变换系统氮气加热炉的维护与应用

颜景銮

（新能凤凰滕州能源有限公司，山东滕州 277527）

0 引 言

我公司甲醇装置变换系统采用了目前国内较为先进而又成熟的部分变换加配气路线，水煤浆气化来的煤气经变换工段转化为用于生产甲醇的合成气，即煤气中的一氧化碳与水蒸气在变换催化剂的作用下发生变换反应，转化成氢和二氧化碳；采用配气路线，使出变换工段的合成气中CO含量约为20%（体积分数，干基），且H2／CO≈2.32（V／V），同时，将部分有机硫转化成无机硫。变换气送至低温甲醇洗工段。

变换炉操作温度约为265～450℃，鉴于水煤气中硫含量较高，故变换催化剂采用耐硫变换催化剂（QDB－01／03）。为保护催化剂的活性，防止水滴的产生，变换炉入口气体温度要高于露点25℃以上，即中变入口温度至少在265℃以上。每次系统开车时，氮气加热炉的出口温度必须提至350℃以上，以便激活耐硫变换催化剂，确保水煤浆气化来的煤气在变换炉中良好反应，从而保障了生产系统的顺利开车运行。

我公司变换系统的氮气加热炉，在使用过程中，后期炉温上升缓慢，难以满足工艺需求。为解决这一问题，经考察研究并结合我公司的设备状况，从设备维护和精心操作方面采取了一系列改进措施，取得了显著效果，延长了氮气加热炉的检修周期，大大减少了氮气加热炉的维护费用。从2010年7月20日氮气加热炉再次启用，运行至今，加热炉升温正常，运行稳定，保障了生产系统的正常开车运行。

1 设备及工况现状

根据变换工艺需求，我公司采用了电功率为1 500kW，容积是5.34m3的氮气加热炉。特别是加热炉的电炉丝，我们经过考察，选择了规格为φ30×4 500mm、10kW／根×150根的单端大功率直杆型电加热棒，此种加热棒具有以下优势。

（1）加热管结构与众不同，不是采用常规形式（U型或双U型电热丝回路。常规U型电热丝发热不均匀，影响热量传递，使用寿命短）。中心杆回路是采用独螺旋的电阻丝，四周发热均匀，大大提高了使用寿命。

（2）粗直径、直杆型电加热棒，使用过程中不会变形，整体强度大，从而能提高管子使用寿命。

（3）直杆式电热棒理论上不需拆卸加热炉炉体即可进行单支更换。

氮气加热炉配套的可控硅交流调压器，型号为KTS（F）；功率1 000kW×2；相数三相；输入电压380V，输出电压0～370V；输入控制信号4～20mA；负载连接方式三角形连接；触发方式移相调压型；调节电压输出范围0～95%。控制部分由三相同步变压器，同步RC滤波回路，集成电路，调节回路等组成。控制方式是三相移相触发，由中控室DCS给出的4～20mA信号或由可控硅交流调压器控制柜面板上的电位器给出的0～10V信号，变换成相应的电角度，控制可控硅的导通角，达到调节负载电压之目的。

主回路采用三相三线回路，每相由一只可控硅与一支整流二极管反向并联，输出侧配置63A熔断器，加热炉可控硅交流调压器系统分为两套，每套24路，一路三相（共24路支路），故总的调控功率为24×2×3×10＝1 440kW，电流为2 178A（实际炉体内装有150根加热棒，共1 500kW；多出的6根加热棒作为备用）。

气化、变换系统设备及加热炉我公司于2008年10月吊装／安装，2009年12月17日整个甲醇生产系统一次试车成功。开车初期，系统停车次数较多，变换系统新安装的氮气加热炉投用频繁，基本上能满足工艺需求，但在数次使用后，到2010年6月中旬，出现了氮气加热炉炉温后期上升缓慢现象，打开调压柜检查，发现部分回路熔断器熔断，更换保险后升温达到工艺要求。2010年7月19日工艺开车，14：00氮气加热炉送电，晚上电炉升温，工艺人员反映，炉温升至300℃不再上升，A套系统电流最高升至400A左右，B套系统电流最高升至900A左右，不能满足工艺需求，影响工艺切气的顺利进行。检修人员打开调压柜检查，发现15路分支回路无电流，回路保险熔断，于是，我们把三相支路保险全熔断的回路断路器拉开，将摇测绝缘大于0.5MΩ的回路，更换保险恢复送电，勉强升温，2010年7月20日9：00，氮气加热炉升温完成，停电退出运行。

2 问题排查及原因分析

针对上述情况，我们对氮气加热炉调压柜及炉体进行了全面检查。

2.1 加热炉调压柜内48条回路的检查结果（表1）

（1）第3、7、8、9、16、24、43共7条回路在系统开车前期送电升温过程中，由于回路对地绝缘很低或相间电炉丝电阻值偏差很大均未投入使用，并早已将这7条回路的所有保险取下。

（2）第1、4、5、10、12、14、17、19、20、21、22、23、25、26、28、31、32、33、34、35、36、37、39、42、44、45、46、47、48共29条回路对地绝缘良好、相间电阻值平衡、回路保险无损坏、开关未跳闸，说明回路完好。

（3）第2（A）、6（B）、11（B）、13（B）、15（B）、18（AB）、27（B）、29（AB）、30（B）、38（AC）、40（A）、41（AC）共12条回路在本次送电升温过程中保险熔断，从测量的各回路对地绝缘和相间电阻值显示，第2、13、30三条回路的相间电阻值不平衡，偏差5kΩ以上，其余9条回路的对地绝缘电阻良好，均在0.5MΩ以上，相间电阻值平衡。根据氮气加热电炉投运以来的维护状况判明，这些回路更换所熔断的保险后，在炉体状况整体绝缘良好，操作精细正确的前提下，可以投入使用。

（4）更换所有的熔断保险后，即使以前不合格的第3、7、8、9、16、24、43回路和新增的第2、13、30回路因回路对地绝缘很低或相间电炉丝电阻值偏差大而不能回复（部分回路经低温烘炉应有回复的可能），加热回路完好率为79%，应仅能维持下一次氮气加热炉升温运行的要求。

（5）去DCS控制室询问工艺操作人员得知，每次系统开车催得紧，氮气加热炉升温时间有所缩短，工艺操作人员在升温前不了解氮气加热炉的炉丝绝缘状况，且没有完全掌握氮气加热炉升温控制操作要领和注意事项。

2.2 现场加热炉炉体检查结果

（1）氮气加热炉顶部接线腔内有积水，腔体四周锈蚀严重，炉壁氧化脱落，加热棒接线柱压接螺丝锈蚀，不好拆卸。

（2）加热棒接线部分烧焦，引线过热烧断。

（3）加热炉解线，测量部分引线烧断或锈蚀严重的加热棒绝缘电阻，阻值小于0.5MΩ或对地绝缘电阻为零。

表1 加热炉调压柜内48条回路的检查结果（2010－07－20）

2.3 原因分析

这些状况表明，如果不查清原因，采取措施，这台氮气加热炉就无法继续使用，必需进行炉体全面大修。而氮气加热炉的大修，对备件、工／器具、技术、环境要求都很高，需要所有测试合格的备品备件全部到位，大型吊车、叉车、拖车等机具投入，设备、工艺、电气、仪表、电焊、气焊、起重等各工种人员全力配合，在符合长炉丝加热炉检修的天气环境下进行。于是，我们在咨询原设备厂家未果的情况下，对周边兖矿鲁化、国泰化工等使用氮气加热炉的同类型化工企业，就氮气加热炉的电气配置、接线方式、运行状况、故障现象等进行了实地考察，得知加热回路熔断器熔断、加热炉温度升不上去的状况亦有发生，甚至出现了调压柜内短路、加热炉顶部着火等严重现象。于是，我们查阅相关资料，根据公司的实际使用状况，综合分析，认为主要有以下原因。

（1）氮气加热炉炉体上、下腔体因材质的透气性大或密封不严，造成下腔内加热棒之间存有潮湿气体，使炉体整体绝缘下降；上腔内蒸汽加热过程中凝结的积水排不出去，长期积存在上腔底部，在多次加热的过程中金属氧化，发生严重锈蚀。

（2）加热炉炉体下腔内加热棒之间存有潮湿气体，泄漏电流增大，电炉送电加压时加热棒绝缘薄弱部位击穿接地。

（3）加热炉投用升温时，炉体顶部过高，上腔内因加盖密封散热不良，造成温度持续升高烧坏炉丝接线，严重时会出现起火现象。

（4）工艺操作人员无法得知氮气加热炉炉丝的绝缘状况，不能有针对性的控制炉体升温过程。

（5）操作人员对氮气加热炉的操作程序没有熟练掌握、了解，操作程序没有严格执行，系统开车时间紧省略升温步骤，对盲目操作的后果认识不足等原因，使升温时间过快，造成多数保险因电流过大而熔断。

（6）升温时间过快，加热炉电炉丝热膨胀迅速，导致电炉丝变形损坏或电流过大而烧断。

3 维护解决方案

3.1 弥补设计不足，加强检查维修，改善加热炉运行环境

（1）检查紧固电源侧和负荷侧所有回路接线压接部位，处理电缆压接部位氧化层，更换因机械应力过热削减、失去弹性机械强度的弹簧垫片和氧化、锈蚀严重的螺杆、螺丝，减小回路接触电阻，清除加热炉接线腔壁氧化脱落物。

（2）在氮气加热炉顶部西侧框架上加装轴流风机，降低加热炉顶部接线腔的温度。当加热炉顶部温度高于300℃时，开启散热风机，直至升温完毕，防止因氮气加热炉顶部在调压升温过程中温度过高而损坏加热炉电缆。

（3）在氮气加热炉顶部接线腔内最底层开孔，焊接引流管，在每次氮气加热炉投入之前，打开加热炉顶部接线腔引流管截止阀，检查接线腔有积水应及时彻底排净。

（4）每次氮气加热炉送电前，检查接线腔内绝缘支持件、炉丝连接件、接线压接以及各支路电缆入口处等，应完好无损。全面测量所有回路的对地绝缘和相间绝缘电阻值，掌握炉体的整体绝缘水平。

3.2 重新测试调压器控制特性，确认主、辅回路性能完好

（1）打开可控硅交流调压器柜前、后门柜，检查各紧固件、接线有无松动或脱落，面板仪表、指示灯、开关等是否完好。

（2）在电源柜三相输入端接三相电源。用三只200W灯泡接成Y形作假性负载，星点不接零，接在输出端。

（3）检查调压器柜面板触发器上的电位器，确在零位。合上电源，风机运行正常，风向向上。

（4）调节面板触发器上的调节电位器，三只灯泡逐步变亮，亮度要基本一致，从0～370V，电压上升到输入电压的95%时，由于假性负载小而有闪烁为正常。

（5）将触发电位器降到零位，把手、自动开关打至远控位置，在工艺控制室调节给定信号，三只灯泡点亮现象与就地控制一样。

（6）通过调试检验可控硅交流调压器主、辅回路工作状态，消除控制系统隐患，检查手、自动状态下（即调压器控制柜现场操作和DCS控制室远程操作），各种信号的传输、显示是否正常。

3.3 调整加热炉升温操作程序，精细操作，做好过程控制

（1）组织参与变换系统氮气加热炉操作、维护的所有工艺、电气、仪表技术人员及相关操作人员，对氮气加热炉的结构性能、工作原理、操作程序，特别是对调整后的操作步骤及注意事项进行全面学习，并将氮气加热炉操作程序下发至相应岗位。

（2）随着工况的逐步稳定，整个生产系统开停车的次数逐步减少，趋于正常状态，加热炉只有系统大修后开车时投用；送电之前电气专业人员对加热炉炉体及可控硅交流调压器柜做详细测量检查。

（3）由于变换炉的耐硫变换催化剂（QDB－01／03）活性，随着使用频次的增加和煤气杂质的侵蚀而减弱，为保障气体完全反应，变换炉的入口温度将随之有所提高。

（4）统计氮气加热炉各支路电炉丝的完好情况，若现有的完好回路不能满足工艺升温的要求，可以把加热炉中的备用炉丝（检测完好后），接线调整投入。

（5）提前用氮气吹扫炉体，驱除潮湿含杂气体，由氮气循环风机开启后就投用加热炉，调整为氮气吹除至少半小时后再投用电加热器。

（6）检查电炉对地绝缘合格，各个连接点连接可靠，足量回路开关、保险完好。已经彻底损坏的回路不投用，回路保险取下，开关拉开。

（7）绝缘电阻降低的回路（电炉丝回路既没有完全接地也没有损毁开路），装上完好的保险，把回路开关拉开，先不投入。

（8）将调压器控制柜的转换开关打至手动位置，将控制器面板上的电位器降到零位。

（9）进线开关送电，顺时针缓慢调节，每10min调节一次，每次5～10V，电流20～30A。电压升至100V时烘炉4h，如果统计的合格的加热棒完好率达不到80%，就要检查预留绝缘低回路的绝缘电阻，据我公司操作多次的实际状况来看，烘炉后绝缘低的回路绝缘电阻多数回升，趋于良好；然后根据需要，投入所需的回路数。

（10）这样调整完好后，和工艺人员联系，将转换开关打至远控位置，由工艺人员进行升温操作和控制，直至完成变换炉的升温，再将加热炉降温，退出运行。

（11）使用过程中，如果因变换炉催化剂问题要求温度很高，应将完好回路全部投入，但不得过负荷运行，同时不得靠电炉频繁调节温度。

（12）如果运行中突然停电，应将电位器和DCS控制室的给定信号降为零，防止再来电时，大电流冲击电炉，造成炉丝烧坏。

（13）在使用时，如回路电流突然严重不平衡或无电流指示，应关掉电源，查明原因，予以排除后方可使用。

4 结 语

氮气加热炉是变换系统的主要设备之一，对于生产系统水煤浆气化煤气顺利切气，进行良好的变换反应起着决定性作用。通过以上维护措施的实施以及对加热炉回路和可控硅调压器的性能测试、检验、修复，弥补了氮气加热炉炉体的通风散热、凝结水引流的设计不足，大大增强了加热炉炉体的绝缘水平，加热回路的可用率大大提高，使本应立即进行炉体大修的氮气加热炉延长了使用周期，节省了维修费用。

通过加热炉的精细操作，对升温过程的控制，炉体能够匀速平稳的升温和降温，使电炉各支路电流升降平稳不突变，加热棒发热膨胀或降温冷缩均匀，炉体温度亦没有突变现象，加热回路熔断器熔断的故障大大减少，每次生产系统开车，氮气加热炉升温正常，能够满足变换炉反应温度的需求。我们探索出一条合理应用氮气加热炉的有效途径，收到了较好的经济效益。