（机械工程专业论文）20th锅炉热力除氧系统运行参数的动态平衡及设计研究.pdf

摘要 i 工业锅炉及其给水系统的氧腐蚀是一个普遍存在的问题，氧腐蚀的存在导致了 严重的后果：破坏锅炉及其管路系统，严重威胁锅炉的安全运行，极大影响企业正 常生产活动；增加锅炉及其辅机的维修工作量，提高操作和维修人员的劳动强度； 增加锅炉运行成本，给企业带来沉重的经济负担。长久以来，氧腐蚀一直困扰着锅 炉使用单位。 工业锅炉热力除氧技术是从电站锅炉热力除氧技术移植过来的，该技术虽然在 理论上是成熟可行的，但工业锅炉和电站锅炉在运行工况上的巨大差异导致了工业 锅炉热力除氧器在实际运行中出现了许多问题，往往达不到预期的除氧效果或根本 起不到除氧作用。许多单位的锅炉虽然配置了相应的除氧器，但实际上只不过作为 i?。 水箱使用。， 3 本文从工业锅炉和电站锅炉各自的运行特点出发，分析了工业锅炉氧腐蚀的发 生机理和热力除氧器不能正常运行的原因。并以威孚公司的2 0 t h 热力喷雾式除氧 器为研究对象，对原有的热力除氧系统作了一些改进，设计了一套适合与工业锅炉 使用的热力除氧系统，其中增加了一个水量调节器，稳定了除氧器的运行，使除氧 器的运行基本不受锅炉负荷变化的影响，除氧器能以预先设定的工况工作，迸水达 到连续而均匀，除氧器处于最佳的运行状态，提高了除氧效果。通过合理的计算假 定，建立了相应的数学模型，并列出了微分方程，得出了热力除氧器从启动到正常 运行过程中除氧器内部压力、温度的变化规律，并用实验加以验证。从而为后续的 热力除氧系统的控制及进一步改造提供了理论依据。 关键词：工业锅炉除氧器氧腐蚀热力除氧动态平衡系芬 t h e d e s i g na n d r e s e a r c h0 1 1t h et h e r m a lp a r e m e t e r so f t h e d y n a m i c b a l a n c eo ft h e2 0 t hb o i l e r st h e r m a ld e o x i d i z es y s t e m a b s t r a c t ：o x y g e n c o r r o s i o ni su b i q u i t o u si nt h ei n d u s t r i a lb o i l e r sa n dt h e i r f e e d w a t e rp i p es y s t e m ，w h i c hc a t l s , c sas e v e l l er e s u l t = d e s t r o y i n gt h eb o i l e ra n di t sp i p e s y s t e m ，t h r e a t e n i n g t h es a f e t yr u n n i n go ft h eb o i l e r ；i n c r e a s i n gm a i n t e n a n c ew o r k l o a d a n d a d d i n g t h ec o s t so f t h er u n n i n g f o ral o n gt i m e ，m a n yc o m p a n i e sa r ep u z z l e db yt h e o x y g e n c o r r o s i o n t h et h e r m a ld e o x i d i z et e c h n i q u eu s e di ni n d u s t r i a lb o i l e r si sr e p l a n t e df r o mt h e e l e c t r i cb o i l e r s a l t h o u g ht h et e c h n i q u ei sf e a s i b l ei nt h e o r y ，g r e a td i f f e r e n c eb e t w e e n t h et w ok i n d so fb o i l e r sb r i n g s0 1 1l o t so f p r o b l e m si nt h er u n n i n go f i n d u s t r i a lb o i l e r s d e a e r a t o r a n dt h ee x p e c t e dd e o x i d i z ee f f e c ti si n v a i l a b l ei nm o s tc a s e s ，t h ed e a e r a t o r s i nm o s t c o m p a l l i e $ a r eo n l yu s e d a saw a t e r - - t a n k a tf i r s t ，i nt h ed i s s e r t a t i o n ，i a n a l y z e t h e h a p p e n i n g o f t h eo x y g e nc o r r o s i o na n dt h e r e a s o n st ot h eb a d l yr u n n i n go f t h ed e a e r a t o ra c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r so f t h et w ok i n d s o f b o i l e r s a n dt h ed e a e r a t o ro f w e i - f uc o m p a n yi sr e g a r d e da sr e s e a r c h i n go b j e c t ，i m a k es o m ec h a n g e so i lt h eo l dt h e r m a ld e o x i d i z es y s t e ma n dd e s i g nan e ws y s t e m w h i c hf i t si nt h ei n d u s t r i a lb o i l e r s i nt h en e w s y s t e mia d daf l u x - a d j u s t o r ，w h i c hc a l l m a k et h ed e a e r a t o rr u ns t a b l y ，a n da l s oc a l li n c r e a s et h ee f f e c to ft h ed e a e r a t o r t h e ni f o u n dt h ec o r r e s p o n d i n gm a t h e m a t i cm o d e l s ，w h i c hc a nh e l pu sk n o wt h er u l e so f v a r y i n go fp r e s s u r ea n dt e m p e r a t u r e i nt h ed e a e r a t o rf r o ms t a r t i n gu pt or u n n i n gs t a b l y a tl a s t ，iv a l i d a t et h er e s u l t sw i t has e r i e so f e x p e r i m e n t sa n d p r o v i d e t h ea c a d e m i cb a s e f o rc o n t r o lo f t h et h e r m a ld e o x i d i z e s y s t e m k e y w o r d s i n d u s t r i a l b o i l e r t h e r m a ld e o x i d i z e d c a e r a t o r o x y g e n c o r r o s i o n d 。、j n a m i cb a l a n c es y s t e m 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题背景： 我国目前在用的工业锅炉约有4 0 万台，由于劳动部门对锅炉的设计、制造、安装 等采取了严格的监督措施，因而因锅炉设备质量和安装质量引起的锅炉事故已大幅度 下降。但锅炉的运行事故仍在不断发生，其中由水质问题引起的事故占锅炉运行事故 的比例相当大，尤其是因氧腐蚀原因引起的事故占很大比例。 许多锅炉因氧腐蚀严重而报废，其主要原因是对于小型工业锅炉的氧腐蚀问题不重 视。因为氧腐蚀过程一般比较缓慢，是一种长时间的电化学腐蚀，不会很快造成恶果。 使锅炉使用单位认为除不除氧问题不大，另一方面，除氧器运行费用增加较多，给运 行管理也带来麻烦。 氧腐蚀的存在导致了严重的后果： ( 1 ) 破坏锅炉管路系统，严重威胁锅炉安全运行，极大地影响着企业的正常生产； ( 2 ) 增加锅炉及其辅机的维修工作量，提高了操作和维修人员的劳动强度； ( 3 ) 增加锅炉运行成本，给企业造成沉重的经济负担。 国家水质标准中明确规定；蒸发量大于6 t i 的锅炉均应除氧，大于或等于4 t i l 的锅炉应尽量除氧。对于蒸发量1 0t ，h 的锅炉，其给水中的溶解氧浓度必须小于 0 1 m 班。 目前，大多数额定蒸发量在4 讹以上的蒸汽锅炉采用热力式除氧器。 热力除氧器要求运行中负荷波动不大，进水必须连续均匀，负荷低于设计量的3 0 时效果就欠佳，而工业锅炉在运行中负荷变化都比较大，同时，热力除氧器运行中必 须消耗较多的蒸汽，这也是造成热力除氧器不能使用好的客观原因之一。综观全国， 能正常运行的锅炉热力除氧器屈指可数，锅炉氧腐蚀普遍存在。因而锅炉检验员在锅 炉检验过程中经常发现许多锅炉产生氧腐蚀，轻者斑斑点点，重者钢板穿孔。 我公司目前在用的除氧器是由锡山市锅炉辅机厂生产的2 0 f i b 热力喷雾式除氧器， 是由大气盘式热力除氧器改进而来的。进水压力为o 1 5 o 2 表大气压，除氧水箱有效 容积为5 m3 , i 作温度为1 0 4 ，其内部为二级除氧，一级为加热脱氧，二级为填料层 加热脱氧。但由于种种原因，除氧器不能正常工作，除氧效果不理想，实际上只起到 软水箱的作用。锅炉及热力系统的氧腐蚀很严重。特别是给水管路上的阀门、锅炉水 位表腐蚀最为严重，需要经常检查、更换。另外，锅炉上下锅筒也相继产生了o 5 1 5 m m 的锈蚀，不但增加了维修人员的工作量，也是锅炉安全运行的一大隐患，更严重威胁 着公司的正常生产，极大的抑制了企业的进一步发展。 因此，如何减缓或消除锅炉中的氧腐蚀已逐渐成为水处理技术的一项热门课题。本 人认为：企业在现有的除氧设备除氧效果欠佳的基础上适当进行一些改造，可以改善 第一章绪论 除氧器的工作条件，稳定除氧器的运行，明显提高除氧效果。 给水除氧的意义在于： ( 1 ) 防止锅炉及热力设备的腐蚀和传热变坏，延长设备使用寿命，保证锅炉及热力 系统的正常、安全、经济运行，确保企业正常生产： ( 2 ) 改善操作工人的劳动环境，降低工人劳动强度； ( 3 ) 节约资源，降低锅炉运行成本，提高企业经济效益。 1 2 本课题的研究任务： 目前我公司的熟力除氧器在运行过程中遇到了如下问题： ( 1 ) 除氧器的溢水问题：当进入除氧器的加热蒸汽压力偏高或流量偏大时，软水会从 溢流管中溢出，造成浪费： ( 2 ) 进入除氧器的蒸汽压力、和软水温度、流量之间的关系较难确定，难以调整： ( 3 ) 进入除氧器的软水流量与进入锅炉的除氧水量很难达到平衡： ( 4 ) 进入除氧器的软水流量较难调整。 针对上述问题，本课题在分析热力除氧原理的基础上，设计套新的热力除氧系 统，增加一个水量调节器，解决工业锅炉负荷、压力的波动对除氧器实际运行工况的 影响。同时，从理论上推导出热力除氧器各运行参数相互关系的状态方程式，并用实 验验证其合理性，不断修整其系数，使其更符合实际情况，从而确定除氧器运行的最 佳参数组合，使工业锅炉热力除氧器的除氧效果有明显的提高。 第二章热力除氧原理 第二章热力除氧原理 2 1 氧腐蚀： 2 1 1 氧腐蚀机理及特征： 氧是很活泼的元素，氧化能力很强，除金属a u 、p t 以外，绝大多数金属能与氧化 合生成金属氧化物。 溶解氧对金属的腐蚀叫电化学腐蚀。金属铁与氧在介质中形成了两个电位不同的电 极，金属铁的电位低，容易失去电子成为带正电荷的铁离子： f e - 2 e = f e 2 + 氧的电位高，在介质中容易得到电子成为水化离子： 0 2 + 2 地( ) + 4 e = = 4 0 h 一 金属铁被氧化，是阳极：溶解氧被还原，是阴极。将以上两个式子相加，组成一个 原电池反应方程式： 2 f e + o ：+ 2 h ：o = 2 f e ( o h ) ： 由于金属铁遭到破坏，所以叫这类电池为腐蚀原电池。 金属遭到破坏生成的产物，不完全以金属阳离子存在，它会得到水中某些物质成 为铁的化合物。这种进一步反应的过程n t t - 次过程，生成的产物叫二次产物，反应式为： f e 2 + + 2 0 h 一_ f o h ) 2 f e ( o h ) ：在水溶液中很不稳定，容易与水溶液中的氧发生进一步的反应： 4 f e ( o h ) , + 2 1 - h o + o 产4f e ( o i - i ) ， 水溶液中的f e ( o h ) 2 与f o h ) 3 相碰撞以后会继续作用生成： f e ( o h + 2f e ( o h k = i f e , o , + 4 i - h o 以上生成的腐蚀产物，除少量被水带走，大多数沉积在金属表面，形成了宏观上的腐 蚀产物。如图2 1 。 匹5 s 玉基s s s 旦 ( a ) 图2 一l 氧腐蚀产物 一 第二章热力除氧原理 这种腐蚀产物疏松多孔，尽管覆盖在金属表面，但仍有渗透作用，溶解氧扩散到 金属表面的速度比扩散到腐蚀产物中的速度要快，这样在腐蚀点周围和腐蚀产物之间形 成了氧的浓差电位，氧浓度高的部位是阴极，氧浓度低的部位是阳极，形成了一个腐蚀 微电池，产生了微电流，腐蚀继续向阳极方向发展。腐蚀产物下部产生的f e2 + 向上通 过二次产物慢慢向外扩散，遇到渗进去的o h 一、0 2 时，便形成了新的二次产物，使原 有的腐蚀产物不断增多，加速了金属的腐蚀。金属铁氧腐蚀产物的特征，见表2 一l 。 表2 - 1金属铁氧腐蚀产物的特征 名称颜色性质密度物理性质 f e ( o h ) 2 白吸磁性 34 1 0 0 。c 分解生成f e 3 0 4 t 1 2 f e o 黑吸磁性 5 4 575 7 0 c 生成f e 3 0 4 和f e f e 3 0 4黑 铁磁性 52 1 9 5 0 。c 熔化 a f e o o h 黄吸磁性 42 7 0 0 c 失水生成a f e 2 0 3 b f e o o h浅褐色2 3 0 c 失水生成c t - f e 2 0 3 q f e 2 0 3 砖红至黑色1 4 5 7 c 时才能起分解反应 y f e 2 0 3 褐色高温能转变成n f e 2 0 3 注：f e ( o h ) 2 在有氧的环境中极不稳定，不同条件下转变成为a - f e o o h 、y - f e o o h 或f e 3 0 金属表面氧腐蚀以后，呈现各种大小不等的小鼓包，腐蚀产物最外层是砖红色或 黑褐色，基本上属于f e 2 0 3 一类的产物；次外层是黑色粉状物质，基本上属于f e , o 。的物 质：最底下附着于金属表面的黑色物质，一般认为是f e o 一类的物质，清除掉腐蚀产 物以后，金属表面呈现出大小不等的坑凹图2 - i ( c ) ，有的呈点状蚀坑图2 1 ( a ) ，有的 呈溃疡状蚀坑图2 1 ( b ) 。总之，腐蚀产物占的面积越大，金属表面上形成的坑凹面积 就越大；腐蚀产物形成的小鼓包堆积越高，金属表面留下的蚀坑就越深。 2 1 2 氧腐蚀的部位： 氧对金属腐蚀的部位取决于溶解氧的含量与运行条件。由于各部位的温度、压力 不同，表现出的腐蚀能力也不尽相同。蒸汽锅炉溶解氧腐蚀主要发生在给水系统、补给 水系统的管道中、锅筒补给水管周围、给水汇集槽、挡水板、烟管、对流管口、管板、 集箱内壁等处。 2 1 3 影响氧腐蚀的因素： ( 1 ) 氧的浓度： 第二章热力除氧原理 一般情况下，溶解氧的浓度越高，金属腐蚀速度就越快。但是氧对金属的作用是双 重性的，一方面氧是取极化剂，加速对金属的腐蚀。但当氧对金属腐蚀过程中所产生的 微电流达到了极化电流时，腐蚀速度就下降，氧起到了促进保护膜成长的作用，对金属 起到了保护作用。 根据实验，溶解氧 鼍 的浓度达到 主0 5 8 6 0 m 扎时对金 艘o 4 属腐蚀起抑制作 基0 3 是次要的，氢离子主要起破坏 金属保护膜的作用。p h 7 时，溶液中的氢离子浓度占主 要地位，此时的腐蚀以析氢为 主，吸氧反应虽然同时存在， 但不是主要作用。 ( 3 ) 温度： 在锅炉系统中，由于系统 密封，温度升高以后，氧腐蚀 速度加快，如图2 3 。 2 04 06 0 舯1 0 01 2 01 4 0 水沮 图2 - 3 腐蚀速度与温度的关系 因为氧腐蚀的基本原理 是靠扩散，氧扩散速度越快，腐蚀速度就越快。如果温度升高到脱氧温度时，气体氧随 蒸汽进入蒸汽系统，水侧的腐蚀相应减小。 温度对腐蚀速度的影响与锅炉的结构、参数、运行条件等有密切关系。条件不同 腐蚀产物也各有特点。总之，在常温下，腐蚀产物疏松多孔，腐蚀坑凹面积大；在高温 第二章热力除氧原理 下，腐蚀产物致密、坚硬、腐蚀坑亦深。 ( 4 ) 中性盐： 炉水中的阴离子主要是硫酸根和氯离子，两种离子对金属都有浸蚀作用，能加速 金属的腐蚀。关于氯离子加速腐蚀的机理尚不统一，用范德华力的观点来解释：c l _ 是 单阴离子，容易变形，f e2 + 是外层不规则的离子，也容易变形极化：从吸附理论上解释： 对于有活泼金属的表面，c l - 容易吸附，对于有膜存在的部位，由于c l 一的半径小，容 易渗透到膜内部从而加速了腐蚀。以上两个理论都说明了中性盐对腐蚀的影响。反应方 程式为： 2 f e “+ 托。眸 0 2 + 8 c l 一= 2 ( f e c l ) 一+ 2 0 h 一 水溶液中即便溶解氧含量低，但中性盐含量高，此时溶液的电导率也大，实际上 是起加速腐蚀的作用。 2 1 4 氧腐蚀的防止： 防止氧腐蚀的方法，主要是给水除氧。让给水中的溶解氧达到水质标准的要求， 保证锅炉安全经济运行。 多年来给水除氧成熟的方法主要有热力除氧和化学除氧。 熟力除氧按照加热的方式分为混合式除氧和过热式除氧。适用于低压锅炉的是混 合大气式除氧器。热水锅炉和蒸发量小于2 t h 的蒸汽锅炉，因为没有充足的热源，应 采用化学除氧。 2 2热力除氧原理： 热力除氧是建立在亨利定律和道尔顿定律的基础上的。亨利定律指出：当液体和 气体处于平衡状态时，对应一定的温度，单位体积液体中溶解气体的量与液面上该气体 的分压力成正比。对于水和气体，其表达式为： b - k 旦 风 ( 2 - 1 ) 式中：b 气体在水中的溶解量； p 平衡状态下水面上该气体的分压力( 绝对压力) ； p 。物理大气压力： k 该气体的重要溶解度系数，随气体的种类和温度而变。 当水中气体的溶解度为b m g l 时，根据上式可求出水面上该气体的分压力。由于 此压力与水中的气体溶解量相对应，故称之为平衡压力p 。： 第二章热力除氧原理 b p 。2 y p o ( 2 - 2 ) 显然，如果此平衡压力大于该气体在水面上的分压力，则该气体将自水中离析出 来，直至达到新的平衡状态为止。 道尔顿定律为加热法清除水面上的气体提供了理论基础。该定律指出：混合气体 的分压力等于各组成分压力之和。据此，如果将水定压加热，水面上水蒸汽的分压力将 增加，相应地水面上其他气体的分压力将降低，气体在水中的溶解度也随之降低。 在一个敞口容器中，各种气体的分压力之和等于气体总压力。在水溶液中当温度 提高到相应的饱和温度时，就不再有气体溶解，根据次原理，水面上水蒸汽压力和外界 压力相等时，其它气体的分压力就等于零，因此这时其它气体在水中的溶解度也等于零。 表2 _ 2 列出了水中溶解氧和压力、温度的关系。 依据 以上两点， 表2 - 2 水中溶解氧与压力、温度关系 水面上压力水温 ( ) ol o2 0 3 04 05 0 6 07 08 0 9 01 0 0 ( 绝对大气压)含氧量 i m g r t ) i1 41 0 8887 51 6 25 447362 6i60 o 81 18 575754 23 42 61605o 0 68 - 36 434337 32 31 7o80o 0 45 74 23 5272 21 71 10 400o o22 82l61 412l0 400oo 0 1120 90 8o50 20o0000 热力除氧的原理是：在定压下 将水加热至其沸点，使水蒸汽 的分压力几乎等于水面上的 全压力，其他气体的分压力就 趋于零。于是溶于水中的那些 气体就几乎完全自水中逸出 而被清除。如图2 - 4 。 因此，用热力除氧法去除 水中溶解的气体必须做到以 下两点：首先，必须把水加热 【 心 弋 沁 oi o2 03o o5o6 07 0 8 09 0l o o ! 0 12 0 温度 囤2 - 4 钶埭庸与浪席的羊磊 幅h瓢剃o o 。： f 1 口 第二章热力除氧原理 到除氧器工作压力下的饱和温度。否则少量的加热不足，都足以使水中残余氧含量达到 不能允许的程度。如在大气压力下将水加热不足仅为】时，水中含氧量就会达到 0 2 m g l 。其次，还必须及时将水中逸出的气体排走，以保证水面上这些气体的分压力 减至零或最小。 由于热力除氧是一个传质过程，所以将水加热到相应压力下的饱和温度只是创造了 从水中完全除去气体的必要条件，要使气体真正能从水中全部离析出来，就必须满足传 质过程的条件，根据传质理论，气体自水中离析出来的量由下式决定： g 2 k 。f a p( 2 - 3 ) 式中：e 一离析的气体量： k 一传质系数或离析系数； f 液体和气体的接触面积； p 一平衡压力和实际压力之差，又称不平衡压羞。 可见，热力除氧方法实际能去除的气体量还取决于水气接触面积f 和不平衡压差 a p 的大小。 为了评估热力除氧的有效性，有必要对气体从水中离析出来的过程进行一些分析。 气体的离析过程可分为两个阶段。 第一阶段：除氧初期。此对由于水中气体较多，a p 较大，相应的不平衡势也较大， 气体能以小气泡形式克服水的表面张力而机械离析出来。此阶段大约能去除水中气体的 8 0 9 0 。水的含氧量约为0 0 5 0 1 m g l 。 第二阶段：除氧的最后阶段( 或深度除氧阶段) 。此时水中只残留很少量的气体， 相应的p 很小，这些气体已没有能力克服水的表面张力而逸出，只能靠单个分子的扩 散作用而缓慢离析出来。这时可用加大水气接触的水膜面积和造成水的紊流来加强扩散 作用。还可利用蒸汽的鼓泡作用来强化深度除氧。 2 3 热力喷雾式除氧器简介及工作过程： 2 3 1 热力除氧器构造的基本要求： ( 1 ) 水应能加热至相应于除氧器工作压力下的饱和温度，如不能加热至沸点，则气体不 能充分逸出，从而达不到良好的除氧效果； ( 2 ) 水要喷散至足够细度，并在整个除氧头截面上均匀分布，使汽水分界面积达到最大。 因为虽然从理论上讲，只要达到沸点，气体的溶解度就为零，但是，实际上在加热至沸 点的水中，气泡停止逸出后，仍有一些溶解气体，这些气体要被完全去除，就需要很长 的时间。要是汽水分界面越大，这些遗留的气体就放出越快，要是水在除氧头截面上分 第二章热力除氧原理 布均匀，就可以防止局部除氧效果不良： ( 3 ) 除氧头应有足够的截面积，使蒸汽有自由通路，以避免头部发生水击； ( 4 ) 应使不凝结的气体可以由除氧头充分排出，否则会增加水中残留氧气的浓度，影响 除氧效果。除氧头向外排汽的量，一般为蒸汽流量的5 1 0 。 2 3 2 结构及工作过程： 如图2 5 所示，除氧器由除氧头和除氧水箱构成，除氧头分为上、下两个本体，直 径为0 8 0 0r a m ，上、下本体由法兰连接，下体与直径为巾1 8 0 0m m 的除氧水箱相连。 图2 _ 5 热力喷雾式除氧器 l 除氧水箱：2 - - 蒸汽分配器：3 填料层；4 进水管；5 - 喷嘴； 6 一支管；7 _ | 气管；8 一圆锥形挡板；9 _ 悄头l 体；l o - - 燃t 6 本； 1 1 进汽管。 要除氧的水，由上本体上部的进水管进入，进水管为0 7 6 4n a n 的无缝钢管，以 次管为主管，在它两边连接有互相平行的支管，从而形成喷水管网，支管为0 4 4 5 3 5 , r a m 的无缝钢管，在喷水管网上装有2 1 个喷嘴，喷嘴为顺排，节距纵横均为1 2 0 衄， 水经喷水管网流入喷嘴，通过喷嘴被喷成雾状。下本体中有两层孔板，孔板之间约有 0 3 m 3 的容积，盛有4 0k g 左右的铝制填料( 也为q 元件) ，雾状水滴经填料层，然后落 至除氧水箱。 蒸汽由本体的进汽管( 】5 9 4 5m m ) 进入，通过蒸汽分配器( 由0 3 0 0 衄圆管制 成) 向上流动，气及部分蒸汽最后经上本体顶部的圆锥形挡板折流，由排气管排出。 2 3 3 热力除氧器存在的运行问题： 热力喷雾式除氧器在运行中经常遇到一些问题，主要有： 9 第二章热力除氧原理 ( 1 ) 除氧器加热蒸汽量过多或压力过高，会引起除氧水箱内压力飞升，破坏水封， 除氧水箱中的软水会从溢流管中溢出，造成浪费。同时也会造成锅炉缺水的严重事故隐 患。 ( 2 ) 工业锅炉负荷变化很大，蒸汽压力也不稳定，热力除氧器进水不连续或不均匀， 加热蒸汽量偏少或压力偏底时，软水温升不够，导致除氧效果不理想。 ( 3 ) 熟力喷雾式除氧器的运行操作相当麻烦，由于工业锅炉运行状况很不稳定，负 荷、汽压经常变化，要保证有理想的除氧效果，必须随时调节加热蒸汽量和进水量，保 持除氧汽内汽压、水温稳定及除氧水箱的水位稳定，而这些运行参数要靠操作人员手动 调整，是非常困难的。 2 4 工业锅炉与电站锅炉热力除氧器的比较 热力除氧是非常 成熟的除氧技术，其所 涉及到的理论和方法都咛 已经过实践检验，一直 童 善 为电站锅炉给水除氧所 j 0 第二章热力除氧原理 ( 2 ) 工业锅炉的 运行方式多种多 样，间断性时开时 停者很多，负荷忽 高忽低、汽压忽上 忽下者更是常有的 事。特别是机械企 业，以我公司为例： 早、中、夜三班情 况各不相同，甚至 1 51 6l t1 81 92 02 l2 22 3 ( 时) 图2 _ 6 ( b )锅炉蒸汽压力与时间的关系( 中班) 在同一个班次内各部门的生产、生活用汽量也有很大的差别。如图2 - 6 ( a ) 、2 - 6c b ) 及图2 7 。 除氧器的 运行参数 无法及时 调整。试 想，锅炉运 行就不稳 定，除氧设 备要想稳 定运行是 不可能的， 78 91 01 11 21 31 41 5 ( 时) 也是不现实的。而电站锅炉则不同，锅炉运行相当平稳，连续性极好，进水连续而均匀 进水温度也相对恒定。热力除氧器的运行参数基本不需调整。 趔 第三章热力除氧系统设计 第三章热力除氧系统设计 3 1 设计方案： 上一章已提到，工业锅炉热力除氧器不能有效除氧的主要原因是锅炉运行不稳定， 导致除氧器进水不连续不均匀，除氧器的运行参数得不到及时调整，除氧器不能在最 佳的运行状态下工作。除氧效果受到锅炉运行状态的直接影响。反观电站锅炉热力除 氧器，其热力除氧技术应用非常成功，也就是说，模拟电站锅炉热力除氧器的工作环 境，使工业锅炉热力除氧器稳定工作，必定能达到预期的除氧效果。那么如何在不改 变锅炉运行状态的前提下，使工业锅炉热力除氧器的进水连续而均匀，除氧器处于最 佳的工作状态昵? 我们有如下思路： 原来的给水流程为：软水勇窭= 热力除氧器磁水泵c 省煤器令锅炉 现改为：软水泵= = 热力除氧器c 冷水量调节器给水泵专省煤器 c 令锅炉 可以看出：新的除氧系统中增加了一个水量调节器，它的作用是：当除氧器的工作 负荷大于锅炉的工作负荷时，调节器可以储存多余的除氧水，在除氧器负荷小于锅炉 负荷时，这部分除氧水可以进行补充。这样，除氧器能以预先设定的工作负荷运行， 它的进水量基本不受锅炉负荷波动的影响，达到连续而均匀，除氧器处于较理想的工 作状态，从而能够取得良好的除氧效果。 3 2 除氧器负荷确定： 3 2 1 基本情况： 根据锅炉负荷变化规律及季节变化，我公司的用汽情况基本如表3 1 ： 表3 1 威孚公司全年用汽情况 季节早班( t )中班( t )夜班( t ) 冬季6 55 51 0 春、秋 4 92 0 基本无 夏季 4 01 5 基本无 一般情况下，每天有两个产汽高峰：8 ：3 0 1 l ：0 0 和1 2 ：o o 1 5 ：0 0 。 第三章热力除氧系统设计 这样，每天的锅炉负荷为：( 早班为产汽高峰，中、夜班产汽教平稳。) 表3 2威孚公司锅炉产汽情况 季节早班( 讹) 中班( t h )夜班( t m ) 冬季9 5 6 2 5l2 5 春、秋 725基本无 夏季 6i2 5 基本无 由于冬季锅炉负荷最重，变化也最大，计算是以冬季为例，根据负荷分配情况， 除氧器的工作负荷为( 除氧器的工作负荷必须大于其额定负荷的3 0 ，否则除氧效果 会欠佳。) ： 表3 3锅炉、除氧器运行负荷对照表 除氧器负荷锅炉负荷加热蒸汽量水量调节器存水 时间 ( t h )( t h )( t m )( t ) 7 ：1 5 8 ：3 047 1 1 ：0 09537 7 512 8 1 2 ：0 03 59 1 5 ：0 09568 1 6 ：0 058 6 61 - 2 4 ：0 06 2 5 1 48 n 7 ：1 5o1 2 5o48 其中1 6 ：o o 锅炉排污o 7 t 。 根据上表，进入除氧器的软水流量和加热蒸汽流量为： 8 2 8 ( 1 5 - - 7 2 5 ) 十7 9 = 1 2 7 t ， 锅炉产汽量为：6 5 + 5 0 + 1 0 = 1 2 5t 。 水量的平衡可由调节阀和调整除氧器开启时间来控制。 3 2 2 加热蒸汽量的计算( 以冬季为例) ： 第三章热力除氧系统设计 加热蒸汽压力：0 4 m p a ，软水温度：l o 。 除氧器工作负荷为75 t h a 时： 查表得：t = l o * c ：= 4 1 9 9 k j k g t = 1 0 4 。c h ；= 4 3 59 5 k j k g 查表：p = 5 b a r ( 绝对压力) 时， 。= 2 7 4 8 5 k i k g ，v ”= o 3 7 4 8 1 m 3 k g 能量平衡，设所需加热蒸汽流量为q 培h ，则： q h + 7 5 0 0 h ：2 ( q + 7 5 0 0 ) h ：( 3 一1 ) 即q 2 7 4 85 + 7 5 0 0 4 1 9 9 = ( q + 7 5 0 0 ) 4 3 59 5 解得 q = 1 2 8 0k g h = l2 8 t h 同理，除氧器负荷为6 h 时，可得q = l t h 。 3 3 水力计算与热力计算： 3 3 1 水力计算： 考虑到公司经营规模的不断拓展，计算时取除氧器满负荷运行时的参数 热网水力计算的主要任务： ( 1 ) 按已知的热媒流量和压力损失，确定管道的直径： ( 2 ) 按已知的热媒流量和管道直径，计算管道的压力损失； ( 3 ) 按己知的管道直径和允许压力损失，计算或校核管道中的流量。 沿程损失( 比摩阻) r 、管径d 、流量g ，之间的关系式为： 肚6 8 8 x l o - 3 。豢 p m ( 3 - - 2 ) 删瑚，簪 m。_ ， g = 1 2 。6 地k e o 1 竺2 ，： 讹 ( 3 一) 式中：r 每米管长的沿程损失( 比摩阻) ，p a m g 管段的热媒流量，t h d 管道的内径， 1 1 1 星三兰垫查堕墨墨堕堡生 p 热媒的密度k g m 3 k 管壁的当量绝对粗糙度，1 1 1 对于热水网路，取k = 5 1 0 4i t i 对于蒸汽管路，取k 宅x 1 0 1 4m 考虑到公司经营规模的不断拓展，计算时取除氧器满负荷运行时的参数： q 2 7 4 8 5 - f 2 0 0 0 0 x 4 19 9 = ( q + 2 0 0 0 0 ) x 4 3 5 9 5 解得：q = 3 4 1 3k g h = 3 4 1 3 t b _ 主加热蒸汽管： g ，3 3 4 1 3 t h ， k = 2 1 0 4m 查水和水蒸汽热力性质图和简表得： 矿铷3 7 4 8 1m 3 蚝 = 专观6 6 8 k g m 3 查供热工程附录1 1 1 得： 4 - - 0 1 2 5 m ； k 。7 7 n l s ； r 2 5 2 2 3p a m 。 由于附录1 1 - 1 中的数据是按p = 1k g m 3 计算的，实际计算时必须进行修正： v - 与k ：上x 7 7 ：2 8 8 6 m s 口8 1 2 6 6 8 肛寺r = 蕊1 5 2 2 3 = 1 9 5 7 6p “m 根据式( 3 2 ) 、( 3 3 ) 、( 3 _ 4 ) ： 五 怒丽 筘酽 m 如 f “ m m ，、 融 8 喁 锹 僦 刊 第三章热力除氧系统设计 d=。s，而ko0476g,o,s, 一o，s，篆6筹681 9 68 6 o f 2 w - - 0 1 2 5m g ，观。s 娑 啦瞒堕等器掣丝 流量g ，与流速v 的关系式为 g ，= 3 6 v a , o k o9 蒯2 vp ” 式中：g 加热蒸汽流量，讹 加热蒸汽密度， k 蒸汽流速， 爿管道截面积， 矿：生一 0 9 耐2 p 。 3 4 1 4 0 9 3 1 4 0 1 2 5 2 2 6 6 8 = 2 89 7m s 经校核，d n l 2 5 的管道内蒸汽的流量为3 4 1 4t h ，流速为2 8 9 7m s ，符合国家标 准的有关规定。 同理可得辅助加热蒸汽管的管道内径为d n 8 0 ，选取中8 9 x 4r a t a 无缝钢管。 除氧器出水管： 由于除氧器出水管上没有安装水泵，经过除氧的水只是依靠重力回流作用流至水 量调节器的，除氧器出水口与水量调节器迸水口的标高差为6m ，管段长度为3 0m ， 管路上有冲压弯头1 2 个，电动调节阀1 个，闸阀1 个。 1 6 矿 献时 唔 笙三兰垫垄睦墨墨堑堡生一 除氧水温1 0 4 c ，查水和水蒸汽热力性质图和简表得： v ，= o 0 0 1 0 4 6 9m 3 k g ，p ，：三：9 5 5 2 k g m 3 v 另查供热工程附录9 一l 得： v = i 8 6m s ， 管道内径为d n 6 5 姗。 ( 1 ) 局部阻力损失嵋： 嵋= e ( p z v ： 式中：尸管路的局部阻力损失， f 管路的总局部阻力系数 r = 8 1 8 9p a m ， ( 3 5 ) p a 口管道内介质的密度， k g m 3 矿管道内介质的流动速度， m s 查供热工程附录9 2 得： f = 1 2 o 5 + 6 + 6 2 1 8 根据式( 3 5 ) ： 丝：1 8 。! ! ! ：! ：! ：墅 1 = 2 9 7 4 1 5 p a ( 2 ) 沿程损失a 只： 此= r ( 3 一) 式中：只沿程损失， p a r 管路的平均比摩阻，p a m ，管路长度， m 根据式( 3 一) ： 帔2 8 1 8 9 x 3 0 第三章热力除氧系统设计 = 2 4 5 6 7p a ( 3 ) 管路总压力损失j d ： 醢2 世i 醯p = 2 9 7 4 1 5 + 2 4 5 6 7 = 5 4 3 0 8 5p a ( 4 ) 管内介质流速校核： 尸一p ：丝 v = 2 1 9 7m j s 1 8 6m l s 由于管路上没有安装水泵，除氧水是在重力作用下流至水量调节器的不损失任何能 量，介质流动速度大说明管道通流能力强，容易满足流量对管径的要求。由此可知， 流速符合流量要求。 ( 5 ) 流量校核： 由式( 3 - 4 ) ： g t = 1 2 埠娑 式中k = o 0 0 0 5 m g 矿垃嗽堕等磐 = 2 5 6 5t t h g ，2 = p v a 第三章热力除氧系统设计 = 9 5 5 2 。1 9 7 。! ：! ! ：! ：! ! ： 4 = 72 3 8k g s = 2 6 0 6t h 可见运用两种方法计算出的流量值g ”g ，：均大于除氧器满负荷运行时的流量要 求，管径的选取满足要求。 3 3 2 热力计算： 热损失计算： 主加热蒸汽管 辅助加热管 除氧器出水管 中1 3 3 4 衄无缝钢管 中8 9 4 衄无缝钢管 0 7 6 4 衄无缝钢管 3 0 m 3 0 m 3 0 m ( 1 ) 除氧器散热： 妒而黯0 删 w_ s ， 式中： q 除氧器热损失 w f 除氧器内的热媒温度 r 。除氧器周围环境温度 r 从热媒到管内壁的热阻 r = 丽1 m + w a 。从热媒到管内壁的放热系数w 盯- 以管子内径 m m - w “一以 姗 土地 壁 = 管 墨 咚 第三章热力除氧系统设计 以管材的导热系数 w n l d 。管子外径 m r 。保温材料的热阻 r = 击- n 专 ， l“ 以保温材料的导热系数 吐保温层外表面的直径 m - w w m m 尺。从保温层外表面到周围介质( 空气) 的热阻 r w - l 删：口， m w 口。= 1 1 6 + 7 石 w m 2 v 保温层外表面附近空气的流动速度m s l 长度m 附件、阀门、补偿器、支座等的散热损失。 附加系统取口= o 2 5 。 以除氧头为例， 热媒对金属内壁的热阻r = 芴z 1 删口一 ：! 一 3 1 4 0 8 5 0 0 = 7 9 6 1 0 。m w 金属壁的热阻毽。击l n 鲁 i 0 8 1 2 2 一l n 一 2 3 1 4 x 4 7 5o 8 = 4 9 9 1 0 m w 第三章热力除氧系统设计 保温材料的热阻r = 云l n 毒 l 2 3 1 4 0 0 3 3 = i 1m w 1 。旦生 08 1 2 从保温层外表面到周围介质( 空气) 的热阻 驴去 ：! 一 3 1 4x 1 0 2 1 16 = 2 6 9 1 0 m w 堕：! ：墅：! ! ：2 9 4 1 0 - a = 2 9 4 r6 9 。w 21 0 生：! ：! ! ：! ! ：! “8 5 5 1 0 ，= o 1 8 5 5 = l ) ) x l u = i ii ) ) 7 n 可见热媒对管内壁的热阻r 和金属壁的热阻r 。与保温材料的热阻r 。和从保温层 外表面到周围介质( 空气) 的热阻j r 。相比较数值很小，在实际计算中可忽略不计。则 q = 最( 1 + 砂2 t 竖- - 1 0 + ! ( i + 砂 ( 3 叫) 2 u 2 6d 。蒯：口。 ( 1 ) 除氧器： 除氧器热损失计算分为两部分 1 除氧头： 查动力设施国家标准图集得： 中8 1 2 衄和由1 8 1 6 的保温层厚度为8 5 越。 由8 1 2 衄保温层外经为由1 0 2 0 衄： 由1 8 1 6 衄保温层外经为由2 0 3 0 姗。 采用的保温材料为超细玻璃棉。 第三章热力除氧系统设计 查表传热学( 杨世铭主编) 第二版p 4 4 2 页得： 凡= o 0 3 3 w m 。 d = 10 2 d 。= 0 8 1 2 o t 。= 1 1 6 + 7 矗v 口。1 1 6 m m ( v 0 ) w m 2 t = 1 0 4 ：t o = 2 0 口= o 2 5 ，= 2 4 m q t2 二 = i 1 0 4 夏- i = 0 1 2 e r 0 0 3 308 1 2z l0 2 1 16 2 除氧水箱： = 2 5 02 4w 九= 0 0 3 3 w m d 一= 2 0 3 d 。2 18 1 6 口。1 1 6 口= o 2 5 ，= 5 2 2 m m w 9 1 2 m f 1 + 0 2 5 ) x2 4 ( 1 + o 2 5 ) 5 2 2 = l l l 2 1w 所以除氧器的散热损失为a q = a q l + 4 0 ：= 2 5 0 2 4 + 1 1 1 2 1 = 1 3 6 2 3 4 w 第三章热力除氧系统设计 ( 2 ) 水量调节器： 由表3 3 确定水量调节器的容量为1 5 m 3 ，再查动力设施国家标准图集r 分册，决定外部尺寸采用编号为2 4 的水箱的几何尺寸。具体为： 外径巾* = 3 m ；高h = 2 5 m 公称容积