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(guò)噴槍，噴入干燥塔，干燥塔內(nèi)潔凈空氣溫度達(dá)390℃，噴入的液滴瞬間凝固成粉體，落入干燥塔底，經(jīng)過(guò)流化床分離，合格產(chǎn)品進(jìn)入成品倉(cāng)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(dá)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(jì)

　　1.1加熱器的設(shè)計(jì)

　　干燥塔設(shè)計(jì)有6支噴槍，改變噴槍的投入數(shù)量，可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)成品的數(shù)量調(diào)節(jié);進(jìn)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(jì)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(fù)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(jì)熱負(fù)荷為1283.33×1.15=1475.83kJ/h，相當(dāng)于電負(fù)荷1475.83kW。加熱器采用浸入式管束加熱器，設(shè)計(jì)參數(shù)如下：設(shè)計(jì)壓力(PS)為3.2MPa;最小/最大設(shè)計(jì)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(dòng)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(fù)載為3.15W/cm2。控制特定負(fù)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(shí)不會(huì)出現(xiàn)突然的流量變化，所以安裝加熱元件的總負(fù)荷為1525kW。在加熱器制作時(shí)，在本體上焊接預(yù)埋金屬熱井，作為熱電偶保護(hù)套管;同時(shí)進(jìn)出口管道上也需要安裝熱電偶測(cè)溫元件，內(nèi)置變送器，智能型，帶可編程測(cè)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(gè)加熱元件采用三角形接線方式，分4個(gè)回路，分別是2組398.8kW、1組375.4kW、1組351.9kW。功率級(jí)數(shù)量為4級(jí)。

　　2電路的實(shí)現(xiàn)

　　2.1主電路

　　為了實(shí)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(guò)零點(diǎn)導(dǎo)通，也截止于電壓(或電流)過(guò)零點(diǎn)，因此輸出的波形為完整的正弦波。在設(shè)定的一個(gè)固定時(shí)間周期內(nèi)，通過(guò)控制導(dǎo)通時(shí)間與截止時(shí)間，就可以達(dá)到控制輸出周波數(shù)(導(dǎo)通率)的目的。國(guó)內(nèi)類似產(chǎn)品大都是調(diào)壓器，因此通過(guò)控制移相角來(lái)達(dá)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(duì)電網(wǎng)會(huì)產(chǎn)生一定的污染，同時(shí)可能會(huì)對(duì)接入電網(wǎng)的其他用電器造成不良影響。在本項(xiàng)目中，加熱器功率調(diào)節(jié)器采用意大利進(jìn)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(xiàng)目所帶負(fù)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(fù)荷調(diào)節(jié)的需要。額定供電電壓為400V，1個(gè)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(hào)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(gè)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(yuǎn)程1個(gè)信號(hào)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(shí)間也由1個(gè)控制器控制。DCS根據(jù)加熱器出口溫度輸出4～20mA信號(hào)到LCS2多級(jí)負(fù)荷順序控制器，LCS2根據(jù)接入信號(hào)的大小，輸出0～10V脈沖信號(hào)去控制功率調(diào)節(jié)器輸出頻率，從而實(shí)現(xiàn)負(fù)荷調(diào)節(jié)。LCS2裝置如圖3所示。

　　2.3電氣保護(hù)系統(tǒng)

　　2.3.1功率調(diào)節(jié)器內(nèi)置保護(hù)CD3000M功率調(diào)節(jié)器內(nèi)置快速熔斷器，主要保護(hù)晶閘管及功率調(diào)節(jié)器的短路或過(guò)載。裝置內(nèi)還自帶負(fù)荷不平衡、內(nèi)部超溫和加熱器斷線等保護(hù)，并輸出開關(guān)量接點(diǎn)，用于報(bào)警或跳閘。由于4組加熱器需要同步控制，因此在1臺(tái)元件故障時(shí)輸出開關(guān)量接點(diǎn)接通接觸器斷開回路，同時(shí)跳開其他3個(gè)回路的接觸器。2.3.2外部電路配置保護(hù)(1)過(guò)電流保護(hù)。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(shí)現(xiàn)電流長(zhǎng)延時(shí)、短延時(shí)、瞬時(shí)保護(hù)。出現(xiàn)故障時(shí)，故障回路的斷路器跳閘，同時(shí)聯(lián)動(dòng)斷開其他3個(gè)非故障回路接觸器。(2)過(guò)壓保護(hù)。晶閘管不能承受過(guò)電壓，因此單獨(dú)配置了過(guò)電壓繼電器，持續(xù)監(jiān)測(cè)電源電壓，在電源電壓超過(guò)420V時(shí)，電壓繼電器輸出接點(diǎn)經(jīng)0.5s延時(shí)同時(shí)跳開4個(gè)回路的接觸器。(3)欠壓保護(hù)。加熱器負(fù)荷在系統(tǒng)電壓低時(shí)可能引起單個(gè)加熱元件的過(guò)電流，因此配置低電壓繼電器，持續(xù)監(jiān)測(cè)電源電壓，在電源電壓低于360V時(shí)，低電壓繼電器輸出接點(diǎn)經(jīng)0.5s延時(shí)同時(shí)跳開4個(gè)回路的接觸器。(4)接地保護(hù)。單個(gè)加熱元件絕緣部件老化或設(shè)備內(nèi)部存在異物可能會(huì)導(dǎo)致相接地故障，帶來(lái)局部過(guò)熱或損壞的潛在風(fēng)險(xiǎn)，因此單獨(dú)配置零序電流互感器測(cè)量三相電路可能出現(xiàn)的漏電流，識(shí)別接地故障。接地故障一經(jīng)識(shí)別，接地保護(hù)輸出接點(diǎn)經(jīng)0.5s延時(shí)同時(shí)跳開4個(gè)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(guò)其面板按鍵進(jìn)行設(shè)置，也可以使用CD-EASY專用軟件進(jìn)行在線組態(tài)或復(fù)制到另一臺(tái)上。本項(xiàng)目的設(shè)置參數(shù)如下：晶閘管的觸發(fā)信號(hào)為0～10V直流模擬信號(hào);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(duì)功率需要求反應(yīng)最快速的過(guò)零切換模式。它是根據(jù)DCS輸出的模擬量來(lái)控制晶閘管的輸出頻率的：如模擬量信號(hào)為50%時(shí)，晶閘管輸出波形為1個(gè)周期開、1個(gè)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(shí)，微處理器都會(huì)除以76/75，若余數(shù)的和為1，則會(huì)為負(fù)載多提供1個(gè)同期，以此類推。

　　3.2整體調(diào)試

　　4組電加熱器同時(shí)上電，DCS遠(yuǎn)程控制回路接觸器吸合和斷開，模擬一個(gè)斷路器跳閘、系統(tǒng)低電壓等不同故障時(shí)的聯(lián)鎖動(dòng)作情況。通過(guò)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(guò)440℃時(shí)，功率調(diào)節(jié)器內(nèi)置保護(hù)自動(dòng)斷開加熱器電路，保護(hù)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(yǔ)

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

　　參考文獻(xiàn)

　　[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(jì)研究》來(lái)源：《電工技術(shù)》，作者：王曉華