专利名称：锅炉给水真空除氧方法与装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及锅炉给水热力除氧技术，具体地说，它涉及锅炉给水的一种真空除氧方法与装置。
锅炉给水中含有溶解氧，它使金属表面产生氧腐蚀，给锅炉造成严重损害，为防止氧腐蚀，必须对锅炉给水进行除氧。目前，常用除氧方法中，以热力除氧最为常见，热力除氧是通过对待除氧水加热，降低氧在水中溶解度，溶解氧自水中向空间逸出，然后被蒸汽带走，达到除氧目的。
热力除氧分为压力式、大气式、真空式等3种。其中，压力式和大气式热力除氧器内压力高于大气压，除氧排气可以简单地通过一个阀门向大气排放，它给出的除氧水温度较高，而高温锅炉给水使省煤器不能充分吸收锅炉烟气热量，提高了排烟温度，降低了锅炉效率。真空式热力除氧器内压力低于大气压，给出的除氧水温度较低，比如常在60℃以下，这种较低温度的除氧水作为锅炉给水可提高锅炉效率。但真空除氧器有如下缺点一是结构复杂，消耗金属多，体积大，重量大，制造成本高；二是它需要一个大流量的抽气泵，抽出含氧蒸汽，维持除氧器内真空度。这种大流量的抽气泵通常是蒸汽喷射泵或水喷射泵，蒸汽喷射泵消耗蒸汽很多，而在热水锅炉房等没有汽源的场所又不能用，水喷射泵效率很低，电力消耗大，还需建一套喷射泵用水循环利用系统；三是真空除氧器产生饱和除氧水，为防止给水泵汽蚀，需将真空除氧器高位布置，基建和安装费用很高。这些缺点限制了真空除氧器的普及使用。
在王方编的《锅炉水处理》(中国建筑工业出版社，1993)一书中，对锅炉给水热力除氧技术，包括真空除氧技术，作了详尽论述。
本发明的目的是提出一种锅炉给水真空除氧方法与装置，这种真空除氧方法除氧迅速、可靠，排放含氧蒸汽量少；这种真空除氧装置结构简单，金属用量少，不用大流量的抽气泵，可以低位布置。
为达到上述目的，本发明推出一种喷射扩容除氧，冷凝降湿排气的真空除氧方法。
首先待除氧水通过水泵升到某一压力，再通过热交换器加热到某一温度，然后进入真空除氧器。在压差作用下，待除氧水通过一个喷嘴形成束状射流，喷入真空除氧器的内部空间，真空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的含氧蒸汽充满于汽相空间。如果把汽相空间的逸出氧气量和扩容前待除氧水中溶解氧量的比值S称为除氧率，通过分析待除氧水与除氧水的温度差即过热度Δt对扩容除氧的贡献，并考虑描述气体在水中溶解性质的亨利定律的亨利系数K的平衡制约作用，可得出理论除氧率S的计算式为S=4.18Δt4.18Δt+rPsK]]>式中r、Ps、K为对应除氧水温度的汽化潜热、饱和蒸汽压、亨利系数。根据上式，只要待除氧水有足够的过热度Δt，就能在扩容除氧中达到所要求的除氧率S，但考虑实际过程与理想平衡过程的偏离，实际除氧率与理论除氧率有一定的偏差。
待除氧水在真空除氧器内的喷射过程中扩容除氧后，射流形状有些发散，但产生的除氧水仍保持较高流速进入接在真空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。当扩压管进口达到一定流速，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锅炉给水泵不会发生汽蚀。
待除氧水喷射扩容过程产生的含氧蒸汽通过一个间壁式换热器降温，其中大部分蒸汽凝结下来，剩余的含氧蒸汽通过抽气泵被排到真空除氧器之外。设降温前含氧蒸汽温度为t1，含氧蒸汽体积为V1，降温后，含氧蒸汽温度为t2，体积为V2，降温前后的体积比V2/V1按下式计算V2V1=0.145Ps(t1)rx(Ps(t1)-Ps(t2))Δt]]>式中Ps(t1)、Ps(t2)为降温前后的饱和蒸汽压，r为除氧水的汽化潜热，x为待除氧水中溶解的包括氧气在内的不凝气体的质量成分，Δt为待除氧水的过热度。
含氧蒸汽在间壁式换热器上的凝结水向下流到一个加热器上被加热，凝结水中的溶解氧向汽相空间逸出，并被流过的扩容蒸汽带走，然后，除氧凝结水向下流入除氧水中。
实现上述喷射扩容除氧、冷凝降湿排气的真空除氧装置包括真空除氧器壳体，它由一个立放的圆形筒体和上、下两个椭圆封头构成，在上封头中部设有排气口，在下封头中部设有除氧水出口，在筒体上设有连接水循环管路的多个进水口和出水口；抽气泵，可选用电动抽气泵，如膜片抽气泵或水环抽气泵，它的进气口与真空除氧器上封头的排气口相连，它的出气口直通环境大气；除氧水泵，用于给待除氧水加压，它的进水口接到向真空除氧器输送待除氧水的来水管上；降湿换热器，它安装在真空除氧器内，并占据壳体上部一段空间，它是一个间壁式换热器，一侧是低温水，另一侧被冷却的是含氧蒸汽，它的进水管与除氧水泵的出水口相连；除氧再热器，它是水平安装在真空除氧器壳体内，位于降湿换热器下边的一个列管式换热器；汽水分离器，它设置在真空除氧器壳体内，位于除氧再热器的下边，呈百叶窗形，水平设置；喷嘴及其调节机构，它们设置在真空除氧器壳体内，在汽水分离器和除氧水面之间，喷嘴由外管和其中可调节的动芯组成，调节机构由漂浮在除氧水面上的浮球及一组连杆组成，喷嘴出口正对着真空除氧器下封头中部除氧水出口；扩压管，它由入口、喉管、扩散管组成，扩压管的入口接在真空除氧器除氧水出口上，扩压管的中心线与喷嘴中心线重合；锅炉给水泵，它的进水管接在扩压管的出口上，它的出水管向锅炉输送除氧水；除氧加热器，它是一个接触式热水器，由一段多孔内管套一个外壳构成，多孔内管的进口接从锅炉来的蒸汽管或热水管，外壳上有一个进水口和一个出水口，进水口接待加热的待除氧水，出水口通过除氧再热器，接喷嘴的进水口。
本发明锅炉给水真空除氧方法与装置的优点是(1)本发明使真空除氧器结构简化，降低成本；(2)本发明产生有足够汽蚀余量的除氧水，进入锅炉给水泵不会发生汽蚀，因而本发明可以低位布置；(3)本发明排放的含氧蒸汽量大大减少，因而不需要大流量的蒸汽喷射泵或水喷射泵，可以使用小功率的其它电动抽气泵，如膜片抽气泵或水环抽气泵，不仅节能，而且运行操作方便。
图1是本发明真空除氧装置系统示意图；图2是降湿换热器结构图；图3是除氧再热器结构图；图4是喷嘴和调节机构结构图；图5是扩压管结构图；图6是除氧加热器结构图。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。
图1示出本发明真空除氧装置各组成部分及其相互关系的系统示意图。首先待除氧水由除氧水泵3加压，穿过真空除氧器壳体1，待除氧水进入降湿换热器4，再经过循环管12进入除氧加热器13的外壳内，由锅炉来管11引来的蒸汽或热水进入除氧加热器13的多孔内管，再喷入内管与外壳的夹层空间，经过混合接触，被加热了的待除氧水经过循环管14进入除氧再热器5，再通过循环管15进入喷嘴7，喷射扩容产生的除氧水进入扩压管9，然后通过锅炉给水泵10送往锅炉。喷射扩容产生的含氧蒸汽经过汽水分离器6，穿过除氧再热器5，流过降湿换热器4时，其中大部分蒸汽凝结下来，剩余含氧蒸汽被抽气泵2排出真空除氧器壳体1之外。降湿换热器4表面的凝结水向下流到除氧再热器5的外表面上，被加热后，凝结水中的溶解氧向汽相逸出，然后被向上流动的扩容蒸汽带走。除过氧的凝结水和汽水分离器6分离出的除氧水，向下流入除氧水面。喷嘴7的流量受控于由除氧水面上的浮球和一组连杆组成的调节机构8，当真空除氧器内除氧水面高度变动时，调节机构8自动调节喷嘴7的出口截面，达到调节喷嘴7出口流量的目的，例如当除氧水面下降时，调节机构8调节喷嘴7，使其流量加大。
设除氧水温度为70℃，扩容温差为4℃，按前述除氧率S的计算式，并将有关数据代入，理论除氧率S为S=4.18Δt4.18Δt+rPsK=4.18×44.18×4+23340.31166.72×104=99.94%]]>如果待除氧水含氧为10mg/L，除氧水含氧为10×(1-0.9994)＝0.006(mg/L)设待除氧水中含有包括溶解氧在内的各种不凝气体量为30mg/L，换算成质量成分为30×10-6，喷射扩容产生的含氧蒸汽温度为70℃，经过降湿换热器后，温度为50℃，按前述计算含氧蒸汽降温前后体积比的公式，将有关参数代入，计算如下V2V1=0.145Ps(t1)rx(Ps(t1)-Ps(t2))Δt=0.1450.3116×2334×30×10-6(0.3116-0.12335)×4=0.42%]]>图2是安装在真空除氧器内，并占据壳体上部一段空间的降湿换热器4结构示意图，它是一个间壁式换热器，具体结构本图表示了一个板翅式的间壁式换热器，其一侧为低温水，水平方向流动，三流程，可用未加热的待除氧水，另一侧被冷却的是扩容产生的含氧蒸汽，由下向上流动。为防氧腐蚀，降湿换热器4采用耐蚀金属材料做成，或电镀耐蚀金属。
图3是水平安装在真空除氧器壳体内的除氧再热器5结构示意图，它是一个列管式换热器，热水在管内流动，管外是从降湿换热器4表面流下来的凝结水，在这里被加热后，凝结水中的溶解氧向汽相空间逸出，而除了氧的凝结水向下流入除氧水面。管内热水温度需要比真空除氧器壳体1内压力对应的饱和温度高，通常可利用从除氧加热器13流出的被加热了的待除氧水作为管内热水。除氧再热器5的列管排列方式为叉排结构，横向管中心距L小于管子外径d，以保证从降湿换热器4上流下来的每一束凝结水都能流到除氧再热器5的表面，而不被漏掉。横向列管至少有四排，以保证每一束凝结水至少两次流过热管表面被加热除氧。除氧再热器5的列管采用耐蚀金属管，或者管内外电镀耐蚀金属。
图4给出了喷嘴7和调节机构8的结构及相互关系，喷嘴7包括外管7a和动芯7b两部分，动芯7b置于外管7a中，二者形成的环形空间即为水的流道。外管7a系由弹性外管7a1、刚性外管7a2、锥形管7a3、出水管7a4构成，动芯7b系由端盖7b1、芯柱7b2、锥形芯7b3、出水芯7b4构成；调节机构8包括漂浮在除氧水面中心的浮球8a、浮球连杆8b、中间连杆8c、动芯连杆8d。浮球连杆8b水平设置，它的一端固定在浮球上，另一端以铰链与真空除氧器壳体1相连接，中间连杆8c垂直设置，它的下端与浮球连杆8b上某一点以铰链连接，其上端与动芯连杆8d的一端以铰链连接，动芯连杆8d水平设置，它的另一端与动芯7b的端盖7b1以铰链连接，动芯连杆8d上某一点与固定在外管7a上的一个支架以铰链连接。
当真空除氧器内除氧水面高度变化时，浮球8a产生位移，通过浮球连杆8b、中间连杆8c、动芯连杆8d，带动喷嘴7的动芯7b移动，弹性外管7a1长度变化，锥形管7a3和锥形芯7b3中间的流道截面积发生变化，从而达到调节喷嘴7出水量的目的，其变化趋势是，当除氧水面下降时，喷嘴7出水量增大。
喷嘴7的刚性外管7a2上有一进水管，其内径d0等于与进水管相接的来水管的内径，刚性外管7a2的内径为1.5d0，置于其内的芯柱7b2的直径为d0，锥形管7a3及置于其内的锥形芯7b3沿水流方向的收缩角均为20°。出水芯7b4系动芯末端的圆柱段，其直径d1是根据喷嘴7的流量和前后压差，按照普通无芯喷嘴公式，计算得出的无芯喷嘴的出口内径，出水芯7b4的长度L1为3d1。外管7a末端的出水管7a4的x内径d2等于1.5d1，其长度L2也为3d1，出水管7a4与其中的出水芯7b4间的环形缝即为喷嘴7的出水口，在压差作用下，待除氧水通过喷嘴7的出水口形成束状射流。
图5给出了扩压管9的剖面结构，它由圆锥收缩形的入口9a、等截面的喉管9b、圆锥扩大形的扩散管9c构成。入口9a的收缩角为40°，喉管9b的内径d3等于1.5d1，喉管9b的长度L4等于7d3，扩散管9c的扩散角为8°，扩散管9c的长度L5等于21d3，扩压管9入口截面的最小直径值及其距喷嘴7出口的最佳距离，与喷嘴7的出水流速、流量及扩容温差有关，通过实验具体决定。
图6给出了除氧加热器13的剖面结构，它是一个接触换热式的待除氧水加热器，它由一段多孔内管13a套一个外壳13b构成。内管13a的进口接从锅炉来的蒸汽管或热水管11，蒸汽或热水从内管13a壁面上的许多小孔喷到内管13a与外壳13b的夹层空间。外壳13b上有一个进水口和一个出水口，进水口从循环管12引入待加热的待除氧水，并在夹层空间中与蒸汽或热水进行接触换热，然后，被加热了的待除氧水从外壳13b的出水口经循环管14流出。
权利要求
1.一种对锅炉给水进行真空除氧的方法，该方法由下列步骤组成待除氧水首先通过除氧水泵(3)加压，再进入除氧加热器(13)加热，使其温度高于真空除氧器壳体(1)内压力对应的饱和温度，然后进入真空除氧器壳体(1)内，通过喷嘴(7)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真空除氧器壳体(1)上的排气口经抽气泵(2)排掉，除氧水由出水口流出，达到除氧目的，该方法的特征在于待除氧水通过喷嘴(7)时形成束状射流，在喷射过程中扩容除氧，然后冲入接在真空除氧器出水口上的扩压管(9)，部分流动动能转变为压力能，扩压管(9)出口处的除氧水有10米多的汽蚀余量；喷嘴(7)的待除氧水流量受一个调节机构(8)控制，该调节机构根据除氧水面高低，调节喷嘴(7)水流量，以使除氧水面保持一定高度不变；扩容产生的含氧蒸汽，通过降湿换热器(4)降温，其中大部分蒸汽凝结下来，余下的含氧蒸汽通过抽气泵(2)，被排到真空除氧器之外；降湿换热器(4)表面的凝结水，向下流到除氧加热器(5)的表面被加热，凝结水中的溶解氧向汽相空间逸出，被流过的扩容蒸汽带走，除氧凝结水向下流入除氧水面。
2.一种对锅炉给水进行真空除氧的装置，它包括除氧水泵(3)、抽气泵(2)、除氧加热器(13)、锅炉给水泵(10)、真空除氧器壳体(1)、汽水分离器(6)，其特征在于它还包括喷嘴(7)，它位于真空除氧器壳体(1)内，除氧水面之上，正对着真空除氧器壳体(1)底部的除氧水出口，喷嘴(7)由外管(7a)和动芯(7b)组成，动芯(7b)在外管(7a)之中，二者之间的环形空间即为水的流道，在喷嘴(7)出口之前，外管(7a)和动芯(7b)均呈圆锥收缩状，在压差作用下，通过喷嘴(7)喷出束状射流，当受到调节作用时，动芯(7b)相对于外管(7a)移动，喷嘴(7)内流道截面积变化，从而改变水流量；调节机构(8)，它位于真空除氧器壳体(1)内，它由漂浮于除氧水面上的浮球(8a)、浮球连杆(8b)、中间连杆(8c)、动芯连杆(8d)构成，当除氧水面高度发生变化时，浮球(8a)产生位移，由此带动浮球连杆(8b)、中间连杆(8c)、动芯连杆(8d)、以及动芯(7b)，实现对喷嘴(7)的调解；扩压管(9)，它由入口(9a)、喉管(9b)、扩散管(9c)组成，扩压管入口(9a)接在真空除氧器壳体(1)的除氧水出口上，扩压管入口(9a)与喷嘴(7)出口相对，扩压管(9)与喷嘴(7)的中心线重合；降湿换热器(4)，它位于真空除氧器壳体(1)内，它是占据壳体上部一段空间的一个间壁式换热器，它的一侧通以低温水，另一侧被冷却降湿的是扩容产生的含氧蒸汽；除氧再热器(5)，它位于真空除氧器壳体(1)内，在降湿换热器(4)的下边，它是一个水平布置的列管式换热器，管内通以热水，管外是从降湿换热器(4)表面流下来的凝结水，在管外表面被加热、除氧；
3.按照权利要求2所述的锅炉给水真空除氧装置，其特征在于喷嘴(7)的外管(7a)由弹性外管(7a1)、刚性外管(7a2)、锥形管(7a3)、出水管(7a4)构成，动芯(7b)由端盖(7b1)、芯柱(7b2)、锥形芯(7b3)、出水芯(7b4)构成；当动芯(7b)受到调节作用，动芯(7b)相对于外管(7a)移动时，弹性外管(7a1)长度变化，使锥形管(7a3)与锥形芯(7b3)间的流道截面积变化；刚性外管(7a2)上有一进水管，其内径d0等于与进水管相接的来水管的内径，刚性外管(7a2)的内径为1.5d0，置于其内的芯柱(7b2)直径等于d0，锥形管(7a3)及置于其内的锥形芯(7b3)沿水流方向的收缩角均为20°，出水芯(7b4)为动芯(7b)末端圆柱段，其直径d1是根据喷嘴(7)的流量和前后压差，按照普通无芯喷嘴公式，计算得出的无芯喷嘴出口的内径值，出水芯(7b4)的长度为3d1，外管(7a)末端的出水管(7a4)的内径d2等于1.5d1，其长度为3d1，出水管(7a4)与出水芯(7b4)间的环形缝即为喷嘴(7)的出水口；
4.按照权利要求2所述的锅炉给水真空除氧装置，其特征在于调节机构(8)的浮球(8a)漂浮在除氧水面中心；浮球连杆(8b)水平设置，其一端固定在浮球(8a)上，另一端与真空除氧器壳体(1)以铰链连接；中间连杆(8c)垂直设置，其下端与浮球连杆(8b)上某一点以铰链连接，其上端与动芯连杆(8d)的一端以铰链连接；动芯连杆(8d)水平设置，它的另一端与动芯(7b)的端盖(7b1)以铰链连接，动芯连杆(8d)上某一点与固定于喷嘴(7)外管(7a)上的一个支架以铰链连接。
5.按照权利要求2所述的锅炉给水真空除氧装置，其特征在于扩压管(9)的入口(9a)为圆锥收缩形，收缩角为40°，喉管(9b)为等截面管，其内径d3等于1.5d1，其长度等于7d3，扩散管(9c)的扩散角为8°，其长度为21d3，扩压管(9)入口截面的最小直径值及其与喷嘴(7)出口的最佳距离通过实验决定。
6.按照权利要求2所述的锅炉给水真空除氧装置，其特征在于除氧再热器(5)的列管为叉排结构，横向管中心距小于管外径，横向列管至少有四排，列管用耐蚀金属制成，或者管内外电镀耐蚀金属。
全文摘要
本发明公开了一种低位布置的锅炉给水真空除氧方法与装置,在真空除氧器(1)内,待除氧水通过喷嘴(5)形成束状射流,在喷射中减压、扩容,并逸出溶解氧,保持射流状态的除氧水冲入接在真空除氧器出水口上的扩压管(6)升压,产生足够的汽蚀余量,再经给水泵(7)送往锅炉。扩容产生的含氧蒸汽经过降湿换热器(3)降温,大部分蒸汽凝结成水并经除氧再热器(4)加热除氧,剩余含氧蒸汽被抽气泵(2)排掉。本发明结构简单,可低位布置,不需要使用大流量的喷射抽气泵。
文档编号B01D19/00GK1187378SQ96111468
公开日1998年7月15日 申请日期1996年10月12日 优先权日1996年10月12日
发明者尚德敏 申请人:尚德敏