電加熱器在武漢分站原級標準裝置中的應用

曹然偉

（中國石化天然氣分公司計量研究中心，湖北武漢 430073）

0 引言

根據 JJG 1030—2007《超聲流量計》，JJG 1037—2008《渦輪流量計》等檢定規程中要求：開展流量計檢定、校準用天然氣組分要相對穩定，且在檢定過程中，天然氣的溫度變化量應不超過±0.5℃。天然氣的組成、溫度等各影響因素變化將直接影響測量準確度，因此，為確保檢定、校準過程中天然氣溫度接近工況，需對天然氣進行加熱升溫至檢定所需溫度，以降低溫度測量因素引起的測量誤差[1-3]。

電加熱相對于傳統的蒸汽加熱、水套爐加熱等加熱方式來說，具有加熱時間短，延遲時間短，占地面積較小，清潔以及自動化控制等優點，電加熱器能夠對工藝介質直接加熱，也可加熱傳熱介質，再由傳熱介質將熱量傳遞給工藝介質。電加熱器在天然氣加熱的實際應用中一般最大負荷不超過600 kW，因此，天然氣加熱用電加熱器在小負荷工況中應用較為普遍[4-6]。武漢分站采用電加熱器方式進行溫度控制。

1 工作原理及結構特點

電加熱器包括加熱管、法蘭、隔離管、接線盒、外殼體、控制柜。電加熱器的內部設有均勻布置的U形管狀電熱元件，溫度檢測傳感器以及固定板等，進入容器內的天然氣在加熱區內被電熱元件進行分級加熱，隔熱段位于加熱區與接線盒之間，主要作用是在加熱區和接線盒之間隔熱，以防止電熱元件接線柱長期在高溫條件下性能發生改變。電熱元件的電源接線及分組全部在接線盒內完成。加熱器的加熱管材料為SS321，電熱絲為鎳鉻合金，絕緣材料為高溫絕緣氧化鎂粉。

加熱器控制系統可根據設定的溫度，結合進入加熱器前的流量和溫度參數，控制器能精確計算所需加熱功率，通過晶閘管整流實現智能控制。在加熱器啟動時，為了避免對電網造成嚴重的沖擊，需采取分組啟動，而且每組啟動時由晶閘管控制進行柔性啟動，使加熱器對電網沖擊減至最小。

為保證安全和加熱精度，加熱器配備加熱原件過熱保護傳感器、加熱器殼體溫度監測傳感器和出口介質溫度監測傳感器，傳感器類型為PT100。過熱保護和殼體監控傳感器測得溫度一旦超過設定溫度，溫控儀表動作，發出超溫報警信號，同時控制、切斷電源，以保證整套設備的安全可靠。出口介質溫度傳感器主要用于介質溫度監測，為控制介質溫度提供反饋。介質溫度傳感器將溫度信號傳入控制器，與系統內設定溫度進行比對，然后根據比對結果通過晶閘管自動調節加熱器的功率，使最終出口溫度穩定為設定值，實現自動控制。加熱器外殼體為材料為SS321無縫鋼管，設計壓力不低于10 MPa，筒體法蘭選用帶頸突面法蘭，便于現場安裝與調試。

2 現場應用

國家石油天然氣大流量計量站武漢分站（簡稱武漢分站）是國內第一個建有HPPP（High Pressure Piston Prover）天然氣計量原級標準裝置的檢定站，該裝置采用標準容積法原理，量值溯源至國家長度基準和時間基準，為天然氣計量檢定工作級標準提供量值傳遞，該裝置設計壓力 10 MPa，流量范圍，擴展不確定度：0.07%（k=2）。武漢分站檢定用氣來自川氣東送干線，天然氣經過濾分離器后，通過調壓閥組將壓力調整至檢定工作所需壓力并進行穩定性控制，最后進入檢定工藝流程。由于高壓天然氣經過調壓引起的焦耳—湯姆遜效應，故需在調壓系統前設置加熱系統，對檢定氣源進行加熱處理以滿足原級標準裝置對氣源的溫度要求。

Watlow（瓦特隆）的法蘭式電加熱器用于武漢分站原級標準裝置檢定氣源的加熱升溫。其過程為：天然氣先進加熱器升溫至所需溫度，而后進入原級標準裝置，加熱器滿足天然氣壓力和節流降壓工況加熱升溫熱負荷的要求，溫度控制滿足在數據采集過程中，氣體溫度波動10 min內應控制在，1 h內波動范圍在。

3 性能和特點

Watlow的法蘭式電加熱器由加熱器芯、壓力容器和低壓控制柜等3部分組成。低壓控制柜主要功能是配合用戶的DCS/SIS一起，提供電加熱器的（本地或遠程）啟動和停止、報警及聯鎖保護功能，滿足用戶對工藝溫度的控制要求。電加熱器技術指標見表1。

表1 電加熱器技術指標

電加熱器占地面積較小，換熱快，通過改變加熱管功率來實現溫度調節，電加熱器控制柜設置啟、停接口、電加熱器運行狀態及溫控設定、溫度顯示、超溫報警信號等。溫控為獨立自動控制、恒溫控制。電氣保護在電柜內部實現，采用可控硅無級調功控制，可實現電加熱器功率在的調節。日常運行、維護操作簡單，諧波采用三相過零（周波）觸發，也可移相觸發，電氣控制柜具有常規的電氣保護措施（短路、缺相、過流、過熱），自身安全保護措施完善，自動化控制水平較高。

4 日常使用維護

通常情況下，法蘭式電加熱器的設計預期運行壽命約（15～20）a。在電加熱器正式投運后，定期、有計劃的對電加熱器各個部件、各項功能進行維護檢查，不但可以及時發現安全隱患，保證設備安全，延長加熱器使用壽命；還能有效降低故障停機的可能性，從而保證用戶生產裝置的穩定運行，提升經濟效益。

武漢分站投用的電加熱器主要用于原級標準裝置對工作級標準裝置進行量值傳遞和開展測試實驗期間，并非24 h長期運行，由于開機時間短，使用頻次低，再加上武漢地區空氣濕度大，為此專門制定了日常維護方案，來確保電加熱器處于正常運行狀態。

4.1 電加熱器主體

每3個月邀請廠家工程師檢查加熱器相間電阻和絕緣是否正常；檢查加熱器接線盒內線路連接件，確保連接件緊固、無氧化層固結，同時無灰塵或污物積聚。必要時，檢查加熱器接線盒內電氣接線端是否出現銹蝕、污物或灰塵。如有銹蝕，請使用鋼絲絨（或同類工具）進行清除，然后利用干燥無油空氣徹底吹凈。

4.2 控制柜

每3個月檢查清潔控制盤內灰塵和異物；檢查控制盤三相電壓指示是否正常；使用測試按鈕檢查所有指示燈是否正常；檢查所有保護元器件是否工作正常（包括漏電保護，高溫保護等）；檢查控制盤是否有異味、異音。

5 結論

（1）考慮到高壓天然氣經過調壓引起的焦耳—湯姆遜效應，為降低溫度測量因素引起的測量誤差，在加熱負荷的小工況中可以采用電加熱方法控制天然氣溫度的下降。

（2）電加熱器在武漢分站的應用，對氣源進行加熱升溫，滿足了原級標準裝置對檢定氣源溫度要求。

（3）針對武漢分站電加熱器，為保持加熱器絕緣電阻值在合理范圍內，須做好設備運行計劃，每2個月啟動加熱器運行一段時間，使得加熱器的絕緣電阻值維持在一個較理想的范圍，從而在生產需要時隨時可開機運行。