電極式電熱鍋爐及設(shè)計(jì)文件鑒定中問題及對(duì)策

李永紅，豆永飛

（甘肅省特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)研究院，甘肅 蘭州 730050）

采用高電壓(6-15kV)直接供電的電極鍋爐，稱為高壓電極鍋爐。

在民用領(lǐng)域，電極鍋爐及系統(tǒng)主要應(yīng)用于城市供熱。目前我國城市化不斷普及，城市供暖面積不斷增加，節(jié)能減排形勢(shì)嚴(yán)峻，天然氣供應(yīng)緊張，能源供應(yīng)多元化是國家的安全戰(zhàn)略，比較煤、天然氣、生物質(zhì)，電能作為清潔能源，具有自己的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。電極鍋爐利用谷期電能集中供暖的新模式與國家節(jié)能降耗的大方針一致，保守估計(jì)該領(lǐng)域擁有千億級(jí)別的市場(chǎng)空間，電極式電熱鍋爐可以作為綜合能源服務(wù)的核心產(chǎn)品之一，值得進(jìn)行重點(diǎn)推廣應(yīng)用。

在工業(yè)領(lǐng)域，電極鍋爐廣泛應(yīng)用于火電企業(yè)起動(dòng)鍋爐、風(fēng)電及太陽能企業(yè)調(diào)峰鍋爐，并為造紙、化工、汽車、造船、食品等企業(yè)提供生產(chǎn)用高品質(zhì)蒸汽及高溫?zé)崴Ｎ宕蟀l(fā)電集團(tuán)及地方熱電企業(yè)、自備電廠、地方所屬電廠的數(shù)量有上萬家.該領(lǐng)域?qū)?dòng)鍋爐有一定的需求。隨著風(fēng)電及太陽能行業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)調(diào)峰鍋?zhàn)o(hù)及技術(shù)的需求也將開始旺盛。

目前，我國提供電極式電熱鍋爐產(chǎn)品及專業(yè)技術(shù)服務(wù)的企業(yè)數(shù)量在不斷增加，代理國外的品牌也在逐漸豐富，但該市場(chǎng)還未形成龍頭性的企業(yè)，因此，該領(lǐng)域?yàn)橹行∑髽I(yè)提供了充分競爭及快速發(fā)展的機(jī)會(huì)。

1 浸入式電極鍋爐結(jié)構(gòu)

高壓電極鍋爐基本型式有噴射式電極鍋爐和浸入式電極鍋爐。兩種鍋爐結(jié)構(gòu)形式上的不同，導(dǎo)致性能差別比較大，浸入式鍋爐比噴射式鍋爐的綜合性能高一些，是目前的發(fā)展和應(yīng)用趨勢(shì)。浸入式雙筒高壓電極鍋爐是當(dāng)今世界上最先進(jìn)的，被廣泛應(yīng)用于全世界的核電企業(yè)。

1.1 工作原理

鍋爐水的電導(dǎo)率調(diào)節(jié)到當(dāng)控制機(jī)構(gòu)在底部位置（完全露出電極）時(shí)鍋爐達(dá)到最大功率且供水溫度正確。如功率太高，必須換掉一部分水降低電導(dǎo)率。如功率太低需要用加藥泵通過加藥罐加藥達(dá)到需要的最大功率。鍋爐是三相Y 型接線，每一相連接一個(gè)電極，電流直接導(dǎo)入水中從相電極流到中性零電極。功率由相電極和零點(diǎn)之間的導(dǎo)電表面大小決定，絕緣材料制成的控制機(jī)構(gòu)置于相電極和零電極之間?？刂茩C(jī)構(gòu)隔斷相電極的一部分來調(diào)節(jié)鍋爐功率。零電極由3 個(gè)固定在筒體上的管構(gòu)成，使筒體成為零點(diǎn)。相電極懸掛在筒體頂部的絕緣體上?？刂茩C(jī)構(gòu)裝在一個(gè)支架上，調(diào)節(jié)鍋爐功率時(shí)所有控制機(jī)構(gòu)都會(huì)在電極外上下移動(dòng)。

1.2 結(jié)構(gòu)

1）一種國外生產(chǎn)的浸入式電極鍋爐結(jié)構(gòu)圖（如圖1 所示）。

圖1 浸入式電極鍋爐結(jié)構(gòu)圖

2）一種國外生產(chǎn)的浸入式電極鍋爐負(fù)荷調(diào)節(jié)控制機(jī)構(gòu)（如圖2 所示）。

圖2 浸入式電極鍋爐負(fù)荷調(diào)節(jié)控制機(jī)構(gòu)

3）一種國外生產(chǎn)的浸入式電極鍋爐安裝結(jié)構(gòu)圖（如圖3 所示）。

圖3 浸入式電極鍋爐安裝圖

2 電極式電熱鍋爐設(shè)計(jì)

電極式電熱鍋爐設(shè)計(jì)主要包括常規(guī)計(jì)算和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兩個(gè)方面，其中的重點(diǎn)和難點(diǎn)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2.1 常規(guī)計(jì)算

常規(guī)計(jì)算主要是強(qiáng)度計(jì)算和熱力計(jì)算。強(qiáng)度計(jì)算根據(jù)GB/T16507 或GB/T16508 直圓筒體計(jì)算可以直接確定鍋爐殼體的材料、壁厚及直徑。熱力計(jì)算主要是確定散熱損失q5，其他熱損失q2、q3、q4、q6都不存在，q5要通過鍋爐保溫計(jì)算確定，一般情況下q5≤2%，鍋爐的熱效率在98%以上。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電極式電熱鍋爐由于采用了10.5kV 高壓電源作為鍋爐輸入能源，在鍋爐強(qiáng)度滿足的條件下，電氣安全要作為鍋爐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的最重要的因素。

1）鍋爐整體結(jié)構(gòu)采用“鍋爐本體+保護(hù)罩”，鍋爐本體與基礎(chǔ)之間采用絕緣結(jié)構(gòu)隔離，如圖1、圖3所示。保護(hù)罩入口采用連鎖保護(hù)裝置，避免操作運(yùn)行人員等觸電事故。

2）浸入式電極鍋爐負(fù)荷調(diào)節(jié)控制機(jī)構(gòu)類似燃燒機(jī)，是機(jī)電一體化機(jī)構(gòu)，由調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成，調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)采用絕緣材料制造，如圖1、圖2 所示。噴射式電極鍋爐負(fù)荷調(diào)節(jié)采用控制水泵流量來實(shí)現(xiàn)，沒有類似浸入式電極鍋爐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。電極鍋爐負(fù)荷調(diào)節(jié)由計(jì)算機(jī)控制，考慮進(jìn)出、口溫度、壓力等組成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)節(jié)。

3）浸入式電極鍋爐應(yīng)考慮筒體及管道的絕緣問題，考慮采用帶有陶瓷絕緣和聚四氟乙烯襯里。噴射式電極鍋爐則不考慮這方面的問題。

4）噴射式電極鍋爐進(jìn)線為三相四線中心點(diǎn)接地，浸入式電極鍋爐對(duì)進(jìn)線電源沒有特殊要求。噴射式電極鍋爐對(duì)電壓等級(jí)很敏感，不同的電壓等級(jí)對(duì)鍋爐結(jié)構(gòu)影響很大，浸入式電極鍋爐基本不考慮電壓等級(jí)對(duì)鍋爐結(jié)構(gòu)的影響。

3 電極式電熱鍋爐產(chǎn)品開發(fā)及設(shè)計(jì)文件鑒定中存在的問題及對(duì)策

TSG G1001-2004 《鍋爐設(shè)計(jì)文件鑒定管理規(guī)則》 第二章鑒定內(nèi)容及要點(diǎn)中明確要求審查鍋爐設(shè)計(jì)文件所執(zhí)行的安全技術(shù)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)及安全附件、儀表及保護(hù)裝置等是否符合要求。從我院在電極式電熱鍋爐設(shè)計(jì)文件鑒定實(shí)踐及其他方面了解情況看，當(dāng)前電極式鍋爐產(chǎn)品開發(fā)中普遍存在的問題是：認(rèn)識(shí)不充分，技術(shù)（機(jī)電結(jié)合）準(zhǔn)備不充分，運(yùn)行管理經(jīng)驗(yàn)不充分、基礎(chǔ)研究不充分，關(guān)鍵技術(shù)不掌握。此外，國家暫無電極式電熱鍋爐相關(guān)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致鍋爐產(chǎn)品設(shè)計(jì)文件執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)錯(cuò)誤或不準(zhǔn)確，安裝使用環(huán)節(jié)技術(shù)文件指導(dǎo)作用不強(qiáng)。根據(jù)我院在鍋爐設(shè)計(jì)文件鑒定工作中發(fā)現(xiàn)的問題，提出以下處理對(duì)策。

3.1 引用標(biāo)準(zhǔn)錯(cuò)誤

1）設(shè)計(jì)文件不能執(zhí)行JB/T10393-2002 《電加熱鍋爐技術(shù)條件》。在鍋爐設(shè)計(jì)文件鑒定工作中，我們注意到部分生產(chǎn)廠家在設(shè)計(jì)文件中直接執(zhí)行了JB/T10393-2002《電加熱鍋爐技術(shù)條件》這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)高壓電氣設(shè)計(jì)、施工及操作沒有提出特別規(guī)定。該標(biāo)準(zhǔn)適用的額定工作電壓為不大于400V，引用的標(biāo)準(zhǔn)基本上都是低壓電氣標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求中的許多內(nèi)容特別是6.5 條電氣安全要求及9.3 條與電極鍋爐電氣相關(guān)要求相差甚遠(yuǎn)，直接執(zhí)行這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)不能保證鍋爐安全運(yùn)行。在國家暫無電極式電熱鍋爐相關(guān)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)的情況下，建議相關(guān)生產(chǎn)廠家參照J(rèn)B/T10393-2002《電加熱鍋爐技術(shù)條件》中涉及電氣安全條款，相應(yīng)提出高壓電氣設(shè)計(jì)、施工及操作要求。主要涉及鍋爐及其動(dòng)力柜、控制柜的金屬殼體絕緣電阻、接地電阻、電氣耐壓強(qiáng)度等。

建議采用GB50150-2016 《電氣裝置安裝工程電氣設(shè)備交接試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》中以下要求。

測(cè)量絕緣電阻要求為：用于330kV 及以下電壓等級(jí)的懸式絕緣子的絕緣電阻值.不應(yīng)低于300MΩ；35kV 及以下電壓等級(jí)的支柱絕緣子的絕緣電阻值，不應(yīng)低于500MΩ；采用2500V 兆歐表測(cè)量絕緣子絕緣電阻值，可按同批產(chǎn)品數(shù)量的10%抽查；棒式絕像子可不進(jìn)行此項(xiàng)試驗(yàn)；半導(dǎo)體釉絕緣子的絕緣電阻值，應(yīng)符合產(chǎn)品技術(shù)條件的規(guī)定。

交流耐壓試驗(yàn)，應(yīng)符合下列規(guī)定:35kV 及以下電壓等級(jí)的支柱絕緣子應(yīng)進(jìn)行交流耐壓試驗(yàn)，可在母線安裝完畢后一起進(jìn)行，試驗(yàn)電壓應(yīng)符合本標(biāo)準(zhǔn)附表1 規(guī)定；35kV 多元件支柱絕緣子的交流耐壓試驗(yàn)2 個(gè)膠合元件者，每元件交流耐壓試驗(yàn)值應(yīng)為50kV，3 個(gè)膠合元件者，每元件交流耐壓試驗(yàn)值應(yīng)為34kV；懸式絕緣子的交流耐壓試驗(yàn)值絕緣電阻值應(yīng)為60kV。

表1 高壓電氣設(shè)備絕緣的工頻耐壓試驗(yàn)電壓

接地裝置，要求電氣設(shè)備和防雷設(shè)施的按地裝置的試驗(yàn)項(xiàng)目為接地網(wǎng)電氣完整性測(cè)試；接地阻抗；場(chǎng)區(qū)地表電位梯度、接觸電位差、跨步電壓和轉(zhuǎn)移電位測(cè)量。其中接地網(wǎng)電氣完整性測(cè)試要求應(yīng)測(cè)量同一接地網(wǎng)的各相鄰設(shè)備接地線之間的電氣導(dǎo)通情況，以直流電阻值表示，直流電阻值不宜大于0.05Ω。其他項(xiàng)目符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

2）設(shè)計(jì)文件執(zhí)行GB/T1576《工業(yè)鍋爐水質(zhì)》不妥。國內(nèi)個(gè)別電極式電熱鍋爐生產(chǎn)廠家在設(shè)計(jì)文件中對(duì)鍋爐給水執(zhí)行GB/T1576，而國外成熟的生產(chǎn)廠家對(duì)鍋爐給水品質(zhì)要求比較高，接近GB/T12145 標(biāo)準(zhǔn)要求，具體差別見表2。

表2 GB/T1576 GB/T12145 及國外產(chǎn)品水質(zhì)要求對(duì)比表

以上對(duì)比，可以明顯看出GB/T1576《工業(yè)鍋爐水質(zhì)》給水控制指標(biāo)不能滿足電極鍋爐要求，建議采用GB/T12145 標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 高度重視鍋爐安裝使用說明書編制

現(xiàn)行工業(yè)鍋爐安裝相關(guān)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)GB50273《鍋爐安裝工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》、GB/T16507《水管鍋爐》、GB/T16508《鍋殼鍋爐》等對(duì)電極鍋爐安裝運(yùn)行涉電內(nèi)容均未涉及，其安裝、驗(yàn)收、運(yùn)行過程中自由度非常大，也就給安全隱患的發(fā)生埋下了很大伏筆。電極鍋爐作為特種設(shè)備兼高壓電操作設(shè)備，其安全性更應(yīng)得到高度重視，現(xiàn)階段規(guī)范有效的鍋爐安裝使用說明書是電極鍋爐安全運(yùn)行的非常重要的技術(shù)文件。

鍋爐安裝使用說明書必須對(duì)安裝、運(yùn)行、檢修、檢驗(yàn)等環(huán)節(jié)要求作出詳細(xì)規(guī)定。

1）安裝階段，詳細(xì)規(guī)定電氣安全要求，包括可靠的電氣絕緣性能；鍋爐及其動(dòng)力柜、控制柜的金屬殼體或可能帶電的金屬件與接地端之間應(yīng)具有可靠的接地電阻；電極鍋爐應(yīng)有足夠的電氣耐壓強(qiáng)度；應(yīng)設(shè)置過電流保護(hù)，短路保護(hù)，漏電保護(hù)，過電壓保護(hù)和缺相保護(hù)等，鍋爐房應(yīng)設(shè)置火災(zāi)報(bào)警及滅火裝置。

2）詳細(xì)規(guī)定操作運(yùn)行過程。電極式電熱鍋爐畢竟和常規(guī)的燃煤、油、氣、生物質(zhì)等鍋爐相比，差別很大，操作運(yùn)行過程涉及高壓電，應(yīng)給出詳細(xì)的操作運(yùn)行要求。

3）維修、保養(yǎng)及檢驗(yàn)檢測(cè)。鍋爐維修、保養(yǎng)及檢驗(yàn)檢測(cè)前需確保鍋爐電源關(guān)閉，在保護(hù)罩被允許打開前，應(yīng)該先打開電源母線的接線箱，用專門的接地設(shè)備將電極接地，然后再打開保護(hù)罩上的門進(jìn)入檢查。只能由取得專業(yè)資質(zhì)的人員按規(guī)定的程序完成接地工作。

預(yù)防性維護(hù)應(yīng)日常進(jìn)行，電線保持干凈干燥，所有接觸緊密，尤其是磁接觸片要緊密接觸。電控箱內(nèi)任何地方都不能有灰塵或潮濕，電控箱溫度切勿超過35°C(95°F)。水的pH 和電導(dǎo)率必須定期記錄。相對(duì)控制機(jī)構(gòu)位置的功率也要記錄，這是間接檢查電導(dǎo)率的方法。還要記錄相電流，檢查相之間的對(duì)稱來發(fā)現(xiàn)電極磨損情況。形成詳細(xì)的日常檢查記錄。

鍋爐每年打開一次，檢查確認(rèn)控制機(jī)構(gòu)、電極和陶瓷電極絕緣體完好。通常陶瓷絕緣體壽命是3 到5 年，實(shí)際壽命取決于工作時(shí)間和水質(zhì)。定期檢驗(yàn)執(zhí)行《鍋爐定期檢驗(yàn)規(guī)則》。

4 結(jié)束語

1）在關(guān)鍵技術(shù)掌握前，建議全套引進(jìn)國外產(chǎn)品技術(shù)，消化吸收后再自行開發(fā)設(shè)計(jì)。

2）聯(lián)合國內(nèi)優(yōu)勢(shì)企業(yè)開發(fā)優(yōu)化電極鍋爐具備接入綜合能源服務(wù)的保護(hù)控制成套系統(tǒng)，形成自己的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

3)系統(tǒng)介紹了電極式電熱鍋爐的原理、發(fā)展方向、應(yīng)用前景、設(shè)計(jì)（結(jié)構(gòu)）及設(shè)計(jì)文件鑒定中存在的問題及對(duì)策，旨在使對(duì)該產(chǎn)品有志開發(fā)的企業(yè)對(duì)該產(chǎn)品有一個(gè)比較全面的了解，在產(chǎn)品開發(fā)中把握發(fā)展方向，向市場(chǎng)提供先進(jìn)、安全的鍋爐產(chǎn)品。