除氧器如何工作

除氧器是热力系统中的关键设备，其核心任务是通过物理和化学方法高效去除水中的溶解氧及其他不凝结气体。其工作原理主要基于亨利定律，通过加热水至饱和温度，使氧气等气体的溶解度急剧降低，从而从水中逸出并被排出系统。这一过程对于防止热力设备及管道的氧腐蚀、保障系统安全经济运行至关重要。本文将深入剖析除氧器的工作机制、类型、运行要点及其在实践中的应用。

       在火力发电、石油化工、集中供热等诸多工业领域，水作为主要的工作介质，其品质直接关系到整个系统的安全、效率与寿命。水中溶解的氧气，看似微不足道，却是潜伏在管道和设备内部的“隐形杀手”，它会引发严重的氧腐蚀，导致设备损坏、效率下降甚至安全事故。因此，如何经济高效地去除水中溶解氧，就成为工业水处理中一个至关重要的环节。而承担这一核心使命的设备，正是除氧器。它如同一位忠诚的“清道夫”，默默守护着庞大工业系统的“血液”纯净。

一、除氧的必要性：为何要对水“脱氧”？

       在深入探讨除氧器如何工作之前，我们必须首先理解为何除氧如此关键。水中溶解的氧气对金属材料，特别是碳钢，具有强烈的腐蚀性。这种腐蚀过程本质上是电化学腐蚀，氧气作为去极化剂，会加速铁的氧化，生成疏松的铁锈。这不仅会减薄管壁厚度，承压能力下降，更危险的是腐蚀产物会随水流进入锅炉、换热器等精密设备，在其内部沉积结垢。结垢会严重阻碍热传导，导致受热面金属局部过热、鼓包甚至爆管，同时也会增加水流阻力，提升泵的能耗。因此，将给水中的溶解氧含量降至极低水平（例如，对于高压及以上锅炉，要求常低于每升7微克），是保障热力设备长期稳定运行的先决条件。

二、除氧的理论基石：亨利定律

       除氧器的工作并非凭空想象，其核心原理建立在坚实的科学基础之上——亨利定律。该定律指出，在一定温度下，气体在液体中的溶解度与该气体在液面上的分压力成正比。简单来说，水面上某种气体的压力越高，溶解进水里的这种气体就越多；反之，如果水面上这种气体的压力很低，甚至为零，那么溶解在水中的这种气体就会竭力挣脱出来，回到气相中去。除氧器正是巧妙地运用了这一原理。它通过加热水，使其达到沸腾状态（即饱和温度），此时水面上充满水蒸气，其压力接近或等于当地的总压力，而氧气等不凝结气体的分压力被极大地压缩，趋近于零。在这种条件下，根据亨利定律，氧气在水中的溶解度将急剧下降，几乎降至零，从而迫使溶解氧从水中迅速逸出。

三、热力除氧过程的两个阶段

       一个高效的热力除氧过程通常可以分解为两个连续的阶段。第一阶段是加热阶段。将待处理的冷水或凝结水加热至除氧器工作压力下的饱和温度。这是除氧的必要条件，如果水温未能达到饱和温度，即使只差一两度，除氧效果也会大打折扣，因为残余的氧气溶解度仍然可观。第二阶段是解吸逸出阶段。当水被加热到饱和温度后，水中溶解的氧气会克服水分子间的表面张力，以小气泡的形式析出。这些微小的气泡在湍流和扰动的作用下，迅速上浮至水面，最终突破气液界面，进入除氧器上部的蒸汽空间。随后，这些不凝结气体与部分蒸汽的混合物（称为排气）会被连续或间歇地排出容器，从而完成除氧过程。

四、除氧器的主要类型与结构特点

       根据工作压力的不同，除氧器主要分为三大类：大气式除氧器、压力式除氧器和真空式除氧器。它们的基本原理相同，但在结构设计和应用场景上各有侧重。

       大气式除氧器的工作压力略高于大气压，通常用于中低压锅炉的给水除氧。其结构相对简单，投资成本较低。

       压力式除氧器是应用最广泛的类型，常见于中型及以上火力发电厂。它在较高的压力下工作，其对应的饱和温度也更高，这不仅有利于深度除氧，还有一个显著优点：经过除氧的高温水在进入锅炉给水泵时，能有效防止泵入口发生汽蚀，提高泵的运行安全性。一台典型的压力式除氧器由上部的除氧头和下部的储水箱组成。

       真空式除氧器则在低于大气压的负压下工作，利用抽真空设备来维持系统的真空度。其对应的饱和温度较低，因此特别适用于对进水温度有严格限制的系统，例如利用低温余热作为热源的场合。

五、除氧头的核心部件与功能

       除氧头是除氧器进行气水分离的核心部位，其内部设计直接决定了除氧效率。它通常包含以下关键部件：

       1. 初级除氧装置（水室）：待处理的水首先进入此区域，与加热蒸汽进行初步混合加热，去除大部分氧气。

       2. 淋水盘或喷雾装置：水流被均匀分布成无数细小的水滴或水膜，这极大地增加了水与蒸汽的接触表面积，为氧气的高效逸出创造了理想条件。

       3. 填料层：通常由不锈钢鲍尔环或栅格等组成。水流在填料表面形成极薄的液膜，向下流动，与上升的加热蒸汽逆流接触，进行深度传热传质，确保残余的微量氧气被彻底去除。

       4. 蒸汽分配装置：确保加热蒸汽均匀地向上流动，与下落的水充分接触，避免出现流动死区。

六、储水箱的作用与再沸腾装置

       位于除氧器下部的储水箱，其主要功能是储存一定量的已除氧水，作为锅炉给水的缓冲容器，保证在工况波动或补水中断时，能持续向锅炉供水。为了防止在储存期间空气溶入水中或氧气从水面再次扩散溶解，储水箱内部通常设有再沸腾装置。它引入一股辅助蒸汽，在水箱底部鼓泡加热，使水始终保持微沸腾状态。这既能搅动水体防止温度分层，又能将可能积聚的微量氧气再次驱赶出来，随排气带走，起到“保养”水质的作用。

七、加热蒸汽的来源与调节

       加热蒸汽是除氧器的能量来源，通常来自汽轮机的抽汽或其他辅助蒸汽系统。蒸汽压力的稳定至关重要。现代除氧器都配备有精密的压力自动调节系统，通过调节进汽阀门的开度，维持除氧器内部压力恒定，从而保证饱和温度稳定，这是实现持续高效除氧的基本保障。当机组负荷变化导致抽汽压力波动时，调节系统必须迅速响应，确保除氧效果不受影响。

八、水位控制的重要性

       除氧器储水箱的水位是需要严格监控的另一关键参数。水位过高，可能淹没除氧头内的部件，阻碍蒸汽上升通道，破坏除氧过程，严重时甚至导致水通过抽汽管道倒灌入汽轮机，造成灾难性事故。水位过低，则储水量不足，锅炉给水泵容易抽空，同样危及系统安全。因此，可靠的水位测量和自动补水调节系统是除氧器安全运行的守护神。

九、排气的合理控制

       从除氧器顶部排出的气体混合物中，主要成分是水蒸气和少量不凝结气体（氧气、二氧化碳等）。为了有效排出氧气，必须保持一定的排气量。但排气量过大，会导致大量高品质蒸汽白白流失，造成能量和工质的浪费。因此，排气管路上通常装有节流孔板或调节阀，将排气量控制在一个合理的范围内，在保证除氧效果和减少工质损失之间取得最佳平衡。

十、启动、运行与停运的操作要点

       除氧器的正确操作对其寿命和性能至关重要。启动时，应遵循“先送汽，后进水”的原则，即先缓慢向除氧器送入加热蒸汽进行预热，然后再逐步注入待处理水，并同时升温升压，避免因温差过大产生热应力。正常运行中，需持续监视压力、温度、水位和出水含氧量等参数。停运时，则应“先停水，后停汽”，并采取适当的保养措施（如充氮保养），防止空气进入造成设备腐蚀。

十一、化学辅助除氧

       尽管设计良好的热力除氧器可以将溶解氧降至很低的水平，但对于超临界、超超临界等高参数机组，有时仍需化学方法作为补充和保障。通常在除氧器出口的给水管道中，会加入如联氨（肼）或更环保的碳酰肼等除氧剂。这些化学药剂能与水中残余的微量氧发生快速反应，生成无害的氮气和水，从而实现“深度除氧”，为高参数锅炉提供双重保护。

十二、常见故障分析与处理

       除氧器在运行中可能遇到各种问题。出水含氧量超标是最常见的故障，其原因可能包括：加热蒸汽不足或压力过低导致水温未达饱和温度；负荷突变或补水率过大；排汽阀开度不足；内部部件（如淋水盘、填料）堵塞或损坏；以及真空系统泄漏（对于真空除氧器）等。准确诊断故障原因，并采取针对性措施，是维持除氧器高效运行的关键。

十三、效率优化与节能措施

       除氧器本身也是一个能耗单元，其节能潜力巨大。优化措施包括：利用更低品位的抽汽作为热源；对排气中携带的热量进行回收，例如用其加热补充水；采用高效填料和优化内部结构以减少压降和提升传质效率；以及实施先进的自动控制系统，实现精细化运行。

十四、除氧器在联合循环机组中的角色

       在燃气-蒸汽联合循环电站中，余热锅炉的给水除氧有其特殊性。由于没有汽轮机抽汽作为可靠热源，其除氧器通常采用独立启动锅炉提供蒸汽，或利用来自余热锅炉自身产生的低压蒸汽。其运行方式需要与机组快速启停的特性相匹配，对控制系统的响应速度要求更高。

十五、定期检验与维护保养

       为确保除氧器长期安全运行，必须执行严格的定期检验和维护计划。这包括：对除氧器本体和储水箱进行内外部的宏观检查，探伤检测，测量壁厚；清理内部的水垢、腐蚀产物和杂质；检查并校正所有仪表、安全阀和调节阀；对内部构件如淋水盘、填料等进行修复或更换。这些工作通常结合机组大修一并进行。

十六、技术发展与展望

       除氧器技术也在不断进步。未来的发展趋势可能集中在：更高效率、更低阻力的内部构件设计；与整个热力系统更深度集成的优化运行策略；基于大数据和人工智能的智能预警与故障诊断系统；以及适用于新能源发电系统和特殊工业流程的新型除氧技术。

       总而言之，除氧器是一个集热力学、传热学、流体力学和化学原理于一体的复杂而精密的设备。它的稳定高效运行，是保障现代工业动力系统安全、经济、长周期运行的基石。理解其工作原理，掌握其操作维护要点，对于相关领域的工程师和技术人员而言，是一项不可或缺的基本功。希望通过本文的系统性阐述，能够帮助读者建立起对除氧器工作方式的全面而深入的认识。