乙烯装置电加热器预防性维护
日期：2008-11-14 22:52:56 来源：中国自动化网
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1 引言
燕山石化炼油厂30000Nm3/h干气提浓乙烯装置从催化装置副产气—— 干气中提取C2+组分，为裂解装置提供价值较高乙烯原料。该套装置脱氧系统、脱砷系统共有四台电加热器:E-402(600kW)、E-404(560kW)、E-406(500kW)、E-407(200kW)。其中E-404为再生气电加热器，在脱氧干燥系统中负责再生气的加热，该电加热器自投用以来运行状态一直不稳定，出口温度不能稳定下来，平均每5min就会出现一次内部超温报警，电加热器自保停机，每次停机后需要人工现场复位，等待内部温度降到设定温度后才能重新启动，严重影响生产和产品质量的稳定，同时也大大增加了操作工的维护强度。电加热器E-404出口温度控制120℃，设定内部超温报警温度为200℃，加热过程中，在出口温度没有达到控制温度情况下，由于内部温度很快达到报警温度，导致电加热器自保停止加热，此时内部温度仍保持一段时间后才能降到设定值以下，经现场复位后重新启动加热，这样为了维持电加热器的加热过程，需要频繁地去现场复位、启动，导致如下问题:
加热温度波动大，出口温度难以保证，再生效果变差，影响产品质量。
由于电加热器频繁启动，大约5~10min需要复位启动一次，造成电加热器控制部件频繁动作，影响电气元件使用寿命。
操作员劳动强度大，由于电加热器每次自保停机，都需要操作人员去现场复位、重新启动，劳动强度大，不利于安全生产。
2 电加热器原理分析
2.1 电加热器工作原理
待加热的气体介质从电加热器的壳程入口进入，沿着电加热器内部换热流程，吸收电加热元件表面散发出的热量，在电加热器出口获得满足工艺要求的介质，如图1所示。其中的电加热元件(见图2)是电加热器的关键部件，一般为管状金属壳，外部为INCOLOY不锈钢管，内部绝缘材料为高纯的结晶氧化镁粉，经过高温烧结，在800℃的高温下仍能保持良好的绝缘性能和介电强度。
2.2 电加热器控制原理
(1) 为保证电加热器的安全运行，电加热器设有如下控制功能:
●出口温度控制采用PLC或可控硅控制，根据出口温度变化情况，调节电加热器热功率的输出，确保出口温度满足工艺要求。
●内部温度监测，为保护电加热器电加热元件，在电加热器内部设置电加热元件表面温度监测，当超过设定温度时，电加热器自动停机，确保电加热器不干烧。
● 气体流量监测，在电加热器入口管道上安装流量计，监测气体流量，一旦流量低于设定值，电加热器自动停机，防止电加热器干烧，保护加热元件。
●电加热器具有常规的电气保护如短路保护、过载保护、温度保护。
●电加热器安装在现场危险环境，控制系统安装在正压防爆柜中。
●电加热器与室内DCS有信号联系，电加热器运行状态、故障停车在DCS上显示。
(2) E-404控制逻辑
图3是电加热器E-404的电气原理图。该电加热器额定功率为560kW,分为11组加热元件，分别为9组56kW和2组28kW，11组加热元件组分为两路，分别由两个断路器送电，但在内部由PLC按11组顺序控制。
图4是二次控制回路。图5是PLC控制逻辑。温控表ST1采集到加热器出口温度(1Pt100)，经PID调功后输出功率信号(4-20mA)到PLC的A/D模块，再由CPU控制加热器的输出功率(0-560kW),通过固态继电器控制接触器的通断，每组加热元件间隔一定时间后投用。
温度报警仪ST2监测电加热器内部温度(2Pt100），当内部温度超过设定值时，控制回路报警停止加热并自锁，此后必须等内部温度降到设定值以下，人工复位，加热器才能重新启动。
流量报警仪ST3检测电加热器入口气体流量，当流量低于设定值时，电加热器按顺序停止各回路加热，只有当流量恢复到设定值以上时，电加热器才能自动启动。对于E-404来说，流量还控制着电加热器的启动和停止，当有流量时电加热器启动并加热，当不需要加热时，程控阀关闭，没有气体进入电加热器，流量为零，电加热器自动停止加热，一旦需要加热时，由流量控制电加热器自动启动。
3 问题分析及解决措施
3.1 电加热器分析
针对出现的问题，先后采取多种措施进行检查和试验。
(1) 检查出口温度热电阻、内部温度热电阻、入口流量计，输出信号都正确。
(2) 检查温控仪ST1、温度报警仪ST2以及流量报警仪ST3，参数设置正常，通过调整ST1 PID参数也无法消除故障。
(3) 将内部报警温度设定值调高(300℃甚至更高)，在加热过程中，内部温度逐渐上升，最后仍超过设定值，问题依然存在。
电加热器每组加热元件的投用和停用是由PLC根据出口温度控制固态继电器的按顺序通断，从而每组加热元件是否启运和停止，当检测到出口温度低于控制温度时，11组加热元件依次启动，加热负荷上升，出口温度升高;当出口温度超过控制温度时，加热元件又依次停止加热，加热负荷降低，出口温度降低;通过控制投用加热元件组数，保证电加热器出口温度满足工艺要求。
电加热器内部温度热电阻的安装位置，该热电阻安装在接近电加热器出口某组电加热元件附近，所测温度为其附近的最高温度(热元件表面温度)。内部超温报警是为了防止由于电气故障如某一根发热元件因电压过高出现超温而设置的，如果电加热器工作正常，该温度应和电加热器出口温度接近或稍高(几度到几十度，这可以和其他几台电加热器运行情况比较得到)，E-404出口温度控制120℃，内部超温报警温度设定提高到300℃，仍出现超温报警问题，而且在加热器停止加热后，该温度仍能逐渐降下来，说明该温度测量值正确，但该热电阻是否存在问题，由于开工状态下无法打开检查，所以无法确认。
3.2 工艺分析
TSA干燥工艺中，共有2台干燥器，每个干燥器要经过A(吸附)、D(逆放)、H(加热)、C(冷却)、RF(充压)5个过程，时序见附表。E-404为再生气电加热器，负责向TSA干燥过程加热工序中提供热源。
根据时序表可知，E-404的工作方式为间歇式，在一个干燥器再生过程中，需要加热3.5小时，然后冷却3.5小时，加热工程中，原设计加热气体为再生废气，设计流量为5000Nm3/h，改造后加热气体为半产品气，设计流量为2000Nm3/h。冷却过程中，流经电加热器的气体流量为0，电加热器自动关断，气体走电加热器旁路。气体是否通过电加热器由程控阀控制，电加热器是否启停由电加热器是否通过气体决定。
由于工艺流程变动，加热气体流量降低，气体进入电加热器后，流速变小，由于折流的原因，某些部位流速更低，这样在电加热器这些部位可能出现局部温度上升，而出口温度变化较缓，对于电加热器控制来说，当检测到出口温度低于设定值时，就依次投用各电加热元件，而当出口温度高于设定值时，就依次停用各组电加热元件，直到出口温度达到要求的温度，由于有较大的热惯性，在调整电加热元件起停过程中，内部温度由于局部超温而发生自保停机，出口温度达不到要求，而内部温度又频繁超温的恶性循环。
由以上关于电加热器工作原理、以及工艺设计分析，认为加热气体流量降低，电加热器热负荷偏大，存在较大的热惯性是电加热器不能正常工作的主要原因，同时由于电加热器间歇操作，在气体刚刚进入加热器时，气体流量小，出口温度低，加热元件全部投入，加热元件表面温度迅速升高，在出口温度没有达到控制要求前，发生内部温度超温自保停止加热。
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燕山石化炼油厂30000Nm3/h干气提浓乙烯装置从催化装置副产气—— 干气中提取C2+组分，为裂解装置提供价值较高乙烯原料。该套装置脱氧系统、脱砷系统共有四台电加热器:E-402(600kW)、E-404(560kW)、E-406(500kW)、E-407(200kW)。其中E-404为再生气电加热器，在脱氧干燥系统中负责再生气的加热，该电加热器自投用以来运行状态一直不稳定，出口温度不能稳定下来，平均每5min就会出现一次内部超温报警，电加热器自保停机，每次停机后需要人工现场复位，等待内部温度降到设定温度后才能重新启动，严重影响生产和产品质量的稳定，同时也大大增加了操作工的维护强度。电加热器E-404出口温度控制120℃，设定内部超温报警温度为200℃，加热过程中，在出口温度没有达到控制温度情况下，由于内部温度很快达到报警温度，导致电加热器自保停止加热，此时内部温度仍保持一段时间后才能降到设定值以下，经现场复位后重新启动加热，这样为了维持电加热器的加热过程，需要频繁地去现场复位、启动，导致如下问题:
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加热温度波动大，出口温度难以保证，再生效果变差，影响产品质量。
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由于电加热器频繁启动，大约5~10min需要复位启动一次，造成电加热器控制部件频繁动作，影响电气元件使用寿命。
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操作员劳动强度大，由于电加热器每次自保停机，都需要操作人员去现场复位、重新启动，劳动强度大，不利于安全生产。
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2 电加热器原理分析
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2.1 电加热器工作原理
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待加热的气体介质从电加热器的壳程入口进入，沿着电加热器内部换热流程，吸收电加热元件表面散发出的热量，在电加热器出口获得满足工艺要求的介质，如图1所示。其中的电加热元件(见图2)是电加热器的关键部件，一般为管状金属壳，外部为INCOLOY不锈钢管，内部绝缘材料为高纯的结晶氧化镁粉，经过高温烧结，在800℃的高温下仍能保持良好的绝缘性能和介电强度。
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2.2 电加热器控制原理
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(1) 为保证电加热器的安全运行，电加热器设有如下控制功能:
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●出口温度控制采用PLC或可控硅控制，根据出口温度变化情况，调节电加热器热功率的输出，确保出口温度满足工艺要求。
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●内部温度监测，为保护电加热器电加热元件，在电加热器内部设置电加热元件表面温度监测，当超过设定温度时，电加热器自动停机，确保电加热器不干烧。
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● 气体流量监测，在电加热器入口管道上安装流量计，监测气体流量，一旦流量低于设定值，电加热器自动停机，防止电加热器干烧，保护加热元件。
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●电加热器具有常规的电气保护如短路保护、过载保护、温度保护。
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●电加热器安装在现场危险环境，控制系统安装在正压防爆柜中。
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(2) E-404控制逻辑
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图3是电加热器E-404的电气原理图。该电加热器额定功率为560kW,分为11组加热元件，分别为9组56kW和2组28kW，11组加热元件组分为两路，分别由两个断路器送电，但在内部由PLC按11组顺序控制。
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图4是二次控制回路。图5是PLC控制逻辑。温控表ST1采集到加热器出口温度(1Pt100)，经PID调功后输出功率信号(4-20mA)到PLC的A/D模块，再由CPU控制加热器的输出功率(0-560kW),通过固态继电器控制接触器的通断，每组加热元件间隔一定时间后投用。
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温度报警仪ST2监测电加热器内部温度(2Pt100），当内部温度超过设定值时，控制回路报警停止加热并自锁，此后必须等内部温度降到设定值以下，人工复位，加热器才能重新启动。
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3.1 电加热器分析
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针对出现的问题，先后采取多种措施进行检查和试验。
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(3) 将内部报警温度设定值调高(300℃甚至更高)，在加热过程中，内部温度逐渐上升，最后仍超过设定值，问题依然存在。
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电加热器每组加热元件的投用和停用是由PLC根据出口温度控制固态继电器的按顺序通断，从而每组加热元件是否启运和停止，当检测到出口温度低于控制温度时，11组加热元件依次启动，加热负荷上升，出口温度升高;当出口温度超过控制温度时，加热元件又依次停止加热，加热负荷降低，出口温度降低;通过控制投用加热元件组数，保证电加热器出口温度满足工艺要求。
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电加热器内部温度热电阻的安装位置，该热电阻安装在接近电加热器出口某组电加热元件附近，所测温度为其附近的最高温度(热元件表面温度)。内部超温报警是为了防止由于电气故障如某一根发热元件因电压过高出现超温而设置的，如果电加热器工作正常，该温度应和电加热器出口温度接近或稍高(几度到几十度，这可以和其他几台电加热器运行情况比较得到)，E-404出口温度控制120℃，内部超温报警温度设定提高到300℃，仍出现超温报警问题，而且在加热器停止加热后，该温度仍能逐渐降下来，说明该温度测量值正确，但该热电阻是否存在问题，由于开工状态下无法打开检查，所以无法确认。
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3.2 工艺分析
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TSA干燥工艺中，共有2台干燥器，每个干燥器要经过A(吸附)、D(逆放)、H(加热)、C(冷却)、RF(充压)5个过程，时序见附表。E-404为再生气电加热器，负责向TSA干燥过程加热工序中提供热源。
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根据时序表可知，E-404的工作方式为间歇式，在一个干燥器再生过程中，需要加热3.5小时，然后冷却3.5小时，加热工程中，原设计加热气体为再生废气，设计流量为5000Nm3/h，改造后加热气体为半产品气，设计流量为2000Nm3/h。冷却过程中，流经电加热器的气体流量为0，电加热器自动关断，气体走电加热器旁路。气体是否通过电加热器由程控阀控制，电加热器是否启停由电加热器是否通过气体决定。
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由于工艺流程变动，加热气体流量降低，气体进入电加热器后，流速变小，由于折流的原因，某些部位流速更低，这样在电加热器这些部位可能出现局部温度上升，而出口温度变化较缓，对于电加热器控制来说，当检测到出口温度低于设定值时，就依次投用各电加热元件，而当出口温度高于设定值时，就依次停用各组电加热元件，直到出口温度达到要求的温度，由于有较大的热惯性，在调整电加热元件起停过程中，内部温度由于局部超温而发生自保停机，出口温度达不到要求，而内部温度又频繁超温的恶性循环。
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