工業用反沖洗濾水器設計及日常維護

劉紅旺，孫文慧

（天津水科機電有限公司，天津 301900）

1 概述

濾水器產品廣泛用于化工、印染、造紙、鋼鐵等行業的供用水管道上，主要適用于DN500 mm 以下的管道，可代替二次濾網，節約開支；在水電站技術供水、冷卻水和主軸密封水系統中，濾水器用于過濾水中較小的雜質，起到防止管道堵塞和保護用水設備等作用，是不可缺少的設備之一。根據《中國小水電行業“十四五”規劃及未來發展趨勢預測報告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濟和社會發展第十四個五年規劃和2035 年遠景目標綱要》明確提出，要“加快抽水蓄能電站建設和新型儲能技術規模化應用”,國家電網公司發布“十四五”期間新增開工2 000 萬kW 以上裝機、1 000 億元以上投資規模的抽水蓄能電站。濾水器作為機組水系統中的設備之一，在發電機組安全運行中起著至關重要的作用，直接關系到機組技術供水、冷卻水、主軸密封水的水質。反沖洗濾水器在水電站設備改造中發揮著積極的作用，可滿足機組各軸承冷卻器對水質的要求，提高了機組冷卻水供給的可靠性，特別是在汛期機組滿負荷、長周期運行，入庫流量大，水質差，水系統中水質的保障對機組經濟可靠運行和安全發供電至關重要。

2 設計思路

近年來，濾水器市場方面用戶需求首選性能優勢，同時提出了檢修次數少、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品低的需求。現今反沖洗過濾器由于反沖洗機構在電機的帶動下連續轉動，反沖洗機構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，長時間運行情況下容易堵塞濾芯及減少濾芯使用壽命。接近開關是一種無需與運動部件進行機械直接接觸而可以操作的位置開關，將接近開關應用到反沖洗濾水器中，可實現濾水器單個濾網的深度沖洗排污，并根據現場的水質情況，設定定點保持的時間和清洗排污時間間隔，使得濾網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。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計，罐體采用圓筒體型，具有結構緊湊、濾網清洗免解體，檢修便捷、安裝方式多樣等特點；采用圓臺形濾網、交替布置，反沖洗過程中通過定位沖洗和在排污口增加節流片的方式達到節流降損的效果。

3 內部結構特點及原理

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、沖洗電機、電動閥門、測壓系統和控制系統等部分組成。濾水器進水方式為下進水、上出水，濾芯采用多筒單元濾網結構，清污采用反沖洗機構中的排污叉管旋轉對準1～2 個單元濾網反沖洗，循環逐個反沖洗各個單元濾網筒。主要結構特點：①圓筒體型、結構緊湊、濾網清洗免解體，檢修便捷、安裝方式多樣；②圓臺形濾網、交替布置，反沖洗形式，節流降損；③自動控制系統自動診斷、自動定位排污。

濾水器罐體內腔分為上、下兩腔，由中間的橫隔板隔開，上腔內配有多個過濾芯，為凈液腔；下腔內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，濁液進入過濾器下腔，經各單元濾芯的下入口進入濾芯內部；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。設計上吸取了國外濾水器結構緊湊、定位沖洗的優點，又根據國內水質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構外形圖

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，且模型參數如下：

材質：304 不銹鋼

使用溫度：常溫

工作介質：水

口徑：DN150

公稱壓力：1.6 MPa

筒體內徑：300 mm

設計溫度下DN150 濾水器厚度計算過程如下：

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

式中：Di——圓筒或球殼的內直徑，mm；

pc——公稱壓力，MPa；

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

δ——計算厚度，mm；

φ——焊接接頭系數（按GB 150.1）。

DN150濾水器設計內直徑Di為300mm；計算壓力pc為1.6 MPa；許用應力[σ]t鋼板許用應力和所用鋼材為304 不銹鋼，[σ]t為137MPa；選擇焊接接頭系數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）適合計算設計溫度下DN150 濾水器厚度，可得出：

設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為水，根據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。所以設計厚度p=δ+1=2.075+1=3.075 mm。實際生產中DN150 濾水器采用厚度為6～8 mm 的不銹鋼304 鋼板，滿足濾水器的設計要求。

4.2 濾網有效過濾面積計算

根據NB/T 35035-2014《水力發電廠水力機械輔助設備系統設計技術規定》和DL/T 1858-2018《水電廠自動濾水器技術條件》的規定“濾水器內水的過網流速不宜大于0.5 m/s"，而供水管內流速一般為1.0 m/s～3.0 m/s，因此，濾水器內部濾網有效過濾面積為進水口面積的6 倍及以上即可滿足規定要求。濾網有效過濾面積計算如下：

S=πDh×k×n

式中：D為濾網內徑，h為濾網高度，k為有效過濾比系數，n為濾網數量。

5 控制系統簡介

濾水器控制系統由可編程控制器PLC、空氣開關、接觸器、中間繼電器、換開關、指示燈、接線端子等組成。系統以可編程控制器PLC 為核心，具有自診斷功能，可通過現地的控制開關、信號燈等設備對系統進行操作和監視，保證系統正常運行。濾水器工作流程見圖2 所示。

圖2 濾水器工作流程

控制系統首次送電的相序判斷：

（1）通過轉動排污閥手柄，將排污閥門轉至中間位置。

（2）確認控制箱的“運行方式切換開關”在“停止”位置。

（3）合上控制箱的空氣開關，給控制箱送電。

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

6 故障排查及日常維護

單元式緊湊型反沖洗濾水器投運前及日常檢修維護中應檢查：

（1）確認濾水器測量管路連接正確、無泄漏，測壓管路旋塞閥開啟。

（2）確認濾水器控制箱內部接線正確、絕緣良好。

（3）確認濾水器控制箱與沖洗電機、排污電機及差壓開關連接正確。

（4）用手柄轉動排污閥，確認其無卡阻現象。

（5）將沖洗電機的“切換手柄”按箭頭方向推動，連續轉動沖洗電機的手輪，保證連續轉動10 圈以上，確認其無卡阻現象。

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 結語

隨著我國工業用水重復利用率的有待提升和十四五期間水利水電行業規劃，可看出濾水器市場前景廣闊。工業濾水器作為技術供水系統中的一部分，影響著工業技術供水系統運行的穩定與否，將直接影響到系統設備的安全運行。從國家“十三五”到“十四五”水電規劃，水電行業濾水器市場需求量有增無減，濾水器產品在工業中的廣泛使用節約了大量的水資源，產品的系列化開發及使用為其他行業供水系統中水過濾產品的采購提供多種選擇，實現社會效益、經濟效益相結合，實現了環境效益的提升。