徐國富 李晨頡 李興

摘 要：緊湊型、大功率是電加熱鍋爐目前的發(fā)展趨勢(shì)。文章采用Comsol靜電場(chǎng)仿真對(duì)三相高壓電極鍋爐在雙回路供電系統(tǒng)下的靜電場(chǎng)進(jìn)行仿真模擬，并簡(jiǎn)要分析了水體電導(dǎo)率和雙側(cè)回路相位差對(duì)鍋爐正常運(yùn)行工況下，電場(chǎng)分布及三相電流平衡度的影響。文章根據(jù)仿真模擬結(jié)果指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計(jì)，防止實(shí)際工程投入運(yùn)行后鍋體出現(xiàn)整體或局部絕緣問題，為電加熱鍋爐在不同地區(qū)、不同供電工況下的絕緣設(shè)計(jì)提供案例和設(shè)計(jì)實(shí)證。

關(guān)鍵詞：靜電場(chǎng)分布;絕緣水平;電流不平衡;雙回供電

中圖分類號(hào)：U17文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1674-1064（2021）05-009-02

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.05.005

高壓電極鍋爐，是直接利用6kV及以上的高壓電源，利用一定電導(dǎo)率的水溶液作為電阻發(fā)熱，產(chǎn)生高溫?zé)崴蛘羝脑O(shè)備，單臺(tái)設(shè)備的加熱功率可達(dá)到50MW及以上。其主要應(yīng)用場(chǎng)合有：替代高污染燃料的鍋爐，減少霧霾，改善環(huán)境;充分利用、消納新能源，可以避免、減少棄風(fēng)、棄光等能源浪費(fèi)現(xiàn)象;平穩(wěn)電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)火電廠靈活深度調(diào)峰。

高壓電極鍋爐的內(nèi)部工作環(huán)境較為苛刻，汪喆[1]做了一些分析。在復(fù)雜的氣—液混合環(huán)境下，不合理的電極布置可能會(huì)導(dǎo)致局部場(chǎng)強(qiáng)集中，產(chǎn)生局部放電危害設(shè)備的正常運(yùn)行。并且由于電極鍋爐普遍功率大，在實(shí)際使用中常受到用戶的配電容量限制，電源可能需要來自不同變電站，加電在同一臺(tái)鍋爐上，供電可能存在相位差。臨近相電極存在相位差時(shí)可能導(dǎo)致電流不平衡，降低供電可靠性。因此，有必要通過數(shù)值模擬分析鍋爐受電后的內(nèi)部電場(chǎng)分布情況，對(duì)電場(chǎng)集中區(qū)域進(jìn)行絕緣水平評(píng)估并分析三相電流的平衡度，判斷是否存在零序電流，在實(shí)際工程中投入前發(fā)現(xiàn)潛在的絕緣與供電可靠性問題。文章第二部分將對(duì)所建立的模型進(jìn)行描述，第三部分針對(duì)靜電場(chǎng)與三相電流在不同工況下的模擬結(jié)果進(jìn)行理論分析。

1 仿真模型建立

電極鍋爐結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，文章所建立的靜電場(chǎng)仿真模型如圖2所示。由于存在集膚效應(yīng)并考慮到電極制作與安裝的難易程度，其中每相電極由一定尺寸的黃銅電極構(gòu)成環(huán)形電極陣列。設(shè)計(jì)合理的三相電極間距、電極距桶內(nèi)壁間距，電極距內(nèi)桶底部間距。三相電壓波形如圖3所示，相電壓峰值為8.16kV，通過10kV變電站直接供電驅(qū)動(dòng)。

2 仿真模擬結(jié)果分析

2.1 內(nèi)筒設(shè)置環(huán)壁面絕緣隔板，裝置內(nèi)部（三相導(dǎo)體）靜電場(chǎng)分布模擬

圖4與圖5為內(nèi)筒環(huán)壁面設(shè)置有絕緣隔板，鍋爐內(nèi)部出現(xiàn)電場(chǎng)極大值時(shí)，靜電場(chǎng)與電勢(shì)分布。仿真時(shí)間0.02s內(nèi)，內(nèi)筒內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)最大值為9.65kV/cm（電極表面），電極表面最大場(chǎng)強(qiáng)相比無絕緣隔板且無金屬隔板時(shí)（24.15kV/cm），由于電場(chǎng)強(qiáng)度在不同介電常數(shù)的介質(zhì)中的反比分配，其數(shù)值明顯減小。而聚四氟乙烯絕緣隔板中，最大場(chǎng)強(qiáng)可以達(dá)到4.75kV/cm，由于聚四氟乙烯的擊穿場(chǎng)強(qiáng)很高，很薄的聚四氟乙烯薄膜其工頻擊穿場(chǎng)強(qiáng)就可以達(dá)到200kV/cm，故無需擔(dān)心絕緣隔板的直接擊穿。

由于場(chǎng)強(qiáng)最大值集中在三相電極之間，而與內(nèi)筒內(nèi)壁較近的單相分裂電極，其表面場(chǎng)強(qiáng)遠(yuǎn)小于三相電極間的場(chǎng)強(qiáng)，故針對(duì)以上電場(chǎng)分布特點(diǎn)提出以下拓?fù)鋬?yōu)化建議：增大三相電極間距離，以直接減小極間電場(chǎng)強(qiáng)度;增大每相電極內(nèi)側(cè)的分裂電極數(shù)量與直徑，減小外側(cè)（靠近內(nèi)筒壁）分裂電極的數(shù)量，以減小電場(chǎng)畸變程度。

2.2 雙側(cè)供電電源相位偏差對(duì)裝置內(nèi)部電場(chǎng)分布的影響

圖6與圖7為雙側(cè)電源無相位偏差與偏差10度時(shí)鍋爐內(nèi)部電場(chǎng)強(qiáng)度分布。雙側(cè)供電電源無相位偏差時(shí)，場(chǎng)強(qiáng)最大值為10.46kV/cm，雙側(cè)供電電源存在10度相位偏差時(shí)，場(chǎng)強(qiáng)最大值為10.96kV/cm?？梢婋p側(cè)供電電源存在相位偏差，會(huì)在一定程度上增加場(chǎng)強(qiáng)最大值。

為了更明顯地看出場(chǎng)強(qiáng)隨相位偏差的變化規(guī)律，作出相位偏差在0～120度范圍內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)最大值的變化趨勢(shì)如圖8所示。由圖8可知，在一定范圍內(nèi)，電極表面場(chǎng)強(qiáng)最大值隨著兩臺(tái)變壓器相位偏差的增大而增大，故有必要控制兩臺(tái)變壓器的相位偏差以降低電極表面場(chǎng)強(qiáng)最大值，提高筒體工頻耐受電壓。

3 結(jié)語

根據(jù)以上模擬結(jié)果，按照鍋爐產(chǎn)品設(shè)計(jì)參數(shù)，鍋爐的耐壓和絕緣等級(jí)設(shè)計(jì)小于25kV/cm時(shí)，一般相位偏差均可以安全運(yùn)行。

新疆醫(yī)科大學(xué)電極鍋爐蓄熱系統(tǒng)，設(shè)計(jì)采用2臺(tái)16MW電極鍋爐，2臺(tái)8MW電極鍋爐。其中，16MW電極鍋爐采用兩路進(jìn)線，來自不同的變壓器。根據(jù)以上模擬結(jié)果，于2020年投入使用后，正常工作兩個(gè)采暖季，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

大容量高壓電極鍋爐受到當(dāng)?shù)毓╇娙萘肯拗疲枰捎貌煌儔赫舅碗姇r(shí)，通過合理設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)在給同一個(gè)電極鍋爐供電下正常使用。

參考文獻(xiàn)

[1] 汪喆，戴剛平，張大長，等.浸沒式電極鍋爐筒體的絕緣性能研究[J].科技風(fēng)，2019（3）：162-163.