供熱機(jī)組除氧器溶解氧超標(biāo)分析與對(duì)策

王曉輝，劉廣于，左興堂，楊會(huì)永，蔚 杰

（北京首鋼股份有限公司，河北遷安 064404）

前言

供熱式發(fā)電機(jī)組包括鍋爐、背壓式汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)三大主要設(shè)備，其中鍋爐是必要的核心設(shè)備，對(duì)整個(gè)機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。對(duì)于鍋爐而言，給水品質(zhì)的管控是極其嚴(yán)格的，給水中的溶解氧含量過(guò)高會(huì)引起給水管道及受熱面有氧腐蝕，金屬構(gòu)件遭到破壞，管壁變薄，溶解氧含量越高，腐蝕就越嚴(yán)重，長(zhǎng)久下去就會(huì)發(fā)生水冷壁泄漏或爆管事故，造成停爐，供熱機(jī)組被迫停運(yùn)，給整個(gè)公司的熱力管網(wǎng)帶來(lái)嚴(yán)重影響。因此，加強(qiáng)對(duì)系統(tǒng)中除氧器運(yùn)行設(shè)備的監(jiān)視和參數(shù)調(diào)整是將給水中溶解氧控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)的重要手段。

北京首鋼股份有限公司背壓供熱機(jī)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(jiàn)，經(jīng)化學(xué)脫鹽后的除鹽水（又稱除氧器補(bǔ)給水）先進(jìn)入低壓除氧器進(jìn)行除氧后再由中繼泵送至高壓除氧器進(jìn)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(jīng)給水泵送至鍋爐，在爐膛內(nèi)吸收煤氣燃燒釋放的熱量產(chǎn)出蒸汽，送往背壓機(jī)組和整個(gè)公司熱力管網(wǎng)。

圖1 背壓供熱機(jī)組工藝流程圖

1 旋膜除氧器工作原理

1.1 除氧器運(yùn)行參數(shù)

背壓供熱機(jī)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(lái)自低壓蒸汽管網(wǎng)，由于運(yùn)行參數(shù)控制不同，如表1 所示，產(chǎn)出的給水溫度也不同，但各自的出水溶解氧必須嚴(yán)格控制在規(guī)定范圍內(nèi)。

表1 背壓供熱機(jī)組高低壓除氧運(yùn)行參數(shù)規(guī)范

1.2 旋膜除氧器組成及工作過(guò)程

旋膜除氧器主要由除氧頭、除氧水箱兩個(gè)主要部件以及對(duì)應(yīng)除鹽水補(bǔ)水、加熱蒸汽、安全閥等接管和外接閥門(mén)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(wǎng)、汽水分離器等組成。

圖2 旋膜除氧器結(jié)構(gòu)圖

除氧頭中旋膜管工作原理如圖3所示。

圖3 中補(bǔ)給的除鹽水進(jìn)入除氧頭進(jìn)水室，通過(guò)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(jìn)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(dòng)的加熱蒸汽進(jìn)行混合發(fā)生熱交換，完成一級(jí)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(kāi)，開(kāi)始進(jìn)入二級(jí)除氧，二級(jí)除氧裝置除去10%的水中溶解氧。由篦組和不銹鋼絲網(wǎng)填料組構(gòu)成，采用比面積較大的氣液過(guò)濾網(wǎng)把水再次分成巨大的傳熱傳質(zhì)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(zhǎng)的時(shí)間和動(dòng)力，從而達(dá)到深度除氧，最終將鍋爐給水溶解氧控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。

圖3 旋膜管工作原理

2 問(wèn)題描述

2020 年初背壓供熱機(jī)組低壓除氧器溶氧檢驗(yàn)出現(xiàn)超標(biāo)，30～50 μg/L（標(biāo)準(zhǔn)≤15 μg/L）。反復(fù)核定檢化驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，排除化學(xué)取樣檢驗(yàn)儀器問(wèn)題。先后嘗試提高加熱蒸汽參數(shù)，投入再沸騰，投入板式換熱器提高除氧器進(jìn)水溫度、降低除氧器熱負(fù)荷均未取得明顯改善。

3 原因分析

3.1 運(yùn)行參數(shù)對(duì)除氧器溶解氧的影響

運(yùn)行參數(shù)中對(duì)除氧器出水溶解氧的影響因素有：除氧器進(jìn)水溫度、除氧器進(jìn)水流量、除氧器進(jìn)水溶解氧含量、除氧器內(nèi)部壓力和溫度。經(jīng)過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的比照并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)除氧器脫離運(yùn)行工況，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表2所示。

表2 各運(yùn)行參數(shù)下低壓除氧器的出水溶解氧

通過(guò)表2中數(shù)據(jù)可以看出除了低壓除氧器出水含氧量超標(biāo)外其余各參數(shù)均在合格范圍內(nèi)，除氧器內(nèi)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(fù)荷波動(dòng)大

當(dāng)除氧器內(nèi)部壓力或補(bǔ)給水流量發(fā)生突然變化時(shí)，除氧器的除氧效果會(huì)受到不同程度的影響。補(bǔ)給水通過(guò)崗位人員精細(xì)化操作就可避免流量突變，維持穩(wěn)定補(bǔ)水。但除氧器動(dòng)態(tài)過(guò)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(dāng)除氧器負(fù)荷變化緩慢時(shí)，除氧器內(nèi)壓力和水溫的變化相差很小，帶來(lái)的影響可以忽略不急。但當(dāng)負(fù)荷突變時(shí)，情況就會(huì)比較嚴(yán)重。當(dāng)除氧器進(jìn)汽壓力突升時(shí)，除氧器內(nèi)水溫的上升遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于壓力的升高，致使除氧器水箱內(nèi)原來(lái)的飽和水瞬間成為不飽和水，此時(shí)原來(lái)溢出的溶解氧就會(huì)重新溶回到水中，使除氧效果大打折扣。當(dāng)除氧器進(jìn)汽壓力驟降時(shí)，水溫的降低滯后于壓力的降低，致使除氧器水箱內(nèi)的水發(fā)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(tǒng)如圖4所示。

圖4 低壓除氧器系統(tǒng)圖

如圖4 所示，低壓除氧器加熱汽源來(lái)自低壓蒸汽管網(wǎng)，低壓蒸汽經(jīng)減壓閥后進(jìn)入到除氧器中，進(jìn)汽壓力受管網(wǎng)壓力變化和減壓閥工作特性影響，在除氧器進(jìn)汽管道上安裝了氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥，與除氧器內(nèi)部壓力投連鎖，通過(guò)設(shè)定調(diào)節(jié)閥PID 自動(dòng)化調(diào)節(jié)參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)根據(jù)除氧器設(shè)定壓力自動(dòng)調(diào)節(jié)進(jìn)氣量，來(lái)保證除氧器壓力穩(wěn)定。通過(guò)各個(gè)工況下運(yùn)行參數(shù)曲線分析，低壓除氧器進(jìn)汽壓力調(diào)節(jié)存在滯后性，原因是減壓閥彈簧疲勞變形，壓力調(diào)節(jié)響應(yīng)遲緩，也影響了進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)效果，經(jīng)常出現(xiàn)除氧器壓力降低后不能立刻恢復(fù)，影響了除氧效果。崗位人員只能采取臨時(shí)控制手段，開(kāi)啟減壓閥旁路，來(lái)提高除氧器壓力，但仍無(wú)法解決溶解氧超標(biāo)問(wèn)題。

3.3 調(diào)整除氧器排氣門(mén)開(kāi)度過(guò)小

除氧頭上頂?shù)呐艢忾T(mén)是保證析出的氧氣能順利外排而設(shè)計(jì)的，同時(shí)也是為加熱蒸汽由下而上加熱補(bǔ)給水提供動(dòng)力。部分蒸汽進(jìn)入旋膜管與水裙?fàn)顟B(tài)的補(bǔ)給水進(jìn)行混合換熱，大部分蒸汽凝結(jié)下落，少量蒸汽與氧氣一起排出。如果排氣門(mén)開(kāi)度過(guò)小，會(huì)影響氧的正常排出，一旦工況發(fā)生變化，容易發(fā)生析出的氧再次被溶解；如果開(kāi)度調(diào)整過(guò)大，會(huì)造成蒸汽帶水，引起工質(zhì)浪費(fèi)。為此崗位職工對(duì)除氧頭的排氣門(mén)開(kāi)度做了多次調(diào)整，想通過(guò)調(diào)整排氣門(mén)開(kāi)度在最佳位置來(lái)解決溶解氧偏高問(wèn)題。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 除氧器排氣門(mén)不同開(kāi)度下的試驗(yàn)結(jié)果

表3的試驗(yàn)數(shù)據(jù)說(shuō)明排氣門(mén)的開(kāi)度大小對(duì)除氧器含氧量的影響很小，多次調(diào)整后溶解氧超標(biāo)問(wèn)題仍不能解決，所以說(shuō)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(jí)水封溢流管進(jìn)行排水，而高壓除氧器是通過(guò)管道直排進(jìn)擴(kuò)容器降壓后再進(jìn)入疏水箱，兩者都有電動(dòng)門(mén)與水位進(jìn)行連鎖。

為保證低壓除氧器的多級(jí)水封正常工作，在除氧器投入前，要對(duì)多級(jí)水封進(jìn)行注水排空，保證水封內(nèi)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(jí)水封的注水取自除氧器的補(bǔ)給水，是未經(jīng)過(guò)除氧的水，如果注水門(mén)未關(guān)閉或閥門(mén)關(guān)閉不嚴(yán)發(fā)生內(nèi)漏，這部分水會(huì)直接進(jìn)入水箱造成除氧器出水溶解氧升高。

通過(guò)排查發(fā)現(xiàn)多級(jí)水封有兩個(gè)注水球閥其中一個(gè)未關(guān)閉到位，未經(jīng)除氧的水進(jìn)入水箱污染水質(zhì)。將注水閥門(mén)關(guān)閉后每運(yùn)行2 h 一檢測(cè)，出水溶解氧有所下降，但還是超出標(biāo)準(zhǔn)值。

3.5 檢查除氧器的內(nèi)部構(gòu)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(cè)如果旋膜管斜孔發(fā)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(huì)起除氧器出水溶解氧超標(biāo)。

結(jié)合機(jī)組例修，除氧器開(kāi)人孔進(jìn)行內(nèi)部檢查，注水試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)低壓除氧頭旋膜水室存在較為普遍的泄漏現(xiàn)象，如圖5所示。

圖5 中原水未經(jīng)除氧直接漏進(jìn)水箱中，造成了溶解氧超標(biāo)。烘干后進(jìn)入檢查發(fā)現(xiàn)除氧頭旋膜水室隔板普遍存在腐蝕現(xiàn)象，腐蝕泄漏問(wèn)題集中在焊縫及附近區(qū)域。但是壓力容器維修難度大，而且旋膜水室泄漏點(diǎn)位多，檢修單位對(duì)旋膜管無(wú)修復(fù)經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)研究決定更換新型除氧頭來(lái)徹底解決溶解氧超標(biāo)問(wèn)題。

圖5 低壓除氧頭解體后各部件腐蝕泄漏情況

4 對(duì)策實(shí)施

4.1 更換減壓閥裝置

由于低壓除氧器進(jìn)汽減壓閥工作不正常，使得除氧器內(nèi)部壓力難以維持在規(guī)定范圍內(nèi)，造成調(diào)節(jié)滯后，對(duì)減壓閥進(jìn)行了更換和調(diào)試，投入后降低了低壓蒸汽管網(wǎng)壓力波動(dòng)對(duì)低壓除氧器的影響，配合除氧器的進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥共同作用可以實(shí)現(xiàn)低壓除氧器在各種工況下的保壓運(yùn)行。

4.2 低壓除氧器多級(jí)水封溢流管注水管改造

由于低壓除氧器多級(jí)水封溢流管注水水源取自除氧器進(jìn)水，是未經(jīng)除氧的，為防止閥門(mén)關(guān)閉不嚴(yán)流入水箱破壞水質(zhì)，將注水水源改為中繼泵再循環(huán)水管上，原因是：中繼泵中的水是除氧器的出水，已經(jīng)過(guò)除氧，而且再循環(huán)是安裝在除氧器水箱上的，距離多級(jí)水封較近，節(jié)省材料。此外更換注水球閥改為不銹鋼截止閥降低發(fā)生閥門(mén)內(nèi)漏的可能性。

4.3 采購(gòu)成品除氧頭，更換劣化部件

鑒于原除氧頭腐蝕嚴(yán)重、焊縫處漏點(diǎn)多，對(duì)其進(jìn)行材質(zhì)升級(jí)：旋膜管/隔板升級(jí)：Q235B 普碳鋼改為304 不銹鋼；外筒升級(jí)：Q235B 普碳鋼改為Q345R壓力容器專用鋼板；對(duì)接焊縫均采用不銹鋼焊條。

由于到采暖季熱用戶數(shù)量會(huì)有所增加，供熱需求增多，除氧器的補(bǔ)給水也會(huì)相應(yīng)增加，為保證除氧效果，控制溶解氧在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，對(duì)除氧頭進(jìn)行了升級(jí)改造，數(shù)據(jù)如表4。

表4 改造先后各部件對(duì)比數(shù)據(jù)

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

5 效果驗(yàn)證

以上對(duì)策逐一實(shí)施后，低壓除氧器運(yùn)行穩(wěn)定，通過(guò)連續(xù)15天各種運(yùn)行工況下的在線跟蹤測(cè)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(biāo)準(zhǔn)值（15 μg/L），符合國(guó)家相關(guān)鍋爐給水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，徹底解決了低壓除氧器除氧效果差、溶解氧超標(biāo)的實(shí)際問(wèn)題，保證了供熱鍋爐的安全穩(wěn)定運(yùn)行，也為同類型供熱機(jī)組給水溶解氧超標(biāo)問(wèn)題的解決提供有益借鑒。