陳兵兵

(河南省電力勘測設(shè)計(jì)院， 鄭州 450007)

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源問題成為制約經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸，科學(xué)用能成為我國能源戰(zhàn)略的核心[1]。近幾年，為了提高泵組的運(yùn)行效率，逐步開始使用全容量泵組，即配置一臺(tái)100%容量的泵組，取消備用泵[2-3]，但在長周期運(yùn)行時(shí)，入口濾網(wǎng)無法清洗[4]，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響泵組的正常運(yùn)行，甚至跳泵跳機(jī)，尤其在新建項(xiàng)目投運(yùn)初期和項(xiàng)目大修改造后該情況更為突出。

為解決單泵運(yùn)行中清洗過濾器的問題，目前主要采用在水泵進(jìn)口處設(shè)置雙濾網(wǎng)的方案[5]，但此方案增大了系統(tǒng)阻力，加大泵組汽蝕的風(fēng)險(xiǎn)，不利于泵組的安全可靠運(yùn)行。因此，針對(duì)全容量單列泵組在運(yùn)行過程中過濾器堵塞的問題，筆者提出一種過濾器在線反清洗系統(tǒng)，通過理論研究和工程應(yīng)用詳細(xì)闡述反清洗系統(tǒng)的工作原理及實(shí)施方法，探討合理的過濾器及噴嘴選型原則，以提高單列泵組運(yùn)行的安全可靠性。

1 在線反清洗系統(tǒng)

隨著我國發(fā)電技術(shù)的進(jìn)步以及給水泵組的制造水平提高，國產(chǎn)大型電站給水泵組的可用率和可靠性已基本滿足300 MW及以上機(jī)組采用單列配置的要求，即我國已具備了采用單列給水泵配置的條件[6-7]；但此種給水泵配置存在一個(gè)重要缺陷，即單列給水泵配置的前置泵進(jìn)口濾網(wǎng)長期運(yùn)行，若濾網(wǎng)堵塞會(huì)增加低壓給水阻力，泵入口發(fā)生汽蝕的可能性增加，不利于泵的安全運(yùn)行。

1.1 系統(tǒng)配置

筆者所提出的一種實(shí)時(shí)可控的過濾器在線反清洗系統(tǒng)見圖1。

圖1 過濾器在線反清洗工藝流程圖

該系統(tǒng)主要由在線噴水系統(tǒng)和在線排污系統(tǒng)兩部分組成。在線噴水系統(tǒng)包括噴水母管上設(shè)置帶調(diào)節(jié)功能的電動(dòng)閥，噴水支管上設(shè)置電動(dòng)閥，每個(gè)支管為濾網(wǎng)筒體上設(shè)置的一層或多層沖洗水管提供噴射清洗用水。在線排污系統(tǒng)包括在濾網(wǎng)排污出口上設(shè)置帶調(diào)節(jié)功能的電動(dòng)排污閥，為防止排污水逆流，排污閥后設(shè)置止回閥，排污水排至污水回收裝置。

為保證噴水能有效對(duì)濾網(wǎng)進(jìn)行反清洗，噴水壓力應(yīng)高于濾網(wǎng)主流壓力，因此對(duì)在線濾網(wǎng)反清洗系統(tǒng)的運(yùn)行應(yīng)進(jìn)行合理地控制，否則易引起給水泵入口壓力波動(dòng)，造成泵發(fā)生汽蝕，嚴(yán)重危及給水泵的運(yùn)行。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)需要在開啟噴水母管電動(dòng)閥后，開啟排污閥，排污閥應(yīng)盡量調(diào)整到對(duì)主流影響最小的開度，減小在線反清洗濾網(wǎng)過程中對(duì)流體流動(dòng)主流的影響；隨后開啟支管上的噴水閥，支管上的噴水閥每次沖洗時(shí)只能開啟一路，避免多路支管同時(shí)向?yàn)V網(wǎng)中噴射沖洗水；每個(gè)沖洗接管配置漸擴(kuò)噴嘴，沖洗水通過漸擴(kuò)噴嘴后，沖洗流速增加、清洗面積擴(kuò)大后噴射至濾網(wǎng)濾芯表面，將濾網(wǎng)孔隙中的固體顆粒沖出，達(dá)到在線清洗目標(biāo)。另外，濾網(wǎng)進(jìn)出口處設(shè)置壓差開關(guān)，實(shí)時(shí)監(jiān)測濾網(wǎng)前后壓差的變化，保證濾網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1.2 過濾器配置

設(shè)置過濾器在線反清洗系統(tǒng)應(yīng)對(duì)過濾器結(jié)構(gòu)進(jìn)行相關(guān)調(diào)整，在線反清洗的過濾器結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。在濾網(wǎng)筒體上等距設(shè)置多層沖洗水管，每層沖洗水管截面根據(jù)濾網(wǎng)流動(dòng)特性及堵孔率等不同應(yīng)等距間隔設(shè)置多個(gè)沖洗水管(見圖3)。每個(gè)沖洗水管連接一個(gè)噴管，以某工程為例估算，每個(gè)噴頭面積約為1.4 cm2，全部清洗面積僅為85 cm2，而濾網(wǎng)總通流面積為3.5 m2，顯然采用常規(guī)的噴嘴會(huì)因沖洗面積太小，難以達(dá)到清洗效果。為了獲得較好的清洗效果，擴(kuò)大沖洗面積，沖洗水源采用高壓沖洗水，噴管上設(shè)置漸擴(kuò)噴嘴(見圖4)。

圖2 過濾器在線反清洗結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 噴嘴布置圖

D1—噴嘴進(jìn)口管內(nèi)徑；D2—噴嘴出口內(nèi)徑；D3—噴水至過濾器表面的折算內(nèi)徑；H1—噴嘴長度；H2—噴嘴至過濾器表面距離。

圖4 噴嘴結(jié)構(gòu)圖

2 設(shè)計(jì)選型

2.1 過濾器設(shè)計(jì)選型

Y形過濾器由殼體、排污蓋、濾芯及濾網(wǎng)等部件構(gòu)成，用于去除管道工質(zhì)中少量的固體顆粒，保護(hù)設(shè)備的正常工作。當(dāng)流體進(jìn)入置有一定規(guī)格過濾器的濾筒后，其雜質(zhì)被阻擋，干凈的工質(zhì)則由Y形過濾器出口排出(見圖2)。一般要求過濾器總面積為入口管道截面積的3～5倍，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，過濾器的通流倍率一般取4，即過濾器總通流面積Stotal與過濾器有效通流面積Seff的關(guān)系為：

Stotal=4Seff

(1)

原則上，噴嘴的噴射有效面積Sp≥Seff即可，但為確保在線反清洗達(dá)到有效疏通過濾器的目的，噴射有效面積確定時(shí)推薦考慮10%的設(shè)計(jì)裕量；另外，當(dāng)流體內(nèi)固體顆粒的孔徑與濾網(wǎng)濾孔孔徑相當(dāng)時(shí)，固體顆粒會(huì)被層層壓實(shí)，無法通過反向沖洗將濾孔疏通，因此應(yīng)再考慮10%的濾網(wǎng)堵孔率。綜上所述，Sp為：

Sp=1.21×Seff=0.302 5×Stotal

(2)

由式(2)可知，為實(shí)現(xiàn)對(duì)過濾器的有效在線清洗，噴嘴噴射清洗的總清洗面積(有效面積)應(yīng)達(dá)到過濾器總通流面積30%以上。

Sp可近似按下式估算：

(3)

式中：N為過濾器上設(shè)置的噴嘴數(shù)。

由式(2)、式(3)可知：

(4)

2.2 噴嘴設(shè)計(jì)選型

為擴(kuò)大沖洗面積，噴管上設(shè)置漸擴(kuò)噴嘴，具體見圖5。

p1—噴嘴進(jìn)口處流體壓力；v1—噴嘴進(jìn)口處流體流速；p2—噴嘴出口處流體壓力；v2—噴嘴出口處流體流速。

圖5 噴嘴計(jì)算模型

噴嘴進(jìn)出口截面建立伯努利方程為：

(5)

式中：ρ為流體密度；g為重力加速度。

對(duì)噴嘴進(jìn)出口截面建立質(zhì)量守恒有：

(6)

對(duì)式(6)而言，噴嘴進(jìn)口處流體流速按GB 50764—2012 《電廠動(dòng)力管道設(shè)計(jì)規(guī)范》中關(guān)于流速的要求，取2.0～3.5 m/s。為降低噴水壓力對(duì)過濾器主流的影響，噴嘴出口處流體流速不宜太高，為實(shí)現(xiàn)有效清洗，一般控制流速在40～60 m/s；經(jīng)過初步估算，漸擴(kuò)噴嘴出口內(nèi)徑約為噴嘴進(jìn)口管內(nèi)徑的4倍。

另外，為避免給水泵汽蝕，噴嘴出口處流體壓力取值微高于過濾器進(jìn)口處壓力；噴嘴進(jìn)口處流體壓力應(yīng)為定值，無論是采用前置泵出口處取水還是凝結(jié)水泵出口處取水，流體壓力均須要減壓到該值，否則過濾器在線反清洗時(shí)噴水壓力影響流動(dòng)，造成局部壓力與水溫不配置，形成氣液兩相流，泵將發(fā)生汽蝕，不利于給水泵的安全運(yùn)行。

考慮Y形過濾器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，過濾器筒體與濾網(wǎng)的間距限制，綜合分析計(jì)算并結(jié)合工程實(shí)際，推薦噴嘴至過濾器表面的折算內(nèi)徑取為噴嘴進(jìn)口管內(nèi)徑的8倍，其表達(dá)式為：

D3=8D1

(7)

由式(4)、式(7)可知：

(8)

3 應(yīng)用效果

為詳細(xì)說明給水泵Y形過濾器在線反清洗系統(tǒng)的配置，筆者以某1 000 MW超超臨界機(jī)組為例，進(jìn)行說明。機(jī)組采用型號(hào)為N100-28/600/620、一次中間再熱、四缸四排汽、單軸、雙背壓凝汽式汽輪機(jī)，設(shè)置1臺(tái)全容量的汽動(dòng)給水泵組，汽動(dòng)給水泵組的給水前置泵與主泵不同軸，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，前置泵布置在主廠房 0 m，汽動(dòng)給水泵布置在中間層。單列全容量前置泵技術(shù)參數(shù)見表1，過濾精度為20目。

表1 前置泵運(yùn)行參數(shù)及過濾器參數(shù)

3.1 參數(shù)選型

根據(jù)廠家提供的圖紙并經(jīng)過反復(fù)驗(yàn)算，過濾器筒體上噴嘴布置層數(shù)為9層總計(jì)59個(gè)噴嘴，自過濾器端蓋開始向上布置，第1～4層每層布置8個(gè)噴嘴共計(jì)32個(gè)，第5層布置7個(gè)噴嘴，第6～9層每層布置5個(gè)噴嘴共計(jì)20個(gè)。過濾器總通流面積為3.5 m2，通流倍率為推薦值取4。根據(jù)以上計(jì)算參數(shù)，噴嘴進(jìn)口管內(nèi)徑為21 mm。根據(jù)該內(nèi)徑數(shù)值選型管道外徑為25 mm、壁厚為2 mm。

3.2 通流驗(yàn)算

為驗(yàn)證過濾器噴嘴設(shè)置以及相關(guān)參數(shù)選型是否能滿足有效清洗，須要驗(yàn)算噴嘴噴射有效面積是否能滿足流體流通面積要求。由參數(shù)選型可知D1=21 mm，根據(jù)式(7)可知噴嘴至過濾器表面的折算內(nèi)徑約為168 mm，根據(jù)式(3)可知噴嘴噴射有效面積為1.308 m2。而過濾器總通流面積為3.5 m2，過濾器有效通流面積為0.875 m2，噴嘴噴射有效面積為過濾器有效通流面積的1.5倍，占過濾器總通流面積的比高達(dá)37.4%，顯然設(shè)置的Y形過濾器在線反清洗系統(tǒng)能有效實(shí)現(xiàn)清洗過濾器，保證在線反清洗系統(tǒng)在各種極端工況下穩(wěn)定可靠運(yùn)行。

4 結(jié)語

筆者針對(duì)火電機(jī)組全容量單列配置泵組在運(yùn)行過程中過濾器堵塞的問題，提出一種實(shí)時(shí)可控的Y形過濾器在線反清洗系統(tǒng)。經(jīng)過理論研究和工程應(yīng)用闡述，可得如下結(jié)論：

(1) 在線反清洗系統(tǒng)主要由在線噴水系統(tǒng)和在線排污系統(tǒng)兩部分組成，設(shè)備結(jié)構(gòu)為在濾網(wǎng)筒體上等距地設(shè)置多層沖洗水管，每層沖洗水管截面等距間隔設(shè)置多個(gè)沖洗水管，噴管上設(shè)置漸擴(kuò)噴嘴。

(2) 推薦過濾器通流倍率取4，為實(shí)現(xiàn)過濾器的有效在線清洗，噴嘴噴射清洗的有效面積應(yīng)達(dá)到過濾器總通流面積30%以上；漸擴(kuò)噴嘴出口內(nèi)徑推薦取噴嘴進(jìn)口管內(nèi)徑的4倍，推薦噴嘴至過濾器表面的折算內(nèi)徑取值約為噴嘴進(jìn)口管內(nèi)徑的8倍。工程應(yīng)用時(shí)應(yīng)對(duì)噴嘴噴射的有效面積進(jìn)行通流核算，保證在線反清洗系統(tǒng)在各種極端工況下安全可靠運(yùn)行。