某外資企業生產粉體的食品添加劑，工藝中需要將處理好的液體經過噴槍，噴入干燥塔，干燥塔內潔凈空氣溫度達390℃，噴入的液滴瞬間凝固成粉體，落入干燥塔底，經過流化床分離，合格產品進入成品倉包裝。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，為了滿足生產需要，采用電加熱器，將蒸汽從210℃加熱到390℃。

　　1方案設計

　　1.1加熱器的設計

　　干燥塔設計有6支噴槍，改變噴槍的投入數量，可以實現生產成品的數量調節;進入的潔凈空氣流量也是可調的，但是溫度只有恒定在390℃，才能保證產品的質量。折算到加熱這部分潔凈空氣需要的蒸汽參數為1.2MPa、400℃，流量在23000kg/h到11000kg/h可調。根據蒸汽參數，1.2MPa、210℃蒸汽焓值為2841kJ/kg，1.2MPa、400℃蒸汽焓值為3261kJ/kg，由熱力學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%)，因此設計熱負荷為1283.33×1.15=1475.83kJ/h，相當于電負荷1475.83kW。加熱器采用浸入式管束加熱器，設計參數如下：設計壓力(PS)為3.2MPa;最小/最大設計溫度(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。活動插針數量為198;未連接插針(作為備件)數量為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，內置變送器，智能型，帶可編程測量刻度的哈特協議。

　　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。功率級數量為4級。

　　2電路的實現

　　2.1主電路

　　為了實現加熱器輸出蒸汽恒溫控制，電氣回路的加熱器需要功率調節單元。調功器也稱為周波數控制器，可控硅在電壓(或電流)過零點導通，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。在設定的一個固定時間周期內，通過控制導通時間與截止時間，就可以達到控制輸出周波數(導通率)的目的。國內類似產品大都是調壓器，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，對電網會產生一定的污染，同時可能會對接入電網的其他用電器造成不良影響。在本項目中，加熱器功率調節器采用意大利進口CD3000M系列功率調節器(該系列有一相、兩相和三相晶閘管調節方式產品)。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節方式就可滿足負荷調節的需要。額定供電電壓為400V，1個電加熱器回路電流為605A。選用CD3000M-Multidive2Ph800A多輸入多觸發方式的功率調節器，可使用4～20mA或0～10V信號觸發。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組功率調節器的投退由DCS遠程1個信號控制，并且4組功率調節器觸發晶閘管導通和截止的時間也由1個控制器控制。DCS根據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根據接入信號的大小，輸出0～10V脈沖信號去控制功率調節器輸出頻率，從而實現負荷調節。LCS2裝置如圖3所示。

　　2.3電氣保護系統

　　2.3.1功率調節器內置保護CD3000M功率調節器內置快速熔斷器，主要保護晶閘管及功率調節器的短路或過載。裝置內還自帶負荷不平衡、內部超溫和加熱器斷線等保護，并輸出開關量接點，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開關配置Micrologic5.0控制單元，實現電流長延時、短延時、瞬時保護。出現故障時，故障回路的斷路器跳閘，同時聯動斷開其他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，持續監測電源電壓，在電源電壓超過420V時，電壓繼電器輸出接點經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，持續監測電源電壓，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備內部存在異物可能會導致相接地故障，帶來局部過熱或損壞的潛在風險，因此單獨配置零序電流互感器測量三相電路可能出現的漏電流，識別接地故障。接地故障一經識別，接地保護輸出接點經0.5s延時同時跳開4個回路的接觸器。

　　3系統調試

　　3.1功率調節器設置

　　功率調節器參數可以通過其面板按鍵進行設置，也可以使用CD-EASY專用軟件進行在線組態或復制到另一臺上。本項目的設置參數如下：晶閘管的觸發信號為0～10V直流模擬信號;晶閘管的控制方式為脈沖寬度調制，周期為1s。這種觸發模式為單周期觸發，也是對功率需要求反應最快速的過零切換模式。它是根據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;如果功率需求為76%，那么調功器的工作方式與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、系統低電壓等不同故障時的聯鎖動作情況。通過DCS設置加熱器出口管道上的熱電偶溫度，在出口蒸汽超過440℃時，功率調節器內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結語

　　加熱器裝置隨生產系統整體投入使用，通過DCS系統自動控制，滿足生產運行要求。

　　參考文獻

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

　　《電加熱器電氣控制設計研究》來源：《電工技術》，作者：王曉華