内置式除氧器在锅炉给水中的应用.doc

内置式除氧器在锅炉给水中的应用张兴春（中国石化工程建设公司）内容摘要 本文对内置式锅炉给水除氧技术的原理、特点及工程应用进行了分析，对其适用条件、主要技术性能、结构特点进行了详细论述。主 题 词 锅炉给水、内置除氧、喷嘴、雾化、蒸汽加热一、 概述在现代工业中电站锅炉给水及用于其他工业目的的给水除氧有许多型式和类别。按是否发生反应可分为物理除氧和化学除氧等，热力除氧、真空除氧为物理除氧、加联胺、丙酮肟等药品为化学除氧。物理除氧按压力可分为真空除氧、低压除氧和高压除氧，按结构可分为按喷淋盘式、旋膜式及内置式等。大气热力式除氧器、真空除氧器及化学除氧方法主要用于中低压锅炉或高压锅炉的辅助除氧措施。高压热力除氧器、旋膜式除氧器可以作为高参数锅炉除氧。随着现代工业对锅炉给水指标越来越高的要求，即给水中氧含量的绝对值要求低及水质相对稳定性高。受设备内部结构所限、常规高压热力除氧器、旋膜式除氧器等的适用条件就显出了它们的局限。内置式热力除氧器在结构上改变了常规除氧器的概念、使除氧器在设计、制造、工艺操作上更为简单、适应变工况的能力更强，且运行费用低，投资省，应用范围广泛。国际上以荷兰Stork公司的内置式除氧器为代表，包括法国阿尔斯通、德国巴克多尔的除氧器技术，其工作原理基本一样。在国内，华东电力设计院等单位开发的内置式除氧器也已在一些电站工程中应用。但还存在用户的一个认知过程。下面主要以荷兰Stork公司的内置式除氧器为基础进行论述。二、 内置式除氧器的工作原理内置式热力除氧器采用物理方法进行除氧，除氧过程分为两步进行。（1） 补给水或冷凝水喷入蒸汽空间（初级除氧）（2） 通过蒸汽排管，蒸汽穿越水箱将水中氧气携带出达到除氧目的（二次除氧）物理除氧的基本原理基于拉乌尔定律（Raoultslaw），即“液体每一组分气体表面分压等于该组分在液体溶液中的摩尔分率与该溶液温度下该组分的的饱和蒸汽压的乘积”。对于A、B组分的溶液，总蒸气压为P，摩尔分率为Xa和Xb，按道尔敦分压定律：P=Pa+Pb (1)其中Pa、Pb表示两混合组分的蒸气分压，按拉乌尔定律有：Pa=XaPa* (2)Pb=XbPb* (3)Pa*、Pb*分别代表A、B组分在液体温度下的饱和蒸气压从（2）、（3）式可以得出，当某种组分的摩尔分率趋于零时、其气体分压也趋于零，或气体分压趋于零时其摩尔分率也趋于零。且在气相平衡中当一个平衡在被打破以后，它将自行趋于恢复新平衡，每一平衡的打破将造成蒸汽中局部非凝结气体压力的降低和水温的升高。在水温低于饱和点时，由于局部非凝结气体压力降低，蒸汽分压升高，可以将该部分的非凝结气体从蒸汽中除掉。通过提高温度，将非凝结气体在水中的溶解性降低。当除氧器在一定压力运行时，水温升高到饱和温度后，水汽压力相等，也即局部非凝结气体（包括氧气）的分压力为零，达到除氧的目的。值得注意的是除氧过程中降低局部非凝结气体的压力和（或）增加温度并不是除氧的唯一重要因素，气体的传送速度也部分地起着作用。该速度由以下因素决定： 按亨利定律确定的气体在水中的扩散程度 蒸汽和水的流量 水汽接触面大小及水容积之间的比例冷、热介质流量、除氧器结构型式及不凝气体本身性质也影响除氧效果。内置式除氧器的除氧过程见图一。1、初级除氧区如图一，补给水或冷凝水通过喷头将水分解形成雾状小水滴，并且根据水流量的大小进行调节，使得水滴的大小在不同流量的情况下保持恒定不变。水滴高速喷嘴中射出进入水箱中的蒸汽空间，水与蒸汽接触加热，水温升高，非凝气体中在水中的分压逐步降低。喷流的水碰到水箱挡板或水箱壁下落，从而被碰撞成更小的水滴。图一：除氧器工作原理图水滴在汽空间停留时间不到1秒。在汽空间，连续不断的补充蒸汽可以确保蒸汽分压足够高，局部非凝结气体的分压仅能维持在很低水平。在水滴通过较高温度的蒸汽时，蒸汽在水滴的表面出现凝结，从而使得水滴的温度升高。该加热过程所以能够很快完成，得益于水滴接触面积大。在水滴进入蒸汽空间后，蒸汽中局部非凝结气体的压力较非凝结气体在水中的含量而言非常低。由于温度升高而产生的这种较低的局部压力和非凝结气体在水中的溶解性降低迫使非凝结气体从水中分离出来。2、二次除氧区由于水在喷雾区的蒸汽空间停留的时间较短，可能使水难以达到理想的除氧效果。为此，在除氧器水箱下部空间设置多孔蒸汽排管，残余的非凝结气体，借助蒸汽排管排出的蒸汽穿过水中带走。当蒸汽的气泡穿过水中，根据拉乌尔定律（Raoultslaw），蒸汽气泡内的气体与其邻近的不溶气体间建立了一种相间平衡。获得这种平衡需要足够的接触时间。为此在设备内部结构设计时考虑产生较小的气泡并在水中的行程足够长，通过设计蒸汽排管上小孔尺寸、数量及排列角度来满足上述条件。蒸汽排管的第二种功能是能使除氧器快速启动、使出水水质在最短时间达到设计要求。与其它任何一种蒸汽加热方式相比较，水箱底部蒸汽排管的优势在于能够使得水箱中的水得到彻底除氧。三、 内置式除氧器的应用前景。以荷兰Stork除氧技术为代表内置式除氧器在世界上尤其是欧洲许多国家应用，近几年在中国的用户逐渐增多。小到10t/h，大到1200t/h出力的除氧器均可以采用此种除氧方式。在电站汽水循环系统中它的作用可以是水的预热、除氧和水的贮存。下面是在电站的典型应用型式。1、 如图二，常规电站中，采用内置式除氧器可以只设一级除氧就能达到除氧效果，而无须设置低压、高压除氧器。图二：内置除氧器在常规电站中的应用2、如图3，在燃气-蒸汽联合循环电站中，余热锅炉的除氧可以与水的循环加热统一考虑，即利用循环加热的水汽混合物作为锅炉给水的除氧介质，除氧器就起到了水的除氧、加热、贮存作用，图2是一个典型的内置除氧器用于联合循环电站的系统。图三：内置除氧器在联合循环中的应用3、对于老电厂扩建，往往因除氧器安装空间、高度不够而影响整个扩建方案，内置式除氧器就显示出她的优越性，同时不管是并联运行还是独立运行，对除氧效果没有影响。四、 内置除氧器的主要特征从国际国内的实际应用情况得出，内置式有以下几个方面的特征：（1） 可靠性/可用性高由于内置除氧器结构简单，唯一需要维护的就是喷嘴，但喷嘴是标准化产品，在进水符合设计条件时基本无需维护。（2） 实际运行表明，在10%100%负荷变化范围内，除氧器出水含氧量能达到5ppb。采用等流速喷嘴，雾状水滴的大小不受负荷变化的影响。（3） 为保证有足够的蒸汽流动加热和携带不凝气体，内置式除氧器水的进、出温差应符合下列要求：运行压力P（Mpa.A）进、出水温差（）备注最小最大0.02P0.053300.05P0.1550.18100（4） 从前面的工作原理可以看出，正常情况只要维持水箱内的汽液平衡，不以蒸汽和水雾的对流流动进行除氧，不凝气体也只有达到一定浓度才开始打平衡从排气管排出，除氧器的排汽损失很小，通常100kg/h，最低可到10kg/h。常规除氧器的排气损失在除氧器出力的1还多，仅此一项每年将为用户节省不少运行费用。（5） 除氧器器具有良好的滑压运行性能。运行压力从0.02 1.0MPa.A。（6） 由于除氧器的加热介质置于水中，在开车阶段其就具备了启动快的性能。（7） 从前面介绍的应用场合看出，除氧器的加热介质可以是蒸汽、水/汽混合物或热水，而不象常规热力除氧器只能用蒸汽加热。（8） 由于采用单容器设计，对于大型机组，节省投资极其明显。（9） 由于除氧器能在很低的压力下（如真空状态）达到很高的除氧效果（7ppb），除氧器框架高度降低、容器壁厚减少，减少工程费用，设备布置就容易得多。（10） 通过喷嘴的自调节作用，在运行中喷嘴阻力降在0.030.06MPa范围内。喷嘴调节比可达10：1。（11） 根据除氧器出力不同，喷嘴型式也不同，Stork喷嘴单个喷嘴流量在10t/h1200t/h范围，400t/h以下采用弹簧喷嘴，大于400t/h小于1200t/h用圆盘喷嘴，出力大于1200t/h的除氧器采用双喷嘴两端布置，中部设置出水口。（12） 由于结构简单。除氧器设计可以采用国标GB150-1998、ASME、BS标准，可以适用于国内、国际不同客户要求的场合。五、 工程实例2001年，本文作者在江苏仪征化纤股份有限公司45万吨/年PTA装置中设计选用了内置式除氧器。喷嘴为Stork原厂制造，除氧器壳体设计、制造为国内制造厂，该除氧器已于2003年3月成功投入运行。有关技术指标如下：1、设计参数设计压力，内压：0.55MpaG，外压：0.1MpaG设计温度：-6185腐蚀裕度：3.0mm设计最大出力：250t/h正常运行出力：225t/h出水氧含量：7ppb排汽损失：500kg/h2、操作参数操作压力：0.2MpaG操作温度：133.5设备出力：86t/h251t/h加热蒸汽：饱和148进水：补给脱盐水及工艺返回蒸汽冷凝水。正常运行工况脱盐水占三分之一。3、 运行情况在进行除氧器热平衡设