某外資企業(yè)生產(chǎn)粉體的食品添加劑，工藝中需要將處理好的液體經(jīng)過噴槍，噴入干燥塔，干燥塔內(nèi)潔凈空氣溫度達390℃，噴入的液滴瞬間凝固成粉體，落入干燥塔底，經(jīng)過流化床分離，合格產(chǎn)品進入成品倉包裝。由于該公司的熱源蒸汽只有1.2MPa、210℃，加熱潔凈空氣溫度達不到工藝要求，為了滿足生產(chǎn)需要，采用電加熱器，將蒸汽從210℃加熱到390℃。

　　1方案設(shè)計

　　1.1加熱器的設(shè)計

　　干燥塔設(shè)計有6支噴槍，改變噴槍的投入數(shù)量，可以實現(xiàn)生產(chǎn)成品的數(shù)量調(diào)節(jié);進入的潔凈空氣流量也是可調(diào)的，但是溫度只有恒定在390℃，才能保證產(chǎn)品的質(zhì)量。折算到加熱這部分潔凈空氣需要的蒸汽參數(shù)為1.2MPa、400℃，流量在23000kg/h到11000kg/h可調(diào)。根據(jù)蒸汽參數(shù)，1.2MPa、210℃蒸汽焓值為2841kJ/kg，1.2MPa、400℃蒸汽焓值為3261kJ/kg，由熱力學(xué)計算公式得出加熱器在最大蒸汽流量下需要輸出能量為[11000×(3261-2841)]/(60×60)=1283.33kJ/h。工藝負荷上需要附加15%的裕度，以考慮加熱束的制造功率公差(±5%)以及電源電壓的最終變化(±10%)，因此設(shè)計熱負荷為1283.33×1.15=1475.83kJ/h，相當(dāng)于電負荷1475.83kW。加熱器采用浸入式管束加熱器，設(shè)計參數(shù)如下：設(shè)計壓力(PS)為3.2MPa;最小/最大設(shè)計溫度(TS)為0/440℃;最大壓力降為60Pa(最大出口溫度下)。在外殼和法蘭之間提供法蘭和隔熱罩的熱絕緣;由扇形擋板支撐;采取垂直安裝，接線盒在頂部。加熱器外形如圖1所示。加熱元件到法蘭有198件，外徑為16mm。活動插針數(shù)量為198;未連接插針(作為備件)數(shù)量為0。安裝比負載為3.15W/cm2。控制特定負載(在100%晶閘管功率控制的情況下)為2.75W/cm2。100%的加熱容量由周期短(約1s)的晶閘管單元控制。加熱時不會出現(xiàn)突然的流量變化，所以安裝加熱元件的總負荷為1525kW。在加熱器制作時，在本體上焊接預(yù)埋金屬熱井，作為熱電偶保護套管;同時進出口管道上也需要安裝熱電偶測溫元件，內(nèi)置變送器，智能型，帶可編程測量刻度的哈特協(xié)議。

　　1.2加熱器電氣回路確定

　　加熱器供電電源電壓為400V，3Ph+接地(±10%)。加熱器安裝容量為1525kW電加元件，198個加熱元件采用三角形接線方式，分4個回路，分別是2組398.8kW、1組375.4kW、1組351.9kW。功率級數(shù)量為4級。

　　2電路的實現(xiàn)

　　2.1主電路

　　為了實現(xiàn)加熱器輸出蒸汽恒溫控制，電氣回路的加熱器需要功率調(diào)節(jié)單元。調(diào)功器也稱為周波數(shù)控制器，可控硅在電壓(或電流)過零點導(dǎo)通，也截止于電壓(或電流)過零點，因此輸出的波形為完整的正弦波。在設(shè)定的一個固定時間周期內(nèi)，通過控制導(dǎo)通時間與截止時間，就可以達到控制輸出周波數(shù)(導(dǎo)通率)的目的。國內(nèi)類似產(chǎn)品大都是調(diào)壓器，因此通過控制移相角來達到改變電壓的目的。輸出電壓的波形為移相缺角波形，含有高次諧波，對電網(wǎng)會產(chǎn)生一定的污染，同時可能會對接入電網(wǎng)的其他用電器造成不良影響。在本項目中，加熱器功率調(diào)節(jié)器采用意大利進口CD3000M系列功率調(diào)節(jié)器(該系列有一相、兩相和三相晶閘管調(diào)節(jié)方式產(chǎn)品)。本項目所帶負荷為電阻加熱元件，三角形接線，采用三相中兩相受控晶閘管調(diào)節(jié)方式就可滿足負荷調(diào)節(jié)的需要。額定供電電壓為400V，1個電加熱器回路電流為605A。選用CD3000M-Multidive2Ph800A多輸入多觸發(fā)方式的功率調(diào)節(jié)器，可使用4～20mA或0～10V信號觸發(fā)。加熱器一次原理圖如圖2所示。

　　2.2控制電路

　　電加熱器198個加熱元件必須同步工作，保持功率輸出一致。4組功率調(diào)節(jié)器的投退由DCS遠程1個信號控制，并且4組功率調(diào)節(jié)器觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通和截止的時間也由1個控制器控制。DCS根據(jù)加熱器出口溫度輸出4～20mA信號到LCS2多級負荷順序控制器，LCS2根據(jù)接入信號的大小，輸出0～10V脈沖信號去控制功率調(diào)節(jié)器輸出頻率，從而實現(xiàn)負荷調(diào)節(jié)。LCS2裝置如圖3所示。

　　2.3電氣保護系統(tǒng)

　　2.3.1功率調(diào)節(jié)器內(nèi)置保護CD3000M功率調(diào)節(jié)器內(nèi)置快速熔斷器，主要保護晶閘管及功率調(diào)節(jié)器的短路或過載。裝置內(nèi)還自帶負荷不平衡、內(nèi)部超溫和加熱器斷線等保護，并輸出開關(guān)量接點，用于報警或跳閘。由于4組加熱器需要同步控制，因此在1臺元件故障時輸出開關(guān)量接點接通接觸器斷開回路，同時跳開其他3個回路的接觸器。2.3.2外部電路配置保護(1)過電流保護。電源配置施耐德MasterpactMTZ斷路器作為供電斷路器。MTZ開關(guān)配置Micrologic5.0控制單元，實現(xiàn)電流長延時、短延時、瞬時保護。出現(xiàn)故障時，故障回路的斷路器跳閘，同時聯(lián)動斷開其他3個非故障回路接觸器。(2)過壓保護。晶閘管不能承受過電壓，因此單獨配置了過電壓繼電器，持續(xù)監(jiān)測電源電壓，在電源電壓超過420V時，電壓繼電器輸出接點經(jīng)0.5s延時同時跳開4個回路的接觸器。(3)欠壓保護。加熱器負荷在系統(tǒng)電壓低時可能引起單個加熱元件的過電流，因此配置低電壓繼電器，持續(xù)監(jiān)測電源電壓，在電源電壓低于360V時，低電壓繼電器輸出接點經(jīng)0.5s延時同時跳開4個回路的接觸器。(4)接地保護。單個加熱元件絕緣部件老化或設(shè)備內(nèi)部存在異物可能會導(dǎo)致相接地故障，帶來局部過熱或損壞的潛在風(fēng)險，因此單獨配置零序電流互感器測量三相電路可能出現(xiàn)的漏電流，識別接地故障。接地故障一經(jīng)識別，接地保護輸出接點經(jīng)0.5s延時同時跳開4個回路的接觸器。

　　3系統(tǒng)調(diào)試

　　3.1功率調(diào)節(jié)器設(shè)置

　　功率調(diào)節(jié)器參數(shù)可以通過其面板按鍵進行設(shè)置，也可以使用CD-EASY專用軟件進行在線組態(tài)或復(fù)制到另一臺上。本項目的設(shè)置參數(shù)如下：晶閘管的觸發(fā)信號為0～10V直流模擬信號;晶閘管的控制方式為脈沖寬度調(diào)制，周期為1s。這種觸發(fā)模式為單周期觸發(fā)，也是對功率需要求反應(yīng)最快速的過零切換模式。它是根據(jù)DCS輸出的模擬量來控制晶閘管的輸出頻率的：如模擬量信號為50%時，晶閘管輸出波形為1個周期開、1個周期關(guān);如果功率需求為76%，那么調(diào)功器的工作方式與75%條件下相同，但每次在切換為開時，微處理器都會除以76/75，若余數(shù)的和為1，則會為負載多提供1個同期，以此類推。

　　3.2整體調(diào)試

　　4組電加熱器同時上電，DCS遠程控制回路接觸器吸合和斷開，模擬一個斷路器跳閘、系統(tǒng)低電壓等不同故障時的聯(lián)鎖動作情況。通過DCS設(shè)置加熱器出口管道上的熱電偶溫度，在出口蒸汽超過440℃時，功率調(diào)節(jié)器內(nèi)置保護自動斷開加熱器電路，保護加熱器裝置。加熱器溫度控制流程如圖4所示。圖4加熱器溫度控制流程圖

　　4結(jié)語

　　加熱器裝置隨生產(chǎn)系統(tǒng)整體投入使用，通過DCS系統(tǒng)自動控制，滿足生產(chǎn)運行要求。

　　參考文獻

　　[1]彭欽，易紅艷.三相電加熱器控制系統(tǒng)和控制方法的應(yīng)用研究[J].軍民兩用技術(shù)與產(chǎn)品，2017(4下)：195.

　　《電加熱器電氣控制設(shè)計研究》來源：《電工技術(shù)》，作者：王曉華