宋春，楊遠柱

（中石油云南石化有限公司， 云南 安寧 650399）

除氧器是鍋爐上水的重要設(shè)備，目前國內(nèi)外大部分除氧器都是通過熱力式除氧+化學(xué)除氧來達到消除鍋爐給水中的溶解氧，使其符合鍋爐給水溶解氧含量國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 12157-2007《工業(yè)循環(huán)冷卻水和鍋爐用水中溶解氧的測定》。在鍋爐給水處理工藝過程中，除氧是非常重要的一個環(huán)節(jié)，不合格的除氧水進入鍋爐，給水管道及汽輪機通流部分產(chǎn)生氧腐蝕，縮短設(shè)備壽命，甚至?xí)斐刹豢晒懒康膰乐睾蠊?。中石油云南石化有限公?萬制氫裝置除氧器是鍋爐上水除氧的重要設(shè)備，設(shè)計處理能力為90t/h，采用熱力式除氧+化學(xué)除氧的除氧模式，2017年8月投入運行。運行期間需要頻繁加入除氧劑，增加了員工的工作強度，且存在除氧器出水含氧量經(jīng)常超標(biāo)，增加了給水管道、機泵、廢鍋、汽包等設(shè)備的腐蝕率，給安全生產(chǎn)帶來隱患。

1 改造思路

1.1 存在問題分析

原設(shè)計除氧器采用熱力式除氧+化學(xué)除氧的除氧模式：

（1）熱力除氧器中的水是從上而下流動，加熱蒸汽由下而上流動，汽與水接觸后產(chǎn)生混合傳熱，同時還進行傳質(zhì)，水中的溶解氧隨著水溫的升高迅速從水中向蒸汽空間分離出來。

根據(jù)道爾頓定律：除氧器內(nèi)的總壓力等于各混合氣體分壓力的總和。用公式表達為：

P=Ps+PO2+PCO2+…Pn；

式中：Ps為水蒸汽分壓；PO2為氧氣分壓；PCO2為二氧化碳分壓。

另據(jù)試驗得知，某種氣體在水中的溶解量與水面上該種氣體的分壓成正比。由此可知，水中氧的含量取決于水面上分壓力及氧在水中的溶解度。氧在水中的溶解度隨著溫度的升高而降低。當(dāng)除氧水被加熱到飽和溫度時，溶氧量→趨于0。之所以趨于0，而不是0，這是因為水具有一定的粘帶性，產(chǎn)生表面張力，使水的表面形成一層薄膜，此膜的厚度約為10-7cm。

由于這層水膜的存在，水中的微小氣泡不能通過水膜飛逸到空間去，這就造成鍋爐給水溶解氧含量超標(biāo)。

（2）化學(xué)除氧是熱力除氧的輔助措施，以達到徹底清除水中殘留氧的目的。但由于負荷及除氧劑本身調(diào)和濃度變化，除氧劑的加注量依據(jù)經(jīng)驗來進行調(diào)整，且不可能總是適時調(diào)整，造成鍋爐給水溶解氧含量波動較大，有時甚至超出標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 解決思路

基于現(xiàn)有的除氧器存在的問題，考慮在保持現(xiàn)有流程不變的情況下，有無一種除氧效果穩(wěn)定且滿足指標(biāo)要求的除氧器或除氧技術(shù)可對現(xiàn)有除氧器進行改造，并能滿足目前除氧器的現(xiàn)場空間布置要求，投資要小，施工周期短。經(jīng)在業(yè)內(nèi)咨詢發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)某市電力設(shè)備有限公司的除氧器制造及改造經(jīng)驗豐富，采用旋轉(zhuǎn)水膜技術(shù)，可以實現(xiàn)無需添加除氧劑的情況下出口爐水氧含量≯15μg/l的標(biāo)準(zhǔn)。

1.3 旋膜式除氧器性能分析

旋膜式除氧器是熱力除氧器的一種，它的傳質(zhì)方式不同于老的柵盤式、泡沸式、淋水盤式及噴霧填料式，而是用射流及旋膜方式進行傳熱、傳質(zhì)。在性能和結(jié)構(gòu)上充分滿足了上述熱力除氧的三個條件。設(shè)計特點如下：

旋膜式除氧器設(shè)有兩級除氧裝置，第一級是起膜器組—主要的除氧部件；第二級水篦層，第三級是填料層—用作深度除氧。

（1）起膜器組是由起膜器、連通管及隔板等零部件組成，除氧器入口水首先進入由上下隔板組成的水室，再從水室通過起膜器上的小孔，進入起膜器內(nèi)壁形成射流及旋轉(zhuǎn)水膜。

（2）水從起膜器下來后形成一個喇叭形的水膜，然后向下流到篦子部分（篦子的層數(shù)視具體情況而定）。

（3）水通過篦子后進入填料層，它是由液汽網(wǎng)及其固定框架組成，水在液汽網(wǎng)中作進一步的除氧—深度除氧。

（4）水經(jīng)過液汽網(wǎng)后隨即落到水箱里。

加熱蒸汽從加熱蒸汽管出口處擴散并上升至填料層，通過填料層、篦子，進入起膜器內(nèi)孔，然后再上升到除氧頭上部封頭內(nèi)腔，并由此排入大氣。由于蒸汽上升過程中與水混合，加熱了水，因此大部分加熱蒸汽均被水所吸收，排放大氣的汽量很少。

凝結(jié)水及補充水進入起膜器組的水室后，具有一定的壓力，此壓力高于除氧器內(nèi)的壓力，因此兩者之間有壓差。水在一定的壓差下從起膜器上的小孔噴向內(nèi)壁，在小孔的出口處產(chǎn)生射流運動，射流強化了傳熱傳質(zhì)過程，它可以在極短時間內(nèi)，很小的行程上，吸收大量的加熱蒸汽，同時從水流中向空間放出大量的氧氣。

在起膜器組正常工作時，水室的水經(jīng)過起膜器上的小孔射入起膜器內(nèi)壁，形成射流。由于它的內(nèi)孔充滿了加熱蒸汽，水在射流運動中便將大量的加熱蒸汽卷吸進去，產(chǎn)生劇烈的混合加熱作用，因此射流束可以吸收大量的熱量，使水溫大幅度提高，另一方面由于水從起膜器小孔噴向其內(nèi)孔過程也是一個降壓過程，使水的壓力下降，這兩個因素—水溫升高、水壓下降均能使水中的溶解氧大量釋放出來擴散到起膜器內(nèi)孔的加熱蒸汽中去，產(chǎn)生傳質(zhì)過程。

射流結(jié)束后，水沿著起膜器內(nèi)孔壁旋轉(zhuǎn)而下，形成一層水膜。液體在旋轉(zhuǎn)流動時的臨界雷諾數(shù)Re較液體在直管內(nèi)流動的臨界雷諾數(shù)Re下降很多，也即液體在旋轉(zhuǎn)流動時易產(chǎn)生紊流。

另外，旋膜式除氧器中還設(shè)計了新型平衡管和汽水分離裝置，使析出的氧氣能及時充分地隨蒸汽流排入大氣中去。

綜上所述，起膜器在工作中，其射流、旋膜、水裙三部分即可將水中的絕大部分溶氧分離出來，這些分離出的氧隨著上升蒸汽從起膜器的內(nèi)孔排到上封頭內(nèi)腔，然后再從排汽口排往大氣，所以起膜器的內(nèi)孔不僅是傳熱、傳質(zhì)的主要部位，而且是除氧器排出氧氣的主要通道，它使得水在起膜器內(nèi)分離出的氧不能隨意擴散，只能局限在起膜器內(nèi)孔中，強制它隨著上升的蒸汽流排向大氣。由于旋膜式除氧器的起膜器組在工作中使水始終處于紊流狀態(tài)并有足夠大的表面積，排汽性能、傳熱、傳質(zhì)條件良好，除氧效果十分理想。

1.4 改造方案

經(jīng)與旋膜式除氧器制造廠技術(shù)人員對接，我們制定了如下改造方案：

（1）保持原除氧器水箱及降水管不動，從原除氧塔下封頭環(huán)焊縫向上400mm高處做環(huán)型切割。

圖1 除氧器改造原理圖

（2）制作新型除氧塔，將新除氧塔與原除氧塔下封頭的環(huán)形切割面進行對焊，形成完整的新型旋膜式除氧器。

（3）更換原除氧器水箱底部加熱裝置。

2 改造實施

2019年3月6日至10日，對5萬制氫除氧器進行了改造施工。原除氧器水箱保留不動，從原除氧塔與除氧水箱對接法蘭處分解，保留原除氧器的降水管作為新除氧器的落水管。根據(jù)現(xiàn)有運行參數(shù)設(shè)計、制作新型除氧塔，將新除氧塔與原水箱對接法蘭組裝，形成完整的新型旋膜式除氧器，同時對蒸汽出口管線及安全閥進行了抬高處理。

圖2 除氧器改造實施圖

3 實施效果分析

3.1 鍋爐水出口溶解氧含量分析穩(wěn)定

云南石化5萬制氫裝置除氧器1440-D7101自2019年3月改造完成投用以來運行平穩(wěn)，除氧水氧含量均小于15μg/l，滿足技術(shù)協(xié)議要求。圖3為2019年7月鍋爐給水分析匯總。

3.2 取消了除氧劑加藥環(huán)節(jié)

該除氧器改造前，必須定期加除氧劑以保障爐水合格，溶解氧含量有時仍超出工藝指標(biāo)，再經(jīng)調(diào)整后爐水合格。改造后，在無需加劑的情況下，爐水中的溶解氧含量穩(wěn)定，且一直保持在指標(biāo)要求的范圍內(nèi)。

圖3 5萬制氫7月鍋爐給水分析匯總

3.3 加熱蒸汽耗量明顯降低

該除氧器改造前，在5萬制氫裝置50%～60%負荷情況下，維持加熱溫度105℃，加熱蒸汽消耗量2.9～3.0t/h；改造后，在5萬制氫裝置50%～60%負荷情況下，維持加熱溫度105℃，加熱蒸汽消耗量2.45～2.55t/h，明顯減少了蒸汽消耗。

3.4 經(jīng)濟效益分析

（1）主要經(jīng)濟指標(biāo)：減少了加熱蒸汽消耗量，每減少1噸蒸汽，可產(chǎn)生170元的經(jīng)濟效益。取消了加藥環(huán)節(jié)。原來每月平均加除氧劑20桶（25㎏/桶），每桶除氧劑售價為200元。

（2）經(jīng)濟效益核算：

減少蒸汽使用所產(chǎn)生的經(jīng)濟效益：

（2.9-2.5）噸/小時×7200小時/年×170元/噸=489600元/年；

取消加除氧劑所產(chǎn)生的經(jīng)濟效益：

20桶/月×12月/年×200元/桶=48000元/年；

總經(jīng)濟效益：489600+48000=537600元/年=53.76萬元/年。取消加除氧劑減少的人工成本尚未計入。

4 改造總結(jié)

成功對5萬制氫除氧器進行了改造，效果顯著，下一步計劃對12制氫除氧器進行同樣的改造。新型旋膜式除氧器技術(shù)先進，除氧效果好，能夠適應(yīng)全補給水、入口含氧量高、負荷波動大、采用低溫汽源加熱等特殊情況下的使用。該技術(shù)施工周期短，改造方便可行，可用于提升鍋爐給水除氧器的除氧能力，減少蒸汽消耗，取消了除氧劑加劑環(huán)節(jié)，減輕員工勞動強度，對保障鍋爐安全運行，提高經(jīng)濟效益，節(jié)能減排等方面具有重要意義，可以適用于石化企業(yè)鍋爐除氧器的新增或改造項目。

◆參考文獻

[1] 張燕俠. 熱力發(fā)電廠（第二版）[M].北京：中國電力出版社，2006.

[2] 于仁燕，王經(jīng)安主編. 鍋爐工操作技術(shù)要領(lǐng)圖解[M].濟南：山東科學(xué)技術(shù)出版社，2008.