蔣 順，周遠翔，2

(1. 新疆大學電氣工程學院，新疆 烏魯木齊830047；2. 清華大學電機系，北京100084)

1 引言

近年來，化石能源消費產(chǎn)生的廢氣使環(huán)境污染日趨嚴重，國家對提高電能占終端能源消費比重工作予以高度重視[1-3]。浸沒式電極鍋爐具有體積小、啟動時間短、熱效率高、無噪聲、無污染、所需輔助設施少、易安裝維護、低負荷下運行性能良好等眾多優(yōu)點，因此，浸沒式電極鍋爐廣泛應用于供暖行業(yè)等領域[4-5]。

電極鍋爐中最核心的部位是電極，但目前對電極的研究非常少。吳炳晨[6]對汽水參數(shù)反向控制電極鍋爐功率進行研究，解釋了電極棒設計成曲棍式的原因：當電極鍋爐在較低功率運行時，電極棒采用曲棍式這一特殊結(jié)構(gòu)，可以配合爐水上下螺旋運動，線性調(diào)節(jié)內(nèi)筒液位，可在0.5～100%內(nèi)線性調(diào)節(jié)電功率。郭峰[7]對電極鍋爐的原理進行研究，發(fā)現(xiàn)每相電極周長幾乎相等且電極棒與水有較大的接觸面積，這樣能形成比較均勻電場，不會有爆炸的危險。陳衛(wèi)波[8]研究了不同電極材料在電解質(zhì)溶液中的腐蝕現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)鈦電極具有優(yōu)良的耐腐蝕性能，更適合用作高壓電極鍋爐的電極材料。但缺少對高壓電極損耗時周圍電場分布的研究，因此，對這方面的研究尤為重要。

本文研究了未損耗電極以及損耗電極的電場分布，結(jié)果表明：損耗電極周圍電場畸變程度高，影響電場在水中分布，電極棒附近高場強區(qū)域減少，加熱效率降低。針對電極損耗引起的熱效率降低，提出改進措施。為避免能源損耗，提升加熱效率提供參考。

2 浸沒式電極鍋爐原理

浸沒式電極鍋爐的結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。電極鍋爐本體主要由內(nèi)筒、外筒、高壓電極、各種絕緣組件、內(nèi)外筒循環(huán)回路、管道和閥門儀控元件等組成[9-11]。

圖1 浸沒式電極鍋爐原理圖

圖1中A為10 kV三相電極，當接通電源時，高壓由外筒頂部的高壓絕緣套管接到內(nèi)筒三相電極盤上，電極間形成電流，加熱爐水并產(chǎn)生高品質(zhì)蒸汽；B是循環(huán)水泵，通過循環(huán)水泵將外筒水循環(huán)至內(nèi)筒，補充內(nèi)筒蒸發(fā)的水量；C是給水泵，將除氧水補充到電極鍋爐外筒中；V1是內(nèi)筒排水閥，當內(nèi)筒溶液電導率超過設定值時，打開內(nèi)筒排水閥，排出高電導率爐水，保證鍋爐安全。V2是外筒排污閥，能夠排出電極鍋爐中的鐵、銅等雜質(zhì)。爐水為加入磷酸三鈉的除鹽水，磷酸三鈉可使爐水具有一定的電導率，電極棒直接浸沒在內(nèi)筒水中進行加熱。當接入10 kV電源，電極間的電解質(zhì)在電場作用下發(fā)生離子遷移從而產(chǎn)生均勻分布的電流，使內(nèi)筒中的爐水均勻加熱[12-13]。

3 仿真模型

COMSOL有限元法廣泛應用于求解電磁場問題，能夠有效、精確的進行電磁場數(shù)值計算。本研究采用電流求解器，電壓為三相交流10 kV工頻(50 Hz)電壓。應用有限元法求解電極鍋爐電場分布情況時，電場仿真流程流程如圖2所示。

圖2 電場仿真流程圖

常見的電流守恒控制方程為

?·J=Qj

(1)

J=σE+Je

(2)

Ε=-?U

(3)

式中：?為矢量微分算符；J為電流密度，A/m2；Qj為電流源，A/m2；σ為電導率，S/m；E為電場強度，V/m；Je為外部注入電流密度，A/m2；U為施加電壓。

3.1 模型搭建

電極鍋爐長期處于低功率運行時，電極棒的端部會有鐵顆粒狀雜質(zhì)，由于雜質(zhì)的作用，電極棒端部電場畸變程度增大，電極棒端部易形成尖端[14-15]。電極鍋爐電極采用三相六極式，單相電極由1個電極盤兩個高壓電極及30根電極棒組成，電極棒按特定的分布排列在電極盤上，電極單相模型如圖3所示。圖3(a)中電極棒端部較為光滑，沒有形成尖端。圖3(b)中電極棒端部形成尖端且端部含有無規(guī)則分布的鐵顆粒雜質(zhì)。

圖3 單相電極模型

內(nèi)筒三相電極模型由3個分區(qū)以120°角度排列的電極盤及電極棒組成，如圖4所示。

圖4 三相電極模型

電極鍋爐模型的具體幾何參數(shù)：

1)高壓電極：半徑0.04m，長度0.2m。

2)電極棒：半徑0.025m，長度1.6m。

3)電極盤：內(nèi)半徑0.29m，外半徑0.69m，厚度0.035m。

4)內(nèi)筒壁：高度3.1m，半徑1.6m，壁厚0.04m。

5)雜質(zhì)：半徑0.005m，厚度0.0045m。

6)爐水：半徑1.6m，高度2.2m。

3.2 材料屬性和邊界條件的設置

完成模型搭建后，需要對各個部分設置相應的材料特性。模型材料屬性如表1所示。

表1 模型材料屬性

邊界條件設置：將50Hz三相交流分別電接入電極鍋爐的三相電極，在頻域下將三相電壓設置為10/sqrt(3)[KV]*sqrt(2)*exp(-j*2*pi/3)，10/sqrt(3)[KV]*sqrt(2)，10/sqrt(3)[KV]*sqrt(2)*exp(j*2*pi/3)。并在模型外圍增加一個邊長為3.8m的正方形作為無窮遠邊界條件，邊界處設置電絕緣條件。

3.3 有限元網(wǎng)格劃分

進行模型仿真時，需對模型進行網(wǎng)格剖分。網(wǎng)格剖分越精細，求解所用時間越長，精度越高。模型采用細化的自適應四面體網(wǎng)格剖分，電極模型網(wǎng)格剖分如圖5所示。

圖5 電極模型網(wǎng)格剖分圖

4 電極電場仿真分析

4.1 未損耗電極電場仿真分析

取0.02s這一時刻，以內(nèi)筒中心為坐標原點，沿內(nèi)筒直徑方向，起點為X=-0.55m處，間隔0.25m繪制6個豎直切面電場分布圖，如圖6所示。圖6(b)、(c)、(d)中電極棒端部附近電場較大，最大處電場強度分別為55683V/m、51544V/m、25767V/m。

圖6 未損耗電極豎直切面電場分布圖

以內(nèi)筒液面為水平面，起點為Z=-0.3m，間隔0.3m向下繪制6個水平切面電場圖，如圖7所示。圖7(a)、(b)、(c)中最大電場強度在電極棒所圍成的圓形區(qū)域內(nèi)，大小分別為56585V/m、39415V/m、13433V/m。一相電極盤上電極棒所圍成的大部分區(qū)域內(nèi)，電場強度幾乎等于零。三相電極所圍成的圓形區(qū)域電場強度大，該處電流密度大，電極加熱水主要集中在該圓形區(qū)域內(nèi)。圖7(d)、(e)、(f)中最大電場強度分別為3006V/m、1445V/m、909V/m，越遠離電極棒的水平切面電場強度越低。

圖7 未損耗電極水平切面電場分布圖

繪制電極豎直切面電場方向分布圖，如圖8所示。圖中形成了垂直方向的電場。

圖8 電極豎直切面電場方向分布圖

繪制電極水平切面電場方向分布圖，如圖9所示。圖中在內(nèi)筒壁與電極間有水平旋轉(zhuǎn)電場。

圖9 電極水平切面電場方向分布圖

由豎直切面及水平切面電場方向分布圖可知，爐水中的帶電粒子在三相交流電場作用下，水平方向做旋轉(zhuǎn)運動，垂直方向?qū)⒆錾舷逻\動，加熱時帶電粒子上下螺旋運動。

4.2 損耗電極電場仿真分析

取0.02s這一時刻，以內(nèi)筒中心為坐標原點，沿內(nèi)筒直徑方向，起點為X=-0.55m處，間隔0.25m繪制6個豎直切面電場分布圖，如圖10所示。圖10(b)、(c)、(d)中最大處電場強度位于損耗電極棒尖端部位，大小分別為88555V/m、115640V/m、49720V/m。與未損耗電極相比損耗電極最大電場分別增加了59%、124.4%、92.9%，損耗電極尖端附近電場畸變程度更大，尖端部位易產(chǎn)生電暈以及放電現(xiàn)象。

圖10 損耗電極豎直切面電場分布圖

以內(nèi)筒液面為水平面，起點為Z=-0.3m，間隔0.3m向下繪制6個水平切面電場圖，如圖11所示。圖11(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)中最大電場強度分別為35691V/m、39024V/m、10061V/m、2627V/m、1300V/m、848V/m。與未損耗電極相比損耗電極最大電場強度分別減小了36.9%、9.9%、25.1%、12.6%、10%、7.2%。由于損耗電極尖端附近電場畸變程度更大，嚴重影響電場在水中的分布，使得電極棒附近高場強區(qū)域減少，加熱效率降低。

圖11 損耗電極水平切面電場分布圖

5 結(jié)論

1)一相電極盤上電極棒所圍成的大部分區(qū)域內(nèi)，電場強度幾乎等于零。

2)三相電極所圍成的圓形區(qū)域電場強度大，該處電流密度大，電極加熱水主要集中在該圓形區(qū)域內(nèi)。

3)爐水中的帶電粒子在三相交流電場作用下，水平方向做旋轉(zhuǎn)運動，垂直方向?qū)⒆錾舷逻\動，加熱時帶電粒子上下螺旋運動。

4)與未損耗電極相比，同一豎直切面，損耗電極電極端部附近電場畸變程度更大，端部易產(chǎn)生電暈以及放電現(xiàn)象。

5)與未損耗電極相比，同一水平切面，損耗電極最大電場強度均有所降低，電極棒附近高場強區(qū)域減少，加熱效率降低。

6 改進措施

電極鍋爐在運行期間正常磨損產(chǎn)生的鐵渣以及低功率運行時對電極造成的磨損，致使電極棒端部電場畸變程度加大，可以通過以下方式來減小電極電場的畸變程度：

1) 電極打磨

電極低功率運行時，電極棒端部會產(chǎn)生菜花狀顆粒，以及電極棒端部熔融變形形成的尖端，都會對電場產(chǎn)生畸變，致使水中電場的分布發(fā)生改變，熱效率降低。對嚴重變形的電極棒端部需要進行打磨以及除去菜花狀顆粒，讓電極棒端部的弧面部位盡量均勻，使每個電極棒的電場分布更加平均，避免電極棒形成尖端或者使電極出力不均勻。

2) 增加過濾循環(huán)泵

過濾循環(huán)泵是將空氣和灰塵的移除結(jié)合起來的一種裝置。通常在系統(tǒng)最熱點的位置安裝，過濾泵能快速的移除灰塵、微泡、磁鐵礦以及其它顆粒，電極鍋爐溶液通過過濾循環(huán)泵，可移除99%的顆粒物，確保污垢在電極鍋爐中存留時間最短，從而極大減小顆粒物對電極電場分布的影響。