電加熱器在分子篩純化系統中的應用

張曉鋒

（伊犁新天煤化有限責任公司，新疆伊犁835000）

在現代制氧生產中，分子篩吸附器內分子篩再生氣的加熱方式主要采用蒸汽加熱和電加熱兩種。蒸汽加熱成本比電低，但是蒸汽的供給和熱量受距離等多方面因素影響，通常壓力不足或溫度較低，從而影響分子篩再生效果，且蒸汽加熱器還可能發生泄漏，污染分子篩。而電加熱器加熱效果穩定、易調節，安全，其設備成本也比蒸汽加熱器低。所以，電加熱器被廣泛應用于加熱分子篩再生氣，某廠一期項目10 000 m3/h空分設備分子篩純化系統再生熱源在最初設計時是由一臺蒸汽加熱器和一臺電加熱器來提供，其中蒸汽加熱器作為主要加熱設備，電加熱器備用，后來由于蒸汽品質不合格改成以電加熱器為主，蒸汽加熱器備用，在冬季溫度較低時也兩臺加熱器串聯使用。

1 電加熱器的工作原理

某廠一期項目分子篩電加熱器功率為1 000 kW，現場有43組三相電加熱管，電源由某廠家一臺型號為YYY的調功柜供給，其主電路如圖1所示。

加熱器正常工作時可以根據用戶的要求在溫控器上設定一個目標溫度，現場溫度變送器將采集到的實際的爐口溫度送到溫度控制器，溫度控制器根據現場送回來的溫度和目標溫度進行對比后輸出一個直流信號（4～20 mA）給周波器，周波器則根據這個信號的大小，對晶閘管進行調功控制，確定每一個運行周期晶閘管輸出周波數，如實際爐溫遠離設定溫度，溫度顯示控制儀輸出控制信號電流最大（20 mA），周波控制器接受這個信號后則使晶閘管在運行周期內全部導通，加熱器以最大功率升溫。

圖1 電加熱器主電路圖

如果爐溫接近目標溫度，溫度顯示控制儀輸出電流便減小，例如減小到12 mA時，周波控制器將使晶閘管在運行周期里導通50%，關斷50%。

此時面板指示加熱功率為50%，越接近設定溫度，溫度顯示控制儀輸出電流越小，在保溫時加熱功率只補充爐子散失的熱量，使爐溫保持在設定溫度，例如溫度顯示控制儀輸出7.2 mA，此時面板指示加熱為20%，周波控制器以控制周期內輸出周波的多少達到控制加熱器功率。

1.1 晶閘管調功的主要原理

電加熱器調功的核心是雙向晶閘管，晶閘管導通需要具備兩個條件：一是晶閘管必須加正向電壓，二是控制極必須加適當觸發電壓。由此便產生出兩種晶閘管觸發控制方式；移相觸發控制和過零觸發控制。由于移相觸發控制方式會產生比較嚴重的奇次諧波，在實際應用中，晶閘管導通瞬間容易產生電壓變化，功率因數也因此而下降，會影響電網上其他用電設備的正常運行。而過零觸發控制方式產生的諧波很小，因此，電加熱器晶閘管調功多采用過零觸發控制方式。

晶閘管過零觸發控制就是在電源電壓零點附近觸發晶閘管導通之后，通過改變設定周期內晶閘管導通的周波數，實現交流調壓和調功，其調節波形如圖2所示。

圖2 晶閘管過零觸發控制調節波形圖

圖2中，Tc為控制信號的周期，t1和t2分別為晶閘管的導通、斷開時間，而且Tc=t1+t2。

該電路是通過改變晶閘管的導通、斷開時間比，即改變導通、斷開的周波數來實現輸出功率的調節。

1.2 溫度控制器

XMT-7系列溫度控制器在投用狀態下，上排顯示窗顯示被控對象的測量值，下排副顯示窗顯示當前設定的主回路控制值，各指示燈根據設置值和測量值之間的偏差情況，經內部計算機運算后指示各路輸出的工況。

溫度控制器儀表可分二級參數設置。常用的自動控制值為一級參數設置，包括控制值設定以及報警溫度和跳閘溫度設定，修正控制品質的PID值、手動輸出值等為二級參數設置。

1.3 周波控制器

周波控制器又稱晶閘管交流調功器，是半導體功率控制器的一種，是國際流行的新型無觸點功率控制器，其可與各種控溫儀表，雙向晶閘管組成先進的PID調溫系統。按其輸出的周波特點，可分為定周期和變周期兩種類型。

周波器在整個回路中負責給雙向晶閘管觸發信號，一般開車前應先將周波器放在“手動”位置，檢查手動調節是否與功率輸出百分比一致，待正常后再打到“自動”位置，此時周波控制器將根據控溫儀表輸出信號自動操作。

2 電加熱器常見故障案例及處理方法

2.1 晶閘管擊穿

1）故障經過

分子篩電加熱器在運行當中出現溫度達到設定值后仍然持續上漲的現象，檢查現場調功柜控制回路正常、電加熱器內部加熱管絕緣良好，電加熱器溫度控制器設定正常，周波器、輸出繼電器、故障燈等無異常，電氣柜內無故障無報警。

再次啟動分子篩電加熱器，在加熱初期運行正常，當溫度達到設定值后溫度就不受控制，將周波器打倒“手動”位置，功率輸出調節為零，溫度仍持續上升。關閉電加熱器開關柜電源，用萬用表測晶閘管陰極和陽極之間電阻為零，判斷為晶閘管被擊穿（見圖3）。

圖3 被擊穿的晶閘管

2）原因分析

正常情況下晶閘管陰極和陽極之間電阻很大，陰極和門極之間電阻在幾千歐姆，陽極和門極之間電阻為5～100Ω，通電狀態下當門極接受到觸發信號時，陰陽極之間導通，現場負載得電工作，維美化工一期電加熱器滿載運行時相電流為1 000 A左右，晶閘管由于長期大電流運行，受高溫和振動等影響，出現擊穿現象。

3）處理措施

（1）對燒壞的晶閘管進行更換，在更換時一定要注意其陰陽極安裝方向。

（2）晶閘管上安裝散熱能力更大的散熱風扇。

（3）在日常工作中監視晶閘管運行溫度，并定周期對晶閘管進行更換。

2.2 現場電加熱管絕緣破壞

1）故障經過

分子篩電加熱器在運行當中溫度到達130℃后不再上升（設定目標溫度為190℃），電流波動很大，萬能斷路器頻繁跳閘，溫控器、周波器顯示滿功率輸出，電氣柜內無故障無報警。

從調功柜出線端解開出線，對每組電加熱管進行絕緣測試，相間電阻正常，均在15Ω左右，其中26組，38組兩組管子對地絕緣為零，其余組對地絕緣正常。

打開電加熱器本體，找到絕緣較低的兩組管子發現在管子中間位置有明顯電弧燒傷破損，石英砂外漏，電阻絲已經和外殼接觸，圖4為現場電加熱管分布及接線圖。

圖4 現場電加熱管分布及接線

2）原因分析

電加熱器本體正常運行時溫度最高可達到200℃，加熱管電加熱絲和外殼之間采用填充石英砂隔離的方法絕緣，在長期高溫運行情況下有個別加熱管因質量或工況差異，絕緣會被破壞，出現接殼故障。

3）處理措施

（1）對絕緣不合格的加熱管進行更換。

（2）對加熱器接線端子進行防氧化處理。

2.3 溫度控制器故障

1）故障經過

分子篩電加熱器在運行當中溫度已經達到設定值但溫度仍在上漲，溫度控制器全信號輸出，周波器顯示滿功率運行。

檢查三組晶閘管正常，電加熱器絕緣良好，校驗溫控器：用信號源在溫控器熱電偶進線處直接加溫度信號，發現溫控儀盤上的顯示與實際給定值一致，證明溫控儀工作正常，調校周波器：從溫控儀上手動給定溫度輸出信號，溫控器的輸出信號和周波器響應信號大小一致，周波器正常。所有儀表檢查完后，初步懷疑是溫控器和周波器在配合上有問題。

2）原因分析

工藝工況可能會隨氣候、溫度等條件發生變化，在不同時期加熱器進氣的流速、壓力、狀態可能都會有所變化，這時以前設定的控制器PID值在調節上可能出現響應滯后，導致溫控儀和周波器在配合上出現問題。

3）處理措施

（1）啟用溫控器自整定功能（見圖5），運行電加熱器，系統經過三次震蕩后，計算出較為理想的PID參數值，運行恢復平穩。

圖5 自整定中的儀表

（2）定期對相關儀表進行效驗，以保證其正確性和靈敏性。

3 技術改造

某廠一期項目分子篩電加熱器由于長時間高溫、大電流運行，設備老化較快，運行當中故障頻發，后經多方調研和討論后對其進行了技術改造，對原有調功柜進行拆除，新系統采用一個調功柜和兩組固定柜供電，原負荷43組電加熱管由調功柜帶15組，其余兩組固定柜各帶14組，改造后的加熱器將負荷平均分配到了3組供電柜上，避免了大電流通過晶閘管，大大的降低了晶閘管損壞的風險，給日常生產和檢修帶來了極大方便。

4 存在問題

改造后的電加熱器從近兩年來的運行情況來看比較穩定，但仍然存在一些問題需要下一步繼續改進。

4.1 溫度可調范圍不完整

1）存在問題

改造前的加熱器由調功柜單獨供電，所以溫度的可調范圍是0～目標溫度，但新系統由兩組固定組和一組調功組供電，所以它的溫度可調范圍存在盲區，我們假設每個柜子可提供溫升為70℃，那么新系統的可調范圍為140～210℃，如果用戶需要低于140℃的某個目標溫度，將無法實現。

2）改善方案

可以在調功柜上增加一個擋位轉換開關，將加熱器分為3擋，第1擋投用調功柜，固定柜不運行，可調范圍為0～70℃，第2擋投用調功柜和一組固定柜，可調范圍為70～140℃，第3擋投用調功柜和兩組固定柜，可調范圍為140～210℃，這樣就可以實現0～目標溫度的完整可調，正常運行時將轉換開關調到3擋，當用戶有特殊要求時再切換到其他兩擋。

4.2 信號沒有反饋到后臺系統

1）存在問題

加熱器的運行參數監測是保證其正常運行的基礎，某廠一期項目在建設電氣自動化后臺系統時沒有將加熱器的運行信號、運行溫度、故障報警等電氣參數引入后臺，電氣值班人員無法監測到其運行情況以及及時發現故障。

2）改善方案

利用大修停車機會對其進行改造，將各項參數引進后臺。

5 結語

通過對電加熱器實際應用當中一些常見故障的正確分析及處理改造，使電加熱器恢復了正常運行，對電加熱器存在的新問題提出了改善方案，對保證分子篩純化系統的再生，避免了空分設備停車事故發生起到了重大意義。