热力除氧器实验研究改善深度除氧,又可节省能源

       给水中溶解氧的存在,是导致电厂热力设备腐蚀的重要原因,严重影响了机组的安全运行。为了降低给水中的含氧量,就必须对其进行除氧。喷雾-淋水盘-水下鼓泡形式热力除氧器作为性能上相对优化的热力除氧器,进行除氧模化实验后的数据分析结果表明,其除氧效果有了显著的提升。同时,该类型热力除氧器的鼓泡形式和鼓泡用蒸汽(热水)热量比例均可根据含氧量水平、负荷变化情况等因素进行灵活调节,既能改善深度除氧,又可节省能源。
       节约能源、保护环境是我国实现可持续发展战略的重要组成部分。在作为国民经济基础产业的电力行业,为了降低能源消耗,减少环境污染,我国正在大力发展大型超临界、超超临界发电机组。随着这些大型机组的发展,其系统越来越复杂,同时单机容量的增加对整个机组运行的经济性、安全可靠性提出了更高的要求,相应的对给水品质的要求也越来越严格。给水中溶解氧的存在是导致氧腐蚀发生的重要因素,也是影响给水品质的一个主要指标。因此,为了保证电厂热力设备的安全、有效运行,就必须降低给水的含氧量,使其达到规定标准。
1、氧腐蚀的机理及危害
       水中溶解氧的存在会导致严重的氧化腐蚀,从而不同程度地降低电厂热力设备的使用寿命。发生氧化腐蚀时,热力设备内氧化铁保护膜因水质恶化和热应力等原因而被部分破坏,露出的钢表面与水、保护膜表面之间形成局部电池,铁从阳极析出。溶解析出的亚铁离子(Fe2+)遇到溶解氧会被氧化成氢氧化铁(Fe(OH)3),腐蚀产物呈沉淀物状堆积在阳极上。一旦呈现这种状态,则在沉淀物内水的氧浓度与覆盖在阴极表面上水的氧浓度之间会产生氧浓度差,形成氧浓差电池。成为阳极部分的铁进一步被溶解,钢表面腐蚀加剧[1]。氧化腐蚀的电化学反应方程如下:
FeFe2++2e
2H2O+O2+4e4OH-
2Fe+2H2O+O22Fe(OH)2
4Fe(OH)2+O2+2H2O4Fe(OH)3
Fe(OH)2+2Fe(OH)3Fe3O4+4H2O
       给水溶解氧是造成电厂热力设备腐蚀的主要原因,在热力系统中,水、汽的温度一般都较高,氧腐蚀速度较快,再加上腐蚀具有局部和延续性等特点,因而它对热力设备有很大的危害。给水未除氧,会导致热力设备寿命期降低66%~75%,甚至连设备安全运行都无法保证。当腐蚀量达到2%-5%时,就足以使设备管路遭到破坏,造成设备管道内壁出现点坑,从而使粗糙度大增,既增加了流动阻力,又易于积聚沉淀物,加速垢下腐蚀,终导致穿孔、爆裂、报废。因此对于超临界机组,《中华人民共和国电力行业标准—超临界火力发电机组水汽质量标准》(DL/T912-2005)要求锅炉给水挥发处理后含氧量≤7μg/L,锅炉启动时给水含氧(热启动2h内、冷启动8h内达到)≤30μg/L。
2、热力除氧器方式及其原理
       要降低给水含氧量就必须对其进行除氧。目前,实际应用的除氧方式多种多样,主要包括电化学除氧、解析除氧、化学除氧和热力除氧这几种方式,而大多数发电厂都倾向于采用热力除氧方式对给水进行除氧。热力除氧虽然存在耗汽量较多,影响烟气废热利用,负荷变动时不易调整等不足,但使用此种方式除氧不仅能除去水中的溶氧,而且能除去其中的二氧化碳和氮气。对于用铵-钠离子交换法处理过的给水,通过热力除氧器也能除去水中的氨气。同时热力除氧较其它除氧方式效果稳定可靠,易于进行控制,除氧水中也不增加含盐量和其它气体的溶解量。
2.1热力除氧器的基本原理
       根据气体溶解定律(亨利定律):在一定温度下,气体在水中的溶解度与该气体在汽水界面上的分压力成正比,当水加热到饱和温度后,汽水界面上水蒸气的分压就会接近液面上的全压力,此时液面上所有其它气体的分压之和将接近于零,这样水就不再具有溶解气体的能力,溶解于其中的各种气体将全部分离出来。这就是热力除氧器法所依据的原理。
2.2热力除氧器的基本条件
       为了使除氧水的溶氧量降到尽可能低的程度,以达到良好的除氧效果,热力除氧器需要满足下列基本条件。
       先,必须将水加热到相应压力下的饱和温度。因为当加热温度达不到饱和温度时,即使存在很小的温差,也会引起除氧效果恶化,使水中的残余溶氧增高,温差越大,水中残余溶氧越高。
       其次,要使气体的解析过程充分。热力除氧器的除氧效果取决于传热和传质两个过程:传热过程就是把水加热到相应压力下的饱和温度,传质过程即为使溶解气体自水中解析出来。在除氧过程中,大约有90%的溶解气体以小气泡形式放出,其余的10%是靠扩散作用析出,即自水滴的内部扩散到表面后被蒸汽带走。需要除氧的水只有被分散成细小的水滴时,才能获得较大的比表面积,加速传热和传质过程的进行。
       再次,还要保证水和蒸汽有足够的接触时间。热力除氧时,溶氧解析的速度可用下式表示:=KgF(C1-C2)(1)式中,dC/dτ为水中溶氧的降低速度,g/h;Kg为溶解氧的传质常数,m/h;F为汽、水接触表面积,m2;C1为在某一瞬间时水中溶氧浓度,g/m3;C2为达到平衡时水中溶氧浓度,g/m3。在除氧头内,C2很小,可以忽略不计,Kg和F在一定条件下也都是常数。因此,式(1)可简化为:=K′C1(2)从式(2)可知,水中溶氧浓度的降低速度与其浓度成正比。因此,如要使C1降到零,理论上除氧时间需为无限长。即在一定条件下,对除氧效果要求越高,则所需除氧的时间也越长。
       后,必须保证解析出来的溶解气体能顺利地排出。根据溶解气体的解析过程,为了大程度地降低除氧水的溶氧量,就必须尽量减小除氧头内加热蒸汽中氧的分压。因此在除氧头内要保证有良好的蒸汽流通条件,才能使解析出来的溶解气体随着蒸汽顺利排出除氧器。这不仅需要在除氧头内保持有一定的热负荷强度,还必须保证足够的余汽量。在一般情况下,每吨进水的余汽量应为1kg～3kg。
3、喷雾-淋水盘-水下鼓泡式除氧器实验研究
       热力除氧器作为电厂中用以进行给水除氧的关键设备,其主要作用就是除去水中的溶氧,防止热力设备的腐蚀,确保机组的安全运行。同时它还能提高给水加热器的传热效果,减少电厂的汽、水损失,并使余热得到充分利用。本实验中所使用的喷雾-淋水盘-水下鼓泡式热力除氧器较之普通的热力除氧器在系统设计和结构布置等方面作了一定的优化。
3.1实验目的
       实验以喷雾-淋水盘-水下鼓泡形式除氧器为研究对象,在15kPa压力下进行热力除氧实验,分析不同给水含氧量、不同鼓泡形式及不同鼓泡热量比例对热力除氧器除氧性能的影响,进而揭示各种相关因素的影响规律。实验结果可为热力除氧器除氧性能的优化提供可靠依据,对于今后热力除氧器的开发和进一步完善具有重要的实际意义。
3.2实验系统
       本实验以不同热量比例的蒸汽和热水鼓泡通入除氧器中,并在不同的给水含氧量下测试除氧器的终除氧效果。实验系统如图1所示。
       整个系统可按功能划分为除氧器主体和除氧辅助系统两大部分。除氧器是整个实验系统的核心,是给水除氧的主要设备,其结构包括喷雾装置、淋水盘装置、鼓泡发生装置。除氧辅助系统是整个实验得以顺利进行的重要保障,主要包括蒸汽供给系统、热水鼓泡加热系统、给水供应系统、给水冷却系统、水喷射抽气机组、水喷射抽水机组、给水及除氧水采样系统等。
       本实验的除氧方式可分为蒸汽鼓泡除氧和热水鼓泡除氧两种。用蒸汽鼓泡方式进行除氧时,锅炉燃烧产生的蒸汽通过分汽缸后一部分经由主蒸汽管路进入除氧器汽空间,另一部分通过鼓泡蒸汽管路将不同热量比例的鼓泡用蒸汽送入除氧器水空间。而用热水鼓泡方式进行除氧时,除氧器内所需的加热蒸汽仍由主蒸汽管路进入除氧器汽空间,同时由另一旁路引出足量蒸汽用以加热除氧器回水至实验所需温度,加热后的回水就作为热力除氧器水空间鼓泡用热水的来源。
       喷雾-淋水盘-水下鼓泡式热力除氧器的主体是一竖直圆柱筒体,其内部结构如图2所示。筒体上部布置除氧头,包括喷雾装置与淋水盘装置;下部为贮水箱,在贮水箱内布置有鼓泡深度除氧装置。
       除氧头采用喷雾-淋水盘形式。顶部为水室,水室底部安装两只弹簧喷嘴,通过喷嘴雾化给水。喷嘴以下是雾化空间,雾化空间大小根据喷嘴的雾化能力来决定。雾化空间下面安装有槽板型淋水盘,槽板错列布置,给水通过淋水盘形成下落的水膜,增加了与蒸汽的接触面积,并延长了下落时间,有利于提升除氧效果。
在贮水箱底部布置有鼓泡深度除氧装置,包括蒸汽鼓泡深度除氧装置与热水鼓泡深度除氧装置:
       (1)蒸汽鼓泡深度除氧装置由辅助蒸汽管和鼓泡蒸汽管组成。蒸汽通过鼓泡蒸汽管上的小孔进入水箱,比较均匀地散布在水箱内,产生扰动,将水中残余的气体解析出来,达到深度除氧的效果。
       (2)热水鼓泡深度除氧装置由热水管和鼓泡热水管组成。热水通过鼓泡热水管上的小孔进入水箱,比较均匀地散布在水箱内,产生扰动,将水中残余的气体解析出来,达到深度除氧的效果。
3.3实验结果及分析
       喷雾-淋水盘-水下鼓泡形式热力除氧器大的特点就是在热力除氧器水空间布置了鼓泡装置。无论是通入热力除氧器水空间的鼓泡用蒸汽或是热水都会对除氧水产生搅拌作用,可将水中的残余气体更加充分的解析出来,起到深度除氧的作用。同时,鼓泡用蒸汽(热水)的热量比例还可以根据负荷变化情况进行灵活调节,既改善深度除氧,又节省能源。由于通入不同热量比例的鼓泡用蒸汽(热水)所能产生的搅拌作用和加热能力各不相同,这将终影响到热力除氧器的除氧性能。
       本实验在不同给水含氧量下对不同热量比例的两种鼓泡形式的除氧效果进行了定量分析,其结果如图3所示。
图3不同比例鼓泡除氧效果图
       对比图中实验数据,通入一定热量比例的鼓泡用蒸汽(热水)后,其除氧效果要明显优于不通鼓泡用蒸汽(热水),而且不论通入鼓泡用蒸汽或是热水,终除氧效果都随着其热量比例的增加而提升,同时在鼓泡热量比例增幅相同的前提下,其除氧效果的提升幅度随着给水含氧量的增大会更加明显。另外,比较蒸汽鼓泡和热水鼓泡两种除氧方式,在相同的热量比例下,通入热水后的除氧效果相对要优于蒸汽。在给水达到实验大含氧量1300μg/L时,当以蒸汽鼓泡方式进行除氧时:通入40%热量比例的蒸汽就能提升35.9%的除氧效果(从不通蒸汽时的64μg/L降至通入蒸汽后的41μg/L);通入100%热量比例的蒸汽则能提升71.9%的除氧效果(从不通蒸汽时的64μg/L降至通入蒸汽后的18μg/L)。另以热水鼓泡方式进行除氧时:通入40%热量比例的热水可以提升37.5%的除氧效果(从不通热水时的64μg/L降至通入热水后的40μg/L);通入100%热量比例的热水则能提升81.3%的除氧效果(从不通热水时的64μg/L降至通入热水后的12μg/L)。
       在相同的给水温度、给水流量及给水含氧量条件下,随着鼓泡用蒸汽或是热水热量比例的增加,除氧水的含氧量不断降低,除氧性能不断提高,深度除氧效果更为明显。这是因为随着鼓泡用蒸汽或是热水热量比例的增加,热力除氧器水空间的扰动愈加激烈,传热传质过程更为充分,这就更有利于将水中的残余气体解析出来,提升了深度除氧的效果,因而降低了除氧水的含氧量。此外,比较蒸汽和热水两种鼓泡方式:在热量比例较低时,由于鼓泡深度除氧的效果还不明显,所以通入蒸汽与通入热水二者的除氧效果相差并不大;但是当热量比例较高时,通入热水后的除氧效果就要优于蒸汽。其原因是在热量比例较高时,鼓泡深度除氧效果更为明显,加之高温水从热水鼓泡装置的小孔喷出后,较之相同热量比例的蒸汽能够产生更大的动能,增强了对热力除氧器水空间的扰动,从而更有利于将水中残余的气体解析出来,降低除氧水的含氧量。
       在实际应用中,对于不同的给水温度、给水流量及给水含氧量,应灵活选用上述两种鼓泡方式,并配以合适的鼓泡用蒸汽(热水)热量比例。这样既可以保证除氧水含氧量满足电厂对给水溶氧的要求,又能有效地节省能源,提高热力除氧器运行的经济性。
4结论
       (1)在实际应用的各种除氧方式中,热力除氧由于自身的特点被广泛应用。但为了达到良好的除氧效果,热力除氧需要满足相应的几个基本条件:包括适当的压力、温度值,同时还要保证足够的汽水接触时间。
       (2)在15kPa压力下对喷雾-淋水盘-水下鼓泡式热力除氧器进行实验研究,其结果反映了不同给水含氧量、不同鼓泡形式及不同鼓泡用蒸汽(热水)热量比例对热力除氧器除氧性能的影响:
       ①通入一定热量比例的鼓泡用蒸汽(热水),其除氧效果要明显优于不通鼓泡用蒸汽(热水);
       ②在相同实验条件下,除氧性能随着鼓泡用蒸汽(热水)热量比例的增加而不断提高;
       ③热量比例相同时,通入鼓泡用热水后的除氧效果就要优于通入鼓泡用蒸汽。上述结论可为同类型热力除氧器除氧性能的优化提供可靠依据。
       (3)喷雾-淋水盘-水下鼓泡式热力除氧器由于能将鼓泡用蒸汽(热水)通入除氧器水空间,可对除氧水产生搅拌作用,从而起到深度除氧的作用,能明显地提高除氧效果。
       (4)根据实际情况,通过对鼓泡用蒸汽(热水)热量比例进行灵活调节,既可改善深度除氧,又能节省能源。