电加热器电气控制设计研究

所属栏目:工业设计论文 发布日期:2020-08-13 10:02 热度:

 

  某外资企业生产粉体的食品添加剂,工艺中需要将处理好的液体经过喷枪,喷入干燥塔,干燥塔内洁净空气温度达390℃,喷入的液滴瞬间凝固成粉体,落入干燥塔底,经过流化床分离,合格产品进入成品仓包装。由于该公司的热源蒸汽只有1.2MPa、210℃,加热洁净空气温度达不到工艺要求,为了满足生产需要,采用电加热器,将蒸汽从210℃加热到390℃。

电加热器电气控制设计研究

  1方案设计

  1.1加热器的设计

  干燥塔设计有6支喷枪,改变喷枪的投入数量,可以实现生产成品的数量调节;进入的洁净空气流量也是可调的,但是温度只有恒定在390℃,才能保证产品的质量。折算到加热这部分洁净空气需要的蒸汽参数为1.2MPa、400℃,流量在23000kg/h到11000kg/h可调。根据蒸汽参数,1.2MPa、210℃蒸汽焓值为2841kJ/kg,1.2MPa、400℃蒸汽焓值为3261kJ/kg,由热力学计算公式得出加热器在最大蒸汽流量下需要输出能量为[11000×(3261-2841)]/(60×60)=1283.33kJ/h。工艺负荷上需要附加15%的裕度,以考虑加热束的制造功率公差(±5%)以及电源电压的最终变化(±10%),因此设计热负荷为1283.33×1.15=1475.83kJ/h,相当于电负荷1475.83kW。加热器采用浸入式管束加热器,设计参数如下:设计压力(PS)为3.2MPa;最小/最大设计温度(TS)为0/440℃;最大压力降为60Pa(最大出口温度下)。在外壳和法兰之间提供法兰和隔热罩的热绝缘;由扇形挡板支撑;采取垂直安装,接线盒在顶部。加热器外形如图1所示。加热元件到法兰有198件,外径为16mm。活动插针数量为198;未连接插针(作为备件)数量为0。安装比负载为3.15W/cm2。控制特定负载(在100%晶闸管功率控制的情况下)为2.75W/cm2。100%的加热容量由周期短(约1s)的晶闸管单元控制。加热时不会出现突然的流量变化,所以安装加热元件的总负荷为1525kW。在加热器制作时,在本体上焊接预埋金属热井,作为热电偶保护套管;同时进出口管道上也需要安装热电偶测温元件,内置变送器,智能型,带可编程测量刻度的哈特协议。

  1.2加热器电气回路确定

  加热器供电电源电压为400V,3Ph+接地(±10%)。加热器安装容量为1525kW电加元件,198个加热元件采用三角形接线方式,分4个回路,分别是2组398.8kW、1组375.4kW、1组351.9kW。功率级数量为4级。

  2电路的实现

  2.1主电路

  为了实现加热器输出蒸汽恒温控制,电气回路的加热器需要功率调节单元。调功器也称为周波数控制器,可控硅在电压(或电流)过零点导通,也截止于电压(或电流)过零点,因此输出的波形为完整的正弦波。在设定的一个固定时间周期内,通过控制导通时间与截止时间,就可以达到控制输出周波数(导通率)的目的。国内类似产品大都是调压器,因此通过控制移相角来达到改变电压的目的。输出电压的波形为移相缺角波形,含有高次谐波,对电网会产生一定的污染,同时可能会对接入电网的其他用电器造成不良影响。在本项目中,加热器功率调节器采用意大利进口CD3000M系列功率调节器(该系列有一相、两相和三相晶闸管调节方式产品)。本项目所带负荷为电阻加热元件,三角形接线,采用三相中两相受控晶闸管调节方式就可满足负荷调节的需要。额定供电电压为400V,1个电加热器回路电流为605A。选用CD3000M-Multidive2Ph800A多输入多触发方式的功率调节器,可使用4~20mA或0~10V信号触发。加热器一次原理图如图2所示。

  2.2控制电路

  电加热器198个加热元件必须同步工作,保持功率输出一致。4组功率调节器的投退由DCS远程1个信号控制,并且4组功率调节器触发晶闸管导通和截止的时间也由1个控制器控制。DCS根据加热器出口温度输出4~20mA信号到LCS2多级负荷顺序控制器,LCS2根据接入信号的大小,输出0~10V脉冲信号去控制功率调节器输出频率,从而实现负荷调节。LCS2装置如图3所示。

  2.3电气保护系统

  2.3.1功率调节器内置保护CD3000M功率调节器内置快速熔断器,主要保护晶闸管及功率调节器的短路或过载。装置内还自带负荷不平衡、内部超温和加热器断线等保护,并输出开关量接点,用于报警或跳闸。由于4组加热器需要同步控制,因此在1台元件故障时输出开关量接点接通接触器断开回路,同时跳开其他3个回路的接触器。2.3.2外部电路配置保护(1)过电流保护。电源配置施耐德MasterpactMTZ断路器作为供电断路器。MTZ开关配置Micrologic5.0控制单元,实现电流长延时、短延时、瞬时保护。出现故障时,故障回路的断路器跳闸,同时联动断开其他3个非故障回路接触器。(2)过压保护。晶闸管不能承受过电压,因此单独配置了过电压继电器,持续监测电源电压,在电源电压超过420V时,电压继电器输出接点经0.5s延时同时跳开4个回路的接触器。(3)欠压保护。加热器负荷在系统电压低时可能引起单个加热元件的过电流,因此配置低电压继电器,持续监测电源电压,在电源电压低于360V时,低电压继电器输出接点经0.5s延时同时跳开4个回路的接触器。(4)接地保护。单个加热元件绝缘部件老化或设备内部存在异物可能会导致相接地故障,带来局部过热或损坏的潜在风险,因此单独配置零序电流互感器测量三相电路可能出现的漏电流,识别接地故障。接地故障一经识别,接地保护输出接点经0.5s延时同时跳开4个回路的接触器。

  3系统调试

  3.1功率调节器设置

  功率调节器参数可以通过其面板按键进行设置,也可以使用CD-EASY专用软件进行在线组态或复制到另一台上。本项目的设置参数如下:晶闸管的触发信号为0~10V直流模拟信号;晶闸管的控制方式为脉冲宽度调制,周期为1s。这种触发模式为单周期触发,也是对功率需要求反应最快速的过零切换模式。它是根据DCS输出的模拟量来控制晶闸管的输出频率的:如模拟量信号为50%时,晶闸管输出波形为1个周期开、1个周期关;如果功率需求为76%,那么调功器的工作方式与75%条件下相同,但每次在切换为开时,微处理器都会除以76/75,若余数的和为1,则会为负载多提供1个同期,以此类推。

  3.2整体调试

  4组电加热器同时上电,DCS远程控制回路接触器吸合和断开,模拟一个断路器跳闸、系统低电压等不同故障时的联锁动作情况。通过DCS设置加热器出口管道上的热电偶温度,在出口蒸汽超过440℃时,功率调节器内置保护自动断开加热器电路,保护加热器装置。加热器温度控制流程如图4所示。图4加热器温度控制流程图

  4结语

  加热器装置随生产系统整体投入使用,通过DCS系统自动控制,满足生产运行要求。

  参考文献

  [1]彭钦,易红艳.三相电加热器控制系统和控制方法的应用研究[J].军民两用技术与产品,2017(4下):195.

  《电加热器电气控制设计研究》来源:《电工技术》,作者:王晓华

文章标题:电加热器电气控制设计研究

转载请注明来自:http://www.sofabiao.com/fblw/ligong/gongyesheji/43510.html

相关问题解答

SCI服务

搜论文知识网的海量职称论文范文仅供广大读者免费阅读使用! 冀ICP备15021333号-3