改造鍋爐給水除氧器實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗及平穩(wěn)運(yùn)行

宋春，楊遠(yuǎn)柱

（中石油云南石化有限公司， 云南 安寧 650399）

除氧器是鍋爐上水的重要設(shè)備，目前國內(nèi)外大部分除氧器都是通過熱力式除氧+化學(xué)除氧來達(dá)到消除鍋爐給水中的溶解氧，使其符合鍋爐給水溶解氧含量國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 12157-2007《工業(yè)循環(huán)冷卻水和鍋爐用水中溶解氧的測(cè)定》。在鍋爐給水處理工藝過程中，除氧是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，不合格的除氧水進(jìn)入鍋爐，給水管道及汽輪機(jī)通流部分產(chǎn)生氧腐蝕，縮短設(shè)備壽命，甚至?xí)斐刹豢晒懒康膰?yán)重后果。中石油云南石化有限公司5萬制氫裝置除氧器是鍋爐上水除氧的重要設(shè)備，設(shè)計(jì)處理能力為90t/h，采用熱力式除氧+化學(xué)除氧的除氧模式，2017年8月投入運(yùn)行。運(yùn)行期間需要頻繁加入除氧劑，增加了員工的工作強(qiáng)度，且存在除氧器出水含氧量經(jīng)常超標(biāo)，增加了給水管道、機(jī)泵、廢鍋、汽包等設(shè)備的腐蝕率，給安全生產(chǎn)帶來隱患。

1 改造思路

1.1 存在問題分析

原設(shè)計(jì)除氧器采用熱力式除氧+化學(xué)除氧的除氧模式：

（1）熱力除氧器中的水是從上而下流動(dòng)，加熱蒸汽由下而上流動(dòng)，汽與水接觸后產(chǎn)生混合傳熱，同時(shí)還進(jìn)行傳質(zhì)，水中的溶解氧隨著水溫的升高迅速從水中向蒸汽空間分離出來。

根據(jù)道爾頓定律：除氧器內(nèi)的總壓力等于各混合氣體分壓力的總和。用公式表達(dá)為：

P=Ps+PO2+PCO2+…Pn；

式中：Ps為水蒸汽分壓；PO2為氧氣分壓；PCO2為二氧化碳分壓。

另據(jù)試驗(yàn)得知，某種氣體在水中的溶解量與水面上該種氣體的分壓成正比。由此可知，水中氧的含量取決于水面上分壓力及氧在水中的溶解度。氧在水中的溶解度隨著溫度的升高而降低。當(dāng)除氧水被加熱到飽和溫度時(shí)，溶氧量→趨于0。之所以趨于0，而不是0，這是因?yàn)樗哂幸欢ǖ恼硯?，產(chǎn)生表面張力，使水的表面形成一層薄膜，此膜的厚度約為10-7cm。

由于這層水膜的存在，水中的微小氣泡不能通過水膜飛逸到空間去，這就造成鍋爐給水溶解氧含量超標(biāo)。

（2）化學(xué)除氧是熱力除氧的輔助措施，以達(dá)到徹底清除水中殘留氧的目的。但由于負(fù)荷及除氧劑本身調(diào)和濃度變化，除氧劑的加注量依據(jù)經(jīng)驗(yàn)來進(jìn)行調(diào)整，且不可能總是適時(shí)調(diào)整，造成鍋爐給水溶解氧含量波動(dòng)較大，有時(shí)甚至超出標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 解決思路

基于現(xiàn)有的除氧器存在的問題，考慮在保持現(xiàn)有流程不變的情況下，有無一種除氧效果穩(wěn)定且滿足指標(biāo)要求的除氧器或除氧技術(shù)可對(duì)現(xiàn)有除氧器進(jìn)行改造，并能滿足目前除氧器的現(xiàn)場(chǎng)空間布置要求，投資要小，施工周期短。經(jīng)在業(yè)內(nèi)咨詢發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)某市電力設(shè)備有限公司的除氧器制造及改造經(jīng)驗(yàn)豐富，采用旋轉(zhuǎn)水膜技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)無需添加除氧劑的情況下出口爐水氧含量≯15μg/l的標(biāo)準(zhǔn)。

1.3 旋膜式除氧器性能分析

旋膜式除氧器是熱力除氧器的一種，它的傳質(zhì)方式不同于老的柵盤式、泡沸式、淋水盤式及噴霧填料式，而是用射流及旋膜方式進(jìn)行傳熱、傳質(zhì)。在性能和結(jié)構(gòu)上充分滿足了上述熱力除氧的三個(gè)條件。設(shè)計(jì)特點(diǎn)如下：

旋膜式除氧器設(shè)有兩級(jí)除氧裝置，第一級(jí)是起膜器組—主要的除氧部件；第二級(jí)水篦層，第三級(jí)是填料層—用作深度除氧。

（1）起膜器組是由起膜器、連通管及隔板等零部件組成，除氧器入口水首先進(jìn)入由上下隔板組成的水室，再從水室通過起膜器上的小孔，進(jìn)入起膜器內(nèi)壁形成射流及旋轉(zhuǎn)水膜。

（2）水從起膜器下來后形成一個(gè)喇叭形的水膜，然后向下流到篦子部分（篦子的層數(shù)視具體情況而定）。

（3）水通過篦子后進(jìn)入填料層，它是由液汽網(wǎng)及其固定框架組成，水在液汽網(wǎng)中作進(jìn)一步的除氧—深度除氧。

（4）水經(jīng)過液汽網(wǎng)后隨即落到水箱里。

加熱蒸汽從加熱蒸汽管出口處擴(kuò)散并上升至填料層，通過填料層、篦子，進(jìn)入起膜器內(nèi)孔，然后再上升到除氧頭上部封頭內(nèi)腔，并由此排入大氣。由于蒸汽上升過程中與水混合，加熱了水，因此大部分加熱蒸汽均被水所吸收，排放大氣的汽量很少。

凝結(jié)水及補(bǔ)充水進(jìn)入起膜器組的水室后，具有一定的壓力，此壓力高于除氧器內(nèi)的壓力，因此兩者之間有壓差。水在一定的壓差下從起膜器上的小孔噴向內(nèi)壁，在小孔的出口處產(chǎn)生射流運(yùn)動(dòng)，射流強(qiáng)化了傳熱傳質(zhì)過程，它可以在極短時(shí)間內(nèi)，很小的行程上，吸收大量的加熱蒸汽，同時(shí)從水流中向空間放出大量的氧氣。

在起膜器組正常工作時(shí)，水室的水經(jīng)過起膜器上的小孔射入起膜器內(nèi)壁，形成射流。由于它的內(nèi)孔充滿了加熱蒸汽，水在射流運(yùn)動(dòng)中便將大量的加熱蒸汽卷吸進(jìn)去，產(chǎn)生劇烈的混合加熱作用，因此射流束可以吸收大量的熱量，使水溫大幅度提高，另一方面由于水從起膜器小孔噴向其內(nèi)孔過程也是一個(gè)降壓過程，使水的壓力下降，這兩個(gè)因素—水溫升高、水壓下降均能使水中的溶解氧大量釋放出來擴(kuò)散到起膜器內(nèi)孔的加熱蒸汽中去，產(chǎn)生傳質(zhì)過程。

射流結(jié)束后，水沿著起膜器內(nèi)孔壁旋轉(zhuǎn)而下，形成一層水膜。液體在旋轉(zhuǎn)流動(dòng)時(shí)的臨界雷諾數(shù)Re較液體在直管內(nèi)流動(dòng)的臨界雷諾數(shù)Re下降很多，也即液體在旋轉(zhuǎn)流動(dòng)時(shí)易產(chǎn)生紊流。

另外，旋膜式除氧器中還設(shè)計(jì)了新型平衡管和汽水分離裝置，使析出的氧氣能及時(shí)充分地隨蒸汽流排入大氣中去。

綜上所述，起膜器在工作中，其射流、旋膜、水裙三部分即可將水中的絕大部分溶氧分離出來，這些分離出的氧隨著上升蒸汽從起膜器的內(nèi)孔排到上封頭內(nèi)腔，然后再從排汽口排往大氣，所以起膜器的內(nèi)孔不僅是傳熱、傳質(zhì)的主要部位，而且是除氧器排出氧氣的主要通道，它使得水在起膜器內(nèi)分離出的氧不能隨意擴(kuò)散，只能局限在起膜器內(nèi)孔中，強(qiáng)制它隨著上升的蒸汽流排向大氣。由于旋膜式除氧器的起膜器組在工作中使水始終處于紊流狀態(tài)并有足夠大的表面積，排汽性能、傳熱、傳質(zhì)條件良好，除氧效果十分理想。

1.4 改造方案

經(jīng)與旋膜式除氧器制造廠技術(shù)人員對(duì)接，我們制定了如下改造方案：

（1）保持原除氧器水箱及降水管不動(dòng)，從原除氧塔下封頭環(huán)焊縫向上400mm高處做環(huán)型切割。

圖1 除氧器改造原理圖

（2）制作新型除氧塔，將新除氧塔與原除氧塔下封頭的環(huán)形切割面進(jìn)行對(duì)焊，形成完整的新型旋膜式除氧器。

（3）更換原除氧器水箱底部加熱裝置。

2 改造實(shí)施

2019年3月6日至10日，對(duì)5萬制氫除氧器進(jìn)行了改造施工。原除氧器水箱保留不動(dòng)，從原除氧塔與除氧水箱對(duì)接法蘭處分解，保留原除氧器的降水管作為新除氧器的落水管。根據(jù)現(xiàn)有運(yùn)行參數(shù)設(shè)計(jì)、制作新型除氧塔，將新除氧塔與原水箱對(duì)接法蘭組裝，形成完整的新型旋膜式除氧器，同時(shí)對(duì)蒸汽出口管線及安全閥進(jìn)行了抬高處理。

圖2 除氧器改造實(shí)施圖

3 實(shí)施效果分析

3.1 鍋爐水出口溶解氧含量分析穩(wěn)定

云南石化5萬制氫裝置除氧器1440-D7101自2019年3月改造完成投用以來運(yùn)行平穩(wěn)，除氧水氧含量均小于15μg/l，滿足技術(shù)協(xié)議要求。圖3為2019年7月鍋爐給水分析匯總。

3.2 取消了除氧劑加藥環(huán)節(jié)

該除氧器改造前，必須定期加除氧劑以保障爐水合格，溶解氧含量有時(shí)仍超出工藝指標(biāo)，再經(jīng)調(diào)整后爐水合格。改造后，在無需加劑的情況下，爐水中的溶解氧含量穩(wěn)定，且一直保持在指標(biāo)要求的范圍內(nèi)。

圖3 5萬制氫7月鍋爐給水分析匯總

3.3 加熱蒸汽耗量明顯降低

該除氧器改造前，在5萬制氫裝置50%～60%負(fù)荷情況下，維持加熱溫度105℃，加熱蒸汽消耗量2.9～3.0t/h；改造后，在5萬制氫裝置50%～60%負(fù)荷情況下，維持加熱溫度105℃，加熱蒸汽消耗量2.45～2.55t/h，明顯減少了蒸汽消耗。

3.4 經(jīng)濟(jì)效益分析

（1）主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)：減少了加熱蒸汽消耗量，每減少1噸蒸汽，可產(chǎn)生170元的經(jīng)濟(jì)效益。取消了加藥環(huán)節(jié)。原來每月平均加除氧劑20桶（25㎏/桶），每桶除氧劑售價(jià)為200元。

（2）經(jīng)濟(jì)效益核算：

減少蒸汽使用所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益：

（2.9-2.5）噸/小時(shí)×7200小時(shí)/年×170元/噸=489600元/年；

取消加除氧劑所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益：

20桶/月×12月/年×200元/桶=48000元/年；

總經(jīng)濟(jì)效益：489600+48000=537600元/年=53.76萬元/年。取消加除氧劑減少的人工成本尚未計(jì)入。

4 改造總結(jié)

成功對(duì)5萬制氫除氧器進(jìn)行了改造，效果顯著，下一步計(jì)劃對(duì)12制氫除氧器進(jìn)行同樣的改造。新型旋膜式除氧器技術(shù)先進(jìn)，除氧效果好，能夠適應(yīng)全補(bǔ)給水、入口含氧量高、負(fù)荷波動(dòng)大、采用低溫汽源加熱等特殊情況下的使用。該技術(shù)施工周期短，改造方便可行，可用于提升鍋爐給水除氧器的除氧能力，減少蒸汽消耗，取消了除氧劑加劑環(huán)節(jié)，減輕員工勞動(dòng)強(qiáng)度，對(duì)保障鍋爐安全運(yùn)行，提高經(jīng)濟(jì)效益，節(jié)能減排等方面具有重要意義，可以適用于石化企業(yè)鍋爐除氧器的新增或改造項(xiàng)目。

◆參考文獻(xiàn)

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