短路加热法应用与安全性分析_师海雄.pdf

方法创新科技创新与应用Technology Innovation and Application2023年8期短路加热法应用与安全性分析师海雄（成都瑞奇智造科技股份有限公司，成都 610300）电加热是利用电能转换为热能的一种能量转换，根据将电能转换为热能的方式，电加热通常分为电阻加热、感应加热、电弧加热、电子束加热、红外线加热和介质加热等1。电阻加热是应用最为广泛的一种电加热技术。电阻加热是电流通过加热体产生焦耳效应将电能转变成热能用来加热物体，一般分为直接电阻加热和间接电阻加热 2 种形式2。直接电阻加热的电源电压直接加到被加热物体上，当有电流流过时，被加热物体本身便发热，由于热量产生于被加热物体本身，属于内部加热，热效率很高。间接电阻加热需由专门的合金材料或非金属材料制成发热元件，由发热元件产生热能，通过辐射、对流和传导等方式传到被加热物体上，由于被加热物体和发热元件分成 2 部分，热量传递过程中会产生热损失，热效率低。本文介绍一种直接电阻加热法，即短路加热法。所谓短路加热，也是电阻加热的一种变形，因发热体阻抗很低，所以施加电压很低，电流很大，好像变压器二次侧短路，故谓之短路加热3。在工业生产过程，往往需要对流体进行加热来满足生产工艺条件。流体通过金属管道进行输送，利用金属管道导电性，对管道施加电压，产生电流，管道自身被加热，被加热段管道充当电热元件，在工作中低温流体介质通过管道，在压力作用作者简介：师海雄（1985-），男，高级工程师。研究方向为电气/自动化系统开发，清洁能源、新能源装置研发与设计。摘要：电加热在工业领域中应用非常广泛，几乎随处可见，常见的电加热是通过热传导的方式对介质进行加热，此类电加热元件在应用过程中电加热丝容易被烧断，使用寿命低，同时电加热管容易爆裂、漏电，安全性低，热量传递会产生损失，加热效率低，占用空间大，难以制成单位大功率的加热元件。为解决这些问题，该文介绍一种基于短路加热法的工业用过程电加热技术的工作原理、技术性能、功能特点和应用方法，以及对其应用安全性进行详细分析。短路加热利用三相对称交流电路的特性，将三相对称电源直接施加于三相对称负载上对其加热，这种加热技术不需要电热元件，具有使用寿命长、效率高和功率大等特点。利用三相对称电路原理，消除漏电所带来的危险因素，因此具有推广应用的价值。关键词：短路加热；对称电路；低电压；大电流；调压器；变压器；预热器中图分类号：TM924文献标志码：A文章编号：2095-2945（2023）08-0135-04Abstract:Electric heating is widely used in the industrial field,and can be seen almost everywhere.The common electricheating is heating the medium by means of heat conduction.In the process of application,this kind of electric heating element iseasy to burn off the electric heating wire and has a short service life.The electric heating tube is easy to burst,leakage,lowsafety,heat transfer loss,low heating efficiency and large space,so it is difficult to make a unit high-power heating element.Inordertosolvetheseproblems,thispaperintroducestheworkingprinciple,technicalperformance,functionalfeaturesandapplication methods of an industrial process electric heating technology based on short-circuit heating method,as well as itsapplication safety is analyzed in detail.The short-circuit heating makes use of the characteristics of the three-phase symmetricalAC circuit,and the three-phase symmetrical power supply is directly applied to the three-phase symmetrical load to heat it.Thisheating technology does not need electric heating elements and has the characteristics of long service life,high efficiency and highpower.The risk factors caused by leakage are solved by using the principle of three-phase symmetrical circuit,so it has the valueof popularization and application.Keywords:short-circuit heating;symmetrical circuit;low voltage;high current;voltage regulator;transformer;preheaterDOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2023.08.031135-2023年8期方法创新科技创新与应用Technology Innovation and Application下进入其输入口，沿着运用流体热力学原理设计的路径，带走电热元件工作中所产生的高温热能量，使被加热介质温度升高，电加热管道出口得到工艺要求的高温介质。1短路加热法原理短路加热法是一种特殊、安全利用导电管道加热的一种方法。当交流电压被应用于管道时，这个管道实际上变成发热元件，就是把管道作为 1 个加热电阻，两端加一电压使管道发热。液体流经发热管道，带走管道热量，从而将电能转变成热能以加热物体。2短路加热器技术性能及功能特点1）不需要电热元件，利用自身管道发热，寿命很长。2）工作电压小于工频电压，安全性好。3）采用管道自身作为电热元件，几乎不需任何维护。4）热场均匀、无过热点，对介质不会产生任何影响。5）热响应快、控温精度高，控温范围宽。6）安装简单方便，大大节约安装费用。7）功率大。额定功率一般有数百千瓦甚至上兆瓦、额定电流高达几千甚至上万安培。8）加热温度高。加热器设计最高工作温度可达850。9）效率高，节能效果显著，对管道内介质全部吸收电能，电能产生的热量几乎 100%传给加热介质。10）应用范围广，适应性强。该加热器可适用于石油、化工及热工试验装置，耐压可达 20 MPa。11）可全自动化控制。根据要求通过加热器电路设计，可方便实现出口温度自动控制，并可与计算机联网，实现远程监控。3短路加热法的应用短路加热系直接采用工艺物料管道通以单相或三相大电流，使其产生热量而达到加热的目的，其具有热效高、功率因数高、寿命长、维修方便和温控灵活等优点，并且由电能转换的热量能被物料直接吸收，节能效果显著。这种加热方式在石油、化工及热工试验装置中得到广泛使用，是热工试验装置的重要组成部分。近年来，我国掀起了使用清洁能源的发展浪潮。核能是可持续发展的清洁能源，已经被公认为是一种唯一能够大规模取代常规能源的替代能源。核能被列入我国能源政策之中，我国的核电事业有广阔的发展前景，其将是我国实现国民经济发展战略目标所需能源的重要支柱之一。为快速推进核能发展，我国投入了大量的基础研究，在研究领域有一种电加热方式的大功率管式预热器被用来对流体进行加热，预热器额定功率一般有数百千瓦甚至几十兆瓦，额定电流高达几千甚至上万安培，这种大功率管式预热器正是利用了短路加热法的原理，采用低电压、大电流方式对流体管道直接加热，流体流经管道时热量传递给流体，流体以一定的速度在试验装置中循环，保证试验装置的正常运行。热工装置大功率管式预热器包括预热器加热管道、感应调压器、大电流变压器、操作台及控制系统。预热器采用管道通电加热方式，通过“1 台三相调压器+3台单相变压器”的方式提供加热电源。调压器、变压器安装于现场预热器附近，调压器与变压器、变压器与预热器之间均通过铜排连接。感应式调压器将外部提供的 AC380 V/10 kV 电源转换为变压器需要的电压和电流，将感应调压器的 3 个输出接线端子分别接至 3 台大电流单相变压器的输入端，为变压器提供电源；将 3台单相变压器输入端首尾连接起来，输出端低电势端短接起来，使 3 台单相变压器的进线端构成三角形连接，出线端构成星形连接。最后，将 3 台变压器的高电势输出端分别接至 3 个预热器加热管道的高电势铜排接线板。预热器的原理图如图 1 所示。图1预热器原理图4短路加热法应用安全性分析短路加热器是利用金属管道自身作为电热元件，对管道直接施加交流电压，这样金属管道就会产生感应电流，管道自身就会带电运行，而被加热的管道又和工艺管道相连接，若管道带电运行，就会对其与之相连接的生产设备及生产维护人员的人身安全带来危险影响。因此，要求在应用短路加热器时必须做好安全绝缘措施，使非加热工艺管道与短路加热管道完全隔离。传统的大功率管式电加热预热器需要在被加热管道与工三相交流电源感应调压器单相变压器预热器136-方法创新科技创新与应用Technology Innovation and Application2023年8期艺回路的非加热管道之间安装绝缘法兰进行绝缘。对热工装置来说，工艺管路通常都是高温高压回路，管道内充有温度达数百摄氏度、压力达十几兆帕甚至几十兆帕以上的液体介质，在这种高温高压条件下，绝缘法兰的绝缘性能容易失效，一旦绝缘失效，就会发生漏电，漏电不但会造成电能浪费，还会影响其他设备的正常工作甚至损坏，还会给工作人员带来触电的安全风险。所以增加绝缘法兰并不能彻底解决电加热预热器管道漏电的问题，可见，传统技术中的管式预热器存在绝缘效果较差，回路存在潜在漏电的不安全风险。为了能够彻底解决电加热预热器的漏电所带来的不安全风险，本文提出一种从电路原理上进行解决的方案，即“三相对称电路法”。要形成三相对称电路，首先要有三相对称电源，三相对称电源是由 3 个等幅值、同频率和初相依次相差 120的正弦电压源连接成星形或三角形组成的电源。其次是三相对称负载，将功率大小相等的三相负载按照对称原则依次连接成星形或三角形。从三相对称电源的 3 个端子引出具有相同阻抗的 3 条端线（或输电线），把一些三相对称负载连接在端线上就形成了三相对称电路4。三相对称电路原理图5如图 2 所示。图2三相对称电路原理图首先分析三相电源，图 2 中三相电源由 3 个等幅值、同频率和初相依次相差 120的正弦电压源连接成星形组成，如图 3 所示，3 个电源依次称为 A 相、B 相和 C 相，其电压表达如下。三相电压瞬时表达式uA=2u cos（t），uB=2u cos（t-120），uC=2u cos（t+120），uA+uB+uC=0相量形式U?A=U0=1120，U?B=U-120=2U?A，U?A+U?B+U?C=0。图3三相交流电源波形和相量图从以上分析可以得出，三相对称交流电源电压大小相等，频率相同，相角互差 120，根据向量运算，电源中性点 N 处电压矢量和为零。再分析三相对称电源连接上三相负载的情况，图2 中线路阻抗 Zl相等，负载阻抗