師海雄

（成都瑞奇智造科技股份有限公司，成都 610300）

電加熱是利用電能轉(zhuǎn)換為熱能的一種能量轉(zhuǎn)換，根據(jù)將電能轉(zhuǎn)換為熱能的方式，電加熱通常分為電阻加熱、感應(yīng)加熱、電弧加熱、電子束加熱、紅外線加熱和介質(zhì)加熱等[1]。電阻加熱是應(yīng)用最為廣泛的一種電加熱技術(shù)。電阻加熱是電流通過(guò)加熱體產(chǎn)生焦耳效應(yīng)將電能轉(zhuǎn)變成熱能用來(lái)加熱物體，一般分為直接電阻加熱和間接電阻加熱2 種形式[2]。直接電阻加熱的電源電壓直接加到被加熱物體上，當(dāng)有電流流過(guò)時(shí)，被加熱物體本身便發(fā)熱，由于熱量產(chǎn)生于被加熱物體本身，屬于內(nèi)部加熱，熱效率很高。間接電阻加熱需由專(zhuān)門(mén)的合金材料或非金屬材料制成發(fā)熱元件，由發(fā)熱元件產(chǎn)生熱能，通過(guò)輻射、對(duì)流和傳導(dǎo)等方式傳到被加熱物體上，由于被加熱物體和發(fā)熱元件分成2 部分，熱量傳遞過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生熱損失，熱效率低。

本文介紹一種直接電阻加熱法，即短路加熱法。所謂短路加熱，也是電阻加熱的一種變形，因發(fā)熱體阻抗很低，所以施加電壓很低，電流很大，好像變壓器二次側(cè)短路，故謂之短路加熱[3]。在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程，往往需要對(duì)流體進(jìn)行加熱來(lái)滿(mǎn)足生產(chǎn)工藝條件。流體通過(guò)金屬管道進(jìn)行輸送，利用金屬管道導(dǎo)電性，對(duì)管道施加電壓，產(chǎn)生電流，管道自身被加熱，被加熱段管道充當(dāng)電熱元件，在工作中低溫流體介質(zhì)通過(guò)管道，在壓力作用下進(jìn)入其輸入口，沿著運(yùn)用流體熱力學(xué)原理設(shè)計(jì)的路徑，帶走電熱元件工作中所產(chǎn)生的高溫?zé)崮芰浚贡患訜峤橘|(zhì)溫度升高，電加熱管道出口得到工藝要求的高溫介質(zhì)。

1 短路加熱法原理

短路加熱法是一種特殊、安全利用導(dǎo)電管道加熱的一種方法。當(dāng)交流電壓被應(yīng)用于管道時(shí)，這個(gè)管道實(shí)際上變成發(fā)熱元件，就是把管道作為1 個(gè)加熱電阻，兩端加一電壓使管道發(fā)熱。液體流經(jīng)發(fā)熱管道，帶走管道熱量，從而將電能轉(zhuǎn)變成熱能以加熱物體。

2 短路加熱器技術(shù)性能及功能特點(diǎn)

1）不需要電熱元件，利用自身管道發(fā)熱，壽命很長(zhǎng)。

2）工作電壓小于工頻電壓，安全性好。

3）采用管道自身作為電熱元件，幾乎不需任何維護(hù)。

4）熱場(chǎng)均勻、無(wú)過(guò)熱點(diǎn)，對(duì)介質(zhì)不會(huì)產(chǎn)生任何影響。

5）熱響應(yīng)快、控溫精度高，控溫范圍寬。

6）安裝簡(jiǎn)單方便，大大節(jié)約安裝費(fèi)用。

7）功率大。額定功率一般有數(shù)百千瓦甚至上兆瓦、額定電流高達(dá)幾千甚至上萬(wàn)安培。

8）加熱溫度高。加熱器設(shè)計(jì)最高工作溫度可達(dá)850 ℃。

9）效率高，節(jié)能效果顯著，對(duì)管道內(nèi)介質(zhì)全部吸收電能，電能產(chǎn)生的熱量幾乎100%傳給加熱介質(zhì)。

10）應(yīng)用范圍廣，適應(yīng)性強(qiáng)。該加熱器可適用于石油、化工及熱工試驗(yàn)裝置，耐壓可達(dá)20 MPa。

11）可全自動(dòng)化控制。根據(jù)要求通過(guò)加熱器電路設(shè)計(jì)，可方便實(shí)現(xiàn)出口溫度自動(dòng)控制，并可與計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

3 短路加熱法的應(yīng)用

短路加熱系直接采用工藝物料管道通以單相或三相大電流，使其產(chǎn)生熱量而達(dá)到加熱的目的，其具有熱效高、功率因數(shù)高、壽命長(zhǎng)、維修方便和溫控靈活等優(yōu)點(diǎn)，并且由電能轉(zhuǎn)換的熱量能被物料直接吸收，節(jié)能效果顯著。這種加熱方式在石油、化工及熱工試驗(yàn)裝置中得到廣泛使用，是熱工試驗(yàn)裝置的重要組成部分。

近年來(lái)，我國(guó)掀起了使用清潔能源的發(fā)展浪潮。核能是可持續(xù)發(fā)展的清潔能源，已經(jīng)被公認(rèn)為是一種唯一能夠大規(guī)模取代常規(guī)能源的替代能源。核能被列入我國(guó)能源政策之中，我國(guó)的核電事業(yè)有廣闊的發(fā)展前景，其將是我國(guó)實(shí)現(xiàn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)所需能源的重要支柱之一。為快速推進(jìn)核能發(fā)展，我國(guó)投入了大量的基礎(chǔ)研究，在研究領(lǐng)域有一種電加熱方式的大功率管式預(yù)熱器被用來(lái)對(duì)流體進(jìn)行加熱，預(yù)熱器額定功率一般有數(shù)百千瓦甚至幾十兆瓦，額定電流高達(dá)幾千甚至上萬(wàn)安培，這種大功率管式預(yù)熱器正是利用了短路加熱法的原理，采用低電壓、大電流方式對(duì)流體管道直接加熱，流體流經(jīng)管道時(shí)熱量傳遞給流體，流體以一定的速度在試驗(yàn)裝置中循環(huán)，保證試驗(yàn)裝置的正常運(yùn)行。

熱工裝置大功率管式預(yù)熱器包括預(yù)熱器加熱管道、感應(yīng)調(diào)壓器、大電流變壓器、操作臺(tái)及控制系統(tǒng)。預(yù)熱器采用管道通電加熱方式，通過(guò)“1 臺(tái)三相調(diào)壓器+3臺(tái)單相變壓器”的方式提供加熱電源。調(diào)壓器、變壓器安裝于現(xiàn)場(chǎng)預(yù)熱器附近，調(diào)壓器與變壓器、變壓器與預(yù)熱器之間均通過(guò)銅排連接。感應(yīng)式調(diào)壓器將外部提供的AC380 V/10 kV 電源轉(zhuǎn)換為變壓器需要的電壓和電流，將感應(yīng)調(diào)壓器的3 個(gè)輸出接線端子分別接至3 臺(tái)大電流單相變壓器的輸入端，為變壓器提供電源；將3臺(tái)單相變壓器輸入端首尾連接起來(lái)，輸出端低電勢(shì)端短接起來(lái)，使3 臺(tái)單相變壓器的進(jìn)線端構(gòu)成三角形連接，出線端構(gòu)成星形連接。最后，將3 臺(tái)變壓器的高電勢(shì)輸出端分別接至3 個(gè)預(yù)熱器加熱管道的高電勢(shì)銅排接線板。預(yù)熱器的原理圖如圖1 所示。

圖1 預(yù)熱器原理圖

4 短路加熱法應(yīng)用安全性分析

短路加熱器是利用金屬管道自身作為電熱元件，對(duì)管道直接施加交流電壓，這樣金屬管道就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，管道自身就會(huì)帶電運(yùn)行，而被加熱的管道又和工藝管道相連接，若管道帶電運(yùn)行，就會(huì)對(duì)其與之相連接的生產(chǎn)設(shè)備及生產(chǎn)維護(hù)人員的人身安全帶來(lái)危險(xiǎn)影響。因此，要求在應(yīng)用短路加熱器時(shí)必須做好安全絕緣措施，使非加熱工藝管道與短路加熱管道完全隔離。傳統(tǒng)的大功率管式電加熱預(yù)熱器需要在被加熱管道與工藝回路的非加熱管道之間安裝絕緣法蘭進(jìn)行絕緣。對(duì)熱工裝置來(lái)說(shuō)，工藝管路通常都是高溫高壓回路，管道內(nèi)充有溫度達(dá)數(shù)百攝氏度、壓力達(dá)十幾兆帕甚至幾十兆帕以上的液體介質(zhì)，在這種高溫高壓條件下，絕緣法蘭的絕緣性能容易失效，一旦絕緣失效，就會(huì)發(fā)生漏電，漏電不但會(huì)造成電能浪費(fèi)，還會(huì)影響其他設(shè)備的正常工作甚至損壞，還會(huì)給工作人員帶來(lái)觸電的安全風(fēng)險(xiǎn)。所以增加絕緣法蘭并不能徹底解決電加熱預(yù)熱器管道漏電的問(wèn)題，可見(jiàn)，傳統(tǒng)技術(shù)中的管式預(yù)熱器存在絕緣效果較差，回路存在潛在漏電的不安全風(fēng)險(xiǎn)。

為了能夠徹底解決電加熱預(yù)熱器的漏電所帶來(lái)的不安全風(fēng)險(xiǎn)，本文提出一種從電路原理上進(jìn)行解決的方案，即“三相對(duì)稱(chēng)電路法”。要形成三相對(duì)稱(chēng)電路，首先要有三相對(duì)稱(chēng)電源，三相對(duì)稱(chēng)電源是由3 個(gè)等幅值、同頻率和初相依次相差120°的正弦電壓源連接成星形或三角形組成的電源。其次是三相對(duì)稱(chēng)負(fù)載，將功率大小相等的三相負(fù)載按照對(duì)稱(chēng)原則依次連接成星形或三角形。從三相對(duì)稱(chēng)電源的3 個(gè)端子引出具有相同阻抗的3 條端線（或輸電線），把一些三相對(duì)稱(chēng)負(fù)載連接在端線上就形成了三相對(duì)稱(chēng)電路[4]。

三相對(duì)稱(chēng)電路原理圖[5]如圖2 所示。

圖2 三相對(duì)稱(chēng)電路原理圖

首先分析三相電源，圖2 中三相電源由3 個(gè)等幅值、同頻率和初相依次相差120°的正弦電壓源連接成星形組成，如圖3 所示，3 個(gè)電源依次稱(chēng)為A 相、B 相和C 相，其電壓表達(dá)如下。

圖3 三相交流電源波形和相量圖

三相電壓瞬時(shí)表達(dá)式

相量形式

從以上分析可以得出，三相對(duì)稱(chēng)交流電源電壓大小相等，頻率相同，相角互差120°，根據(jù)向量運(yùn)算，電源中性點(diǎn)N 處電壓矢量和為零。

再分析三相對(duì)稱(chēng)電源連接上三相負(fù)載的情況，圖2 中線路阻抗Zl相等，負(fù)載阻抗Z 相等，負(fù)載連接成星形，構(gòu)成對(duì)稱(chēng)三相負(fù)載。

下面以圖2 為例對(duì)負(fù)載回路進(jìn)行分析。

以N 為參考結(jié)點(diǎn)

中性線的電流為

熱工裝置將電加熱預(yù)熱器設(shè)計(jì)為包括3 段預(yù)熱器加熱管道、1 臺(tái)三相感應(yīng)調(diào)壓器和3 臺(tái)單相大電流變壓器。三相感應(yīng)調(diào)壓器與大電流變壓器連接，變壓器與預(yù)熱器加熱管道連接。由圖4 可知，1 臺(tái)三相感應(yīng)調(diào)壓器、3 臺(tái)單相大電流變壓器連接構(gòu)成三相對(duì)稱(chēng)電源，3段預(yù)熱器加熱管道材料、規(guī)格和長(zhǎng)度相同，等間距分布布置，在預(yù)熱器管道上焊接用于連接三相對(duì)稱(chēng)電源的接線銅排，銅排均勻分組。預(yù)熱器管道兩端分別焊接3塊接線銅排，中間焊接3 塊接線銅排，接線銅排的N端短接起來(lái)，N′端短接起來(lái)，中間接線銅排A、B 和C 分別接三相對(duì)稱(chēng)電源的A 相、B 相和C 相，最終連接成為三相對(duì)稱(chēng)回路。利用三相交流電A 相、B 相和C 相之間相位互差120°，在三相供電平衡的條件下，匯集點(diǎn)N、N′電壓、電流矢量和為零的原理，從而在加熱管道的兩端形成2 個(gè)自然“零電位點(diǎn)”，因此與預(yù)熱器相連接的其他工藝管道就不會(huì)帶電運(yùn)行，工藝管道中的物料也不會(huì)帶電運(yùn)行，真正意義上實(shí)現(xiàn)了電氣絕緣。有效解決了傳統(tǒng)技術(shù)中的管式預(yù)熱器存在絕緣效果較差、回路存在潛在漏電的技術(shù)問(wèn)題，保障了大功率管式預(yù)熱器加熱的效率和安全性，并具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和技術(shù)效果。

圖4 三相對(duì)稱(chēng)管式電加熱預(yù)熱器圖

5 結(jié)束語(yǔ)

利用三相對(duì)稱(chēng)電路原理，雖然解決了人們擔(dān)心的漏電問(wèn)題，但是在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中仍需要高度重視安全問(wèn)題。盡管解決了非加熱區(qū)的漏電問(wèn)題，但被加熱的管道存在高溫、大電流，所以被加熱管道區(qū)域存在高溫燙傷、觸電的風(fēng)險(xiǎn)。因此，需要在短路加熱裝置區(qū)域設(shè)置安全隔離措施，非工作人員不得隨便靠近，在被加熱管段與管道支撐件之間需要加裝耐高溫的絕緣套管，連接螺栓加裝耐高溫絕緣墊片，并且管道支撐件必須做好可靠的接地連接，測(cè)試接地電阻滿(mǎn)足安全規(guī)范要求后方可投入使用。還可以借助自動(dòng)化控制手段來(lái)保證設(shè)備的安全運(yùn)行，在工藝管道與加熱裝置法蘭連接處，連接電壓檢測(cè)儀表，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電壓參數(shù)，在接地回路中安裝電流互感器，連接電流檢測(cè)儀表，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)對(duì)地電流，控制系統(tǒng)設(shè)置安全聯(lián)鎖保護(hù)裝置，一旦監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)超出安全設(shè)定范圍，立即聯(lián)鎖切斷短路加熱裝置供電電源，并發(fā)出報(bào)警信號(hào)，記錄報(bào)警數(shù)據(jù)及趨勢(shì)，以便檢修人員查找故障原因。

利用短路加熱法可以制造出各種不同形式的短路加熱裝置。短路加熱裝置可以根據(jù)工藝需要、使用場(chǎng)地大小等特殊條件，加工制造成各種功率大小、形狀不同的形式，靈活性非常高，可以適應(yīng)大多的應(yīng)用場(chǎng)合，而且短路加熱裝置由于功率大、熱響應(yīng)快、熱場(chǎng)均勻、壽命長(zhǎng)、維修率低、效率高和節(jié)能效果顯著，并且安全可靠，因此提倡在生產(chǎn)、科研和試驗(yàn)等領(lǐng)域中大膽嘗試應(yīng)用短路加熱法，使其在更多的領(lǐng)域中被推廣使用。