浸沒式電極鍋爐筒體的絕緣性能研究

汪喆　戴剛平　張大長　黃依婷　曾寧

摘 要：浸沒式高壓電極鍋爐由于其獨特的內部構造和工作原理，其對內外筒之間的絕緣要求非常嚴格。但目前國內外尚無相關的技術規范對筒體的絕緣性能進行規定。本文分別從外筒的絕緣、內筒與外筒的絕緣以及循環系統的絕緣3個方面開展對浸沒式高壓電極鍋爐絕緣性能方面的研究，最終提出一套經濟、適用的高壓電極鍋爐絕緣方案。

關鍵詞：浸沒式；電極鍋爐；絕緣性能

目前國內外生產的電鍋爐有很多種類，從不同的工作原理上可分為電阻式鍋爐、電磁式鍋爐和電極式鍋爐。[1]由于浸沒式高壓電極鍋爐具有占地面積小、啟停速度快、控制精度高、運行維護方便、高效節能、綠色環保等優點，漸漸取代早期的電阻式和電磁式電鍋爐，[4，5]成為國內外相關行業設計的首選。

然而，由于我國在電鍋爐方面的發展比國外較晚，在一些電極鍋爐核心技術方面的研究還沒有形成系統的成果。浸沒式高壓電極鍋爐又因其獨特的內部構造和工作原理，其對內外筒之間的絕緣性能要求非常嚴格，但已有的研究很少有針對高壓電極鍋爐絕緣性能方面的研究。因此，開展對浸沒式高壓電極鍋爐絕緣性能方面的研究顯得尤為重要。

本文開展對浸沒式高壓電極鍋爐絕緣性能方面的研究，重點探究如何實現內外筒體的絕緣。為浸沒式高壓電極鍋爐內外筒絕緣措施的改進提供參考。

1 浸沒式高壓電極鍋爐絕緣性能

1.1 外筒的絕緣性能

浸沒式高壓電極鍋爐因其對稱結構的特點在內筒形成了0電位，因此僅需將內筒接入三相相線，無需接入中心線或地線，只需外筒可靠接地即可。這樣簡化了高壓強電接入結構，鍋爐電路設置了電流檢測、漏電保護和缺相保護，當電流不平衡時會自動報警，沒有任何觸電危險。

1.2 內筒與外筒的絕緣性能

1.2.1 改進前的內外筒絕緣性能

浸沒式高壓電極鍋爐的安全運行除了外筒需要可靠接地外，內外筒之間的固定連接均需要絕緣。

上海交通大學的吳航宇教授[7]指出通過下圖1的方法來實現內外筒的絕緣。其主要采取的方式是內筒依靠懸掛絕緣子吊在外筒的頂部。

然而采取以上措施雖然可實現高壓電極鍋爐內外筒的絕緣，但仍存在著不足之處：

1）不利于鍋爐的運輸。鍋爐在正式投入生產時，大多采用的是臥式運輸，而僅僅將內筒通過絕緣子懸掛于外筒上封頭內壁顯然是不合理的，還需要在內筒與外筒之間適當布置側向支撐。

2）絕緣材料無法滿足強度要求。將內筒通過絕緣材料懸掛于外筒的頂部，這對于像陶瓷以及聚四氟乙烯材料的抗拉強度要求很高。陶瓷屬于脆性材料，無塑性變形，陶瓷材料的斷裂以各種缺陷為裂紋源，在一定拉伸應力作用下，從最薄弱環節的微小裂紋擴展，當裂紋尺寸達到臨界值時陶瓷瞬間斷裂。且陶瓷材料的實際斷裂強度比理論斷裂強度要低得多，陶瓷的抗拉強度僅有30MPa左右，遠遠低于金屬材料[9]；純聚四氟乙烯的抗拉強度也僅有30MPa左右，且有隨溫度升高而降低的趨勢。[10]因此僅靠陶瓷和聚四氟乙烯等絕緣材料將內筒懸掛，其強度無法支撐內筒自重和內筒水所引起的豎向荷載。

1.2.2 改進后的內外筒絕緣性能

為了改善上述存在的兩點問題，布置了如下圖2所示的內外筒支撐和絕緣方式。內筒依靠豎向絕緣支撐組件和牛腿固定在外筒內部，每120°方向布置一對豎向絕緣支撐組件；為解決臥式運輸時的安全問題，特在外筒與內筒之間布置了側向支撐，并且在每120°方向在上下各布置兩道側向支撐，側向支撐采取的是螺紋桿固定連接。

如下圖3所示，內外筒豎向支撐組件采取的是圓鋼與固定端連接在一起的構造措施。每個牛腿布置兩個豎向支撐組件，各對稱安裝在三個牛腿位置處。這樣布置的目的是，在正式運輸過程中，與上圖2中的內外筒側向支撐協同工作，并采用強度高的金屬材料作為支撐，保證了高壓電極鍋爐的安全性。

內外筒豎向絕緣組件構造如下圖4所示，采取的是圓鋼和陶瓷燒結在一起，并與兩種固定端連接在一起，兩種絕緣組件裝置各加工3個。待高壓電極鍋爐運輸到目的地時，依次拆下豎向支撐組件和側向支撐螺紋桿，并換下圖4中的絕緣組件，為了加強固定，各用一顆直徑為10mm的螺栓將牛腿與支撐組件固定連接。這樣做的原因是，陶瓷材料的抗壓強度比抗拉強度大得多（抗壓強度約為抗拉強度的4倍），可支撐內筒自重和內筒水所引起的豎向荷載。必要時還可以在陶瓷內部燒結一定厚度的鐵皮來加強陶瓷的抗壓強度。

1.3 循環系統的絕緣性能

通過以上兩種絕緣方案，可以實現高壓電極鍋爐內外筒的絕緣。但高壓電極鍋爐是通過加熱具有一定電導率的爐水產生蒸汽，因而爐水是可以導電的，故還需在內外筒的循環系統部位布置絕緣措施。而如何選取合適的絕緣材料是本章的重點。

聚四氟乙烯以碳原子為骨架，氟原子對稱而均勻地分布在它的周圍，構成嚴密的屏障，使它具有非常寶貴的綜合物理機械性能，并且對強酸、強堿、強氧化劑有很高的抗蝕性，即使溫度較高，也不會發生作用，素有“塑料王”之稱。除某些芳烴化合物能使聚四氟乙烯有輕微的溶脹外，對酮類、醇類等有機溶劑均有耐蝕性。如左下表所示，列出了聚四氟乙烯的性能參數。

結合聚四氟乙烯材料的優異特性，高壓電極鍋爐內外筒的循環系統選取聚四氟乙烯作為絕緣材料，具體的措施如下：

（1）內筒水位排水調節閥和外筒金屬桿之間用六角絕緣桿連接；

（2）內外筒的液位測量用聚四氟乙烯管引出；

（3）循環水內筒進水管也需用聚四氟乙烯管材接入3路支管插入3個電極內側中心位置。

2 結論

基于以上的研究及分析，可以得到如下幾條結論：

（1）高壓電極鍋爐的高壓電極與內筒的對稱結構使內筒形成零電位，因而僅將外筒可靠接地即可，內筒無需接入中性線或地線；

（2）電極鍋爐內外筒之間的絕緣，采取的是圓鋼和陶瓷燒結在一起作為內外筒的豎向支撐以及絕緣；

（3）為保證電極鍋爐循環系統的絕緣，在電極鍋爐的內筒水位排水調節閥和外筒金屬桿之間通過六角絕緣桿連接，內外筒的液位測量用聚四氟乙烯管引出，循環水內筒進水管用特氟隆管材接入。

參考文獻：

[1]趙麗娟.蓄熱式電鍋爐發展前景及技術經濟性分析[J].四川建筑，2003（S1）：238.239.

[2]李三，李寧平.電阻式電加熱蒸汽鍋爐的設計與控制[J].工業鍋爐，2002（02）：19.21+33.

[3]何榮富，孟祥紅，李玨煊，鄧德敏，廖洪強.電鍋爐技術及其應用對環境影響的分析研究[J].環境科學與管理，2017，42（02）：102.105.

[4]趙琪.百萬核電機組輔助蒸汽及輔助鍋爐設計特點[J].科技信息，2010（35）：1133.1134.

[5]劉軍強.高溫氣冷堆核電站示范工程輔助鍋爐選型[J].山東電力技術，2013（04）：74.76.

[6]郭鋒，夏青揚，劉楊.浸沒式電極鍋爐原理及應用[J].能源研究與管理，2012（02）：65.67.

[7]吳炳晨，吳航宇.核電電極浸入式鍋爐汽水參數反向控制電功率方法[J].中國電力，2017，50（02）：107.112+123.

[8]邵云階，李慧群.電極式電熱鍋爐簡介[J].工業鍋爐，1985（02）：48.51.

[9]楊正文.納米羥基磷灰石的制備及陶瓷力學性能的研究[D].吉林大學，2005.

[10]徐松林，陽世清.填充改性聚四氟乙烯的力學性能研究進展[J].化學推進劑與高分子材料，2008（06）：8.12.

作者簡介：汪喆（1992.），女，安徽六安人，碩士，助理工程師，從事鍋爐及系統設計和研究工作。