超臨界機組無除氧器回熱系統的可行性探討

謝尉揚

（浙江浙能技術研究院有限公司，杭州 310003）

0 引言

火力發電廠回熱系統通常帶有熱力除氧器，在加熱鍋爐給水的同時去除溶解在給水中的氧氣，以防止溶氧對高壓加熱器、鍋爐省煤器以及水冷壁等管材造成腐蝕。但是當鍋爐參數提高到超臨界以后，為防止鍋爐給水系統發生FAC（流動加速腐蝕）現象，鍋爐給水處理方式發生了質的變化，由亞臨界時的AVT（除氧加全揮發處理）轉變為OT（加氧處理）方式[1-3]。在這種處理方式下，除氧器不對外排不凝氣體，還要對給水進行加氧處理，除氧器只起到給水加熱的作用，因而可以利用表面式加熱器代替除氧器，并對整個回熱系統進行優化。

無除氧器回熱系統在國外已應用了幾十年，并且有多臺200～800MW等級的超高壓、亞臨界、超臨界機組投運，取得了明顯的經濟效益[4-5]。國內在多年前對無除氧器回熱系統曾經有過一些研究[6-8]，真正應用的是湄州灣發電廠（2×362MW），由美國BECHTEL公司設計，機組于2001年投產，總體運行情況良好，達到了預期目的[9-10]。但針對超臨界機組無除氧器回熱系統的研究還很少。本文將從技術上對無除氧器系統進行探討，論證其可行性，并從系統優化和廠房布局優化角度分析無除氧器系統的優勢。

1 除氧器的作用

汽輪機回熱系統的作用是提高機組循環熱效率，目前300～1000MW等級汽輪機的回熱系統通常設置8級抽汽回熱，分別為3級高壓加熱器、4級低壓加熱器和1個壓力式除氧器。在給水回熱系統中，除氧器通過加熱給水和排出氣體來除去溶解在給水中的氧氣和其他不凝氣體，保證鍋爐給水品質（溶解氧＜7μg/L）[11-12]，從而防止給水中的溶解氧對管道和設備造成腐蝕。

從結構上看除氧器是混合式加熱器，利用汽輪機抽汽加熱給水，機組正常運行時除氧器將給水加熱到相應壓力下的飽和溫度；在機組啟動時利用輔助蒸汽加熱鍋爐給水，提高給水溫度，加快鍋爐啟動速度；除氧器還接收來自高壓加熱器的疏水、化學補水以及電廠其他各處合格的疏水和排汽。除氧器是一個體積龐大的儲水容器，在凝汽器、除氧器和鍋爐汽包之間還起到水位平衡和緩沖的作用[11]。

對于超臨界機組，由于鍋爐給水系統普遍存在比較嚴重的FAC現象，經過長期的研究和實踐，鍋爐給水處理方式已經發生了質的變化[1-2]。目前，通常在機組啟動后就投入凝結水精除鹽系統，當給水水質達到規定要求，主要是氫電導率小于0.15μs/cm時，即可將給水的AVT處理轉為OT處理[12-13]。通過對給水進行OT處理，在被腐蝕的金屬表面形成致密的Fe2O3保護膜，有效降低和減緩金屬材料的腐蝕，從而相應減小管道系統的阻力，提高機組運行的經濟性和安全性。在超臨界機組正常運行時給水不需要除氧，反而要進行加氧，除氧器已經失去了除氧的作用。另外，超臨界鍋爐沒有汽包，也不需要考慮水位平衡和緩沖功能，高加的疏水可以通過其它方式來回收和利用。因此，對超臨界機組，采用表面式加熱器代替除氧器在技術上已經成熟。

2 表面式加熱器代替除氧器的可行性

2.1 給水加氧和除氧

超臨界機組正常運行時為防止給水系統FAC問題，需要對給水進行OT處理，已不需要除氧器來除氧。但是當機組啟動和給水水質還未達到OT處理要求時，凝結水和給水采用AVT處理，仍應考慮進行除氧，在沒有除氧器的情況下，設計上可以采取多種措施：

（1）在凝汽器內部設置蒸汽加熱除氧裝置，對凝結水進行加熱除氧。

（2）對于補充到凝汽器中的除鹽水，可通過高位噴淋裝置在真空和加熱中進行除氧[14]。

通過以上2項措施，一般可以將凝結水中的溶解氧降到30μg/L以下。

（3）在加藥系統中保留聯氨加藥裝置，通過對凝結水和給水加聯氨處理，除去殘留在給水中的溶解氧。

（4）在凝結水系統中增加混合式低壓加熱器，具有除氧功能[4-5]。

另外，為防止凝結水中溶解氧過高，在運行維護中要防止空氣漏入真空系統，確保真空嚴密性，特別應關注凝結水泵的軋蘭、盤根、筒體密封面等處。在機組正常運行期間，如果發生凝汽器泄漏，造成水質惡化，給水和凝結水仍應恢復AVT處理，同時進行加聯氨處理，以保證給水溶解氧低于7μg/L。因而在不設置除氧器時，技術上仍可以保證鍋爐給水的溶解氧在規定范圍內[9-10]。

2.2 給水加熱

由于正常運行時超臨界機組的除氧器只起到普通加熱器的作用，因而完全可以用表面式加熱器（以下簡稱4號加熱器）來代替除氧器。通過結構上合理設計，如內部設置過熱蒸汽冷卻段、疏水冷卻段等，可以在不改變汽輪機抽汽參數的情況下，做到表面式加熱器的上端差為零，即出口給水溫度達到抽汽壓力下的飽和溫度，在回熱系統中起到與混合式加熱器完全一樣的加熱效果。對于機組啟動時的給水加熱問題，同樣可以在該加熱器的汽側接入輔助蒸汽來加熱；另外，機組啟動時還可以通過調整凝汽器的真空度來適當提高凝結水溫度，也可以提前投入2號高壓加熱器來提高給水溫度。

2.3 凝結水和給水系統優化

與原有系統相比，由于除氧器改為表面式加熱器，可以取消凝結水系統的除氧器水位調節閥和給水泵的前置泵，凝結水直接由凝結水泵經過各級低壓加熱器和4號加熱器送達給水泵，鍋爐上水系統變得簡單。凝結水泵和給水泵的配置方式保持不變，凝結水泵仍可采用變頻調節，以使凝結水量適應機組負荷變化，節省凝結水泵功耗；凝結水泵和給水泵的運行需增加必要的聯鎖保護，可以考慮將給水泵的進口壓力作為保證凝結水泵和給水泵之間正常調節的控制參數。

2.4 加熱器疏水優化

加熱器疏水仍以逐級疏水為主，高加的正常疏水可以通過疏水泵或直接進入凝結水母管，危急疏水經擴容器后直接進入凝汽器。1號高加疏水到2號高加，由于2號高加的疏水壓力較高，疏水可以直接到給水泵的進口母管，也可以先到3號高加，再由疏水泵打入給水泵的進口母管，在機組高負荷時則可以通過疏水泵的旁路，直接進入到給水泵的進口母管；3號高加疏水也可以直接到4號加熱器，再通過4號加熱器的疏水泵打入給水泵的進口母管。當3號高加疏水到給水泵進口母管后，4號加熱器的疏水應到5號低加，5—8號低加的疏水保持原設計不變。各種疏水方式應視不同機組的設計而定。來自電廠其他地方的合格疏水和排汽，可以根據壓力等級及所含熱量的不同分別進入相應壓力等級的加熱器，以充分利用熱量和工質，也可直接排入凝汽器，僅回收工質。

2.5 主廠房結構優化

除氧器水箱的有效容積要保證給水泵至少運行5 min[11]，因而體積龐大。由于要考慮給水泵的進口汽蝕余量，除氧器必須高位布置，且要配備前置泵，給水管道布置復雜且冗長。加上連接除氧器的管道繁多，廠房設計時一般需要考慮設置除氧間，從而大大增加了主廠房的容積，廠房結構的荷載還必須按除氧器滿水條件來考慮。當回熱系統采用表面式加熱器代替除氧器后，除氧間容積可以大大縮小，結構也可以簡化。去除除氧器和前置泵后，管道系統也變得簡單，為取消除氧間提供了有利條件，通過設計優化完全可以取消除氧間，還能縮短“四大管道”的長度[15-16]。

3 無除氧器系統的優勢

3.1 降低工程造價

無除氧器系統沒有除氧器和前置泵，相應的管閥系統也變得較為簡單，設備和材料費用可以降低。由于沒有體積龐大的除氧器，主廠房容積可以減少，還可以通過設計優化來取消除氧間，更能大幅度降低主廠房容積，降低建筑工程造價，并且縮短“四大管道”長度，進一步節省管道材料的費用。根據相關研究，對于2×1000MW機組，僅因取消除氧間和縮短“四大管道”的長度，所節省的費用就達2238萬元[15]，如果再考慮取消前置泵、調節閥以及大量的低壓給水管和閥門，節省費用更為可觀。

3.2 提高機組經濟性

在維持回熱系統參數不變的情況下，汽輪機循環效率基本不受影響，若考慮高加疏水直接進入給水泵進口，還能提高最終給水溫度，降低汽輪機熱耗。無除氧器回熱系統的4號加熱器無需高位布置，大大縮短了抽汽管道和給水管道，同時取消了除氧器水位調節閥，因而降低整個管道系統的阻力，也相應降低了凝結水泵的功耗。無除氧器系統不設前置泵，雖然要增加高加疏水泵，但與取消前置泵相比，還是節省了廠用電。因而采用無除氧器回熱系統，最終能提高發電廠的經濟性。根據相關資料，300MW機組采用無除氧器回熱系統，相比于常規設計的機組，其經濟性一般可提高約0.8%[4]。

3.3 提高機組運行可靠性

除氧器體積龐大，儲存了巨大的熱容量，并且又是高位布置，存在很大的安全風險。1991年原國家能源部和機械電子工業部聯合頒布了《電站壓力式除氧器安全技術規定》，2002年國家經貿委又頒布了《鍋爐除氧器技術條件》（JB/T 10325-2002），對熱力除氧器的設計、材料、制造、檢驗、安裝和運行等提出了各項規定，以確保除氧器使用過程中的安全。國內外都曾發生過除氧器爆炸的案例，造成慘痛教訓，除氧器安全閥和焊縫的定期檢驗也帶來很多工作量。利用表面式加熱器代替除氧器后，回熱系統變得簡單，設備和管閥數量減少，簡化了機組的運行和維護，機組運行的安全風險降低，可靠性得到提高。

4 結語

隨著發電行業競爭的進一步加劇，降低工程造價、提高機組經濟性和可靠性已經引起各方面的高度重視。與亞臨界機組相比，超臨界機組采用無除氧器回熱系統在技術上更有優勢，表面式加熱器代替除氧器可以優化整個給水回熱系統，方便主廠房布置，取消除氧間。

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