工業(yè)用反沖洗濾水器設(shè)計及日常維護(hù)

劉紅旺，孫文慧

（天津水科機(jī)電有限公司，天津 301900）

1 概述

濾水器產(chǎn)品廣泛用于化工、印染、造紙、鋼鐵等行業(yè)的供用水管道上，主要適用于DN500 mm 以下的管道，可代替二次濾網(wǎng)，節(jié)約開支；在水電站技術(shù)供水、冷卻水和主軸密封水系統(tǒng)中，濾水器用于過濾水中較小的雜質(zhì)，起到防止管道堵塞和保護(hù)用水設(shè)備等作用，是不可缺少的設(shè)備之一。根據(jù)《中國小水電行業(yè)“十四五”規(guī)劃及未來發(fā)展趨勢預(yù)測報告2020-2026》分析顯示，未來五年小水電市場前景廣闊，《中華人民共和國國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035 年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》明確提出，要“加快抽水蓄能電站建設(shè)和新型儲能技術(shù)規(guī)?；瘧?yīng)用”,國家電網(wǎng)公司發(fā)布“十四五”期間新增開工2 000 萬kW 以上裝機(jī)、1 000 億元以上投資規(guī)模的抽水蓄能電站。濾水器作為機(jī)組水系統(tǒng)中的設(shè)備之一，在發(fā)電機(jī)組安全運(yùn)行中起著至關(guān)重要的作用，直接關(guān)系到機(jī)組技術(shù)供水、冷卻水、主軸密封水的水質(zhì)。反沖洗濾水器在水電站設(shè)備改造中發(fā)揮著積極的作用，可滿足機(jī)組各軸承冷卻器對水質(zhì)的要求，提高了機(jī)組冷卻水供給的可靠性，特別是在汛期機(jī)組滿負(fù)荷、長周期運(yùn)行，入庫流量大，水質(zhì)差，水系統(tǒng)中水質(zhì)的保障對機(jī)組經(jīng)濟(jì)可靠運(yùn)行和安全發(fā)供電至關(guān)重要。

2 設(shè)計思路

近年來，濾水器市場方面用戶需求首選性能優(yōu)勢，同時提出了檢修次數(shù)少、安裝方式多樣化、安裝便捷、重量輕、安裝尺寸小、價格比國外同類型產(chǎn)品低的需求?，F(xiàn)今反沖洗過濾器由于反沖洗機(jī)構(gòu)在電機(jī)的帶動下連續(xù)轉(zhuǎn)動，反沖洗機(jī)構(gòu)在每個濾芯的停留的時間很短，造成雜物及微粒不能及時排出，長時間運(yùn)行情況下容易堵塞濾芯及減少濾芯使用壽命。接近開關(guān)是一種無需與運(yùn)動部件進(jìn)行機(jī)械直接接觸而可以操作的位置開關(guān)，將接近開關(guān)應(yīng)用到反沖洗濾水器中，可實(shí)現(xiàn)濾水器單個濾網(wǎng)的深度沖洗排污，并根據(jù)現(xiàn)場的水質(zhì)情況，設(shè)定定點(diǎn)保持的時間和清洗排污時間間隔，使得濾網(wǎng)清洗更干凈也可保證供水過程中流量及壓力損失在要求范圍內(nèi)。針對以上市場需求及分析，文章主要介紹一種單元式緊湊型反沖洗濾水器的設(shè)計，罐體采用圓筒體型，具有結(jié)構(gòu)緊湊、濾網(wǎng)清洗免解體，檢修便捷、安裝方式多樣等特點(diǎn)；采用圓臺形濾網(wǎng)、交替布置，反沖洗過程中通過定位沖洗和在排污口增加節(jié)流片的方式達(dá)到節(jié)流降損的效果。

3 內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及原理

單元式緊湊型反沖洗濾水器由罐體、單元濾芯、排污叉管、接近開關(guān)、沖洗電機(jī)、電動閥門、測壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等部分組成。濾水器進(jìn)水方式為下進(jìn)水、上出水，濾芯采用多筒單元濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)，清污采用反沖洗機(jī)構(gòu)中的排污叉管旋轉(zhuǎn)對準(zhǔn)1～2 個單元濾網(wǎng)反沖洗，循環(huán)逐個反沖洗各個單元濾網(wǎng)筒。主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：①圓筒體型、結(jié)構(gòu)緊湊、濾網(wǎng)清洗免解體，檢修便捷、安裝方式多樣；②圓臺形濾網(wǎng)、交替布置，反沖洗形式，節(jié)流降損；③自動控制系統(tǒng)自動診斷、自動定位排污。

濾水器罐體內(nèi)腔分為上、下兩腔，由中間的橫隔板隔開，上腔內(nèi)配有多個過濾芯，為凈液腔；下腔內(nèi)安裝有反沖洗排污叉管，為濁液腔。充分利用了過濾空間，顯著縮小了過濾器的體積。工作過程中，濁液進(jìn)入過濾器下腔，經(jīng)各單元濾芯的下入口進(jìn)入濾芯內(nèi)部；大于濾芯孔隙的污物被截住，凈液穿過濾芯縫隙到凈液腔，最后從出口送出。設(shè)計上吸取了國外濾水器結(jié)構(gòu)緊湊、定位沖洗的優(yōu)點(diǎn)，又根據(jù)國內(nèi)水質(zhì)及用戶需求保留了檢修口，以便于較大污物的清理及日常檢修。見圖1 所示。

圖1 單元式緊湊型反沖洗濾水器結(jié)構(gòu)外形圖

4 罐體厚度及有效過濾面積計算

4.1 罐體厚度計算

采用DN150 濾水器作計算模型，且模型參數(shù)如下：

材質(zhì)：304 不銹鋼

使用溫度：常溫

工作介質(zhì)：水

口徑：DN150

公稱壓力：1.6 MPa

筒體內(nèi)徑：300 mm

設(shè)計溫度下DN150 濾水器厚度計算過程如下：

設(shè)計溫度下圓筒內(nèi)壓的計算厚度按GB 150.3-2011《壓力容器 第3 部分:設(shè)計》式（3-1）計算，公式的適用范圍為pc≤0.4[σ]tφ。

式中：Di——圓筒或球殼的內(nèi)直徑，mm；

pc——公稱壓力，MPa；

[σ]t——設(shè)計溫度下圓筒與球殼材料的許用應(yīng)力（按GB 150.2），MPa；

δ——計算厚度，mm；

φ——焊接接頭系數(shù)（按GB 150.1）。

DN150濾水器設(shè)計內(nèi)直徑Di為300mm；計算壓力pc為1.6 MPa；許用應(yīng)力[σ]t鋼板許用應(yīng)力和所用鋼材為304 不銹鋼，[σ]t為137MPa；選擇焊接接頭系數(shù)φ=0.85。

0.4 [σ]tφ=0.4×137×0.85=46.58

通過計算可知：pc<46.58。

綜上，GB 150.3-2011 式（3-1）適合計算設(shè)計溫度下DN150 濾水器厚度，可得出：

設(shè)計厚度為計算厚度與腐蝕余量之和。由于容器所承裝的介質(zhì)為水，根據(jù)GB150.1-2011 中的4.3.6.2 條款，選擇腐蝕余量為1 mm。計算厚度δ=2.075 mm。所以設(shè)計厚度p=δ+1=2.075+1=3.075 mm。實(shí)際生產(chǎn)中DN150 濾水器采用厚度為6～8 mm 的不銹鋼304 鋼板，滿足濾水器的設(shè)計要求。

4.2 濾網(wǎng)有效過濾面積計算

根據(jù)NB/T 35035-2014《水力發(fā)電廠水力機(jī)械輔助設(shè)備系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)規(guī)定》和DL/T 1858-2018《水電廠自動濾水器技術(shù)條件》的規(guī)定“濾水器內(nèi)水的過網(wǎng)流速不宜大于0.5 m/s"，而供水管內(nèi)流速一般為1.0 m/s～3.0 m/s，因此，濾水器內(nèi)部濾網(wǎng)有效過濾面積為進(jìn)水口面積的6 倍及以上即可滿足規(guī)定要求。濾網(wǎng)有效過濾面積計算如下：

S=πDh×k×n

式中：D為濾網(wǎng)內(nèi)徑，h為濾網(wǎng)高度，k為有效過濾比系數(shù)，n為濾網(wǎng)數(shù)量。

5 控制系統(tǒng)簡介

濾水器控制系統(tǒng)由可編程控制器PLC、空氣開關(guān)、接觸器、中間繼電器、換開關(guān)、指示燈、接線端子等組成。系統(tǒng)以可編程控制器PLC 為核心，具有自診斷功能，可通過現(xiàn)地的控制開關(guān)、信號燈等設(shè)備對系統(tǒng)進(jìn)行操作和監(jiān)視，保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。濾水器工作流程見圖2 所示。

圖2 濾水器工作流程

控制系統(tǒng)首次送電的相序判斷：

（1）通過轉(zhuǎn)動排污閥手柄，將排污閥門轉(zhuǎn)至中間位置。

（2）確認(rèn)控制箱的“運(yùn)行方式切換開關(guān)”在“停止”位置。

（3）合上控制箱的空氣開關(guān)，給控制箱送電。

（4）送電后立即觀察濾水器排污閥的轉(zhuǎn)向：排污閥向關(guān)的方向轉(zhuǎn)動，此為正常；如方向相反的話，應(yīng)立即斷電，更換電源相序。

6 故障排查及日常維護(hù)

單元式緊湊型反沖洗濾水器投運(yùn)前及日常檢修維護(hù)中應(yīng)檢查：

（1）確認(rèn)濾水器測量管路連接正確、無泄漏，測壓管路旋塞閥開啟。

（2）確認(rèn)濾水器控制箱內(nèi)部接線正確、絕緣良好。

（3）確認(rèn)濾水器控制箱與沖洗電機(jī)、排污電機(jī)及差壓開關(guān)連接正確。

（4）用手柄轉(zhuǎn)動排污閥，確認(rèn)其無卡阻現(xiàn)象。

（5）將沖洗電機(jī)的“切換手柄”按箭頭方向推動，連續(xù)轉(zhuǎn)動沖洗電機(jī)的手輪，保證連續(xù)轉(zhuǎn)動10 圈以上，確認(rèn)其無卡阻現(xiàn)象。

濾水器常見故障及排除方法見表1 所示。

表1 常見故障及排除方法

7 結(jié)語

隨著我國工業(yè)用水重復(fù)利用率的有待提升和十四五期間水利水電行業(yè)規(guī)劃，可看出濾水器市場前景廣闊。工業(yè)濾水器作為技術(shù)供水系統(tǒng)中的一部分，影響著工業(yè)技術(shù)供水系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定與否，將直接影響到系統(tǒng)設(shè)備的安全運(yùn)行。從國家“十三五”到“十四五”水電規(guī)劃，水電行業(yè)濾水器市場需求量有增無減，濾水器產(chǎn)品在工業(yè)中的廣泛使用節(jié)約了大量的水資源，產(chǎn)品的系列化開發(fā)及使用為其他行業(yè)供水系統(tǒng)中水過濾產(chǎn)品的采購提供多種選擇，實(shí)現(xiàn)社會效益、經(jīng)濟(jì)效益相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了環(huán)境效益的提升。