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新型内置式无头除氧器在电厂中的应用
东北电力设计院刘启军
[摘要]：在介绍火电厂除氧器应用现状基础上，介绍了内置式无头除氧器的工作原理和特点，并对内置式无头除氧器和常规除氧器的性能特点进行了对比，提出了使用这种新型除氧器的建议。
[关键词]：无头除氧器；火电厂；参数
除氧器是火力发电厂中的重要热力设备。目前热力发电厂中普遍采用的是热力除氧，它费用低，而且同时可以除去水中的氧气和其他气体，并无任何残留物质。
1火电厂除氧器应用现状
目前国内火力发电厂中普遍采用的是带有除氧头的常规除氧器(以下简称有头除氧器)，它的类型有喷雾填料式、淋水盘式及喷雾淋水盘式。除氧过程是在除氧头中完成的，包括在喷雾层的初步除氧，可除去水中的大部分气体，在下面的淋水盘层或填料层进行深度除氧，除去水中的残余气体。
随着对外技术交流的不断深入，国外先进的除氧技术和设备在国内也有落户。荷兰StorkThermeqB.V.（以下简称Stork）公司有几十年生产和设计除氧器的经验，其设计制造的内置式无头除氧器(以下简称无头除氧器)，以其独特的优点占据着强大的市场份额。目前有些国内电力设备制造公司与荷兰Stork公司已经开始合作，从事无头除氧器在国内的生产和销售。国内拟建及在建的300MW及以上机组大多采用无头除氧器。
2无头除氧器的工作原理及特点
2.1工作原理
凝结水从盘式恒速喷嘴喷入除氧器汽空间，进行初步除氧，然后落入水空间流向出水口；加热蒸汽排管沿除氧器筒体轴向均匀排布，加热蒸汽通过排管从水下送入除氧器，与水混合加热，同时对水流进行扰动，并将水中的溶解氧及其他不凝结气体从水中带出水面，达到对凝结水进行深度除氧的目的。水在除氧器中的流程越长，对水进行深度除氧的效果越好。蒸汽从水下送入，未凝结的加热蒸汽（此时为饱和蒸汽）携带不凝结气体逸出水面，流向喷嘴的排汽区域（喷嘴周围排汽区域为未饱和水喷雾区），在排汽区域未凝结的加热蒸汽凝结为水，不凝结气体则从排气口排出。不凝结气体在流向排气口的流程中，在水容积一定的情况下，除氧器筒体直径越大，汽空间不凝结气体分压力越小，这样就能有效控制不凝结气体在液面的扩散，避免二次溶氧的发生，因此，除氧器筒体采用大直径为佳。300MW及以上的无头除氧器通常采用3800mm的直径。
2.2性能特点
a.设备整机价格低于常规有头除氧器（300MW及以上机组）。
b.节省土建费用，除氧间高度降低了3～4m。
c.排汽损失低，每台机组每年可节省运行费用几十万元。
d.负荷变化范围在10～110之间时，均能保证出水含氧量小于5.0×10-6。
e.单容器结构，系统设计简单、优化，避免应力裂纹，抗震性能优越。
f.质量较轻，低振动。
g.采用Stork公司原装喷嘴，无转动部件，免维护，性能高度可靠。
h.直径及接口设计灵活，便于运输和安装布置。
3无头除氧器与有头除氧器比较
3.1基本结构和参数的比较
3.1.1无头除氧器
a.除氧形式：喷雾型。
b.除氧原理：凝结水通过喷嘴充分雾化，进行初步除氧，蒸汽从液面下的蒸汽分配管喷出，完成最终除氧。
c.结构及材料：单容器结构，除氧喷嘴内置于水箱内；喷嘴及鼓泡管采用不锈钢材料，壳体采用碳钢。
d.净质量：300MW机组单台约80t；600MW机组单台约120t。
e.喷嘴及其容量：盘式恒速喷雾喷嘴；300MW机组配1个1200t/h喷嘴；600MW机组配2个1200t/h喷嘴。
f.最大容量高达6000t/h（1300MW机组）。
g.寿命由于没有除氧头，从而避免了水箱上部大的集中载荷，筒体应力大大减小，降低了产生应力裂纹的可能性。
3.1.2有头除氧器
a.除氧形式：喷雾淋水盘或其他型式。
b.除氧原理：通过喷嘴雾化，去除大部分氧气；深度除氧阶段，凝结水一层层交错向下流动，蒸汽从下部进入淋水箱。
c.结构及材料：双容器结构(除氧头 水箱)，除氧头采用不锈钢复合板，水箱采用碳钢。
d.净质量：水箱和除氧头总质量300MW机组约90t/台；600MW机组约140t/台。
e.喷嘴及其容量：弹簧喷嘴，配多个小流量喷嘴，单喷嘴最大流量25t/h。
f.最大容量：2400t/h（600MW机组）。
g.寿命：由于有除氧头，水箱上部有比较大的集中载荷，筒体应力大大增加，在运行中将大量产生应力裂纹，从而降低除氧器设备使用寿命。
3.2机组安装布置比较
a.检修维护平台：无头除氧器只需沿水箱布置1个平台，有头除氧器至少需要2个平台。
b.管路系统：无头除氧器管路系统少，安装简单容易；有头除氧器在除氧头和水箱之间，需要接平衡管，管路较长，安装相对较复杂。
c.保温材料：无头除氧器需用较少，有头除氧器相对较多。
d.排汽凝汽器：无头除氧器由于除氧时被带走的蒸汽量很少，不需要排汽凝汽器；有头除氧器由于除氧时被带走的蒸汽量很多，需要安装排汽凝汽器进行再回收利用或防止冬天结冰。
e.高度尺寸：无头除氧器300MW机组为4～5m，600MW机组为5～6m（总高度降低了3～4m）；有头除氧器300MW机组为7～8m，600MW机组为8～9m。
f.抗震效果：无头除氧器为单容器结构，因此具有极佳的抗震能力；而有头除氧器的除氧头焊接在水箱的上部，总体高度较高，并且在除氧头和水箱之间存在应力，因此抗震效果相对较差。
g.基础荷载：无头除氧器由于质量较轻，对基础的荷载较小，300MW机组2支座，600MW机组支3座；有头除氧器为相对较重，基础荷载较大。
h.有效容积百分比：无头除氧器有效容积占总容积的70～72，由于将除氧头和水箱合二为一，因此总体积大于有头除氧器的水箱，但远远小于有头除氧器的除氧头和水箱的总体积之和。有头除氧器有效容积占总容积的75～80。
除氧器尺寸对比见表1。
表1除氧器尺寸对比
机组
类型
除氧头
水箱
直径
长度
直径
长度
300MW
有头
2.5
8.6
3.5
19.4
无头
－
－
3.8/4.0
20/21
600MW
有头
2.5
15.0
3.9
26
无头
－
－
3.8
29
3.3设备运行及性能比较
3.3.1无头除氧器
a.运行压力0.02～2MPa，适合于真空、大气、过压运行，定滑、运行。
b.可选择过热蒸汽、饱和蒸汽、湿蒸汽（90）、蒸汽/水混合物、热水单一除氧介质，也可混合使用，取决于用户。
c.被除氧水种类有凝结水/给水、补充水/化学除盐水，能够将较低温度的给水加热到除氧器饱和温度。
d.负荷变化范围在10～110，均保证出水含氧量小于5×10-6（即最低负荷可达10）。
e.水箱加热由标准的蒸汽分配管完成，即在除氧过程中保持水箱加热，不需额外的水箱加热装置。
f.正常运行时的噪音不超过63.5dB（A）。
g.当除氧器入口蒸汽在15～80m/s时，运行的除氧器几乎没有振动或振动很小（低振动是内置式无头除氧器的显著优点）。
h.出水含氧量性能保证值不高于5×10-6，正常运行时2×10-6左右（国电石嘴山电厂2×300MW机组，正常运行时不高于2×10-6；内蒙准格尔电厂2×300MW机组，正常运行时只有1.5×10-6）。
i.在蒸汽区域没有压力差。
j.随着压力升高，水仍能保持饱和状态。
k.不需要启动再循环泵。
3.3.2有头除氧器
a.运行压力0.049～0.83MPa或0.147～1.202MPa。
b.主要使用汽机低压抽汽。
c.被除氧水种类有凝结水/给水、补充水/化学除盐水，在将低温给水加热到除氧器饱和温度时会遇到一些困难。
d.负荷变化范围在35～105，出水含氧量小于等于7×10-6。
e.需额外的水箱加热装置。
f.符合国内噪音工业标准85dB（A）。
g.有些设计振动较大。
h.出水含氧量5×10-6～7×10-6。
i.随着压力升高，水可能出现过冷状态。
j.需要启动再循环泵。
3.4机组可靠性比较
a.喷嘴的可靠性：无头除氧器喷嘴是Stork公司的专利设计，无转动部件，免维护，具有自身过滤功能以防堵塞，高度可靠；有头除氧器除氧头内部存在转动部件，机组故障率提高。
b.应力集中：无头除氧器由于采用单容器结构取消了除氧头，避免了水箱与除
氧头处的应力裂纹；有头除氧器在除氧头和水箱之间采用焊接连接，因此不可避免地存在着应力裂纹。
c.热疲劳寿命：无头除氧器的加热蒸汽从水下送入，使除氧器整体工作温度水平降低，金属热疲劳寿命大大提高；有头除氧器的加热蒸汽直接与筒体接触，除氧器整体工作温度高，金属热疲劳寿命较短。
d.低负荷/过负荷运行：无头除氧器保证机组在10～110的运行工况下可靠运行；在低于30负荷的恶劣工况下，有头除氧器难以保证出口水含氧量。
e.使用寿命：无头除氧器大于30年，有头除氧器不超过20年。
3.5节省投资和运行成本的比较
a.无头除氧器：对300MW或600MW机组，整机价格低于有头除氧器市场平均价格的5～10；除氧间土建高度降低了3～4m，土建费用可相应节省几十万至上百万元；300MW机组排汽损失平均为80kg/h，按蒸汽损失0.08元/kg计算，造成的费用55296元。
b.有头除氧器：由于除氧头的存在，除氧间所需建筑高度较高，土建费用较多；300MW机组排汽损失为300～400kg/h，按蒸汽损失0.08元/kg计算，造成的损失费用276480元。相比有头除氧器，采用无头式除氧器，对于300MW机组，每年每台机组节省费用221184元，30年每台机组可节省近700万元。
4、结论
从以上的分析和对比看，内置式无头除氧器采用先进的设计方案和制造工艺，同常规除氧器相比具有很多优点。除氧效果好，可靠性高，能保证各工况下除氧水含氧量≤5μg/L，正常运行时通常在1μg/L左右。适应负荷变化能力强，采用定、滑压运行方式，负荷在额定负荷的10～110％之间变化时均能保证上述除氧效果。内置式无头除氧器启动时不存在常规除氧器启动时振动现象。加热蒸汽从上面下送入，使除氧器整体工作温度降低，金属热疲劳寿命大大提高。此外其系统设计简单，结构紧凑，检修维护方便。工作过程中，排气损失极少，大大节约了运行费用。目前国内已有数家已建和在建的电厂采用无头除氧器技术。投运的电厂均达到良好的运行效果。
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