凝汽器热井鼓泡除氧装置的应用

艾 民

(杭州汽轮辅机有限公司 研究院，浙江 杭州 310022)

0 前 言

某燃气-蒸汽联合循环热电联产机组为抽凝机组，运行中会将大量抽汽用于供热，同时需要大量的补水进入凝汽器以保证联合循环的工质要求。因补给水温度较低，约15～25 ℃，携带着大量的溶解氧和二氧化碳等不凝气体，进入凝汽器后将对锅炉给水系统造成严重腐蚀。为保证机组稳定运行，延长系统设备的运行寿命，需要考虑设置热井除氧装置。

电站凝汽器热井广泛采用的鼓泡除氧装置[1]，其物理除气理论依据拉乌尔定律[2]，其基本原理是利用溶解在水中的气体与蒸汽中的气体之间的平衡，去除溶解于凝结水中的氧气。具体过程是：利用压力远比凝汽器压力高的蒸汽(文献[3]认为压力在0.2 MPa(a)以下的饱和蒸汽即可 )通过小孔喷入热井的凝结水中[1]，再利用所产生的强烈的鼓泡作用，使蒸汽与水的接触面积增加，经过充分混合换热后将凝结水加热至饱和温度，降低氧的溶解度，让氧气从水中逸出从而达到除氧目的。实践证明，与其它除氧装置相比，鼓泡除氧装置对于凝汽器热井除氧是最有效的，装置尺寸也较小，它能保证凝结水在任何工况下深度除氧。而鼓泡除氧的效果，主要取决于鼓泡蒸汽的分配以及凝结水散布的均匀程度。[1]

1 热井除氧的设置时机

对纯凝机组而言，因无大量的外来溶氧介质进入凝汽器，所以凝汽器无需设置除氧装置。而对某燃气-蒸汽联合循环热电联产抽凝机组而言，运行中抽汽用于供热，大量的系统补水会从凝汽器中进入。因常温常压的补给水含氧量约8～9 mg/L[1]，远远大于HEI表面式凝汽器标准规定的42 μg/L要求，当凝汽器的补给水量较大时，会造成凝汽器热井中的凝结水含氧量增高，此时需要在凝汽器热井中设置除氧装置。

对某燃气-蒸汽联合循环热电联产抽凝机组的热平衡计算结果(见表1)进行分析。纯凝工况时，计算所需的鼓泡蒸汽量仅用于消除过冷度，热负荷小，消耗的蒸汽量可忽略不计。抽凝工况时，计算所需的的鼓泡蒸汽量主要用于加热补给水，其蒸汽量达到结构设计和装置热力除氧的运行要求。

表1 抽凝和纯凝工况的鼓泡蒸汽耗量对比

2 传统型的热井鼓泡除氧装置

一种传统型的鼓泡除氧装置(图1所示)是由凝结水溢流槽、换热通道顶部隔板、消音板、蒸汽鼓泡板、蒸汽鼓泡管、二次淋水槽等组成。凝结水通过水封式溢流口进入除氧装置，蒸汽经鼓泡管射出，再向上穿过蒸汽鼓泡板上的一道道3 mm宽细长形孔，形成“蒸汽墙”[3]，以泡状向凝结水发散，使蒸汽和凝结水的换热面积增加。蒸汽和凝结水在鼓泡板上方的通道内充分混合并发生强烈搅动后，凝结水被加热至饱和温度，不凝气体以气泡形式从凝结水中逸出。鼓泡通道设置有一道道消音板，起消除搅动噪音和均匀水流的作用。饱和的凝结水经过堰板和淋水盘缓冲后进入热井中，释放出的不凝气体则通过热井上方空冷区的开孔被抽气装置抽出，从而实现凝结水除氧的目的。

图1 一种传统型热井鼓泡装置

3 新型的热井鼓泡除氧装置

一种新型的鼓泡除氧装置(图2所示)结构简单、占用热井空间小且通用性强。该热井鼓泡除氧装置由双层淋水盘、蒸汽母管、双支蒸汽鼓泡管、除氧水槽等部件组成。各部件的具体功能如下：

图2

第一层淋水盘的功能：凝结水从下水口汇集到第一层淋水盘，经淋水盘孔分散成众多股细小的水流，在淋水盘下方与蒸汽逆流换热，同时增加与蒸汽接触的换热面积。水的除气率随着水滴尺寸的减小而增加，所以设置淋水盘便是基于通过减小水滴尺寸可获得更好的除气效果的理论[3]。

第二层淋水盘的功能：进一步增加凝结水和蒸汽的接触时间和换热面积，让凝结水与蒸汽完成第二次逆流换热。两层淋水盘周围均设置有挡水板防止凝结水侧向流出。

双支蒸汽鼓泡管的功能：流经淋水盘中的凝结水停留时间短，无法确保最佳的除氧效果，因此利用双支蒸汽鼓泡管进行再除氧。蒸汽通过鼓泡管上的小孔射出喷入除氧水槽，扰动水流增加蒸汽与水的接触并加热凝结水，同时持续循环的蒸汽泡，可缩短不凝气体的扩散路径，有利于将水中残留的气体排出。鼓泡管沿着热井轴向布置，可以让蒸汽均匀分布加热凝结水。

除氧水槽的功能：凝结水进入除氧水槽，与鼓泡管喷射出的蒸汽在水槽内扰动式逆流换热，改变凝结水的流动特性。在水槽出口设置溢流挡水堰板，堰板高度大于鼓泡管布置高度，保证鼓泡管位于水槽内的水位下方。饱和的凝结水从水槽两侧通道，经湍流溢出后进入热井中。释放出的不凝气体则通过热井上方空冷区的开孔被抽气装置抽出。

该装置实现了凝结水在双层淋水盘区初步除氧，在除氧水槽鼓泡深度除氧的两级除氧功能，其除氧结构和机理借鉴了单体式除氧器。

图3 一种新型热井鼓泡装置

4 热井鼓泡除氧装置与单体式除氧器对比

北美K公司的单体式除氧器(图4和图5所示)，其核心结构部件均由喷雾喷嘴，淋水盘和鼓泡蒸汽管组成，凝结水经喷嘴雾化和淋水盘后完成初步除氧，在水箱经蒸汽鼓泡完成深度除氧。

图4 北美K公司的单体式除氧器

图5 欧洲S公司的单体式除氧器

欧洲S公司的单体式除氧器(图5所示)，其核心结构部件由碟形喷嘴和鼓泡蒸汽管组成。凝结水的初步除氧由S公司专利蝶形喷嘴完成。在各种操作条件下，该碟形喷嘴都可确保凝结水被加热到饱和温度，并提供足够大的空间保证传质过程。在饱和条件下，由于氧气在水中的溶解度几乎为零，因此氧气从水滴转移到周围的蒸汽中。同时蒸汽与凝结水滴接触凝结，使得喷嘴周围的氧气浓度增加，从而便于排出具有较高氧气浓度的气体。最终除氧则是通过向水箱中注入鼓泡蒸汽来实现的。根据条件的不同，可以使用蒸汽，加压热水或蒸汽/水混合物进行除氧。设计合理的蒸汽除氧装置，需考虑到水箱中的流体动力学特性，才能保证水和蒸汽之间的良好接触，从而使氧气根据亨利定律从水中逸出到蒸汽。[2]

与单体式除氧器对比，这种新型的热井鼓泡除氧装置与单体式除氧器有相似的结构，具有相似的核心部件即喷嘴雾化装置，淋水盘、蒸汽鼓泡管等。热井除氧的补充水雾化装置设置在凝汽器喉部，这样便于让补充水雾化后与汽机乏汽充分混合，利用乏汽潜热加热预除氧。

5 蒸汽鼓泡装置的试验

蒸汽鼓泡试验装置(图6、图7、图8所示)，其主要由蒸汽鼓泡管、水箱、窥视镜等组成，同时配置有试验用的蒸汽源和水源。试验的目的是通过窥视镜观察蒸汽喷射鼓泡的效果。在试验装置启动时，可以明显看到蒸汽从鼓泡支管射出，在支管喷射孔出口处呈放射状，喷射效果明显，具体见图7所示。试验中水箱的水是预先灌满的，在通入蒸汽鼓泡数分钟后，水箱中灌满的水全被加热蒸发吹干了，蒸汽最后从水箱中直接喷出(图8所示)。从试验时的观察判断，鼓泡蒸汽管结构是可行的，如果水量是连续的进入水箱，可以形成图4和图5单体式除氧器的鼓泡状态。

图6 蒸汽鼓泡前的试验装置

图7 蒸汽鼓泡时的试验装置

图8 蒸汽鼓泡后的试验装置

6 结束语

通过对某燃气-蒸汽联合循环热电联产抽凝机组的抽凝和纯凝工况所需的鼓泡蒸汽耗量进行计算，明确有大量补水的抽凝机组的凝汽器才需设置热井除氧装置。介绍了一种传统的和一种新型的两种热井蒸汽鼓泡除氧装置的结构特点，这种新型的的鼓泡除氧装置有着单体式除氧器相接近的结构特征，并与单体式除氧器做了对比。除氧过程中不仅仅是气体分压的降低和温度的升高因素起作用，气体的传输速度也起着重要作用，而该传输速度受气体在水中的扩散、水和蒸汽的流动、水蒸气的接触表面积与水量的比率等影响[2]。