一種基于電極式蒸汽鍋爐的熱力系統(tǒng)模塊化設(shè)計

初云濤，湯 濤，蘭興杰

（中國艦船研究設(shè)計中心，武漢 430064）

一種基于電極式蒸汽鍋爐的熱力系統(tǒng)模塊化設(shè)計

初云濤，湯 濤，蘭興杰

（中國艦船研究設(shè)計中心，武漢 430064）

基于電極鍋爐的工作原理，針對大功率、高蒸汽壓力的使用需求，提出了基于電極鍋爐熱力系統(tǒng)的相應(yīng)的管道系統(tǒng)、凝給水系統(tǒng)、補水系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)的初步方案，并利用模塊化設(shè)計的思想，進行了熱力系統(tǒng)集成化設(shè)計。該方案具有集成化水平高、使用便利等特點，對電極鍋爐的推廣應(yīng)用具有重要借鑒意義。

電極蒸汽鍋爐；模塊化設(shè)計；熱力系統(tǒng)

0 系統(tǒng)概述

電極鍋爐具有高效節(jié)能（熱效率可達99%）、安全環(huán)保（無污染零排放）、自動化程度高（可全自動運行）、集成化水平高等特點，是國外領(lǐng)先的綠色能源裝備，廣泛應(yīng)用于國外工業(yè)及民用領(lǐng)域。

目前，電極鍋爐在國內(nèi)核電、鋼鐵等行業(yè)有一定的應(yīng)用[1-4]。如核電行業(yè)用電極鍋爐作為核島起停階段的替代汽源。鋼鐵行業(yè)用電極鍋爐在電力不穩(wěn)定的情況下平衡電網(wǎng)、調(diào)峰填谷。這些應(yīng)用利用了電極鍋爐起停速度快、負荷調(diào)節(jié)能力強、效率高等特點。這些應(yīng)用主要是大功率、低蒸汽壓力（如某核電10MW、2.5MPa項目，某鋼鐵40MW、1.5MPa項目），或小功率、高蒸汽壓力（如某化工0.3MW、6.4MPa項目）電極鍋爐，而暫無大功率、高蒸汽壓力的電極鍋爐應(yīng)用先例。

本文針對大功率、高蒸汽壓力的用汽需求，進行一種基于電極鍋爐的熱力系統(tǒng)模塊化的設(shè)計方案，該方案的提出對于電極鍋爐應(yīng)用的推廣和應(yīng)用具有重要參考意義。

1 設(shè)計要求

根據(jù)某項目使用要求，需要設(shè)計一套基于電極蒸汽鍋爐的熱力系統(tǒng)，主要參數(shù)需求如下：1）工作壓力：6.0Mpa；2）產(chǎn)汽量：5t/h；3）熱力除氧器工作壓力：0.02Mpa；4）工作溫度：104℃。

2 系統(tǒng)方案

按模塊化設(shè)計思想，該熱力系統(tǒng)可劃分為鍋爐主機系統(tǒng)、管道、凝給水系統(tǒng)、補水系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及其他輔助設(shè)備構(gòu)成。

2.1 電極鍋爐系統(tǒng)

電極鍋爐主要由鍋爐本體、核心組件、本體控制組成，其外形如圖1所示。鍋爐本體設(shè)計容量為1臺×4MW 電極蒸汽鍋爐，水容積約 9m3，設(shè)計壓力7.0MPa，運行壓力6.0MPa。鍋爐本體為電極鍋爐的承壓及容器部分。核心組件主要為鍋爐制熱部分（采用三相高壓電制熱），加熱原理是基于三相電流通過設(shè)定電導(dǎo)率的爐水釋放大量熱能從而產(chǎn)生可加以控制和利用的蒸汽。本體控制主要包括保證鍋爐正常安全運行的儀表閥門及控制柜。鍋爐本體及部分管道的電子儀表信息輸入鍋爐PLC內(nèi)，實行對鍋爐的控制。

圖1 電極鍋爐外形圖

2.2 管道系統(tǒng)

管道系統(tǒng)主要包括管道溫度計、溫度變送器、壓力表、壓力變送器、壓力開關(guān)、安全閥、截止閥、疏水閥、調(diào)節(jié)閥、減壓閥及系統(tǒng)管道。管道主要是連接各個設(shè)備的樞紐，保證各個設(shè)備安裝設(shè)計的工藝運行。

2.3 凝給水系統(tǒng)

凝給水系統(tǒng)主要包括閃蒸罐、冷凝水回收泵、熱力除氧器、鍋爐補水泵，主要功能是對高溫冷凝水進行閃蒸，對閃蒸后的冷凝水進行回收，同時按照鍋爐需求適當補水。其中，熱力除氧器設(shè)計壓力0.6MPa，工作壓力0.02MPa，主要是利用部分蒸汽的熱量將補水的溫度控制在 104℃，去除水中溶解的氧氣，減少氧氣對系統(tǒng)的氧化，該系統(tǒng)通過壓力表、溫度計來控制熱力除氧器的壓力和溫度，保證熱力除氧器能根據(jù)系統(tǒng)運行的特點來調(diào)節(jié)熱力除氧器的蒸汽和水的補充量。

2.4 補水系統(tǒng)

補水系統(tǒng)主要包括 RO膜純水處理器、純水箱、除氧器補水泵，主要功能是將市政自來水中多余的鹽類、懸浮物等雜質(zhì)從水中分離出來，將水質(zhì)控制在電極鍋爐水質(zhì)標準的要求范圍內(nèi)，通過除氧水泵將純水泵入熱力除氧器中。

2.5 冷卻水系統(tǒng)

冷卻系統(tǒng)由冷卻水泵、冷卻水箱和散熱器組成，冷卻介質(zhì)采用純水。由于鍋爐補水泵和鍋爐循環(huán)泵內(nèi)的流體溫度較高，這樣會直接影響水泵軸封的使用壽命，為保證水泵水封套的正常運行，需給水封安裝一套冷卻系統(tǒng)，及時將水封處的熱量帶走。冷卻水系統(tǒng)不可直接用海水作為冷卻媒介對泵進行降溫，但是可以通過間接冷卻冷卻水系統(tǒng)的方式給冷卻水系統(tǒng)進行降溫。這樣需要增加一套海水換熱設(shè)備。

2.6 控制系統(tǒng)

控制采用PLC控制，控制系統(tǒng)組態(tài)圖如圖2所示，系統(tǒng)具有如下功能：1）控制系統(tǒng)的現(xiàn)場總線不僅提供外部通信到主控室，還為系統(tǒng)外部啟停和監(jiān)控提供關(guān)鍵系統(tǒng)數(shù)據(jù)；2）常用開關(guān)裝在控制柜里，用于啟/停/遠程等操作。緊急停爐開關(guān)裝在控制柜面板上；3）設(shè)備既可通過就地模式，在控制柜進行啟停，又可通過遠程模式，在主控制室里操作。

圖2 控制系統(tǒng)組態(tài)圖

2.7 模塊化設(shè)計

基于以上該分系統(tǒng)的設(shè)計，采用模塊化設(shè)計，將各分系統(tǒng)集成為電極鍋爐模塊，如圖 3所示。該系統(tǒng)的初步熱力線圖如圖4所示。

圖3 電鍋爐模塊

圖4 模塊化熱力系統(tǒng)原理圖

3 模塊化接口

3.1 補給水需求

本工程電極鍋爐補給水，采用市政自來水經(jīng) RO膜出水處理器處理后的純水，水質(zhì)標準如下：

1）硬度：約0 mmol/L；

2）二氧化硅：＜0.02mg/L；

3）電導(dǎo)率（25℃）＜5μs/cm。

3.2 冷卻水需求

冷卻水為淡水或氯離子濃度不超過 13600mg/l的海水，流量約為100t/h。

3.3 電力需求

電極鍋爐用電壓為6kV或10kV三項電4.0MW；高壓負荷側(cè)需給出一個4mA～20mA的有功功率信號，滿足控制保護盾的升降，調(diào)節(jié)功率大小的需要。

4 結(jié)論

本文通過對電極鍋爐的工作原理，針對大功率、高蒸汽壓力的使用需求，提出了相應(yīng)的管道系統(tǒng)、凝給水系統(tǒng)、補水系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)的初步方案，并利用模塊化設(shè)計的思想，進行了熱力系統(tǒng)集成化設(shè)計，該方案具有集成化水平高、使用便利等特點，對電極鍋爐的推廣應(yīng)用具有重要借鑒意義。

[1] 郭鋒, 夏青揚, 劉楊. 浸沒式電極鍋爐原理及應(yīng)用[J]. 能源研究與管理, 2012, (2): 66-68.

[2] 郭鋒, 夏青揚, 劉楊. 浸沒式電極鍋爐在核電廠的應(yīng)用[J]. 熱力發(fā)電, 2012, (1): 88.

[3] 趙興林. 特殊負荷接入電網(wǎng)的分析研究. 云南電力技術(shù)[J]. 2012, 40(5): 42-46.

[4] 唐芳軒, 周千盛, 曾利民, 等. 核電廠輔助電加熱鍋爐電極套管故障原因及其處置[J]. 核動力工程,2010(3): 110-112.

A Modular Design of Thermal System Based on Electrode Steam Boiler

CHU Yun-tao, TANG Tao, LAN Xing-jie
(China ship development and design center, Wuhan 430064, China)

Aiming to be used in larger power and higher pressure condition, the piping system,condensate and feed water system, cooling system, supplying water system and control system of thermal system are proposed based on the theory of electrode steam boiler. Using modular design, an integrated thermal system is established. This scheme is highly integrated and convenient, which would be helpful for the promotion of electrode steam boiler.

electrode steam boiler; modular design; thermal system

TK222

A

10.16443/j.cnki.31-1420.2015.06.007

初云濤（1979-）男，博士，從事船舶動力系統(tǒng)總體設(shè)計工作。