14 MW煤粉爐熱力除氧器系統優化改造

崔豫泓

(煤科院節能技術有限公司，北京 100013)

溶解在水中的氧是造成鍋爐腐蝕的重要因素。除氧器是煤粉工業鍋爐系統的關鍵設備，其主要作用是除去溶解于水中的氧氣及其他氣體，以避免或者降低鍋爐給水管、水冷管、省煤器以及其他附屬設備的腐蝕。除氧分為化學除氧和物理除氧兩種。在工業鍋爐系統中，結合水系統要求以及實用性一般多采用物理除氧，即熱力除氧。其除氧的效果一方面決定于熱力式除氧器能否把水加溫至相應壓力下的沸騰溫度，另一方面決定于溶解氣體的排除速度。這個速度與水和蒸汽的接觸表面積的大小有很大關系[1]。

神東礦區某鍋爐房熱力系統自投入生產運行以來，氧含量長期不小于1.4 mg/L，遠超國家標準氧含量不大于0.05 mg/L。由于水中氧含量長期處于不合格狀態，加劇了鍋爐受熱面的氧腐蝕，連續運行周期遠遠低于同行業運行水平，給鍋爐的安全、經濟運行帶來了極大的隱患。同時，給水泵有汽蝕現象發生，不能保證鍋爐用水量要求；溢流水封裝置密封不嚴有冒汽、跑水現象；電動調節碟閥調節效果差且執行器經常燒壞，電動閥關閉效果差；自控系統不穩定并且在除氧頭達到一定溫度壓力時經常出現噴水現象；檢維修頻次高。為實現除氧系統節能減排、安全穩定運行，亟需對除氧系統實施升級改造。

1 熱力除氧器系統

1.1 熱力除氧器系統工作原理

根據亨利定理和道爾頓定律，即在定壓下將水加熱到飽和狀態，氧氣分壓趨于0，溶于水中的氣體全部逸出，從而除去水中溶解氧。

軟化水首先進入除氧頭內旋膜器組水室，在一定的水位差壓下從膜管的小孔斜旋噴向內孔，形成射流，由于內孔充滿了上升的加熱蒸汽，水在射流運動中便將大量的加熱蒸汽吸卷進來；在極短時間很小的行程上產生劇烈的混合加熱作用，水溫大幅度提高，而旋轉的水沿著膜管內孔壁繼續下旋，形成一層翻滾的水膜裙[2-4]，此時紊流狀態的水傳熱傳質效果最理想，水溫達到飽和溫度。氧氣即被分離出來，因氧氣在內孔內無法隨意擴散，只能隨上升的蒸汽從排汽管排向大氣[5-6]。經起膜段粗除氧的給水及由疏水管引進的疏水在這里混合進行二次分配，呈均勻淋雨狀落到裝到其下的液汽網上，再進行深度除氧后才流入水箱。

1.2 熱力除氧器系統組成

神東礦區某鍋爐房14 MW煤粉工業鍋爐配GWC-200型高壓噴霧填料式除氧器，設計出力200 t/h，最大出力220 t/h，額定運行壓力/溫度比為0.018～0.022 MPa/104℃。該項目熱力除氧系統工藝流程如圖1所示，主要有蒸汽系統、軟化水系統、自動控制系統等組成。一般除氧器分為噴霧式和旋膜式兩種，本系統使用的是高壓噴霧式除氧器，其結構是由除氧頭和水箱組成。除氧頭的結構由外殼、旋膜器組、水篦子、液汽網、蒸汽分配盤、汽水分離器六大部分組成。除氧器是一種混合式加熱器，熱力除氧系統對除氧器的基本要求是穩定的除氧效果，給水泵不發生汽蝕，進入除氧器的軟化水從上而下均勻降落到除氧水箱，蒸汽從下而上均勻向上，這樣蒸汽和軟化水進行逆流混合熱交換，使水達到沸點，氧的溶解度減小而逸出，混合乏汽經排氣管排入大氣中。

圖1 熱力除氧系統示意

2 原除氧系統存在的問題

(1)除氧頭的結構不夠合理。① 采用底部噴頭進汽方式除氧，此種工藝已經淘汰；② 在除氧頭的下部用蒸汽噴頭，增大了蒸汽流速，降低了蒸汽與軟化水的接觸時間且不易形成紊流，除氧效果非常差；③ 填料為絲網，在使用一段時間后會出現粘連結團現象，減少了水汽接觸面積；④ 除氧頭偏小；⑤ 對主蒸汽的控制精度不高、調節不便，常見超壓或欠壓問題；⑥ 除氧頭進汽采用壓力控制，由于現場實際汽源壓力波動性較大，閥門調節滯后，自動運行時，無法達到工藝要求；⑦ 在絲網層與旋膜層中間有一路加熱蒸汽管，導致蒸汽與軟化水接觸面積小，接觸時長短，除氧效果差且浪費蒸汽，容易造成水泵汽蝕和汽水混合物外噴問題。

(2)再沸裝置結構、開孔方式、布置高度不合理，導致除氧器劇烈震動，危及整體建筑結構穩定性；再沸電動閥門不可調節，無法調節除氧水箱溫度，不能達到深度除氧。

(3)在選擇除氧水泵時，未考慮調節閥的泄漏率和蒸汽在除氧頭的積存，泵的揚程普遍偏低，出現汽蝕問題后，為保障供熱，現場運行人員只能選擇關閉除氧器，直接補水，加劇管道腐蝕。

(4)無汽蝕消除裝置，水泵有汽蝕現象發生，表現為鍋爐補水不足。

(5)水封裝置工藝已經淘汰，裝置密封不嚴，有冒汽跑水現象。

(6)電動調節碟閥調節精度不足，閥體密閉性差，配套執行器穩定性差(頻繁損壞)。

(7)控制系統繁瑣、邏輯不清晰，不利于現場工人開展運行工作。

(8)乏汽直排，資源浪費嚴重。

改造前除氧器系統的各組件照片見圖2。

3 新除氧器系統的技術設計

3.1 除氧頭改用旋膜式除氧器

原用傳統噴霧式熱力除氧頭鑒于其工作特點易出現如下問題：

(1)要滿足霧化效果，要求噴嘴加工精度高，實際上絕大多數廠家在噴嘴加工精度上很難達到要求；

(2)由于噴嘴有較大的節流變徑，出口流速加大，水在除氧頭中停留的時間短，不能達到1級除氧效果；

(3)除氧頭共有2級除氧，實際上只有第2級部分實現(填料層)；

(4)噴霧式除氧器的噴嘴小，很容易造成堵塞或不能形成良好的霧化效果。

旋膜式除氧器鑒于其獨特噴淋結構，形成了更可靠的傳熱、傳質方式，保證除氧效果。其特點如下。

(1)由于熱交換充分，在進水壓力不穩定的狀態下除氧率接近100%，溶氧≤0.03 mg/L。

(2)三級除氧。第一級：在壓力作用下的水進入脫氣塔后，形成多層離心旋膜，再由數個“圓錐形水膜裙”與上升的蒸汽進行的熱交換，溶解氧基本被除凈；第二級：使用蓖柵和網波填料層除氧，當進水條件差(指水溫低、含氧多、水量波幅大)時，除氧器仍可正常工作；第三級：水箱內可用再沸騰方式除氧。

(3)旋膜方式可使軟化水始終處于紊流狀態，產生足夠大的接觸面，傳熱、傳質效果好。

(4)排汽量小，降低除氧器蒸汽消耗，除氧器可適當工況下超負荷運行或低水溫全補水下運行。

改造后的除氧器頭進水旋膜層采用旋膜管組布置和差異化的旋膜管開孔口徑及排列方式，有利于軟化水形成旋膜裙，達到軟化水對蒸汽的最佳卷吸力(即“龍卷風”卷吸現象)，充分保證汽水接觸面積；進汽則采用獨特開孔布汽管，確保蒸汽在除氧頭的均勻分布，有利于提高蒸汽與軟化水的混合度、接觸面及促進 “紊流”傳熱形成，有效提高除氧效率；改造后的除氧頭填料為不銹鋼規整填料，進一步確保水汽充分接觸，同時延長蒸汽與軟化水傳熱時間，增大接觸面積，提高除氧效率；增大了除氧器頭容積，保證換熱空間。改造后除氧器系統各組件照片見圖3。

圖3 改造后除氧器系統的各組件

3.2 控制系統由壓力控制改為溫度控制

由于運行現場汽源壓力不穩、波動性較大、軟水補水量隨時變化、調節閥調節開度滯后等原因，主進汽調節失效。溫度相對壓力在除氧頭的變化較平緩，可以解決上述問題；再沸裝置實現自動進汽量調節，保證了深度除氧；除氧頭設置超壓排汽，保證進水水量和水壓[7]。

為減少投資，充分利用原有控制系統，只增加一面窄體控制柜。

3.3 再沸管的改造

原再沸管管徑小，開孔方式不合理，更換為規范的、超大進汽量再沸管，確保在緊急情況深度除氧。見圖4。

圖4 改造后的再沸管

3.4 調節閥的改造

電動調節閥在在系統自動運行中起著決定性的作用，原有電動閥門不具有調節功能，閥體氣密性差，閥門選型有誤，為保證運行安全，更換成符合工藝要求的電動調節閥門組。

3.5 更換除氧水泵

因設計人員在設備工藝選型時，以理論揚程為主，對現場實際運行復雜工況考慮不夠充分，導致原除氧水泵揚程偏小[8]，現更換為符合工況的揚程水泵，保證除氧器補水量。

3.6 其他

對溢流裝置進行改造，保證除氧水箱溢流，消除傳統氣封閉不嚴的現象。對氣蝕消除裝置進行改造，提高除氧器出水口壓力，降低水泵在高溫運行時發生汽蝕問題的幾率。

4 經濟指標對比分析

除氧器系統改造歷時3個月，改造完畢后，經為期1個月的調試，系統實現了良好穩定運行。為了突出改造后的運行效果，選取高負荷運行時段，對關鍵指標進行對比，如表1所示。

表1 除氧器改造前后關鍵指標對比

從表1中數據可以看出，實施除氧頭等相關組件的改造升級后，除氧頭水溫由85～90 ℃提升至102～104 ℃，平均升高了近15 ℃；除氧水箱水溫由75～85 ℃提升至95～100 ℃，平均升高了近17 ℃；水中溶解氧由1.4～1.9 mg/L降至0.03 mg/L及以下，平均降低50倍以上；除氧效果得到了明顯的提升，完全符合GB/T 1576—2018[9]國家標準。

5 結 論

改造完成后，鍋爐實現了連續、穩定運行，給水泵無汽蝕現象發生，滿足鍋爐用水質和水量要求；自控系統高效穩定，實現了全自動恒壓補水和恒液位。與改造前相比，同樣負荷下運行，用水用汽量明顯減少，水箱溫度維持在95～100 ℃左右，系統效率升高。水質檢驗表明，除氧水箱中的溶解氧含量不大于0.03 mg /L，達到鍋爐用水要求，有效解決了鍋爐系統氧腐蝕現象的發生，為鍋爐系統的高效穩定運行提供了保障。