短路加熱法應用與安全性分析

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換為熱能的一種能量轉換，根據將電能轉換為熱能的方式，電加熱通常分為電阻加熱、感應加熱、電弧加熱、電子束加熱、紅外線加熱和介質加熱等[1]。電阻加熱是應用最為廣泛的一種電加熱技術。電阻加熱是電流通過加熱體產生焦耳效應將電能轉變成熱能用來加熱物體，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，當有電流流過時，被加熱物體本身便發(fā)熱，由于熱量產生于被加熱物體本身，屬于內部加熱，熱效率很高。間接電阻加熱需由專門的合金材料或非金屬材料制成發(fā)熱元件，由發(fā)熱元件產生熱能，通過輻射、對流和傳導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，熱量傳遞過程中會產生熱損失，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，好像變壓器二次側短路，故謂之短路加熱[3]。在工業(yè)生產過程，往往需要對流體進行加熱來滿足生產工藝條件。流體通過金屬管道進行輸送，利用金屬管道導電性，對管道施加電壓，產生電流，管道自身被加熱，被加熱段管道充當電熱元件，在工作中低溫流體介質通過管道，在壓力作用下進入其輸入口，沿著運用流體熱力學原理設計的路徑，帶走電熱元件工作中所產生的高溫熱能量，使被加熱介質溫度升高，電加熱管道出口得到工藝要求的高溫介質。

1 短路加熱法原理

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

2 短路加熱器技術性能及功能特點

1）不需要電熱元件，利用自身管道發(fā)熱，壽命很長。

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。

4）熱場均勻、無過熱點，對介質不會產生任何影響。

5）熱響應快、控溫精度高，控溫范圍寬。

6）安裝簡單方便，大大節(jié)約安裝費用。

7）功率大。額定功率一般有數百千瓦甚至上兆瓦、額定電流高達幾千甚至上萬安培。

8）加熱溫度高。加熱器設計最高工作溫度可達850 ℃。

9）效率高，節(jié)能效果顯著，對管道內介質全部吸收電能，電能產生的熱量幾乎100%傳給加熱介質。

10）應用范圍廣，適應性強。該加熱器可適用于石油、化工及熱工試驗裝置，耐壓可達20 MPa。

11）可全自動化控制。根據要求通過加熱器電路設計，可方便實現出口溫度自動控制，并可與計算機聯網，實現遠程監(jiān)控。

3 短路加熱法的應用

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，使其產生熱量而達到加熱的目的，其具有熱效高、功率因數高、壽命長、維修方便和溫控靈活等優(yōu)點，并且由電能轉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、化工及熱工試驗裝置中得到廣泛使用，是熱工試驗裝置的重要組成部分。

近年來，我國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，已經被公認為是一種唯一能夠大規(guī)模取代常規(guī)能源的替代能源。核能被列入我國能源政策之中，我國的核電事業(yè)有廣闊的發(fā)展前景，其將是我國實現國民經濟發(fā)展戰(zhàn)略目標所需能源的重要支柱之一。為快速推進核能發(fā)展，我國投入了大量的基礎研究，在研究領域有一種電加熱方式的大功率管式預熱器被用來對流體進行加熱，預熱器額定功率一般有數百千瓦甚至幾十兆瓦，額定電流高達幾千甚至上萬安培，這種大功率管式預熱器正是利用了短路加熱法的原理，采用低電壓、大電流方式對流體管道直接加熱，流體流經管道時熱量傳遞給流體，流體以一定的速度在試驗裝置中循環(huán)，保證試驗裝置的正常運行。

熱工裝置大功率管式預熱器包括預熱器加熱管道、感應調壓器、大電流變壓器、操作臺及控制系統(tǒng)。預熱器采用管道通電加熱方式，通過“1 臺三相調壓器+3臺單相變壓器”的方式提供加熱電源。調壓器、變壓器安裝于現場預熱器附近，調壓器與變壓器、變壓器與預熱器之間均通過銅排連接。感應式調壓器將外部提供的AC380 V/10 kV 電源轉換為變壓器需要的電壓和電流，將感應調壓器的3 個輸出接線端子分別接至3 臺大電流單相變壓器的輸入端，為變壓器提供電源；將3臺單相變壓器輸入端首尾連接起來，輸出端低電勢端短接起來，使3 臺單相變壓器的進線端構成三角形連接，出線端構成星形連接。最后，將3 臺變壓器的高電勢輸出端分別接至3 個預熱器加熱管道的高電勢銅排接線板。預熱器的原理圖如圖1 所示。

圖1 預熱器原理圖

4 短路加熱法應用安全性分析

短路加熱器是利用金屬管道自身作為電熱元件，對管道直接施加交流電壓，這樣金屬管道就會產生感應電流，管道自身就會帶電運行，而被加熱的管道又和工藝管道相連接，若管道帶電運行，就會對其與之相連接的生產設備及生產維護人員的人身安全帶來危險影響。因此，要求在應用短路加熱器時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行絕緣。對熱工裝置來說，工藝管路通常都是高溫高壓回路，管道內充有溫度達數百攝氏度、壓力達十幾兆帕甚至幾十兆帕以上的液體介質，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，就會發(fā)生漏電，漏電不但會造成電能浪費，還會影響其他設備的正常工作甚至損壞，還會給工作人員帶來觸電的安全風險。所以增加絕緣法蘭并不能徹底解決電加熱預熱器管道漏電的問題，可見，傳統(tǒng)技術中的管式預熱器存在絕緣效果較差，回路存在潛在漏電的不安全風險。

為了能夠徹底解決電加熱預熱器的漏電所帶來的不安全風險，本文提出一種從電路原理上進行解決的方案，即“三相對稱電路法”。要形成三相對稱電路，首先要有三相對稱電源，三相對稱電源是由3 個等幅值、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。其次是三相對稱負載，將功率大小相等的三相負載按照對稱原則依次連接成星形或三角形。從三相對稱電源的3 個端子引出具有相同阻抗的3 條端線（或輸電線），把一些三相對稱負載連接在端線上就形成了三相對稱電路[4]。

三相對稱電路原理圖[5]如圖2 所示。

圖2 三相對稱電路原理圖

首先分析三相電源，圖2 中三相電源由3 個等幅值、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 個電源依次稱為A 相、B 相和C 相，其電壓表達如下。

圖3 三相交流電源波形和相量圖

三相電壓瞬時表達式

相量形式

從以上分析可以得出，三相對稱交流電源電壓大小相等，頻率相同，相角互差120°，根據向量運算，電源中性點N 處電壓矢量和為零。

再分析三相對稱電源連接上三相負載的情況，圖2 中線路阻抗Zl相等，負載阻抗Z 相等，負載連接成星形，構成對稱三相負載。

下面以圖2 為例對負載回路進行分析。

以N 為參考結點

中性線的電流為

熱工裝置將電加熱預熱器設計為包括3 段預熱器加熱管道、1 臺三相感應調壓器和3 臺單相大電流變壓器。三相感應調壓器與大電流變壓器連接，變壓器與預熱器加熱管道連接。由圖4 可知，1 臺三相感應調壓器、3 臺單相大電流變壓器連接構成三相對稱電源，3段預熱器加熱管道材料、規(guī)格和長度相同，等間距分布布置，在預熱器管道上焊接用于連接三相對稱電源的接線銅排，銅排均勻分組。預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，N′端短接起來，中間接線銅排A、B 和C 分別接三相對稱電源的A 相、B 相和C 相，最終連接成為三相對稱回路。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 個自然“零電位點”，因此與預熱器相連接的其他工藝管道就不會帶電運行，工藝管道中的物料也不會帶電運行，真正意義上實現了電氣絕緣。有效解決了傳統(tǒng)技術中的管式預熱器存在絕緣效果較差、回路存在潛在漏電的技術問題，保障了大功率管式預熱器加熱的效率和安全性，并具有良好的經濟效益和技術效果。

圖4 三相對稱管式電加熱預熱器圖

5 結束語

利用三相對稱電路原理，雖然解決了人們擔心的漏電問題，但是在實際應用過程中仍需要高度重視安全問題。盡管解決了非加熱區(qū)的漏電問題，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、觸電的風險。因此，需要在短路加熱裝置區(qū)域設置安全隔離措施，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，測試接地電阻滿足安全規(guī)范要求后方可投入使用。還可以借助自動化控制手段來保證設備的安全運行，在工藝管道與加熱裝置法蘭連接處，連接電壓檢測儀表，實時監(jiān)測電壓參數，在接地回路中安裝電流互感器，連接電流檢測儀表，實時監(jiān)測對地電流，控制系統(tǒng)設置安全聯鎖保護裝置，一旦監(jiān)測數據超出安全設定范圍，立即聯鎖切斷短路加熱裝置供電電源，并發(fā)出報警信號，記錄報警數據及趨勢，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工藝需要、使用場地大小等特殊條件，加工制造成各種功率大小、形狀不同的形式，靈活性非常高，可以適應大多的應用場合，而且短路加熱裝置由于功率大、熱響應快、熱場均勻、壽命長、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、科研和試驗等領域中大膽嘗試應用短路加熱法，使其在更多的領域中被推廣使用。