浸没式电极锅炉筒体的绝缘性能研究

汪喆　戴刚平　张大长　黄依婷　曾宁

摘 要：浸没式高压电极锅炉由于其独特的内部构造和工作原理，其对内外筒之间的绝缘要求非常严格。但目前国内外尚无相关的技术规范对筒体的绝缘性能进行规定。本文分别从外筒的绝缘、内筒与外筒的绝缘以及循环系统的绝缘3个方面开展对浸没式高压电极锅炉绝缘性能方面的研究，最终提出一套经济、适用的高压电极锅炉绝缘方案。

关键词：浸没式；电极锅炉；绝缘性能

目前国内外生产的电锅炉有很多种类，从不同的工作原理上可分为电阻式锅炉、电磁式锅炉和电极式锅炉。[1]由于浸没式高压电极锅炉具有占地面积小、启停速度快、控制精度高、运行维护方便、高效节能、绿色环保等优点，渐渐取代早期的电阻式和电磁式电锅炉，[4，5]成为国内外相关行业设计的首选。

然而，由于我国在电锅炉方面的发展比国外较晚，在一些电极锅炉核心技术方面的研究还没有形成系统的成果。浸没式高压电极锅炉又因其独特的内部构造和工作原理，其对内外筒之间的绝缘性能要求非常严格，但已有的研究很少有针对高压电极锅炉绝缘性能方面的研究。因此，开展对浸没式高压电极锅炉绝缘性能方面的研究显得尤为重要。

本文开展对浸没式高压电极锅炉绝缘性能方面的研究，重点探究如何实现内外筒体的绝缘。为浸没式高压电极锅炉内外筒绝缘措施的改进提供参考。

1 浸没式高压电极锅炉绝缘性能

1.1 外筒的绝缘性能

浸没式高压电极锅炉因其对称结构的特点在内筒形成了0电位，因此仅需将内筒接入三相相线，无需接入中心线或地线，只需外筒可靠接地即可。这样简化了高压强电接入结构，锅炉电路设置了电流检测、漏电保护和缺相保护，当电流不平衡时会自动报警，没有任何触电危险。

1.2 内筒与外筒的绝缘性能

1.2.1 改进前的内外筒绝缘性能

浸没式高压电极锅炉的安全运行除了外筒需要可靠接地外，内外筒之间的固定连接均需要绝缘。

上海交通大学的吴航宇教授[7]指出通过下图1的方法来实现内外筒的绝缘。其主要采取的方式是内筒依靠悬挂绝缘子吊在外筒的顶部。

然而采取以上措施虽然可实现高压电极锅炉内外筒的绝缘，但仍存在着不足之处：

1）不利于锅炉的运输。锅炉在正式投入生产时，大多采用的是卧式运输，而仅仅将内筒通过绝缘子悬挂于外筒上封头内壁显然是不合理的，还需要在内筒与外筒之间适当布置侧向支撑。

2）绝缘材料无法满足强度要求。将内筒通过绝缘材料悬挂于外筒的顶部，这对于像陶瓷以及聚四氟乙烯材料的抗拉强度要求很高。陶瓷属于脆性材料，無塑性变形，陶瓷材料的断裂以各种缺陷为裂纹源，在一定拉伸应力作用下，从最薄弱环节的微小裂纹扩展，当裂纹尺寸达到临界值时陶瓷瞬间断裂。且陶瓷材料的实际断裂强度比理论断裂强度要低得多，陶瓷的抗拉强度仅有30MPa左右，远远低于金属材料[9]；纯聚四氟乙烯的抗拉强度也仅有30MPa左右，且有随温度升高而降低的趋势。[10]因此仅靠陶瓷和聚四氟乙烯等绝缘材料将内筒悬挂，其强度无法支撑内筒自重和内筒水所引起的竖向荷载。

1.2.2 改进后的内外筒绝缘性能

为了改善上述存在的两点问题，布置了如下图2所示的内外筒支撑和绝缘方式。内筒依靠竖向绝缘支撑组件和牛腿固定在外筒内部，每120°方向布置一对竖向绝缘支撑组件；为解决卧式运输时的安全问题，特在外筒与内筒之间布置了侧向支撑，并且在每120°方向在上下各布置两道侧向支撑，侧向支撑采取的是螺纹杆固定连接。

如下图3所示，内外筒竖向支撑组件采取的是圆钢与固定端连接在一起的构造措施。每个牛腿布置两个竖向支撑组件，各对称安装在三个牛腿位置处。这样布置的目的是，在正式运输过程中，与上图2中的内外筒侧向支撑协同工作，并采用强度高的金属材料作为支撑，保证了高压电极锅炉的安全性。

内外筒竖向绝缘组件构造如下图4所示，采取的是圆钢和陶瓷烧结在一起，并与两种固定端连接在一起，两种绝缘组件装置各加工3个。待高压电极锅炉运输到目的地时，依次拆下竖向支撑组件和侧向支撑螺纹杆，并换下图4中的绝缘组件，为了加强固定，各用一颗直径为10mm的螺栓将牛腿与支撑组件固定连接。这样做的原因是，陶瓷材料的抗压强度比抗拉强度大得多（抗压强度约为抗拉强度的4倍），可支撑内筒自重和内筒水所引起的竖向荷载。必要时还可以在陶瓷内部烧结一定厚度的铁皮来加强陶瓷的抗压强度。

1.3 循环系统的绝缘性能

通过以上两种绝缘方案，可以实现高压电极锅炉内外筒的绝缘。但高压电极锅炉是通过加热具有一定电导率的炉水产生蒸汽，因而炉水是可以导电的，故还需在内外筒的循环系统部位布置绝缘措施。而如何选取合适的绝缘材料是本章的重点。

聚四氟乙烯以碳原子为骨架，氟原子对称而均匀地分布在它的周围，构成严密的屏障，使它具有非常宝贵的综合物理机械性能，并且对强酸、强碱、强氧化剂有很高的抗蚀性，即使温度较高，也不会发生作用，素有“塑料王”之称。除某些芳烃化合物能使聚四氟乙烯有轻微的溶胀外，对酮类、醇类等有机溶剂均有耐蚀性。如左下表所示，列出了聚四氟乙烯的性能参数。

结合聚四氟乙烯材料的优异特性，高压电极锅炉内外筒的循环系统选取聚四氟乙烯作为绝缘材料，具体的措施如下：

（1）内筒水位排水调节阀和外筒金属杆之间用六角绝缘杆连接；

（2）内外筒的液位测量用聚四氟乙烯管引出；

（3）循环水内筒进水管也需用聚四氟乙烯管材接入3路支管插入3个电极内侧中心位置。

2 结论

基于以上的研究及分析，可以得到如下几条结论：

（1）高压电极锅炉的高压电极与内筒的对称结构使内筒形成零电位，因而仅将外筒可靠接地即可，内筒无需接入中性线或地线；

（2）电极锅炉内外筒之间的绝缘，采取的是圆钢和陶瓷烧结在一起作为内外筒的竖向支撑以及绝缘；

（3）为保证电极锅炉循环系统的绝缘，在电极锅炉的内筒水位排水调节阀和外筒金属杆之间通过六角绝缘杆连接，内外筒的液位测量用聚四氟乙烯管引出，循环水内筒进水管用特氟隆管材接入。

参考文献：

[1]赵丽娟.蓄热式电锅炉发展前景及技术经济性分析[J].四川建筑，2003（S1）：238.239.

[2]李三，李宁平.电阻式电加热蒸汽锅炉的设计与控制[J].工业锅炉，2002（02）：19.21+33.

[3]何荣富，孟祥红，李珏煊，邓德敏，廖洪强.电锅炉技术及其应用对环境影响的分析研究[J].环境科学与管理，2017，42（02）：102.105.

[4]赵琪.百万核电机组辅助蒸汽及辅助锅炉设计特点[J].科技信息，2010（35）：1133.1134.

[5]刘军强.高温气冷堆核电站示范工程辅助锅炉选型[J].山东电力技术，2013（04）：74.76.

[6]郭锋，夏青扬，刘杨.浸没式电极锅炉原理及应用[J].能源研究与管理，2012（02）：65.67.

[7]吴炳晨，吴航宇.核电电极浸入式锅炉汽水参数反向控制电功率方法[J].中国电力，2017，50（02）：107.112+123.

[8]邵云阶，李慧群.电极式电热锅炉简介[J].工业锅炉，1985（02）：48.51.

[9]杨正文.纳米羟基磷灰石的制备及陶瓷力学性能的研究[D].吉林大学，2005.

[10]徐松林，阳世清.填充改性聚四氟乙烯的力学性能研究进展[J].化学推进剂与高分子材料，2008（06）：8.12.

作者简介：汪喆（1992.），女，安徽六安人，硕士，助理工程师，从事锅炉及系统设计和研究工作。