陶瓷型灰斗電加熱器在電力工程實(shí)踐中的利弊分析

桑杰臣 肖 力

（大唐環(huán)境產(chǎn)業(yè)集團(tuán)股份有限公司環(huán)保分公司 北京 100097）

陶瓷型灰斗電加熱器在電力工程實(shí)踐中的利弊分析

桑杰臣 肖 力

（大唐環(huán)境產(chǎn)業(yè)集團(tuán)股份有限公司環(huán)保分公司 北京 100097）

通過研究基于燃煤發(fā)電廠的除塵器灰斗電加熱設(shè)備，結(jié)合工程實(shí)例，探討了目前主流的新型片式自控恒溫陶瓷電加熱器在工程實(shí)踐中的利弊，通過分析其工作原理以及安裝工藝，得出其優(yōu)勢所在，并根據(jù)投運(yùn)后的實(shí)際情況進(jìn)行分析，得出其需要改進(jìn)的方向。

灰斗電加熱；陶瓷自控恒溫體；安全可靠；節(jié)能降耗

引言

為達(dá)到收集粉塵的目的，燃煤發(fā)電廠需建設(shè)除塵裝置，目前除塵器主要以布袋除塵器和電除塵器為主，而收集到的粉塵在灰斗進(jìn)行儲存，再通過輸灰管道運(yùn)送到灰?guī)爝M(jìn)行處理。在灰斗進(jìn)行儲存的階段，灰斗加熱作為一種防止酸露和由于低溫、潮濕等原因造成燃燒后的灰粉結(jié)塊引起的排灰不暢而被廣泛應(yīng)用。其工作原理是以熱交換補(bǔ)充被加熱灰斗的熱損失，以達(dá)到升溫、保溫、防凍、防酸露的正常工作要求，所以為了保證輸灰的順利進(jìn)行和灰斗的正常溫度，需要在灰斗壁裝設(shè)灰斗電加熱裝置。傳統(tǒng)的灰斗電加熱主要以不銹鋼電加熱板為主，通過連接到現(xiàn)場的電加熱絲進(jìn)行溫度加熱控制，這種工藝能耗較大，系統(tǒng)維護(hù)較復(fù)雜，并且不利于檢修，易故障等缺陷，優(yōu)勢就在于價(jià)格相對低廉，工藝要求相對較低。

目前燃煤火電廠灰斗電加熱主要以采用新型斗片式自控恒溫陶瓷加熱體為主，其主要原理是運(yùn)用新一代復(fù)合型陶瓷材料作為發(fā)熱體，以其優(yōu)良的電熱特性為恒溫依據(jù)，當(dāng)對陶瓷自控恒溫體進(jìn)行通電加熱時(shí)，處在冷態(tài)狀態(tài)下陶瓷電阻率非常低，所以其通過電流會很大，這就導(dǎo)致了陶瓷自控恒溫體在極端事件內(nèi)迅速升溫，當(dāng)陶瓷自控恒溫體達(dá)到其自身的設(shè)定溫度時(shí)，即灰斗要求的正常工作溫度，由于溫度的升高，陶瓷體電阻率增大，電流會迅速下降，直至電流穩(wěn)定值，從而實(shí)現(xiàn)陶瓷加熱體自控恒溫的目的[1]。此項(xiàng)工藝能耗節(jié)約較明顯，并且利于檢修，安裝簡易，已成為灰斗電加熱器的主流工藝路線。本論文主要討論其在工程實(shí)踐中取得的優(yōu)勢和經(jīng)驗(yàn)，并對發(fā)現(xiàn)的問題進(jìn)行分析和探討。

1 片式自控恒溫電加熱器原理總述

1.1 設(shè)備組成

單個(gè)灰斗的片式自控恒溫電加熱器主要由400片到500片附著在灰斗下部不小于1/3表面上的陶瓷恒溫體組成，通過與放置在遠(yuǎn)方的電加熱控制柜進(jìn)行連接控制。單個(gè)陶瓷片發(fā)熱功率在10W左右，單個(gè)灰斗總功率根據(jù)工程實(shí)踐，一般不超過10kW。相較傳統(tǒng)的不銹鋼發(fā)熱體，能耗降低一半。

1.2 工作特性

由于灰斗壁在除塵器正常運(yùn)行狀態(tài)下溫度保持不低于120℃，且要高于煙氣露點(diǎn)溫度5～10℃，所以對恒溫要求工藝較高。片式自控恒溫電加熱器采用的電加熱片是一種由特殊材料制成的高科技熱敏元件，利用其電阻隨溫度呈指數(shù)關(guān)系變化（即隨溫度的升高呈階躍性的增高）的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)恒溫加熱[2]。

1.2.1 阻溫特性（R-T特性）

陶瓷恒溫電加熱體的電阻溫度特性即R-T特性，簡稱阻溫特性，它表征了在恒定電壓下，陶瓷的電阻大小與其本體溫度之間的曲線關(guān)系，如圖1所示。由圖可知，發(fā)熱體采用正溫度系數(shù)很大的特殊材料，當(dāng)未進(jìn)行恒溫加熱時(shí)，電阻值保持在很低的狀態(tài)，隨著通電后溫度的不斷升高，在達(dá)到居里點(diǎn)附近發(fā)生突變，由于電阻的迅速升高，產(chǎn)生的數(shù)量級的變化而達(dá)到溫流恒溫的目的。

圖1 阻溫特性曲線

Tc：居里溫度，即陶瓷恒溫體達(dá)到Rmin二倍電阻值時(shí)所對應(yīng)的溫度；

T25：室溫標(biāo)準(zhǔn)溫度25℃；

R25：陶瓷恒溫體在標(biāo)準(zhǔn)室溫下的電阻；

RTc：陶瓷恒溫體達(dá)到居里溫度時(shí)對應(yīng)的電阻；

Rmax：陶瓷恒溫體達(dá)到最高溫度時(shí)的電阻；

Rmin：陶瓷恒溫體在工作狀態(tài)所達(dá)到的最小電阻。1.2.2電壓——電流關(guān)系（V-I特性）

陶瓷恒溫電加熱體的電壓電流特性即V-I特性，簡稱伏安特性，它是約定在25℃的標(biāo)準(zhǔn)室溫下，在陶瓷恒溫體達(dá)到恒溫時(shí)的穩(wěn)定狀態(tài)下，其發(fā)熱體兩端的電壓與流過的電流的關(guān)系曲線，如圖2所示。

圖2 電壓——電流關(guān)系曲線

陶瓷恒溫體的伏安特性曲線大致可分為三個(gè)區(qū)域：第一區(qū)域，即在0-VK之間稱為線性變化區(qū)，在此區(qū)間的電壓和電流的變化基本遵循歐姆定律，不會產(chǎn)生較明顯的非線性變化，故稱為不動(dòng)作區(qū)；第二區(qū)域，即在VK-Vmax之間稱為躍變區(qū)，由于此時(shí)的陶瓷恒溫體的電阻率發(fā)生了不規(guī)則變化，溫度的升高導(dǎo)致電阻值發(fā)生了躍變，電流隨著電壓的不斷上升而迅速下降，即該區(qū)域也稱為動(dòng)作區(qū)；第三區(qū)域，即在VD以上的區(qū)域稱為擊穿區(qū)，此時(shí)伴隨著電壓的繼續(xù)升高，電流也跟隨電壓一起升高，電阻值呈指數(shù)下降趨勢，所以電壓越高電流就越大，電阻的溫度值越高，相應(yīng)的電阻率越低，很快會發(fā)生電阻熱擊穿現(xiàn)象。

1.2.3 電流——時(shí)間關(guān)系（I-T特性）

電流-時(shí)間特性是指陶瓷恒溫體在工作過程中的電流隨時(shí)間變化的曲線，如圖3所示。

圖3 電流——時(shí)間關(guān)系曲線

由圖可以看出，陶瓷恒溫體的工作特性即隨著時(shí)間的不斷增長，其電流逐漸下降，最后趨于穩(wěn)定值，即在電流Ir附近，無線趨近于0，此時(shí)的電流成為殘余電流，或稱作維持電流。所以我們規(guī)定在一定的初始溫度下，當(dāng)給電阻施加一個(gè)初始電流后，通過電阻的電流從最高點(diǎn)逐步降低到初始電流50%所用的時(shí)間就是我們常說的動(dòng)作時(shí)間[3]。

2 片式自控恒溫電加熱器安裝工藝

由于片式自控恒溫電加熱器的安裝包括灰斗陶瓷片、電加熱柜、測溫電阻、高溫導(dǎo)線等眾多設(shè)備，本論文主要討論灰斗陶瓷片的安裝方式，并著重分析其相較于傳統(tǒng)工藝的優(yōu)勢所在。

2.1 加熱片在灰斗上的分布

相較于傳統(tǒng)的盲目安裝不銹鋼發(fā)熱體，陶瓷自控恒溫體經(jīng)過科學(xué)計(jì)算，布局更加合理。從灰斗底部向上測量2000mm，具體以現(xiàn)場實(shí)際為準(zhǔn)，并將這段垂直高度平均分為7—8段，每段加熱片的布局如圖4所示。

圖4 加熱片布局圖

其中：X水平為加熱片水平間距；

Y垂直為加熱片豎直間距；

W為單個(gè)加熱片的寬度；

L為加熱片高度；

An為該灰斗層寬度。

2.2 灰斗總加熱片數(shù)量到三相電的分法

分法原理：一灰斗加熱片總數(shù)量除以三為一相電源上的加熱片數(shù)量，同相加熱片應(yīng)放置在灰斗同一面；若灰斗兩小面面積總和減去一大面面積絕對值小于一平米，則兩小面為一相，兩大面各為一相。

2.3 安裝實(shí)例

加熱器卡子焊接到灰斗壁上，片式自控恒溫電加熱器采用并聯(lián)方式接入電路，并用耐溫導(dǎo)熱膠和防護(hù)膠帶安裝在灰斗外壁，由于采用模塊化，單個(gè)陶瓷片出現(xiàn)故障，可以及時(shí)拆卸替換，維護(hù)方便靈活，如圖5、圖6所示。

圖5 加熱片安裝原理圖

圖6 加熱片實(shí)例圖

3 片式自控恒溫電加熱器優(yōu)勢分析

3.1 質(zhì)量考證

由于陶瓷自控恒溫體的發(fā)熱材料使用了抗老化性能極佳的絕緣耐溫復(fù)合陶瓷材料，加上合理的布局和先進(jìn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從宏觀上講此種方式屬于模塊化設(shè)計(jì)，不存在相互之間的磨損和連帶損壞。經(jīng)過對中石油勝利發(fā)電廠二期工程布袋除塵器灰斗和托克托電廠三期布袋除塵器灰斗進(jìn)行考證，在經(jīng)歷了3年的使用后，陶瓷片只進(jìn)行了少部分的更換，并且實(shí)地進(jìn)行考察后，其發(fā)熱片基本無磨損，由此推測，其陶瓷恒溫體生產(chǎn)廠家承諾的性能保證5年以上是可行的，并且其在工作中傳輸無泄漏，不污染環(huán)境，符合當(dāng)下嚴(yán)格的環(huán)保要求。

3.2 可靠性考察

陶瓷自控恒溫體由于其工作原理所決定，在電源電壓波動(dòng)正負(fù)25%時(shí)仍可以保持恒溫狀態(tài)，這是普通電加熱材料所不具備的。在工作狀態(tài)下，陶瓷片發(fā)熱時(shí)無明火，無需耗氧，純通電工作方式，由于在生產(chǎn)加工過過程中通過配比，對材料設(shè)置了固定恒溫工作點(diǎn)，所以該特性在其工作狀態(tài)下終身不變，故在使用時(shí)安全可靠。需要注意的是，由于除塵器會在工作狀態(tài)下進(jìn)行振打，所以為了保證陶瓷片常年在強(qiáng)震動(dòng)的環(huán)境下正常工作，需對安裝工藝提出較高要求，即要求陶瓷片一定要可靠安全，防止脫落。陶瓷恒溫體除一般環(huán)境使用外，還可以在防爆環(huán)境使用，這一點(diǎn)可以在工業(yè)領(lǐng)域廣泛推廣。

3.3 節(jié)能成效

經(jīng)過與電廠運(yùn)行部門溝通，通過測算，陶瓷恒溫體相較于傳統(tǒng)的不銹鋼加熱器，基本可以降低能耗一半，大大降低了用電量。由于陶瓷恒溫體材料本身的熱轉(zhuǎn)換效率較高，能量損耗小，加之自控恒溫的特性，在熱負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，可以迅速增加或減小功率，反應(yīng)迅速靈敏，能量更加有效合理的使用。所以在熱負(fù)載增加時(shí)，能升溫，補(bǔ)償所出現(xiàn)的熱量差，不會因存在溫差而導(dǎo)致灰斗去濕除塵的效果，保證了輸灰的正常運(yùn)行；在熱負(fù)載減小時(shí)，其余熱用來對灰斗進(jìn)行溫度的維持，避免了反復(fù)加熱帶來的能量浪費(fèi)，節(jié)能效果十分顯著[4]。

3.4 升溫效果

根據(jù)工程實(shí)際測算，從初始溫度經(jīng)過觸發(fā)電流后，達(dá)到穩(wěn)定溫度的時(shí)間基本控制在幾十分鐘之內(nèi)，具體以實(shí)際灰斗尺寸為準(zhǔn)，但相較以往的不銹鋼加熱體，陶瓷體升溫更加迅速，而且每個(gè)灰斗的陶瓷片需經(jīng)過合理的測算，不盲目增加陶瓷片數(shù)量，所以其布局更加合理，單個(gè)灰斗的總功率基本在8kW左右，最高不超過10kW，供電方式為三項(xiàng)四線制，此種供電保證了電壓的平衡，所以灰斗可以得到更加均勻的加熱，溫度保持更加穩(wěn)定。

3.5 安裝注意事項(xiàng)

根據(jù)工程實(shí)踐，灰斗的陶瓷自控恒溫加熱體的安裝主要是確保眾多陶瓷片要與灰斗進(jìn)行可靠連接，保證不會因?yàn)榛叶返拈L期震動(dòng)而使陶瓷片發(fā)生大面積脫落的情況。由于陶瓷恒溫體的供電是以并聯(lián)方式接入電路，所以即使單個(gè)陶瓷片出現(xiàn)問題，只需點(diǎn)對點(diǎn)替換即可，無需大面積停電檢修。在這里需說明的是，陶瓷片通過耐高溫導(dǎo)熱膠和防護(hù)膠帶雙保險(xiǎn)的安裝在灰斗外壁，所以一般向上述所講的脫落情況基本不會發(fā)生。并且其出現(xiàn)簡單、設(shè)備防塵、防水、防紫外線防老化，產(chǎn)品體積小，施工方便，日常維護(hù)簡易，大大降低了投運(yùn)后的工作量。

3.6 調(diào)試總結(jié)

在進(jìn)行陶瓷恒溫系統(tǒng)調(diào)試階段時(shí)，由于其系統(tǒng)采用模塊化，所以調(diào)試方面簡易，基本以例行檢查為主。首先對整體設(shè)備的各類電線、電纜、測溫元件、熱電偶輸出連線等的連接進(jìn)行系統(tǒng)檢查，確保連接正確無誤，對控制元件和基礎(chǔ)連接進(jìn)行檢查確認(rèn)是否可靠連接，有無松動(dòng)，最終確認(rèn)無誤后進(jìn)行帶電調(diào)試：即合上主空氣開關(guān)，電源指示燈點(diǎn)亮，然后打開數(shù)顯溫度巡測儀供電開關(guān)，觀察各類開關(guān)有無問題；在通電后，設(shè)定數(shù)顯溫度巡測儀，然后設(shè)定溫度上下限報(bào)警，并給出相應(yīng)的信號；在數(shù)顯溫度巡測儀設(shè)定好之后，若無異常情況即可給加熱器上電，加熱器開始工作。經(jīng)過工程實(shí)踐，目前陶瓷電加熱器基本一次啟動(dòng)成功，說明了該設(shè)備的技術(shù)成熟，調(diào)試工作方便可靠。

4 片式自控恒溫電加熱器目前存在的問題

4.1 成本控制方面的問題

目前燃煤火電廠普遍反映，陶瓷型灰斗電加熱器由于其成分組成核心為陶瓷，所以存在易碎等風(fēng)險(xiǎn)，這就對運(yùn)輸提出很高的要求，所以相對于傳統(tǒng)加熱器產(chǎn)品，陶瓷加熱體的運(yùn)輸成本更高。由于其自身需要除陶瓷體以外的其它復(fù)合型材料共同組成，所以制作工藝更加復(fù)雜，對產(chǎn)品的合格率有更高的要求，所以未來生產(chǎn)廠家需要盡快降低成本，為開拓更廣闊的市場作出努力[5]。

4.2 產(chǎn)品局限性的問題

目前陶瓷電加熱在電力行業(yè)主要使用在除塵器灰斗電加熱部分，此項(xiàng)部分對于電廠設(shè)備來說存在一定局限性。拿兩臺60萬機(jī)組舉例，一臺爐基本配備兩臺除塵器，按一臺除塵器8個(gè)灰斗計(jì)算，兩臺爐共計(jì)32個(gè)灰斗，其合同總價(jià)基本在50萬元左右。如果未來陶瓷電加熱可以在燃煤電廠大面積推廣，如在寒冷地區(qū)的煙道伴熱帶，儲油罐的保溫等，此項(xiàng)技術(shù)可以大量節(jié)約檢修工作，為運(yùn)行后的保養(yǎng)提供便利。

5 結(jié)論

陶瓷自控恒溫體的最大優(yōu)勢在于對周圍環(huán)境溫度反應(yīng)迅速，當(dāng)把陶瓷自控恒溫體用作恒溫加熱器時(shí)，其可根據(jù)熱負(fù)載的變化迅速增減功率來補(bǔ)償損耗的熱量，從而保證了良好的保溫效果，既而保證了灰斗里存灰的溫度和濕度，防止結(jié)垢，為后續(xù)的輸灰工作提供了有力的保障。所以不僅節(jié)約了能耗，還保證了前后相關(guān)聯(lián)設(shè)備的正常運(yùn)行，是未來在全工業(yè)領(lǐng)域大面積推廣的有力保障。所以總的來看，陶瓷型加熱體未來的發(fā)展空間是十分巨大的，他的推出與使用必將為提高能源利用效率的發(fā)展做出極為重要的貢獻(xiàn)。隨著科技的不斷進(jìn)步，將有更多新型加熱型材料面世，讓我們共同為我國和世界的節(jié)能環(huán)保事業(yè)做出更大的貢獻(xiàn)。

[1]李進(jìn)昌.節(jié)能型灰斗恒溫電加熱板[J].第十四屆中國電除塵學(xué)術(shù)會議論文集，2011,55-55.

[2]潘天才.除塵器灰斗電加熱器供配電節(jié)能降耗方案優(yōu)化[J].工業(yè)安全與環(huán)保，2016，(4):11-12.

[3]陳重洪.基于PLC的灰斗加熱恒溫控制系統(tǒng)改造[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2016，(11):29-30.

[4]袁禮.除塵器灰斗堵灰的原因分析及解決對策[J].能源與環(huán)境，2016，(9):28-28.

[5]宋竹根.鍋爐靜電除塵器灰斗堵灰結(jié)焦的原因及改進(jìn)措施[J].小氮肥,2016,(10):10-12.

桑杰臣(1989.11-),男,北京，碩士,中級工程師?，F(xiàn)供職于大唐環(huán)境產(chǎn)業(yè)集團(tuán)股份有限公司環(huán)保分公司。