凝汽器熱井鼓泡除氧裝置的應(yīng)用

艾 民

(杭州汽輪輔機(jī)有限公司 研究院，浙江 杭州 310022)

0 前 言

某燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組為抽凝機(jī)組，運(yùn)行中會(huì)將大量抽汽用于供熱，同時(shí)需要大量的補(bǔ)水進(jìn)入凝汽器以保證聯(lián)合循環(huán)的工質(zhì)要求。因補(bǔ)給水溫度較低，約15～25 ℃，攜帶著大量的溶解氧和二氧化碳等不凝氣體，進(jìn)入凝汽器后將對(duì)鍋爐給水系統(tǒng)造成嚴(yán)重腐蝕。為保證機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行，延長(zhǎng)系統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)行壽命，需要考慮設(shè)置熱井除氧裝置。

電站凝汽器熱井廣泛采用的鼓泡除氧裝置[1]，其物理除氣理論依據(jù)拉烏爾定律[2]，其基本原理是利用溶解在水中的氣體與蒸汽中的氣體之間的平衡，去除溶解于凝結(jié)水中的氧氣。具體過程是：利用壓力遠(yuǎn)比凝汽器壓力高的蒸汽(文獻(xiàn)[3]認(rèn)為壓力在0.2 MPa(a)以下的飽和蒸汽即可 )通過小孔噴入熱井的凝結(jié)水中[1]，再利用所產(chǎn)生的強(qiáng)烈的鼓泡作用，使蒸汽與水的接觸面積增加，經(jīng)過充分混合換熱后將凝結(jié)水加熱至飽和溫度，降低氧的溶解度，讓氧氣從水中逸出從而達(dá)到除氧目的。實(shí)踐證明，與其它除氧裝置相比，鼓泡除氧裝置對(duì)于凝汽器熱井除氧是最有效的，裝置尺寸也較小，它能保證凝結(jié)水在任何工況下深度除氧。而鼓泡除氧的效果，主要取決于鼓泡蒸汽的分配以及凝結(jié)水散布的均勻程度。[1]

1 熱井除氧的設(shè)置時(shí)機(jī)

對(duì)純凝機(jī)組而言，因無大量的外來溶氧介質(zhì)進(jìn)入凝汽器，所以凝汽器無需設(shè)置除氧裝置。而對(duì)某燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)熱電聯(lián)產(chǎn)抽凝機(jī)組而言，運(yùn)行中抽汽用于供熱，大量的系統(tǒng)補(bǔ)水會(huì)從凝汽器中進(jìn)入。因常溫常壓的補(bǔ)給水含氧量約8～9 mg/L[1]，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于HEI表面式凝汽器標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的42 μg/L要求，當(dāng)凝汽器的補(bǔ)給水量較大時(shí)，會(huì)造成凝汽器熱井中的凝結(jié)水含氧量增高，此時(shí)需要在凝汽器熱井中設(shè)置除氧裝置。

對(duì)某燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)熱電聯(lián)產(chǎn)抽凝機(jī)組的熱平衡計(jì)算結(jié)果(見表1)進(jìn)行分析。純凝工況時(shí)，計(jì)算所需的鼓泡蒸汽量?jī)H用于消除過冷度，熱負(fù)荷小，消耗的蒸汽量可忽略不計(jì)。抽凝工況時(shí)，計(jì)算所需的的鼓泡蒸汽量主要用于加熱補(bǔ)給水，其蒸汽量達(dá)到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和裝置熱力除氧的運(yùn)行要求。

表1 抽凝和純凝工況的鼓泡蒸汽耗量對(duì)比

2 傳統(tǒng)型的熱井鼓泡除氧裝置

一種傳統(tǒng)型的鼓泡除氧裝置(圖1所示)是由凝結(jié)水溢流槽、換熱通道頂部隔板、消音板、蒸汽鼓泡板、蒸汽鼓泡管、二次淋水槽等組成。凝結(jié)水通過水封式溢流口進(jìn)入除氧裝置，蒸汽經(jīng)鼓泡管射出，再向上穿過蒸汽鼓泡板上的一道道3 mm寬細(xì)長(zhǎng)形孔，形成“蒸汽墻”[3]，以泡狀向凝結(jié)水發(fā)散，使蒸汽和凝結(jié)水的換熱面積增加。蒸汽和凝結(jié)水在鼓泡板上方的通道內(nèi)充分混合并發(fā)生強(qiáng)烈攪動(dòng)后，凝結(jié)水被加熱至飽和溫度，不凝氣體以氣泡形式從凝結(jié)水中逸出。鼓泡通道設(shè)置有一道道消音板，起消除攪動(dòng)噪音和均勻水流的作用。飽和的凝結(jié)水經(jīng)過堰板和淋水盤緩沖后進(jìn)入熱井中，釋放出的不凝氣體則通過熱井上方空冷區(qū)的開孔被抽氣裝置抽出，從而實(shí)現(xiàn)凝結(jié)水除氧的目的。

圖1 一種傳統(tǒng)型熱井鼓泡裝置

3 新型的熱井鼓泡除氧裝置

一種新型的鼓泡除氧裝置(圖2所示)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、占用熱井空間小且通用性強(qiáng)。該熱井鼓泡除氧裝置由雙層淋水盤、蒸汽母管、雙支蒸汽鼓泡管、除氧水槽等部件組成。各部件的具體功能如下：

圖2

第一層淋水盤的功能：凝結(jié)水從下水口匯集到第一層淋水盤，經(jīng)淋水盤孔分散成眾多股細(xì)小的水流，在淋水盤下方與蒸汽逆流換熱，同時(shí)增加與蒸汽接觸的換熱面積。水的除氣率隨著水滴尺寸的減小而增加，所以設(shè)置淋水盤便是基于通過減小水滴尺寸可獲得更好的除氣效果的理論[3]。

第二層淋水盤的功能：進(jìn)一步增加凝結(jié)水和蒸汽的接觸時(shí)間和換熱面積，讓凝結(jié)水與蒸汽完成第二次逆流換熱。兩層淋水盤周圍均設(shè)置有擋水板防止凝結(jié)水側(cè)向流出。

雙支蒸汽鼓泡管的功能：流經(jīng)淋水盤中的凝結(jié)水停留時(shí)間短，無法確保最佳的除氧效果，因此利用雙支蒸汽鼓泡管進(jìn)行再除氧。蒸汽通過鼓泡管上的小孔射出噴入除氧水槽，擾動(dòng)水流增加蒸汽與水的接觸并加熱凝結(jié)水，同時(shí)持續(xù)循環(huán)的蒸汽泡，可縮短不凝氣體的擴(kuò)散路徑，有利于將水中殘留的氣體排出。鼓泡管沿著熱井軸向布置，可以讓蒸汽均勻分布加熱凝結(jié)水。

除氧水槽的功能：凝結(jié)水進(jìn)入除氧水槽，與鼓泡管噴射出的蒸汽在水槽內(nèi)擾動(dòng)式逆流換熱，改變凝結(jié)水的流動(dòng)特性。在水槽出口設(shè)置溢流擋水堰板，堰板高度大于鼓泡管布置高度，保證鼓泡管位于水槽內(nèi)的水位下方。飽和的凝結(jié)水從水槽兩側(cè)通道，經(jīng)湍流溢出后進(jìn)入熱井中。釋放出的不凝氣體則通過熱井上方空冷區(qū)的開孔被抽氣裝置抽出。

該裝置實(shí)現(xiàn)了凝結(jié)水在雙層淋水盤區(qū)初步除氧，在除氧水槽鼓泡深度除氧的兩級(jí)除氧功能，其除氧結(jié)構(gòu)和機(jī)理借鑒了單體式除氧器。

圖3 一種新型熱井鼓泡裝置

4 熱井鼓泡除氧裝置與單體式除氧器對(duì)比

北美K公司的單體式除氧器(圖4和圖5所示)，其核心結(jié)構(gòu)部件均由噴霧噴嘴，淋水盤和鼓泡蒸汽管組成，凝結(jié)水經(jīng)噴嘴霧化和淋水盤后完成初步除氧，在水箱經(jīng)蒸汽鼓泡完成深度除氧。

圖4 北美K公司的單體式除氧器

圖5 歐洲S公司的單體式除氧器

歐洲S公司的單體式除氧器(圖5所示)，其核心結(jié)構(gòu)部件由碟形噴嘴和鼓泡蒸汽管組成。凝結(jié)水的初步除氧由S公司專利蝶形噴嘴完成。在各種操作條件下，該碟形噴嘴都可確保凝結(jié)水被加熱到飽和溫度，并提供足夠大的空間保證傳質(zhì)過程。在飽和條件下，由于氧氣在水中的溶解度幾乎為零，因此氧氣從水滴轉(zhuǎn)移到周圍的蒸汽中。同時(shí)蒸汽與凝結(jié)水滴接觸凝結(jié)，使得噴嘴周圍的氧氣濃度增加，從而便于排出具有較高氧氣濃度的氣體。最終除氧則是通過向水箱中注入鼓泡蒸汽來實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)條件的不同，可以使用蒸汽，加壓熱水或蒸汽/水混合物進(jìn)行除氧。設(shè)計(jì)合理的蒸汽除氧裝置，需考慮到水箱中的流體動(dòng)力學(xué)特性，才能保證水和蒸汽之間的良好接觸，從而使氧氣根據(jù)亨利定律從水中逸出到蒸汽。[2]

與單體式除氧器對(duì)比，這種新型的熱井鼓泡除氧裝置與單體式除氧器有相似的結(jié)構(gòu)，具有相似的核心部件即噴嘴霧化裝置，淋水盤、蒸汽鼓泡管等。熱井除氧的補(bǔ)充水霧化裝置設(shè)置在凝汽器喉部，這樣便于讓補(bǔ)充水霧化后與汽機(jī)乏汽充分混合，利用乏汽潛熱加熱預(yù)除氧。

5 蒸汽鼓泡裝置的試驗(yàn)

蒸汽鼓泡試驗(yàn)裝置(圖6、圖7、圖8所示)，其主要由蒸汽鼓泡管、水箱、窺視鏡等組成，同時(shí)配置有試驗(yàn)用的蒸汽源和水源。試驗(yàn)的目的是通過窺視鏡觀察蒸汽噴射鼓泡的效果。在試驗(yàn)裝置啟動(dòng)時(shí)，可以明顯看到蒸汽從鼓泡支管射出，在支管噴射孔出口處呈放射狀，噴射效果明顯，具體見圖7所示。試驗(yàn)中水箱的水是預(yù)先灌滿的，在通入蒸汽鼓泡數(shù)分鐘后，水箱中灌滿的水全被加熱蒸發(fā)吹干了，蒸汽最后從水箱中直接噴出(圖8所示)。從試驗(yàn)時(shí)的觀察判斷，鼓泡蒸汽管結(jié)構(gòu)是可行的，如果水量是連續(xù)的進(jìn)入水箱，可以形成圖4和圖5單體式除氧器的鼓泡狀態(tài)。

圖6 蒸汽鼓泡前的試驗(yàn)裝置

圖7 蒸汽鼓泡時(shí)的試驗(yàn)裝置

圖8 蒸汽鼓泡后的試驗(yàn)裝置

6 結(jié)束語

通過對(duì)某燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)熱電聯(lián)產(chǎn)抽凝機(jī)組的抽凝和純凝工況所需的鼓泡蒸汽耗量進(jìn)行計(jì)算，明確有大量補(bǔ)水的抽凝機(jī)組的凝汽器才需設(shè)置熱井除氧裝置。介紹了一種傳統(tǒng)的和一種新型的兩種熱井蒸汽鼓泡除氧裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，這種新型的的鼓泡除氧裝置有著單體式除氧器相接近的結(jié)構(gòu)特征，并與單體式除氧器做了對(duì)比。除氧過程中不僅僅是氣體分壓的降低和溫度的升高因素起作用，氣體的傳輸速度也起著重要作用，而該傳輸速度受氣體在水中的擴(kuò)散、水和蒸汽的流動(dòng)、水蒸氣的接觸表面積與水量的比率等影響[2]。