14 MW煤粉爐熱力除氧器系統(tǒng)優(yōu)化改造

崔豫泓

(煤科院節(jié)能技術(shù)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(yè)鍋爐系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)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(shè)備的腐蝕。除氧分為化學(xué)除氧和物理除氧兩種。在工業(yè)鍋爐系統(tǒng)中，結(jié)合水系統(tǒng)要求以及實(shí)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(yīng)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(gè)速度與水和蒸汽的接觸表面積的大小有很大關(guān)系[1]。

神東礦區(qū)某鍋爐房熱力系統(tǒng)自投入生產(chǎn)運(yùn)行以來(lái)，氧含量長(zhǎng)期不小于1.4 mg/L，遠(yuǎn)超國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)氧含量不大于0.05 mg/L。由于水中氧含量長(zhǎng)期處于不合格狀態(tài)，加劇了鍋爐受熱面的氧腐蝕，連續(xù)運(yùn)行周期遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于同行業(yè)運(yùn)行水平，給鍋爐的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行帶來(lái)了極大的隱患。同時(shí)，給水泵有汽蝕現(xiàn)象發(fā)生，不能保證鍋爐用水量要求；溢流水封裝置密封不嚴(yán)有冒汽、跑水現(xiàn)象；電動(dòng)調(diào)節(jié)碟閥調(diào)節(jié)效果差且執(zhí)行器經(jīng)常燒壞，電動(dòng)閥關(guān)閉效果差；自控系統(tǒng)不穩(wěn)定并且在除氧頭達(dá)到一定溫度壓力時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)噴水現(xiàn)象；檢維修頻次高。為實(shí)現(xiàn)除氧系統(tǒng)節(jié)能減排、安全穩(wěn)定運(yùn)行，亟需對(duì)除氧系統(tǒng)實(shí)施升級(jí)改造。

1 熱力除氧器系統(tǒng)

1.1 熱力除氧器系統(tǒng)工作原理

根據(jù)亨利定理和道爾頓定律，即在定壓下將水加熱到飽和狀態(tài)，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(jìn)入除氧頭內(nèi)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(nèi)孔，形成射流，由于內(nèi)孔充滿了上升的加熱蒸汽，水在射流運(yùn)動(dòng)中便將大量的加熱蒸汽吸卷進(jìn)來(lái)；在極短時(shí)間很小的行程上產(chǎn)生劇烈的混合加熱作用，水溫大幅度提高，而旋轉(zhuǎn)的水沿著膜管內(nèi)孔壁繼續(xù)下旋，形成一層翻滾的水膜裙[2-4]，此時(shí)紊流狀態(tài)的水傳熱傳質(zhì)效果最理想，水溫達(dá)到飽和溫度。氧氣即被分離出來(lái)，因氧氣在內(nèi)孔內(nèi)無(wú)法隨意擴(kuò)散，只能隨上升的蒸汽從排汽管排向大氣[5-6]。經(jīng)起膜段粗除氧的給水及由疏水管引進(jìn)的疏水在這里混合進(jìn)行二次分配，呈均勻淋雨?duì)盥涞窖b到其下的液汽網(wǎng)上，再進(jìn)行深度除氧后才流入水箱。

1.2 熱力除氧器系統(tǒng)組成

神東礦區(qū)某鍋爐房14 MW煤粉工業(yè)鍋爐配GWC-200型高壓噴霧填料式除氧器，設(shè)計(jì)出力200 t/h，最大出力220 t/h，額定運(yùn)行壓力/溫度比為0.018～0.022 MPa/104℃。該項(xiàng)目熱力除氧系統(tǒng)工藝流程如圖1所示，主要有蒸汽系統(tǒng)、軟化水系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)等組成。一般除氧器分為噴霧式和旋膜式兩種，本系統(tǒng)使用的是高壓噴霧式除氧器，其結(jié)構(gòu)是由除氧頭和水箱組成。除氧頭的結(jié)構(gòu)由外殼、旋膜器組、水篦子、液汽網(wǎng)、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(tǒng)對(duì)除氧器的基本要求是穩(wěn)定的除氧效果，給水泵不發(fā)生汽蝕，進(jìn)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(jìn)行逆流混合熱交換，使水達(dá)到沸點(diǎn)，氧的溶解度減小而逸出，混合乏汽經(jīng)排氣管排入大氣中。

圖1 熱力除氧系統(tǒng)示意

2 原除氧系統(tǒng)存在的問(wèn)題

(1)除氧頭的結(jié)構(gòu)不夠合理。① 采用底部噴頭進(jìn)汽方式除氧，此種工藝已經(jīng)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(shí)間且不易形成紊流，除氧效果非常差；③ 填料為絲網(wǎng)，在使用一段時(shí)間后會(huì)出現(xiàn)粘連結(jié)團(tuán)現(xiàn)象，減少了水汽接觸面積；④ 除氧頭偏?。虎?對(duì)主蒸汽的控制精度不高、調(diào)節(jié)不便，常見(jiàn)超壓或欠壓?jiǎn)栴}；⑥ 除氧頭進(jìn)汽采用壓力控制，由于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際汽源壓力波動(dòng)性較大，閥門調(diào)節(jié)滯后，自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，無(wú)法達(dá)到工藝要求；⑦ 在絲網(wǎng)層與旋膜層中間有一路加熱蒸汽管，導(dǎo)致蒸汽與軟化水接觸面積小，接觸時(shí)長(zhǎng)短，除氧效果差且浪費(fèi)蒸汽，容易造成水泵汽蝕和汽水混合物外噴問(wèn)題。

(2)再沸裝置結(jié)構(gòu)、開(kāi)孔方式、布置高度不合理，導(dǎo)致除氧器劇烈震動(dòng)，危及整體建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；再沸電動(dòng)閥門不可調(diào)節(jié)，無(wú)法調(diào)節(jié)除氧水箱溫度，不能達(dá)到深度除氧。

(3)在選擇除氧水泵時(shí)，未考慮調(diào)節(jié)閥的泄漏率和蒸汽在除氧頭的積存，泵的揚(yáng)程普遍偏低，出現(xiàn)汽蝕問(wèn)題后，為保障供熱，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行人員只能選擇關(guān)閉除氧器，直接補(bǔ)水，加劇管道腐蝕。

(4)無(wú)汽蝕消除裝置，水泵有汽蝕現(xiàn)象發(fā)生，表現(xiàn)為鍋爐補(bǔ)水不足。

(5)水封裝置工藝已經(jīng)淘汰，裝置密封不嚴(yán)，有冒汽跑水現(xiàn)象。

(6)電動(dòng)調(diào)節(jié)碟閥調(diào)節(jié)精度不足，閥體密閉性差，配套執(zhí)行器穩(wěn)定性差(頻繁損壞)。

(7)控制系統(tǒng)繁瑣、邏輯不清晰，不利于現(xiàn)場(chǎng)工人開(kāi)展運(yùn)行工作。

(8)乏汽直排，資源浪費(fèi)嚴(yán)重。

改造前除氧器系統(tǒng)的各組件照片見(jiàn)圖2。

3 新除氧器系統(tǒng)的技術(shù)設(shè)計(jì)

3.1 除氧頭改用旋膜式除氧器

原用傳統(tǒng)噴霧式熱力除氧頭鑒于其工作特點(diǎn)易出現(xiàn)如下問(wèn)題：

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

(2)由于噴嘴有較大的節(jié)流變徑，出口流速加大，水在除氧頭中停留的時(shí)間短，不能達(dá)到1級(jí)除氧效果；

(3)除氧頭共有2級(jí)除氧，實(shí)際上只有第2級(jí)部分實(shí)現(xiàn)(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(dú)特噴淋結(jié)構(gòu)，形成了更可靠的傳熱、傳質(zhì)方式，保證除氧效果。其特點(diǎn)如下。

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

(2)三級(jí)除氧。第一級(jí)：在壓力作用下的水進(jìn)入脫氣塔后，形成多層離心旋膜，再由數(shù)個(gè)“圓錐形水膜裙”與上升的蒸汽進(jìn)行的熱交換，溶解氧基本被除凈；第二級(jí)：使用蓖柵和網(wǎng)波填料層除氧，當(dāng)進(jìn)水條件差(指水溫低、含氧多、水量波幅大)時(shí)，除氧器仍可正常工作；第三級(jí)：水箱內(nèi)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(tài)，產(chǎn)生足夠大的接觸面，傳熱、傳質(zhì)效果好。

(4)排汽量小，降低除氧器蒸汽消耗，除氧器可適當(dāng)工況下超負(fù)荷運(yùn)行或低水溫全補(bǔ)水下運(yùn)行。

改造后的除氧器頭進(jìn)水旋膜層采用旋膜管組布置和差異化的旋膜管開(kāi)孔口徑及排列方式，有利于軟化水形成旋膜裙，達(dá)到軟化水對(duì)蒸汽的最佳卷吸力(即“龍卷風(fēng)”卷吸現(xiàn)象)，充分保證汽水接觸面積；進(jìn)汽則采用獨(dú)特開(kāi)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(jìn) “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(guī)整填料，進(jìn)一步確保水汽充分接觸，同時(shí)延長(zhǎng)蒸汽與軟化水傳熱時(shí)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(tǒng)各組件照片見(jiàn)圖3。

圖3 改造后除氧器系統(tǒng)的各組件

3.2 控制系統(tǒng)由壓力控制改為溫度控制

由于運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)汽源壓力不穩(wěn)、波動(dòng)性較大、軟水補(bǔ)水量隨時(shí)變化、調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)開(kāi)度滯后等原因，主進(jìn)汽調(diào)節(jié)失效。溫度相對(duì)壓力在除氧頭的變化較平緩，可以解決上述問(wèn)題；再沸裝置實(shí)現(xiàn)自動(dòng)進(jìn)汽量調(diào)節(jié)，保證了深度除氧；除氧頭設(shè)置超壓排汽，保證進(jìn)水水量和水壓[7]。

為減少投資，充分利用原有控制系統(tǒng)，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(kāi)孔方式不合理，更換為規(guī)范的、超大進(jìn)汽量再沸管，確保在緊急情況深度除氧。見(jiàn)圖4。

圖4 改造后的再沸管

3.4 調(diào)節(jié)閥的改造

電動(dòng)調(diào)節(jié)閥在在系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行中起著決定性的作用，原有電動(dòng)閥門不具有調(diào)節(jié)功能，閥體氣密性差，閥門選型有誤，為保證運(yùn)行安全，更換成符合工藝要求的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥門組。

3.5 更換除氧水泵

因設(shè)計(jì)人員在設(shè)備工藝選型時(shí)，以理論揚(yáng)程為主，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行復(fù)雜工況考慮不夠充分，導(dǎo)致原除氧水泵揚(yáng)程偏小[8]，現(xiàn)更換為符合工況的揚(yáng)程水泵，保證除氧器補(bǔ)水量。

3.6 其他

對(duì)溢流裝置進(jìn)行改造，保證除氧水箱溢流，消除傳統(tǒng)氣封閉不嚴(yán)的現(xiàn)象。對(duì)氣蝕消除裝置進(jìn)行改造，提高除氧器出水口壓力，降低水泵在高溫運(yùn)行時(shí)發(fā)生汽蝕問(wèn)題的幾率。

4 經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比分析

除氧器系統(tǒng)改造歷時(shí)3個(gè)月，改造完畢后，經(jīng)為期1個(gè)月的調(diào)試，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了良好穩(wěn)定運(yùn)行。為了突出改造后的運(yùn)行效果，選取高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)段，對(duì)關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，如表1所示。

表1 除氧器改造前后關(guān)鍵指標(biāo)對(duì)比

從表1中數(shù)據(jù)可以看出，實(shí)施除氧頭等相關(guān)組件的改造升級(jí)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié) 論

改造完成后，鍋爐實(shí)現(xiàn)了連續(xù)、穩(wěn)定運(yùn)行，給水泵無(wú)汽蝕現(xiàn)象發(fā)生，滿足鍋爐用水質(zhì)和水量要求；自控系統(tǒng)高效穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)恒壓補(bǔ)水和恒液位。與改造前相比，同樣負(fù)荷下運(yùn)行，用水用汽量明顯減少，水箱溫度維持在95～100 ℃左右，系統(tǒng)效率升高。水質(zhì)檢驗(yàn)表明，除氧水箱中的溶解氧含量不大于0.03 mg /L，達(dá)到鍋爐用水要求，有效解決了鍋爐系統(tǒng)氧腐蝕現(xiàn)象的發(fā)生，為鍋爐系統(tǒng)的高效穩(wěn)定運(yùn)行提供了保障。