电加热器在空分装置中的应用研究及故障分析

刘胜利

(新疆维美化工有限责任公司，新疆 巴音郭楞蒙古自治州841000)

0 引言

任何一套空分装置都有分子筛设备，而分子筛活化的好坏直接关系到下游液体产品的纯度，所以分子筛加热器成了决定产品质量的关键因素，一般设计有蒸汽加热器与电加热器。

分子筛电加热器的一个重要组成部分是晶闸管交流调功器，晶闸管交流功率控制器是国际电工委员会(IEC)命名的半导体交流功率控制器(Semiconductor AC Power Controller)的一种，它以晶闸管(可控硅SCR或双向可控硅TRIAC)为开关元件，是一种可以快速、精确地控制合闸时间的无触点开关，是温度自动控制系统高精度及高动态指标必不可少的功率终端控制设备。

1 电加热器在空分装置中的应用

我公司一期项目空分装置分子筛电加热器于2007年开始投用，到目前为止已运行了5年，其中电加热器本体电加热管共计43束，在连续运行之中先后更换5束。调功柜由苏州友明科技有限公司生产，包括万能断路器(DW15－1600)、周波控制器、晶闸管(反并联可控硅)、过电流保护、温度显示和控制仪表等部件。温度显示和控制采用先进的仪表，可实现PID或PID自适应等控制。

空分装置分子筛活化过程分为4个阶段，即加热、冷吹、升压、卸压。2台分子筛轮流使用，平均4 h为一个周期，加热温度关系到分子筛活化程度，关联液体产品的品质，所以电加热器在空分装置中至关重要。设计院设计的分子筛加热器有2台，一台是蒸汽加热器，另一台是电加热器，由于电加热器额定功率为1 000 k W，而在运行过程中的实际功率也达到了700 k W，属于耗能产品，因此不值得推广。设计电加热器的作用是为了在装置开停车时便于分子筛高温活化。考虑到我公司实际情况，蒸汽锅炉送出来的0.9 MPa蒸汽温度仅有150℃，而蒸汽加热器出口温度必须达到180℃才能满足分子筛的加热温度，鉴于新疆的特殊地理位置，冬季时南疆气温低至零下25℃，0.9 MPa蒸汽温度仅有130℃左右，根本不能满足工艺需要，所以此种情况必须长期投用电加热器。

2 故障分析及处理方法

由于运行了5年之久，电加热器控制系统的元器件也相应出现老化现象，周波控制器、温控仪、晶闸管、万能断路器相继出现失灵问题，本体的电加热管也出现击穿现象。鉴于此，现就我公司电加热器出现的几种故障情况作以下分析：

2.1 故障1

2010年分子筛电加热器在运行过程中出现不加热的现象：运行人员去配电室查看调功柜，发现万能断路器跳闸，检查后发现铜排有烧灼痕迹，随即将万能断路器重新合闸，电加热器投运正常。之后的几个月内对其运行进行监测，发现断路器铜排在运行过程中三相温度有差异，其中B相温度较A、C两相高15℃，断路器本身在运行时有异常声音，且跳闸频率越来越高，咨询厂家过后得知是断路器抖动所致。

万能断路器跳闸原因：过流；欠压；短路；上级有计费电表时，欠费跳闸；消防信号使其跳闸；习惯性跳闸(机械性磨损)；断路器抖动；断路器上电磁脱扣器设置电流过小。在众多原因中，符合我公司跳闸原因的可能是过流、短路、断路器抖动、断路器上电磁脱扣器设置电流过小等。

下面具体进行分析：(1)过流。通过监测断路器铜排温度有差异，得知是B相电流过大。(2)短路。断路器有短路保护跳闸的功能，频繁跳闸的原因有可能是本体电加热管电阻丝碰壳，即电阻丝接地。(3)断路器抖动。通过几个月的监测，万能断路器本体在运行时发出异响，是断路器本体抖动，这种情况属于制造工艺缺陷，需要更换断路器。(4)断路器上电磁脱扣器设置电流过小。电磁脱扣装置是作短路保护用，上面有1、3、4.5、6这4个刻度，是额定电流的倍数，一般都是设定为3～6倍额定电流，我公司只是按照出厂设定为1倍额定电流，有待调整。

分析完万能断路器跳闸原因后，电气检修人员对电加热器本体开盖检查，发现有5束加热管异常，分别测了加热电阻丝对地绝缘电阻及每一根电阻丝电阻值，得出结论：2束电加热管电阻丝碰壳，另外3束电加热管电阻丝阻值远远超出标准值(24Ω)。检修人员更换5束电加热管，随之更换万能断路器，重新投用电加热器后运行正常。

2.2 故障2

2011年初，分子筛电加热器在运行中加热温度只能达到140℃左右，而不能加热到设定温度190℃。电气检修人员在检查电加热管及万能断路器都完好的情况下，发现B相反并联可控硅的下面有铝渣，随即将晶闸管及散热片拆下来测量三极(阴极、阳极、门极)电阻值。一般完好的晶闸管(SCR)用万用表欧姆档测量各极时，控制极G与阴极K之间为低电阻(大约30～40Ω)，控制极G与阳极A之间为高电阻(无穷大)，阳极A与阴极K之间为高电阻(无穷大)。测量结果是：控制极G与阴极K之间电阻值无穷大，说明触发回路失效，即周波控制器门极不能触发，阴阳极不能导通，所以B相就没有输出。由于电加热管是三角形接线，这就使得加热温度只能达到140℃，检修人员更换一只晶闸管后运行正常。

2.3 故障3

2012年4月，分子筛电加热器在加热过程结束后炉膛温度还在迅速上涨，直至加热温度达到温控仪设定的跳闸温度后使断路器跳闸而停止加热。针对此种情况，在下一个加热周期结束后，用万用表电压档测量加热器的三相输出回路是否有电压。测量结果显示：C相输出回路与零排之间有220V电压，A、B相输出回路与零排之间电压为0。此结果说明C相晶闸管被击穿，刚好处于“常通”状态，不受门极回路触发就可以使晶闸管导通。更换晶闸管后运行正常。

2.4 故障4

2012年10月，分子筛电加热器在运行过程中出现新的故障，由于此装置配电室是无人值班室，工艺人员告知电加热器不能启动，电气值班人员随即去配电室查看，故障现象是：调功柜处于停运状态。重新启动调功柜后，低温阶段(190℃)加热正常，但是在继续加热到设定值220℃的过程中，发现加热温度达到210℃时，温控仪面板显示温度有跳跃性变动，幅度是15～30℃，偶尔会出现更大的峰值，且呈不规律状态。经过4个加热周期的观察，发现加热温度一旦达到200℃以上，温控仪面板显示温度就开始漂移，直至达到跳闸温度后将断路器跳开。电气人员将工作温度调整为190℃后的几个加热周期，除了偶尔一次跳闸外其余都正常。查看电气报警联锁审批表后得知：近期进入分子筛系统的气体介质含水量较大，工艺要求提高加热温度对分子筛系统高温活化，电气人员按照要求将工作温度设置为220℃，报警温度设置为230℃，跳闸温度设置为250℃，调整后并运行近一周时间方出现此种故障现象。电气人员初步怀疑温控仪显示出错，使用校验仪测试后仪表正常；随即怀疑电加热器本体上的温度探头(热电耦)在高温状态连续运行5年之久可能出现测量错误，经校验发现热电耦测量值偏差过大，更换过后电加热器运行正常。

3 结语

以上几种故障是这5年多以来我公司分子筛电加热器在运行中所发现的问题，在科技进步如此迅速的今天，我公司一期装置所使用的调功系统万能断路器已不能适应目前的发展需要，因此二期装置所使用的加热系统已分为固定加热组与调功组，从而大大降低了故障停运的几率。

[1]晶闸管交流调功器说明书(修改版)

[2]周波控制器使用手册