超濾系統設計的優化

謝 峰

(江蘇利港電力有限公司，江蘇 江陰 214444)

0 引言

超濾作為新興的反滲透預處理手段，在電力等行業的應用越來越廣[1～3]。相比較傳統的過濾方式，超濾系統更節能、更節省空間、更易擴展，而且出水水質更穩定。隨著超濾系統的使用實踐增多，越來越多的運行和維護經驗被總結，但同時也暴露出超濾設計中存在的一些問題。某電廠的超濾系統主要存在超濾給水泵選擇富裕量過大，超濾控制邏輯不合理、沒有設計離線清洗系統(CIP)等。通過優化設計，很好地解決了上述問題，保障超濾系統的安全經濟運行。

1 超濾設計情況

某電廠采用全膜法[4]為水處理工藝制取鍋爐補給水，該電廠的水源為長江水，水處理工藝流程為地表水→平流斜板沉淀池→超濾→一級反滲透→二級反滲透→電除鹽系統。超濾系統分為4套，每套36個膜組件，出力設計為95m3/h，實際運行中控制進水流量為95m3/h。膜元件型號是荷蘭norit SXL－225FSFC PVC。每套超濾系統設計一個電動慢開門用來控制超濾的進水流量，也起到防止啟動水錘的作用。4套超濾系統采用母管制并聯運行，設計3臺超濾給水泵和3臺反洗水泵，反洗水泵、超濾給水泵參數都為Q=240 m3/h H=55 m。超濾系統前面設計一個預熱器和自動清洗過濾器，預熱器在冬季和氣溫低時對超濾進水加熱，保證超濾進水溫度在20～25℃。自動清洗過濾器的過濾精度為100 μm，對超濾進水大顆粒物質進行預處理。

2 超濾給水泵的改造

表1為改造前超濾系統的運行參數。從運行參數可以看出，該超濾給水泵的揚程太高，運行中水泵的出口手動門、超濾進水電動門都處于嚴重節流狀態。對超濾給水泵改造，通常有兩種選擇:一是對超濾進水泵進行變頻改造:一是對超濾給水泵進行葉輪切割。根據該廠實際情況，選擇了對葉輪切割的方案。葉輪切割后的流量為4臺超濾的進水設計流量，設計流量為出力與回收率相比，超濾系統設計回收率為90%，總設計流量為422m3/h。切割后的揚程計算相對復雜，水泵的揚程應該是管道阻力和超濾系統各個設備在最大壓差情況下的阻力之和，通過4臺超濾運行的最大揚程為0.41MPa。而4臺超濾同時運行時，要求運行兩臺超濾給水泵，兩臺超濾給水泵并泵工作點就確定為Q=422 m3/h H=41m。假設兩臺超濾給水泵性能參數完全一樣 (實際會略有偏差)，單臺超濾給水泵在并泵情況下實際的工作參數為:Q=211 m3/h H=41m。根據葉輪切割公式:

式中:H為揚程，m;K為切割系數;Qv為水泵的流量，m3/s。

則K=41/(211/3 600)2=11 935，做切割拋物線如圖1。查圖1，Q=226 m3/h，H=46.5m，切割后葉輪尺寸計算公式為:

式中:Qv1，Qv2為水泵切割前后的流量，分別為226 m3/h，211 m3/h;D1，D2為水泵切割前后的葉輪直徑，D1為215 mm。

計算切割后葉輪的直徑為200.7 mm，水泵切割量為 (215－200.7)/215=6.64%。水泵的比轉數此時為ns=149。離心泵的最大切割量和比轉數的關系見表2。從表2可以看出，切割尺寸在最大允許切割量之內，實際葉輪最后切割后尺寸為205 mm，切割后的電流下降見表3。通過計算3臺水泵切割后，年節電130 000 kW左右。切割后超濾系統運行數據見表4。從表4看出，超濾水泵仍有切割的余地，這與切割計算的結果一致。

表1 超濾給水泵葉輪切割前超濾系統的運行參數Tab.1 Operational parameter of ultrafiltration system before the cutting for the impeller of feed pump of ultrafiltration system

圖1 超濾給水泵的切割計算Fig.1 Calculation on the cutting for the feed pump of the ultrafiltration system

表2 水泵的最大切割量和比轉數的關系Tab.2 Relation between the maximum cutting amount of feed pump and the specific speed

表3 超濾給水泵葉輪切割前后的電流對比Tab.3 Comparison of electric current between the pre-cutting and post-cutting of the impeller of feed pump of ultrafiltration

表4 超濾給水泵葉輪切割后超濾系統的運行參數Tab.4 Operational parameter for the ultrafiltration system after the cutting for the impeller of feed pump of ultrafiltration system

3 超濾系統控制邏輯的改造

超濾系統的在運行中，超濾給水泵經常因為振動大而檢修，解體檢查發現主要是軸承故障，更換軸承后能恢復正常，但很快振動就變大。一方面是泵設計選型有問題，與泵長期偏離工作點運行有關;還有一個更重要的原因是超濾給水泵在運行中頻繁啟停，4臺超濾同時運行的情況下要求啟動兩臺超濾給水泵，在控制邏輯中判斷當有3套或4套超濾運行，運行2臺超濾給水泵，當兩套或1套超濾運行就只啟動1臺超濾給水泵。超濾系統每28 min進行一次自動反洗，每次反洗時間只有30 s。此外每19.2 h進行一次加酸洗反洗 (CEB1)，時間約15 min，再隔18.2 h進行一次加堿或殺菌劑反洗 (CEB2)，時間約15 min，CEB1和CEB2為1個總循環過程，根據運行累計時間循環進行化學加強反洗。4套超濾運行不可避免的會碰到兩套超濾需要同時反洗，而設計上反洗管道和水泵是公用的，只允許1套超濾反洗。這樣需要反洗的超濾就進入備用等待狀態，直到正在反洗的超濾系統結束才開始反洗，這個時候程序會自動停運1臺超濾給水泵。常規反洗的超濾會在30 s內結束反洗而投運，超濾給水泵就會在30 s內又啟動運行。實際4套超濾同時運行，這種情況經常發生，超濾給水泵約運行10～30 min就要停運1次，停運后30 s內又立即啟動。頻繁啟停會因為啟停過程中軸向力的作用造成水泵軸承損壞，這是造成超濾給水泵故障頻繁的原因。防止超濾給水泵頻繁啟動，新的控制邏輯改為:

(1)當1套超濾在CEB狀態，只要不調用反洗水泵，其他超濾系統優先進行反洗。

(2)當1套超濾在反洗，其他超濾自動進入“運行等待”或“降流量運行等待”，最高等待時間為15 min，直到反洗超濾系統投運后再進行第二套反洗。

第一條件避免了長時間等待加藥反洗的情況，第二個條件保證了超濾排隊反洗時不停超濾給水泵。

4 超濾清洗系統的改造

如上所述超濾系統設計有反洗 (BW)和化學加強反洗 (CEB)系統，用來去除“污染物”，保證系統的過濾壓差。運行控制嚴格按照設計說明進行反洗和加藥反洗操作，但隨著運行時間增加，2010年左右，超濾的過濾壓差從運行初期的0.2MPa增加到0.5MPa，而且很難再通過BW和CEB方式恢復，通過增加在線清洗系統和清洗過濾壓差得以恢復[3]。

5 超濾系統的水錘控制

超濾系統進水泵和反洗水泵要求設計成變頻或軟啟動方式，這樣可以防止水錘沖擊造成超濾膜絲斷裂。該廠的4套超濾為母管制。其中1號超濾離母管最近，超濾運行3年后每年都發現1號超濾的中間連接接頭損壞。對超濾的進水過程和反洗過程中超濾的進、出水 (反洗排水、進水)壓力進行觀察，超濾正常啟動和反洗啟動過程中壓力都是平穩上升，這說明進水慢開門設計和反洗軟啟動設計，可以很好地解決啟動和反洗過程中的水錘問題。壓力劇烈變化主要發生在超濾反洗時刻。當超濾系統反洗的時候，由于超濾給水泵的頻繁啟停，造成其他的超濾系統進水壓力變化，靠近超濾進水母管前端的超濾系統受到的影響最大，在超濾膜端頭間隙偏大情況下，水錘的沖擊作用破壞了中間連接接頭。通過控制超濾給水泵頻繁啟停并調整超濾組件端接頭間隙，該情況能得到明顯控制。

6 結論

(1)超濾設計應仔細核算超濾系統進水壓力參數，合理的揚程設計不僅可以節省大量電能，而且能使超濾給水泵運行更加平穩。

(2)多套超濾系統設計時，控制邏輯上要避免超濾給水泵頻繁啟停情況，在多套超濾母管制并列運行的設計中，不僅可以減少水泵檢修費用，而且可以減少水錘對超濾膜元件和連接部件的損壞。

(3)地表水超濾系統應設計在線清洗系統。