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改造鍋爐給水真空除氧器實現節能降耗及平穩運行
中石油石化有限公司制氫裝置真空除氧器采用熱力式除氧+化學除氧的除氧模式，存在著需連續注入除氧劑，真空除氧器出水含氧量指標不穩定的問題，經改造采用真空除氧器，無需加注除氧劑，出水含氧量指標合格穩定。
真空除氧器是鍋爐上水的重要設備，目前國內外大部分真空除氧器都是通過熱力式除氧+化學除氧來達到消除鍋爐給水中的溶解氧，使其符合鍋爐給水溶解氧含量國家標準GB/T12157-2007《工業循環冷卻水和鍋爐用水中溶解氧的測定》。在鍋爐給水處理工藝過程中，除氧是非常重要的一個環節，不合格的除氧水進入鍋爐，給水管道及汽輪機通流部分產生氧腐蝕，縮短設備壽命，甚至會造成不可估量的嚴重后果。中石油石化有限公司5萬制氫裝置真空除氧器是鍋爐上水除氧的重要設備，設計處理能力為90t/h，采用熱力式除氧+化學除氧的除氧模式，投入運行。運行期間需要頻繁加入除氧劑，增加了員工的工作強度，且存在真空除氧器出水含氧量經常超標，增加了給水管道、機泵、廢鍋、汽包等設備的腐蝕率，給安全生產帶來隱患。
1改造思路
1.1存在問題分析
原設計真空除氧器采用熱力式除氧+化學除氧的除氧模式：
（1）熱力真空除氧器中的水是從上而下流動，加熱蒸汽由下而上流動，汽與水接觸后產生混合傳熱，同時還進行傳質，水中的溶解氧隨著水溫的升高迅速從水中向蒸汽空間分離出來。
根據道爾頓定律：真空除氧器內的總壓力等于各混合氣體分壓力的總和。用公式表達為：P=Ps+PO2+PCO2+…Pn；式中：Ps為水蒸汽分壓；PO2為氧氣分壓；PCO2為二氧化碳分壓。另據試驗得知，某種氣體在水中的溶解量與水面上該種氣體的分壓成正比。由可知，水中氧的含量取決于水面上分壓力及氧在水中的溶解度。氧在水中的溶解度隨著溫度的升高而降低。當除氧水被加熱到飽和溫度時，溶氧量→趨于0。之所以趨于0，而不是0，這是因為水具有一定的粘帶性，產生表面張力，使水的表面形成一層薄膜，此膜的厚度約為10-7cm。由于這層水膜的存在，水中的微小氣泡不能通過水膜飛逸到空間去，這就造成鍋爐給水溶解氧含量超標。
（2）化學除氧是熱力除氧的輔助措施，以達到徹底清除水中殘留氧的目的。但由于負荷及除氧劑本身調和濃度變化，除氧劑的加注量依據經驗來進行調整，且不可能總是適時調整，造成鍋爐給水溶解氧含量波動較大，有時甚至超出標準。
1.2解決思路
基于現有的真空除氧器存在的問題，考慮在保持現有流程不變的情況下，有無一種除氧效果穩定且滿足指標要求的真空除氧器或除氧技術可對現有真空除氧器進行改造，并能滿足目前真空除氧器的現場空間布置要求，投資要小，施工周期短。經在業內咨詢發現，國內某市電力設備有限公司的真空除氧器制造及改造經驗豐富，采用旋轉水膜技術，可以實現無需添加除氧劑的情況下出口爐水氧含量≯15μg/l的標準。
1.3旋膜式真空除氧器性能分析
旋膜式真空除氧器是熱力真空除氧器的一種，它的傳質方式不同于老的柵盤式、泡沸式、淋水盤式及噴霧填料式，而是用射流及旋膜方式進行傳熱、傳質。在性能和結構上充分滿足了上述熱力除氧的三個條件。設計特點如下：旋膜式真空除氧器設有兩級除氧裝置，一級是起膜器組—主要的除氧部件；二級水篦層，三級是填料層—用作深度除氧。
（1）起膜器組是由起膜器、連通管及隔板等零部件組成，真空除氧器入口水先進入由上下隔板組成的水室，再從水室通過起膜器上的小孔，進入起膜器內壁形成射流及旋轉水膜。
（2）水從起膜器下來后形成一個喇叭形的水膜，然后向下流到篦子部分（篦子的層數視具體情況而定）。
（3）水通過篦子后進入填料層，它是由液汽網及其固定框架組成，水在液汽網中作進一步的除氧—深度除氧。
（4）水經過液汽網后隨即落到水箱里。加熱蒸汽從加熱蒸汽管出口處擴散并上升至填料層，通過填料層、篦子，進入起膜器內孔，然后再上升到除氧頭上部封頭內腔，并由此排入大氣。由于蒸汽上升過程中與水混合，加熱了水，因此大部分加熱蒸汽均被水所吸收，排放大氣的汽量很少。
凝結水及補充水進入起膜器組的水室后，具有一定的壓力，此壓力高于真空除氧器內的壓力，因此兩者之間有壓差。水在一定的壓差下從起膜器上的小孔噴向內壁，在小孔的出口處產生射流運動，射流強化了傳熱傳質過程，它可以在極短時間內，很小的行程上，吸收大量的加熱蒸汽，同時從水流中向空間放出大量的氧氣。
在起膜器組正常工作時，水室的水經過起膜器上的小孔射入起膜器內壁，形成射流。由于它的內孔充滿了加熱蒸汽，水在射流運動中便將大量的加熱蒸汽卷吸進去，產生劇烈的混合加熱作用，因此射流束可以吸收大量的熱量，使水溫大幅度提高，另一方面由于水從起膜器小孔噴向其內孔過程也是一個降壓過程，使水的壓力下降，這兩個因素—水溫升高、水壓下降均能使水中的溶解氧大量釋放出來擴散到起膜器內孔的加熱蒸汽中去，產生傳質過程。射流結束后，水沿著起膜器內孔壁旋轉而下，形成一層水膜。液體在旋轉流動時的臨界雷諾數Re較液體在直管內流動的臨界雷諾數Re下降很多，也液體在旋轉流動時易產生紊流。
另外，真空除氧器中還設計了新型平衡管和汽水分離裝置，使析出的氧氣能及時充分地隨蒸汽流排入大氣中去。
綜上所述，起膜器在工作中，其射流、旋膜、水裙三部分即可將水中的絕大部分溶氧分離出來，這些分離出的氧隨著上升蒸汽從起膜器的內孔排到上封頭內腔，然后再從排汽口排往大氣，所以起膜器的內孔不僅是傳熱、傳質的主要部位，而且是真空除氧器排出氧氣的主要通道，它使得水在起膜器內分離出的氧不能隨意擴散，只能局限在起膜器內孔中，強制它隨著上升的蒸汽流排向大氣。由于旋膜式真空除氧器的起膜器組在工作中使水始終處于紊流狀態并有足夠大的表面積，排汽性能、傳熱、傳質條件良好，除氧效果十分理想。
1.4改造方案
經與真空除氧器制造廠技術人員對接，我們制定了如下改造方案：
（1）保持原真空除氧器水箱及降水管不動，從原除氧塔下封頭環焊縫向上400mm高處做環型切割。
（2）制作新型除氧塔，將新除氧塔與原除氧塔下封頭的環形切割面進行對焊，形成完整的新型旋膜式真空除氧器。
（3）更換原真空除氧器水箱底部加熱裝置。
2改造實施
2019年3月6日至10日，對5萬制氫真空除氧器進行了改造施工。原真空除氧器水箱保留不動，從原除氧塔與除氧水箱對接法蘭處分解，保留原真空除氧器的降水管作為新真空除氧器的落水管。根據現有運行參數設計、制作新型除氧塔，將新除氧塔與原水箱對接法蘭組裝，形成完整的新型旋膜式真空除氧器，同時對蒸汽出口管線及安全閥進行了抬高處理。圖1真空除氧器改造原理圖圖2真空除氧器改造實施圖
3實施效果分析
3.1鍋爐水出口溶解氧含量分析穩定
石化5萬制氫裝置真空除氧器1440-D7101自2019年3月改造完成投用以來運行平穩，除氧水氧含量均小于15μg/l，滿足技術協議要求。圖3為2019年7月鍋爐給水分析匯總。
3.2取消了除氧劑加藥環節
該真空除氧器改造前，必須定期加除氧劑以保障爐水合格，溶解氧含量有時仍超出工藝指標，再經調整后爐水合格。改造后，在無需加劑的情況圖35萬制氫7月鍋爐給水分析匯總下，爐水中的溶解氧含量穩定，且一直保持在指
標要求的范圍內。
3.3加熱蒸汽耗量明顯降低
該真空除氧器改造前，在5萬制氫裝置50%~60%負荷情況下，維持加熱溫度105℃,加熱蒸汽消耗量2.9~3.0t/h；改造后，在5萬制氫裝置50%~60%負荷情況下，維持加熱溫度105℃,加熱蒸汽消耗量2.45~2.55t/h，明顯減少了蒸汽消耗。
3.4經濟效益分析
（1）主要經濟指標：減少了加熱蒸汽消耗量，每減少1噸蒸汽，可產生170元的經濟效益。取消了加藥環節。原來每月平均加除氧劑20桶（25㎏/桶），每桶除氧劑售價為200元。
（2）經濟效益核算：減少蒸汽使用所產生的經濟效益：（2.9-2.5）噸/小時×7200小時/年×170元/噸=489600元/年；取消加除氧劑所產生的經濟效益：20桶/月×12月/年×200元/桶=48000元/年；總經濟效益：489600+48000=537600元/年=53.76萬元/年。取消加除氧劑減少的人工成本尚未計入。
4改造總結
成功對5萬制氫真空除氧器進行了改造，效果顯著，下一步計劃對12制氫真空除氧器進行同樣的改造。新型旋膜式真空除氧器技術先進，除氧效果好，能夠適應全補給水、入口含氧量高、負荷波動大、采用低溫汽源加熱等特殊情況下的使用。該技術施工周期短，改造方便可行，可用于提升鍋爐給水真空除氧器的除氧能力，減少蒸汽消耗，取消了除氧劑加劑環節，減輕員工勞動強度，對保障鍋爐安全運行，提高經濟效益，節能減排等方面具有重要意義，可以適用于石化企業鍋爐真空除氧器的新增或改造項目。