運(yùn)行參數(shù)對(duì)差壓式過(guò)濾器濾水能力的影響研究

曹宇， 雷超， 陳慶旭， 魏大明， 胡啟帥， 周金昊， 高儉， 楊松

（中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院，成都610041）

0 引 言

安全水池作為反應(yīng)堆重要的安全設(shè)施，承擔(dān)著為循環(huán)冷卻水系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱W系統(tǒng)）提供滿足要求冷卻水源的功能。但在雨季期間水質(zhì)渾濁，導(dǎo)致安全水池水質(zhì)較差，水中泥沙較多，W系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中，差壓式過(guò)濾器易發(fā)生堵塞，濾水量減少[1]，嚴(yán)重影響二回路系統(tǒng)用戶的供水量，無(wú)法保證二回路系統(tǒng)用戶的安全穩(wěn)定運(yùn)行。為了確保在雨季期間二回路用戶的供水需求，本文基于反應(yīng)堆現(xiàn)有安裝調(diào)試后的差壓式過(guò)濾器結(jié)構(gòu)和工作原理，從安全運(yùn)行角度出發(fā)，通過(guò)分析差壓式過(guò)濾器濾水能力的影響因素，研究了不同運(yùn)行參數(shù)對(duì)差壓式過(guò)濾器濾水量的影響，并得出最優(yōu)的運(yùn)行參數(shù)，以提高差壓式過(guò)濾器的濾水能力，有效保障反應(yīng)堆二回路用戶的供水需求。

1 差壓式過(guò)濾器工作原理

W系統(tǒng)設(shè)置有3臺(tái)增壓泵（W001/002/003PO），2用1備。其中W001PO設(shè)置變頻調(diào)節(jié)。為了保證二回路用戶用水的要求，系統(tǒng)供水管路上設(shè)置有3臺(tái)電動(dòng)差壓式過(guò)濾器（W001/002/003FI），2用1備。W系統(tǒng)設(shè)計(jì)成增壓泵+二回路用戶水箱聯(lián)合供水的方式。W系統(tǒng)工藝流程簡(jiǎn)圖如圖1所示。W系統(tǒng)從安全水池緩沖區(qū)溢流堰內(nèi)取水。經(jīng)水泵加壓后送至屋頂二回路用戶水箱，水箱內(nèi)的水經(jīng)重力流供給二回路用戶用水。

差壓式過(guò)濾器為多濾筒過(guò)濾、單筒反向沖洗的結(jié)構(gòu)，具有過(guò)濾面積大、設(shè)備體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、過(guò)濾效率高、反沖洗強(qiáng)度大、耗水少等優(yōu)點(diǎn)，且過(guò)濾與排污同時(shí)進(jìn)行[2]，不影響也不中斷W系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

冷卻水通過(guò)增壓泵加壓后送至差壓式過(guò)濾器，在其內(nèi)部從濾網(wǎng)的內(nèi)側(cè)流向外側(cè)，雜質(zhì)顆粒被截留在濾網(wǎng)內(nèi)側(cè)，隨著濾網(wǎng)內(nèi)側(cè)表面污物的增多，濾網(wǎng)內(nèi)外側(cè)壓差會(huì)增大[3]。當(dāng)壓差到達(dá)設(shè)定值時(shí)，排污閥打開，濾斗內(nèi)壓力小于濾網(wǎng)外側(cè)壓力，用過(guò)濾后的冷卻水對(duì)濾網(wǎng)進(jìn)行反沖洗，當(dāng)?shù)竭_(dá)設(shè)定時(shí)間值后，通過(guò)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)濾斗，轉(zhuǎn)至下一個(gè)濾腔，差壓式過(guò)濾器濾網(wǎng)被平均分為8個(gè)濾腔，當(dāng)完成8個(gè)區(qū)域的沖洗后，過(guò)濾器的沖洗周期結(jié)束[4]，壓差即可恢復(fù)到初始狀態(tài)。差壓式過(guò)濾器的工藝流程如圖2所示。

2 差壓式過(guò)濾器濾水能力的影響因素

通過(guò)分析差壓式過(guò)濾器的結(jié)構(gòu)及工作原理，結(jié)合W系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)濾水能力與多種因素有關(guān)，主要包括安全水池水質(zhì)、增壓泵流量、過(guò)濾器參數(shù)設(shè)置等。

1）安全水池水質(zhì)越渾濁，差壓式過(guò)濾器需要濾除的雜質(zhì)越多，濾水能力越低，濾水量越少，且易造成過(guò)濾器壓差高報(bào)警；

2）增壓泵流量越大，一定時(shí)間內(nèi)過(guò)濾器需要濾除的水量越多，濾除的雜質(zhì)也會(huì)相應(yīng)增多，濾水量也會(huì)降低；

圖2 差壓式過(guò)濾器工藝流程圖

3）差壓式過(guò)濾器的運(yùn)行參數(shù)設(shè)置控制其工作方式，不同的運(yùn)行參數(shù)對(duì)差壓式過(guò)濾器濾水量影響較大，主要運(yùn)行參數(shù)包括排污時(shí)間、周期、差壓反洗值、差壓高報(bào)警值，而其中周期和差壓高報(bào)警值指的是設(shè)置的周期時(shí)間內(nèi)自動(dòng)反洗一次和到達(dá)設(shè)定的差壓高報(bào)警值時(shí)產(chǎn)生報(bào)警，該運(yùn)行參數(shù)對(duì)差壓式過(guò)濾器濾水能力影響不大。排污時(shí)間和差壓反洗值指的是反洗過(guò)程中濾斗在一個(gè)濾腔的停留時(shí)間和過(guò)濾器開始反洗的濾網(wǎng)內(nèi)外側(cè)壓差值，在水質(zhì)較差情況下對(duì)保證差壓式過(guò)濾器的工作能力起著決定性作用。

2.1 排污時(shí)間

差壓式過(guò)濾器的排污時(shí)間是指反洗過(guò)程中濾斗在一個(gè)濾腔的停留時(shí)間，共分為8個(gè)濾腔。反洗過(guò)程中，當(dāng)經(jīng)歷一個(gè)濾腔的停留排污時(shí)間后，通過(guò)排污電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，自動(dòng)轉(zhuǎn)入下一個(gè)濾腔，直至8個(gè)濾腔反洗結(jié)束，過(guò)濾器的一個(gè)反洗循環(huán)結(jié)束。如果排污時(shí)間設(shè)置過(guò)短，會(huì)導(dǎo)致濾腔還未沖洗干凈，濾斗就轉(zhuǎn)至下一個(gè)濾腔，反洗能力降低，過(guò)濾器堵塞的情況會(huì)持續(xù)加重，過(guò)濾器濾水能力降低，濾水量減小，且反洗過(guò)程一直持續(xù)，濾斗驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)容易發(fā)熱燒毀。如果排污時(shí)間設(shè)置過(guò)長(zhǎng)，濾斗在其中一個(gè)濾腔內(nèi)停留的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，其他濾腔得不到及時(shí)沖洗，濾網(wǎng)也會(huì)被堵塞，濾水量也會(huì)降低。因此，排污時(shí)間的設(shè)定對(duì)差壓式過(guò)濾器反洗能力有著至關(guān)重要的影響，是差壓式過(guò)濾器穩(wěn)定運(yùn)行的重要參數(shù)。

2.2 差壓反洗值

差壓反洗值指的是過(guò)濾器開始反洗的濾網(wǎng)內(nèi)外側(cè)壓差值，當(dāng)差壓式過(guò)濾器壓差到達(dá)設(shè)定值時(shí)，開始執(zhí)行反洗命令，打開排污閥，根據(jù)排污時(shí)間設(shè)定，自動(dòng)對(duì)濾網(wǎng)進(jìn)行沖洗，若一個(gè)反洗結(jié)束后，濾網(wǎng)內(nèi)外壓差未降至壓差反洗值以下，則系統(tǒng)自動(dòng)繼續(xù)執(zhí)行反洗命令，直至濾網(wǎng)壓差降至壓差反洗值以下。如果壓差反洗值設(shè)置過(guò)高，濾網(wǎng)在堵塞情況下過(guò)濾器也不會(huì)執(zhí)行反洗動(dòng)作，當(dāng)壓差升高至壓差反洗設(shè)定值開始反洗時(shí)，有可能會(huì)因?yàn)槎氯麌?yán)重，清洗效果不明顯，從而導(dǎo)致差壓式過(guò)濾器自動(dòng)反洗失效，濾網(wǎng)內(nèi)外壓差持續(xù)升高，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致濾網(wǎng)破損，失去過(guò)濾作用。如果壓差反洗值設(shè)置過(guò)低，濾網(wǎng)壓差在較小的壓差情況下過(guò)濾器就會(huì)執(zhí)行反洗動(dòng)作，會(huì)導(dǎo)致過(guò)濾器濾斗驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)工作，造成濾斗驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)燒毀，導(dǎo)致過(guò)濾器反洗功能失效，嚴(yán)重時(shí)濾網(wǎng)會(huì)破損，差壓式過(guò)濾器損毀。因此，壓差反洗值的設(shè)定對(duì)差壓式過(guò)濾器反洗能力影響較大，也是差壓式過(guò)濾器穩(wěn)定運(yùn)行的重要參數(shù)。

3 試驗(yàn)方法及結(jié)果

本文設(shè)計(jì)了多組對(duì)照試驗(yàn)來(lái)研究不同排污時(shí)間和差壓反洗值對(duì)濾水量的影響。試驗(yàn)方法為：在雨季期間安全水池水質(zhì)渾濁狀態(tài)下，啟動(dòng)W系統(tǒng)，選用W001FI和W002FI過(guò)濾器，設(shè)置排污時(shí)間為15 s、20 s、25 s、30 s、35 s、40 s，手動(dòng)運(yùn)行差壓式過(guò)濾器30 min，每5 min記錄在不同排污時(shí)間下差壓式過(guò)濾器的濾水量。在得出最優(yōu)的排污時(shí)間后，設(shè)置反洗壓差值為15 kPa、20 kPa、25 kPa、30 kPa、35 kPa，自動(dòng)運(yùn)行差壓式過(guò)濾器，每5 min記錄不同壓差反洗設(shè)定值下過(guò)濾器的濾水量。

為了將干擾因素降至最低，在差壓式過(guò)濾器運(yùn)行時(shí)作如下要求：1）為了保證試驗(yàn)中安全水池的水質(zhì)相同，試驗(yàn)持續(xù)完成，中途不中斷試驗(yàn)；2）濾水量即為二回路用戶水箱進(jìn)水流量，待讀數(shù)穩(wěn)定后再進(jìn)行記錄。

不同排污時(shí)間下的濾水量試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 不同排污時(shí)間下的濾水量 m3/h

通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)在排污時(shí)間設(shè)置為30 s時(shí)，二回路用戶水箱進(jìn)水量最大，即差壓式過(guò)濾器濾水量最大，將排污時(shí)間設(shè)置為30 s，得到不同的壓差反洗值下濾水量，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 不同壓差反洗值的濾水量 m3/h

4 運(yùn)行參數(shù)對(duì)差壓式過(guò)濾器濾水量的影響

4.1 排污時(shí)間對(duì)濾水量的影響

不同排污時(shí)間對(duì)差壓式過(guò)濾器濾水量的影響如圖3所示?？梢钥闯?，隨著排污時(shí)間的增加，差壓式過(guò)濾器濾水量呈現(xiàn)先增加后降低的變化趨勢(shì)。排污時(shí)間為30 s時(shí)，壓差式過(guò)濾器濾水量達(dá)到最大。

當(dāng)排污時(shí)間低于30 s時(shí)，差壓式過(guò)濾器對(duì)濾腔內(nèi)對(duì)應(yīng)過(guò)濾網(wǎng)反洗時(shí)間過(guò)短，導(dǎo)致濾網(wǎng)清洗不徹底，還未清洗干凈即轉(zhuǎn)入下一個(gè)清洗濾腔，過(guò)濾器堵塞未得到緩解，濾水能力下降，濾水量較低。

圖3 不同排污時(shí)間下的差壓式過(guò)濾器濾水量變化曲線

當(dāng)排污時(shí)間高于30 s時(shí)，排污斗在濾腔內(nèi)停留清洗時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，一個(gè)反洗周期時(shí)間變長(zhǎng)，每一個(gè)濾腔的清洗后等待的時(shí)間較長(zhǎng)，導(dǎo)致過(guò)濾網(wǎng)堵塞后未得到及時(shí)清洗，濾網(wǎng)堵塞，反而濾水能力下降，濾水量下降[5]。

當(dāng)排污時(shí)間為30 s時(shí)，每個(gè)濾腔內(nèi)濾網(wǎng)既能得到有效清洗，濾網(wǎng)清洗后等待下一次清洗時(shí)間也不至于過(guò)長(zhǎng)，使過(guò)濾網(wǎng)時(shí)刻保持一個(gè)最大過(guò)濾量的狀態(tài)，差壓式過(guò)濾器的工作能力也能發(fā)揮至最優(yōu)狀態(tài)，使濾水量保持一個(gè)較高的水平。因此排污時(shí)間最佳運(yùn)行參數(shù)為30 s。

4.2 反洗壓差值對(duì)濾水量的影響

排污時(shí)間為30 s時(shí)，反洗壓差值對(duì)濾水量的影響如圖4、圖5所示?？梢钥闯?，反洗壓差值從15 kPa增加到35 kPa，差壓式過(guò)濾器濾水量呈現(xiàn)先緩慢下降，再急劇下降的趨勢(shì)。反洗壓差值在15～25 kPa變化時(shí)，濾水量下降緩慢，變化范圍在40 m3/h左右。而反洗壓差值在25～35 kPa變化時(shí)，濾水量下降較多，變化范圍在170 m3/h左右。

圖4 不同反洗壓差值下的差壓式過(guò)濾器濾水量隨運(yùn)行時(shí)間的變化曲線

從原理上分析，當(dāng)反洗壓差值設(shè)置得越低，濾網(wǎng)清洗的次數(shù)較頻繁，濾網(wǎng)堵塞情況較好，濾水量較大。但在實(shí)際運(yùn)行期間發(fā)現(xiàn)，壓差反洗值設(shè)置過(guò)低，將會(huì)導(dǎo)致差壓式過(guò)濾器頻繁處于反洗狀態(tài)，濾斗驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)工作頻繁，在水質(zhì)較差的工況下，濾斗驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)幾乎處于連續(xù)運(yùn)行的工作狀態(tài)，監(jiān)測(cè)電動(dòng)機(jī)由于連續(xù)運(yùn)行導(dǎo)致發(fā)熱嚴(yán)重，易造成電動(dòng)機(jī)燒毀。查閱相關(guān)技術(shù)文件，并結(jié)合運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，考慮到反洗壓差值在15～25 kPa變化對(duì)濾水量影響較小，當(dāng)安全水池水質(zhì)較差時(shí)，壓差反洗值設(shè)為25 kPa，差壓式過(guò)濾器反洗一次后約在5 min后再執(zhí)行清洗程序，濾斗驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)能保證散熱，同時(shí)二回路用戶的供水量也能滿足要求。綜合分析，反洗壓差值最佳運(yùn)行參數(shù)為25 kPa。

圖5 反洗壓差值對(duì)差壓式過(guò)濾器濾水量的影響

5 結(jié) 論

本文基于反應(yīng)堆現(xiàn)有安裝調(diào)試后的差壓式過(guò)濾器結(jié)構(gòu)和工作原理，從安全運(yùn)行角度出發(fā)，通過(guò)分析差壓式過(guò)濾器濾水能力的影響因素，研究不同運(yùn)行參數(shù)對(duì)差壓式過(guò)濾器濾水量的影響，有效指導(dǎo)W系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。得到如下結(jié)論：

1）排污時(shí)間對(duì)差壓式過(guò)濾器濾網(wǎng)的清洗程度起決定性作用，隨著排污時(shí)間在15～40 s范圍內(nèi)增加，差壓式過(guò)濾器濾水量呈現(xiàn)先增加后降低的變化趨勢(shì)，排污時(shí)間為30 s時(shí)，濾水量最大，滿足二回路用戶供水需求。排污時(shí)間過(guò)短，會(huì)導(dǎo)致清洗不充分，濾網(wǎng)堵塞沒(méi)有得到最佳緩解，排污時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，清洗周期變長(zhǎng)，濾腔濾網(wǎng)等待清洗時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，也會(huì)導(dǎo)致濾網(wǎng)堵塞，降低濾水量。

2）排污時(shí)間為30 s時(shí)，反洗壓差值在15～35 kPa范圍內(nèi)增加，差壓式過(guò)濾器濾水量呈現(xiàn)先緩慢下降，再急劇下降的趨勢(shì)。從安全運(yùn)行角度考慮，濾斗驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)不能長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)工作，在滿足二回路用戶供水需求的前提下，最佳反洗差壓值為25 kPa。