電極式電熱鍋爐及設計文件鑒定中問題及對策

李永紅，豆永飛

（甘肅省特種設備檢驗檢測研究院，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。

在民用領域，電極鍋爐及系統主要應用于城市供熱。目前我國城市化不斷普及，城市供暖面積不斷增加，節能減排形勢嚴峻，天然氣供應緊張，能源供應多元化是國家的安全戰略，比較煤、天然氣、生物質，電能作為清潔能源，具有自己的獨特優勢。電極鍋爐利用谷期電能集中供暖的新模式與國家節能降耗的大方針一致，保守估計該領域擁有千億級別的市場空間，電極式電熱鍋爐可以作為綜合能源服務的核心產品之一，值得進行重點推廣應用。

在工業領域，電極鍋爐廣泛應用于火電企業起動鍋爐、風電及太陽能企業調峰鍋爐，并為造紙、化工、汽車、造船、食品等企業提供生產用高品質蒸汽及高溫熱水。五大發電集團及地方熱電企業、自備電廠、地方所屬電廠的數量有上萬家.該領域對啟動鍋爐有一定的需求。隨著風電及太陽能行業的不斷發展，對調峰鍋護及技術的需求也將開始旺盛。

目前，我國提供電極式電熱鍋爐產品及專業技術服務的企業數量在不斷增加，代理國外的品牌也在逐漸豐富，但該市場還未形成龍頭性的企業，因此，該領域為中小企業提供了充分競爭及快速發展的機會。

1 浸入式電極鍋爐結構

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。兩種鍋爐結構形式上的不同，導致性能差別比較大，浸入式鍋爐比噴射式鍋爐的綜合性能高一些，是目前的發展和應用趨勢。浸入式雙筒高壓電極鍋爐是當今世界上最先進的，被廣泛應用于全世界的核電企業。

1.1 工作原理

鍋爐水的電導率調節到當控制機構在底部位置（完全露出電極）時鍋爐達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率。如功率太低需要用加藥泵通過加藥罐加藥達到需要的最大功率。鍋爐是三相Y 型接線，每一相連接一個電極，電流直接導入水中從相電極流到中性零電極。功率由相電極和零點之間的導電表面大小決定，絕緣材料制成的控制機構置于相電極和零電極之間。控制機構隔斷相電極的一部分來調節鍋爐功率。零電極由3 個固定在筒體上的管構成，使筒體成為零點。相電極懸掛在筒體頂部的絕緣體上。控制機構裝在一個支架上，調節鍋爐功率時所有控制機構都會在電極外上下移動。

1.2 結構

1）一種國外生產的浸入式電極鍋爐結構圖（如圖1 所示）。

圖1 浸入式電極鍋爐結構圖

2）一種國外生產的浸入式電極鍋爐負荷調節控制機構（如圖2 所示）。

圖2 浸入式電極鍋爐負荷調節控制機構

3）一種國外生產的浸入式電極鍋爐安裝結構圖（如圖3 所示）。

圖3 浸入式電極鍋爐安裝圖

2 電極式電熱鍋爐設計

電極式電熱鍋爐設計主要包括常規計算和結構設計兩個方面，其中的重點和難點在結構設計。

2.1 常規計算

常規計算主要是強度計算和熱力計算。強度計算根據GB/T16507 或GB/T16508 直圓筒體計算可以直接確定鍋爐殼體的材料、壁厚及直徑。熱力計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要通過鍋爐保溫計算確定，一般情況下q5≤2%，鍋爐的熱效率在98%以上。

2.2 結構設計

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，在鍋爐強度滿足的條件下，電氣安全要作為鍋爐結構設計的最重要的因素。

1）鍋爐整體結構采用“鍋爐本體+保護罩”，鍋爐本體與基礎之間采用絕緣結構隔離，如圖1、圖3所示。保護罩入口采用連鎖保護裝置，避免操作運行人員等觸電事故。

2）浸入式電極鍋爐負荷調節控制機構類似燃燒機，是機電一體化機構，由調節機構、電動執行機構組成，調節機構采用絕緣材料制造，如圖1、圖2 所示。噴射式電極鍋爐負荷調節采用控制水泵流量來實現，沒有類似浸入式電極鍋爐調節機構。電極鍋爐負荷調節由計算機控制，考慮進出、口溫度、壓力等組成一個閉環控制系統，實現無級調節。

3）浸入式電極鍋爐應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）噴射式電極鍋爐進線為三相四線中心點接地，浸入式電極鍋爐對進線電源沒有特殊要求。噴射式電極鍋爐對電壓等級很敏感，不同的電壓等級對鍋爐結構影響很大，浸入式電極鍋爐基本不考慮電壓等級對鍋爐結構的影響。

3 電極式電熱鍋爐產品開發及設計文件鑒定中存在的問題及對策

TSG G1001-2004 《鍋爐設計文件鑒定管理規則》 第二章鑒定內容及要點中明確要求審查鍋爐設計文件所執行的安全技術規范、標準及安全附件、儀表及保護裝置等是否符合要求。從我院在電極式電熱鍋爐設計文件鑒定實踐及其他方面了解情況看，當前電極式鍋爐產品開發中普遍存在的問題是：認識不充分，技術（機電結合）準備不充分，運行管理經驗不充分、基礎研究不充分，關鍵技術不掌握。此外，國家暫無電極式電熱鍋爐相關規范、標準，導致鍋爐產品設計文件執行標準錯誤或不準確，安裝使用環節技術文件指導作用不強。根據我院在鍋爐設計文件鑒定工作中發現的問題，提出以下處理對策。

3.1 引用標準錯誤

1）設計文件不能執行JB/T10393-2002 《電加熱鍋爐技術條件》。在鍋爐設計文件鑒定工作中，我們注意到部分生產廠家在設計文件中直接執行了JB/T10393-2002《電加熱鍋爐技術條件》這個標準，對高壓電氣設計、施工及操作沒有提出特別規定。該標準適用的額定工作電壓為不大于400V，引用的標準基本上都是低壓電氣標準。標準技術要求中的許多內容特別是6.5 條電氣安全要求及9.3 條與電極鍋爐電氣相關要求相差甚遠，直接執行這個標準不能保證鍋爐安全運行。在國家暫無電極式電熱鍋爐相關規范、標準的情況下，建議相關生產廠家參照JB/T10393-2002《電加熱鍋爐技術條件》中涉及電氣安全條款，相應提出高壓電氣設計、施工及操作要求。主要涉及鍋爐及其動力柜、控制柜的金屬殼體絕緣電阻、接地電阻、電氣耐壓強度等。

建議采用GB50150-2016 《電氣裝置安裝工程電氣設備交接試驗標準》中以下要求。

測量絕緣電阻要求為：用于330kV 及以下電壓等級的懸式絕緣子的絕緣電阻值.不應低于300MΩ；35kV 及以下電壓等級的支柱絕緣子的絕緣電阻值，不應低于500MΩ；采用2500V 兆歐表測量絕緣子絕緣電阻值，可按同批產品數量的10%抽查；棒式絕像子可不進行此項試驗；半導體釉絕緣子的絕緣電阻值，應符合產品技術條件的規定。

交流耐壓試驗，應符合下列規定:35kV 及以下電壓等級的支柱絕緣子應進行交流耐壓試驗，可在母線安裝完畢后一起進行，試驗電壓應符合本標準附表1 規定；35kV 多元件支柱絕緣子的交流耐壓試驗2 個膠合元件者，每元件交流耐壓試驗值應為50kV，3 個膠合元件者，每元件交流耐壓試驗值應為34kV；懸式絕緣子的交流耐壓試驗值絕緣電阻值應為60kV。

表1 高壓電氣設備絕緣的工頻耐壓試驗電壓

接地裝置，要求電氣設備和防雷設施的按地裝置的試驗項目為接地網電氣完整性測試；接地阻抗；場區地表電位梯度、接觸電位差、跨步電壓和轉移電位測量。其中接地網電氣完整性測試要求應測量同一接地網的各相鄰設備接地線之間的電氣導通情況，以直流電阻值表示，直流電阻值不宜大于0.05Ω。其他項目符合標準要求。

2）設計文件執行GB/T1576《工業鍋爐水質》不妥。國內個別電極式電熱鍋爐生產廠家在設計文件中對鍋爐給水執行GB/T1576，而國外成熟的生產廠家對鍋爐給水品質要求比較高，接近GB/T12145 標準要求，具體差別見表2。

表2 GB/T1576 GB/T12145 及國外產品水質要求對比表

以上對比，可以明顯看出GB/T1576《工業鍋爐水質》給水控制指標不能滿足電極鍋爐要求，建議采用GB/T12145 標準。

3.2 高度重視鍋爐安裝使用說明書編制

現行工業鍋爐安裝相關規范、標準GB50273《鍋爐安裝工程施工及驗收規范》、GB/T16507《水管鍋爐》、GB/T16508《鍋殼鍋爐》等對電極鍋爐安裝運行涉電內容均未涉及，其安裝、驗收、運行過程中自由度非常大，也就給安全隱患的發生埋下了很大伏筆。電極鍋爐作為特種設備兼高壓電操作設備，其安全性更應得到高度重視，現階段規范有效的鍋爐安裝使用說明書是電極鍋爐安全運行的非常重要的技術文件。

鍋爐安裝使用說明書必須對安裝、運行、檢修、檢驗等環節要求作出詳細規定。

1）安裝階段，詳細規定電氣安全要求，包括可靠的電氣絕緣性能；鍋爐及其動力柜、控制柜的金屬殼體或可能帶電的金屬件與接地端之間應具有可靠的接地電阻；電極鍋爐應有足夠的電氣耐壓強度；應設置過電流保護，短路保護，漏電保護，過電壓保護和缺相保護等，鍋爐房應設置火災報警及滅火裝置。

2）詳細規定操作運行過程。電極式電熱鍋爐畢竟和常規的燃煤、油、氣、生物質等鍋爐相比，差別很大，操作運行過程涉及高壓電，應給出詳細的操作運行要求。

3）維修、保養及檢驗檢測。鍋爐維修、保養及檢驗檢測前需確保鍋爐電源關閉，在保護罩被允許打開前，應該先打開電源母線的接線箱，用專門的接地設備將電極接地，然后再打開保護罩上的門進入檢查。只能由取得專業資質的人員按規定的程序完成接地工作。

預防性維護應日常進行，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 和電導率必須定期記錄。相對控制機構位置的功率也要記錄，這是間接檢查電導率的方法。還要記錄相電流，檢查相之間的對稱來發現電極磨損情況。形成詳細的日常檢查記錄。

鍋爐每年打開一次，檢查確認控制機構、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，實際壽命取決于工作時間和水質。定期檢驗執行《鍋爐定期檢驗規則》。

4 結束語

1）在關鍵技術掌握前，建議全套引進國外產品技術，消化吸收后再自行開發設計。

2）聯合國內優勢企業開發優化電極鍋爐具備接入綜合能源服務的保護控制成套系統，形成自己的知識產權。

3)系統介紹了電極式電熱鍋爐的原理、發展方向、應用前景、設計（結構）及設計文件鑒定中存在的問題及對策，旨在使對該產品有志開發的企業對該產品有一個比較全面的了解，在產品開發中把握發展方向，向市場提供先進、安全的鍋爐產品。