化工裝置中電加熱器的選型過程及注意事項

盧瑞欣 惠生工程(中國)有限公司 上海 201203

化工裝置中需要利用換熱器和加熱器來實現(xiàn)熱量交換的場合很多。設計時會考慮熱量充分利用，首先考慮采用介質間換熱，其次采用蒸汽加熱等，需要溫度更高時，可采用加熱爐加熱物料。若以上方式都不適合時，可考慮用電加熱。電加熱經(jīng)常用在兩種情況下，一種情況是需要的出口溫度比較高，各等級的蒸汽不能達到；另一種情況是間斷使用，比如有的加熱器只是開車階段或催化劑活化時使用。

流體電加熱器是一種消耗電能轉換為熱能，對物料進行加熱的加熱器。需要注意的是：在化工裝置中，易燃易爆的場所較多，由于周圍環(huán)境中存在易燃易爆的各種油、氣、粉塵等，一旦接觸到電火花就會引起爆炸，所以，在這種場合加熱就需要釆用防爆加熱器。

防爆加熱器的主要防爆措施是：在加熱器的接線盒內(nèi)有個隔爆裝置，以消除電火花引爆的隱患。防爆電加熱器的電氣和儀表設備要選用防爆型。對于不同的加熱場合，加熱器的防爆等級要求也不同，具體要看所處環(huán)境中可能的爆炸氣體種類。

化工裝置中用到的電加熱器多為管式電加熱器，采用U型管，電熱元件(引出棒)從一側引出殼體。電加熱器主要部件有容器(換熱器的外殼)、加熱管、電熱絲、絕緣材料、接線箱、SCR調功器、溫度檢測儀表及其他附屬設備。

電加熱器的設計計算，一般由電加熱器廠商完成。廠商有自己的計算軟件或程序，也有的用換熱器計算軟件進行簡化模擬，需結合經(jīng)驗確定加熱器規(guī)格。

加熱器的外殼，符合壓力容器定義的，按壓力容器生產(chǎn)和監(jiān)管。屬類外容器的，不提供監(jiān)檢證書，但依然嚴格按照《壓力容器》GB/T150-2011標準執(zhí)行。國外項目外殼的設計和制造執(zhí)行ASNE Section VIII Div.1，latest version U Stamp。

下面以項目中遇到的電加熱器選型為例，介紹幾種電加熱器的選型。

1 空氣電加熱器

某裝置脫硝反應器需要向氨氣中混入高溫的空氣，使其中氧氣參與脫硝反應，并使氨氣與空氣混合物遠離爆炸下限。電加熱器為連續(xù)操作，進口溫度為223℃，需要出口溫度為360℃，經(jīng)過對比與選擇，確定采用電加熱器。

根據(jù)裝置的爆炸危險區(qū)域劃分圖，此電加熱器的防爆等級為dIICT4。電加熱器參數(shù)見表1。

表1 電加熱器參數(shù)

1.1 電加熱器功率的計算：

P=ECQΔt= 1.3×1.066×430×(360-223)/3600=22.67kW

式中，P為計算功率；E為安全系數(shù)。

廠商計算時都會考慮一個安全系數(shù)，不同廠商的安全系數(shù)略有不同。根據(jù)計算結果，電加熱器的功率向上選取25kW進行設計。

1.2 電熱元件的選擇

以金屬管為外殼，合金電阻絲作為發(fā)熱體，在一端或兩端具有引出棒，在金屬管內(nèi)填裝密實的氧化鎂粉作為絕緣介質以固定發(fā)熱體的元件就叫做電加熱管。電熱元件的允許最高溫度見表2。

表2 電熱元件的允許最高溫度

從上表中不同材料允許的最高溫度，結合廠商的經(jīng)驗，電熱元件采用S31268無縫不銹鋼管，縮管后規(guī)格為Φ12mm。

1.3 電阻絲材料的選取

電熱元件內(nèi)部發(fā)熱材料選用電阻合金絲Ni80Cr20。

1.4 絕緣材料的選擇

絕緣材料選擇進口高純度結晶氧化鎂粉,在1050℃時也能保持很好的絕緣性能；電熱管的封口材料采用耐高溫二次固化絕緣密封(環(huán)氧樹脂材料)。

氧化鎂的主要作用如下：

(1)絕緣作用

金屬護套管和電熱絲既是導熱體也是導電體，使用具有足夠絕緣和電氣強度的氧化鎂粉緊密填充在電熱絲和護套管間隙部位可以起絕緣作用，這樣加熱管的外殼是不帶電的，安全可靠。

(2)導熱作用

能將電熱絲通電所產(chǎn)生的熱量迅速的傳遞到管外殼，再傳給被加熱體。

(3)固定電熱絲作用

填充物具有和電熱絲相近的膨脹系數(shù)，在電加熱管縮管、退火、彎管的制造工序中固定電熱絲使其不發(fā)生位移。

氧化鎂粉和電熱絲在電加熱器的安全長久運行中是至關重要的因素。

1.5 功率密度

電熱元件的功率密度(又名表面負荷)：發(fā)熱表面單位面積的功率，單位為W/cm2。表面負荷的極限值取決于加熱管、電熱絲和絕緣填充物的允許極限工作溫度。加熱管表面負荷和介質流速決定了加熱管的表面溫度，是影響加熱管壽命的極重要因素。功率密度對電加熱器來說非常重要，過低的功率密度雖能延長電加熱器的使用壽命，然而帶來了制造成本的增加；如果取值大則會引起過熱，嚴重時很快就會引起加熱元件的損壞。

實際的功率密度必須根據(jù)介質的流速、比熱容、導熱系數(shù)和粘度來計算，并根據(jù)經(jīng)驗進行修正。電加熱器在整個運行中必須始終保持“冷”的狀態(tài)，不能過熱，否則可能損壞被加熱的介質或防爆加熱器。

廠商根據(jù)《金屬管狀電熱元件》JB/T 2379，項目的實際情況和經(jīng)驗，確定合適的功率密度。

1.6 電熱元件的支撐

電加熱器內(nèi)部設有導流裝置，不僅可以防震，還可以強化傳熱，有效地避免死角，確保電加熱器正常安全運行。為確保介質加熱均勻及充分，廠商結合常規(guī)換熱器設計要求,在電加熱器內(nèi)部加設折流板或支撐板。

1.7 超溫保護

電加熱器具有獨立的超溫保護措施。加熱器內(nèi)設置熱電阻，放置在電熱管外表面溫度最高點。當溫度超過高報警值時，發(fā)出報警信號；當溫度進一步升高，到達高高設定值時，控制系統(tǒng)立即停電加熱器。

1.8 電熱元件的氧化或結焦、結垢及解決方法

引起氧化或結焦、結垢的原因有：對介質加熱時間過長，局部加熱溫度過高，元件表面含碳量高等原因。主要有以下解決方法：

(1)縮短流體電加熱器介質在容器內(nèi)的停留時間；提高流速，減少電熱管與流體間的滯留層，增加了電熱管與流體間的傳熱系數(shù)，降低了電熱管的表面溫度，延長了電熱管的使用壽命。

(2)合理安排加熱器內(nèi)部結構及各加熱組工作的均勻性，對稱性。

(3)運用可控硅調功，防止電熱管的熱疲勞，增加電熱管的使用壽命。

有的廠商會很關注最小流量工況，通過核算使流量最小工況下流速大于限值，增強傳熱效果并避免形成死區(qū)。

1.9 接線方式

電加熱器采用“Δ”接線方式，所以加熱管數(shù)量為3的倍數(shù)。

1.10 加熱管長度

因為加熱管數(shù)為3的整倍數(shù)，初步確定加熱管根數(shù)后，廠商通過調整加熱管長度來滿足功率的要求。國內(nèi)廠商一般是發(fā)熱管長取整百毫米(比如1.2m、1.5m、3m)，有的廠商會采用標準系列化的樣本，方便根據(jù)情況選擇，也方便各元件的標準化。

國外廠商，若采購時沒有對管長做具體要求，一般都以英寸為單位或用英寸折合的mm數(shù)。

1.11 電加熱器散熱方案

根據(jù)加熱器的出口溫度，若不采取降溫措施，則高溫介質通過熱輻射將溫度傳遞至接線盒內(nèi)部接線部位以及接線電纜,如長時間處于高溫條件下,接線部位就會老化，導致電纜發(fā)生短路故障甚至加熱器失爆。

在加熱器主法蘭和接線盒之間設置散熱區(qū)，即非加熱區(qū)，有的廠商會加設散熱片，使傳導來的熱量盡量散開,使輻射和傳導的熱量降至最低,這樣有效地降低了接線盒內(nèi)部的溫度，避免了接線盒內(nèi)部接線電纜由于高溫而易于老化的現(xiàn)象。

1.12 抽芯

廠商會提出抽芯需要的空間。臥式加熱器水平抽芯，比較易于抽芯，但占地會比較大。立式安裝一般考慮向上抽芯。

1.13 溫度調節(jié)

電加熱器出口位置設置1個溫度傳感器，溫度信號經(jīng)處理后送至功率調整器，調節(jié)可控硅的輸出功率, 根據(jù)不同的設定溫度自動調整加熱器的功率，實現(xiàn)了0～100%功率可調，提高了介質溫度的控制精度。這個溫度計口可放在電加熱器上，也可放在出口管線上，放在出口管線上要盡量靠近電加熱器出口。

1.14 主要執(zhí)行的標準規(guī)范

《金屬管狀電熱元件》JB/T 2379-2016；

《壓力容器》GB/T150.1～150.4-2011及第1號勘誤表；

《熱交換器》GB/T151-2014；

《爆炸性氣體環(huán)境電力裝置設計規(guī)范》GB50058-2014。

電加熱器選型結果見表3。

表3 電加熱器選型

對于連續(xù)操作的電加熱器，廠商會將額外安裝10%未連接的加熱管以作備用。

2 氮氣開工加熱器

某天然氣制氫裝置的氮氣開工加熱器，僅在開車和催化劑還原時使用。進口溫度為375℃，需要出口溫度為500℃。根據(jù)裝置的爆炸危險區(qū)域劃分圖，此電加熱器的防爆等級為dIICT4。

2.1 電加熱器功率的計算

電加熱器功率的計算見表4。

表4 電加熱器功率的計算

P=ECQΔt= 1.15×1.09×13750×(500-375)/3600=600kW

根據(jù)計算電加熱器的功率選取600kW進行設計，不同廠商所取得安全系數(shù)略有不同。加熱空氣在不同金屬管材料下的表面負荷見表5。

表5 加熱空氣在不同金屬管材料下的表面負荷

2.2 加熱管的選擇

此加熱器出口溫度較高，而加熱管的表面溫度要高于介質溫度才能保證進行換熱。幾個廠商的加熱器表面溫度在600～700℃之間，故選擇電加熱管材料為Incoloy800。國外廠家電加熱管外徑采用英寸為單位。

本加熱設備加熱的介質溫度高，絕緣材料采用適用更高溫度的高溫氧化鎂粉。

不同廠商選擇的功率密度、最高表面溫度加熱管長度也各不相同，但都根據(jù)相關標準和廠商的經(jīng)驗，在合適范圍內(nèi)選取。

一般功率較大的電加熱器表面溫度計的個數(shù)會略有增加。

其余除了電熱管數(shù)會根據(jù)功率確定外，電熱絲材料和絕緣密封材料與前文所述電加熱器相同。

氮氣開工加熱器的選型見表6：

表6 氮氣開工加熱器的選型

3 結語

在操作條件不同時，電加熱器所需要的元件種類大同小異，不同材料牌號的允許條件不同，具體材料會有所調整。本文主要以不同情況下的兩個電加熱器在各元件材料的選擇為例，介紹了電加熱器選擇中的的注意事項,供工程技術人員參考。