通过优化3#6000空分装置电加热器控制程序降低能耗、提高设备安全性

刘　飒，何家辉

（兰州石化公司，甘肃 兰州730000）

通过优化3#6000空分装置电加热器控制程序降低能耗、提高设备安全性

刘飒，何家辉

（兰州石化公司，甘肃 兰州730000）

本文通过3#6000空分分子筛吸附过程的基本原理、再生（解吸）过程、分子筛简单流程描述。分析了目前3#6000空分分子筛电加热器控制中存在的问题，并提出了解决方案。通过方案实施降低了能耗，提高了设备的安全性。

分子筛；电加热器；程序优化

1　背景

1.13#6000空分分子筛吸附过程的基本原理

当气体与固体吸附剂接触时，在固体表面或内部发生容纳气体的现象，称为吸附。其中被吸附的物质叫吸附质，起吸附作用的物质叫吸附剂。

吸附过程分为物理吸附和化学吸附两种。物理吸附主要依靠分子间作用力（范德华力），吸附剂与吸附质的化学性质基本不变；化学吸附则主要依靠吸附质与吸附剂形成化学键，由于吸附键的结构影响，化学性质发生变化。

吸附作为一个传质过程，有两个阶段，即外扩散和内扩散。（1）外扩散：从气体的主体通过吸附剂颗粒周围气膜到颗粒表面；（2）内扩散：从表面进入空穴内部，有表面扩散和内部空间扩散。

1.23#6000空分分子筛再生（解吸）过程

再生是指吸附饱和后对吸附剂进行再生，恢复其吸附能力。

再生有两种方法，加温再生和降压再生（压力交变再生）。加温再生利用吸附剂高温时吸附容量降低的原理，把加温气体通入吸附层，使吸附层温度升高，被吸附组分解吸，目前使用最为广泛；降压再生（压力交变再生）则运用道尔顿分压定律，在再生过程中降低吸附器内压力，甚至抽真空，使被吸附分子的分压降低，分子浓度降低，吸附在吸附剂表面的分子数目相应减小，达到再生目的。

1.3空气纯化系统

自预冷系统来的空气 （表压0.450～0.530MPa， 5.0～13.0℃）通过分子筛吸附器（MS1201/1202，立式双层床），先由活性氧化铝吸附掉空气中的水份，然后由分子筛吸附掉空气中的二氧化碳、乙炔及某些碳氢化合物后（经吸附后的空气中二氧化碳含量小于2.0mL/m3），送入增压膨胀机及精馏系统。

两台分子筛吸附器每4小时切换一次，一台运行时，另一台解吸再生。装置正常生产时再生气源使用来自精馏系统的污氮气，在装置开车初期和停车加温后期，装置无污氮气时，再生气源采用经另一组分子筛吸附器吸附后的空气。

由于吸附热的作用，出分子筛吸附器的空气温度会上升3～5℃，如图1所示。

图1　分子筛电加热器流程图

1.43#6000空分分子筛电加热器作用

3#6000空分装置电加热器为分子筛再生时必须设备（其流程如图1所示）。在分子筛加热阶段，自精馏塔来的污氮，首先经过蒸汽加热器（SH1201）由低压蒸汽对污氮进行加热，使污氮出口温度（TIC-1207）大概到170℃，然后再经过电加热器（EH1201），对污氮进行加热。污氮经过电加热器加热到180℃左右，进入分子筛，使分子筛进行再生。

原电加热控制程序逻辑为：当污氮流量FIC-1202测量值≥5400m/h，若TIC-1207测量值还未达到170℃时手动启动电加热器加热，使分子筛加热充分；而当TIC-1207测量值达到190℃时电加热器停止加热。为保护电加热器，在加热步加热程序同时判断TIAS-1206（电加热器中部温度）。当TIAS-1206测量值达到HH报警时（HH设定值为315℃），加热程序则强制停止电加热器加热。

1.53#6000空分分子筛目前存在的问题

原电加热器控制程序在实际生产中发现存在缺陷，主要有以下几个方面：

电加热器启动时必须有介质流过，否则电加热器中部温度会在一分钟内达到600℃以上，如图2所示。如果不及时切断电加热器电源，则会使电加热器烧毁。在原程序中，程序限制了只在加热步判断当TIAS-1206测量值达到HH报警时 （315℃）停电加热器，而在其他步骤不判断。一旦电加热器非正常启动，即使电加热器超温，因为此时分子筛顺控程序又不在加热步，电加热器将不会被强制停止加热。这样就会烧毁电加热器。如：在2012年有一次电加热器在打手动控制的情况下超温未及时手动停止加热，此时分子筛顺控程序又不在加热步无法自动停止加热，温度持续升高导致电加热器被烧毁。

图2　电加热器中部温度趋势变化

因电加热器只在加热阶段使用，而一旦程序进入冷吹步就会马上切断污氮进入电加热器，导致加热丝温度骤然下降，使金属材质的加热丝骤热骤冷，导致加热丝材料性能变差，不利于延长电加热器寿命。

3#6000空分装置DCS系统为CENTUM-μxl，属于上世纪80年代的DCS产品，自1997年投运，到2013年DCS改造前已经连续运行16年。因系统平台为开放式平台，操作工权限比较高，在操作权限下就可以更改仪表高、低限报警，而电加热器控制参数都是由TICA-1207及FICS-1202高低限控制，一旦被错误更改，程序将无法正常运行。原来控制电加热器程序不能正常运行的原因，就是因为操作工更改参数混乱所引起的。所以原电加热器控制，一直使用手动控制，自动控制无法投用。而采用手动控制时，由于人的不可靠操作会导致物的不可靠状态，故容易最终导致电加热器被烧毁。

针对以上存在的问题，车间在 2013年对3#6000空分装置DCS改造时与工艺一起对电加热器程序进行优化。

2　优化3#6000空分电加热器程序

2.1对安全性改造

将原程序中对电加热器中部温度只在加热步判断TIAS-1206是否超温，修改为TIAS-1206只要一超温 （315℃），则马上切断电加热器电源停止加热，不判断是否在加热步，不判断分子筛状态，也不判断电加热器手/自动控制模式。这样就保证了电加热器在任何情况下都不会超温，安全运行。

2.2修改电加热器在分子筛运行中的加热时间

电加热器一旦运行，则必须要保证始终有介质流过，以降低加热丝温度。但根据程序设计，从加热步到冷吹步后必须要停止电加热器，而这样就会导致加热器温度骤降。经过与工艺沟通、协商后。工艺提供数据，经过反复实验。决定在加热控制程序中增加一个条件判断：当加热时间 （共4440s）达到4200s以后停止电加热器。电加热器停止后利用电加热器余温完成加热。这样不但能使能耗降低，且在加热完成之前给操作人员一个判断时间，处理电加热器未停止的故障。另一方面电加热器停止后，在剩余的240s时间内有介质流过，使其慢慢降温，这样就可以延长电加热器的使用寿命。

2.3修改程序使其更加可靠

此次改造后将原有的CENTUM-μxl更新为HONEYWELLPKS系统。更新系统后将原电加热器程序优化为在加热阶段首先打开FICS-1202调节阀，由污氮加热，如果FICS-1202流量达到5400m/ h，而TICA-1207温度仍未达到170℃，则自动打开电加热器。而一旦TICA-1207温度达到190℃，则自动停止电加热器。在新系统中，对仪表高低限参数的修改设置了一个高的权限。在一般操作权限下不能修改参数。这样就避免了因操作工手动修改高低限参数，而导致的电加热器控制不能投自动的状况。

3　节约成本计算

3#6000空分装置电加热器功率为365kw。分子筛4个小时再生一次即4h使用电加热器一次，每天使用6次每次比原来少使用240s，即4min。

如此计算，则每天少使用时间为：（4/60）×6=0.4h

每天少使用的电量为：0.4h×365kw=146kw/h

假设每年因检维修而停工的时间为15d。那么，每年节约电能：146度×350d=51100kw/h。若用电价格以 0.5元/kw/h计算，每年可节约用电费用：51100×0.5元/kw/h=25550元。

以上只是能够量化的效益，此外通过优化程序还收获了延长电加热器的使用寿命、提高设备安全性等无形效益。

4　结论

通过对3#6000空分装置分子筛电加热器控制程序的优化，不但提高了设备的安全、可靠、稳定性，同时还降低了能耗，提高了经济效益。此种方法为其他相似的设备控制提供了一种新的思考。只要坚持优化理念去不断优化每一台能够优化的控制设备，即使单台设备节能降耗，提高效益的程度不显著。但是积少成多，以此可以为企业实现节能降耗、提高效益的整体目标做出贡献。

TP311