CN105417609B - 一种锅炉给水中溶解性气体的调控方法 - Google Patents

Abstract

一种锅炉给水中溶解性气体的调控方法，锅炉的蒸汽在汽轮机做功后形成凝结水，并从凝汽器流出经凝结水泵进入精处理设备，凝结水由膜除气器或膜加氧器进行除气或加氧处理，所述膜除气器与真空泵连接，膜加氧器与氧气瓶相连；经过处理的水依次通过低压加热器、给水泵、高压加热器进入锅炉；所述膜除气器和膜加氧器为纤维膜接触器。上述调控方法采用纤维膜作为气液交换界面，根据不同的水质情况，在AVT工况下进行膜除气处理，在OT工况下进行膜加氧处理，能够快速、准确地调控锅炉给水的气体含量，避免流动加速腐蚀（FAC），提高机组运行的安全性。

Description

一种锅炉给水中溶解性气体的调控方法

技术领域

本发明涉及锅炉给水处理技术领域，特别是一种锅炉给水中溶解性气体的调控方法。

背景技术

热力系统运行过程中影响安全生产的主要因素是设备腐蚀，其中由溶解氧和游离CO₂引起的锅炉给水系统的腐蚀不仅可以造成给水管道及相关设备的损坏，而且产生的金属腐蚀产物随给水进入锅炉并在蒸发面上沉积，易造成锅炉炉管的损坏。金属腐蚀产物小部分是在低压和高压加热器以及在除氧器内形成的，大部分来自于凝汽器和给水系统，因此调控给水系统中的溶解氧和游离CO₂是防止锅炉腐蚀的关键措施。

目前国内大多数电厂对给水采用全挥发处理（AVT）技术脱除溶解氧和游离CO₂，去除游离CO₂主要采用给水加氨和脱气塔脱除，给水加氨是在给水中加入氨气以中和CO₂等酸性物质，提高给水pH值；脱气塔脱除是给水流经鼓风脱气塔内的填料形成水薄膜，水中析出的CO₂随通入塔里的空气排出。AVT除氧方式主要为热力除氧和化学除氧，热力除氧是目前应用比较成熟的技术，它利用亨利定律的原理把水加热到104℃，氧的溶解度急剧下降从水中逸出。但是使用的脱气塔等设备体积较大、投资费用高，并且运行过程中需将水加热到104℃，蒸汽损失及能源消耗大。化学除氧主要使用联氨、丙酮肟、二甲基酮肟等药品，虽然在一定的条件下具有良好的除氧效果，但联氨有毒，与空气混合遇明火容易发生爆炸，许多锅炉限制使用，而其他除氧剂的使用成本偏高。

由此可见采用传统的AVT工况除氧和游离CO₂时存在环保性能差、资源浪费严重等问题。其在超临界机组上使用时，还存在以下问题：无任何防钙镁水垢的作用；设备表面形成的Fe₃O₄易于溶解，给水系统易产生流动加速腐蚀（FAC）；加氨量较大时易在凝汽器空抽区富集造成铜管氨蚀；除氧深度差，处理后的水溶解氧含量为5-7ppb以上。针对上述问题，业内水化学专家一直在寻找更为环境友好的溶解性气体的调控方法，膜法是利用具有选择透过能力的薄膜做分离介质，在一定压力下原液中的溶剂及小分子溶质透过膜壁为滤出液，较大分子溶质被膜截留，达到物质分离及浓缩的目的。由于膜法具有环境友好、综合能耗低、设备简化等优点越来越受到人们的关注。

在给水化学工况中，AVT工况是在深度除氧的前提下，用氨和联氨维持一个最佳的除氧碱性工况，达到抑制铜、铁腐蚀目的一种给水处理方式；若系统配置凝结水精处理设备，保证给水中氢电导≤0.15μS/cm，且系统中除凝汽器外无铜合金材料的设备，则可以把AVT工况转化为给水的加氧处理（OT）工况。在高纯水条件下，OT水化学通过在金属表面生成致密光滑的Fe₂O₃-Fe₃O₄双层保护膜以降低金属腐蚀速度，使得锅炉和给水加热器的管道得以保护。它作为一种新型的给水处理方式最近几年日益得到关注和应用。因此发电企业在运转过程中根据锅炉系统的金属材质和给水水质等情况，如何选择AVT工况或OT工况对给水进行准确调控以减少热力系统的设备腐蚀成为亟待解决的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服已有技术之缺陷，提供一种锅炉给水中溶解性气体的调控方法，它采用纤维膜作为气液交换界面，根据不同的水质情况，在AVT工况下进行膜除气处理，在OT工况下进行膜加氧处理，能够快速、准确地调控锅炉给水的气体含量，避免流动加速腐蚀（FAC），提高机组运行的安全性。

本发明所述技术问题是以下述技术方案实现的：

一种锅炉给水中溶解性气体的调控方法，锅炉的蒸汽在汽轮机做功后形成凝结水，并从凝汽器流出经凝结水泵进入精处理设备，凝结水由膜除气器或膜加氧器进行除气或加氧处理，所述膜除气器与真空泵连接，膜加氧器与氧气瓶相连；经过处理的水依次通过低压加热器、给水泵、高压加热器进入锅炉；所述膜除气器和膜加氧器为纤维膜接触器。

上述锅炉给水中溶解性气体的调控方法，所述纤维膜接触器包括接触器壳体，接触器壳体的两端密封形成气室，壳体内部纵向分布若干中空纤维膜，所述中空纤维膜的端部与气室连通；壳体中部横向设置折流板，折流板与纤维膜接触器进水端的一侧设置布水管，与出水端的一侧设置集水管，布水管和集水管的管壁上分布若干孔。

上述锅炉给水中溶解性气体的调控方法，所述中空纤维膜是疏水性微孔聚丙烯中空纤维膜。

上述锅炉给水中溶解性气体的调控方法，在AVT工况下，凝结水进入膜除气器从布水管管壁上的孔流出，开启真空泵使中空纤维膜的膜内腔处于真空状态，水中溶解性气体进入中空纤维膜并汇集在两端的气室，除去溶解性气体的凝结水进入集水管流出膜除气器；所述真空度的范围为2~4KPa。

上述锅炉给水中溶解性气体的调控方法，在OT工况下，凝结水进入膜加氧器从布水管管壁的孔流出，氧气瓶中的氧气由气室进入中空纤维膜并扩散进入凝结水中，加氧后的凝结水汇合到集水管中流出膜加氧器。

上述锅炉给水中溶解性气体的调控方法，所述凝汽器的前端增设给水的补充路径，原水依次经过预处理装置、反渗透膜、膜法除气器和电除盐装置的处理加入凝汽器中。

本发明采用膜除气器和膜加氧器中的纤维膜接触器对锅炉给水中的溶解性气体进行精准调控，结构简单，操作方便，能耗低。纤维膜接触器中使用具有疏水性质的聚丙烯中空纤维膜进行气液分离，可以较为彻底地除去水中溶解氧和游离CO₂，具有溶解性气体处理深度高，调节灵敏度好的特点，同时单位体积的膜组件里中空纤维膜的有效膜面积最大，因此过滤分离效率高。由于膜分离过程为动态过滤过程，大分子溶质被膜壁阻隔，随浓缩液流出膜组件，膜不易被堵塞，膜的污染程度低，可连续长期使用并且容易清洗，综合成本低，有利于电厂给水中溶解性气体技术的升级改造。

1）AVT工况下，对给水中的溶解氧和游离CO₂同时进行深度膜法脱除，O₂脱除后含量达到1ppb以下，CO₂脱除后含量1ppm以下。

2）OT工况下，用膜法进行给水加氧，给水加氧的灵敏度和精度可以进行精准的调控。

3）由于系统中不添加化学药剂，给水不直接与空气接触，可有效防止二次污染。

附图说明

图1是本发明流程的系统结构示意图；

图2是本发明纤维接触器的结构示意图。

图中各标号清单为：1、锅炉，2、汽轮机，3、凝汽器，4、凝结水泵，5、精处理设备，6、除气阀门，7、加氧阀门，8、膜除气器，9、膜加氧器，10、真空泵，11、氧气瓶，12、给水泵，13、低压加热器，14、高压加热器，15、原水，16、预处理器，17、反渗透膜，18、膜法除气器，19、电除盐装置，20、超纯水箱，21、布水管，22、集水管，23、折流板，24、气室，25、中空纤维膜，26、接触器壳体。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明包括依次连接的锅炉1、汽轮机2和凝汽器3。锅炉1的蒸汽在汽轮机2做功后冷凝成凝结水，凝结水从凝汽器3流出经凝结水泵4进入精处理设备5中，处理后的水根据水处理工况，由膜除气器8或膜加氧器9对给水进行除气或加氧处理，所述膜除气器8和膜加氧器9都为纤维膜接触器，其中膜除气器8与真空泵10连接，膜加氧器9与氧气瓶11相连。经过除气/加氧处理后的水依次通过低压加热器13、给水泵12、高压加热器14送入锅炉1中完成凝结水循环。

如图2所示，纤维膜接触器包括具有一定强度的圆柱形的接触器壳体26，接触器壳体的两端为气室24，气室24的外端由端盖、内端由圆盘进行密封。壳体内部纵向分布有布水管21、集水管22和中空纤维膜25，壳体中部横向设置折流板23，所述折流板的形状与壳体横截面的形状相似并与壳体壁之间留有缝隙。折流板23与纤维膜接触器进水端之间的区域为布水区，布水区中央为布水管21。折流板23与纤维膜接触器出水端之间的区域为集水区，集水区中央为集水管22。布水管21和集水管22的管壁上呈放射状分布若干孔。大量的中空纤维膜25形成的管束围绕中央的布水管与集水管进行分布，并从折流板23中穿过。中空纤维膜管束的两个端部设置圆盘，中空纤维膜管束的端头穿过圆盘并通过环氧树脂与圆盘粘合为一体，端盖与圆盘之间形成气室24，气室24与中空纤维膜的内管相连通，中空纤维膜25与外部装置通过气室24相互连接。由于中空纤维膜内管的容积很小，只需很小排气量就可达到一定真空度，纤维膜外壁与水接触面积很大，只需很小的气体流量就可保持管内气体的摩尔分压为零，因此有利于深度脱气。所述中空纤维膜25是疏水性微孔聚丙烯中空纤维膜。

在AVT工况下，带有溶解性气体的凝结水进入膜除气器8中的布水管21，从布水管壁侧孔中呈放射状流出，给水流经中空纤维膜25的外表面。气室24与真空泵10相连，在真空泵的作用下中空纤维膜的膜内腔处于真空状态，由亨利定律可知，水中溶解性气体由于膜外气体分压的降低而从水中析出，穿透纤维膜壁向膜内腔扩散，进入中空纤维内管中并汇集在两端的气室24，由真空泵抽出而实现气体的脱除。除去溶解性气体的给水由折流板23与接触器壳体26间的缝隙进入集水区，汇合在集水管中流出膜除气器8。通过膜法除气是物理化学除气方法中能耗最低的，由于其具有良好的可控性，能够有效地提高调节的精度和灵敏度。在OT工况下，给水进入膜加氧器9中的布水管21，从侧孔流出至中空纤维膜的外表面。氧气瓶中的氧气由气室进入中空纤维膜的膜内腔，通过控制气室中氧的压力，压力升高后的氧气从膜外穿透纤维膜扩散进入布水区的给水中，从而实现给水加氧控制。加氧后的给水汇合在集水管中流出膜加氧器9。

在OT工况下进行加氧处理时，在膜加氧器9的前端应配备凝结水的精处理设备5，使处理后给水的氢电导率小于0.15μS/cm，并且要求系统中除凝汽器外无铜合金的材料。加氧部位有两个：凝结水精处理设备出口或给水泵的吸入侧，可根据实际情况进行选择，由于目前的膜材料对高温的耐受性有限，而给水泵吸入侧水温很高，所以加氧点应选择在水温较低的凝结水精处理设备出口侧。此时，除氧器则作为换热器，阀门关闭，不再进行除氧操作。

以下对本发明的工作过程做进一步说明：

电厂的给水系统采用锅炉的水汽循环为主体，给水进行补充的循环回路。凝结水汽循环的流程为汽轮机2做功产生的乏蒸汽冷凝成为凝结水，凝结水进入凝汽器3并由凝结水泵4送入精处理设备5中。打开电源以及检测系统，在AVT工况下，膜除气器8进行除气操作。打开除气阀门6，关闭膜加氧器前的加氧阀门7，打开真空泵10，控制真空度的范围为2~4KPa。精处理的水进入膜除气器8，膜除气器8由真空泵10进行抽真空处理，从而脱除水中含有的氧气和二氧化碳。膜除气器的入口处设置检测器，测得溶解氧含量为5500-9000ppb。在除气操作中，溶解性气体含量急速下降，除气15分钟达到运行稳定状态，溶解性气体含量基本保持不变，膜除气器出口的水中溶解氧的含量小于1ppb，游离CO2含量小于1ppm。在OT工况下，关闭除气阀门6，打开加氧阀门7，将精处理后的水送入膜加氧器9中进行加氧处理，膜加氧器9通过氧气瓶11输送氧气给水加氧。经过除气/加氧处理后的水依次通过给水泵12、低压加热器13、高压加热器14送入锅炉1中。

在补充给水的流程中，原水15依次经过预处理装置16、反渗透膜17、膜法除气器18和电除盐装置19，处理后的水储存在超纯水箱20中，根据补充水的需求量加入到凝汽器3中，进入上述循环。将经过反渗透膜17（RO）以及电除盐装置19（EDI）处理的补充水加入到凝汽器中，既可以充分利用余热对补充水进行预热，又可以对乏汽进行冷却减少循环冷却水的使用。

确定影响纤维膜接触器运行效果的因素.

根据给水系统中凝结水或给水所含有溶解性气体的情况，选择合适的中空纤维膜，分析操作温度、水的流速、真空度等因素对除氧效果的影响，确定膜除气和膜加氧工况的最优运行参数，结合智能监控系统，实现锅炉中气体含量的自动控制。

以溶解氧的脱除效率来衡量纤维膜接触器的运行效果，并根据给水中溶解氧的含量进行除气效率的评价，除氧效率公式如下：

其中，η为除氧效率，C₁表示膜接触器进口的水中溶解氧浓度，单位ppb；C₂表示膜除气器出口的溶解氧浓度，单位ppb。

试验表明：1、在膜除气器保持稳定的除氧效率的情况下，流量较小时，增大流量可以使除氧效率下降，单到达临界流量后，增大流量对除氧效率基本没有影响，但传质系数随着流量增大而显著提高。2、真空度的增大有利于除氧效率和传质系数的提高，在真空度小于2KPa时，除氧效率相对较低，出口溶解氧的含量也较高，因此真空度须保持在2KPa以上以维持较高的除氧效率。但真空度达到4KPa以上时，除氧效率增加缓慢，同时由于控制真空度愈高，动力消耗愈大，因此，操作时保持真空度保持在2~4KPa较为适宜，可在保证脱氧效率的前提下，实现节能。3、水温的升高对除氧效率和传质系数的影响较小，但能较大地降低出口水中溶解氧浓度。

每一个膜接触器都有其所允许的最大流量，所以在水流量超过膜接触器所允许的最大流量时，可以对膜组件进行并联以扩大系统的水处理系统的处理能力，但在真空度2~4KPa，水温40℃的操作条件下，并联后的除氧效率仍然保持不变，所以并联可以增大膜除气器处理能力，但对除氧效果并无影响。

若膜组件质量下降或对水质有更严格的要求，则可以通过串联膜组件的方式增大除氧效率。例如，采用除氧效率为80%的膜除气器，对膜组件进行两级串联后，除氧效率达到96%左右，相对单个组件的除氧效率有了很大提高。若采用三级串联，除氧效率可以达到99%，但相对于二级串联来说，除氧效率提高不大，且增加一个膜组件成本及维护费用也要相应增加，因此从除氧效率及经济上综合考虑，采用两级串联组件在工程上是最佳方式。

Claims (4)

1.一种锅炉给水中溶解性气体的调控方法，其特征在于，锅炉（1）的蒸汽在汽轮机（2）做功后形成凝结水，并从凝汽器（3）流出经凝结水泵（4）进入精处理设备（5），凝结水由膜除气器（8）或膜加氧器（9）进行除气或加氧处理，所述膜除气器（8）与真空泵（10）连接，膜加氧器（9）与氧气瓶（11）相连；经过处理的水依次通过低压加热器（13）、给水泵（12）、高压加热器（14）进入锅炉（1）；所述膜除气器（8）和膜加氧器（9）为纤维膜接触器；

所述纤维膜接触器包括接触器壳体（26），接触器壳体的两端密封形成气室（24），壳体内部纵向分布若干中空纤维膜（25），所述中空纤维膜（25）的端部与气室（24）连通；壳体中部横向设置折流板（23），折流板（23）与纤维膜接触器进水端的一侧设置布水管（21），与出水端的一侧设置集水管（22），布水管（21）和集水管（22）的管壁上分布若干孔；

所述中空纤维膜（25）是疏水性微孔聚丙烯中空纤维膜。

2.根据权利要求1所述的锅炉给水中溶解性气体的调控方法，其特征在于，在AVT工况下，凝结水进入膜除气器（8）从布水管壁的孔流出，开启真空泵（10）使中空纤维膜的膜内腔处于真空状态，水中溶解性气体进入中空纤维膜并汇集在两端的气室，除去溶解性气体的凝结水进入集水管流出膜除气器（8）；所述真空度的范围为2~4KPa。

3.根据权利要求1所述的锅炉给水中溶解性气体的调控方法，其特征在于，在OT工况下，凝结水进入膜加氧器（9）从布水管壁的孔流出，氧气瓶（11）中的氧气由气室进入中空纤维膜并扩散进入凝结水中，加氧后的凝结水汇合到集水管中流出膜加氧器（9）。

4.根据权利要求1-3任一项所述的锅炉给水中溶解性气体的调控方法，其特征在于，所述凝汽器（3）的前端增设给水的补充路径，原水（15）依次经过预处理装置（16）、反渗透膜（17）、膜法除气器（18）和电除盐装置（19）的处理加入凝汽器（3）中。