熱力除氧器實(shí)驗(yàn)研究改善深度除氧,又可節(jié)省能源

       給水中溶解氧的存在,是導(dǎo)致電廠熱力設(shè)備腐蝕的重要原因,嚴(yán)重影響了機(jī)組的安全運(yùn)行。為了降低給水中的含氧量,就必須對(duì)其進(jìn)行除氧。噴霧-淋水盤-水下鼓泡形式熱力除氧器作為性能上相對(duì)優(yōu)化的熱力除氧器,進(jìn)行除氧�；瘜�(shí)驗(yàn)后的數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明,其除氧效果有了顯著的提升。同時(shí),該類型熱力除氧器的鼓泡形式和鼓泡用蒸汽(熱水)熱量比例均可根據(jù)含氧量水平、負(fù)荷變化情況等因素進(jìn)行靈活調(diào)節(jié),既能改善深度除氧,又可節(jié)省能源。
       節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境是我國實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分。在作為國民經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)的電力行業(yè),為了降低能源消耗,減少環(huán)境污染,我國正在大力發(fā)展大型超臨界、超超臨界發(fā)電機(jī)組。隨著這些大型機(jī)組的發(fā)展,其系統(tǒng)越來越復(fù)雜,同時(shí)單機(jī)容量的增加對(duì)整個(gè)機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性、安全可靠性提出了更高的要求,相應(yīng)的對(duì)給水品質(zhì)的要求也越來越嚴(yán)格。給水中溶解氧的存在是導(dǎo)致氧腐蝕發(fā)生的重要因素,也是影響給水品質(zhì)的一個(gè)主要指標(biāo)。因此,為了保證電廠熱力設(shè)備的安全、有效運(yùn)行,就必須降低給水的含氧量,使其達(dá)到規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)。
1、氧腐蝕的機(jī)理及危害
       水中溶解氧的存在會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的氧化腐蝕,從而不同程度地降低電廠熱力設(shè)備的使用壽命。發(fā)生氧化腐蝕時(shí),熱力設(shè)備內(nèi)氧化鐵保護(hù)膜因水質(zhì)惡化和熱應(yīng)力等原因而被部分破壞,露出的鋼表面與水、保護(hù)膜表面之間形成局部電池,鐵從陽極析出。溶解析出的亞鐵離子(Fe2+)遇到溶解氧會(huì)被氧化成氫氧化鐵(Fe(OH)3),腐蝕產(chǎn)物呈沉淀物狀堆積在陽極上。一旦呈現(xiàn)這種狀態(tài),則在沉淀物內(nèi)水的氧濃度與覆蓋在陰極表面上水的氧濃度之間會(huì)產(chǎn)生氧濃度差,形成氧濃差電池。成為陽極部分的鐵進(jìn)一步被溶解,鋼表面腐蝕加劇[1]。氧化腐蝕的電化學(xué)反應(yīng)方程如下:
FeFe2++2e
2H2O+O2+4e4OH-
2Fe+2H2O+O22Fe(OH)2
4Fe(OH)2+O2+2H2O4Fe(OH)3
Fe(OH)2+2Fe(OH)3Fe3O4+4H2O
       給水溶解氧是造成電廠熱力設(shè)備腐蝕的主要原因,在熱力系統(tǒng)中,水、汽的溫度一般都較高,氧腐蝕速度較快,再加上腐蝕具有局部和延續(xù)性等特點(diǎn),因而它對(duì)熱力設(shè)備有很大的危害。給水未除氧,會(huì)導(dǎo)致熱力設(shè)備壽命期降低66%~75%,甚至連設(shè)備安全運(yùn)行都無法保證。當(dāng)腐蝕量達(dá)到2%-5%時(shí),就足以使設(shè)備管路遭到破壞,造成設(shè)備管道內(nèi)壁出現(xiàn)點(diǎn)坑,從而使粗糙度大增,既增加了流動(dòng)阻力,又易于積聚沉淀物,加速垢下腐蝕,終導(dǎo)致穿孔、爆裂、報(bào)廢。因此對(duì)于超臨界機(jī)組,《中華人民共和國電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)—超臨界火力發(fā)電機(jī)組水汽質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(DL/T912-2005)要求鍋爐給水揮發(fā)處理后含氧量≤7μg/L,鍋爐啟動(dòng)時(shí)給水含氧(熱啟動(dòng)2h內(nèi)、冷啟動(dòng)8h內(nèi)達(dá)到)≤30μg/L。
2、熱力除氧器方式及其原理
       要降低給水含氧量就必須對(duì)其進(jìn)行除氧。目前,實(shí)際應(yīng)用的除氧方式多種多樣,主要包括電化學(xué)除氧、解析除氧、化學(xué)除氧和熱力除氧這幾種方式,而大多數(shù)發(fā)電廠都傾向于采用熱力除氧方式對(duì)給水進(jìn)行除氧。熱力除氧雖然存在耗汽量較多,影響煙氣廢熱利用,負(fù)荷變動(dòng)時(shí)不易調(diào)整等不足,但使用此種方式除氧不僅能除去水中的溶氧,而且能除去其中的二氧化碳和氮?dú)狻��?duì)于用銨-鈉離子交換法處理過的給水,通過熱力除氧器也能除去水中的氨氣。同時(shí)熱力除氧較其它除氧方式效果穩(wěn)定可靠,易于進(jìn)行控制,除氧水中也不增加含鹽量和其它氣體的溶解量。
2.1熱力除氧器的基本原理
       根據(jù)氣體溶解定律(亨利定律):在一定溫度下,氣體在水中的溶解度與該氣體在汽水界面上的分壓力成正比,當(dāng)水加熱到飽和溫度后,汽水界面上水蒸氣的分壓就會(huì)接近液面上的全壓力,此時(shí)液面上所有其它氣體的分壓之和將接近于零,這樣水就不再具有溶解氣體的能力,溶解于其中的各種氣體將全部分離出來。這就是熱力除氧器法所依據(jù)的原理。
2.2熱力除氧器的基本條件
       為了使除氧水的溶氧量降到盡可能低的程度,以達(dá)到良好的除氧效果,熱力除氧器需要滿足下列基本條件。
       先,必須將水加熱到相應(yīng)壓力下的飽和溫度。因?yàn)楫?dāng)加熱溫度達(dá)不到飽和溫度時(shí),即使存在很小的溫差,也會(huì)引起除氧效果惡化,使水中的殘余溶氧增高,溫差越大,水中殘余溶氧越高。
       其次,要使氣體的解析過程充分。熱力除氧器的除氧效果取決于傳熱和傳質(zhì)兩個(gè)過程:傳熱過程就是把水加熱到相應(yīng)壓力下的飽和溫度,傳質(zhì)過程即為使溶解氣體自水中解析出來。在除氧過程中,大約有90%的溶解氣體以小氣泡形式放出,其余的10%是靠擴(kuò)散作用析出,即自水滴的內(nèi)部擴(kuò)散到表面后被蒸汽帶走。需要除氧的水只有被分散成細(xì)小的水滴時(shí),才能獲得較大的比表面積,加速傳熱和傳質(zhì)過程的進(jìn)行。
       再次,還要保證水和蒸汽有足夠的接觸時(shí)間。熱力除氧時(shí),溶氧解析的速度可用下式表示:=KgF(C1-C2)(1)式中,dC/dτ為水中溶氧的降低速度,g/h;Kg為溶解氧的傳質(zhì)常數(shù),m/h;F為汽、水接觸表面積,m2;C1為在某一瞬間時(shí)水中溶氧濃度,g/m3;C2為達(dá)到平衡時(shí)水中溶氧濃度,g/m3。在除氧頭內(nèi),C2很小,可以忽略不計(jì),Kg和F在一定條件下也都是常數(shù)。因此,式(1)可簡(jiǎn)化為:=K′C1(2)從式(2)可知,水中溶氧濃度的降低速度與其濃度成正比。因此,如要使C1降到零,理論上除氧時(shí)間需為無限長(zhǎng)。即在一定條件下,對(duì)除氧效果要求越高,則所需除氧的時(shí)間也越長(zhǎng)。
       后,必須保證解析出來的溶解氣體能順利地排出。根據(jù)溶解氣體的解析過程,為了大程度地降低除氧水的溶氧量,就必須盡量減小除氧頭內(nèi)加熱蒸汽中氧的分壓。因此在除氧頭內(nèi)要保證有良好的蒸汽流通條件,才能使解析出來的溶解氣體隨著蒸汽順利排出除氧器。這不僅需要在除氧頭內(nèi)保持有一定的熱負(fù)荷強(qiáng)度,還必須保證足夠的余汽量。在一般情況下,每噸進(jìn)水的余汽量應(yīng)為1kg～3kg。
3、噴霧-淋水盤-水下鼓泡式除氧器實(shí)驗(yàn)研究
       熱力除氧器作為電廠中用以進(jìn)行給水除氧的關(guān)鍵設(shè)備,其主要作用就是除去水中的溶氧,防止熱力設(shè)備的腐蝕,確保機(jī)組的安全運(yùn)行。同時(shí)它還能提高給水加熱器的傳熱效果,減少電廠的汽、水損失,并使余熱得到充分利用。本實(shí)驗(yàn)中所使用的噴霧-淋水盤-水下鼓泡式熱力除氧器較之普通的熱力除氧器在系統(tǒng)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)布置等方面作了一定的優(yōu)化。
3.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康?BR>       實(shí)驗(yàn)以噴霧-淋水盤-水下鼓泡形式除氧器為研究對(duì)象,在15kPa壓力下進(jìn)行熱力除氧實(shí)驗(yàn),分析不同給水含氧量、不同鼓泡形式及不同鼓泡熱量比例對(duì)熱力除氧器除氧性能的影響,進(jìn)而揭示各種相關(guān)因素的影響規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果可為熱力除氧器除氧性能的優(yōu)化提供可靠依據(jù),對(duì)于今后熱力除氧器的開發(fā)和進(jìn)一步完善具有重要的實(shí)際意義。
3.2實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)
       本實(shí)驗(yàn)以不同熱量比例的蒸汽和熱水鼓泡通入除氧器中,并在不同的給水含氧量下測(cè)試除氧器的終除氧效果。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。
       整個(gè)系統(tǒng)可按功能劃分為除氧器主體和除氧輔助系統(tǒng)兩大部分。除氧器是整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的核心,是給水除氧的主要設(shè)備,其結(jié)構(gòu)包括噴霧裝置、淋水盤裝置、鼓泡發(fā)生裝置。除氧輔助系統(tǒng)是整個(gè)實(shí)驗(yàn)得以順利進(jìn)行的重要保障,主要包括蒸汽供給系統(tǒng)、熱水鼓泡加熱系統(tǒng)、給水供應(yīng)系統(tǒng)、給水冷卻系統(tǒng)、水噴射抽氣機(jī)組、水噴射抽水機(jī)組、給水及除氧水采樣系統(tǒng)等。
       本實(shí)驗(yàn)的除氧方式可分為蒸汽鼓泡除氧和熱水鼓泡除氧兩種。用蒸汽鼓泡方式進(jìn)行除氧時(shí),鍋爐燃燒產(chǎn)生的蒸汽通過分汽缸后一部分經(jīng)由主蒸汽管路進(jìn)入除氧器汽空間,另一部分通過鼓泡蒸汽管路將不同熱量比例的鼓泡用蒸汽送入除氧器水空間。而用熱水鼓泡方式進(jìn)行除氧時(shí),除氧器內(nèi)所需的加熱蒸汽仍由主蒸汽管路進(jìn)入除氧器汽空間,同時(shí)由另一旁路引出足量蒸汽用以加熱除氧器回水至實(shí)驗(yàn)所需溫度,加熱后的回水就作為熱力除氧器水空間鼓泡用熱水的來源。
       噴霧-淋水盤-水下鼓泡式熱力除氧器的主體是一豎直圓柱筒體,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。筒體上部布置除氧頭,包括噴霧裝置與淋水盤裝置;下部為貯水箱,在貯水箱內(nèi)布置有鼓泡深度除氧裝置。
       除氧頭采用噴霧-淋水盤形式。頂部為水室,水室底部安裝兩只彈簧噴嘴,通過噴嘴霧化給水。噴嘴以下是霧化空間,霧化空間大小根據(jù)噴嘴的霧化能力來決定。霧化空間下面安裝有槽板型淋水盤,槽板錯(cuò)列布置,給水通過淋水盤形成下落的水膜,增加了與蒸汽的接觸面積,并延長(zhǎng)了下落時(shí)間,有利于提升除氧效果。
在貯水箱底部布置有鼓泡深度除氧裝置,包括蒸汽鼓泡深度除氧裝置與熱水鼓泡深度除氧裝置:
       (1)蒸汽鼓泡深度除氧裝置由輔助蒸汽管和鼓泡蒸汽管組成。蒸汽通過鼓泡蒸汽管上的小孔進(jìn)入水箱,比較均勻地散布在水箱內(nèi),產(chǎn)生擾動(dòng),將水中殘余的氣體解析出來,達(dá)到深度除氧的效果。
       (2)熱水鼓泡深度除氧裝置由熱水管和鼓泡熱水管組成。熱水通過鼓泡熱水管上的小孔進(jìn)入水箱,比較均勻地散布在水箱內(nèi),產(chǎn)生擾動(dòng),將水中殘余的氣體解析出來,達(dá)到深度除氧的效果。
3.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
       噴霧-淋水盤-水下鼓泡形式熱力除氧器大的特點(diǎn)就是在熱力除氧器水空間布置了鼓泡裝置。無論是通入熱力除氧器水空間的鼓泡用蒸汽或是熱水都會(huì)對(duì)除氧水產(chǎn)生攪拌作用,可將水中的殘余氣體更加充分的解析出來,起到深度除氧的作用。同時(shí),鼓泡用蒸汽(熱水)的熱量比例還可以根據(jù)負(fù)荷變化情況進(jìn)行靈活調(diào)節(jié),既改善深度除氧,又節(jié)省能源。由于通入不同熱量比例的鼓泡用蒸汽(熱水)所能產(chǎn)生的攪拌作用和加熱能力各不相同,這將終影響到熱力除氧器的除氧性能。
       本實(shí)驗(yàn)在不同給水含氧量下對(duì)不同熱量比例的兩種鼓泡形式的除氧效果進(jìn)行了定量分析,其結(jié)果如圖3所示。
圖3不同比例鼓泡除氧效果圖
       對(duì)比圖中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),通入一定熱量比例的鼓泡用蒸汽(熱水)后,其除氧效果要明顯優(yōu)于不通鼓泡用蒸汽(熱水),而且不論通入鼓泡用蒸汽或是熱水,終除氧效果都隨著其熱量比例的增加而提升,同時(shí)在鼓泡熱量比例增幅相同的前提下,其除氧效果的提升幅度隨著給水含氧量的增大會(huì)更加明顯。另外,比較蒸汽鼓泡和熱水鼓泡兩種除氧方式,在相同的熱量比例下,通入熱水后的除氧效果相對(duì)要優(yōu)于蒸汽。在給水達(dá)到實(shí)驗(yàn)大含氧量1300μg/L時(shí),當(dāng)以蒸汽鼓泡方式進(jìn)行除氧時(shí):通入40%熱量比例的蒸汽就能提升35.9%的除氧效果(從不通蒸汽時(shí)的64μg/L降至通入蒸汽后的41μg/L);通入100%熱量比例的蒸汽則能提升71.9%的除氧效果(從不通蒸汽時(shí)的64μg/L降至通入蒸汽后的18μg/L)。另以熱水鼓泡方式進(jìn)行除氧時(shí):通入40%熱量比例的熱水可以提升37.5%的除氧效果(從不通熱水時(shí)的64μg/L降至通入熱水后的40μg/L);通入100%熱量比例的熱水則能提升81.3%的除氧效果(從不通熱水時(shí)的64μg/L降至通入熱水后的12μg/L)。
       在相同的給水溫度、給水流量及給水含氧量條件下,隨著鼓泡用蒸汽或是熱水熱量比例的增加,除氧水的含氧量不斷降低,除氧性能不斷提高,深度除氧效果更為明顯。這是因?yàn)殡S著鼓泡用蒸汽或是熱水熱量比例的增加,熱力除氧器水空間的擾動(dòng)愈加激烈,傳熱傳質(zhì)過程更為充分,這就更有利于將水中的殘余氣體解析出來,提升了深度除氧的效果,因而降低了除氧水的含氧量。此外,比較蒸汽和熱水兩種鼓泡方式:在熱量比例較低時(shí),由于鼓泡深度除氧的效果還不明顯,所以通入蒸汽與通入熱水二者的除氧效果相差并不大;但是當(dāng)熱量比例較高時(shí),通入熱水后的除氧效果就要優(yōu)于蒸汽。其原因是在熱量比例較高時(shí),鼓泡深度除氧效果更為明顯,加之高溫水從熱水鼓泡裝置的小孔噴出后,較之相同熱量比例的蒸汽能夠產(chǎn)生更大的動(dòng)能,增強(qiáng)了對(duì)熱力除氧器水空間的擾動(dòng),從而更有利于將水中殘余的氣體解析出來,降低除氧水的含氧量。
       在實(shí)際應(yīng)用中,對(duì)于不同的給水溫度、給水流量及給水含氧量,應(yīng)靈活選用上述兩種鼓泡方式,并配以合適的鼓泡用蒸汽(熱水)熱量比例。這樣既可以保證除氧水含氧量滿足電廠對(duì)給水溶氧的要求,又能有效地節(jié)省能源,提高熱力除氧器運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。
4結(jié)論
       (1)在實(shí)際應(yīng)用的各種除氧方式中,熱力除氧由于自身的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用。但為了達(dá)到良好的除氧效果,熱力除氧需要滿足相應(yīng)的幾個(gè)基本條件:包括適當(dāng)?shù)膲毫�、溫度�?同時(shí)還要保證足夠的汽水接觸時(shí)間。
       (2)在15kPa壓力下對(duì)噴霧-淋水盤-水下鼓泡式熱力除氧器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,其結(jié)果反映了不同給水含氧量、不同鼓泡形式及不同鼓泡用蒸汽(熱水)熱量比例對(duì)熱力除氧器除氧性能的影響:
       ①通入一定熱量比例的鼓泡用蒸汽(熱水),其除氧效果要明顯優(yōu)于不通鼓泡用蒸汽(熱水);
       ②在相同實(shí)驗(yàn)條件下,除氧性能隨著鼓泡用蒸汽(熱水)熱量比例的增加而不斷提高;
       ③熱量比例相同時(shí),通入鼓泡用熱水后的除氧效果就要優(yōu)于通入鼓泡用蒸汽。上述結(jié)論可為同類型熱力除氧器除氧性能的優(yōu)化提供可靠依據(jù)。
       (3)噴霧-淋水盤-水下鼓泡式熱力除氧器由于能將鼓泡用蒸汽(熱水)通入除氧器水空間,可對(duì)除氧水產(chǎn)生攪拌作用,從而起到深度除氧的作用,能明顯地提高除氧效果。
       (4)根據(jù)實(shí)際情況,通過對(duì)鼓泡用蒸汽(熱水)熱量比例進(jìn)行靈活調(diào)節(jié),既可改善深度除氧,又能節(jié)省能源。