电极式电热锅炉及设计文件鉴定中问题及对策

李永红，豆永飞

（甘肃省特种设备检验检测研究院，甘肃 兰州 730050）

采用高电压(6-15kV)直接供电的电极锅炉，称为高压电极锅炉。

在民用领域，电极锅炉及系统主要应用于城市供热。目前我国城市化不断普及，城市供暖面积不断增加，节能减排形势严峻，天然气供应紧张，能源供应多元化是国家的安全战略，比较煤、天然气、生物质，电能作为清洁能源，具有自己的独特优势。电极锅炉利用谷期电能集中供暖的新模式与国家节能降耗的大方针一致，保守估计该领域拥有千亿级别的市场空间，电极式电热锅炉可以作为综合能源服务的核心产品之一，值得进行重点推广应用。

在工业领域，电极锅炉广泛应用于火电企业起动锅炉、风电及太阳能企业调峰锅炉，并为造纸、化工、汽车、造船、食品等企业提供生产用高品质蒸汽及高温热水。五大发电集团及地方热电企业、自备电厂、地方所属电厂的数量有上万家.该领域对启动锅炉有一定的需求。随着风电及太阳能行业的不断发展，对调峰锅护及技术的需求也将开始旺盛。

目前，我国提供电极式电热锅炉产品及专业技术服务的企业数量在不断增加，代理国外的品牌也在逐渐丰富，但该市场还未形成龙头性的企业，因此，该领域为中小企业提供了充分竞争及快速发展的机会。

1 浸入式电极锅炉结构

高压电极锅炉基本型式有喷射式电极锅炉和浸入式电极锅炉。两种锅炉结构形式上的不同，导致性能差别比较大，浸入式锅炉比喷射式锅炉的综合性能高一些，是目前的发展和应用趋势。浸入式双筒高压电极锅炉是当今世界上最先进的，被广泛应用于全世界的核电企业。

1.1 工作原理

锅炉水的电导率调节到当控制机构在底部位置（完全露出电极）时锅炉达到最大功率且供水温度正确。如功率太高，必须换掉一部分水降低电导率。如功率太低需要用加药泵通过加药罐加药达到需要的最大功率。锅炉是三相Y 型接线，每一相连接一个电极，电流直接导入水中从相电极流到中性零电极。功率由相电极和零点之间的导电表面大小决定，绝缘材料制成的控制机构置于相电极和零电极之间。控制机构隔断相电极的一部分来调节锅炉功率。零电极由3 个固定在筒体上的管构成，使筒体成为零点。相电极悬挂在筒体顶部的绝缘体上。控制机构装在一个支架上，调节锅炉功率时所有控制机构都会在电极外上下移动。

1.2 结构

1）一种国外生产的浸入式电极锅炉结构图（如图1 所示）。

图1 浸入式电极锅炉结构图

2）一种国外生产的浸入式电极锅炉负荷调节控制机构（如图2 所示）。

图2 浸入式电极锅炉负荷调节控制机构

3）一种国外生产的浸入式电极锅炉安装结构图（如图3 所示）。

图3 浸入式电极锅炉安装图

2 电极式电热锅炉设计

电极式电热锅炉设计主要包括常规计算和结构设计两个方面，其中的重点和难点在结构设计。

2.1 常规计算

常规计算主要是强度计算和热力计算。强度计算根据GB/T16507 或GB/T16508 直圆筒体计算可以直接确定锅炉壳体的材料、壁厚及直径。热力计算主要是确定散热损失q5，其他热损失q2、q3、q4、q6都不存在，q5要通过锅炉保温计算确定，一般情况下q5≤2%，锅炉的热效率在98%以上。

2.2 结构设计

电极式电热锅炉由于采用了10.5kV 高压电源作为锅炉输入能源，在锅炉强度满足的条件下，电气安全要作为锅炉结构设计的最重要的因素。

1）锅炉整体结构采用“锅炉本体+保护罩”，锅炉本体与基础之间采用绝缘结构隔离，如图1、图3所示。保护罩入口采用连锁保护装置，避免操作运行人员等触电事故。

2）浸入式电极锅炉负荷调节控制机构类似燃烧机，是机电一体化机构，由调节机构、电动执行机构组成，调节机构采用绝缘材料制造，如图1、图2 所示。喷射式电极锅炉负荷调节采用控制水泵流量来实现，没有类似浸入式电极锅炉调节机构。电极锅炉负荷调节由计算机控制，考虑进出、口温度、压力等组成一个闭环控制系统，实现无级调节。

3）浸入式电极锅炉应考虑筒体及管道的绝缘问题，考虑采用带有陶瓷绝缘和聚四氟乙烯衬里。喷射式电极锅炉则不考虑这方面的问题。

4）喷射式电极锅炉进线为三相四线中心点接地，浸入式电极锅炉对进线电源没有特殊要求。喷射式电极锅炉对电压等级很敏感，不同的电压等级对锅炉结构影响很大，浸入式电极锅炉基本不考虑电压等级对锅炉结构的影响。

3 电极式电热锅炉产品开发及设计文件鉴定中存在的问题及对策

TSG G1001-2004 《锅炉设计文件鉴定管理规则》 第二章鉴定内容及要点中明确要求审查锅炉设计文件所执行的安全技术规范、标准及安全附件、仪表及保护装置等是否符合要求。从我院在电极式电热锅炉设计文件鉴定实践及其他方面了解情况看，当前电极式锅炉产品开发中普遍存在的问题是：认识不充分，技术（机电结合）准备不充分，运行管理经验不充分、基础研究不充分，关键技术不掌握。此外，国家暂无电极式电热锅炉相关规范、标准，导致锅炉产品设计文件执行标准错误或不准确，安装使用环节技术文件指导作用不强。根据我院在锅炉设计文件鉴定工作中发现的问题，提出以下处理对策。

3.1 引用标准错误

1）设计文件不能执行JB/T10393-2002 《电加热锅炉技术条件》。在锅炉设计文件鉴定工作中，我们注意到部分生产厂家在设计文件中直接执行了JB/T10393-2002《电加热锅炉技术条件》这个标准，对高压电气设计、施工及操作没有提出特别规定。该标准适用的额定工作电压为不大于400V，引用的标准基本上都是低压电气标准。标准技术要求中的许多内容特别是6.5 条电气安全要求及9.3 条与电极锅炉电气相关要求相差甚远，直接执行这个标准不能保证锅炉安全运行。在国家暂无电极式电热锅炉相关规范、标准的情况下，建议相关生产厂家参照JB/T10393-2002《电加热锅炉技术条件》中涉及电气安全条款，相应提出高压电气设计、施工及操作要求。主要涉及锅炉及其动力柜、控制柜的金属壳体绝缘电阻、接地电阻、电气耐压强度等。

建议采用GB50150-2016 《电气装置安装工程电气设备交接试验标准》中以下要求。

测量绝缘电阻要求为：用于330kV 及以下电压等级的悬式绝缘子的绝缘电阻值.不应低于300MΩ；35kV 及以下电压等级的支柱绝缘子的绝缘电阻值，不应低于500MΩ；采用2500V 兆欧表测量绝缘子绝缘电阻值，可按同批产品数量的10%抽查；棒式绝像子可不进行此项试验；半导体釉绝缘子的绝缘电阻值，应符合产品技术条件的规定。

交流耐压试验，应符合下列规定:35kV 及以下电压等级的支柱绝缘子应进行交流耐压试验，可在母线安装完毕后一起进行，试验电压应符合本标准附表1 规定；35kV 多元件支柱绝缘子的交流耐压试验2 个胶合元件者，每元件交流耐压试验值应为50kV，3 个胶合元件者，每元件交流耐压试验值应为34kV；悬式绝缘子的交流耐压试验值绝缘电阻值应为60kV。

表1 高压电气设备绝缘的工频耐压试验电压

接地装置，要求电气设备和防雷设施的按地装置的试验项目为接地网电气完整性测试；接地阻抗；场区地表电位梯度、接触电位差、跨步电压和转移电位测量。其中接地网电气完整性测试要求应测量同一接地网的各相邻设备接地线之间的电气导通情况，以直流电阻值表示，直流电阻值不宜大于0.05Ω。其他项目符合标准要求。

2）设计文件执行GB/T1576《工业锅炉水质》不妥。国内个别电极式电热锅炉生产厂家在设计文件中对锅炉给水执行GB/T1576，而国外成熟的生产厂家对锅炉给水品质要求比较高，接近GB/T12145 标准要求，具体差别见表2。

表2 GB/T1576 GB/T12145 及国外产品水质要求对比表

以上对比，可以明显看出GB/T1576《工业锅炉水质》给水控制指标不能满足电极锅炉要求，建议采用GB/T12145 标准。

3.2 高度重视锅炉安装使用说明书编制

现行工业锅炉安装相关规范、标准GB50273《锅炉安装工程施工及验收规范》、GB/T16507《水管锅炉》、GB/T16508《锅壳锅炉》等对电极锅炉安装运行涉电内容均未涉及，其安装、验收、运行过程中自由度非常大，也就给安全隐患的发生埋下了很大伏笔。电极锅炉作为特种设备兼高压电操作设备，其安全性更应得到高度重视，现阶段规范有效的锅炉安装使用说明书是电极锅炉安全运行的非常重要的技术文件。

锅炉安装使用说明书必须对安装、运行、检修、检验等环节要求作出详细规定。

1）安装阶段，详细规定电气安全要求，包括可靠的电气绝缘性能；锅炉及其动力柜、控制柜的金属壳体或可能带电的金属件与接地端之间应具有可靠的接地电阻；电极锅炉应有足够的电气耐压强度；应设置过电流保护，短路保护，漏电保护，过电压保护和缺相保护等，锅炉房应设置火灾报警及灭火装置。

2）详细规定操作运行过程。电极式电热锅炉毕竟和常规的燃煤、油、气、生物质等锅炉相比，差别很大，操作运行过程涉及高压电，应给出详细的操作运行要求。

3）维修、保养及检验检测。锅炉维修、保养及检验检测前需确保锅炉电源关闭，在保护罩被允许打开前，应该先打开电源母线的接线箱，用专门的接地设备将电极接地，然后再打开保护罩上的门进入检查。只能由取得专业资质的人员按规定的程序完成接地工作。

预防性维护应日常进行，电线保持干净干燥，所有接触紧密，尤其是磁接触片要紧密接触。电控箱内任何地方都不能有灰尘或潮湿，电控箱温度切勿超过35°C(95°F)。水的pH 和电导率必须定期记录。相对控制机构位置的功率也要记录，这是间接检查电导率的方法。还要记录相电流，检查相之间的对称来发现电极磨损情况。形成详细的日常检查记录。

锅炉每年打开一次，检查确认控制机构、电极和陶瓷电极绝缘体完好。通常陶瓷绝缘体寿命是3 到5 年，实际寿命取决于工作时间和水质。定期检验执行《锅炉定期检验规则》。

4 结束语

1）在关键技术掌握前，建议全套引进国外产品技术，消化吸收后再自行开发设计。

2）联合国内优势企业开发优化电极锅炉具备接入综合能源服务的保护控制成套系统，形成自己的知识产权。

3)系统介绍了电极式电热锅炉的原理、发展方向、应用前景、设计（结构）及设计文件鉴定中存在的问题及对策，旨在使对该产品有志开发的企业对该产品有一个比较全面的了解，在产品开发中把握发展方向，向市场提供先进、安全的锅炉产品。