劉　颯，何家輝

（蘭州石化公司，甘肅 蘭州730000）

通過(guò)優(yōu)化3#6000空分裝置電加熱器控制程序降低能耗、提高設(shè)備安全性

劉颯，何家輝

（蘭州石化公司，甘肅 蘭州730000）

本文通過(guò)3#6000空分分子篩吸附過(guò)程的基本原理、再生（解吸）過(guò)程、分子篩簡(jiǎn)單流程描述。分析了目前3#6000空分分子篩電加熱器控制中存在的問(wèn)題，并提出了解決方案。通過(guò)方案實(shí)施降低了能耗，提高了設(shè)備的安全性。

分子篩；電加熱器；程序優(yōu)化

1　背景

1.13#6000空分分子篩吸附過(guò)程的基本原理

當(dāng)氣體與固體吸附劑接觸時(shí)，在固體表面或內(nèi)部發(fā)生容納氣體的現(xiàn)象，稱為吸附。其中被吸附的物質(zhì)叫吸附質(zhì)，起吸附作用的物質(zhì)叫吸附劑。

吸附過(guò)程分為物理吸附和化學(xué)吸附兩種。物理吸附主要依靠分子間作用力（范德華力），吸附劑與吸附質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)基本不變；化學(xué)吸附則主要依靠吸附質(zhì)與吸附劑形成化學(xué)鍵，由于吸附鍵的結(jié)構(gòu)影響，化學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化。

吸附作為一個(gè)傳質(zhì)過(guò)程，有兩個(gè)階段，即外擴(kuò)散和內(nèi)擴(kuò)散。（1）外擴(kuò)散：從氣體的主體通過(guò)吸附劑顆粒周圍氣膜到顆粒表面；（2）內(nèi)擴(kuò)散：從表面進(jìn)入空穴內(nèi)部，有表面擴(kuò)散和內(nèi)部空間擴(kuò)散。

1.23#6000空分分子篩再生（解吸）過(guò)程

再生是指吸附飽和后對(duì)吸附劑進(jìn)行再生，恢復(fù)其吸附能力。

再生有兩種方法，加溫再生和降壓再生（壓力交變?cè)偕?。加溫再生利用吸附劑高溫時(shí)吸附容量降低的原理，把加溫氣體通入吸附層，使吸附層溫度升高，被吸附組分解吸，目前使用最為廣泛；降壓再生（壓力交變?cè)偕﹦t運(yùn)用道爾頓分壓定律，在再生過(guò)程中降低吸附器內(nèi)壓力，甚至抽真空，使被吸附分子的分壓降低，分子濃度降低，吸附在吸附劑表面的分子數(shù)目相應(yīng)減小，達(dá)到再生目的。

1.3空氣純化系統(tǒng)

自預(yù)冷系統(tǒng)來(lái)的空氣 （表壓0.450～0.530MPa， 5.0～13.0℃）通過(guò)分子篩吸附器（MS1201/1202，立式雙層床），先由活性氧化鋁吸附掉空氣中的水份，然后由分子篩吸附掉空氣中的二氧化碳、乙炔及某些碳?xì)浠衔锖螅ń?jīng)吸附后的空氣中二氧化碳含量小于2.0mL/m3），送入增壓膨脹機(jī)及精餾系統(tǒng)。

兩臺(tái)分子篩吸附器每4小時(shí)切換一次，一臺(tái)運(yùn)行時(shí)，另一臺(tái)解吸再生。裝置正常生產(chǎn)時(shí)再生氣源使用來(lái)自精餾系統(tǒng)的污氮?dú)?，在裝置開(kāi)車初期和停車加溫后期，裝置無(wú)污氮?dú)鈺r(shí)，再生氣源采用經(jīng)另一組分子篩吸附器吸附后的空氣。

由于吸附熱的作用，出分子篩吸附器的空氣溫度會(huì)上升3～5℃，如圖1所示。

圖1　分子篩電加熱器流程圖

1.43#6000空分分子篩電加熱器作用

3#6000空分裝置電加熱器為分子篩再生時(shí)必須設(shè)備（其流程如圖1所示）。在分子篩加熱階段，自精餾塔來(lái)的污氮，首先經(jīng)過(guò)蒸汽加熱器（SH1201）由低壓蒸汽對(duì)污氮進(jìn)行加熱，使污氮出口溫度（TIC-1207）大概到170℃，然后再經(jīng)過(guò)電加熱器（EH1201），對(duì)污氮進(jìn)行加熱。污氮經(jīng)過(guò)電加熱器加熱到180℃左右，進(jìn)入分子篩，使分子篩進(jìn)行再生。

原電加熱控制程序邏輯為：當(dāng)污氮流量FIC-1202測(cè)量值≥5400m/h，若TIC-1207測(cè)量值還未達(dá)到170℃時(shí)手動(dòng)啟動(dòng)電加熱器加熱，使分子篩加熱充分；而當(dāng)TIC-1207測(cè)量值達(dá)到190℃時(shí)電加熱器停止加熱。為保護(hù)電加熱器，在加熱步加熱程序同時(shí)判斷TIAS-1206（電加熱器中部溫度）。當(dāng)TIAS-1206測(cè)量值達(dá)到HH報(bào)警時(shí)（HH設(shè)定值為315℃），加熱程序則強(qiáng)制停止電加熱器加熱。

1.53#6000空分分子篩目前存在的問(wèn)題

原電加熱器控制程序在實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)存在缺陷，主要有以下幾個(gè)方面：

電加熱器啟動(dòng)時(shí)必須有介質(zhì)流過(guò)，否則電加熱器中部溫度會(huì)在一分鐘內(nèi)達(dá)到600℃以上，如圖2所示。如果不及時(shí)切斷電加熱器電源，則會(huì)使電加熱器燒毀。在原程序中，程序限制了只在加熱步判斷當(dāng)TIAS-1206測(cè)量值達(dá)到HH報(bào)警時(shí) （315℃）停電加熱器，而在其他步驟不判斷。一旦電加熱器非正常啟動(dòng)，即使電加熱器超溫，因?yàn)榇藭r(shí)分子篩順控程序又不在加熱步，電加熱器將不會(huì)被強(qiáng)制停止加熱。這樣就會(huì)燒毀電加熱器。如：在2012年有一次電加熱器在打手動(dòng)控制的情況下超溫未及時(shí)手動(dòng)停止加熱，此時(shí)分子篩順控程序又不在加熱步無(wú)法自動(dòng)停止加熱，溫度持續(xù)升高導(dǎo)致電加熱器被燒毀。

圖2　電加熱器中部溫度趨勢(shì)變化

因電加熱器只在加熱階段使用，而一旦程序進(jìn)入冷吹步就會(huì)馬上切斷污氮進(jìn)入電加熱器，導(dǎo)致加熱絲溫度驟然下降，使金屬材質(zhì)的加熱絲驟熱驟冷，導(dǎo)致加熱絲材料性能變差，不利于延長(zhǎng)電加熱器壽命。

3#6000空分裝置DCS系統(tǒng)為CENTUM-μxl，屬于上世紀(jì)80年代的DCS產(chǎn)品，自1997年投運(yùn)，到2013年DCS改造前已經(jīng)連續(xù)運(yùn)行16年。因系統(tǒng)平臺(tái)為開(kāi)放式平臺(tái)，操作工權(quán)限比較高，在操作權(quán)限下就可以更改儀表高、低限報(bào)警，而電加熱器控制參數(shù)都是由TICA-1207及FICS-1202高低限控制，一旦被錯(cuò)誤更改，程序?qū)o(wú)法正常運(yùn)行。原來(lái)控制電加熱器程序不能正常運(yùn)行的原因，就是因?yàn)椴僮鞴じ膮?shù)混亂所引起的。所以原電加熱器控制，一直使用手動(dòng)控制，自動(dòng)控制無(wú)法投用。而采用手動(dòng)控制時(shí)，由于人的不可靠操作會(huì)導(dǎo)致物的不可靠狀態(tài)，故容易最終導(dǎo)致電加熱器被燒毀。

針對(duì)以上存在的問(wèn)題，車間在 2013年對(duì)3#6000空分裝置DCS改造時(shí)與工藝一起對(duì)電加熱器程序進(jìn)行優(yōu)化。

2　優(yōu)化3#6000空分電加熱器程序

2.1對(duì)安全性改造

將原程序中對(duì)電加熱器中部溫度只在加熱步判斷TIAS-1206是否超溫，修改為TIAS-1206只要一超溫 （315℃），則馬上切斷電加熱器電源停止加熱，不判斷是否在加熱步，不判斷分子篩狀態(tài)，也不判斷電加熱器手/自動(dòng)控制模式。這樣就保證了電加熱器在任何情況下都不會(huì)超溫，安全運(yùn)行。

2.2修改電加熱器在分子篩運(yùn)行中的加熱時(shí)間

電加熱器一旦運(yùn)行，則必須要保證始終有介質(zhì)流過(guò)，以降低加熱絲溫度。但根據(jù)程序設(shè)計(jì)，從加熱步到冷吹步后必須要停止電加熱器，而這樣就會(huì)導(dǎo)致加熱器溫度驟降。經(jīng)過(guò)與工藝溝通、協(xié)商后。工藝提供數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)。決定在加熱控制程序中增加一個(gè)條件判斷：當(dāng)加熱時(shí)間 （共4440s）達(dá)到4200s以后停止電加熱器。電加熱器停止后利用電加熱器余溫完成加熱。這樣不但能使能耗降低，且在加熱完成之前給操作人員一個(gè)判斷時(shí)間，處理電加熱器未停止的故障。另一方面電加熱器停止后，在剩余的240s時(shí)間內(nèi)有介質(zhì)流過(guò)，使其慢慢降溫，這樣就可以延長(zhǎng)電加熱器的使用壽命。

2.3修改程序使其更加可靠

此次改造后將原有的CENTUM-μxl更新為HONEYWELLPKS系統(tǒng)。更新系統(tǒng)后將原電加熱器程序優(yōu)化為在加熱階段首先打開(kāi)FICS-1202調(diào)節(jié)閥，由污氮加熱，如果FICS-1202流量達(dá)到5400m/ h，而TICA-1207溫度仍未達(dá)到170℃，則自動(dòng)打開(kāi)電加熱器。而一旦TICA-1207溫度達(dá)到190℃，則自動(dòng)停止電加熱器。在新系統(tǒng)中，對(duì)儀表高低限參數(shù)的修改設(shè)置了一個(gè)高的權(quán)限。在一般操作權(quán)限下不能修改參數(shù)。這樣就避免了因操作工手動(dòng)修改高低限參數(shù)，而導(dǎo)致的電加熱器控制不能投自動(dòng)的狀況。

3　節(jié)約成本計(jì)算

3#6000空分裝置電加熱器功率為365kw。分子篩4個(gè)小時(shí)再生一次即4h使用電加熱器一次，每天使用6次每次比原來(lái)少使用240s，即4min。

如此計(jì)算，則每天少使用時(shí)間為：（4/60）×6=0.4h

每天少使用的電量為：0.4h×365kw=146kw/h

假設(shè)每年因檢維修而停工的時(shí)間為15d。那么，每年節(jié)約電能：146度×350d=51100kw/h。若用電價(jià)格以 0.5元/kw/h計(jì)算，每年可節(jié)約用電費(fèi)用：51100×0.5元/kw/h=25550元。

以上只是能夠量化的效益，此外通過(guò)優(yōu)化程序還收獲了延長(zhǎng)電加熱器的使用壽命、提高設(shè)備安全性等無(wú)形效益。

4　結(jié)論

通過(guò)對(duì)3#6000空分裝置分子篩電加熱器控制程序的優(yōu)化，不但提高了設(shè)備的安全、可靠、穩(wěn)定性，同時(shí)還降低了能耗，提高了經(jīng)濟(jì)效益。此種方法為其他相似的設(shè)備控制提供了一種新的思考。只要堅(jiān)持優(yōu)化理念去不斷優(yōu)化每一臺(tái)能夠優(yōu)化的控制設(shè)備，即使單臺(tái)設(shè)備節(jié)能降耗，提高效益的程度不顯著。但是積少成多，以此可以為企業(yè)實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗、提高效益的整體目標(biāo)做出貢獻(xiàn)。

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