的情況下，對周邊兗礦魯化、國泰化工等使用氮氣加熱爐的同類型化工企業，就氮氣加熱爐的電氣配置、接線方式、運行狀況、故障現象等進行了實地考察，得知加熱回路熔斷器熔斷、加熱爐溫度升不上去的狀況亦有發生，甚至出現了調壓柜內短路、加熱爐頂部著火等嚴重現象。于是，我們查閱相關資料，根據公司的實際使用狀況，綜合分析，認為主要有以下原因。

（1）氮氣加熱爐爐體上、下腔體因材質的透氣性大或密封不嚴，造成下腔內加熱棒之間存有潮濕氣體，使爐體整體絕緣下降；上腔內蒸汽加熱過程中凝結的積水排不出去，長期積存在上腔底部，在多次加熱的過程中金屬氧化，發生嚴重銹蝕。

（2）加熱爐爐體下腔內加熱棒之間存有潮濕氣體，泄漏電流增大，電爐送電加壓時加熱棒絕緣薄弱部位擊穿接地。

（3）加熱爐投用升溫時，爐體頂部過高，上腔內因加蓋密封散熱不良，造成溫度持續升高燒壞爐絲接線，嚴重時會出現起火現象。

（4）工藝操作人員無法得知氮氣加熱爐爐絲的絕緣狀況，不能有針對性的控制爐體升溫過程。

（5）操作人員對氮氣加熱爐的操作程序沒有熟練掌握、了解，操作程序沒有嚴格執行，系統開車時間緊省略升溫步驟，對盲目操作的后果認識不足等原因，使升溫時間過快，造成多數保險因電流過大而熔斷。

（6）升溫時間過快，加熱爐電爐絲熱膨脹迅速，導致電爐絲變形損壞或電流過大而燒斷。

3 維護解決方案

3.1 彌補設計不足，加強檢查維修，改善加熱爐運行環境

（1）檢查緊固電源側和負荷側所有回路接線壓接部位，處理電纜壓接部位氧化層，更換因機械應力過熱削減、失去彈性機械強度的彈簧墊片和氧化、銹蝕嚴重的螺桿、螺絲，減小回路接觸電阻，清除加熱爐接線腔壁氧化脫落物。

（2）在氮氣加熱爐頂部西側框架上加裝軸流風機，降低加熱爐頂部接線腔的溫度。當加熱爐頂部溫度高于300℃時，開啟散熱風機，直至升溫完畢，防止因氮氣加熱爐頂部在調壓升溫過程中溫度過高而損壞加熱爐電纜。

（3）在氮氣加熱爐頂部接線腔內最底層開孔，焊接引流管，在每次氮氣加熱爐投入之前，打開加熱爐頂部接線腔引流管截止閥，檢查接線腔有積水應及時徹底排凈。

（4）每次氮氣加熱爐送電前，檢查接線腔內絕緣支持件、爐絲連接件、接線壓接以及各支路電纜入口處等，應完好無損。全面測量所有回路的對地絕緣和相間絕緣電阻值，掌握爐體的整體絕緣水平。

3.2 重新測試調壓器控制特性，確認主、輔回路性能完好

（1）打開可控硅交流調壓器柜前、后門柜，檢查各緊固件、接線有無松動或脫落，面板儀表、指示燈、開關等是否完好。

（2）在電源柜三相輸入端接三相電源。用三只200W燈泡接成Y形作假性負載，星點不接零，接在輸出端。

（3）檢查調壓器柜面板觸發器上的電位器，確在零位。合上電源，風機運行正常，風向向上。

（4）調節面板觸發器上的調節電位器，三只燈泡逐步變亮，亮度要基本一致，從0～370V，電壓上升到輸入電壓的95%時，由于假性負載小而有閃爍為正常。

（5）將觸發電位器降到零位，把手、自動開關打至遠控位置，在工藝控制室調節給定信號，三只燈泡點亮現象與就地控制一樣。

（6）通過調試檢驗可控硅交流調壓器主、輔回路工作狀態，消除控制系統隱患，檢查手、自動狀態下（即調壓器控制柜現場操作和DCS控制室遠程操作），各種信號的傳輸、顯示是否正常。

3.3 調整加熱爐升溫操作程序，精細操作，做好過程控制

（1）組織參與變換系統氮氣加熱爐操作、維護的所有工藝、電氣、儀表技術人員及相關操作人員，對氮氣加熱爐的結構性能、工作原理、操作程序，特別是對調整后的操作步驟及注意事項進行全面學習，并將氮氣加熱爐操作程序下發至相應崗位。

（2）隨著工況的逐步穩定，整個生產系統開停車的次數逐步減少，趨于正常狀態，加熱爐只有系統大修后開車時投用；送電之前電氣專業人員對加熱爐爐體及可控硅交流調壓器柜做詳細測量檢查。

（3）由于變換爐的耐硫變換催化劑（QDB－01／03）活性，隨著使用頻次的增加和煤氣雜質的侵蝕而減弱，為保障氣體完全反應，變換爐的入口溫度將隨之有所提高。

（4）統計氮氣加熱爐各支路電爐絲的完好情況，若現有的完好回路不能滿足工藝升溫的要求，可以把加熱爐中的備用爐絲（檢測完好后），接線調整投入。

（5）提前用氮氣吹掃爐體，驅除潮濕含雜氣體，由氮氣循環風機開啟后就投用加熱爐，調整為氮氣吹除至少半小時后再投用電加熱器。

（6）檢查電爐對地絕緣合格，各個連接點連接可靠，足量回路開關、保險完好。已經徹底損壞的回路不投用，回路保險取下，開關拉開。

（7）絕緣電阻降低的回路（電爐絲回路既沒有完全接地也沒有損毀開路），裝上完好的保險，把回路開關拉開，先不投入。

（8）將調壓器控制柜的轉換開關打至手動位置，將控制器面板上的電位器降到零位。

（9）進線開關送電，順時針緩慢調節，每10min調節一次，每次5～10V，電流20～30A。電壓升至100V時烘爐4h，如果統計的合格的加熱棒完好率達不到80%，就要檢查預留絕緣低回路的絕緣電阻，據我公司操作多次的實際狀況來看，烘爐后絕緣低的回路絕緣電阻多數回升，趨于良好；然后根據需要，投入所需的回路數。

（10）這樣調整完好后，和工藝人員聯系，將轉換開關打至遠控位置，由工藝人員進行升溫操作和控制，直至完成變換爐的升溫，再將加熱爐降溫，退出運行。

（11）使用過程中，如果因變換爐催化劑問題要求溫度很高，應將完好回路全部投入，但不得過負荷運行，同時不得靠電爐頻繁調節溫度。

（12）如果運行中突然停電，應將電位器和DCS控制室的給定信號降為零，防止再來電時，大電流沖擊電爐，造成爐絲燒壞。

（13）在使用時，如回路電流突然嚴重不平衡或無電流指示，應關掉電源，查明原因，予以排除后方可使用。

4 結 語

氮氣加熱爐是變換系統的主要設備之一，對于生產系統水煤漿氣化煤氣順利切氣，進行良好的變換反應起著決定性作用。通過以上維護措施的實施以及對加熱爐回路和可控硅調壓器的性能測試、檢驗、修復，彌補了氮氣加熱爐爐體的通風散熱、凝結水引流的設計不足，大大增強了加熱爐爐體的絕緣水平，加熱回路的可用率大大提高，使本應立即進行爐體大修的氮氣加熱爐延長了使用周期，節省了維修費用。

通過加熱爐的精細操作，對升溫過程的控制，爐體能夠勻速平穩的升溫和降溫，使電爐各支路電流升降平穩不突變，加熱棒發熱膨脹或降溫冷縮均勻，爐體溫度亦沒有突變現象，加熱回路熔斷器熔斷的故障大大減少，每次生產系統開車，氮氣加熱爐升溫正常，能夠滿足變換爐反應溫度的需求。我們探索出一條合理應用氮氣加熱爐的有效途徑，收到了較好的經濟效益。