蒋 顺，周远翔，2

(1. 新疆大学电气工程学院，新疆 乌鲁木齐830047；2. 清华大学电机系，北京100084)

1 引言

近年来，化石能源消费产生的废气使环境污染日趋严重，国家对提高电能占终端能源消费比重工作予以高度重视[1-3]。浸没式电极锅炉具有体积小、启动时间短、热效率高、无噪声、无污染、所需辅助设施少、易安装维护、低负荷下运行性能良好等众多优点，因此，浸没式电极锅炉广泛应用于供暖行业等领域[4-5]。

电极锅炉中最核心的部位是电极，但目前对电极的研究非常少。吴炳晨[6]对汽水参数反向控制电极锅炉功率进行研究，解释了电极棒设计成曲棍式的原因：当电极锅炉在较低功率运行时，电极棒采用曲棍式这一特殊结构，可以配合炉水上下螺旋运动，线性调节内筒液位，可在0.5～100%内线性调节电功率。郭峰[7]对电极锅炉的原理进行研究，发现每相电极周长几乎相等且电极棒与水有较大的接触面积，这样能形成比较均匀电场，不会有爆炸的危险。陈卫波[8]研究了不同电极材料在电解质溶液中的腐蚀现象，发现钛电极具有优良的耐腐蚀性能，更适合用作高压电极锅炉的电极材料。但缺少对高压电极损耗时周围电场分布的研究，因此，对这方面的研究尤为重要。

本文研究了未损耗电极以及损耗电极的电场分布，结果表明：损耗电极周围电场畸变程度高，影响电场在水中分布，电极棒附近高场强区域减少，加热效率降低。针对电极损耗引起的热效率降低，提出改进措施。为避免能源损耗，提升加热效率提供参考。

2 浸没式电极锅炉原理

浸没式电极锅炉的结构原理如图1所示。电极锅炉本体主要由内筒、外筒、高压电极、各种绝缘组件、内外筒循环回路、管道和阀门仪控元件等组成[9-11]。

图1 浸没式电极锅炉原理图

图1中A为10 kV三相电极，当接通电源时，高压由外筒顶部的高压绝缘套管接到内筒三相电极盘上，电极间形成电流，加热炉水并产生高品质蒸汽；B是循环水泵，通过循环水泵将外筒水循环至内筒，补充内筒蒸发的水量；C是给水泵，将除氧水补充到电极锅炉外筒中；V1是内筒排水阀，当内筒溶液电导率超过设定值时，打开内筒排水阀，排出高电导率炉水，保证锅炉安全。V2是外筒排污阀，能够排出电极锅炉中的铁、铜等杂质。炉水为加入磷酸三钠的除盐水，磷酸三钠可使炉水具有一定的电导率，电极棒直接浸没在内筒水中进行加热。当接入10 kV电源，电极间的电解质在电场作用下发生离子迁移从而产生均匀分布的电流，使内筒中的炉水均匀加热[12-13]。

3 仿真模型

COMSOL有限元法广泛应用于求解电磁场问题，能够有效、精确的进行电磁场数值计算。本研究采用电流求解器，电压为三相交流10 kV工频(50 Hz)电压。应用有限元法求解电极锅炉电场分布情况时，电场仿真流程流程如图2所示。

图2 电场仿真流程图

常见的电流守恒控制方程为

∇·J=Qj

(1)

J=σE+Je

(2)

Ε=-∇U

(3)

式中：∇为矢量微分算符；J为电流密度，A/m2；Qj为电流源，A/m2；σ为电导率，S/m；E为电场强度，V/m；Je为外部注入电流密度，A/m2；U为施加电压。

3.1 模型搭建

电极锅炉长期处于低功率运行时，电极棒的端部会有铁颗粒状杂质，由于杂质的作用，电极棒端部电场畸变程度增大，电极棒端部易形成尖端[14-15]。电极锅炉电极采用三相六极式，单相电极由1个电极盘两个高压电极及30根电极棒组成，电极棒按特定的分布排列在电极盘上，电极单相模型如图3所示。图3(a)中电极棒端部较为光滑，没有形成尖端。图3(b)中电极棒端部形成尖端且端部含有无规则分布的铁颗粒杂质。

图3 单相电极模型

内筒三相电极模型由3个分区以120°角度排列的电极盘及电极棒组成，如图4所示。

图4 三相电极模型

电极锅炉模型的具体几何参数：

1)高压电极：半径0.04m，长度0.2m。

2)电极棒：半径0.025m，长度1.6m。

3)电极盘：内半径0.29m，外半径0.69m，厚度0.035m。

4)内筒壁：高度3.1m，半径1.6m，壁厚0.04m。

5)杂质：半径0.005m，厚度0.0045m。

6)炉水：半径1.6m，高度2.2m。

3.2 材料属性和边界条件的设置

完成模型搭建后，需要对各个部分设置相应的材料特性。模型材料属性如表1所示。

表1 模型材料属性

边界条件设置：将50Hz三相交流分别电接入电极锅炉的三相电极，在频域下将三相电压设置为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)。并在模型外围增加一个边长为3.8m的正方形作为无穷远边界条件，边界处设置电绝缘条件。

3.3 有限元网格划分

进行模型仿真时，需对模型进行网格剖分。网格剖分越精细，求解所用时间越长，精度越高。模型采用细化的自适应四面体网格剖分，电极模型网格剖分如图5所示。

图5 电极模型网格剖分图

4 电极电场仿真分析

4.1 未损耗电极电场仿真分析

取0.02s这一时刻，以内筒中心为坐标原点，沿内筒直径方向，起点为X=-0.55m处，间隔0.25m绘制6个竖直切面电场分布图，如图6所示。图6(b)、(c)、(d)中电极棒端部附近电场较大，最大处电场强度分别为55683V/m、51544V/m、25767V/m。

图6 未损耗电极竖直切面电场分布图

以内筒液面为水平面，起点为Z=-0.3m，间隔0.3m向下绘制6个水平切面电场图，如图7所示。图7(a)、(b)、(c)中最大电场强度在电极棒所围成的圆形区域内，大小分别为56585V/m、39415V/m、13433V/m。一相电极盘上电极棒所围成的大部分区域内，电场强度几乎等于零。三相电极所围成的圆形区域电场强度大，该处电流密度大，电极加热水主要集中在该圆形区域内。图7(d)、(e)、(f)中最大电场强度分别为3006V/m、1445V/m、909V/m，越远离电极棒的水平切面电场强度越低。

图7 未损耗电极水平切面电场分布图

绘制电极竖直切面电场方向分布图，如图8所示。图中形成了垂直方向的电场。

图8 电极竖直切面电场方向分布图

绘制电极水平切面电场方向分布图，如图9所示。图中在内筒壁与电极间有水平旋转电场。

图9 电极水平切面电场方向分布图

由竖直切面及水平切面电场方向分布图可知，炉水中的带电粒子在三相交流电场作用下，水平方向做旋转运动，垂直方向将做上下运动，加热时带电粒子上下螺旋运动。

4.2 损耗电极电场仿真分析

取0.02s这一时刻，以内筒中心为坐标原点，沿内筒直径方向，起点为X=-0.55m处，间隔0.25m绘制6个竖直切面电场分布图，如图10所示。图10(b)、(c)、(d)中最大处电场强度位于损耗电极棒尖端部位，大小分别为88555V/m、115640V/m、49720V/m。与未损耗电极相比损耗电极最大电场分别增加了59%、124.4%、92.9%，损耗电极尖端附近电场畸变程度更大，尖端部位易产生电晕以及放电现象。

图10 损耗电极竖直切面电场分布图

以内筒液面为水平面，起点为Z=-0.3m，间隔0.3m向下绘制6个水平切面电场图，如图11所示。图11(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)中最大电场强度分别为35691V/m、39024V/m、10061V/m、2627V/m、1300V/m、848V/m。与未损耗电极相比损耗电极最大电场强度分别减小了36.9%、9.9%、25.1%、12.6%、10%、7.2%。由于损耗电极尖端附近电场畸变程度更大，严重影响电场在水中的分布，使得电极棒附近高场强区域减少，加热效率降低。

图11 损耗电极水平切面电场分布图

5 结论

1)一相电极盘上电极棒所围成的大部分区域内，电场强度几乎等于零。

2)三相电极所围成的圆形区域电场强度大，该处电流密度大，电极加热水主要集中在该圆形区域内。

3)炉水中的带电粒子在三相交流电场作用下，水平方向做旋转运动，垂直方向将做上下运动，加热时带电粒子上下螺旋运动。

4)与未损耗电极相比，同一竖直切面，损耗电极电极端部附近电场畸变程度更大，端部易产生电晕以及放电现象。

5)与未损耗电极相比，同一水平切面，损耗电极最大电场强度均有所降低，电极棒附近高场强区域减少，加热效率降低。

6 改进措施

电极锅炉在运行期间正常磨损产生的铁渣以及低功率运行时对电极造成的磨损，致使电极棒端部电场畸变程度加大，可以通过以下方式来减小电极电场的畸变程度：

1) 电极打磨

电极低功率运行时，电极棒端部会产生菜花状颗粒，以及电极棒端部熔融变形形成的尖端，都会对电场产生畸变，致使水中电场的分布发生改变，热效率降低。对严重变形的电极棒端部需要进行打磨以及除去菜花状颗粒，让电极棒端部的弧面部位尽量均匀，使每个电极棒的电场分布更加平均，避免电极棒形成尖端或者使电极出力不均匀。

2) 增加过滤循环泵

过滤循环泵是将空气和灰尘的移除结合起来的一种装置。通常在系统最热点的位置安装，过滤泵能快速的移除灰尘、微泡、磁铁矿以及其它颗粒，电极锅炉溶液通过过滤循环泵，可移除99%的颗粒物，确保污垢在电极锅炉中存留时间最短，从而极大减小颗粒物对电极电场分布的影响。