基于PLC 控制的電加熱器在空分純化系統中的應用

楊學碩

（唐山唐鋼氣體有限公司， 河北 唐山 063000）

0 引言

空分純化系統的加熱器一般有蒸汽加熱器或電加熱器。某公司制氧設備為1 臺2 200 m3/h 空分裝置，其空分純化系統加熱部分配置了2 臺電加熱器，采用全負荷、全調功本地控制，加熱時調節過程耗時長，且控制回路相對老舊，控制邏輯存在一些問題，有必要對電加熱器控制部分進行優化改造。

1 空分純化系統電加熱器問題分析

1.1 空分純化系統工藝介紹

某公司制氧設備為1 臺2 200 m3/h 的空分裝置，其空分純化系統配置了2 臺816 kW 電加熱器，一備一用，且2 臺電加熱器定期切換使用，空分純化系統電加熱器再生工藝流程圖如圖1 所示。

圖1 空分純化系統電加熱器再生工藝流程

系統配置2 臺吸附器，工作時，原料空氣經過預冷處理先送至1 臺吸附器，經加壓，其中的水、CO2等被吸附器吸附，飽和后切換閥切換另一臺吸附器工作。飽和吸附器經卸壓，引入約180 ℃的污氮加熱吸附器床層，吸附其中的水、CO2等成分，經升溫，被解析出來，在熱氣體的推動下，排出吸附床。加熱解析過程完成后，對吸附床層吹冷，使其溫度恢復為正常值，再一次開始吸附，這一過程即為吸附器的再生[1]。

1.2 電加熱器傳統控制方式存在的問題

空分純化系統的2 臺電加熱器，每臺配置220 V 8 kW 的不銹鋼直行加熱管102 根。加熱管共分三組：288 kW、288 kW 和240 kW。電加熱器控制方式為全負荷全調功控制[2]，由于采用全調功，調功柜調節過程需要一定的時間。因此，電加熱器每次加熱至所需溫度都需要較長時間，耗費電能，并且嚴重影響生產效率。此外，電加熱器工作采用本地控制，加熱過程由人工操控，效率較低。

2 電加熱器PLC 控制方案介紹

2.1 方案概述

改全調功加熱為2 組固定加熱（288 kW、288 kW）、1 組（240 kW）調功加熱，設計電加熱器的PLC 控制系統，啟動、停止及狀態提示采用PLC+觸摸屏實現，可由空分DCS 控制系統遠程控制，也可本地控制。具體見圖2。

圖2 接觸器控制、調功柜控制的加熱管主電路

2.2 硬件電路設計

PLC 控制系統根據電加熱器出口溫度設定值對加熱系統進行控制，并對系統的運行狀態進行監控，系統主要由PLC 控制器、觸摸屏、溫度傳感器、調功柜和低壓電器元件等組成。電路設計中，主要完成電源部分、輸入、輸出部分和控制邏輯的設計。電源部分主要包括動力電源、控制電源、PLC 電源和傳感器電源等。輸入、輸出部分主要包括啟動、停止等控制命令的輸入/輸出、反饋信號輸入和控制信號輸出等。邏輯控制包括工作流程和其他故障報警等功能。

以自動控制為例，當空分純化系統進入加熱階段時，空分裝置DCS 系統遠程啟動電加熱器PLC 控制系統，按設計邏輯啟動3 組電加熱器開始加熱，同時，實時監測溫度傳感器反饋的溫度信號，調功柜可根據偏差調節加熱功率，最終使實際溫度達到設定值。

2.3 軟件設計

軟件設計包括系統初始化程序、遠程或本地控制程序以及故障報警等程序的設計。以遠程自動控制為例，當空分純化系統進入加熱階段，系統自動啟動初始化控制器各項數據，包括溫度值、PID 參數值等，避免運行出錯。將DCS 系統的設定溫度值發送至PLC系統進行處理，PLC 系統根據設定溫度值對加熱系統做出相應控制，并且實時監控系統運行狀態，對異常或故障狀態進行報警及處理。

3 工業應用和經濟性分析

3.1 工業應用

對全調功電加熱器系統進行改造設計，改為2 組（288 kW、288 kW）固定加熱和1 組（240 kW）調功加熱。再生工作需要加熱器出口溫度為180 ℃，2 組固定加熱電熱器可加熱至140 ℃左右，3 組同時工作，最高溫度可達210 ℃左右。

系統到空分加熱環節時，空分DCS 系統遠程啟動電加熱器PLC 控制系統，系統根據設定溫度依次啟動兩組固定加熱組，首先啟動一組，溫度升至約70 ℃，再啟動另一組，升至約140 ℃左右，之后再啟動調功柜加熱組，調功柜調節加熱功率穩定加熱至180 ℃后，加熱器停止加熱。根據生產經驗可知，每組加熱過程均有相應的時間范圍，因此，每組加熱過程均有時間值和溫度限制，任何數值異常系統均會發出報警提示。系統設上限溫度值為190 ℃，當溫度達到上限值，溫度傳感器會將超限信號反饋至系統，系統將立即切斷加熱回路并發出報警。此外，PLC 控制系統還會在運行時循環檢測各電器元件工作狀態，對過流、過壓、欠壓和斷相等故障均能做出處理并發出報警提示。

對改造的電加熱系統進行試用，為期6 個月。期間，發生過兩次停機故障。一次是在3 組電加熱器全部啟動后，溫度上升至140 ℃后不再上升，直至加熱時間到達限值發出報警并停機，溫度一直保持在約140 ℃。檢修人員首先檢查了溫度傳感器，確認完好后，又檢查了電加熱器，由于固定加熱組加熱時并無異常，因此，鎖定調功柜出現問題。在測量晶閘管時，發現控制極G 與陰極K 之間電阻值無窮大，導致周波控制器不能觸發，調功柜無法調節加熱器加熱。更換晶閘管后，系統恢復正常。另一次是加熱至上限190 ℃報警停機時，系統設有自動停止功能，2 組已停機，1 組仍在加熱。未停止工作的加熱組判斷是本身元器件出現了故障。經檢查發現，控制啟停的接觸器發生粘連、無法斷開，從而導致無法停機。更換元器件后，系統恢復正常工作。

試用期間，無論是本地人工控制，還是遠程DCS控制，電加熱器PLC 控制系統均能快速做出動作，加熱過程穩定迅速，實時監測顯示的運行數據及狀態都比較準確。此外，對于運行的異常故障也能及時發出報警提示，具有良好的應用價值。

3.2 經濟性分析

相較于原控制方案，采用PLC 控制的電加熱器工作時，從開始加熱到溫度達設定值的時間明顯減小，原方案加熱過程基本在2 h 左右，PLC 控制下，2組固定加熱器可迅速升溫至一個較高水平，然后，再經調功加熱至設定值，加熱時間加快、調節時間減少，整個過程約1.3 h。2 臺吸附器切換使用，約4 h 切換加熱一次，每天加熱6 次，每天節約加熱時間為（2-1.3）h×6=4.2 h。

采用PLC 控制后，實現了上級控制系統遠程控制電加熱器的功能。因此，對崗位人員作了優化調整，由原來的3 人減少至2 人，每人每年成本按8 萬元計算，則每年可節約8 萬元人工成本。總計節約成本如表1 所示。

表1 節約成本統計表

此外，由于PLC 控制系統設計了全面的保護電路，可及時對運行異常或故障做出報警處理，能防止故障擴大，在一定程度上降低了設備損耗及維護成本，并且保證了產品合格率。

PLC 電加熱器控制系統的設計與應用，每年至少可節約生產成本59.4 萬元，具有較好的經濟效益。

4 結語

介紹了某公司空分純化系統的配置及工藝流程，分析了當前電加熱器工作中存在的問題。提出電加熱器PLC 控制方案，改變原有全調功控制方法，將加熱管分為3 組，2 組固定加熱，1 組調功加熱，采用PLC控制器設計電加熱器控制系統，實現本地控制及DCS遠程自動控制，并且設計完善的保護功能。實際應用表明，系統可以較好地融入空分DCS 系統中，實現遠程自動控制，對運行過程中的異常和故障也能及時作出報警和處理。此外系統還具有良好的經濟性，每年至少可節約電費及人工成本59.4 萬元。