化工装置中电加热器的选型过程及注意事项

卢瑞欣 惠生工程(中国)有限公司 上海 201203

化工装置中需要利用换热器和加热器来实现热量交换的场合很多。设计时会考虑热量充分利用，首先考虑采用介质间换热，其次采用蒸汽加热等，需要温度更高时，可采用加热炉加热物料。若以上方式都不适合时，可考虑用电加热。电加热经常用在两种情况下，一种情况是需要的出口温度比较高，各等级的蒸汽不能达到；另一种情况是间断使用，比如有的加热器只是开车阶段或催化剂活化时使用。

流体电加热器是一种消耗电能转换为热能，对物料进行加热的加热器。需要注意的是：在化工装置中，易燃易爆的场所较多，由于周围环境中存在易燃易爆的各种油、气、粉尘等，一旦接触到电火花就会引起爆炸，所以，在这种场合加热就需要釆用防爆加热器。

防爆加热器的主要防爆措施是：在加热器的接线盒内有个隔爆装置，以消除电火花引爆的隐患。防爆电加热器的电气和仪表设备要选用防爆型。对于不同的加热场合，加热器的防爆等级要求也不同，具体要看所处环境中可能的爆炸气体种类。

化工装置中用到的电加热器多为管式电加热器，采用U型管，电热元件(引出棒)从一侧引出壳体。电加热器主要部件有容器(换热器的外壳)、加热管、电热丝、绝缘材料、接线箱、SCR调功器、温度检测仪表及其他附属设备。

电加热器的设计计算，一般由电加热器厂商完成。厂商有自己的计算软件或程序，也有的用换热器计算软件进行简化模拟，需结合经验确定加热器规格。

加热器的外壳，符合压力容器定义的，按压力容器生产和监管。属类外容器的，不提供监检证书，但依然严格按照《压力容器》GB/T150-2011标准执行。国外项目外壳的设计和制造执行ASNE Section VIII Div.1，latest version U Stamp。

下面以项目中遇到的电加热器选型为例，介绍几种电加热器的选型。

1 空气电加热器

某装置脱硝反应器需要向氨气中混入高温的空气，使其中氧气参与脱硝反应，并使氨气与空气混合物远离爆炸下限。电加热器为连续操作，进口温度为223℃，需要出口温度为360℃，经过对比与选择，确定采用电加热器。

根据装置的爆炸危险区域划分图，此电加热器的防爆等级为dIICT4。电加热器参数见表1。

表1 电加热器参数

1.1 电加热器功率的计算：

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

式中，P为计算功率；E为安全系数。

厂商计算时都会考虑一个安全系数，不同厂商的安全系数略有不同。根据计算结果，电加热器的功率向上选取25kW进行设计。

1.2 电热元件的选择

以金属管为外壳，合金电阻丝作为发热体，在一端或两端具有引出棒，在金属管内填装密实的氧化镁粉作为绝缘介质以固定发热体的元件就叫做电加热管。电热元件的允许最高温度见表2。

表2 电热元件的允许最高温度

从上表中不同材料允许的最高温度，结合厂商的经验，电热元件采用S31268无缝不锈钢管，缩管后规格为Φ12mm。

1.3 电阻丝材料的选取

电热元件内部发热材料选用电阻合金丝Ni80Cr20。

1.4 绝缘材料的选择

绝缘材料选择进口高纯度结晶氧化镁粉,在1050℃时也能保持很好的绝缘性能；电热管的封口材料采用耐高温二次固化绝缘密封(环氧树脂材料)。

氧化镁的主要作用如下：

(1)绝缘作用

金属护套管和电热丝既是导热体也是导电体，使用具有足够绝缘和电气强度的氧化镁粉紧密填充在电热丝和护套管间隙部位可以起绝缘作用，这样加热管的外壳是不带电的，安全可靠。

(2)导热作用

能将电热丝通电所产生的热量迅速的传递到管外壳，再传给被加热体。

(3)固定电热丝作用

填充物具有和电热丝相近的膨胀系数，在电加热管缩管、退火、弯管的制造工序中固定电热丝使其不发生位移。

氧化镁粉和电热丝在电加热器的安全长久运行中是至关重要的因素。

1.5 功率密度

电热元件的功率密度(又名表面负荷)：发热表面单位面积的功率，单位为W/cm2。表面负荷的极限值取决于加热管、电热丝和绝缘填充物的允许极限工作温度。加热管表面负荷和介质流速决定了加热管的表面温度，是影响加热管寿命的极重要因素。功率密度对电加热器来说非常重要，过低的功率密度虽能延长电加热器的使用寿命，然而带来了制造成本的增加；如果取值大则会引起过热，严重时很快就会引起加热元件的损坏。

实际的功率密度必须根据介质的流速、比热容、导热系数和粘度来计算，并根据经验进行修正。电加热器在整个运行中必须始终保持“冷”的状态，不能过热，否则可能损坏被加热的介质或防爆加热器。

厂商根据《金属管状电热元件》JB/T 2379，项目的实际情况和经验，确定合适的功率密度。

1.6 电热元件的支撑

电加热器内部设有导流装置，不仅可以防震，还可以强化传热，有效地避免死角，确保电加热器正常安全运行。为确保介质加热均匀及充分，厂商结合常规换热器设计要求,在电加热器内部加设折流板或支撑板。

1.7 超温保护

电加热器具有独立的超温保护措施。加热器内设置热电阻，放置在电热管外表面温度最高点。当温度超过高报警值时，发出报警信号；当温度进一步升高，到达高高设定值时，控制系统立即停电加热器。

1.8 电热元件的氧化或结焦、结垢及解决方法

引起氧化或结焦、结垢的原因有：对介质加热时间过长，局部加热温度过高，元件表面含碳量高等原因。主要有以下解决方法：

(1)缩短流体电加热器介质在容器内的停留时间；提高流速，减少电热管与流体间的滞留层，增加了电热管与流体间的传热系数，降低了电热管的表面温度，延长了电热管的使用寿命。

(2)合理安排加热器内部结构及各加热组工作的均匀性，对称性。

(3)运用可控硅调功，防止电热管的热疲劳，增加电热管的使用寿命。

有的厂商会很关注最小流量工况，通过核算使流量最小工况下流速大于限值，增强传热效果并避免形成死区。

1.9 接线方式

电加热器采用“Δ”接线方式，所以加热管数量为3的倍数。

1.10 加热管长度

因为加热管数为3的整倍数，初步确定加热管根数后，厂商通过调整加热管长度来满足功率的要求。国内厂商一般是发热管长取整百毫米(比如1.2m、1.5m、3m)，有的厂商会采用标准系列化的样本，方便根据情况选择，也方便各元件的标准化。

国外厂商，若采购时没有对管长做具体要求，一般都以英寸为单位或用英寸折合的mm数。

1.11 电加热器散热方案

根据加热器的出口温度，若不采取降温措施，则高温介质通过热辐射将温度传递至接线盒内部接线部位以及接线电缆,如长时间处于高温条件下,接线部位就会老化，导致电缆发生短路故障甚至加热器失爆。

在加热器主法兰和接线盒之间设置散热区，即非加热区，有的厂商会加设散热片，使传导来的热量尽量散开,使辐射和传导的热量降至最低,这样有效地降低了接线盒内部的温度，避免了接线盒内部接线电缆由于高温而易于老化的现象。

1.12 抽芯

厂商会提出抽芯需要的空间。卧式加热器水平抽芯，比较易于抽芯，但占地会比较大。立式安装一般考虑向上抽芯。

1.13 温度调节

电加热器出口位置设置1个温度传感器，温度信号经处理后送至功率调整器，调节可控硅的输出功率, 根据不同的设定温度自动调整加热器的功率，实现了0～100%功率可调，提高了介质温度的控制精度。这个温度计口可放在电加热器上，也可放在出口管线上，放在出口管线上要尽量靠近电加热器出口。

1.14 主要执行的标准规范

《金属管状电热元件》JB/T 2379-2016；

《压力容器》GB/T150.1～150.4-2011及第1号勘误表；

《热交换器》GB/T151-2014；

《爆炸性气体环境电力装置设计规范》GB50058-2014。

电加热器选型结果见表3。

表3 电加热器选型

对于连续操作的电加热器，厂商会将额外安装10%未连接的加热管以作备用。

2 氮气开工加热器

某天然气制氢装置的氮气开工加热器，仅在开车和催化剂还原时使用。进口温度为375℃，需要出口温度为500℃。根据装置的爆炸危险区域划分图，此电加热器的防爆等级为dIICT4。

2.1 电加热器功率的计算

电加热器功率的计算见表4。

表4 电加热器功率的计算

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

根据计算电加热器的功率选取600kW进行设计，不同厂商所取得安全系数略有不同。加热空气在不同金属管材料下的表面负荷见表5。

表5 加热空气在不同金属管材料下的表面负荷

2.2 加热管的选择

此加热器出口温度较高，而加热管的表面温度要高于介质温度才能保证进行换热。几个厂商的加热器表面温度在600～700℃之间，故选择电加热管材料为Incoloy800。国外厂家电加热管外径采用英寸为单位。

本加热设备加热的介质温度高，绝缘材料采用适用更高温度的高温氧化镁粉。

不同厂商选择的功率密度、最高表面温度加热管长度也各不相同，但都根据相关标准和厂商的经验，在合适范围内选取。

一般功率较大的电加热器表面温度计的个数会略有增加。

其余除了电热管数会根据功率确定外，电热丝材料和绝缘密封材料与前文所述电加热器相同。

氮气开工加热器的选型见表6：

表6 氮气开工加热器的选型

3 结语

在操作条件不同时，电加热器所需要的元件种类大同小异，不同材料牌号的允许条件不同，具体材料会有所调整。本文主要以不同情况下的两个电加热器在各元件材料的选择为例，介绍了电加热器选择中的的注意事项,供工程技术人员参考。