引言基于低碳环保、节能减排政策要求，结合露天矿采暖区的分散、热耗情况，某露天矿厂决定取缔燃煤锅炉。由于电加热器具有清洁、安全、高效、易于控制、成本低和占地面积小等优势，成为替代燃煤锅炉的最优选择。文中提出电加热器供热系统热能利用的创新思路，通过改造电加热器系统的结构，优化电加热器系统的工艺设计，为燃煤锅炉改造提供参考。1原燃煤锅炉运行现状某露天矿的原燃煤锅炉分布在露天采场及周边的所属作业区内，配套的燃煤锅炉共13台：包括碎矿作业区：2 MW锅炉2台、1 t/h锅炉1台；运矿作业区：4 t/h锅炉2台；运岩作业区：2 t/h锅炉1台、4 t/h锅炉1台；排土作业区：2 t/h锅炉2台；矿中心作业区：10 t/h锅炉4台。工作介质均为蒸汽或热水。原燃煤锅炉通过上煤、输煤、配煤、炉膛充分燃烧；通过锅炉的锅筒持续加热；通过烟管、水冷壁管、汽水分离器和分汽缸等产生高温过热蒸汽或高温热水；通过室内、室外采暖或洗浴系统反复强制热力循环，保证矿中心、碎矿、电铲、运矿、排土和运岩等区域的冬季采暖和常年洗浴用热需求。2原燃煤锅炉的主要改造方案基于现行的环保政策要求，为保证烟气排放量达到要求（在基准氧含量6%的条件下，烟尘、二氧化硫和氮氧化物排放浓度分别不高于10 mg/m3、35 mg/m3、50 mg/m3），逐步取缔传统的原燃煤锅炉。某地露天矿的原燃煤锅炉取缔改造包括：电加热器改造、新建2台35 t/h燃煤锅炉（配套脱硫工程）、增建锅炉脱硫工程、电磁锅炉改造、燃气或燃油锅炉改造、空气源热泵改造、暖风机改造、空调加热改造等。在充分考虑采暖地理位置及分布、采暖面积、投资额、性价比、热容量、不完全燃烧和散热热损失、热效率、维修工程量和维修成本、故障停机及影响范围、同类工程经验等因素后，露天矿拟采用电加热器提供采暖和洗浴系统的用热量[1-2]。原燃煤锅炉改造为电锅炉项目，已完成的项目包括：新建矿宾馆、碎矿、碎矿机装、电铲和运矿电加热管型电加热器站。该项目计划将排土供暖区分为8~9个子区域，将燃煤锅炉改为量子型电锅炉；将矿中心燃煤锅炉采暖区改为9~10个子采暖区域。3设备实际选型和电加热器控制系统分析3.1设备实际的选型和设计电加热器采暖设备的实际选型[3]根据露天矿各采暖区所需采暖面积、建筑物结构、供热管网布置、管线敷设方式、保温状况、热效率和热效比等综合决定。对没有关键运行设备的室内、没有重要物品的室内、长白班工作室内、局部小区域、传输距离过远的位置，视情况考虑使用暖风机（或空气加热器）进行采暖。电加热器的实际选型参数如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.002.T001表1电加热器的实际选型参数采暖区域采暖面积/m2设备功率/kW设备数量/台备注矿宾馆（室内）3 4561802已实施碎矿（采暖）1 700802已实施碎矿（洗浴）1 700481已实施碎矿机装（高空）240481已实施电铲2 5203501已实施802已实施运矿5 2502502已实施碎矿浴池为可容纳70 人/次的间隔式洗浴，选用48 kW电加热器。矿中心大浴池为可供2 500 人/d的间隔式洗浴，若冬季采用3台空气源热泵（2台78 kW和1台38.5 kW）采暖，其功率不能同时满足采暖和洗浴系统的用热要求，因此需要选用电加热器（或大功率源热泵）。露天矿选用的常压电加热器的加热管是由不锈钢、高温氧化镁粉、高电热丝等材料制成的发热元件。电加热器为三相制供电接线，加热管为三角形或Y型（星型）接线方式。电加热管为奥氏体不锈钢Cr19Ni10材质、弓形折流板型结构。根据功率值要求，选择相应规格的U型管。电加热管几何参数如表2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.002.T002表2电加热管几何参数参数名称参考数值U型管壁厚/mm0.8U型管外径/mm12U型管加热区长度/mm650、800、1 000U型管中心距按设计要求进出口直径/mm50（进）/50（出）、80（进）/80（出）或按设计要求法兰盘厚度/mm12、14、16法兰盘直径/mmФ160、Ф132螺栓孔直径/mmФ12×6或Ф14×63.2电加热器控制系统的分析电加热器热水循环系统如图1所示。电加热器供热系统如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.002.F001图1电加热器热水循环系统10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.002.F002图2电加热器供热系统电加热器系统的布置遵循热力学第零、第一和第二定律（热交换和热平衡原理）。电加热器系统主要利用电能，通过电加热管热阻将流水进行加热，电能转换成热能；采用循环泵、保温水箱将含有一定热量的热水输送到板式加热器；相互独立的采暖系统或洗浴系统将热水进行反复强制循环；同时电加热器不断地加热，使得热水维持在目标温度，以对流和热辐射形式输送到采暖区（或以热水循环形式提供到洗浴系统），确保采暖系统、洗浴系统达到相对稳态的热平衡。电加热器热工控制原理如图3所示。电加热器电气原理如图4所示。电加热器实际加热p-T关系曲线如图5所示。结合图3~图5，对电加热器热工控制系统进行综合分析。电加热器热工控制系统，根据输出口处的温度传感器信号或已设置的目标温度，通过PLC电气自动化连锁控制输出功率，使得输出口的介质温度达到均匀状态。当发热元件超温时，独立的过热保护装置立即切断加热电源，避免出现因长期电加热器超温引起的变质、结焦、碳化、烧损或烧坏等问题，延长了电加热器的实际使用寿命[4]。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.002.F003图3电加热器热工控制原理10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.002.F004图4电加热器电气原理10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.002.F005图5电加热器实际加热p-T关系曲线4采暖系统热量、水量平衡和热阻分析系统稳态时热平衡数据如表3所示。采暖系统的局部热阻分析如表4所示。导致电加热采暖系统泄漏（或影响水量平衡）的主要原因包括：管路腐蚀、断裂泄漏量、暖气管路人为放水和排水、与外界连接或总分支的阀门未关闭或关闭不严、阀门阀体或法兰处泄露、水泵泵体或连接处泄露等。结合表3、表4以及导致电加热采暖系统的泄漏原因，对电加热器采暖系统的热量、水量平衡和热阻进行综合分析。可以看出，当电加热器采暖系统处于稳态运行时，原有热力循环系统中的热量、水量为相对平衡状态，此时，补水量=泄漏量=0。当泄露不严重时，补水量≥泄漏量，依靠自然补水或补水泵补水。当泄漏量较为严重时，补水量远小于泄水量，需要立即进行系统停机，检查、修理、更换或处置等。当系统故障或缺陷排除后，重新进行水压试验、试运行。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.002.T003表3系统稳态时热平衡数据项目比例供热输入量电加热管电阻加热/%98.0水箱循环水自身携带/%1.8用电设备、电器元件运行放热/%0.2人体自身携带热量忽略供热输出量采暖系统采暖作业环境/%75.0管路系统保温不好散热损失/%16.0门、窗和墙体等封闭不严或未关闭散热/%5.5门、窗和墙体等保温隔热不好散热/%3.4管路、阀门等泄漏水或漏气带走热量/%0.110.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.002.T004表4采暖系统的局部热阻分析阻力因素故障源电加热器运行，但加热管未加热加热器微机控制系统电加热器运行组数不足加热器微机控制系统电加热管个别烧损或烧坏电加热管循环泵电机反转或未转动循环泵电机阀门开度不适宜阀门未设置流量计，依靠经验调节阀门阀门新、老管网相互之间的连接不恰当管路连接热源距各热用户的距离不一致供热距离循环泵提供的压力未达热用户或实际供给压力不足热用户终端压力热力管路存在气阻管路气阻热交换器、管路、阀门或暖气片关闭或堵塞管路、阀门或暖气片管路管径、循环水量和走向不正确管径、循环水量和走向5供热系统的热能利用5.1热能利用效果验证电加热器改造后节能效果包括：（1）对比原燃煤锅炉，热管型电加热器的热效比达1.5以上，加热器热效率提高到95%以上（燃煤锅炉为20%~30%），消除了不完全燃烧、废渣、废液和废气带走的热损失，大幅度降低了室外架空、管沟和直埋敷设管路保温的散失热量。（2）改造后的电加热器，消除了非清洁能源动力煤的燃烧和燃煤锅炉的污染物排放，如烟气（含颗粒物、SO2、NOx、CO和CO2等）、污水排放、燃煤排渣等。以运矿和碎矿采暖区的年耗量为例估算：取锅炉效率85%、标煤热值29 307 kJ/kg、电力标折系数0.122 9 千克标准煤/kWh；电加热器加热效率98%、实际运行功率为额定值的80%，PLC自动控制运行22 h/d，采暖期150 d。部分区域热耗估算数据如表5所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.002.T005表5部分区域热耗估算数据供热区域燃煤锅炉电加热器煤耗/t热耗/GJ电耗/kWh热耗/GJ标准煤耗/t运矿（采暖）56214 000660 0002 32881.14碎矿（含机装、采暖）48111 983549 1201 93867.49碎矿（洗浴）1503 73752 5601866.465.2电加热器供热系统的创新改造思路（1）根据环境温度，设置多变型自动感温传感器。线路设置电流、温度超标的自动切断装置，降低加热器烧损（因运行温度过高）引发火灾事故的发生概率。（2）加热器考虑全面采用瞬驰加热技术，电阻电热丝选用高品质Cr20Ni80及以上的螺旋形粗裸丝。局部区域采用量子锅炉（热效比达2.0）、等离子锅炉和防爆不锈钢风道电加热器。电加热管考虑替换为不锈钢321、316L、Cr1Ni18Ti9、特氟龙、紫铜或钛加热管等材料，采用三分螺旋折流板长U型管结构[5]。（3）将电加热器供水改为自来水，增设电子水自动处理仪，定期、系统性地进行化学清洗（正冲洗、反冲洗）和人工清洗，必要时需要在现场更换部件；电加热器的锅筒底部采用约30°~45°坡度倒锥形结构，便于清除积存水垢。（4）采购高性价比、高可靠性的电子元器件；核查该类产品的可靠性试验（寿命试验、可靠性增长试验和环境适应性等），并验收产品合格证和性能检测报告。（5）采用室内明管、管沟或直埋敷设方式，将原有的三级防腐保温逐步升级为一级，不定期检查管道保温脱落的情况，及时将保温缺失部分更换为聚氨酯保温管。（6）提高室内墙体和门窗的密封性、墙壁厚度，倡导“三七墙”“五零墙”施工，消除漏风点，新砌筑墙体采用岩棉板、聚苯乙烯泡沫板和陶瓷保温板等进行保温。（7）将加热器的锅筒改为异形曲面结构（可参考质子轰击Mc的反应容器），保证能够充分加热和循环热水。6结语通过对电加热器全方位、系统性地改造，实现了手动和PID自动控制，降低了检修和操作人员的工作强度。根据实际控制的电加热器的加热组数、加热时间和目标温度等数据，发现系统发生故障的概率较低，可以得到较好的供热效果。（1）研究结果对电加热器的改造、设备的选型和实际功率的选择提供了相关的理论和技术支持。（2）通过热平衡、水量平衡和热阻分析，查出系统中热损失、水量损失的重要部位，且进行相应的整改。（3）电加热器供热系统可明显提高节能实施的效果。随着电加热技术的不断创新，其功能性、安全性和可靠性均会不断地提高，节能效果相对更加明显，因此，露天矿的采暖和洗浴系统用热的节能和减排工作实施效果将更显著。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.002.F006