供熱機組除氧器溶解氧超標分析與對策

王曉輝，劉廣于，左興堂，楊會永，蔚 杰

（北京首鋼股份有限公司，河北遷安 064404）

前言

供熱式發電機組包括鍋爐、背壓式汽輪機、發電機三大主要設備，其中鍋爐是必要的核心設備，對整個機組的安全穩定運行起著至關重要的作用。對于鍋爐而言，給水品質的管控是極其嚴格的，給水中的溶解氧含量過高會引起給水管道及受熱面有氧腐蝕，金屬構件遭到破壞，管壁變薄，溶解氧含量越高，腐蝕就越嚴重，長久下去就會發生水冷壁泄漏或爆管事故，造成停爐，供熱機組被迫停運，給整個公司的熱力管網帶來嚴重影響。因此，加強對系統中除氧器運行設備的監視和參數調整是將給水中溶解氧控制在標準范圍內的重要手段。

北京首鋼股份有限公司背壓供熱機組共有兩套旋膜式除氧器，分別為低壓除氧器和高壓除氧器，如圖1所示。

由圖1所見，經化學脫鹽后的除鹽水（又稱除氧器補給水）先進入低壓除氧器進行除氧后再由中繼泵送至高壓除氧器進行深度除氧和加熱，最后將具有一定溫度且溶解氧合格的給水經給水泵送至鍋爐，在爐膛內吸收煤氣燃燒釋放的熱量產出蒸汽，送往背壓機組和整個公司熱力管網。

圖1 背壓供熱機組工藝流程圖

1 旋膜除氧器工作原理

1.1 除氧器運行參數

背壓供熱機組的高低壓除氧器都屬于大氣式旋膜除氧器，工作原理相同，加熱蒸汽都來自低壓蒸汽管網，由于運行參數控制不同，如表1 所示，產出的給水溫度也不同，但各自的出水溶解氧必須嚴格控制在規定范圍內。

表1 背壓供熱機組高低壓除氧運行參數規范

1.2 旋膜除氧器組成及工作過程

旋膜除氧器主要由除氧頭、除氧水箱兩個主要部件以及對應除鹽水補水、加熱蒸汽、安全閥等接管和外接閥門組件組成，如圖2 所示。圖2 中除氧器主要部件除氧頭是由殼體、旋膜管、淋水篦子、蓄熱填料液汽網、汽水分離器等組成。

圖2 旋膜除氧器結構圖

除氧頭中旋膜管工作原理如圖3所示。

圖3 中補給的除鹽水進入除氧頭進水室，通過旋膜管管壁上直徑為5 mm的小孔，旋膜管上的小孔斜向下呈一定角度分布，水流進入小孔后形成射流，從旋膜管中呈螺旋狀噴岀，在旋膜管出口形成旋膜裙，與由下而上流動的加熱蒸汽進行混合發生熱交換，完成一級除氧，此階段可去除90%的水中溶解氧；除氧后的水下落到淋水篦子上，被淋水篦子均勻分布開，開始進入二級除氧，二級除氧裝置除去10%的水中溶解氧。由篦組和不銹鋼絲網填料組構成，采用比面積較大的氣液過濾網把水再次分成巨大的傳熱傳質水膜，增加了氣液接觸面積，使除鹽水再次與加熱蒸汽充分接觸，為溶氧的逸出提供足夠長的時間和動力，從而達到深度除氧，最終將鍋爐給水溶解氧控制在標準范圍內。

圖3 旋膜管工作原理

2 問題描述

2020 年初背壓供熱機組低壓除氧器溶氧檢驗出現超標，30～50 μg/L（標準≤15 μg/L）。反復核定檢化驗數據準確可靠，排除化學取樣檢驗儀器問題。先后嘗試提高加熱蒸汽參數，投入再沸騰，投入板式換熱器提高除氧器進水溫度、降低除氧器熱負荷均未取得明顯改善。

3 原因分析

3.1 運行參數對除氧器溶解氧的影響

運行參數中對除氧器出水溶解氧的影響因素有：除氧器進水溫度、除氧器進水流量、除氧器進水溶解氧含量、除氧器內部壓力和溫度。經過對數據的比照并沒有發現除氧器脫離運行工況，具體數據見表2所示。

表2 各運行參數下低壓除氧器的出水溶解氧

通過表2中數據可以看出除了低壓除氧器出水含氧量超標外其余各參數均在合格范圍內，除氧器內部水溫均在其壓力下的飽和溫度，符合熱力除氧的基本條件。

3.2 除氧器負荷波動大

當除氧器內部壓力或補給水流量發生突然變化時，除氧器的除氧效果會受到不同程度的影響。補給水通過崗位人員精細化操作就可避免流量突變，維持穩定補水。但除氧器動態過程中壓力和水溫的變化情況是不一樣的，由于除氧器水箱中存在水熱容量的影響，使得溫度的變化總是滯后于壓力的變化。

當除氧器負荷變化緩慢時，除氧器內壓力和水溫的變化相差很小，帶來的影響可以忽略不急。但當負荷突變時，情況就會比較嚴重。當除氧器進汽壓力突升時，除氧器內水溫的上升遠遠滯后于壓力的升高，致使除氧器水箱內原來的飽和水瞬間成為不飽和水，此時原來溢出的溶解氧就會重新溶回到水中，使除氧效果大打折扣。當除氧器進汽壓力驟降時，水溫的降低滯后于壓力的降低，致使除氧器水箱內的水發生急劇閃蒸，除氧效果因水的再沸騰而反而變好。

背壓低壓除氧器汽水系統如圖4所示。

圖4 低壓除氧器系統圖

如圖4 所示，低壓除氧器加熱汽源來自低壓蒸汽管網，低壓蒸汽經減壓閥后進入到除氧器中，進汽壓力受管網壓力變化和減壓閥工作特性影響，在除氧器進汽管道上安裝了氣動調節閥，與除氧器內部壓力投連鎖，通過設定調節閥PID 自動化調節參數，可實現根據除氧器設定壓力自動調節進氣量，來保證除氧器壓力穩定。通過各個工況下運行參數曲線分析，低壓除氧器進汽壓力調節存在滯后性，原因是減壓閥彈簧疲勞變形，壓力調節響應遲緩，也影響了進汽調節閥的調節效果，經常出現除氧器壓力降低后不能立刻恢復，影響了除氧效果。崗位人員只能采取臨時控制手段，開啟減壓閥旁路，來提高除氧器壓力，但仍無法解決溶解氧超標問題。

3.3 調整除氧器排氣門開度過小

除氧頭上頂的排氣門是保證析出的氧氣能順利外排而設計的，同時也是為加熱蒸汽由下而上加熱補給水提供動力。部分蒸汽進入旋膜管與水裙狀態的補給水進行混合換熱，大部分蒸汽凝結下落，少量蒸汽與氧氣一起排出。如果排氣門開度過小，會影響氧的正常排出，一旦工況發生變化，容易發生析出的氧再次被溶解；如果開度調整過大，會造成蒸汽帶水，引起工質浪費。為此崗位職工對除氧頭的排氣門開度做了多次調整，想通過調整排氣門開度在最佳位置來解決溶解氧偏高問題。試驗結果見表3。

表3 除氧器排氣門不同開度下的試驗結果

表3的試驗數據說明排氣門的開度大小對除氧器含氧量的影響很小，多次調整后溶解氧超標問題仍不能解決，所以說除氧頭排氣大小不是造成除氧器出水溶解氧高的根本原因。

3.4 除氧器溢流管檢查

低壓除氧器在保證水箱水位不超高限的手段與高壓除氧器不同的是低壓除氧器采用多級水封溢流管進行排水，而高壓除氧器是通過管道直排進擴容器降壓后再進入疏水箱，兩者都有電動門與水位進行連鎖。

為保證低壓除氧器的多級水封正常工作，在除氧器投入前，要對多級水封進行注水排空，保證水封內部的有效水柱高度，才能保證其封汽排水的功能。低壓除氧器多級水封的注水取自除氧器的補給水，是未經過除氧的水，如果注水門未關閉或閥門關閉不嚴發生內漏，這部分水會直接進入水箱造成除氧器出水溶解氧升高。

通過排查發現多級水封有兩個注水球閥其中一個未關閉到位，未經除氧的水進入水箱污染水質。將注水閥門關閉后每運行2 h 一檢測，出水溶解氧有所下降，但還是超出標準值。

3.5 檢查除氧器的內部構件

由上述除氧器工作原理介紹中除氧頭各部件的工作情況可以推測如果旋膜管斜孔發生堵塞、淋水篦組傾斜、填料破損造成水膜形成不良，淋水不均，影響水汽的混合加熱除氧效果，即使氣壓和水溫符合要求，最終也引會起除氧器出水溶解氧超標。

結合機組例修，除氧器開人孔進行內部檢查，注水試驗發現低壓除氧頭旋膜水室存在較為普遍的泄漏現象，如圖5所示。

圖5 中原水未經除氧直接漏進水箱中，造成了溶解氧超標。烘干后進入檢查發現除氧頭旋膜水室隔板普遍存在腐蝕現象，腐蝕泄漏問題集中在焊縫及附近區域。但是壓力容器維修難度大，而且旋膜水室泄漏點位多，檢修單位對旋膜管無修復經驗，經研究決定更換新型除氧頭來徹底解決溶解氧超標問題。

圖5 低壓除氧頭解體后各部件腐蝕泄漏情況

4 對策實施

4.1 更換減壓閥裝置

由于低壓除氧器進汽減壓閥工作不正常，使得除氧器內部壓力難以維持在規定范圍內，造成調節滯后，對減壓閥進行了更換和調試，投入后降低了低壓蒸汽管網壓力波動對低壓除氧器的影響，配合除氧器的進汽調節閥共同作用可以實現低壓除氧器在各種工況下的保壓運行。

4.2 低壓除氧器多級水封溢流管注水管改造

由于低壓除氧器多級水封溢流管注水水源取自除氧器進水，是未經除氧的，為防止閥門關閉不嚴流入水箱破壞水質，將注水水源改為中繼泵再循環水管上，原因是：中繼泵中的水是除氧器的出水，已經過除氧，而且再循環是安裝在除氧器水箱上的，距離多級水封較近，節省材料。此外更換注水球閥改為不銹鋼截止閥降低發生閥門內漏的可能性。

4.3 采購成品除氧頭，更換劣化部件

鑒于原除氧頭腐蝕嚴重、焊縫處漏點多，對其進行材質升級：旋膜管/隔板升級：Q235B 普碳鋼改為304 不銹鋼；外筒升級：Q235B 普碳鋼改為Q345R壓力容器專用鋼板；對接焊縫均采用不銹鋼焊條。

由于到采暖季熱用戶數量會有所增加，供熱需求增多，除氧器的補給水也會相應增加，為保證除氧效果，控制溶解氧在標準范圍內，對除氧頭進行了升級改造，數據如表4。

表4 改造先后各部件對比數據

由表4中數據可知，新旋膜管徑更大、旋膜孔數量更多且分布均勻，淋水篦組和鋼絲網填料組數量也相應增加，更加保證了水和蒸汽有足夠的接觸時間和接觸面積。另外，加熱蒸汽由除氧頭底部的側方進汽改為了下方進汽，增加了除氧空間，增強了汽水混合換熱的劇烈程度，提高了除氧效果。

5 效果驗證

以上對策逐一實施后，低壓除氧器運行穩定，通過連續15天各種運行工況下的在線跟蹤測量，如表5所示。

表5 處理后各工況下低壓除氧器溶解氧含量

表5 中溶解氧量均處于11～14 μg/L 低于標準值（15 μg/L），符合國家相關鍋爐給水水質標準，徹底解決了低壓除氧器除氧效果差、溶解氧超標的實際問題，保證了供熱鍋爐的安全穩定運行，也為同類型供熱機組給水溶解氧超標問題的解決提供有益借鑒。