浸没式电极锅炉原理及应用_郭锋.pdf

能源研究与管理2 0 1 2 ( 2 )开发与应用 引言 随着国家对核电事业的高度重视，我国核电获 得了井喷式的发展，电极锅炉因具有效率高 （ 对于 蒸汽锅炉，输入功率的 9 9 . 9 %以上能转换为蒸汽 ）、 无噪声、环保无污染、占地面积小、启动速度快、 可在低负荷下长期工作等特点，在核电厂中得到广 泛应用 瑞 典 Z A N D E R i m m e r s i o n ; e l e c t r o d e b o i l e r 浸没式电极锅炉原理及应用 郭锋，夏青扬，刘杨 （ 国核电力规划设计研究院，北京 1 0 0 0 9 5） 收稿日期：2 0 1 0 - 0 4 - 2 5 作者简介：郭锋 （ 1 9 7 8 - ），男，黑龙江北安人，高级工程师，硕士研究生，毕业于东北电力学院，热能工程专业，现在主要从事火 力发电厂设计工作 65·· 能源研究与管理2 0 1 2 ( 2 )开发与应用 山东石岛湾高温气冷堆核电站 1 ×4 0 t / h 级电极锅炉 和山东海阳核电厂 2 ×4 0 t / h 级电极锅炉 1 浸没式电极锅炉原理 1 . 1浸没式电极锅炉的产汽流程 Z E T A浸没式电极锅炉的工作原理图见图 1 。

Z E T A浸没式电极蒸汽锅炉的运行采用电极直接加 热水的方式，主要通过 3 个环节实现： 1） 电极加热炉水锅炉内筒里的三相电极浸在 水中，三相电极通电后直接加热具有一定电导率的 炉水，在电流的作用下，炉水被迅速加热，产生高 品质的蒸汽； 2） 炉内水循环锅炉外筒水流通过循环泵进入 内筒，不断地给内筒补水； 3） 炉外给水锅炉正常运行或在热备用状态 时，要求保持内外筒总水量恒定，所以需要通过给 水泵向锅炉外筒补充除氧水 图 1 Z E T A浸没式电极锅炉的工作原理图 循环泵的最大给水量由循环水调节阀来控制值， 排水量由排水调节阀控制，排水调节阀和循环水调 节阀的开度由锅炉功率及变化率决定 内筒的水均匀受热蒸发，由于炉水与电极接触 的面积大，因此电导率较低，而且内筒可以有较大 的蒸发表面，所以炉内蒸汽干度约为 9 8 %～9 9 %， 提高了汽水分离装置的运行效率，还不会引起泡沫 和拉弧 多余的高电导率的水会从内筒排水阀流回外筒， 补充外筒给水的电导率 由于除盐给水的电导率通常高于蒸汽带走的钠 盐，因此炉水的电导率会逐渐增加，当循环水电导率 达到 1 2 0 μs / c m（按 6 k V电压设计，2 0℃时最高 值，可根据实际情况设定 ），内筒排污阀会开启 2 0 s ， 排出高电导率的炉水，把内筒水电导率降低回正常。

外筒底部也安装了排污装置，这是为了排出炉底的 铜、铁等成分，运行 2 4 h 开启 1 次，约 3 ～5 s / 次 锅炉顶部内置了汽水分离装置，使供汽干度超 过 9 9 . 9 %，供汽钠离子质量分数低于 5 ×1 0 - 9 1 . 2 浸没式电极锅炉的产汽原理 Z E T A浸没式电极锅炉与喷射式锅炉的主要区 别：浸没式电极锅炉的电极是浸没在内筒内的内 筒分成三叶花瓣状每个花瓣为五边形，其中的四 边为直线，另外一边为弧形，与内筒壁平行 （ 即有 相同的弧度 ），花瓣的中心点位于内筒的中心；在内 筒的中心，3 个分区以 1 2 0 °的角度均分交叉，3个 分区在内筒的底部连通，Z E T A电极锅炉的电极内 筒布置结构见图 2 图 2 中只画出了一项电极的分 布电极的数量是根据锅炉的总功率需求而设计的 每一相的电极的数量可多达 3 8 根悬挂这些电极的 电极盘类似于心脏的形状每个相电压由 2 路送到 相应的相电极上，用来减少单个接入端的承载电流， 以保证连接的可靠；而三相的中心点 （ 中性点，也 是由于对称形成中性点 ） 分 3 路连接到内筒的花瓣 外沿上，而花瓣的外沿是一个整体，由金属板组成。

图 2 Z E T A浸没式电极锅炉的内筒结构示意图 浸没式电极锅炉的结构，在内筒的四周形成了 图 3 所示的主要电场分布，实际上是比较复杂的， 这个结构形成了如下的特点： 1） 增加了电流的导通体积内筒作为三相电压 的中性点，和挂在电极盘上多根电极所围成的横断 面的面积设为S并设内筒的液位高度为H，这样在 沿电极的平行方向上，形成S×H=V的导电体积； 2） 三相导电的两极接触面积都比较大，而且电 极两极几乎周长相等这样所形成的电场强度比较 均匀；不会产生水的电解作用，因而不会产生氢气， 保证得了锅炉的安全； 3） 在三相电极所围成的区域之内，电场的强度 几乎为 0 ； 4） 在内筒的底部，溶液的离子在内筒内壁和各 电极之间电压的作用下，会形成一个如图 3 所示的 电磁场，在这个电磁场的驱动下，溶液中的离子做 循环泵 调节阀 给水泵 除氧水 调节阀 内桶 外桶 电极 蒸气 绝缘体 相电极 三相 相电极 三相 内筒 （中性点 ） 1 套 （1 套 ） 外筒 1 套 66·· 能源研究与管理2 0 1 2 ( 2 )开发与应用 上下运动，形成电流，加速了水分子的汽化； 5） 在内筒的底部，在各电极之间电场的作用 下，在 3 个电极之间形成一个电磁场，随着三相电流 的相差，溶液中的导电离子形成复杂的漩涡，加速水 的蒸发；与此同时，也减少了在内筒筒底的结垢。

由于在内筒 3 个电极和内筒内壁电压差所形成 的电磁场和 3 个电极之间电压差形成电磁场的综合 作用，曲棍的形状使其在功率较低时也可以通过液 位进行线性调节，调节的极限是 0 . 5 %～1 0 0 %；溶 液中的离子一方面做上下运动 （由于电极加的 5 0 H z 的交流电 ），另一方面在各电极之间电压的作用 下，又做一个方向的旋转运动，于是综合在做上下 螺旋运动，加速了水分子的汽化———这就是 Z E T A 锅炉的电极为什么是曲棍式的原因 图 3 Z E T A浸没式电极锅炉内筒电磁场示意图 由图 3 可以看出浸没式电极锅炉因其对称结构 特点在内筒形成了 0 电位，内筒与外筒的连接均绝 缘，因此仅将外筒接地即可，内筒成 0 电位无需接 入零线，只接入三相相线即可，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 电隐患 锅炉的功率由炉水浸没电极的深度决定，在 0 . 5 %～1 0 0 %区间内完全线性调节 锅炉循环泵的最大给水量是最大蒸发量的 3 倍 以上，内筒最大排水量大于最大蒸发量的 5 倍，可 以保障功率变化率 3MW/ m i n和最大功率变化率 7 MW/ m i n 的需要，还起到降低内筒电导率的作用。

2 浸没式电极锅炉在核电厂中的应用 由于核电厂在启动停机阶段需要汽源，因此需 要有提供汽源的设备，目前在常规火电厂采用供汽 设备有燃煤锅炉、燃油锅炉和燃气锅炉，电锅炉与 其他锅炉相比主要有以下优点： 1） 投资成本低，运行费用低电能转化为热 能，无需燃料供应、储存和处理等设备和场地，节 省初投资；系统运行智能化自动控制，节省人力， 并且不需要复杂的排污和点火控制设备，不需要安 装吊车，节省了锅炉房高度； 2） 低碳绿色环保锅炉采用清洁的电能直接加 热炉水，由于没有煤、油和天然气等燃料燃烧，不 产生废渣、废气等排放物，无燃料事故爆炸的可能 性，设备运行无噪音、无污染，清洁环保； 3） 浸没式蒸发，分子团小，水流不冲击蒸发表 面，机械带水少，蒸汽品质高，蒸汽干度约为 9 9 . 9 %～9 9 . 9 5 %，锅炉出口蒸汽中钠离子质量分数 ω( N a + ) ＜2 0 ×1 0 - 9 ； 4） 效率高内筒水受热均匀，锅炉热效率达到 9 9 . 8 %以上； 5） 管路简单、安装方便、备品备件少，电极维 护简单、无需专用工具； 6） 启动时间短电锅炉在冷备用条件下，1 0 m i n 内即可达到额定参数的流量，电锅炉在热备用 条件下，5 m i n 内即可达到额定参数的流量； 7） 无需设置烟囱。

由于电锅炉无燃烧产物，因 此无需设置烟囱，如果有烟从核电厂释放出来，公 众经常会联想到核事故，采用电锅炉，可以避免公 众对核事故的误解 综上优点，核电站采用电锅炉作为辅助汽源， 电锅炉在核电厂得到了广泛的应用 3 结束语 目前电极锅炉在国内还属于新型环保设备，随 着我国核电站的发展，电极锅炉会迅速在国内大规 模应用，期待国内相关制造厂能够引进吸收国外先 进技术，填补这项空白，进一步提高我国核电产业 的国产化率 参考文献 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] 赵翠莲， 修恒旭. 浅谈核电站辅助锅炉选型[ J ] . 应急能源技 术， 2 0 1 0（1 1 ） ： 2 5 - 2 7 . 唐芳轩， 周千盛， 曾利民， 等. 核电厂辅助电加热锅炉电极套 管故障原因及其处置[ J ] . 核动力工程， 2 0 1 0（3 ） ： 1 1 0 - 1 1 2 . 栗岭茂. 辅助锅炉给水控制优化方案[ J ] . 核动力工程， 2 0 0 4 （6 ） ： 5 2 5 - 5 2 8 . 辛旭飞， 范静燕， 康逸翁， 等. 谈核电站建设管理模式[ J ] . 能 源研究与管理， 2 0 1 2（1 ） ： 5 4 - 5 8 . 陆建莺， 王丽. 辅助蒸汽锅炉的电气设计方案[ J ] . 中国电 力， 2 0 1 1（2 ） ： 6 2 - 6 5 . 曲棍式 的电极 内筒 电极盘 曲棍式 的电极 此处电场 强度 = 0 电极盘 电场示意 内筒 电极盘 曲棍式 的电极 加 5 . 8 k V 的相电压 67·· 。