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新型內置式無頭除氧器在電廠中的應用
東北電力設計院劉啟軍
[摘要]：在介紹火電廠除氧器應用現狀基礎上，介紹了內置式無頭除氧器的工作原理和特點，并對內置式無頭除氧器和常規除氧器的性能特點進行了對比，提出了使用這種新型除氧器的建議。
[關鍵詞]：無頭除氧器；火電廠；參數
除氧器是火力發電廠中的重要熱力設備。目前熱力發電廠中普遍采用的是熱力除氧，它費用低，而且同時可以除去水中的氧氣和其他氣體，并無任何殘留物質。
1火電廠除氧器應用現狀
目前國內火力發電廠中普遍采用的是帶有除氧頭的常規除氧器(以下簡稱有頭除氧器)，它的類型有噴霧填料式、淋水盤式及噴霧淋水盤式。除氧過程是在除氧頭中完成的，包括在噴霧層的初步除氧，可除去水中的大部分氣體，在下面的淋水盤層或填料層進行深度除氧，除去水中的殘余氣體。
隨著對外技術交流的不斷深入，國外先進的除氧技術和設備在國內也有落戶。荷蘭StorkThermeqB.V.（以下簡稱Stork）公司有幾十年生產和設計除氧器的經驗，其設計制造的內置式無頭除氧器(以下簡稱無頭除氧器)，以其獨特的優點占據著強大的市場份額。目前有些國內電力設備制造公司與荷蘭Stork公司已經開始合作，從事無頭除氧器在國內的生產和銷售。國內擬建及在建的300MW及以上機組大多采用無頭除氧器。
2無頭除氧器的工作原理及特點
2.1工作原理
凝結水從盤式恒速噴嘴噴入除氧器汽空間，進行初步除氧，然后落入水空間流向出水口；加熱蒸汽排管沿除氧器筒體軸向均勻排布，加熱蒸汽通過排管從水下送入除氧器，與水混合加熱，同時對水流進行擾動，并將水中的溶解氧及其他不凝結氣體從水中帶出水面，達到對凝結水進行深度除氧的目的。水在除氧器中的流程越長，對水進行深度除氧的效果越好。蒸汽從水下送入，未凝結的加熱蒸汽（此時為飽和蒸汽）攜帶不凝結氣體逸出水面，流向噴嘴的排汽區域（噴嘴周圍排汽區域為未飽和水噴霧區），在排汽區域未凝結的加熱蒸汽凝結為水，不凝結氣體則從排氣口排出。不凝結氣體在流向排氣口的流程中，在水容積一定的情況下，除氧器筒體直徑越大，汽空間不凝結氣體分壓力越小，這樣就能有效控制不凝結氣體在液面的擴散，避免二次溶氧的發生，因此，除氧器筒體采用大直徑為佳。300MW及以上的無頭除氧器通常采用3800mm的直徑。
2.2性能特點
a.設備整機價格低于常規有頭除氧器（300MW及以上機組）。
b.節省土建費用，除氧間高度降低了3～4m。
c.排汽損失低，每臺機組每年可節省運行費用幾十萬元。
d.負荷變化范圍在10～110之間時，均能保證出水含氧量小于5.0×10-6。
e.單容器結構，系統設計簡單、優化，避免應力裂紋，抗震性能優越。
f.質量較輕，低振動。
g.采用Stork公司原裝噴嘴，無轉動部件，免維護，性能高度可靠。
h.直徑及接口設計靈活，便于運輸和安裝布置。
3無頭除氧器與有頭除氧器比較
3.1基本結構和參數的比較
3.1.1無頭除氧器
a.除氧形式：噴霧型。
b.除氧原理：凝結水通過噴嘴充分霧化，進行初步除氧，蒸汽從液面下的蒸汽分配管噴出，完成最終除氧。
c.結構及材料：單容器結構，除氧噴嘴內置于水箱內；噴嘴及鼓泡管采用不銹鋼材料，殼體采用碳鋼。
d.凈質量：300MW機組單臺約80t；600MW機組單臺約120t。
e.噴嘴及其容量：盤式恒速噴霧噴嘴；300MW機組配1個1200t/h噴嘴；600MW機組配2個1200t/h噴嘴。
f.最大容量高達6000t/h（1300MW機組）。
g.壽命由于沒有除氧頭，從而避免了水箱上部大的集中載荷，筒體應力大大減小，降低了產生應力裂紋的可能性。
3.1.2有頭除氧器
a.除氧形式：噴霧淋水盤或其他型式。
b.除氧原理：通過噴嘴霧化，去除大部分氧氣；深度除氧階段，凝結水一層層交錯向下流動，蒸汽從下部進入淋水箱。
c.結構及材料：雙容器結構(除氧頭 水箱)，除氧頭采用不銹鋼復合板，水箱采用碳鋼。
d.凈質量：水箱和除氧頭總質量300MW機組約90t/臺；600MW機組約140t/臺。
e.噴嘴及其容量：彈簧噴嘴，配多個小流量噴嘴，單噴嘴最大流量25t/h。
f.最大容量：2400t/h（600MW機組）。
g.壽命：由于有除氧頭，水箱上部有比較大的集中載荷，筒體應力大大增加，在運行中將大量產生應力裂紋，從而降低除氧器設備使用壽命。
3.2機組安裝布置比較
a.檢修維護平臺：無頭除氧器只需沿水箱布置1個平臺，有頭除氧器至少需要2個平臺。
b.管路系統：無頭除氧器管路系統少，安裝簡單容易；有頭除氧器在除氧頭和水箱之間，需要接平衡管，管路較長，安裝相對較復雜。
c.保溫材料：無頭除氧器需用較少，有頭除氧器相對較多。
d.排汽凝汽器：無頭除氧器由于除氧時被帶走的蒸汽量很少，不需要排汽凝汽器；有頭除氧器由于除氧時被帶走的蒸汽量很多，需要安裝排汽凝汽器進行再回收利用或防止冬天結冰。
e.高度尺寸：無頭除氧器300MW機組為4～5m，600MW機組為5～6m（總高度降低了3～4m）；有頭除氧器300MW機組為7～8m，600MW機組為8～9m。
f.抗震效果：無頭除氧器為單容器結構，因此具有極佳的抗震能力；而有頭除氧器的除氧頭焊接在水箱的上部，總體高度較高，并且在除氧頭和水箱之間存在應力，因此抗震效果相對較差。
g.基礎荷載：無頭除氧器由于質量較輕，對基礎的荷載較小，300MW機組2支座，600MW機組支3座；有頭除氧器為相對較重，基礎荷載較大。
h.有效容積百分比：無頭除氧器有效容積占總容積的70～72，由于將除氧頭和水箱合二為一，因此總體積大于有頭除氧器的水箱，但遠遠小于有頭除氧器的除氧頭和水箱的總體積之和。有頭除氧器有效容積占總容積的75～80。
除氧器尺寸對比見表1。
表1除氧器尺寸對比
機組
類型
除氧頭
水箱
直徑
長度
直徑
長度
300MW
有頭
2.5
8.6
3.5
19.4
無頭
－
－
3.8/4.0
20/21
600MW
有頭
2.5
15.0
3.9
26
無頭
－
－
3.8
29
3.3設備運行及性能比較
3.3.1無頭除氧器
a.運行壓力0.02～2MPa，適合于真空、大氣、過壓運行，定滑、運行。
b.可選擇過熱蒸汽、飽和蒸汽、濕蒸汽（90）、蒸汽/水混合物、熱水單一除氧介質，也可混合使用，取決于用戶。
c.被除氧水種類有凝結水/給水、補充水/化學除鹽水，能夠將較低溫度的給水加熱到除氧器飽和溫度。
d.負荷變化范圍在10～110，均保證出水含氧量小于5×10-6（即最低負荷可達10）。
e.水箱加熱由標準的蒸汽分配管完成，即在除氧過程中保持水箱加熱，不需額外的水箱加熱裝置。
f.正常運行時的噪音不超過63.5dB（A）。
g.當除氧器入口蒸汽在15～80m/s時，運行的除氧器幾乎沒有振動或振動很小（低振動是內置式無頭除氧器的顯著優點）。
h.出水含氧量性能保證值不高于5×10-6，正常運行時2×10-6左右（國電石嘴山電廠2×300MW機組，正常運行時不高于2×10-6；內蒙準格爾電廠2×300MW機組，正常運行時只有1.5×10-6）。
i.在蒸汽區域沒有壓力差。
j.隨著壓力升高，水仍能保持飽和狀態。
k.不需要啟動再循環泵。
3.3.2有頭除氧器
a.運行壓力0.049～0.83MPa或0.147～1.202MPa。
b.主要使用汽機低壓抽汽。
c.被除氧水種類有凝結水/給水、補充水/化學除鹽水，在將低溫給水加熱到除氧器飽和溫度時會遇到一些困難。
d.負荷變化范圍在35～105，出水含氧量小于等于7×10-6。
e.需額外的水箱加熱裝置。
f.符合國內噪音工業標準85dB（A）。
g.有些設計振動較大。
h.出水含氧量5×10-6～7×10-6。
i.隨著壓力升高，水可能出現過冷狀態。
j.需要啟動再循環泵。
3.4機組可靠性比較
a.噴嘴的可靠性：無頭除氧器噴嘴是Stork公司的專利設計，無轉動部件，免維護，具有自身過濾功能以防堵塞，高度可靠；有頭除氧器除氧頭內部存在轉動部件，機組故障率提高。
b.應力集中：無頭除氧器由于采用單容器結構取消了除氧頭，避免了水箱與除
氧頭處的應力裂紋；有頭除氧器在除氧頭和水箱之間采用焊接連接，因此不可避免地存在著應力裂紋。
c.熱疲勞壽命：無頭除氧器的加熱蒸汽從水下送入，使除氧器整體工作溫度水平降低，金屬熱疲勞壽命大大提高；有頭除氧器的加熱蒸汽直接與筒體接觸，除氧器整體工作溫度高，金屬熱疲勞壽命較短。
d.低負荷/過負荷運行：無頭除氧器保證機組在10～110的運行工況下可靠運行；在低于30負荷的惡劣工況下，有頭除氧器難以保證出口水含氧量。
e.使用壽命：無頭除氧器大于30年，有頭除氧器不超過20年。
3.5節省投資和運行成本的比較
a.無頭除氧器：對300MW或600MW機組，整機價格低于有頭除氧器市場平均價格的5～10；除氧間土建高度降低了3～4m，土建費用可相應節省幾十萬至上百萬元；300MW機組排汽損失平均為80kg/h，按蒸汽損失0.08元/kg計算，造成的費用55296元。
b.有頭除氧器：由于除氧頭的存在，除氧間所需建筑高度較高，土建費用較多；300MW機組排汽損失為300～400kg/h，按蒸汽損失0.08元/kg計算，造成的損失費用276480元。相比有頭除氧器，采用無頭式除氧器，對于300MW機組，每年每臺機組節省費用221184元，30年每臺機組可節省近700萬元。
4、結論
從以上的分析和對比看，內置式無頭除氧器采用先進的設計方案和制造工藝，同常規除氧器相比具有很多優點。除氧效果好，可靠性高，能保證各工況下除氧水含氧量≤5μg/L，正常運行時通常在1μg/L左右。適應負荷變化能力強，采用定、滑壓運行方式，負荷在額定負荷的10～110％之間變化時均能保證上述除氧效果。內置式無頭除氧器啟動時不存在常規除氧器啟動時振動現象。加熱蒸汽從上面下送入，使除氧器整體工作溫度降低，金屬熱疲勞壽命大大提高。此外其系統設計簡單，結構緊湊，檢修維護方便。工作過程中，排氣損失極少，大大節約了運行費用。目前國內已有數家已建和在建的電廠采用無頭除氧器技術。投運的電廠均達到良好的運行效果。
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