凝汽器熱井鼓泡除氧裝置的應用

艾 民

(杭州汽輪輔機有限公司 研究院，浙江 杭州 310022)

0 前 言

某燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)熱電聯(lián)產機組為抽凝機組，運行中會將大量抽汽用于供熱，同時需要大量的補水進入凝汽器以保證聯(lián)合循環(huán)的工質要求。因補給水溫度較低，約15～25 ℃，攜帶著大量的溶解氧和二氧化碳等不凝氣體，進入凝汽器后將對鍋爐給水系統(tǒng)造成嚴重腐蝕。為保證機組穩(wěn)定運行，延長系統(tǒng)設備的運行壽命，需要考慮設置熱井除氧裝置。

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，去除溶解于凝結水中的氧氣。具體過程是：利用壓力遠比凝汽器壓力高的蒸汽(文獻[3]認為壓力在0.2 MPa(a)以下的飽和蒸汽即可 )通過小孔噴入熱井的凝結水中[1]，再利用所產生的強烈的鼓泡作用，使蒸汽與水的接觸面積增加，經過充分混合換熱后將凝結水加熱至飽和溫度，降低氧的溶解度，讓氧氣從水中逸出從而達到除氧目的。實踐證明，與其它除氧裝置相比，鼓泡除氧裝置對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水散布的均勻程度。[1]

1 熱井除氧的設置時機

對純凝機組而言，因無大量的外來溶氧介質進入凝汽器，所以凝汽器無需設置除氧裝置。而對某燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)熱電聯(lián)產抽凝機組而言，運行中抽汽用于供熱，大量的系統(tǒng)補水會從凝汽器中進入。因常溫常壓的補給水含氧量約8～9 mg/L[1]，遠遠大于HEI表面式凝汽器標準規(guī)定的42 μg/L要求，當凝汽器的補給水量較大時，會造成凝汽器熱井中的凝結水含氧量增高，此時需要在凝汽器熱井中設置除氧裝置。

對某燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)熱電聯(lián)產抽凝機組的熱平衡計算結果(見表1)進行分析。純凝工況時，計算所需的鼓泡蒸汽量僅用于消除過冷度，熱負荷小，消耗的蒸汽量可忽略不計。抽凝工況時，計算所需的的鼓泡蒸汽量主要用于加熱補給水，其蒸汽量達到結構設計和裝置熱力除氧的運行要求。

表1 抽凝和純凝工況的鼓泡蒸汽耗量對比

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。凝結水通過水封式溢流口進入除氧裝置，蒸汽經鼓泡管射出，再向上穿過蒸汽鼓泡板上的一道道3 mm寬細長形孔，形成“蒸汽墻”[3]，以泡狀向凝結水發(fā)散，使蒸汽和凝結水的換熱面積增加。蒸汽和凝結水在鼓泡板上方的通道內充分混合并發(fā)生強烈攪動后，凝結水被加熱至飽和溫度，不凝氣體以氣泡形式從凝結水中逸出。鼓泡通道設置有一道道消音板，起消除攪動噪音和均勻水流的作用。飽和的凝結水經過堰板和淋水盤緩沖后進入熱井中，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，從而實現(xiàn)凝結水除氧的目的。

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)結構簡單、占用熱井空間小且通用性強。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：凝結水從下水口匯集到第一層淋水盤，經淋水盤孔分散成眾多股細小的水流，在淋水盤下方與蒸汽逆流換熱，同時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：進一步增加凝結水和蒸汽的接觸時間和換熱面積，讓凝結水與蒸汽完成第二次逆流換熱。兩層淋水盤周圍均設置有擋水板防止凝結水側向流出。

雙支蒸汽鼓泡管的功能：流經淋水盤中的凝結水停留時間短，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，擾動水流增加蒸汽與水的接觸并加熱凝結水，同時持續(xù)循環(huán)的蒸汽泡，可縮短不凝氣體的擴散路徑，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水。

除氧水槽的功能：凝結水進入除氧水槽，與鼓泡管噴射出的蒸汽在水槽內擾動式逆流換熱，改變凝結水的流動特性。在水槽出口設置溢流擋水堰板，堰板高度大于鼓泡管布置高度，保證鼓泡管位于水槽內的水位下方。飽和的凝結水從水槽兩側通道，經湍流溢出后進入熱井中。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。

該裝置實現(xiàn)了凝結水在雙層淋水盤區(qū)初步除氧，在除氧水槽鼓泡深度除氧的兩級除氧功能，其除氧結構和機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比

北美K公司的單體式除氧器(圖4和圖5所示)，其核心結構部件均由噴霧噴嘴，淋水盤和鼓泡蒸汽管組成，凝結水經噴嘴霧化和淋水盤后完成初步除氧，在水箱經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)，其核心結構部件由碟形噴嘴和鼓泡蒸汽管組成。凝結水的初步除氧由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水被加熱到飽和溫度，并提供足夠大的空間保證傳質過程。在飽和條件下，由于氧氣在水中的溶解度幾乎為零，因此氧氣從水滴轉移到周圍的蒸汽中。同時蒸汽與凝結水滴接觸凝結，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/水混合物進行除氧。設計合理的蒸汽除氧裝置，需考慮到水箱中的流體動力學特性，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構，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。熱井除氧的補充水霧化裝置設置在凝汽器喉部，這樣便于讓補充水霧化后與汽機乏汽充分混合，利用乏汽潛熱加熱預除氧。

5 蒸汽鼓泡裝置的試驗

蒸汽鼓泡試驗裝置(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，同時配置有試驗用的蒸汽源和水源。試驗的目的是通過窺視鏡觀察蒸汽噴射鼓泡的效果。在試驗裝置啟動時，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。試驗中水箱的水是預先灌滿的，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)。從試驗時的觀察判斷，鼓泡蒸汽管結構是可行的，如果水量是連續(xù)的進入水箱，可以形成圖4和圖5單體式除氧器的鼓泡狀態(tài)。

圖6 蒸汽鼓泡前的試驗裝置

圖7 蒸汽鼓泡時的試驗裝置

圖8 蒸汽鼓泡后的試驗裝置

6 結束語

通過對某燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)熱電聯(lián)產抽凝機組的抽凝和純凝工況所需的鼓泡蒸汽耗量進行計算，明確有大量補水的抽凝機組的凝汽器才需設置熱井除氧裝置。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構特點，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構特征，并與單體式除氧器做了對比。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散、水和蒸汽的流動、水蒸氣的接觸表面積與水量的比率等影響[2]。