1 350 MW超大容量空冷機組除氧器選型研究

趙洪偉，劉 利

(中國電力工程顧問集團華北電力設(shè)計院有限公司，北京 100120)

0 引言

為應(yīng)對全球氣候危機，我國提出“碳達峰、碳中和”的“3060”重大戰(zhàn)略目標，節(jié)能減排是助力“雙碳”目標實現(xiàn)的重要方式。我國多煤、缺油、少氣的能源稟賦決定了煤電在能源結(jié)構(gòu)中的重要地位，傳統(tǒng)煤電面臨的節(jié)能減排形勢日益嚴峻，發(fā)展大容量、高參數(shù)機組是煤電機組節(jié)能減排的一條重要途徑。目前國內(nèi)已投運機組中，單機單軸最大容量為1 240 MW(一次再熱濕冷機組)，單機雙軸最大容量為1 350 MW(二次再熱濕冷機組)。對于超大容量空冷機組，工質(zhì)的循環(huán)流量進一步增大，對配套輔機的選型和配置進行研究，選擇配置安全可靠、經(jīng)濟合理、先進適用的輔機是超大容量機組發(fā)展的一項重要工作內(nèi)容。

除氧器是火力發(fā)電廠中重要的輔機之一，也是回熱系統(tǒng)的重要組成部分。本文主要研究超大容量機組一體化除氧器的配置選型。

1 除氧器的除氧原理及應(yīng)用

為了除去給水中的不凝結(jié)氣體，防止設(shè)備被腐蝕和傳熱效果下降，機組的熱力系統(tǒng)中均設(shè)置了給水除氧系統(tǒng)。給水除氧方式主要有化學除氧和熱力除氧兩種。電廠以熱力除氧為主，化學除氧為輔。

給水的熱力除氧原理是建立在亨利－道爾頓定律(Henry-Dalton Law)的基礎(chǔ)上，方法是利用蒸汽將鍋爐給水加熱到工作壓力下的飽和溫度，此時水表面蒸汽壓力接近于水面的全壓力，溶解在水中的各種氣體的分壓力接近于零，溶解在水中的氣體就會析出，從而達到除氧的目的。

除氧器是一種混合式加熱器，作為除氧系統(tǒng)的核心設(shè)備，其主要功能是通過霧化及淋水等方法，使水與蒸汽直接接觸并加熱到工作壓力下的飽和溫度或使水自身部分汽化，除去水中溶解氧氣及其他氣體，提供達到規(guī)定含氧量的鍋爐給水。

2 除氧器的分類

目前，國內(nèi)常規(guī)的給水熱力除氧器按外形分類有分體(立式、臥式)和一體化除氧器(內(nèi)置除氧頭的臥式除氧器)；按除氧器內(nèi)傳熱傳質(zhì)的結(jié)構(gòu)形式分有噴嘴霧化淋水盤式、噴霧填料式、旋膜式和盤式噴嘴液下鼓泡除氧器；按運行壓力分類可以分為真空式、大氣式和高壓式。小型除氧器一般為立式；大型除氧器由于容量增大，受高度和除氧頭直徑影響，一般為臥式；國內(nèi)300 MW以上大中型燃煤機組給水系統(tǒng)配置的除氧器大多采用臥式高壓除氧器。

由于單一的傳熱傳質(zhì)結(jié)構(gòu)不能達到除氧效果，市場上的除氧器多采用幾種方式組合形式：如噴嘴霧化淋水盤式、噴霧填料式、旋膜式和盤式霧化噴嘴液下鼓泡式。

2.1 噴嘴霧化淋水盤式除氧器

噴嘴霧化淋水盤式除氧器設(shè)有一定數(shù)量的霧化噴嘴，早期采用固定噴嘴，對低負荷適應(yīng)性較差，目前多采用彈簧噴嘴，對負荷適應(yīng)性增強[1]。凝結(jié)水與噴嘴霧化噴出后和進入除氧器的蒸汽接觸，霧化形成很小的液滴，增大了水滴和加熱蒸汽接觸的表面積。水滴和蒸汽充分接觸后被飽和加熱，內(nèi)部溶氧溢出，達到除氧的目的。但由于小水滴表面張力增大，影響了溶氧的溢出，除氧器采用單級噴霧加熱，不能滿足給水系統(tǒng)對含氧量的要求。為此設(shè)置淋水盤進行進一步深度除氧，經(jīng)2級除氧后，給水含氧量可達到5～7 μg/L。

2.2 噴霧填料式除氧器

噴霧填料式除氧器在除氧頭中設(shè)有填料層，經(jīng)過噴嘴霧化后的凝結(jié)水與除氧頭上部蒸汽管道引入的蒸汽混合，這一過程中水滴被加熱并初步除氧。經(jīng)過初步除氧的凝結(jié)水在向下流動的過程中被填料層(如Ω型不銹鋼片、塑料波紋板等)分割成極薄的水膜，水膜被從填料下部引入的蒸汽繼續(xù)加熱，完成深度除氧。由于被填料分割的水膜具有較大的表面積，更利于水的加熱和溶解氣體的逸出。經(jīng)填料加熱除氧后的給水含氧量一般為2～5 μg/L。

2.3 旋膜式除氧器

旋膜式除氧器的結(jié)構(gòu)是在除氧頭內(nèi)設(shè)有一定數(shù)量的旋膜管，凝結(jié)水從管外切向進入旋膜管，在管內(nèi)形成旋轉(zhuǎn)水膜，凝結(jié)水沿管口成旋膜狀流出，形成極薄的水膜。加熱蒸汽從下部進入，和水膜接觸，加熱凝結(jié)水至飽和狀態(tài)，由于水膜表面積大，促進了水中溶氧溢出，達到除氧的目的。旋膜式除氧器的出力范圍為75～680 t/h，目前旋膜式除氧器除氧效果可保證5 μg/L以下，一般運行可達2～3 μg/L。

2.4 盤式霧化噴嘴液下鼓泡式除氧器

盤式霧化噴嘴液下鼓泡式除氧器為內(nèi)置式一體化除氧器，是引進荷蘭某公司的技術(shù)，其噴霧除氧機理和噴嘴霧化除氧相同，僅是噴嘴型式不同。盤式彈性噴嘴由多層(最多達9層)盤式碟片組成，凝結(jié)水進入盤式噴嘴，從各層圓盤式碟片周邊齒狀式噴嘴縫隙水平噴出，齒狀縫隙的大小(即開合程度)由水壓自動調(diào)節(jié)，凝結(jié)水噴出水霧成多層環(huán)狀。不同規(guī)格的噴嘴直徑和碟片數(shù)量不同，使不同規(guī)格噴嘴具有不同出力。由于噴嘴集約化，體積變小，噴出水霧密度增大，使除氧器所需空間減小，因此能夠?qū)⒊躅^布置于除氧水箱內(nèi)，達到除氧器無頭化的目的。為達到深度除氧的目的，一體化除氧器二級深度除氧采用蒸汽水下鼓泡方式。除氧器加熱蒸汽由除氧水箱水下進入，蒸汽通過水下多孔管進入除氧凝結(jié)水中，形成密集蒸汽水泡，對除氧水進一步加熱，密集汽泡和水接觸面積很大，水中溶解的少量氧氣進一步進入蒸汽中，隨蒸汽從水中溢出，達到深度除氧的目的。盤式霧化噴嘴液下鼓泡式除氧器除氧效果保證5 μg/L以下，一般運行時為2 μg/L左右。

3 傳統(tǒng)除氧器和一體化除氧器技術(shù)比較

將傳統(tǒng)除氧器和一體化除氧器的技術(shù)參數(shù)進行對比，詳見表1所列。

表1 傳統(tǒng)除氧器和一體化除氧器技術(shù)對比表

一體化除氧器采用單體壓力容器結(jié)構(gòu)和大容量盤(碟)式彈性噴嘴，可以減少噴嘴數(shù)量和排汽損失，設(shè)備抗震和抗疲勞性能優(yōu)異，啟動運行維護簡單、全負荷工況除氧效果好。通過表1的對比分析可知，一體化除氧器在結(jié)構(gòu)型式、安全性能、除氧效果、節(jié)能降造等方面均優(yōu)于傳統(tǒng)除氧器。

4 1 350 MW超大容量機組除氧器選型

目前新建火電機組中，傳統(tǒng)除氧器主要適用于低參數(shù)、小容量機組和采暖供熱機組。一體化除氧器在除氧效果，簡化系統(tǒng)，降低造價方面更具有優(yōu)勢，在百萬機組工程上有較多的投產(chǎn)業(yè)績。上個世紀90年代末，國內(nèi)一些除氧器設(shè)計制造廠家開始與荷蘭某公司合作引進內(nèi)置式一體化除氧器技術(shù)。由此，以荷蘭某公司大流量恒速噴嘴為核心部件的一體化除氧器以其單容器結(jié)構(gòu)、技術(shù)成熟可靠、除氧效果好、整機造價低等優(yōu)點，迅速占領(lǐng)了國內(nèi)市場，成為了火電機組除氧器形式的主流。近年來國內(nèi)一體化除氧器的加工制造技術(shù)日趨成熟，已有廠家實現(xiàn)了1 200 t/h恒速噴嘴的國產(chǎn)化[2]，對于超大容量的1 350 MW直接空冷機組推薦采用。

一體化除氧器的設(shè)計、加工制造、安裝和維護主要按照TSG 07—2019《特種設(shè)備生產(chǎn)和充裝單位許可規(guī)則》、TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》、GB150—2011《壓力容器》《電站壓力式除氧器安全技術(shù)規(guī)定》(能源安保 [1991]709號 )、JB/T 10325—2002《鍋爐除氧器技術(shù)條件》等相關(guān)規(guī)范、規(guī)定執(zhí)行。

4.1 除氧器的容量和設(shè)計參數(shù)選取

根據(jù)GB 50660—2011《 大中型火力發(fā)電廠設(shè)計規(guī)范》[3]中的相關(guān)規(guī)定，除氧器的總出力、臺數(shù)和形式應(yīng)符合下面規(guī)定：

1)總出力應(yīng)根據(jù)最大給水消耗量選擇；

2)每臺機組宜配置1臺除氧器；

3)凝汽式機組應(yīng)采用一級高壓除氧器；

4)除氧器水箱的貯水量宜為3～5 min的鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量時的給水消耗量。

根據(jù)JB/T 10325—2002《鍋爐除氧器技術(shù)條件》[4]除氧器的設(shè)計壓力和溫度取值按照下列要求：

1)滑壓運行的除氧器，其設(shè)計壓力不應(yīng)低于汽輪機在最大連續(xù)輸出功率下運行時，除氧器所采用的回熱抽汽壓力的1.25倍；

2)除氧器的設(shè)計溫度不應(yīng)低于以下二者中的較大值：①汽輪機在最大連續(xù)輸出功率下運行時除氧器所采用的回熱抽汽溫度；②除氧器在啟動或低負荷運行時所采用的輔助蒸汽溫度(通常啟動鍋爐蒸汽壓力1.3 MPa，溫度 350 ℃ )；

3)水箱的設(shè)計溫度不低于最高工作壓力下介質(zhì)的飽和溫度，且不低于205 ℃。

4.2 超大容量除氧器技術(shù)參數(shù)確定

350 MW級及以上機組除氧器采用滑壓運行，保持在10%～100%機組負荷之間，除氧器的出水溶解氧量不大于5 μg/L。

結(jié)合與主機廠配合的1 350 MW直接空冷機組閥門全開(valve wide open，VWO)工況熱平衡圖，按照傳統(tǒng)回熱和雙機聯(lián)合回熱兩個裝機方案，除氧器選型的有關(guān)數(shù)據(jù)見表2所列。

表2 除氧器選型數(shù)據(jù)表

根據(jù)4.1節(jié)中相關(guān)規(guī)范的內(nèi)容和表2的相關(guān)數(shù)據(jù)，確定除氧器的主要技術(shù)參數(shù)見表3所列。

表3 除氧器技術(shù)參數(shù)表

4.3 超大容量除氧器噴嘴配置

本文暫按照荷蘭某公司噴嘴系列進行配置選型，技術(shù)參數(shù)見表4所列。

表4 荷蘭某公司噴嘴系列參數(shù)表

不同容量空冷機組以及目前投產(chǎn)的大容量濕冷機組一體化除氧器的噴嘴配置情況見表5所列。

表5 不同容量機組一體化除氧器噴嘴配置情況統(tǒng)計表

對于1 350 MW直接機組，VWO工況的凝結(jié)水量2 600～2 700 t/h，若選用2個荷蘭某公司系列額定流量最大型號的TYPE 1200型噴嘴，則超過單個噴嘴的額定流量，甚至超過噴嘴的最大出力?？紤]到機組老化、再熱器減溫水和其他的設(shè)計余量需求，2個噴嘴已經(jīng)不能滿足超大容量機組除氧器出力需求，無法保證除氧效果。采用雙列除氧器布置方案，可以解決內(nèi)置式除氧器噴嘴容量的問題，但該方案管路系統(tǒng)復(fù)雜，設(shè)備購置費用和土建費用高，運行維護成本較高。

結(jié)合目前已投產(chǎn)的大容量火電機組的除氧器結(jié)構(gòu)、外形尺寸，以及除氧器生產(chǎn)廠商的設(shè)計制造能力，對于超大容量機組的除氧器，可采用一固三滑四支座、兩大一小三噴嘴的單列內(nèi)置式除氧器方案。據(jù)了解，其他領(lǐng)域投運的除氧器，其長度已超過50 m，可以保證除氧器三噴嘴的安裝和運行空間。噴嘴采用荷蘭某公司產(chǎn)品系列的TYPE 1200型和TYPE 600型組合，噴嘴設(shè)計制造成熟可靠。多噴嘴單列除氧器設(shè)計可以滿足超大容量機組除氧器選型需求，減少設(shè)備投資和占地。

參照限額指標和廠家報價，對于1×1 350 MW機組，雙列除氧器的設(shè)備費用約350萬元，單列除氧器的的設(shè)備費用約235萬元。采用三噴嘴單列除氧器，設(shè)備本體購置費用可節(jié)約115萬元。

4.4 除氧器的結(jié)構(gòu)設(shè)計

除氧器的本體主要部件包括殼體、噴嘴、加熱蒸汽管、擋板、蒸汽平衡管、排氣口、出水管及安全閥、流量測量及人孔。為保證深度除氧的效果，結(jié)構(gòu)設(shè)計中要求凝結(jié)水在除氧器中的流程足夠長。為此，大、小流量噴嘴分別置在靠近除氧器的兩端封頭側(cè)殼體頂部，出水管布置在除氧器中間底部。同時主、輔加熱蒸汽引入位置布置在除氧器中間，焓值高的蒸汽靠近主凝結(jié)水區(qū)域。除氧器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 除氧器結(jié)構(gòu)示意圖

4.5 除氧器汽水系統(tǒng)工作流程

凝結(jié)水通過管路分別進入不同的噴嘴，在噴嘴周圍形成水霧。水霧與從下而上的蒸汽接觸換熱，析出氧氣和不凝結(jié)氣體，完成初步除氧。經(jīng)過初步除氧的水在除氧器水箱底部匯集，布置在水箱底部的蒸汽支管進一步加熱擾動，完成鼓泡沸騰的深度除氧。除氧器正常的工作汽源為汽輪機的回熱抽汽，啟動或低負荷時，由輔助蒸汽系統(tǒng)提供加熱蒸汽。

除氧器汽水系統(tǒng)工作流程示意圖如圖2所示。

圖2 除氧器汽水系統(tǒng)工作流程示意圖

5 結(jié)語

隨著機組容量的加大，受單只噴嘴出力的限制，兩噴嘴單列一體化除氧器的配置不能滿足大容量機組項目給水除氧的需要。本文提出的一固三滑四支座、兩大一小三噴嘴單列一體化除氧器方案，滿足規(guī)程規(guī)范和工程實際要求，減少設(shè)備投資和占地。采用多噴嘴單列除氧器可以滿足超大容量機組給水除氧的需求，為機組向超大容量發(fā)展提供保證，助力節(jié)能減排。

本文按荷蘭某公司噴嘴系列進行配置選型，實際工程中可以推廣至同類型國產(chǎn)噴嘴的除氧器。另外，660 MW和1 000 MW機組也可采用增設(shè)小流量噴嘴的配置，通過大小噴嘴組合，提高機組的深度調(diào)峰能力，運行更靈活。