化工装置除氧器选型与配套系统的设计分析

摘要：化工装置作为工业生产的核心，具有规模大、关联性强的特征，其高效运行离不开完善的公用辅助配套系统。公辅配套设施通常采用的原则是集中配置，统一为各装置提供必要的水、热、电、气等资源。这一系统结构复杂、功能多样，包括循环水场、除盐水站、污水处理站、动力中心、空压站及变电站等。因此，在除氧器选型与配套系统的设计时，首先，深入分析除氧水用户情况核定设备规格能力，再进行物料平衡和能量平衡计算，最后，完善配套系统设计。通过严格遵循合理的设计选型步骤和方法，旨在确保除氧器高效、稳定、安全地运行，满足各用户的多元化需求，为化工装置的整体运行提供坚实支撑。基于此，本文展开了相关分析阐述，以供参考。

关键词：除氧器；选型计算；配套系统设计

引言

化工装置中除氧器是关键设备，核心任务是提供符合标准的除氧水，其选型和设计不仅影响锅炉的运行和安全，同时影响到全厂蒸汽系统和水系统的稳定性和可靠性。锅炉给水（又称除氧水）作为关键辅助物料，在化工装置扮演着至关重要的角色。它不仅作为动力锅炉和余热锅炉的主要供水来源，保障蒸汽系统的稳定运行，还作为蒸汽减温减压器的减温水，调节蒸汽温度，防止设备和管道过热。此外，在闭式热水循环系统中，除氧水作为补水，能有效防止系统内部腐蚀，延长设备寿命[1]。为全厂提供锅炉给水的设备是除氧器，除氧器除盐水为补水，通过热力除氧等方式将合格的锅炉给水送至锅炉及其他用户，保障全厂蒸汽的供应，蒸汽使用后将凝液送回除盐水站，经处理合格后作为补水送至除氧器，蒸汽-水系统循环流程如图1 所示。

除氧器的选型设计直接关系到全厂的蒸汽平衡和水平衡。在设计选型时，需根据生产规模、蒸汽需求及水质要求确定除氧器的型式，通过详细核算除氧器的处理能力，确保其在各种工况下都能满足需求，之后通过能量平衡计算进一步验证除氧器在不同负荷下的能效，确保资源高效利用，最后在完成除氧器配套系统的设计后进行采购安装。

除氧器的工作原理基于亨利定律，通过加热和排气，将水中的溶解氧去除，达到除氧目的，这一过程不仅提升了水质，还保障了化工装置的安全运行，减少了因腐蚀导致的设备故障和停机时间。

1 除氧器选型

（1）除氧器型式。化工装置的除氧器常采用旋膜式热力除氧器，旋膜式热力除氧器具有除氧效率高、运行稳定无振动、换热速度快、适应能力好等优势[2]。根据除氧器工作时的操作压力不同，可分为低压大气式除氧器和高压除氧器。通常低压大气式除氧器的操作压力在0.1 MPaG 左右，高压除氧器的操作压力在0.5 MPaG 左右。随着除氧器操作压力的升高，除氧器中水面上方蒸汽的分压升高，氧气的分压降低，根据亨利定律，氧气在水中的溶解度随氧气分压的降低而降低，因此，高压除氧器的除氧效果更好，通常低压大气式除氧器的除氧水溶解氧含量不大于15μg/L，高压除氧器除氧水溶解氧含量不大于7μg/L[3]。

（2）除氧器能力核定。化工装置除氧水的主要用户集中在动力锅炉和余热锅炉上，这两大系统对水质要求极高，除氧水能有效防止设备内部腐蚀，保障蒸汽品质。除此之外，蒸汽系统中的减温器、成套设备的冷却系统，以及闭式热水循环系统也是除氧水的重要用户，在维持系统稳定运行、调节蒸汽温度及补充系统循环水等方面发挥着关键作用。

为确保除氧器能满足全厂需求，需统计各用户在基准工况下的除氧水用量，以此核定除氧器的正常运行工作能力。同时，还需深入分析各个用户的非基准工况，包括开车初期的启动工况、运行中的最大工况及可能遇到的短期连续高负荷工况，综合这些因素来核定除氧器的额定工作能力，确保其在各种工况下都能稳定、高效地提供除氧水，满足全厂的生产需求。

以某化工企业150 万t/a 丙烷综合利用装置为例，根据化工工艺计算得出装置区内除氧水用户的用量条件见表1。

根据表1，正常工况作为基准工况，核定除氧器正常运行能力为343.8 t/h；通过计算各个用户非基准工况较正常工况相比的增量，取增量最大的用户进行分析，在裂解炉装置的最大工况下，此时有43 t/h 除氧水增量需求，因此，除氧器额定能力以正常运行能力加上单一最大用户的增量，即386.8 t/h 为基础进行分析核定，例如，当除氧器的订货阶段处于全厂的初步设计或基础阶段时，由于此阶段各个除氧水用户的用量计算准确性不够高，装置规模产能有扩大的可能性，因此，可以考虑在386.8 t/h 的基础上增加一定的裕量，裕量系数可以综合考虑取1.1 倍至1.2 倍之间；如果除氧器订货阶段，各个除氧水用户的用量计算准确性较高，裕量系数可以综合考虑取1.05 倍至1.1 倍之间。在核定除氧器额定能力时，合理考虑裕量系数至关重要。若设备制造厂能提供同等规格、能力与计算结果相近或略大的设备，并附有成功应用业绩，这将是一个值得考虑的选项。采用此类设备不仅能有效降低采购成本，还能显著缩短设计周期，加快项目进度。更重要的是，由于设备已有实际应用经验，其可靠性和稳定性更有保障，有助于提升化工装置的整体运行效率和安全性，是优化设备选型、实现经济效益与安全性双赢的明智选择。

2.除氧器计算

对除氧器进行物料平衡和能量平衡计算[4]，是化工装置设计与优化中的关键环节。这一步骤的主要目的在于精确核定除氧器的设备边界条件，确保其在各种工况下都能稳定运行。

（1）物料平衡。化工装置除氧器的进料主要包括可回收凝液、除氧器补充水、加热蒸汽及化学药剂，出料为除氧水和不凝气体排放。其中，可回收的凝液主要来自化工装置的工艺换热器所产生的蒸汽凝液及大型动设备驱动透平的冷凝水。由于化工装置可回收凝液的流量和温度均有可能随装置负荷及工况的改变而变化，并且可回收凝液量有限，不足以为除氧器提供全部的供水，因此，除氧器还需要一个稳定且流量便于调节的补充水，通常使用凝液精制后的二级脱盐水。加热蒸汽通常由化工装置的蒸汽管网直接供应，也可以采用凝液闪蒸罐副产的蒸汽作为补充，加热蒸汽的等级根据除氧器的压力进行选择，对于低压大气式除氧器通常使用低压蒸汽，蒸汽压力一般在0.3 MPaG 至0.6 MPaG 之间，对于高压除氧器使用中压蒸汽，蒸汽压力一般在0.8 MPaG 至1.6 MPaG 之间。除氧器的化学药剂加注主要包括除氧剂和中和剂两类，常见的除氧剂为联氨或亚硫酸钠，主要作用是提高除氧效果，常见的中和剂为氨，主要作用是调节除氧水的pH 值，由于运行时各药剂的加注量均低于除氧水的0.01%，因此，在工程应用物料平衡计算时可以忽略不计。

根据总物料平衡原理，在连续稳定运行时，可以得到计算式：

式中，QL 为可回收凝液中蒸汽凝液的流量，t/h；QT 为可回收凝液中透平冷凝水的流量，t/h；QD 为补充水的流量，t/h；QS 为加热器蒸汽的流量，t/h；QB 为除氧水的流量，t/h；QV 为不凝气体排放的流量，t/h。

（2）能量平衡。由于在连续稳定运行时，除氧器各物料的流量、温度、压力基本稳定，因此，可以把除氧器作为一个多种物料混合的开口系统进行研究，各物料的流动为稳定流动过程。由于化学药剂加注量非常小，对系统热平衡的影响可以忽略不计，因此，在工程应用热平衡计算时不考虑。

根据能量守恒定律，建立除氧器稳定流动能量方程：

式中，Q 为系统从外界吸收的热量总和，kJ；ΔH 为所有物料流经系统的总焓变，kJ；ΔC2 为各物料流经系统流速平方的变化，（m/s）2；Δz 为各物料流经系统的高位差值，m；m 为各物料的质量，kg；g 为重力加速度，m2/s；Wi 为所有物料在系统内部做功的总和，kJ。

通过分析，各物料流经除氧器过程，流速差值不大，不对设备做功，位能差很小，因此，在工程应用计算时∑1/2mΔC2、∑mgΔz 和Wi 可忽略不计。

因此，式（2）可以简化计算为：

式中，HL 为蒸气凝液的焓值，kJ；HT 为透平冷凝水的焓值，kJ；HD 为补充水的焓值，kJ；HS 为加热器蒸汽的焓值，kJ；HB 为除氧水的焓值，kJ；HV 为不凝气体排放的焓值，kJ。

通过模拟分析计算设备的散热量远小于各物料进出焓值差值，因此，在实际工程应用时为了便于计算，也可取Q ≈0。

根据已知的边界条件，通过式（1）和式（3）可以计算得到各工况下每个物料的流量，为除氧器设计提供基础数据。

3 除氧器配套系统设计

基于除氧器的计算结果，完成设备本体设计之后，还需要对除氧器配套系统进行完善以保证设备本体及设备运行的稳定和安全，主要包括温度、压力、液位等运行参数的控制，事故工况的安全保护措施等。

首先，通过对除氧器计算模型的分析，在运行时需要保证设备内操作压力和操作温度的稳定，以确保除氧效果及外送除氧水操作参数的稳定。除氧器内的加热物料只有加热蒸汽，在其他物料的运行参数稳定时，加热蒸汽的流量决定着除氧器内的温度，由于除氧器运行时内部处于汽水饱和状态，操作压力为操作温度对应的饱合压力，因此，通过在主加热蒸汽管道入口设置压力控制阀，控制加热蒸汽的流量来实现除氧器内操作参数的稳定控制。其次，由于蒸汽凝液量和透平冷凝水量是根据装置运行情况决定，进入除氧器的蒸汽凝液量和透平冷凝水量是不可控的，因此，在除氧器的补充水管道入口处设置液位控制阀，以保证设备在安全液位范围内稳定运行[5]。

化工装置系统出现事故工况时，可能会导致除氧器压力升高，因此，在除氧器上需要设置安全阀，以确保设备本体不超压。同时，除氧器还需设置有液位联锁报警控制系统及溢流紧急排放系统，当设备液位超过高报警液位，为了防止液位继续上升甚至从罐顶溢出，此时需要启动液位联锁控制系统，打开溢流紧急排放系统的阀门，由于除氧器运行时设备内水的温度为对应操作压力下的饱和温度，因此，均高于100 ℃，在溢流紧急排放设计时要充分考虑人员安全及潜在的安全生产风险。

4 结语

总之，化工装置除氧器的设计是一个综合性的过程，需紧密结合装置的具体需求，全面考虑工程项目的实际情况、进度安排及未来运行中的潜在变化。设计初期，需深入分析各运行工况下的物料参数，如进水温度、压力、含氧量及加热蒸汽的品质等，通过精确的计算分析，为除氧器本体的设计及选型提供科学依据。此外，除氧器配套系统的完善设计同样至关重要，包括加热系统、排气系统、控制系统及安全保护装置的合理配置，以确保设备在高效运行的同时，具备良好的安全性和稳定性。这一系列设计旨在实现除氧器的长期稳定运行，为化工装置的整体生产提供坚实保障。

参考文献：

[1]国玲玲.除氧技术在锅炉给水中的工业应用[J].化工管理，2019（26）：128-129.

[2]宋春，杨远柱.改造锅炉给水除氧器实现节能降耗及平稳运行[J].石油和化工设备，2020，23（10）：110-112+104.

[3]李桂龙.几种除氧器除氧效果的分析[J].电力建设，2004（04）：44-46.

[4]史达明，马文智.除氧器数学模型及给水泵最大动态汽蚀余量[J].中国电机工程学报，1986（02）：66-74.

[5]龚咏梅.300MW机组除氧器水位控制系统改进[J].华电技术，2010，32（07）：60-61+78-79.