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(dú)特的內(nèi)部構(gòu)造和工作原理，其對內(nèi)外筒之間的絕緣要求非常嚴(yán)格。但目前國內(nèi)外尚無相關(guān)的技術(shù)規(guī)范對筒體的絕緣性能進(jìn)行規(guī)定。本文分別從外筒的絕緣、內(nèi)筒與外筒的絕緣以及循環(huán)系統(tǒng)的絕緣3個(gè)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(jīng)濟(jì)、適用的高壓電極鍋爐絕緣方案。

關(guān)鍵詞：浸沒式；電極鍋爐；絕緣性能

目前國內(nèi)外生產(chǎn)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(yùn)行維護(hù)方便、高效節(jié)能、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，漸漸取代早期的電阻式和電磁式電鍋爐，[4，5]成為國內(nèi)外相關(guān)行業(yè)設(shè)計(jì)的首選。

然而，由于我國在電鍋爐方面的發(fā)展比國外較晚，在一些電極鍋爐核心技術(shù)方面的研究還沒有形成系統(tǒng)的成果。浸沒式高壓電極鍋爐又因其獨(dú)特的內(nèi)部構(gòu)造和工作原理，其對內(nèi)外筒之間的絕緣性能要求非常嚴(yán)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(diǎn)探究如何實(shí)現(xiàn)內(nèi)外筒體的絕緣。為浸沒式高壓電極鍋爐內(nèi)外筒絕緣措施的改進(jìn)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(jié)構(gòu)的特點(diǎn)在內(nèi)筒形成了0電位，因此僅需將內(nèi)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(qiáng)電接入結(jié)構(gòu)，鍋爐電路設(shè)置了電流檢測、漏電保護(hù)和缺相保護(hù)，當(dāng)電流不平衡時(shí)會自動(dòng)報(bào)警，沒有任何觸電危險(xiǎn)。

1.2 內(nèi)筒與外筒的絕緣性能

1.2.1 改進(jìn)前的內(nèi)外筒絕緣性能

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

上海交通大學(xué)的吳航宇教授[7]指出通過下圖1的方法來實(shí)現(xiàn)內(nèi)外筒的絕緣。其主要采取的方式是內(nèi)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(shí)現(xiàn)高壓電極鍋爐內(nèi)外筒的絕緣，但仍存在著不足之處：

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

2）絕緣材料無法滿足強(qiáng)度要求。將內(nèi)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(qiáng)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(yīng)力作用下，從最薄弱環(huán)節(jié)的微小裂紋擴(kuò)展，當(dāng)裂紋尺寸達(dá)到臨界值時(shí)陶瓷瞬間斷裂。且陶瓷材料的實(shí)際斷裂強(qiáng)度比理論斷裂強(qiáng)度要低得多，陶瓷的抗拉強(qiáng)度僅有30MPa左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于金屬材料[9]；純聚四氟乙烯的抗拉強(qiáng)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(nèi)筒懸掛，其強(qiáng)度無法支撐內(nèi)筒自重和內(nèi)筒水所引起的豎向荷載。

1.2.2 改進(jìn)后的內(nèi)外筒絕緣性能

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

如下圖3所示，內(nèi)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(gòu)造措施。每個(gè)牛腿布置兩個(gè)豎向支撐組件，各對稱安裝在三個(gè)牛腿位置處。這樣布置的目的是，在正式運(yùn)輸過程中，與上圖2中的內(nèi)外筒側(cè)向支撐協(xié)同工作，并采用強(qiáng)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(nèi)外筒豎向絕緣組件構(gòu)造如下圖4所示，采取的是圓鋼和陶瓷燒結(jié)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(gè)。待高壓電極鍋爐運(yùn)輸?shù)侥康牡貢r(shí)，依次拆下豎向支撐組件和側(cè)向支撐螺紋桿，并換下圖4中的絕緣組件，為了加強(qiáng)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(qiáng)度比抗拉強(qiáng)度大得多（抗壓強(qiáng)度約為抗拉強(qiáng)度的4倍），可支撐內(nèi)筒自重和內(nèi)筒水所引起的豎向荷載。必要時(shí)還可以在陶瓷內(nèi)部燒結(jié)一定厚度的鐵皮來加強(qiáng)陶瓷的抗壓強(qiáng)度。

1.3 循環(huán)系統(tǒng)的絕緣性能

通過以上兩種絕緣方案，可以實(shí)現(xiàn)高壓電極鍋爐內(nèi)外筒的絕緣。但高壓電極鍋爐是通過加熱具有一定電導(dǎo)率的爐水產(chǎn)生蒸汽，因而爐水是可以導(dǎo)電的，故還需在內(nèi)外筒的循環(huán)系統(tǒng)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(diǎn)。

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(gòu)成嚴(yán)密的屏障，使它具有非常寶貴的綜合物理機(jī)械性能，并且對強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、強(qiáng)氧化劑有很高的抗蝕性，即使溫度較高，也不會發(fā)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(jī)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(shù)。

結(jié)合聚四氟乙烯材料的優(yōu)異特性，高壓電極鍋爐內(nèi)外筒的循環(huán)系統(tǒng)選取聚四氟乙烯作為絕緣材料，具體的措施如下：

（1）內(nèi)筒水位排水調(diào)節(jié)閥和外筒金屬桿之間用六角絕緣桿連接；

（2）內(nèi)外筒的液位測量用聚四氟乙烯管引出；

（3）循環(huán)水內(nèi)筒進(jìn)水管也需用聚四氟乙烯管材接入3路支管插入3個(gè)電極內(nèi)側(cè)中心位置。

2 結(jié)論

基于以上的研究及分析，可以得到如下幾條結(jié)論：

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

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

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

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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(tǒng)設(shè)計(jì)和研究工作。