導(dǎo)熱油電加熱器的設(shè)計探討

何垠均

（重慶川儀十七廠有限公司，重慶 400707）

近年來，隨著國家在環(huán)保領(lǐng)域加大監(jiān)管力度，密集出臺各種相關(guān)政策保護(hù)自然環(huán)境，市場對環(huán)保產(chǎn)品的需求不斷增大，國家出臺各種配套政策，促進(jìn)電加熱產(chǎn)品市場的發(fā)展。

導(dǎo)熱油加熱器原本采用燃燒天然氣的方式獲得熱量，隨著電加熱技術(shù)的發(fā)展，目前采用電加熱替代燃燒天然氣的應(yīng)用領(lǐng)域越來越多，并逐步淘汰燃煤鍋爐。

導(dǎo)熱油電加熱器技術(shù)由于其利于控制和監(jiān)測，能夠?qū)崿F(xiàn)功率、溫度的自由控制，能夠滿足各種介質(zhì)對溫度的不同需求，因電能轉(zhuǎn)換為熱能的效率高、熱損耗少、節(jié)約能源、減少成本，因此越來越受到重視，其應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛。

1 導(dǎo)熱油電加熱器工作原理

導(dǎo)熱油加熱器是一種環(huán)境友好型的熱能轉(zhuǎn)換設(shè)備。其工作原理是通過電熱元件發(fā)熱絲產(chǎn)生熱量，在電加熱器內(nèi)部通過對流換熱將熱量轉(zhuǎn)換到循環(huán)管路中的導(dǎo)熱油，循環(huán)管路的導(dǎo)熱油被循環(huán)泵強(qiáng)制循環(huán)流動，從而實(shí)現(xiàn)將熱量運(yùn)送到用熱設(shè)備的目的。導(dǎo)熱油電加熱器運(yùn)用PID 控制技術(shù)，對整個系統(tǒng)的溫度、流量、壓力、液位實(shí)時進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)發(fā)現(xiàn)指標(biāo)超出設(shè)定范圍，系統(tǒng)自動報警并停止加熱。

2 主要設(shè)備的設(shè)計

導(dǎo)熱油加熱器主要由電加熱器、循環(huán)泵、膨脹槽、儲油槽、溫度儀表、流量儀表、液位儀表、壓力儀表、控制柜、管道等組成。

2.1 電加熱器

電加熱器由容器、加熱元件、折流板、接線盒等組成，電加熱器為整個系統(tǒng)提供熱量，是最關(guān)鍵的元件之一，電加熱器由多支U 型電加熱元件組成，為防止導(dǎo)熱油在加熱元件產(chǎn)生結(jié)焦，加熱器內(nèi)部流速不能過低，并且注意導(dǎo)流板布局的間距和方向。電加熱器的功率采用功率調(diào)整器進(jìn)行調(diào)節(jié)。為便于自動調(diào)整功率，在電加熱器的出口安裝一體化溫度變送器監(jiān)測導(dǎo)熱油的實(shí)時溫度，防止出口溫度超過限制導(dǎo)致導(dǎo)熱油變質(zhì)。

2.2 膨脹槽

膨脹槽一般設(shè)置為臥式容器，導(dǎo)熱油電加熱器的膨脹槽有開式和閉式兩種工作模式：當(dāng)膨脹槽的內(nèi)部空余空間用惰性氣體填充時稱為閉式系統(tǒng)；當(dāng)膨脹槽與大氣直接相通時稱為開式系統(tǒng)，具體采用閉式系統(tǒng)或開式系統(tǒng)需要根據(jù)現(xiàn)場用戶使用環(huán)境和工況綜合確定。

膨脹槽的主要功能有三點(diǎn)：儲存系統(tǒng)中導(dǎo)熱油從常溫加熱到工況溫度后膨脹的總量；在電加熱器升溫煮油過程中通過膨脹槽向外排出水蒸氣等；平常需要儲存足夠多的導(dǎo)熱油，如遇到突然停電等特殊工況時，需要利用膨脹槽的冷導(dǎo)熱油將電加熱器內(nèi)的熱導(dǎo)熱油置換。

（1）設(shè)計溫度。膨脹槽內(nèi)的工作溫度不得超過70℃，防止導(dǎo)熱油接觸空氣高溫氧化，膨脹槽禁止保溫，設(shè)計溫度為100℃。

（2）設(shè)計壓力。設(shè)計壓力不應(yīng)小于0.6MPa。膨脹槽可以設(shè)計為開式也可以為閉式，在石油化工等特殊行業(yè)，膨脹槽一般采用閉式容器，容器內(nèi)部通常導(dǎo)熱油填充80%左右，其余部分采用氮?dú)飧采w，防止導(dǎo)熱油與空氣直接接觸導(dǎo)致氧化。容器內(nèi)壓力采用分程控制來保證。

（3）安裝位置。一般膨脹槽安裝在整個導(dǎo)熱油電加熱器的最高位置，并且要考慮導(dǎo)熱油的飽和蒸汽壓和泵的汽蝕余量。膨脹槽禁止安裝在電加熱器的正上方，并且與電加熱器的距離大于1.5m，防止距離過短導(dǎo)致膨脹槽內(nèi)導(dǎo)熱油的溫度超過70℃。膨脹槽與油氣分離器的間距不能小于1m，避免循環(huán)管路的熱量傳遞到膨脹槽。

（4）容積。膨脹槽的容積大于循環(huán)管路導(dǎo)熱油膨脹的總量。膨脹槽容積一般按照整套系統(tǒng)總油量因加熱膨脹而增加體積的1.3 倍計算。導(dǎo)熱油受熱膨脹量一般每升高100℃，近似膨脹10%，假如膨脹槽裝填系數(shù)0.8，則有V2=1.3×V0×10%×(T2-T1)/100/0.8。

式中，T1為加熱前導(dǎo)熱油的溫度，℃；T2為加熱后導(dǎo)熱油溫度，℃；V0為系統(tǒng)的導(dǎo)熱油總?cè)莘e，m3。

（5）儀表。膨脹槽安裝普通彈簧管壓力表、雙金屬溫度計、液位并送器等儀表，液位變送器需要設(shè)置有低液位報警、低低液位連鎖功能和高液位報警功能，避免膨脹槽內(nèi)的導(dǎo)熱油過多或過少，防止外部空氣進(jìn)入導(dǎo)熱油電加熱器的循環(huán)管路。在正常工況時，膨脹槽應(yīng)保持高液位狀態(tài)，這樣可以保證在停電等特殊工況時有足夠多的導(dǎo)熱油置換電加熱器內(nèi)的熱導(dǎo)熱油。

2.3 儲油槽

按規(guī)定，導(dǎo)熱油容積超過1m3的系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)設(shè)置儲油槽，通常采用臥式容器。儲油槽有兩個功能，一是能儲備系統(tǒng)所需最大數(shù)量用油；二是能接受事故發(fā)生時系統(tǒng)熱油的排放。

（1）設(shè)計溫度。按導(dǎo)熱油最高使用溫度加30℃確定。

（2）設(shè)計壓力。設(shè)計壓力不應(yīng)小于0.6MPa。

（3）容積。儲油槽的容積應(yīng)大于整個系統(tǒng)導(dǎo)熱油總量的1.2 倍，儲油槽容積為循環(huán)管路系統(tǒng)容積與膨脹槽容積之和，則儲油槽的容積計算為：

式中，V1為儲油槽的容積，m3；V0為整個系統(tǒng)導(dǎo)熱油的體積，m3。

（4）安裝位置。儲油槽低于導(dǎo)熱油電加熱器的其他設(shè)備和管路，便于儲油槽在設(shè)備檢修時能裝入整個系統(tǒng)的導(dǎo)熱油。

（5）儀表、管件。需安裝雙金屬溫度計、普通壓力表、磁翻板液位計等監(jiān)測儀表，儲油槽在平常工作時應(yīng)保持在低液位狀態(tài)，便于儲存緊急情況排入的導(dǎo)熱油。若膨脹槽和儲油槽均為封閉容器且導(dǎo)熱油電加熱器發(fā)生超壓時，儲油槽設(shè)置的安全閥能夠泄壓保護(hù)設(shè)備的安全，將導(dǎo)熱油氣體或液體安全排放。

2.4 循環(huán)泵

循環(huán)泵是整個導(dǎo)熱油電加熱器的動力來源。需要設(shè)置兩臺，一用一備，保證導(dǎo)熱油電加熱器正常工作。循環(huán)泵進(jìn)出口管路應(yīng)進(jìn)行應(yīng)力分析，當(dāng)應(yīng)力超過許用值時，進(jìn)出口應(yīng)各裝一個膨脹節(jié)或泵用波紋金屬軟管。循環(huán)泵的流量按導(dǎo)熱油電加熱器的需求流量的1.1 倍選取。

在循環(huán)泵的入口處應(yīng)安裝Y 型過濾器，以便過濾循環(huán)管路的金屬殘留物，防止殘留物進(jìn)入循環(huán)泵損壞葉輪，在循環(huán)泵的出口位置安裝旋啟式止回閥，防止導(dǎo)熱油倒流。循環(huán)泵必須在確認(rèn)循環(huán)管路的導(dǎo)熱油溫度低于70℃的情況下，才可以停止運(yùn)行。

2.5 注油泵

注油泵的主要作用是將導(dǎo)熱油送到儲油槽和膨脹槽內(nèi)；通過特殊管路設(shè)計，利用注油泵將整個導(dǎo)熱油電加熱器中的導(dǎo)熱油排出；將儲油槽內(nèi)的導(dǎo)熱油通過注油泵輸送到膨脹槽內(nèi)，通過膨脹槽及時補(bǔ)充循環(huán)管路所需的導(dǎo)熱油。剛注油時，溫度較低，導(dǎo)熱油的黏度較大，推薦使用具有自吸能力的齒輪泵，入口裝設(shè)過濾器，且定期清理。

2.6 儀表

導(dǎo)熱油電加熱器的儀表主要由熱電偶/阻、壓力表、孔板流量計、磁翻板液位計、雙法蘭液位變送器等組成，隨時監(jiān)控整個導(dǎo)熱油電加熱器溫度、壓力、流量、液位，當(dāng)任何一個指標(biāo)偏離設(shè)計指標(biāo)后，通過系統(tǒng)PLC 控制停止導(dǎo)熱油電加熱器工作，保障整個設(shè)備的安全。

2.7 管路

導(dǎo)熱油電加熱器的管路主要由鋼管、法蘭、閥門、緊固件、墊片等組成。為保證熱量損失，管路需要采取保溫措施。管路設(shè)計時，采用熱補(bǔ)償?shù)姆绞较裏釕?yīng)力。特別注意循環(huán)泵進(jìn)出口采用波紋管膨脹節(jié)補(bǔ)償，其他管路采用普通鋼管彎曲彈性變形自然補(bǔ)償。

2.8 控制柜

導(dǎo)熱油電加熱器控制系統(tǒng)為閉環(huán)負(fù)反饋系統(tǒng)。由溫度儀表將檢測的溫度信號傳遞給智能PLC 進(jìn)行PID 溫度控制；PLC 輸出4 ～20mA 的電流信號給可控硅觸發(fā)器，觸發(fā)器驅(qū)動可控硅進(jìn)行正常工作，以此來控制導(dǎo)熱油電加熱器的輸出功率。

導(dǎo)熱油電加熱器控制柜監(jiān)測設(shè)備的壓力、流量以及液位，并設(shè)置有壓力、流量、液位報警連鎖功能。

控制柜面板設(shè)置報警指示、操作、調(diào)節(jié)、顯示等功能。內(nèi)部設(shè)置保護(hù)、電源、信號轉(zhuǎn)換、驅(qū)動等器件。

3 結(jié)語

隨著導(dǎo)熱油電加熱器的使用越來越廣，人們對其安全性越來越重視，只有充分認(rèn)識到導(dǎo)熱油電加熱器的特殊性，了解其結(jié)構(gòu)組成、特性、工作方式，才能設(shè)計出安全、合理的導(dǎo)熱油電加熱器。