CN1186711A - 锅炉给水除氧方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低位布置的锅炉给水热力除氧方法与装置,它在除氧器进水口上安装了一个喷嘴,在对着喷嘴的出水口上安装了一个扩压管。具有一定温度与压力的待除氧水进入除氧器(1)时,通过喷嘴(2)形成束状射流,因除氧器(1)内压力低于待除氧水温度对应的饱和压力,所以待除氧水在除氧器(1)空间内喷射过程中扩容除氧,然后除氧水经过扩压管(3),动能转变为压力能,产生相当于高位布置的汽蚀余量,再经过水箱进入给水泵。因而本发明可低位布置,使用普通给水泵,不会发生汽蚀。

Description

锅炉给水除氧方法与装置

本发明涉及锅炉给水除氧技术，具体地说，它涉及一种低位布置的锅炉给水热力除氧方法与装置。

锅炉给水中的溶解氧对金属表面产生氧腐蚀，给锅炉造成严重损害，为防止或减轻氧腐蚀，必须对锅炉给水进行除氧。目前常用的除氧方法中，以热力除氧最为常见。热力除氧是利用蒸汽加热待除氧水，水中溶解氧逸出，并被蒸汽带走，达到除氧目的。根据除氧装置距离地面的安装高度，分为高位布置和低位布置两种。

现有的热力除氧装置产生的除氧水温度都等于对应除氧水压力下的饱和温度，这样的除氧水进入给水泵将发生汽蚀，甚至使给水泵不能工作。为保证给水泵正常运行，除氧水压力应比除氧水温度对应的饱和压力高出一定值，亦即进入给水泵的除氧水需有足够的汽蚀余量，为此，通常将除氧器(除氧头)和除氧水箱安装在距离地面10余米高处，这种高位布置的基建和按装费用都很高。目前，也有低位布置的热力除氧装置，但需要配以特殊的给水装置，而且运行操作比较复杂。

在王方编的《锅炉水处理》(中国建筑工业出版社，1993)一书中，对现有锅炉给水除氧技术作了详尽论述。

本发明的目的是提出一种对锅炉给水进行除氧，产生有足够汽蚀余量的除氧水的热力除氧方法与装置，这种热力除氧装置可布置在地面标高上，使用普通给水泵，不会发生汽蚀。

为达到上述目的，本发明推出一种射流扩容除氧方法。

首先将待除氧水通过加压水泵升到某一压力，再通过壳管式热交换器加热到某一温度，然后进入除氧器。在压差作用下，待除氧水通过除氧器进水口上的喷嘴形成束状射流，喷入除氧器的内部空间，除氧器内压力低于待除氧水温度对应的饱和压力，待除氧水立刻减压扩容，从水表面到水内部，在每一处微元水体上，汽化与除氧同时发生，所产生的扩容蒸汽与逸出氧气形成混合气体，充满于汽相空间。如果把汽相空间中的逸出氧气量与扩容前待除氧水中溶解氧的比值称为除氧率S，除氧率S应和扩容率F、水蒸汽饱和压力P₅有关，此外，它还应该遵守由下式给出的描述气体在水中溶解度的亨利定律：

P₀₂＝KX式中P₀₂是水面上逸出氧气的分压力，X是水中溶解氧的摩尔分率，K是亨利系数。通过分析扩容对除氧的贡献和亨利定律的制约作用，得出扩容除氧率S为 $S=\frac{F}{F+P_s/K}$ 当扩容温差(待除氧水与除氧水的温差)为3℃，除氧水温度为100℃，计算得到扩容率F为0.56％，除氧率S为99.7％。

待除氧水在除氧器内的喷射过程中扩容除氧后，产生的除氧水保持较高流速进入接在除氧器出水口上的扩压管。在扩压管中，部分流动动能转变为压力能，使除氧水压力高于其温度对应的饱和压力。当喷嘴出口达到一定流速，可使经过扩压管后的除氧水压力比其温度对应的饱和压力高出0.1MPa，相当于有10米多的汽蚀余量，这样的除氧水进入同高度布置的普通给水泵不会发生汽蚀。

实现上述射流扩容除氧方法的除氧装置包括：一个加压水泵，待除氧水首先经过这个加压水泵，水压升高到某一压力；一个壳管式热交换器，利用蒸汽加热待除氧水，它的进水口接在加压水泵的出水口上；除氧器，它的壳体是由一个立放的圆形的筒体和上、下两个封头构成，在上封头中部安装一个可调流量的喷嘴，在下封头中部有一出水口，它正对着喷嘴出口，筒体上有一排气口，喷嘴的入口与壳管式热交换器的出水口之间，通过一个给水阀相连；一个扩压管，它由入口、喉管、扩散管组成，扩压管的入口接在除氧器的出水口上、扩压管的中心线与喷嘴的中心线重合；一个除氧水箱，它接在扩压管出口与给水泵之间，除氧水箱的部分箱体是弹性的，当扩压管出水量与给水泵水流量不相等时，除氧水箱贮水量变化，弹性箱体发生变形，由此带动一个传动机构，去调节喷嘴的流量；蒸汽喷射器及一些阀门，它们接在除氧器的排气口、锅炉来汽管路和壳管式热交换器的进汽口之间，其中，蒸汽喷射器的进汽口与锅炉来汽管路通过供汽阀相连，蒸汽喷射器的引射口与除氧器的排气口通过抽气阀相连，蒸汽喷射器的排汽口与壳管式热交换器的进汽口相连，在锅炉来汽管路与壳管式热交换器进汽口之间有一个旁通阀，在除氧器的排汽口与壳管式热交换器的进汽口之间有一个排气阀；一个给水泵，它的进水口接在除氧水箱的出水口上。

本发明的优点是：射流扩容除氧装置产生有足够汽蚀余量的除氧水，进入普通给水泵不会发生汽蚀，因而可以低位布置，节省基建和安装费用；当射流扩容除氧器在低于大气压条件下工作时，除氧水箱和给水泵仍在高于大气压条件下工作，所以该装置的密封性能好，非常适宜设计成真空式热力除氧装置，以给出较低温度的除氧水，从而提高锅炉热效率。

图1是本发明射流扩容除氧装置系统示意图；

图2是除氧水箱剖面图；

图3是喷嘴剖面图；

图4是扩压管剖面图；

图5是带有扩压管的除氧器结构图。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。

图1是本发明射流扩容除氧装置系统示意图。待除氧水通过加压水泵1，水压升到某一压力，然后进入壳管式热交换器3，待除氧水从左侧水室进入，被蒸汽加热到比除氧器7内压力对应的饱和温度高3～5℃，然后从右侧水室流出，通过给水阀4，进入除氧器7的喷嘴5。在压差作用下，待除氧水通过喷嘴5的出口形成束状射流，喷入除氧器7的内部空间，因为除氧器7内压力低于待除氧水温度对应的饱和压力，待除氧水在喷射过程中减压扩容，产生扩容蒸汽，同时水中溶解氧逸出，扩容蒸汽与逸出氧气通过除氧器7侧壁上的排气口经排气管路19排出。扩容除氧后的除氧水的射流形状有些发散，但仍保持较高流速，冲入接在除氧器7出水口上的扩压管8。在扩压管8中，除氧水的部分流动动能转变为压力能，通过调整给水阀4，调整喷管5的出口流速，使扩压管8出口处除氧水压力比其温度对应的饱和压力高0.1MPa，然后除氧水进入除氧水箱9。除氧水箱9的出水口接给水泵11，当扩压管8的出水量与给水泵11的水流量不相等时，例如扩压管8的出水量大于给水泵11的水流量，则除氧水箱9的贮水量增加，弹性箱体部分伸张，固定在除氧水箱9上、下封头间的圆柱螺旋拉力弹簧10也拉长，除氧水箱9上封头升高，上封头通过连杆12推动调节杆13的一端，调节杆13绕着支点14逆时针转过一个角度，调节杆13的另一端推动喷嘴5内的调节芯6向下运动，使喷嘴5流道面积减小，流量减小，最终可使扩压管8的出水量与给水泵11的水流量相等。上述连杆12与调节杆13的两端均以铰链与有关部件连接，支点14与调节杆13的相互作用关系是：支点14是一个定点，调节杆13受支点14的约束，可在一定范围内绕支点14旋转，二者之间还可以有相对滑动。当除氧器7内设计压力低于大气压时，排气阀16关闭，抽气阀20打开，调节供汽阀21，使蒸汽喷射器17进汽口的进汽压力符合设计值，除氧器7内产生的扩容蒸汽和逸出氧气(以及其它气体)通过除氧器7的排气口和抽气阀20进入蒸汽喷射器的抽气口，它与从蒸汽喷射器17进汽口进来的工作蒸汽相混合，然后通过加热管路15进入壳管式热交换器3，旁通阀18的作用是从锅炉来汽管路22向壳管式热交换器3补充一部分加热用蒸汽。当除氧器7内设计压力高于大气压时，抽气阀20与供汽阀21都关闭，蒸汽喷射器17也不工作，调节排气阀16，排掉除氧器7内产生的扩容蒸汽和逸出氧气，同时使除氧器7内压力符合设计值。旁通阀18的作用还是给壳管式热交换器3补充加热用蒸汽，壳管式热交换器3的蒸汽凝结水及不凝气体通过排水管及疏水阀2排掉。

图2给出了除氧水箱9的剖面结构，它的基础部分9a包括一个下封头、与下封头相连的刚性箱体、布置在刚性箱体上的进水口和出水口、除氧水箱9的底座；弹性箱体9b呈直立的筒状，它的下边缘与基础部份9a刚性箱体采用法兰连接，弹性箱体9b采用弹性材料做成，可以是不锈钢弹性波纹板；上封头9c，它与弹性箱体9b的上边缘以焊接连接。当除氧水箱9中贮水量变化或贮水水压变化，弹性箱体9b沿其中心线方向长度发生改变，上封头9c产生位移，通过与其相连的传动机构，去调节喷嘴5的流量；圆柱螺旋拉力弹簧10，它固定在上封头9c与下封头之间，它与弹性箱体9b的弹性力一起作用于除氧水箱内贮存的除氧水，使除氧水压力维持在扩压管8出口的压力状态。

图3给出了喷嘴5和调节芯6的剖面结构，喷嘴5包括进水管5b、外管5c、锥形收缩管5d、出水管5E，置于喷管5内的调节芯6由端板6a、芯柱6b、锥形收缩芯6c、出水芯6d构成。调节芯6的端板6a与喷嘴5的外管5c之间，由弹性波纹管5a相连，其作用是密封，防止喷嘴5内的待除氧水泄漏，同时又允许调节芯6和喷嘴5之间可以有相对运动。喷嘴5的进水管5b的内径d₀等于与进水管5b相接的来水管的内径，外管5c的内径为1.5d₀，置于其内的芯柱6b的直径为d₀，锥形收缩管5d及置于其内的锥形收缩芯6c沿水流方向的收缩角均为20°。调节芯6末端的圆柱段为出水芯6d，其直径d₁是根据喷管流量和喷管前后压差，参照《泵、真空泵》(机械工程手册第77篇，机械工业出版社，1980)一书提供的有关公式，计算得出的普通无芯喷管出口内径，出水芯6d长度L₁为2d₁。在喷嘴5出水口处的圆管段为出水管5E，出水管5E的内径d₂等于1.5d₁，其长度L₂也为1.5d₁，出水管5E与其中的出水芯6d间的环形缝即为喷嘴5的出水口。调节芯6在传动机构带动下，可在喷管5内沿中心线方向移动，从而改变锥形收缩管5d与锥形收缩芯6c之间的流道截面积，达到调整喷管5出水量的目的。

图4给出了扩压管8的剖面结构，它由圆锥收缩形的入口8a、等截面的喉管8b，圆锥扩大形的扩散管8c构成。入口8a的收缩角为30°，入口长度L₃为10d₁，喉管8b的内径d₃等于1.41d₁，喉管8b的长度L₄等7d₃，扩散管8c的扩散角为8°，扩散管8c的长度L₅等于21d₃。

图5给出了带有扩压管的除氧器7的结构，除氧器7的壳体7b由一个直立的筒体和连接于该筒体上、下两端的两个封头构成，进水口7a开在上封头中部，出水口7E开在下封头中部，排气口7c开在筒体上部。沿筒体中心线，在上封头的进水口7a内，按装喷嘴5，喷嘴5内有用于调节流量的调节芯6，喷嘴5的出口与除氧器7的出水口7E相对，扩压管8的入口接除氧器7的出水口7E，扩压管8的中心线与喷嘴5的中心线重合。在除氧器7排气口7c以下筒体内壁的不同高度上，交错布置两块弓形汽水分离板7d，其弓形高h等于筒体直径的

，汽水分离板7d向下倾斜，与水平面间夹角为10°。喷嘴5出口与扩压管8入口端面间距离L₆等于5～15d₁，最佳距离通过实验确定。设喷嘴5进水管5b中待除氧水压力为P_o，喷嘴5后，即除氧器7内压力为P_s，扩压管8出口压力为P_c，并设压力比β为 $\mathrm{\β}=\frac{P_c-P_s}{P_0-P_s}$ 根据实验结果，压力比β和扩容温差△t之间有下列关系：

扩容温差△t	压力比β
		3℃	0.40
4℃	0.35
		5℃	0.30

根据上表数据，可当设定P_c，P_s和扩容温差时，求出P_o。

Claims (7)

1.一种对锅炉给水进行除氧的方法，该方法由下列步骤组成：待除氧水通过加压水泵(1)进入壳管式热交换器(3)，被加热到比除氧器(7)内压力对应的饱和温度高3～5℃后，进入除氧器(7)进行减压扩容，在产生扩容蒸汽的同时，水中溶解氧也逸出，扩容蒸汽与逸出氧气通过除氧器(7)的排气口，经排气管路(19)排出，除氧水通过除氧器(7)的出水口流出，达到除氧目的，该方法的特征在于：待除氧水进入除氧器(7)时，通过喷嘴(5)形成束状射流，在喷射过程中扩容除氧，然后冲入接在除氧器(7)出水口上的扩压管(8)，除氧水的流动动能转变为压力能，扩压管(8)出口的除氧水压力比除氧水温度对应的饱和压力高0.1MPa，然后除氧水通过除氧水箱(9)进入给水泵(11)，当扩压管(8)出水量与给水泵(11)水流量不相等时，除氧水箱(9)贮水量发生变化，这种变化通过传动与调节机构(12、13、14、6)改变喷嘴(5)的流量，使扩压管(8)与给水泵(11)达到平衡。

2.一种对锅炉给水进行除氧的装置，它由加压水泵(1)、壳管式热交换器(3)、除氧器(7)、蒸汽喷射器(17)、除氧水箱(9)、给水泵(11)、一些阀门、管路组成，其特征在于：除氧器(7)由壳体(7b)、喷嘴(5)、置于喷嘴(5)内的调节芯(6)、汽水分离板(7d)构成，壳体(7b)顶部有进水口(7a)，底部有出水口(7E)，侧壁上有排气口(7c)，喷嘴(5)安装在进水口(7a)上，喷嘴(5)的出口指向出水口(7E)，汽水分离板(7d)安装在壳体(7b)的侧壁内表面上；在除氧器(7)的出水口(7E)上接扩压管(8)，扩压管(8)由入口(8a)、喉管(8b)、扩散管(8c)构成；在扩压管(8)的出水口上接除氧水箱(9)，除氧水箱(9)由基础部分(9a)、弹性箱体(9b)、上封头(9c)构成，在上封头(9c)和基础部分(9a)之间，有一个圆柱螺旋拉力弹簧(10)，除氧水箱(9)的出水口接给水泵(11)；在除氧水箱(9)的上封头(9c)和喷嘴(5)的调节芯(6)之间，有一传动机构，它由连杆(12)、调节杆(13)、支点(14)组成。

3.按照权利要求2所述的锅炉给水除氧装置，其特征在于：喷嘴(5)包括进水管(5b)、外管(5c)、锥形收缩管(5d)、出水管(5E)；喷嘴(5)内的调节芯(6)由端板(6a)、芯柱(6b)、锥形收缩芯(6c)、出水芯(6d)构成；调节芯(6)的端板(6a)与喷嘴(5)的外管(5c)之间，由弹性波纹管(5a)相连；喷嘴(5)的进水管(5b)的内径d₀等于喷嘴(5)前的来水管内径，外管(5c)的内径为1.5d₀，置于其内的芯柱(6b)的直径为d₀，锥形收缩管(5d)及置于其内的锥形收缩芯(6c)的收缩角均为20°，出水芯(6d)直径d₁是根据喷嘴(5)的流量和前后压差，按照普通无芯喷管计算方法，得出的普通无芯喷管的出口内径，出水芯(6d)长度等于2d₁，出水管(5E)内径d₂等1.5d₁，出水管(5E)长度为1.5d₁。

4.按照权利要求2所述的锅炉给水除氧装置，其特征在于：扩压管(8)的入口(8a)为圆锥收缩形，收缩角为30°，入口(8a)长度为10d₁；喉管(8b)为等截面圆管，其内径d₃等于1.41d₁，喉管(8b)长度为7d₃；扩散管(8c)为圆锥扩大形，扩散角为8°，扩散管(8c)的长度为21d₃。

5.按照权利要求2所述的锅炉给水除氧装置，其特征在于：除氧水箱(9)的基础部分(9a)包括除氧水箱(9)的下封头、与下封头相连的刚性箱体、刚性箱体上的进水口和出水口、除氧水箱(9)的底座；除氧水箱(9)的弹性箱体(9b)呈直立的筒状，它的下边缘与基础部分(9a)的刚性箱体采用法兰连接，弹性箱体(9b)由弹性材料制成，可以是不锈钢弹性波纹板，当除氧水箱(9)贮水量变化时，弹性箱体(9b)沿其中心线方向长度发生变化；除氧水箱(9)的上封头(9c)与弹性箱体(9b)的上边缘采用焊接连接；圆柱螺旋拉力弹簧(10)固定在除氧水箱(9)的上封头(9c)与下封头之间。

6.按照权利要求2所述的锅炉给水除氧装置，其特征在于：所说的传动机构的连接与作用关系是连杆(12)的一端与除氧水箱(9)的上封头(9c)以铰链连接，另一端与调节杆(13)的一端以铰链连接，调节杆(13)的另一端与调节芯(6)的端板(6a)以铰链连接，调节杆(13)受支点(14)约束，调节杆(13)可在一定范围内绕支点(14)转动，二者亦可有相对滑动。

7.按照权利要求2所述的锅炉给水除氧装置，其特征在于：除氧器(7)的壳体(7b)由一个直立的筒体和固定在筒体上、下两端的两个封头构成，进水口(7a)开在上封头中部，出水口(7E)开在下封头中部，安装在进水口(7a)内的喷嘴(5)和安装在出水口(7E)上的扩压管(8)中心线重合，喷嘴(5)出口与扩压管(8)入口截面间距离为5～15d₁，最佳距离由实验决定，除氧器(7)的排气口(7c)开在筒体上部，在排气口(7c)以下的筒体内壁上，交错布置两个弓形的汽水分离板(7d)，弓形高h为筒体内径的3/8，汽水分离板(7d)向下倾斜，与水平面夹角10°。

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