陶瓷型灰斗电加热器在电力工程实践中的利弊分析

桑杰臣 肖 力

（大唐环境产业集团股份有限公司环保分公司 北京 100097）

陶瓷型灰斗电加热器在电力工程实践中的利弊分析

桑杰臣 肖 力

（大唐环境产业集团股份有限公司环保分公司 北京 100097）

通过研究基于燃煤发电厂的除尘器灰斗电加热设备，结合工程实例，探讨了目前主流的新型片式自控恒温陶瓷电加热器在工程实践中的利弊，通过分析其工作原理以及安装工艺，得出其优势所在，并根据投运后的实际情况进行分析，得出其需要改进的方向。

灰斗电加热；陶瓷自控恒温体；安全可靠；节能降耗

引言

为达到收集粉尘的目的，燃煤发电厂需建设除尘装置，目前除尘器主要以布袋除尘器和电除尘器为主，而收集到的粉尘在灰斗进行储存，再通过输灰管道运送到灰库进行处理。在灰斗进行储存的阶段，灰斗加热作为一种防止酸露和由于低温、潮湿等原因造成燃烧后的灰粉结块引起的排灰不畅而被广泛应用。其工作原理是以热交换补充被加热灰斗的热损失，以达到升温、保温、防冻、防酸露的正常工作要求，所以为了保证输灰的顺利进行和灰斗的正常温度，需要在灰斗壁装设灰斗电加热装置。传统的灰斗电加热主要以不锈钢电加热板为主，通过连接到现场的电加热丝进行温度加热控制，这种工艺能耗较大，系统维护较复杂，并且不利于检修，易故障等缺陷，优势就在于价格相对低廉，工艺要求相对较低。

目前燃煤火电厂灰斗电加热主要以采用新型斗片式自控恒温陶瓷加热体为主，其主要原理是运用新一代复合型陶瓷材料作为发热体，以其优良的电热特性为恒温依据，当对陶瓷自控恒温体进行通电加热时，处在冷态状态下陶瓷电阻率非常低，所以其通过电流会很大，这就导致了陶瓷自控恒温体在极端事件内迅速升温，当陶瓷自控恒温体达到其自身的设定温度时，即灰斗要求的正常工作温度，由于温度的升高，陶瓷体电阻率增大，电流会迅速下降，直至电流稳定值，从而实现陶瓷加热体自控恒温的目的[1]。此项工艺能耗节约较明显，并且利于检修，安装简易，已成为灰斗电加热器的主流工艺路线。本论文主要讨论其在工程实践中取得的优势和经验，并对发现的问题进行分析和探讨。

1 片式自控恒温电加热器原理总述

1.1 设备组成

单个灰斗的片式自控恒温电加热器主要由400片到500片附着在灰斗下部不小于1/3表面上的陶瓷恒温体组成，通过与放置在远方的电加热控制柜进行连接控制。单个陶瓷片发热功率在10W左右，单个灰斗总功率根据工程实践，一般不超过10kW。相较传统的不锈钢发热体，能耗降低一半。

1.2 工作特性

由于灰斗壁在除尘器正常运行状态下温度保持不低于120℃，且要高于烟气露点温度5～10℃，所以对恒温要求工艺较高。片式自控恒温电加热器采用的电加热片是一种由特殊材料制成的高科技热敏元件，利用其电阻随温度呈指数关系变化（即随温度的升高呈阶跃性的增高）的特点实现恒温加热[2]。

1.2.1 阻温特性（R-T特性）

陶瓷恒温电加热体的电阻温度特性即R-T特性，简称阻温特性，它表征了在恒定电压下，陶瓷的电阻大小与其本体温度之间的曲线关系，如图1所示。由图可知，发热体采用正温度系数很大的特殊材料，当未进行恒温加热时，电阻值保持在很低的状态，随着通电后温度的不断升高，在达到居里点附近发生突变，由于电阻的迅速升高，产生的数量级的变化而达到温流恒温的目的。

图1 阻温特性曲线

Tc：居里温度，即陶瓷恒温体达到Rmin二倍电阻值时所对应的温度；

T25：室温标准温度25℃；

R25：陶瓷恒温体在标准室温下的电阻；

RTc：陶瓷恒温体达到居里温度时对应的电阻；

Rmax：陶瓷恒温体达到最高温度时的电阻；

Rmin：陶瓷恒温体在工作状态所达到的最小电阻。1.2.2电压——电流关系（V-I特性）

陶瓷恒温电加热体的电压电流特性即V-I特性，简称伏安特性，它是约定在25℃的标准室温下，在陶瓷恒温体达到恒温时的稳定状态下，其发热体两端的电压与流过的电流的关系曲线，如图2所示。

图2 电压——电流关系曲线

陶瓷恒温体的伏安特性曲线大致可分为三个区域：第一区域，即在0-VK之间称为线性变化区，在此区间的电压和电流的变化基本遵循欧姆定律，不会产生较明显的非线性变化，故称为不动作区；第二区域，即在VK-Vmax之间称为跃变区，由于此时的陶瓷恒温体的电阻率发生了不规则变化，温度的升高导致电阻值发生了跃变，电流随着电压的不断上升而迅速下降，即该区域也称为动作区；第三区域，即在VD以上的区域称为击穿区，此时伴随着电压的继续升高，电流也跟随电压一起升高，电阻值呈指数下降趋势，所以电压越高电流就越大，电阻的温度值越高，相应的电阻率越低，很快会发生电阻热击穿现象。

1.2.3 电流——时间关系（I-T特性）

电流-时间特性是指陶瓷恒温体在工作过程中的电流随时间变化的曲线，如图3所示。

图3 电流——时间关系曲线

由图可以看出，陶瓷恒温体的工作特性即随着时间的不断增长，其电流逐渐下降，最后趋于稳定值，即在电流Ir附近，无线趋近于0，此时的电流成为残余电流，或称作维持电流。所以我们规定在一定的初始温度下，当给电阻施加一个初始电流后，通过电阻的电流从最高点逐步降低到初始电流50%所用的时间就是我们常说的动作时间[3]。

2 片式自控恒温电加热器安装工艺

由于片式自控恒温电加热器的安装包括灰斗陶瓷片、电加热柜、测温电阻、高温导线等众多设备，本论文主要讨论灰斗陶瓷片的安装方式，并着重分析其相较于传统工艺的优势所在。

2.1 加热片在灰斗上的分布

相较于传统的盲目安装不锈钢发热体，陶瓷自控恒温体经过科学计算，布局更加合理。从灰斗底部向上测量2000mm，具体以现场实际为准，并将这段垂直高度平均分为7—8段，每段加热片的布局如图4所示。

图4 加热片布局图

其中：X水平为加热片水平间距；

Y垂直为加热片竖直间距；

W为单个加热片的宽度；

L为加热片高度；

An为该灰斗层宽度。

2.2 灰斗总加热片数量到三相电的分法

分法原理：一灰斗加热片总数量除以三为一相电源上的加热片数量，同相加热片应放置在灰斗同一面；若灰斗两小面面积总和减去一大面面积绝对值小于一平米，则两小面为一相，两大面各为一相。

2.3 安装实例

加热器卡子焊接到灰斗壁上，片式自控恒温电加热器采用并联方式接入电路，并用耐温导热胶和防护胶带安装在灰斗外壁，由于采用模块化，单个陶瓷片出现故障，可以及时拆卸替换，维护方便灵活，如图5、图6所示。

图5 加热片安装原理图

图6 加热片实例图

3 片式自控恒温电加热器优势分析

3.1 质量考证

由于陶瓷自控恒温体的发热材料使用了抗老化性能极佳的绝缘耐温复合陶瓷材料，加上合理的布局和先进的结构设计，从宏观上讲此种方式属于模块化设计，不存在相互之间的磨损和连带损坏。经过对中石油胜利发电厂二期工程布袋除尘器灰斗和托克托电厂三期布袋除尘器灰斗进行考证，在经历了3年的使用后，陶瓷片只进行了少部分的更换，并且实地进行考察后，其发热片基本无磨损，由此推测，其陶瓷恒温体生产厂家承诺的性能保证5年以上是可行的，并且其在工作中传输无泄漏，不污染环境，符合当下严格的环保要求。

3.2 可靠性考察

陶瓷自控恒温体由于其工作原理所决定，在电源电压波动正负25%时仍可以保持恒温状态，这是普通电加热材料所不具备的。在工作状态下，陶瓷片发热时无明火，无需耗氧，纯通电工作方式，由于在生产加工过过程中通过配比，对材料设置了固定恒温工作点，所以该特性在其工作状态下终身不变，故在使用时安全可靠。需要注意的是，由于除尘器会在工作状态下进行振打，所以为了保证陶瓷片常年在强震动的环境下正常工作，需对安装工艺提出较高要求，即要求陶瓷片一定要可靠安全，防止脱落。陶瓷恒温体除一般环境使用外，还可以在防爆环境使用，这一点可以在工业领域广泛推广。

3.3 节能成效

经过与电厂运行部门沟通，通过测算，陶瓷恒温体相较于传统的不锈钢加热器，基本可以降低能耗一半，大大降低了用电量。由于陶瓷恒温体材料本身的热转换效率较高，能量损耗小，加之自控恒温的特性，在热负载发生变化时，可以迅速增加或减小功率，反应迅速灵敏，能量更加有效合理的使用。所以在热负载增加时，能升温，补偿所出现的热量差，不会因存在温差而导致灰斗去湿除尘的效果，保证了输灰的正常运行；在热负载减小时，其余热用来对灰斗进行温度的维持，避免了反复加热带来的能量浪费，节能效果十分显著[4]。

3.4 升温效果

根据工程实际测算，从初始温度经过触发电流后，达到稳定温度的时间基本控制在几十分钟之内，具体以实际灰斗尺寸为准，但相较以往的不锈钢加热体，陶瓷体升温更加迅速，而且每个灰斗的陶瓷片需经过合理的测算，不盲目增加陶瓷片数量，所以其布局更加合理，单个灰斗的总功率基本在8kW左右，最高不超过10kW，供电方式为三项四线制，此种供电保证了电压的平衡，所以灰斗可以得到更加均匀的加热，温度保持更加稳定。

3.5 安装注意事项

根据工程实践，灰斗的陶瓷自控恒温加热体的安装主要是确保众多陶瓷片要与灰斗进行可靠连接，保证不会因为灰斗的长期震动而使陶瓷片发生大面积脱落的情况。由于陶瓷恒温体的供电是以并联方式接入电路，所以即使单个陶瓷片出现问题，只需点对点替换即可，无需大面积停电检修。在这里需说明的是，陶瓷片通过耐高温导热胶和防护胶带双保险的安装在灰斗外壁，所以一般向上述所讲的脱落情况基本不会发生。并且其出现简单、设备防尘、防水、防紫外线防老化，产品体积小，施工方便，日常维护简易，大大降低了投运后的工作量。

3.6 调试总结

在进行陶瓷恒温系统调试阶段时，由于其系统采用模块化，所以调试方面简易，基本以例行检查为主。首先对整体设备的各类电线、电缆、测温元件、热电偶输出连线等的连接进行系统检查，确保连接正确无误，对控制元件和基础连接进行检查确认是否可靠连接，有无松动，最终确认无误后进行带电调试：即合上主空气开关，电源指示灯点亮，然后打开数显温度巡测仪供电开关，观察各类开关有无问题；在通电后，设定数显温度巡测仪，然后设定温度上下限报警，并给出相应的信号；在数显温度巡测仪设定好之后，若无异常情况即可给加热器上电，加热器开始工作。经过工程实践，目前陶瓷电加热器基本一次启动成功，说明了该设备的技术成熟，调试工作方便可靠。

4 片式自控恒温电加热器目前存在的问题

4.1 成本控制方面的问题

目前燃煤火电厂普遍反映，陶瓷型灰斗电加热器由于其成分组成核心为陶瓷，所以存在易碎等风险，这就对运输提出很高的要求，所以相对于传统加热器产品，陶瓷加热体的运输成本更高。由于其自身需要除陶瓷体以外的其它复合型材料共同组成，所以制作工艺更加复杂，对产品的合格率有更高的要求，所以未来生产厂家需要尽快降低成本，为开拓更广阔的市场作出努力[5]。

4.2 产品局限性的问题

目前陶瓷电加热在电力行业主要使用在除尘器灰斗电加热部分，此项部分对于电厂设备来说存在一定局限性。拿两台60万机组举例，一台炉基本配备两台除尘器，按一台除尘器8个灰斗计算，两台炉共计32个灰斗，其合同总价基本在50万元左右。如果未来陶瓷电加热可以在燃煤电厂大面积推广，如在寒冷地区的烟道伴热带，储油罐的保温等，此项技术可以大量节约检修工作，为运行后的保养提供便利。

5 结论

陶瓷自控恒温体的最大优势在于对周围环境温度反应迅速，当把陶瓷自控恒温体用作恒温加热器时，其可根据热负载的变化迅速增减功率来补偿损耗的热量，从而保证了良好的保温效果，既而保证了灰斗里存灰的温度和湿度，防止结垢，为后续的输灰工作提供了有力的保障。所以不仅节约了能耗，还保证了前后相关联设备的正常运行，是未来在全工业领域大面积推广的有力保障。所以总的来看，陶瓷型加热体未来的发展空间是十分巨大的，他的推出与使用必将为提高能源利用效率的发展做出极为重要的贡献。随着科技的不断进步，将有更多新型加热型材料面世，让我们共同为我国和世界的节能环保事业做出更大的贡献。

[1]李进昌.节能型灰斗恒温电加热板[J].第十四届中国电除尘学术会议论文集，2011,55-55.

[2]潘天才.除尘器灰斗电加热器供配电节能降耗方案优化[J].工业安全与环保，2016，(4):11-12.

[3]陈重洪.基于PLC的灰斗加热恒温控制系统改造[J].工业控制计算机，2016，(11):29-30.

[4]袁礼.除尘器灰斗堵灰的原因分析及解决对策[J].能源与环境，2016，(9):28-28.

[5]宋竹根.锅炉静电除尘器灰斗堵灰结焦的原因及改进措施[J].小氮肥,2016,(10):10-12.

桑杰臣(1989.11-),男,北京，硕士,中级工程师。现供职于大唐环境产业集团股份有限公司环保分公司。