通過優化3#6000空分裝置電加熱器控制程序降低能耗、提高設備安全性

劉　颯，何家輝

（蘭州石化公司，甘肅 蘭州730000）

通過優化3#6000空分裝置電加熱器控制程序降低能耗、提高設備安全性

劉颯，何家輝

（蘭州石化公司，甘肅 蘭州730000）

本文通過3#6000空分分子篩吸附過程的基本原理、再生（解吸）過程、分子篩簡單流程描述。分析了目前3#6000空分分子篩電加熱器控制中存在的問題，并提出了解決方案。通過方案實施降低了能耗，提高了設備的安全性。

分子篩；電加熱器；程序優化

1　背景

1.13#6000空分分子篩吸附過程的基本原理

當氣體與固體吸附劑接觸時，在固體表面或內部發生容納氣體的現象，稱為吸附。其中被吸附的物質叫吸附質，起吸附作用的物質叫吸附劑。

吸附過程分為物理吸附和化學吸附兩種。物理吸附主要依靠分子間作用力（范德華力），吸附劑與吸附質的化學性質基本不變；化學吸附則主要依靠吸附質與吸附劑形成化學鍵，由于吸附鍵的結構影響，化學性質發生變化。

吸附作為一個傳質過程，有兩個階段，即外擴散和內擴散。（1）外擴散：從氣體的主體通過吸附劑顆粒周圍氣膜到顆粒表面；（2）內擴散：從表面進入空穴內部，有表面擴散和內部空間擴散。

1.23#6000空分分子篩再生（解吸）過程

再生是指吸附飽和后對吸附劑進行再生，恢復其吸附能力。

再生有兩種方法，加溫再生和降壓再生（壓力交變再生）。加溫再生利用吸附劑高溫時吸附容量降低的原理，把加溫氣體通入吸附層，使吸附層溫度升高，被吸附組分解吸，目前使用最為廣泛；降壓再生（壓力交變再生）則運用道爾頓分壓定律，在再生過程中降低吸附器內壓力，甚至抽真空，使被吸附分子的分壓降低，分子濃度降低，吸附在吸附劑表面的分子數目相應減小，達到再生目的。

1.3空氣純化系統

自預冷系統來的空氣 （表壓0.450～0.530MPa， 5.0～13.0℃）通過分子篩吸附器（MS1201/1202，立式雙層床），先由活性氧化鋁吸附掉空氣中的水份，然后由分子篩吸附掉空氣中的二氧化碳、乙炔及某些碳氫化合物后（經吸附后的空氣中二氧化碳含量小于2.0mL/m3），送入增壓膨脹機及精餾系統。

兩臺分子篩吸附器每4小時切換一次，一臺運行時，另一臺解吸再生。裝置正常生產時再生氣源使用來自精餾系統的污氮氣，在裝置開車初期和停車加溫后期，裝置無污氮氣時，再生氣源采用經另一組分子篩吸附器吸附后的空氣。

由于吸附熱的作用，出分子篩吸附器的空氣溫度會上升3～5℃，如圖1所示。

圖1　分子篩電加熱器流程圖

1.43#6000空分分子篩電加熱器作用

3#6000空分裝置電加熱器為分子篩再生時必須設備（其流程如圖1所示）。在分子篩加熱階段，自精餾塔來的污氮，首先經過蒸汽加熱器（SH1201）由低壓蒸汽對污氮進行加熱，使污氮出口溫度（TIC-1207）大概到170℃，然后再經過電加熱器（EH1201），對污氮進行加熱。污氮經過電加熱器加熱到180℃左右，進入分子篩，使分子篩進行再生。

原電加熱控制程序邏輯為：當污氮流量FIC-1202測量值≥5400m/h，若TIC-1207測量值還未達到170℃時手動啟動電加熱器加熱，使分子篩加熱充分；而當TIC-1207測量值達到190℃時電加熱器停止加熱。為保護電加熱器，在加熱步加熱程序同時判斷TIAS-1206（電加熱器中部溫度）。當TIAS-1206測量值達到HH報警時（HH設定值為315℃），加熱程序則強制停止電加熱器加熱。

1.53#6000空分分子篩目前存在的問題

原電加熱器控制程序在實際生產中發現存在缺陷，主要有以下幾個方面：

電加熱器啟動時必須有介質流過，否則電加熱器中部溫度會在一分鐘內達到600℃以上，如圖2所示。如果不及時切斷電加熱器電源，則會使電加熱器燒毀。在原程序中，程序限制了只在加熱步判斷當TIAS-1206測量值達到HH報警時 （315℃）停電加熱器，而在其他步驟不判斷。一旦電加熱器非正常啟動，即使電加熱器超溫，因為此時分子篩順控程序又不在加熱步，電加熱器將不會被強制停止加熱。這樣就會燒毀電加熱器。如：在2012年有一次電加熱器在打手動控制的情況下超溫未及時手動停止加熱，此時分子篩順控程序又不在加熱步無法自動停止加熱，溫度持續升高導致電加熱器被燒毀。

圖2　電加熱器中部溫度趨勢變化

因電加熱器只在加熱階段使用，而一旦程序進入冷吹步就會馬上切斷污氮進入電加熱器，導致加熱絲溫度驟然下降，使金屬材質的加熱絲驟熱驟冷，導致加熱絲材料性能變差，不利于延長電加熱器壽命。

3#6000空分裝置DCS系統為CENTUM-μxl，屬于上世紀80年代的DCS產品，自1997年投運，到2013年DCS改造前已經連續運行16年。因系統平臺為開放式平臺，操作工權限比較高，在操作權限下就可以更改儀表高、低限報警，而電加熱器控制參數都是由TICA-1207及FICS-1202高低限控制，一旦被錯誤更改，程序將無法正常運行。原來控制電加熱器程序不能正常運行的原因，就是因為操作工更改參數混亂所引起的。所以原電加熱器控制，一直使用手動控制，自動控制無法投用。而采用手動控制時，由于人的不可靠操作會導致物的不可靠狀態，故容易最終導致電加熱器被燒毀。

針對以上存在的問題，車間在 2013年對3#6000空分裝置DCS改造時與工藝一起對電加熱器程序進行優化。

2　優化3#6000空分電加熱器程序

2.1對安全性改造

將原程序中對電加熱器中部溫度只在加熱步判斷TIAS-1206是否超溫，修改為TIAS-1206只要一超溫 （315℃），則馬上切斷電加熱器電源停止加熱，不判斷是否在加熱步，不判斷分子篩狀態，也不判斷電加熱器手/自動控制模式。這樣就保證了電加熱器在任何情況下都不會超溫，安全運行。

2.2修改電加熱器在分子篩運行中的加熱時間

電加熱器一旦運行，則必須要保證始終有介質流過，以降低加熱絲溫度。但根據程序設計，從加熱步到冷吹步后必須要停止電加熱器，而這樣就會導致加熱器溫度驟降。經過與工藝溝通、協商后。工藝提供數據，經過反復實驗。決定在加熱控制程序中增加一個條件判斷：當加熱時間 （共4440s）達到4200s以后停止電加熱器。電加熱器停止后利用電加熱器余溫完成加熱。這樣不但能使能耗降低，且在加熱完成之前給操作人員一個判斷時間，處理電加熱器未停止的故障。另一方面電加熱器停止后，在剩余的240s時間內有介質流過，使其慢慢降溫，這樣就可以延長電加熱器的使用壽命。

2.3修改程序使其更加可靠

此次改造后將原有的CENTUM-μxl更新為HONEYWELLPKS系統。更新系統后將原電加熱器程序優化為在加熱階段首先打開FICS-1202調節閥，由污氮加熱，如果FICS-1202流量達到5400m/ h，而TICA-1207溫度仍未達到170℃，則自動打開電加熱器。而一旦TICA-1207溫度達到190℃，則自動停止電加熱器。在新系統中，對儀表高低限參數的修改設置了一個高的權限。在一般操作權限下不能修改參數。這樣就避免了因操作工手動修改高低限參數，而導致的電加熱器控制不能投自動的狀況。

3　節約成本計算

3#6000空分裝置電加熱器功率為365kw。分子篩4個小時再生一次即4h使用電加熱器一次，每天使用6次每次比原來少使用240s，即4min。

如此計算，則每天少使用時間為：（4/60）×6=0.4h

每天少使用的電量為：0.4h×365kw=146kw/h

假設每年因檢維修而停工的時間為15d。那么，每年節約電能：146度×350d=51100kw/h。若用電價格以 0.5元/kw/h計算，每年可節約用電費用：51100×0.5元/kw/h=25550元。

以上只是能夠量化的效益，此外通過優化程序還收獲了延長電加熱器的使用壽命、提高設備安全性等無形效益。

4　結論

通過對3#6000空分裝置分子篩電加熱器控制程序的優化，不但提高了設備的安全、可靠、穩定性，同時還降低了能耗，提高了經濟效益。此種方法為其他相似的設備控制提供了一種新的思考。只要堅持優化理念去不斷優化每一臺能夠優化的控制設備，即使單臺設備節能降耗，提高效益的程度不顯著。但是積少成多，以此可以為企業實現節能降耗、提高效益的整體目標做出貢獻。

TP311