陳兵兵

(河南省電力勘測設(shè)計院， 鄭州 450007)

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，能源問題成為制約經(jīng)濟發(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，為了提高泵組的運行效率，逐步開始使用全容量泵組，即配置一臺100%容量的泵組，取消備用泵[2-3]，但在長周期運行時，入口濾網(wǎng)無法清洗[4]，嚴(yán)重時會影響泵組的正常運行，甚至跳泵跳機，尤其在新建項目投運初期和項目大修改造后該情況更為突出。

為解決單泵運行中清洗過濾器的問題，目前主要采用在水泵進口處設(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，不利于泵組的安全可靠運行。因此，針對全容量單列泵組在運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重要缺陷，即單列給水泵配置的前置泵進口濾網(wǎng)長期運行，若濾網(wǎng)堵塞會增加低壓給水阻力，泵入口發(fā)生汽蝕的可能性增加，不利于泵的安全運行。

1.1 系統(tǒng)配置

筆者所提出的一種實時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)功能的電動閥，噴水支管上設(shè)置電動閥，每個支管為濾網(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濾網(wǎng)進行反清洗，噴水壓力應(yīng)高于濾網(wǎng)主流壓力，因此對在線濾網(wǎng)反清洗系統(tǒng)的運行應(yīng)進行合理地控制，否則易引起給水泵入口壓力波動，造成泵發(fā)生汽蝕，嚴(yán)重危及給水泵的運行。系統(tǒng)運行時需要在開啟噴水母管電動閥后，開啟排污閥，排污閥應(yīng)盡量調(diào)整到對主流影響最小的開度，減小在線反清洗濾網(wǎng)過程中對流體流動主流的影響；隨后開啟支管上的噴水閥，支管上的噴水閥每次沖洗時只能開啟一路，避免多路支管同時向濾網(wǎng)中噴射沖洗水；每個沖洗接管配置漸擴噴嘴，沖洗水通過漸擴噴嘴后，沖洗流速增加、清洗面積擴大后噴射至濾網(wǎng)濾芯表面，將濾網(wǎng)孔隙中的固體顆粒沖出，達到在線清洗目標(biāo)。另外，濾網(wǎng)進出口處設(shè)置壓差開關(guān)，實時監(jiān)測濾網(wǎng)前后壓差的變化，保證濾網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。

1.2 過濾器配置

設(shè)置過濾器在線反清洗系統(tǒng)應(yīng)對過濾器結(jié)構(gòu)進行相關(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)流動特性及堵孔率等不同應(yīng)等距間隔設(shè)置多個沖洗水管(見圖3)。每個沖洗水管連接一個噴管，以某工程為例估算，每個噴頭面積約為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)的噴嘴會因沖洗面積太小，難以達到清洗效果。為了獲得較好的清洗效果，擴大沖洗面積，沖洗水源采用高壓沖洗水，噴管上設(shè)置漸擴噴嘴(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)計選型

2.1 過濾器設(shè)計選型

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，保護設(shè)備的正常工作。當(dāng)流體進入置有一定規(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，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到有效疏通過濾器的目的，噴射有效面積確定時推薦考慮10%的設(shè)計裕量；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，固體顆粒會被層層壓實，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，為實現(xiàn)對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)計選型

為擴大沖洗面積，噴管上設(shè)置漸擴噴嘴，具體見圖5。

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

圖5 噴嘴計算模型

噴嘴進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。

對噴嘴進出口截面建立質(zhì)量守恒有：

(6)

對式(6)而言，噴嘴進口處流體流速按GB 50764—2012 《電廠動力管道設(shè)計規(guī)范》中關(guān)于流速的要求，取2.0～3.5 m/s。為降低噴水壓力對過濾器主流的影響，噴嘴出口處流體流速不宜太高，為實現(xiàn)有效清洗，一般控制流速在40～60 m/s；經(jīng)過初步估算，漸擴噴嘴出口內(nèi)徑約為噴嘴進口管內(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口處壓力；噴嘴進口處流體壓力應(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噴水壓力影響流動，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，綜合分析計算并結(jié)合工程實際，推薦噴嘴至過濾器表面的折算內(nèi)徑取為噴嘴進口管內(nèi)徑的8倍，其表達式為：

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超超臨界機組為例，進行說明。機組采用型號為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，設(shè)置1臺全容量的汽動給水泵組，汽動給水泵組的給水前置泵與主泵不同軸，電動機驅(qū)動，前置泵布置在主廠房 0 m，汽動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)驗算，過濾器筒體上噴嘴布置層數(shù)為9層總計59個噴嘴，自過濾器端蓋開始向上布置，第1～4層每層布置8個噴嘴共計32個，第5層布置7個噴嘴，第6～9層每層布置5個噴嘴共計20個。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)以上計算參數(shù)，噴嘴進口管內(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 通流驗算

為驗證過濾器噴嘴設(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)定可靠運行。

4 結(jié)語

筆者針對火電機組全容量單列配置泵組在運行過程中過濾器堵塞的問題，提出一種實時可控的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)置多個沖洗水管，噴管上設(shè)置漸擴噴嘴。

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