一种基于电极式蒸汽锅炉的热力系统模块化设计

初云涛，汤 涛，兰兴杰

（中国舰船研究设计中心，武汉 430064）

一种基于电极式蒸汽锅炉的热力系统模块化设计

初云涛，汤 涛，兰兴杰

（中国舰船研究设计中心，武汉 430064）

基于电极锅炉的工作原理，针对大功率、高蒸汽压力的使用需求，提出了基于电极锅炉热力系统的相应的管道系统、凝给水系统、补水系统、冷却水系统以及控制系统的初步方案，并利用模块化设计的思想，进行了热力系统集成化设计。该方案具有集成化水平高、使用便利等特点，对电极锅炉的推广应用具有重要借鉴意义。

电极蒸汽锅炉；模块化设计；热力系统

0 系统概述

电极锅炉具有高效节能（热效率可达99%）、安全环保（无污染零排放）、自动化程度高（可全自动运行）、集成化水平高等特点，是国外领先的绿色能源装备，广泛应用于国外工业及民用领域。

目前，电极锅炉在国内核电、钢铁等行业有一定的应用[1-4]。如核电行业用电极锅炉作为核岛起停阶段的替代汽源。钢铁行业用电极锅炉在电力不稳定的情况下平衡电网、调峰填谷。这些应用利用了电极锅炉起停速度快、负荷调节能力强、效率高等特点。这些应用主要是大功率、低蒸汽压力（如某核电10MW、2.5MPa项目，某钢铁40MW、1.5MPa项目），或小功率、高蒸汽压力（如某化工0.3MW、6.4MPa项目）电极锅炉，而暂无大功率、高蒸汽压力的电极锅炉应用先例。

本文针对大功率、高蒸汽压力的用汽需求，进行一种基于电极锅炉的热力系统模块化的设计方案，该方案的提出对于电极锅炉应用的推广和应用具有重要参考意义。

1 设计要求

根据某项目使用要求，需要设计一套基于电极蒸汽锅炉的热力系统，主要参数需求如下：1）工作压力：6.0Mpa；2）产汽量：5t/h；3）热力除氧器工作压力：0.02Mpa；4）工作温度：104℃。

2 系统方案

按模块化设计思想，该热力系统可划分为锅炉主机系统、管道、凝给水系统、补水系统、冷却水系统、控制系统及其他辅助设备构成。

2.1 电极锅炉系统

电极锅炉主要由锅炉本体、核心组件、本体控制组成，其外形如图1所示。锅炉本体设计容量为1台×4MW 电极蒸汽锅炉，水容积约 9m³，设计压力7.0MPa，运行压力6.0MPa。锅炉本体为电极锅炉的承压及容器部分。核心组件主要为锅炉制热部分（采用三相高压电制热），加热原理是基于三相电流通过设定电导率的炉水释放大量热能从而产生可加以控制和利用的蒸汽。本体控制主要包括保证锅炉正常安全运行的仪表阀门及控制柜。锅炉本体及部分管道的电子仪表信息输入锅炉PLC内，实行对锅炉的控制。

图1 电极锅炉外形图

2.2 管道系统

管道系统主要包括管道温度计、温度变送器、压力表、压力变送器、压力开关、安全阀、截止阀、疏水阀、调节阀、减压阀及系统管道。管道主要是连接各个设备的枢纽，保证各个设备安装设计的工艺运行。

2.3 凝给水系统

凝给水系统主要包括闪蒸罐、冷凝水回收泵、热力除氧器、锅炉补水泵，主要功能是对高温冷凝水进行闪蒸，对闪蒸后的冷凝水进行回收，同时按照锅炉需求适当补水。其中，热力除氧器设计压力0.6MPa，工作压力0.02MPa，主要是利用部分蒸汽的热量将补水的温度控制在 104℃，去除水中溶解的氧气，减少氧气对系统的氧化，该系统通过压力表、温度计来控制热力除氧器的压力和温度，保证热力除氧器能根据系统运行的特点来调节热力除氧器的蒸汽和水的补充量。

2.4 补水系统

补水系统主要包括 RO膜纯水处理器、纯水箱、除氧器补水泵，主要功能是将市政自来水中多余的盐类、悬浮物等杂质从水中分离出来，将水质控制在电极锅炉水质标准的要求范围内，通过除氧水泵将纯水泵入热力除氧器中。

2.5 冷却水系统

冷却系统由冷却水泵、冷却水箱和散热器组成，冷却介质采用纯水。由于锅炉补水泵和锅炉循环泵内的流体温度较高，这样会直接影响水泵轴封的使用寿命，为保证水泵水封套的正常运行，需给水封安装一套冷却系统，及时将水封处的热量带走。冷却水系统不可直接用海水作为冷却媒介对泵进行降温，但是可以通过间接冷却冷却水系统的方式给冷却水系统进行降温。这样需要增加一套海水换热设备。

2.6 控制系统

控制采用PLC控制，控制系统组态图如图2所示，系统具有如下功能：1）控制系统的现场总线不仅提供外部通信到主控室，还为系统外部启停和监控提供关键系统数据；2）常用开关装在控制柜里，用于启/停/远程等操作。紧急停炉开关装在控制柜面板上；3）设备既可通过就地模式，在控制柜进行启停，又可通过远程模式，在主控制室里操作。

图2 控制系统组态图

2.7 模块化设计

基于以上该分系统的设计，采用模块化设计，将各分系统集成为电极锅炉模块，如图 3所示。该系统的初步热力线图如图4所示。

图3 电锅炉模块

图4 模块化热力系统原理图

3 模块化接口

3.1 补给水需求

本工程电极锅炉补给水，采用市政自来水经 RO膜出水处理器处理后的纯水，水质标准如下：

1）硬度：约0 mmol/L；

2）二氧化硅：＜0.02mg/L；

3）电导率（25℃）＜5μs/cm。

3.2 冷却水需求

冷却水为淡水或氯离子浓度不超过 13600mg/l的海水，流量约为100t/h。

3.3 电力需求

电极锅炉用电压为6kV或10kV三项电4.0MW；高压负荷侧需给出一个4mA～20mA的有功功率信号，满足控制保护盾的升降，调节功率大小的需要。

4 结论

本文通过对电极锅炉的工作原理，针对大功率、高蒸汽压力的使用需求，提出了相应的管道系统、凝给水系统、补水系统、冷却水系统以及控制系统的初步方案，并利用模块化设计的思想，进行了热力系统集成化设计，该方案具有集成化水平高、使用便利等特点，对电极锅炉的推广应用具有重要借鉴意义。

[1] 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, (2): 66-68.

[2] 郭锋, 夏青扬, 刘杨. 浸没式电极锅炉在核电厂的应用[J]. 热力发电, 2012, (1): 88.

[3] 赵兴林. 特殊负荷接入电网的分析研究. 云南电力技术[J]. 2012, 40(5): 42-46.

[4] 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,2010(3): 110-112.

A Modular Design of Thermal System Based on Electrode Steam Boiler

CHU Yun-tao, TANG Tao, LAN Xing-jie
(China ship development and design center, Wuhan 430064, China)

Aiming to be used in larger power and higher pressure condition, the piping system,condensate and feed water system, cooling system, supplying water system and control system of thermal system are proposed based on the theory of electrode steam boiler. Using modular design, an integrated thermal system is established. This scheme is highly integrated and convenient, which would be helpful for the promotion of electrode steam boiler.

electrode steam boiler; modular design; thermal system

TK222

A

10.16443/j.cnki.31-1420.2015.06.007

初云涛（1979-）男，博士，从事船舶动力系统总体设计工作。