引言

隨著能源清潔轉(zhuǎn)型的不斷深入，風(fēng)、光等清潔能源將逐漸取代煤炭等化石能源，成為可利用的主要能源。國(guó)家能源局發(fā)布的《關(guān)于2021年風(fēng)電、光伏發(fā)電開發(fā)建設(shè)有關(guān)事項(xiàng)的通知(征求意見稿)》提出，2030年我國(guó)一次能源消費(fèi)將有25%左右來自可再生能源，風(fēng)電和太陽能發(fā)電總裝機(jī)量達(dá)12億千瓦以上等目標(biāo)任務(wù)。

風(fēng)能和太陽能由于存在不穩(wěn)定性和隨機(jī)性，與電力系統(tǒng)的平穩(wěn)性和可靠性相矛盾，隨著其在能源供給中比例的不斷提高，造成整個(gè)能源系統(tǒng)中儲(chǔ)能總量不斷減少，具體表現(xiàn)為調(diào)節(jié)能力不足。而儲(chǔ)能技術(shù)作為一種有效的技術(shù)手段，能夠?qū)㈦S機(jī)波動(dòng)能源變?yōu)橛押媚茉矗行p緩新能源發(fā)電的隨機(jī)性和波動(dòng)性，保障電網(wǎng)的安全運(yùn)行。

近年，隨著儲(chǔ)能技術(shù)的快速發(fā)展，與清潔能源配套的蓄熱儲(chǔ)能技術(shù)相應(yīng)地有所完善。其中，電極鍋爐蓄熱技術(shù)是應(yīng)用前景十分廣闊的高效儲(chǔ)能技術(shù)。電極鍋爐蓄熱儲(chǔ)能技術(shù)是指利用低谷電力加熱水，以顯熱或者潛熱的形式將熱能在蓄熱罐儲(chǔ)存起來，在用電高峰期間將存儲(chǔ)的熱量釋放出來以滿足大面積供暖或外供工業(yè)蒸汽等其他用熱的需要，均具有能量轉(zhuǎn)換效率高、無環(huán)境污染、調(diào)節(jié)控制便利等優(yōu)點(diǎn)。電極鍋爐蓄熱完全可以適用于發(fā)電廠端，能夠大幅度提高機(jī)組靈活調(diào)節(jié)能力，其分布式儲(chǔ)熱的靈活電加熱方式可以完全實(shí)現(xiàn)低谷儲(chǔ)熱，提高電網(wǎng)低谷調(diào)峰能力。

2022年7月13日，工信部網(wǎng)站公示了《全國(guó)工業(yè)領(lǐng)域電力需求側(cè)管理第四批參考產(chǎn)品(技術(shù))目錄》，其中就包括電極式鍋爐蓄熱系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)更加重視電極鍋爐蓄熱系統(tǒng)在儲(chǔ)能、調(diào)峰、消納新能源等方面的作用，致力于推動(dòng)能源結(jié)構(gòu)的快速轉(zhuǎn)型，解決儲(chǔ)能領(lǐng)域的難題，使得清潔能源得到快速的發(fā)展。本文介紹了電極鍋爐的相關(guān)應(yīng)用，重點(diǎn)介紹了電極鍋爐水儲(chǔ)熱技術(shù)在當(dāng)前及未來的應(yīng)用前景。

1.電極鍋爐的原理

1.1基本類型

電極鍋爐的工作方式與傳統(tǒng)的電鍋爐有著很大的區(qū)別，傳統(tǒng)的電鍋爐的加熱方式為電阻式加熱，即通過電熱管來加熱爐水，而電極鍋爐則是通過將高壓的電極直接作用于具有一定阻值的爐水，從而產(chǎn)生熱水或蒸汽，實(shí)現(xiàn)電熱之間高效的轉(zhuǎn)化，其效率可達(dá)99%以上。

電極鍋爐由于基本結(jié)構(gòu)和工作原理的不同，可分為噴射式和浸沒式兩種類型，如圖1、圖2所示。

圖1 噴射式電極鍋爐（示例）

噴射式電極鍋爐：主體結(jié)構(gòu)是一個(gè)大型的壓力容器，在容器上部裝有一個(gè)儲(chǔ)水容器，儲(chǔ)水容器周圍垂直地安裝著電極。容器底部?jī)?chǔ)有處理過的爐水，爐水通過循環(huán)水泵輸送到儲(chǔ)水容器之中，并通過容器壁四周的噴嘴噴出至周圍的高壓電極上，沿電極向下流動(dòng)，高壓電流使得水加熱蒸發(fā)，產(chǎn)生蒸汽。

圖2 浸沒式電極鍋爐（示例）

浸沒式電極鍋爐：主要分為內(nèi)、外筒兩個(gè)區(qū)域，位于爐外的循環(huán)水泵向鍋爐外筒輸送經(jīng)過處理的除氧水，爐內(nèi)的循環(huán)水泵將外筒中的水輸送至內(nèi)筒，內(nèi)筒的爐水在高壓電極的作用下變成熱水或蒸汽。通過調(diào)控外筒補(bǔ)水控制高壓電極的浸沒深度，從而調(diào)節(jié)鍋爐的輸出功率。

兩種電極鍋爐之間有著很大的不同之處，將其進(jìn)行比較分析，如表1所示。由表1可以看出，浸沒式電極鍋爐對(duì)于循環(huán)水量的要求較少，對(duì)三相電極進(jìn)線電電源無要求，蒸汽品質(zhì)較高，運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單，設(shè)備要求較低且占地面積小，便于分布式安裝，與噴射式電極鍋爐相比具有突出的優(yōu)勢(shì)，便于大規(guī)模應(yīng)用。

表1 兩種類型電極鍋爐的比較

由于1995年瑞士核電站啟動(dòng)鍋爐發(fā)生爆燃事故，噴射式電極鍋爐被歐洲禁用，僅在北美等地區(qū)使用，國(guó)內(nèi)目前的產(chǎn)品也以浸沒式居多，故本文只針對(duì)浸沒式電極鍋爐做具體的分析。

1.2運(yùn)行機(jī)理

浸沒式電極鍋爐的主體結(jié)構(gòu)如圖3所示。主要由內(nèi)筒區(qū)、外筒區(qū)及蒸汽區(qū)3部分組成。其中，內(nèi)筒的主要功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)爐水的加熱從而產(chǎn)生熱水或蒸汽，外筒用來存儲(chǔ)水以及補(bǔ)充內(nèi)筒耗水，蒸汽區(qū)則是通過對(duì)出口蒸汽的調(diào)節(jié)來調(diào)整內(nèi)筒的壓力。

鍋爐啟動(dòng)時(shí)通過位于內(nèi)筒的三相高壓電極將電壓施加于內(nèi)桶的爐水，使得爐水在較短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)快速升溫。內(nèi)筒與外筒之間通過循環(huán)水泵和管道連接，當(dāng)內(nèi)筒水由于滿足使用條件而發(fā)生轉(zhuǎn)移時(shí)，外筒內(nèi)部的溶液通過循環(huán)水泵源源不斷地輸送至內(nèi)筒以補(bǔ)充耗水，外筒的水則是通過外側(cè)的給水泵來進(jìn)行補(bǔ)充。

由于內(nèi)桶水的電導(dǎo)率會(huì)隨蒸汽的不斷輸出和鹽分的不斷積累發(fā)生變化，故需設(shè)置參數(shù)檢測(cè)裝置以及加藥調(diào)整裝置進(jìn)行及時(shí)調(diào)整，一般加藥裝置設(shè)置在外筒與給水泵相連的管道上。對(duì)于筒內(nèi)液體電導(dǎo)率較高的情形，則通過內(nèi)筒排污閥排出部分高濃度的爐水。

圖3 電極鍋爐結(jié)構(gòu)原理圖

內(nèi)桶上方設(shè)置有蒸汽出口閥，用于及時(shí)調(diào)整內(nèi)桶壓力。當(dāng)鍋爐需要停止運(yùn)行時(shí)，需要先把蒸汽閥門開到最大降壓，并逐步減少循環(huán)泵供水，降低內(nèi)桶水位和輸出功率，等輸出功率降到足夠低時(shí)高壓側(cè)電源分閘，關(guān)閉循環(huán)泵和供水泵，停止鍋爐。

2.行業(yè)現(xiàn)狀

2.1發(fā)展歷程

對(duì)于電極鍋爐的研究至今已有100余年的歷史。1905年歐洲發(fā)明了世界上第一臺(tái)電極鍋爐，當(dāng)時(shí)，受限于工業(yè)水平，并未得到廣泛應(yīng)用；20世紀(jì)20年代，ZETA公司對(duì)電極鍋爐進(jìn)行了改造，成功發(fā)明出ZETA牌高壓電極鍋爐，提高了安全性能；20世紀(jì)40年代，歐洲發(fā)明了另一種電極鍋爐———噴射式電極鍋爐，降低了對(duì)絕緣性能的要求，此時(shí)電極鍋爐開始應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域；20世紀(jì)70年代至80年代，國(guó)外的核電站建設(shè)規(guī)模迅速增大，此時(shí)由于電極鍋爐高環(huán)保性和安全性，廣泛應(yīng)用于核電建設(shè)之中；20世紀(jì)90年代，國(guó)內(nèi)首次引進(jìn)了西屋公司核電技術(shù)，噴射式電極鍋爐開始在中國(guó)大規(guī)模應(yīng)用。

2.2合作現(xiàn)狀

第1臺(tái)電極鍋爐問世至今已有100余年，漫長(zhǎng)的發(fā)展歷程中許多海外電極鍋爐制造商不斷積累經(jīng)驗(yàn)和進(jìn)行技術(shù)革新，形成了各具特色的產(chǎn)業(yè)品牌，由此占據(jù)了電極鍋爐市場(chǎng)的大部分份額。由于國(guó)內(nèi)對(duì)于電極鍋爐的研究起步較晚，技術(shù)水平不夠成熟，難以自主研發(fā)制造電極鍋爐，因此多數(shù)的國(guó)內(nèi)企業(yè)都是通過與國(guó)外廠商技術(shù)合作等方式來謀求自身的發(fā)展。表2介紹了部分海外重點(diǎn)的電極鍋爐制造商以及其國(guó)內(nèi)的合作廠商。

表2 國(guó)內(nèi)外企業(yè)合作現(xiàn)狀

由表2可以看出，目前大部分的國(guó)內(nèi)企業(yè)都是采用與海外廠家聯(lián)合，引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)設(shè)備等方式來開展高壓電極鍋爐的研發(fā)、生產(chǎn)與制造。但實(shí)際上，從當(dāng)前市場(chǎng)上各種類電極鍋爐的份額比例來看，進(jìn)口品牌更易得到用戶的認(rèn)可，多數(shù)國(guó)內(nèi)用戶在選擇高壓電極鍋爐特別是當(dāng)前國(guó)內(nèi)難以獨(dú)立生產(chǎn)的大功率高壓電極鍋爐時(shí)都更加傾向于進(jìn)口產(chǎn)品，即便是那些進(jìn)軍國(guó)內(nèi)市場(chǎng)相對(duì)較晚的國(guó)外品牌，依然能夠借助品牌效應(yīng)迅速打開國(guó)內(nèi)市場(chǎng)。

圖4分析了近年來國(guó)內(nèi)部分企業(yè)的技術(shù)路線以及發(fā)展歷程。國(guó)內(nèi)對(duì)于電極鍋爐的大規(guī)模引入始于本世紀(jì)初，隨著人們更深刻地認(rèn)識(shí)到化石能源所引起的環(huán)境污染的危害以及國(guó)內(nèi)面臨著能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型等問題，國(guó)內(nèi)廠商開始研究電極鍋爐在能源轉(zhuǎn)型中所發(fā)揮的作用。受限于技術(shù)因素，初期的廠商合作多以技術(shù)引進(jìn)為主，分析原因?yàn)椋阂环矫?，電極鍋爐作為高尖端技術(shù)產(chǎn)品，其生產(chǎn)制造存在著諸多技術(shù)困難，需要部分技術(shù)交叉集成，研發(fā)的難度較大。國(guó)內(nèi)對(duì)于電極鍋爐技術(shù)的研究起步較晚，部分技術(shù)達(dá)不到需求，并且測(cè)試大功率電極鍋爐的實(shí)驗(yàn)條件難以獲得，給國(guó)內(nèi)廠商研發(fā)、生產(chǎn)、制造電極鍋爐帶來了很大的困難。另一方面，在大規(guī)模技術(shù)引進(jìn)之前，國(guó)內(nèi)已采購和使用的電極鍋爐均為海外品牌，并且已經(jīng)形成產(chǎn)業(yè)鏈，部分廠商不得不通過尋求國(guó)際合作的方式來開拓國(guó)內(nèi)市場(chǎng)。

基于以上原因，從本世紀(jì)初國(guó)內(nèi)的部分企業(yè)開始謀求與海外廠商合作，通過引進(jìn)尖端技術(shù)以及不斷學(xué)習(xí)改進(jìn)來開拓國(guó)內(nèi)市場(chǎng)和進(jìn)行技術(shù)積累。

圖4 國(guó)內(nèi)廠商技術(shù)路線分析

2.3技術(shù)革新

合作引進(jìn)并不意味著完全照搬，當(dāng)前與國(guó)外廠商建立良好合作關(guān)系的國(guó)內(nèi)企業(yè)都是結(jié)合了國(guó)內(nèi)的實(shí)際需求來進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)。國(guó)內(nèi)較為出名的浙江上能鍋爐有限公司便是選擇與加拿大ACME進(jìn)行合作，上能沒有延續(xù)ACME在國(guó)外的產(chǎn)品型號(hào)，而是結(jié)合國(guó)內(nèi)實(shí)際開發(fā)出了一種新型的全浸沒式結(jié)構(gòu)電極鍋爐(CEJS)，成為國(guó)內(nèi)唯一一家能夠把全浸沒式電極式結(jié)構(gòu)技術(shù)同時(shí)應(yīng)用到高電壓電極熱水和蒸汽鍋爐的廠家。

當(dāng)然，國(guó)內(nèi)部分廠商并沒有選擇與國(guó)外企業(yè)進(jìn)行技術(shù)合作，而是選擇了更加艱難的自主研發(fā)。杭州華源前線能源設(shè)備有限公司和山東北辰機(jī)電設(shè)備股份有限公司便是具有突出代表性的兩家國(guó)內(nèi)企業(yè)。在生產(chǎn)實(shí)踐中不斷實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破革新，已經(jīng)形成了自己的技術(shù)路線并不斷突破自我，成為名副其實(shí)的國(guó)產(chǎn)領(lǐng)軍企業(yè)。

雖然國(guó)內(nèi)對(duì)于電極鍋爐的研發(fā)較晚，在實(shí)際應(yīng)用過程中仍然會(huì)遇到各種技術(shù)難題，但經(jīng)過科研人員的不畏艱難，刻苦攻關(guān)，使得國(guó)內(nèi)電極鍋爐行業(yè)快速發(fā)展。表3整理了近年來國(guó)內(nèi)部分企業(yè)在電極鍋爐的生產(chǎn)研發(fā)過程中的技術(shù)發(fā)展情況?？梢钥闯觯瑹o論是選擇與國(guó)外廠商合作還是選擇自主研發(fā)的國(guó)內(nèi)企業(yè)都進(jìn)行了專項(xiàng)技術(shù)攻關(guān)并取得了一定的成果，已經(jīng)逐步形成產(chǎn)業(yè)體系。例如，華源前線專注于蓄能供熱系統(tǒng)，擁有專利80余項(xiàng)，其產(chǎn)品在民用供暖、工業(yè)供熱方面均得到了廣泛地應(yīng)用。山東北辰的主要產(chǎn)品高壓電極鍋爐蓄熱/供熱機(jī)組為自主研發(fā)產(chǎn)品，已被認(rèn)定為國(guó)內(nèi)技術(shù)領(lǐng)先水平。

表3 國(guó)內(nèi)部分企業(yè)的技術(shù)研發(fā)現(xiàn)狀

核心技術(shù)研發(fā)是企業(yè)賴以生存和進(jìn)步的基礎(chǔ)，在國(guó)內(nèi)企業(yè)對(duì)高壓電極鍋爐蓄熱產(chǎn)品的不斷研發(fā)過程中，關(guān)鍵核心技術(shù)的積累使得國(guó)內(nèi)企業(yè)能夠保持較高的競(jìng)爭(zhēng)力，拓展出更多的增量市場(chǎng)。隨著儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和技術(shù)的不斷進(jìn)步，國(guó)內(nèi)對(duì)于電極鍋爐蓄熱系統(tǒng)的研究已經(jīng)步入了新的階段，各企業(yè)也在不斷拓展蓄熱產(chǎn)品路線，表4為國(guó)內(nèi)部分企業(yè)的蓄熱產(chǎn)品路線。

表4 國(guó)內(nèi)部分企業(yè)的蓄熱相關(guān)產(chǎn)品線

在已經(jīng)商業(yè)化的電極鍋爐儲(chǔ)能蓄熱技術(shù)中，“電極鍋爐+水蓄熱罐”無疑是近年來最熱門的蓄熱技術(shù)。相當(dāng)一部分的企業(yè)已經(jīng)不局限于水體蓄熱，而是進(jìn)行組合式發(fā)展，開發(fā)出固體蓄熱、熔鹽換熱等技術(shù)路線。

綜合來看，國(guó)內(nèi)企業(yè)對(duì)于電極鍋爐的關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行了相關(guān)的技術(shù)突破，在高壓電極鍋爐的應(yīng)用尤其是對(duì)蓄熱調(diào)峰改造進(jìn)行了相關(guān)的探索，并且已成功應(yīng)用于項(xiàng)目之中，實(shí)現(xiàn)了技術(shù)路線的突破，有助于電極鍋爐的大規(guī)模推廣應(yīng)用。

3.應(yīng)用現(xiàn)狀與前景

3.1當(dāng)前應(yīng)用現(xiàn)狀

在碳中和目標(biāo)大背景下，電極鍋爐蓄熱系統(tǒng)作為能夠?qū)崿F(xiàn)清潔能源消納領(lǐng)域的核心技術(shù)，已得到深入推廣，其安全、環(huán)保、操作簡(jiǎn)便的特點(diǎn)使得它在核電廠輔助蒸汽系統(tǒng)、蓄熱供暖及火電廠靈活性改造等方面得到了廣泛應(yīng)用。

電極鍋爐作為電廠輔助蒸汽系統(tǒng)的重要組成部分，在機(jī)組啟停階段電極鍋爐輔助蒸汽系統(tǒng)進(jìn)行減壓處理，滿足用戶側(cè)的需求。目前，國(guó)內(nèi)除部分老型核電站外基本采用電鍋爐，國(guó)際上在建、新建的核電站均采用電極鍋爐作為啟動(dòng)鍋爐使用。

碳中和背景下國(guó)家大力推進(jìn)清潔供暖工程，加快國(guó)內(nèi)能源體系的改革，在這種情況下電極鍋爐蓄熱系統(tǒng)在供暖領(lǐng)域得到了更為廣泛的應(yīng)用。其中，電極鍋爐水蓄熱供暖系統(tǒng)以高轉(zhuǎn)換效率和普適性在全國(guó)范圍內(nèi)已經(jīng)成功試點(diǎn)運(yùn)行并投入工程應(yīng)用，在新疆、青海等地已完成電極鍋爐水蓄熱系統(tǒng)的大規(guī)模推廣應(yīng)用。

高壓電極鍋爐+水蓄熱罐方案是當(dāng)前火電廠調(diào)峰改造的主要方式之一，它能夠合理利用谷電實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)化，緩解電力系統(tǒng)的供應(yīng)緊張的形式，進(jìn)一步提升電力資源的使用效率。同時(shí)，其經(jīng)濟(jì)效益較為顯著。

3.2未來應(yīng)用前景

在國(guó)家能源局2021年發(fā)布的《關(guān)于加快推動(dòng)新型儲(chǔ)能發(fā)展的指導(dǎo)意見》中指出，儲(chǔ)熱技術(shù)已經(jīng)被列入新型儲(chǔ)能技術(shù)范疇。電極鍋爐蓄熱系統(tǒng)能夠發(fā)揮儲(chǔ)能技術(shù)的作用，支撐新能源大規(guī)模發(fā)展，有效提高可再生能源消納比例、參與電力系統(tǒng)調(diào)峰蓄熱、實(shí)現(xiàn)清潔能源供熱以及提升農(nóng)村用能電氣化水平。

3.2.1消納可再生能源

消納問題一直是阻礙可再生能源發(fā)展的難題。隨著碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的提出，可再生能源成為熱點(diǎn)產(chǎn)業(yè)，可再生能源的消納壓力也日益增大。可再生能源難以消納主要是因?yàn)樽陨砭哂须S機(jī)性和不穩(wěn)定性的特點(diǎn)，與電力系統(tǒng)要求的平穩(wěn)和可靠性相矛盾。在這種情況下，電極鍋爐蓄熱系統(tǒng)作為新型儲(chǔ)能裝置成為了解決可再生能源消納的關(guān)鍵。儲(chǔ)能技術(shù)可以將隨機(jī)波動(dòng)能源變?yōu)橛押媚茉?，?yīng)用儲(chǔ)能技術(shù)可以減緩新能源發(fā)電的隨機(jī)性和波動(dòng)性，優(yōu)化電網(wǎng)結(jié)構(gòu)配置。這種情況下，電極鍋爐蓄熱系統(tǒng)能夠與新能源發(fā)電聯(lián)合使用，將隨機(jī)波動(dòng)能源變?yōu)橛押媚茉?，有效減緩新能源發(fā)電的隨機(jī)性和波動(dòng)性，保障電網(wǎng)的安全運(yùn)行。

3.2.2調(diào)峰蓄熱

近年來，隨著新能源發(fā)電規(guī)模的不斷擴(kuò)大，負(fù)荷峰谷差仍在持續(xù)增大，電力系統(tǒng)的調(diào)峰需求也在不斷增加。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)的電力供求十分緊張，現(xiàn)有的調(diào)峰資源不能夠滿足電網(wǎng)的調(diào)峰需求，導(dǎo)致各地機(jī)組被動(dòng)參與調(diào)峰，限制了各地區(qū)機(jī)組的運(yùn)行。

為緩解電網(wǎng)調(diào)峰壓力，各地均提出了不同的應(yīng)對(duì)措施。有專家指出，需要從“源-網(wǎng)-荷”3個(gè)方面來解決。從電網(wǎng)側(cè)來講，需要從結(jié)構(gòu)上提高電網(wǎng)調(diào)峰能力，電極鍋爐水蓄熱作為新型儲(chǔ)能技術(shù)，能夠削弱用戶間的熱負(fù)荷關(guān)系，實(shí)現(xiàn)熱電解耦，成為電網(wǎng)調(diào)峰優(yōu)先考慮的一項(xiàng)技術(shù)。

電極鍋爐水蓄熱技術(shù)能夠調(diào)節(jié)熱電機(jī)組的熱負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)更大限度的機(jī)組供能。一般來講，熱電機(jī)組在供熱期間常常由于用戶側(cè)的需求調(diào)整發(fā)電負(fù)荷。采用電極鍋爐蓄熱系統(tǒng)后，在采暖高峰期熱電機(jī)組會(huì)保持較高的發(fā)電負(fù)荷，此時(shí)用于采暖抽汽供熱的負(fù)荷不用調(diào)整到一個(gè)較低的水平，結(jié)合電極鍋爐本身的供熱量，完全能夠滿足用戶側(cè)的供熱需求，從而優(yōu)化電網(wǎng)資源的配置。這種新型儲(chǔ)能系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)已經(jīng)進(jìn)行試點(diǎn)運(yùn)行并取得了不錯(cuò)的經(jīng)濟(jì)效果。

3.2.3清潔供暖

我國(guó)三北地區(qū)風(fēng)力資源豐富，十分有利于風(fēng)力行業(yè)的發(fā)展。但是由于風(fēng)電難以消納，導(dǎo)致棄風(fēng)現(xiàn)象異常嚴(yán)重，造成了嚴(yán)重的資源浪費(fèi)現(xiàn)象。由于供暖期處于風(fēng)季，是電網(wǎng)調(diào)峰最為困難的季節(jié)，于是在北方的冬季風(fēng)力發(fā)電的出力能力受到嚴(yán)格地限制，風(fēng)力發(fā)電在保證熱電機(jī)組滿足供熱需求的情況下被迫停運(yùn)。此外，傳統(tǒng)燃油、燃煤鍋爐的使用對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染，不符合碳中和理念，受到嚴(yán)格地限制。在這種情況下，部分地區(qū)特別是三北地區(qū)如何采暖，成為首要考慮的問題。

早在2013年，國(guó)家能源局就在吉林白城建立了以風(fēng)力發(fā)電為基礎(chǔ)的清潔能源供暖的試點(diǎn)工程，該項(xiàng)目采用高壓電極鍋爐與蓄熱裝置連用的系統(tǒng)，利用電網(wǎng)棄風(fēng)的電力進(jìn)行熱電轉(zhuǎn)化，將儲(chǔ)存的熱量進(jìn)行供暖，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)能供暖。

與傳統(tǒng)化石能源相比，電極鍋爐蓄熱系統(tǒng)不會(huì)造成任何的污染，而且由于熱電轉(zhuǎn)化效率極高，設(shè)備運(yùn)行安全高效，完全可以實(shí)現(xiàn)清潔供暖。2019年7月，蓄熱電鍋爐供暖項(xiàng)目入選能源局《北方地區(qū)冬季清潔取暖典型案例匯編》，成為國(guó)家能源局大力推廣使用的新型電取暖設(shè)備之一。這種供暖方式具有建設(shè)周期短、選址范圍自由靈活等特點(diǎn)，有利于淘汰小型燃煤鍋爐，適用于區(qū)域集中供暖。同時(shí)，由于電極鍋爐本身還具有“即用即啟、不用即停”的強(qiáng)適應(yīng)能力，能夠適應(yīng)當(dāng)前風(fēng)電的不穩(wěn)定性，成為集中供暖下優(yōu)先考慮的補(bǔ)充供暖模式。

3.2.4農(nóng)村電氣化改革

雖然現(xiàn)有電極鍋爐大多作為啟動(dòng)鍋爐與核電等聯(lián)合使用，但由于電極鍋爐自身的廣泛適用性，它不僅僅應(yīng)用于聯(lián)合儲(chǔ)能系統(tǒng)，也可以作為能耗裝置單獨(dú)使用。

在國(guó)務(wù)院發(fā)布的《2030年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案》中提出實(shí)施“碳達(dá)峰十大行動(dòng)”并重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)要推進(jìn)農(nóng)村地區(qū)清潔取暖，提升農(nóng)村用能電氣化水平。在國(guó)家優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、淘汰落后產(chǎn)能的過程中，電極鍋爐在產(chǎn)業(yè)能效水平的提升以及農(nóng)村用能的低碳化轉(zhuǎn)型中定會(huì)發(fā)揮出至關(guān)重要的作用。

電極鍋爐由于啟停之間的轉(zhuǎn)換和它的變負(fù)荷的能力比較強(qiáng)，在微小型工業(yè)領(lǐng)域和農(nóng)村分散式住戶的供暖等方面仍然有著很大的應(yīng)用空間。用戶可以通過對(duì)電壓電流的調(diào)整來控制熱水/蒸汽產(chǎn)量，當(dāng)用戶對(duì)熱水和蒸汽有使用需求時(shí)，電極鍋爐能夠快速地產(chǎn)出熱水和蒸汽以滿足需求；當(dāng)用戶不需要熱水或蒸汽時(shí)，它能夠保持較低負(fù)荷運(yùn)行甚至直接停爐。在實(shí)現(xiàn)熱電高效轉(zhuǎn)化的同時(shí)不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，符合碳達(dá)峰要求下我國(guó)農(nóng)村的低碳轉(zhuǎn)型要求，完全符合新形勢(shì)下國(guó)家能源轉(zhuǎn)型的重大戰(zhàn)略需求。

4.存在的問題

4.1電極材料問題

難以研發(fā)制造高安全性的電極材料仍是國(guó)內(nèi)電極鍋爐廠商面臨的主要難題。對(duì)于電極材料，特別是碳基材料或貴金屬材料中部分金屬元素，如：Au，Ag和Zn等為電極材料的組成成分時(shí)，在電流存在的條件下會(huì)發(fā)生電催化還原CO2的反應(yīng)，最終生成的CO。

同時(shí)，還需考慮到爐內(nèi)腐蝕、電化學(xué)反應(yīng)及高溫高壓高濕環(huán)境對(duì)電極材料造成的影響，所以制備高壓電極時(shí)材料的選擇、組分的配比及處理工藝的選擇猶為重要。在電極的制作過程中，完成電極棒核心部件的制作后，還需對(duì)電極棒表面進(jìn)行鍍層處理以強(qiáng)化表面材料的性能，優(yōu)化電極的抗腐蝕氧化性能。

繁瑣的制備步驟和極高的工藝要求對(duì)于國(guó)內(nèi)制造商提出了新的調(diào)整。由于國(guó)內(nèi)電極鍋爐發(fā)展較晚，國(guó)內(nèi)還沒有相對(duì)成熟的高壓電極制備的技術(shù)，核心電極材料仍需從瑞典、加拿大等國(guó)進(jìn)口，難以獨(dú)立生產(chǎn)制造高壓電極鍋爐。同時(shí)，受限于現(xiàn)有工藝水平，國(guó)內(nèi)高尖端材料難以實(shí)現(xiàn)高精度量化生產(chǎn)，測(cè)試大功率電極鍋爐的實(shí)驗(yàn)條件難以獲得，仍需進(jìn)行相應(yīng)的技術(shù)攻關(guān)。

4.2絕緣瓷件問題

為了實(shí)現(xiàn)新的應(yīng)用場(chǎng)景，電極鍋爐的電壓等級(jí)越來越高（35kV），鍋爐內(nèi)壓也越來越高（8MPa）,傳統(tǒng)的C120電瓷材料在運(yùn)行過程中由于高溫高壓容易出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，極大地縮短了絕緣瓷件的使用壽命，從而影響電極鍋爐的正常運(yùn)行。

醴陵市精格特種瓷有限公司針對(duì)這種現(xiàn)象，通過使用C610電瓷材料開發(fā)適配電極鍋爐的絕緣瓷件，C610電瓷材料的高強(qiáng)度高導(dǎo)熱性能有效地提高了瓷件的使用壽命，為電極鍋爐的穩(wěn)定運(yùn)行提供實(shí)質(zhì)性保障。

4.3水處理問題

基于電極鍋爐獨(dú)特的電流直接加熱爐水的運(yùn)行機(jī)理，電極鍋爐內(nèi)部的裝置對(duì)于爐內(nèi)水質(zhì)的變化極其敏感，對(duì)于水質(zhì)的要求極高，如果水質(zhì)達(dá)不到要求會(huì)對(duì)電極鍋爐運(yùn)行穩(wěn)定性和使用壽命造成很大的影響，因此需要采用加藥的方式來對(duì)鍋爐用水進(jìn)行處理。

同傳統(tǒng)燃煤、燃油鍋爐相比，電極鍋爐尤其是高壓電極鍋爐對(duì)于水質(zhì)的要求會(huì)更高，傳統(tǒng)的鍋爐給水加藥系統(tǒng)由于在參數(shù)調(diào)控方面具有延遲性，并且非常容易受到各種因素的干擾，導(dǎo)致在實(shí)際使用過程中效果并不理想，并不完全適用于電極鍋爐，仍需要開展進(jìn)一步地研究。

4.4腐蝕問題

同傳統(tǒng)的火電鍋爐一樣，電極鍋爐在運(yùn)行過程中也面臨著腐蝕問題。由于腐蝕過程比較緩慢，在鍋爐運(yùn)行初期并不明顯，不會(huì)直接威脅到鍋爐的安全運(yùn)行，但是一旦腐蝕形成，將會(huì)直接影響到鍋爐的運(yùn)行，甚至引發(fā)安全事故。

對(duì)于鍋爐高壓電極腐蝕特性的研究，不僅要考慮到高溫高壓高濕環(huán)境，同時(shí)還需要考慮高壓交流電對(duì)電極的腐蝕。關(guān)于高溫高壓高濕環(huán)境引起的腐蝕已有不少學(xué)者進(jìn)行了研究，如：楊健喬、王樹眾等人研究了4種合金材料在700℃超臨界水中的氧化行為；徐鴻、鄧博等人研究了一種鎳基合金在高溫高壓超臨界水中的氧化特性。

目前，對(duì)于電極鍋爐腐蝕問題尤其是交流腐蝕問題研究得較少。僅有鄭重等人對(duì)不同條件下電極鍋爐交流腐蝕的影響因素進(jìn)行了分析，并且受限于實(shí)驗(yàn)條件分析時(shí)并未考慮到空氣中氧氣的干擾，實(shí)驗(yàn)電壓受限，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)橫向?qū)Ρ葮颖据^少?，F(xiàn)有對(duì)交流腐蝕的研究更側(cè)重于地埋管道。如：姜子濤研究了交流線路與管道腐蝕及距離；劉凱峰分析了埋管地線的交流腐蝕現(xiàn)狀。而對(duì)于宏觀的腐蝕過程研究較少，并且已有的對(duì)交流腐蝕的研究并不適用于鍋爐電極的交流腐蝕過程。因此，開展對(duì)高壓電極交流腐蝕的基礎(chǔ)研究就顯得格外重要。

4.5析氫問題

雖然電極鍋爐在調(diào)峰、供暖、儲(chǔ)能等方面有著廣泛的應(yīng)用，但是其本身也存在著安全性問題———運(yùn)行析氫。電極鍋爐的基本原理是用高壓電流來加熱水以實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)化，在這一過程中電極表面在高壓作用下會(huì)伴隨發(fā)生水的電解反應(yīng)，交替的電流導(dǎo)致電極表面會(huì)間隔產(chǎn)生氫氣與氧氣。同時(shí)，由于電解水反應(yīng)所需的電能很小，通常電位在2V及以上即可發(fā)生電解水的反應(yīng)，故電解水反應(yīng)貫穿電極鍋爐運(yùn)行的整個(gè)過程。

運(yùn)行過程中產(chǎn)生的氫氣若未及時(shí)排出，待其與氧氣混合后，混合物會(huì)積聚在蒸汽發(fā)生器回路內(nèi)。而氫氣的爆炸極限是4.0%~75.6%，著火溫度不小于585℃，最低引爆能量?jī)H為0.02MJ。如果聚集的氫氧混合物中氫氣達(dá)到爆炸極限，在進(jìn)行爐內(nèi)檢修時(shí)若存在明火現(xiàn)在或產(chǎn)生靜電條件則會(huì)引發(fā)爆炸。

目前，國(guó)內(nèi)還沒有電極鍋爐運(yùn)行析氫的解決方案。鍋爐在檢修時(shí)由于明火而造成爆爐的現(xiàn)象仍時(shí)有發(fā)生，對(duì)鍋爐維修人員造成了嚴(yán)重的傷害。因此，如何處理可燃性氣體保證系統(tǒng)安全持續(xù)運(yùn)行是急需解決的難題。

5.建議發(fā)展方向

通過對(duì)于行業(yè)內(nèi)普遍存在的問題的分析，明確了當(dāng)前國(guó)內(nèi)電極鍋爐行業(yè)仍然面臨著諸多的技術(shù)難題。這些困難并不是在短時(shí)間內(nèi)能夠攻克的，仍需技術(shù)經(jīng)驗(yàn)的積累以及科技水平的提高。對(duì)此，提議在以下幾個(gè)方面來進(jìn)行專業(yè)技術(shù)攻關(guān)。

5.1電極材料和高壓電極制備工藝

高壓電極蒸汽發(fā)生器產(chǎn)業(yè)界急需攻關(guān)的方向是電轉(zhuǎn)化為熱的大型電極材料。目前，其仍嚴(yán)重依賴進(jìn)口(如瑞典特種合金材料)，在國(guó)內(nèi)的研究及應(yīng)用處于空白。需要攻克高效電化學(xué)催化劑、復(fù)合電極及非石棉復(fù)合隔膜材料開發(fā)三大技術(shù)性難題，建立起能夠制備符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)電極的電極體系。

高壓電極難以大規(guī)模生產(chǎn)制作的關(guān)鍵問題之一是其電化學(xué)催化劑問題。金屬鉑是一種非常理想高效的電化學(xué)催化劑，但是高昂的價(jià)格致使其難以實(shí)現(xiàn)電極的量產(chǎn)。有人提出將鉑催化劑分散于不同的載體制成復(fù)合電極材料，但是在制作過程中不僅要考慮到催化劑的活性、尺寸和表面功能群等性狀，還需要考慮到電子特性和磁化特性，這對(duì)于國(guó)內(nèi)工藝技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)。非石棉復(fù)合隔膜材料開發(fā)是電極制備行業(yè)面臨的一個(gè)難題，其核心制備技術(shù)一直掌握在國(guó)外公司，國(guó)內(nèi)目前還處于研究階段，仍需開展進(jìn)一步地研究。

5.2電極鍋爐運(yùn)行過程中離子檢測(cè)與控制

為提高蒸汽發(fā)生器的安全系數(shù)，避免水介質(zhì)中的電解水析氫反應(yīng)的進(jìn)行，在保證蒸汽發(fā)生器電流傳導(dǎo)性滿足運(yùn)行需求的同時(shí)，需降低水中腐蝕爐體、促進(jìn)析氫反應(yīng)的金屬離子含量。

為了控制蒸汽發(fā)生器水呈堿性、減少氧氣與碳酸含量，需要對(duì)水進(jìn)行軟化和脫鹽；同時(shí)，還需控制爐水中離子不能在爐內(nèi)形成腐蝕或者水垢，且不能隨著熱水蒸汽發(fā)生器溫度升高而有過高的反應(yīng)活性。因此，建議在電極鍋爐外部設(shè)置實(shí)時(shí)離子監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、除鹽裝置及加藥劑量控制裝置。

5.3高濕環(huán)境下H2高靈敏度檢測(cè)

三相電機(jī)交流電作用下，因各種離子的存在使水中存在電子移動(dòng)，電極表面在高壓作用下會(huì)伴隨發(fā)生水的電解反應(yīng)，交替的電流導(dǎo)致電極表面會(huì)間隔產(chǎn)生氫氣與氧氣。如果產(chǎn)生的氫氣達(dá)到爆炸極限，在進(jìn)行爐內(nèi)檢修時(shí)，在明火或產(chǎn)生靜電的情況下，會(huì)引燃?xì)溲趸旌衔铮l(fā)生爆炸。

因此，建議構(gòu)建一套實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)氫氣化合氣組分分析的系統(tǒng)，能夠精準(zhǔn)捕集氫氣組分輸出信號(hào)，并正向反饋給電極系統(tǒng)，進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié)響應(yīng)，及時(shí)阻斷析氫反應(yīng)進(jìn)行，嚴(yán)格控制氫氣化合氣成分比例低于爆炸極限。

5.4高壓電極鍋爐本體與安全防護(hù)系統(tǒng)

高壓電極鍋爐的加熱功率調(diào)節(jié)主要是通過調(diào)節(jié)與電極的接觸水量來實(shí)現(xiàn)的，即通過改變電極間的電阻實(shí)現(xiàn)電功率轉(zhuǎn)換為熱功率。高壓電極采用浸沒式，電極與爐水直接接觸，加熱功率可以在5%~100%范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。

建議對(duì)鍋爐的本體材料、金屬筒體絕緣隔離的安全防護(hù)進(jìn)行重點(diǎn)研究。對(duì)于筒體材料來說，一方面，要防止筒體中的堿性工質(zhì)對(duì)筒體材料造成影響，包括盾體材質(zhì)、進(jìn)水管材質(zhì)和升降設(shè)備材質(zhì)選擇等；另外一方面，需要做好安全絕緣保護(hù)，主要包括進(jìn)出口介質(zhì)管道、接地保護(hù)、高壓電極絕緣及升降設(shè)備絕緣等。

在發(fā)生器運(yùn)行安全方面，建議設(shè)置必要數(shù)量的安全閥，保護(hù)水被蒸干或者全部產(chǎn)生蒸汽的風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于整個(gè)鍋爐運(yùn)行系統(tǒng)需設(shè)置安全溫度控制保護(hù)、壓力控制保護(hù)、水量控制保護(hù)、漏電保護(hù)和產(chǎn)漏氫保護(hù)等安全保護(hù)系統(tǒng)。

6.總結(jié)與展望

對(duì)于電極鍋爐的基本結(jié)構(gòu)原理、當(dāng)前行業(yè)現(xiàn)狀、應(yīng)用現(xiàn)狀與前景以及當(dāng)前存在的問題進(jìn)行了分析，總結(jié)如下：

（1）我國(guó)電極鍋爐企業(yè)已經(jīng)從與海外廠家合作引進(jìn)技術(shù)并改進(jìn)的時(shí)期逐步過渡到通過自身技術(shù)突破在中/低壓電極鍋爐領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了自主生產(chǎn)制造，但是在高壓電極鍋爐方面仍然面臨著諸多難題，還需要進(jìn)一步地研究。

（2）電極鍋爐作為核電站輔助啟動(dòng)鍋爐，在機(jī)組啟動(dòng)及緊急停堆時(shí)發(fā)揮著不可替代的作用?！半p碳”目標(biāo)戰(zhàn)略規(guī)劃下，未來電極鍋爐配合儲(chǔ)熱系統(tǒng)在消納風(fēng)力、光伏等可再生能源發(fā)電、儲(chǔ)汽蓄熱參與電網(wǎng)調(diào)峰、電熱高效轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)冬季清潔供暖與提高農(nóng)村電氣化水平等方面應(yīng)用前景廣闊。

（3）當(dāng)前電極鍋爐制造業(yè)普遍存在的問題在于水質(zhì)、材料、腐蝕與析氫4個(gè)方面。高壓電極鍋爐對(duì)于水質(zhì)要求極高，傳統(tǒng)的鍋爐給水加藥系統(tǒng)并不完全適用；高壓電極材料仍然嚴(yán)重依賴進(jìn)口國(guó)內(nèi)仍難以實(shí)現(xiàn)自主大規(guī)模量產(chǎn)；國(guó)內(nèi)有關(guān)電極鍋爐腐蝕尤其交流腐蝕問題的研究受實(shí)驗(yàn)條件限制，發(fā)展緩慢；運(yùn)行過程中電解反應(yīng)產(chǎn)生的H?，CO等可燃性氣體處理是系統(tǒng)安全持續(xù)運(yùn)行急需解決的難題。

解決當(dāng)前我國(guó)電極鍋爐行業(yè)面臨難題，建議從以下幾方面技術(shù)進(jìn)行重點(diǎn)突破：

（1）需攻克高效電化學(xué)催化劑、復(fù)合電極及非石棉復(fù)合隔膜材料開發(fā)3大難關(guān)，制備達(dá)到國(guó)家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的高壓電極。

（2）揭示H?，CO的生成規(guī)律并研發(fā)抑制技術(shù)與高效處理裝置。

（3）構(gòu)建實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)氫氣化合氣組分分析系統(tǒng)，以應(yīng)對(duì)運(yùn)行過程重大高濕環(huán)境對(duì)于H?高靈敏度檢測(cè)所造成的影響。

（4）重點(diǎn)研究電極鍋爐的本體材料、金屬筒體絕緣隔離的安全防護(hù)，構(gòu)建高壓電極蒸汽發(fā)生器本體與安全保護(hù)系統(tǒng)。

注：原文作者為王昊、董鶴鳴、杜謙、魏國(guó)華。編者有所改動(dòng)。