三門核電一期工程板框式旋轉濾網(wǎng)選型淺析

摘要：板框式旋轉濾網(wǎng)是三門核電循環(huán)冷卻水的主要過濾設備，用于清除循環(huán)冷卻水中的水生生物及雜物，為機組的穩(wěn)定運行提供有力保證。板框式旋轉濾網(wǎng)有不同的種類，選擇適合的旋轉濾網(wǎng)，對核電站至關重要。文章介紹了板框式旋轉濾網(wǎng)的分類和特點，對三門核電是如何選擇旋轉濾網(wǎng)進行了分析，并探討了三門核電板框式旋轉濾網(wǎng)的一些主要參數(shù)的確定，旨在加強對板框式旋轉濾網(wǎng)的認知。

關鍵詞：核電工程；板框式旋轉濾網(wǎng)；無框架型；沖洗水量；電機功率

中圖分類號：TM621文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）21-0059-04

1概述

三門核電站是全球首臺采用AP1000技術的核電站，三門核電站的建設將為中國采用AP1000技術的核電站提供寶貴的經(jīng)驗。三門核電站利用三門灣海水作為最終冷源來冷卻凝汽器（凝汽器是將汽輪機排汽冷凝成水的裝置）。海水在作為冷卻水之前，需要過濾掉海水中的水生生物和雜物，防止設備堵塞，所以海水過濾系統(tǒng)是核電站可靠運行的重要安全屏障，是核電站重要的輔助系統(tǒng)。核電站海水過濾系統(tǒng)由粗格柵、閘門、細格柵、濾網(wǎng)和濾網(wǎng)清洗裝置構成。其中濾網(wǎng)是對海水最主要的過濾裝置。濾網(wǎng)分為鼓型濾網(wǎng)和板框式旋轉濾網(wǎng)。鼓型濾網(wǎng)外形尺寸較大，設備重量大，需要更大的土地面積，以及更復雜的土建基礎。板框式旋轉濾網(wǎng)有占地面積小，土建費用低，設備加工制作相對簡單的優(yōu)勢。鼓型濾網(wǎng)和板框式旋轉濾網(wǎng)在國內的其他一些核電機組都是有成功的使用經(jīng)驗的。主要由于地理因素，三門核電站沒有選用鼓型濾網(wǎng)，而選用了板框式旋轉濾網(wǎng)。板框式旋轉濾網(wǎng)按進水方式分為正面進水和側面進水型。側面進水型又分為內進外出與外進內出兩種。板框式旋轉濾網(wǎng)按水室結構分為有框架和無框架。如何選擇一種適合三門核電站運行的板框式旋轉濾網(wǎng)是非常重要的，也是有一定難度的。本文主要對比介紹了不同類型的板框式旋轉濾網(wǎng)的特點，說明三門核電是如何選擇側面進水型（外進內出）全框架式旋轉濾網(wǎng)的，以及三門核電旋轉濾網(wǎng)的一些主要參數(shù)的確定。

2旋轉濾網(wǎng)簡介

2.1用途

板框式旋轉濾網(wǎng)一般安裝在原水（海水、淡水）取水口，用于連續(xù)、高效地攔截及去除原水中的水生生物及雜物，為循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中的主要攔污設備，可以有效地保護水泵、熱交換器，以及其他關鍵設備。板框式旋轉濾網(wǎng)主要應用于核電站和火力發(fā)電站，作為一級處理及水泵保護設備。

2.2結構特點及工作原理

板框式旋轉濾網(wǎng)通常由上部機架及罩殼、主軸裝配、傳動系統(tǒng)、框架與軌道、鏈條與網(wǎng)板、沖洗系統(tǒng)、過載保護裝置、鏈條伸長報警裝置及電氣控制等部分組成。通常，網(wǎng)片采用編織網(wǎng)（或沖孔網(wǎng)），用螺栓固定在網(wǎng)框上，網(wǎng)框的兩端通過螺栓連接在兩條重載傳動鏈上，相鄰鏈條間裝有滾輪、銷軸及軸套，滾輪在框架上的軌道上運行。框架分節(jié)制造，以便于運輸及安裝。

網(wǎng)板與框架之間的密封通常是通過鏈條網(wǎng)板側的弧形密封板來實現(xiàn)。在網(wǎng)孔尺寸較小的濾網(wǎng)中可采用接觸密封。靠近后水室墻側的框架上通常裝有密封板，可與后水室墻上的密封角鋼形成有效密封。

旋轉濾網(wǎng)的驅動形式通常有兩種：一種是由軸裝式減速機驅動。通常采用雙繞組雙速電機。在小型濾網(wǎng)中也可采用單速電機。兩級蝸輪蝸桿減速器直接安裝在濾網(wǎng)主軸上。滑動支座可將力矩轉移到頂部框架或平臺上；另一種是電機輸出的動力通過行星擺線針輪減速機和鏈傳動的方式傳輸給主軸。

當濾網(wǎng)旋轉時，在網(wǎng)板外收集的污物被提升到操作平臺上，并被沖洗到排污槽或排水溝中。

2.3分類及對比

旋轉濾網(wǎng)按進水方式分為正面進水和側面進水型。側面進水型又分為內進外出與外進內出兩種。旋轉濾網(wǎng)按水室結構分為有框架和無框架。

圖1正面進水型 圖2網(wǎng)外進水

網(wǎng)內出水型 圖3網(wǎng)內進水

網(wǎng)外出水型

2.3.1正面進水型與側面進水型板框式旋轉濾網(wǎng)的比較。

所謂的“污物夾帶”問題：

對于“正面進水”型旋轉濾網(wǎng)。污水由單側垂直網(wǎng)面進入濾網(wǎng)網(wǎng)室，然后直接通過另一側網(wǎng)面流出網(wǎng)室。由于不可能對污物100%沖洗干凈，同時也可能存在著沖洗水系統(tǒng)中沖洗噴嘴的間或阻塞，這就使“污物夾帶”成為一個事實。此種結構在過濾的過程中將污物帶到凈水一側的現(xiàn)象嚴重。為了更好地去除污物，有時不得不在正面進水型板框濾網(wǎng)的下級側加設沖洗設備。

對于側面進水型旋轉濾網(wǎng)。污水由外而內（由內而外）從兩側（中間）網(wǎng)面進入網(wǎng)室，再由一端（兩側網(wǎng)面）的出水口流出網(wǎng)室。污物被攔截在網(wǎng)室外側（內側），集污槽設在網(wǎng)室的外側（內側）。沖洗水系統(tǒng)設在網(wǎng)室的內側（外側）。網(wǎng)板的污物收集側始終處于進水室中。沖洗系統(tǒng)沒有去除的污物不會被攜帶入過濾后的干凈水中。該種形式基本無“污物夾帶”現(xiàn)象。

2.3.2內進外出與外進內出型的比較。

表2?內進外出與外進內出型的優(yōu)缺點對比

優(yōu)點 缺點

內進外出型 所需的沖洗水壓力小，對沖洗水泵的要求較低。 1.集污結構設置在網(wǎng)室內側，觀察不方便；

2.污物易堆積在濾網(wǎng)內部，不便于對污物的清洗。

外進內出型 被截留的污物更容易清除和檢查。 所需的沖洗水壓力較大，對沖洗水泵要求較高。

2.3.3?無框架與全框架式旋轉濾網(wǎng)的比較。

表3?無框架與全框架式旋轉濾網(wǎng)優(yōu)缺點對比

優(yōu)點 缺點

無框架 1.有效過水面積較大；

2.成本較低。 1.名義寬度3m以上的無框架旋轉濾網(wǎng)的網(wǎng)框承載能力較差；

2.對土建施工質量要求較高；

3.不便于維修。

全框架 1.名義寬度3m以上的全框架旋轉濾網(wǎng)的網(wǎng)框承載能力較好；

2.安裝及維護簡單；

3.水室渠道的設計減少了土建施工量，無需精確調整已預埋的部件。 1.有效過水面積較小；

2.成本較高。

3三門核電旋轉濾網(wǎng)的選型

三門核電一期工程2×1250MW機組循環(huán)冷卻水系統(tǒng)采用海水直流供水系統(tǒng)，每臺1250MW機組配兩臺循環(huán)水泵，每臺循泵配兩個進水流道，每個進水流道內各設置1臺旋轉濾網(wǎng)，一期工程共8臺。旋轉濾網(wǎng)布置在循泵房露天的進水間內，用以清除水源中較小污物。每兩臺濾網(wǎng)配一臺沖洗水泵，設在旋網(wǎng)后側，直接從進水流道中吸水升壓后供旋網(wǎng)沖洗用。正常工作時，循泵房無人值班，定期巡視檢查，旋轉濾網(wǎng)及沖洗水泵根據(jù)旋網(wǎng)前后水位差信號自動運行或定時運行，也可由機組DCS（分散控制）系統(tǒng)和就地控制箱人工操作，所有運行狀態(tài)、報警信號均可通過DCS系統(tǒng)集中監(jiān)控。旋轉濾網(wǎng)前設有直立式攔污柵，用以清除水源中粗大污物，攔污柵前設有液壓鋼閘門供檢修用。

3.1正面進水和側面進水的選擇

在板框濾網(wǎng)后受保護的設備的造價都十分昂貴，且核電站每天的產(chǎn)出是巨額的。一旦板框濾網(wǎng)保護失效，損失將十分慘重，因此板框濾網(wǎng)設計的最初目的就是有效去除可能到達泵、冷凝器、熱交換器及其他重要設備的污物。前述已提到正面進水型旋轉濾網(wǎng)存在“污物夾帶”問題，污物可直接進入濾網(wǎng)下游側，易對下游設備造成堵塞。而側面進水型旋轉濾網(wǎng)污物與凈水始終被隔離在網(wǎng)片兩側，基本不存在“污物夾帶”問題。

三門核電一期工程循泵房操作平臺標高為+10.80m，濾網(wǎng)腔室底標高-17.62m，設計低水位為-6.825m，設計最大過水量為19.42m3/s。經(jīng)計算，如采用正面進水式旋轉濾網(wǎng)，濾網(wǎng)的名義寬度將達到6m左右。對于結構尺寸又寬又長的板框濾網(wǎng)，受設計水位差的限制，其結構尺寸的增大（重量隨之增大）將嚴重加大濾網(wǎng)正常的損耗率。同時，其驅動電機功率也急劇增大，不利于旋轉濾網(wǎng)的平穩(wěn)運轉（尤其是在高速運行狀態(tài)下）。如采用側面進水型旋轉濾網(wǎng)，濾網(wǎng)名義寬度達到3.5m即可滿足設計要求，同時相關的濾網(wǎng)驅動電機功率、水泵電機功率、流量等參數(shù)的選取均較正面進水型旋轉濾網(wǎng)低很多，性價比較高。

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綜合分析，側面進水式旋轉濾網(wǎng)在安全性能和經(jīng)濟上更具競爭力。因此，三門核電選擇了側面進水式旋轉濾網(wǎng)。

3.2網(wǎng)內進水網(wǎng)外出水型與網(wǎng)外進水網(wǎng)內出水型旋轉濾網(wǎng)的選擇

采用側面進水式旋轉濾網(wǎng)，許多重的污物可能穿過濾網(wǎng)前的格柵進入濾網(wǎng)間，既不能被網(wǎng)板收集，也不能由撈污斗提升到地面。如果采用網(wǎng)內進水網(wǎng)外出水型板框濾網(wǎng)，污物堆積在濾網(wǎng)內部，牽涉到進入濾網(wǎng)內側進行污物清洗，需在濾網(wǎng)內部加設檢修梯子、平臺，以克服上述問題。而采用網(wǎng)外進水網(wǎng)內出水型板框濾網(wǎng)，污物積留在水室中（濾網(wǎng)外側），并不干涉濾網(wǎng)的運行。同時，與網(wǎng)外進水網(wǎng)內出水型板框濾網(wǎng)相比，網(wǎng)內進水網(wǎng)外出水型板框濾網(wǎng)的污物更易卷入鏈條及密封裝置中。

如果采用網(wǎng)內進水網(wǎng)外出水型板框濾網(wǎng)，污水以較高的流速進入濾網(wǎng)內部，易在濾網(wǎng)內形成渦流，降低了過濾效率。懸浮污物對鏈條、網(wǎng)板產(chǎn)生沖擊，易造成磨損。同時，在出水口處易引起渦流，需提供更長的渠道，增加了土建施工量。而采用網(wǎng)外進水網(wǎng)內出水型板框濾網(wǎng)，盡管通過出水口的流速較高，但其出水口后有相對平穩(wěn)的渠道，在抵達泵及其下游設備時，速度已下降。

此外，由于圓弧嚙合式網(wǎng)框強度及剛度性能較強，因此采用了圓弧嚙合式網(wǎng)框。目前這種網(wǎng)框在外進內出型旋網(wǎng)上應用的最為廣泛。

綜上，三門核電選擇旋網(wǎng)的進水方式為外進內出型。

3.3無框架型與全框架型的選擇

三門核電旋轉濾網(wǎng)的工作介質為海水，大修周期為4年，其使用壽命要求不低于30年。由于旋轉濾網(wǎng)的軌道長期浸泡在海水中，隨著海水潮位的漲落，軌道始終處于干濕交替變化的狀態(tài)，軌道的防腐性能要求較高。同時，鏈條滾輪在軌道上運行對軌道會產(chǎn)生一定的磨蝕。綜合考慮腐蝕和磨蝕兩個因素，如果采用無框架式，軌道直接二次預埋在基礎中，在60年使用周期中一旦出現(xiàn)損壞或腐蝕，只能停機更換軌道，費時較長（需拆除軌道、清理水室、更換新軌道、校直、灌漿、固定等）。而采用全框架式，一旦軌道出現(xiàn)破壞或腐蝕，可將全框架式濾網(wǎng)分節(jié)或整機吊出水室進行維修或更換，重新安裝時可一步到位，無需二次灌漿，十分便捷。此外，在土建施工和安裝方面，對于無框架式旋轉濾網(wǎng)，鏈輪軌道直接安裝在基礎墻上，需要上游側的土建基礎墻的尺寸十分精確，以確保軌道的正確安裝，同時在安裝和裝配時需十分小心和仔細，以確保軌道間距離及軌道的直線度符合設計的要求。在軌道安裝結束后還需現(xiàn)場校對主軸裝配及驅動機構。而全框架式旋轉濾網(wǎng)的軌道在出廠前已在制造廠內進行了校對、檢查，同時主軸裝配及驅動機構部分全部裝配在頂部框架中，已在制造廠內經(jīng)過精確調整，因此在現(xiàn)場的安裝相對簡單。

因此，從核電廠的安全連續(xù)運行及施工角度考慮，三門核電選擇了全框架式旋轉濾網(wǎng)。

綜上分析，三門核電選擇的是全框架側面進水型板框式旋轉濾網(wǎng)，水流為網(wǎng)外進水網(wǎng)內出水，型號為XKC3500。該旋轉濾網(wǎng)主要由框架（包括上、中、下段）、鏈條與網(wǎng)板、驅動與傳動系統(tǒng)、沖洗管路、安全保險裝置等部分組成。受電機驅動，運輸鏈條帶動用螺栓與之相連接的網(wǎng)板，作自下而上的移動。利用網(wǎng)板攔截網(wǎng)前水流中的污物，提到地面（零米層）以上，污物靠自重下落和壓力沖洗，將網(wǎng)板上的污物沖入沖渣槽內，從而達到過濾水質的目的。

圖4三門核電旋轉濾網(wǎng)結構示意圖

4三門核電旋轉濾網(wǎng)主要參數(shù)及特性

4.1三門核電XKC3500旋轉濾網(wǎng)參數(shù)簡介

表4?三門核電XKC3500旋轉濾網(wǎng)參數(shù)簡介

序號 名稱 單位 數(shù)值

1 名義尺寸 mm 3500

2 最大深度 m 28.42

3 網(wǎng)孔凈尺寸 mm 2 6.3×6.3

4 網(wǎng)板上升速度 m/min 3.76/1.88

5 設計過網(wǎng)流速（100%清潔） m/s 0.8

6 運行啟動水位差 mm 200

7 報警水位差 mm 400

8 網(wǎng)板設計允許水位差 mm 1500

9 每米淹沒深度過水流量 m3/s 2.15

10 電機功率 KW 5/7.5

11 一臺濾網(wǎng)沖洗水量 m3/h 180

4.2電機功率的確定

在最高設計水位下，當水位差600mm時，經(jīng)計算提升網(wǎng)板所需圓周力P=102.1kN（由于這里主要說明的是電機功率的計算過程，該圓周力的計算過程在此不作表述）。網(wǎng)板以3.76m/min（0.063m/s）高速上升時，所需的電機功率；網(wǎng)板以1.88m/min（0.031m/s）低速上升時，所需的電機功率。

因此，設備制造廠選擇的5/7.5kW的電機功率應該是滿足要求的。

4.3一臺濾網(wǎng)沖洗水量的確定

計算公式為Q=CdA

式中：

Cd——孔口流量系數(shù)，一般為0.54～0.71

A——孔口面積（m2），約0.002m2

H——噴口處的水頭（m），50m

則：Q=0.71×0.002×=0.045m3/s=162m3/h

因此，設備制造廠選擇的180m3/h的沖洗水量應該是滿足要求的。

4.4設備材料選擇

框架及導軌采用的材料是316L。設備制造廠送316L和3Cr13樣品給某材料研究所進行耐人造海水、中性鹽霧腐蝕性能測試。經(jīng)檢驗分析得出結論：316L耐蝕性較好，在陽極極化曲線部分均出現(xiàn)明顯的鈍化區(qū)間，抑制了電化學腐蝕過程；3Cr13耐蝕性較差，腐蝕電位偏低，在陽極極化曲線部分未出現(xiàn)明顯的鈍化區(qū)間。

4.5設備的主要特性

4.5.1將上部鏈輪組中的傳動鏈條的型號由通常的20A改為32A，以增大鏈條的拉伸載荷。

4.5.2由于在海水中，3Cr13相對耐腐蝕性較差，鏈條部分的銷軸材質由3Cr13改為316L。

4.5.3在網(wǎng)板的中部設置中道滾輪組，使網(wǎng)板的跨距變小，增強網(wǎng)板的設計強度及剛度。

4.5.4在鏈條松動報警裝置拉桿上增設保護套，以防止旋網(wǎng)進水側由于水流的沖擊而產(chǎn)生誤報警。

5結語

三門核電目前正在建設中，尚未并網(wǎng)發(fā)電。因此在三門核電，這種側面進水型（外進內出）全框架式旋轉濾網(wǎng)的使用效果還沒有得到驗證。但是，這種側面進水型（外進內出）全框架式旋轉濾網(wǎng)在國內的一些核電機組是有成功的先例的，其中包括秦山和田灣核電的某些機組，并且其主要參數(shù)是經(jīng)過嚴格計算確定的。因此，有理由相信這種側面進水型（外進內出）全框架式旋轉濾網(wǎng)將在三門核電將發(fā)揮穩(wěn)定作用。

參考文獻

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作者簡介：杜旭（1984-），男，中核集團三門核電有限公司助理工程師，研究方向：機械設備采購及監(jiān)造。

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