電極式熱水鍋爐直接接入市政電網(wǎng)的可行性探討

劉書農(nóng) / 董 銳(中國(guó)中元國(guó)際工程公司, 北京市 100089)

近期在某高原地區(qū)城市區(qū)域集中供暖項(xiàng)目的設(shè)計(jì)中，考慮當(dāng)?shù)啬茉唇Y(jié)構(gòu)(沒有煤炭、石油和天然氣，只有電力且水電資源比較豐富)的特點(diǎn)，采用了電極式熱水鍋爐的方案。據(jù)了解，該系統(tǒng)僅在國(guó)內(nèi)某些電廠中有過應(yīng)用，在城市電網(wǎng)中還沒有使用的先例?，F(xiàn)將電氣專業(yè)在設(shè)計(jì)中遇到的一些問題及解決方案做簡(jiǎn)單介紹。

1 電極式熱水鍋爐工作原理

電極式熱水鍋爐主要分為兩類：

第一類是全浸沒式，即：鍋爐內(nèi)充滿了水，工作時(shí)一是通過加藥、加水系統(tǒng)來調(diào)節(jié)水的電導(dǎo)率；二是通過鍋爐頂上電機(jī)的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)電極外圈絕緣罩的上下移動(dòng)，來調(diào)節(jié)電極與水的接觸面積。通過上述兩種方式，可調(diào)節(jié)電極間水電阻的大小，也即通過I2*R將鍋爐內(nèi)的水加熱并可調(diào)節(jié)鍋爐的功率。該類鍋爐的功率調(diào)節(jié)范圍在25%～100%之間，參見圖1。

第二類是噴水式，即：鍋爐內(nèi)僅有少量的水，工作時(shí)一是通過加藥、加水系統(tǒng)來調(diào)節(jié)水的電導(dǎo)率；二是通過鍋爐下方的變頻水泵來調(diào)節(jié)水量，也即調(diào)節(jié)噴嘴噴到電極上的水量，通過I2*R將該部分水加熱并使其中極少部分汽化，再通過鍋爐本體上自帶的熱交換器將外部循環(huán)水加熱。該類鍋爐的功率調(diào)節(jié)范圍在0%～100%之間，參見圖2。

2 電氣專業(yè)設(shè)計(jì)中遇到的問題、分析論證及解決方案

2.1 電極式熱水鍋爐的電氣參數(shù)、等效的接線形式及對(duì)供電電源的要求

1)由于是將水加熱，而水的電阻又較低，因此一般需要采用中壓(3～20kV)系統(tǒng)直接供電，本項(xiàng)目采用的是10kV。

2)鍋爐功率從幾MW到幾十MW都有，本項(xiàng)目采用的有7MW、8MW和9MW。

3)由于負(fù)載是水電阻，因此其功率因數(shù)接近1，且無諧波。鍋爐啟動(dòng)也無沖擊電流。

4)根據(jù)鍋爐的工作原理，其等效的電氣系統(tǒng)接線形式為Y形系統(tǒng)，而對(duì)其中性點(diǎn)(即鍋爐的金屬外殼)有兩種處理方式：a.用接地線將其直接接地(該方案適用于用戶自設(shè)專用變壓器的系統(tǒng)，此時(shí)即使三相電源不平衡或某相斷線，鍋爐房?jī)?nèi)也是等電位，因此鍋爐外無需另加任何防護(hù)裝置)；b.采用絕緣支撐架將其與地絕緣，此時(shí)所有進(jìn)出鍋爐的金屬管道均需通過絕緣段與鍋爐連接(注：由于管道內(nèi)水電阻的存在，此系統(tǒng)的接線形式其實(shí)是中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地。該方案可直接使用在市政電源為不接地或經(jīng)消弧線圈接地的系統(tǒng)，但此時(shí)為了防止運(yùn)行或故障時(shí)三相電源不平衡而導(dǎo)致鍋爐外殼的高電位，需在鍋爐外加裝隔離防護(hù)外罩)。

5)對(duì)于全浸沒式鍋爐，中性點(diǎn)采用兩種處理方式的產(chǎn)品都有，只是對(duì)與地絕緣型的鍋爐，廠家要求在電氣回路的保護(hù)中，除通常的參數(shù)外，需增設(shè)三相電源不平衡保護(hù)(要求不大于5A)；而對(duì)于噴水式鍋爐，只有中性點(diǎn)直接接地這一種產(chǎn)品，因此在廠家的資料中，要求鍋爐由專用變壓器(△/Y型)供電，且需采用三相四線(地線)接線方式。

2.2 設(shè)計(jì)中電氣專業(yè)遇到的問題

1)前期工藝專業(yè)在比較和選擇上兩類鍋爐時(shí)，都傾向于噴水式。從上述簡(jiǎn)介中可知，該鍋爐除了變頻水泵外，沒有其他的運(yùn)動(dòng)部件，因此工作時(shí)的可靠性高、維護(hù)量少，同時(shí)其功率調(diào)節(jié)范圍也大，0%～100%間幾乎可無級(jí)調(diào)節(jié)。

2)但是對(duì)電專業(yè)來說，從鍋爐中性點(diǎn)接地做法、安全性以及節(jié)省投資上考慮，全浸沒式又優(yōu)于噴水式，這是因?yàn)椋?/p>

(1)當(dāng)?shù)?0kV系統(tǒng)接地形式為不接地系統(tǒng)。

(2)全浸沒式有可直接用于該電源的產(chǎn)品(因其接地電阻可以做到很大，達(dá)上千甚至幾千Ω，因此可不用另加專用變壓器)，同時(shí)產(chǎn)品還自帶隔離防護(hù)外罩，安全性也可得到很好保證。

(3)噴水式僅有一種產(chǎn)品，即直接接地型，無法直接接到該電源中，因此需按廠家的方案，用戶自設(shè)專用變壓器，這樣既增加用戶投資又使運(yùn)行損耗加大。

3)經(jīng)招標(biāo)，最后選擇了噴水式鍋爐，但由于投資的限制，不允許另外增加專用變壓器。這就使得本來并不復(fù)雜的設(shè)計(jì)，現(xiàn)在卻給電氣專業(yè)提出了挑戰(zhàn)。

2.3 電氣專業(yè)的分析論證及解決方案

此時(shí)電氣人員需要考慮在不采用專用變壓器的前提下，該類鍋爐是否可以直接應(yīng)用到當(dāng)?shù)厥姓娋W(wǎng)中。

1)由于當(dāng)?shù)?0kV電源為不接地系統(tǒng)，因此中性點(diǎn)直接接地型鍋爐是不能直接接入該電源的。對(duì)于該類鍋爐，最優(yōu)的方案還是按廠家的要求增設(shè)專用變壓器。

2)由于本工程又不能采用這種方式，因此唯一的解決辦法就是增加中性點(diǎn)對(duì)地電阻，而此辦法只能與鍋爐廠家共同來完成。但首先需要電氣專業(yè)給廠家提供該電阻的值，因?yàn)槿绻娮杼?，?duì)電網(wǎng)及系統(tǒng)中其他用戶的安全就會(huì)產(chǎn)生影響；而如果太大，鍋爐自身又很難達(dá)到。

3)起初，我們提出讓鍋爐廠家根據(jù)其產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，提供一改造方案，并提供所能做到的最大電阻值。廠家按此要求給出的方案是：在鍋爐內(nèi)部噴嘴與水泵間的金屬水管間改用一段絕緣段，這樣中性點(diǎn)(噴嘴處)與鍋爐外殼(還是需直接接地)間就有了水電阻。根據(jù)水的電導(dǎo)率、絕緣段長(zhǎng)度及絕緣段管內(nèi)截面積等參數(shù)，按公式①、②計(jì)算得中性點(diǎn)對(duì)地電阻為106～116Ω(因電導(dǎo)率的變化)。

其中：R—電阻(Ω)；G—電導(dǎo)(S)；σ—電導(dǎo)率(μs/cm)；A—絕緣段管內(nèi)截面積(cm2)；L—絕緣段長(zhǎng)度(cm)。

同時(shí)廠家要求在鍋爐電源的保護(hù)中加裝零序電流速斷(10A)保護(hù)，采用瞬動(dòng)(0.1s)跳閘，將鍋爐脫離供電系統(tǒng)。

4)對(duì)廠家方案的分析論證

根據(jù)廠家改造方案可知，本產(chǎn)品通過電阻值不算太大的水電阻將10kV系統(tǒng)的中性點(diǎn)與地連通，另考慮到同一市政變壓器系統(tǒng)中一般不只接有一臺(tái)鍋爐，因此總電阻值會(huì)更小，這樣就可看做是將當(dāng)?shù)氐?0kV不接地系統(tǒng)變成了電阻接地系統(tǒng)。

這樣，當(dāng)電網(wǎng)中另一10kV用戶發(fā)生單相接地時(shí)，該接地電流將增大，使得在該用戶地線上的接觸電壓ΔU遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于安全電壓(50V)限值。再考慮當(dāng)?shù)馗?0kV用戶變電所的不同形式、設(shè)計(jì)的年代以及是否有等電位聯(lián)結(jié)措施等因素，即使在我們鍋爐電源側(cè)增加了瞬動(dòng)跳閘保護(hù)，也不一定是安全的，見圖3。

因此廠家的方案是不可行的。究其原因，主要是此方案僅是在鍋爐內(nèi)部考慮，而鍋爐內(nèi)部水的電導(dǎo)率很大且空間有限(絕緣段無法做長(zhǎng))。但該方案的優(yōu)點(diǎn)是鍋爐外殼已不再是中性點(diǎn)，因此可直接接地，這對(duì)鍋爐房的運(yùn)維人員來說安全性更好。

5)解決方案

首先，考慮到廠家方案的優(yōu)點(diǎn)、我們供暖方案的特點(diǎn)(鍋爐臺(tái)數(shù)多、容量大)以及當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)準(zhǔn)備增容改造的情況，我們向供電部門提出對(duì)城區(qū)所有鍋爐房采用專變專網(wǎng)供電，并采用小電阻接地系統(tǒng)，這樣廠家的鍋爐改造方案就可實(shí)施。

但此方案牽扯到城區(qū)電網(wǎng)的規(guī)劃，動(dòng)靜很大，且電網(wǎng)的改造滯后，因此現(xiàn)階段只能采用其他方案。我們借鑒了全浸沒式鍋爐的思路，將整個(gè)鍋爐絕緣，將其放在玻璃隔斷的防護(hù)間內(nèi)，鍋爐的低壓供電電源前加隔離變壓器，并在控制上增設(shè)安全聯(lián)鎖措施。經(jīng)與供電部門協(xié)商，同意了此方案，并要求每臺(tái)鍋爐的對(duì)地電阻值不小于1 000Ω。

3 結(jié)束語

對(duì)當(dāng)?shù)毓╇姴块T來說這也是個(gè)新問題，也準(zhǔn)備將其列為研究課題。課題將從整個(gè)供電網(wǎng)絡(luò)上來分析和探討可靠性、安全性、相互關(guān)聯(lián)及影響等。

[1]《鋼鐵企業(yè)電力設(shè)計(jì)手冊(cè)》編委會(huì).鋼鐵企業(yè)電力設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1996.

[2]中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局, 中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB/T 13870.1-2008 電流對(duì)人和家畜的效應(yīng)第1部分：通用部分[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2009.