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(yù)處理手段，在電力等行業(yè)的應(yīng)用越來越廣[1～3]。相比較傳統(tǒng)的過濾方式，超濾系統(tǒng)更節(jié)能、更節(jié)省空間、更易擴(kuò)展，而且出水水質(zhì)更穩(wěn)定。隨著超濾系統(tǒng)的使用實(shí)踐增多，越來越多的運(yùn)行和維護(hù)經(jīng)驗(yàn)被總結(jié)，但同時(shí)也暴露出超濾設(shè)計(jì)中存在的一些問題。某電廠的超濾系統(tǒng)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(shè)計(jì)離線清洗系統(tǒng)(CIP)等。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，很好地解決了上述問題，保障超濾系統(tǒng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

1 超濾設(shè)計(jì)情況

某電廠采用全膜法[4]為水處理工藝制取鍋爐補(bǔ)給水，該電廠的水源為長(zhǎng)江水，水處理工藝流程為地表水→平流斜板沉淀池→超濾→一級(jí)反滲透→二級(jí)反滲透→電除鹽系統(tǒng)。超濾系統(tǒng)分為4套，每套36個(gè)膜組件，出力設(shè)計(jì)為95m3/h，實(shí)際運(yùn)行中控制進(jìn)水流量為95m3/h。膜元件型號(hào)是荷蘭norit SXL－225FSFC PVC。每套超濾系統(tǒng)設(shè)計(jì)一個(gè)電動(dòng)慢開門用來控制超濾的進(jìn)水流量，也起到防止啟動(dòng)水錘的作用。4套超濾系統(tǒng)采用母管制并聯(lián)運(yùn)行，設(shè)計(jì)3臺(tái)超濾給水泵和3臺(tái)反洗水泵，反洗水泵、超濾給水泵參數(shù)都為Q=240 m3/h H=55 m。超濾系統(tǒng)前面設(shè)計(jì)一個(gè)預(yù)熱器和自動(dòng)清洗過濾器，預(yù)熱器在冬季和氣溫低時(shí)對(duì)超濾進(jìn)水加熱，保證超濾進(jìn)水溫度在20～25℃。自動(dòng)清洗過濾器的過濾精度為100 μm，對(duì)超濾進(jìn)水大顆粒物質(zhì)進(jìn)行預(yù)處理。

2 超濾給水泵的改造

表1為改造前超濾系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)。從運(yùn)行參數(shù)可以看出，該超濾給水泵的揚(yáng)程太高，運(yùn)行中水泵的出口手動(dòng)門、超濾進(jìn)水電動(dòng)門都處于嚴(yán)重節(jié)流狀態(tài)。對(duì)超濾給水泵改造，通常有兩種選擇:一是對(duì)超濾進(jìn)水泵進(jìn)行變頻改造:一是對(duì)超濾給水泵進(jìn)行葉輪切割。根據(jù)該廠實(shí)際情況，選擇了對(duì)葉輪切割的方案。葉輪切割后的流量為4臺(tái)超濾的進(jìn)水設(shè)計(jì)流量，設(shè)計(jì)流量為出力與回收率相比，超濾系統(tǒng)設(shè)計(jì)回收率為90%，總設(shè)計(jì)流量為422m3/h。切割后的揚(yáng)程計(jì)算相對(duì)復(fù)雜，水泵的揚(yáng)程應(yīng)該是管道阻力和超濾系統(tǒng)各個(gè)設(shè)備在最大壓差情況下的阻力之和，通過4臺(tái)超濾運(yùn)行的最大揚(yáng)程為0.41MPa。而4臺(tái)超濾同時(shí)運(yùn)行時(shí)，要求運(yùn)行兩臺(tái)超濾給水泵，兩臺(tái)超濾給水泵并泵工作點(diǎn)就確定為Q=422 m3/h H=41m。假設(shè)兩臺(tái)超濾給水泵性能參數(shù)完全一樣 (實(shí)際會(huì)略有偏差)，單臺(tái)超濾給水泵在并泵情況下實(shí)際的工作參數(shù)為:Q=211 m3/h H=41m。根據(jù)葉輪切割公式:

式中:H為揚(yáng)程，m;K為切割系數(shù);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(jì)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(jì)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(zhuǎn)數(shù)此時(shí)為ns=149。離心泵的最大切割量和比轉(zhuǎn)數(shù)的關(guān)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(nèi)，實(shí)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(jì)算3臺(tái)水泵切割后，年節(jié)電130 000 kW左右。切割后超濾系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)見表4。從表4看出，超濾水泵仍有切割的余地，這與切割計(jì)算的結(jié)果一致。

表1 超濾給水泵葉輪切割前超濾系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)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(jì)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(zhuǎn)數(shù)的關(guān)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(duì)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(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)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(tǒng)控制邏輯的改造

超濾系統(tǒng)的在運(yùn)行中，超濾給水泵經(jīng)常因?yàn)檎駝?dòng)大而檢修，解體檢查發(fā)現(xiàn)主要是軸承故障，更換軸承后能恢復(fù)正常，但很快振動(dòng)就變大。一方面是泵設(shè)計(jì)選型有問題，與泵長(zhǎng)期偏離工作點(diǎn)運(yùn)行有關(guān);還有一個(gè)更重要的原因是超濾給水泵在運(yùn)行中頻繁啟停，4臺(tái)超濾同時(shí)運(yùn)行的情況下要求啟動(dòng)兩臺(tái)超濾給水泵，在控制邏輯中判斷當(dāng)有3套或4套超濾運(yùn)行，運(yùn)行2臺(tái)超濾給水泵，當(dāng)兩套或1套超濾運(yùn)行就只啟動(dòng)1臺(tái)超濾給水泵。超濾系統(tǒng)每28 min進(jìn)行一次自動(dòng)反洗，每次反洗時(shí)間只有30 s。此外每19.2 h進(jìn)行一次加酸洗反洗 (CEB1)，時(shí)間約15 min，再隔18.2 h進(jìn)行一次加堿或殺菌劑反洗 (CEB2)，時(shí)間約15 min，CEB1和CEB2為1個(gè)總循環(huán)過程，根據(jù)運(yùn)行累計(jì)時(shí)間循環(huán)進(jìn)行化學(xué)加強(qiáng)反洗。4套超濾運(yùn)行不可避免的會(huì)碰到兩套超濾需要同時(shí)反洗，而設(shè)計(jì)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(jìn)入備用等待狀態(tài)，直到正在反洗的超濾系統(tǒng)結(jié)束才開始反洗，這個(gè)時(shí)候程序會(huì)自動(dòng)停運(yùn)1臺(tái)超濾給水泵。常規(guī)反洗的超濾會(huì)在30 s內(nèi)結(jié)束反洗而投運(yùn)，超濾給水泵就會(huì)在30 s內(nèi)又啟動(dòng)運(yùn)行。實(shí)際4套超濾同時(shí)運(yùn)行，這種情況經(jīng)常發(fā)生，超濾給水泵約運(yùn)行10～30 min就要停運(yùn)1次，停運(yùn)后30 s內(nèi)又立即啟動(dòng)。頻繁啟停會(huì)因?yàn)閱⑼＿^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(dòng)，新的控制邏輯改為:

(1)當(dāng)1套超濾在CEB狀態(tài)，只要不調(diào)用反洗水泵，其他超濾系統(tǒng)優(yōu)先進(jìn)行反洗。

(2)當(dāng)1套超濾在反洗，其他超濾自動(dòng)進(jìn)入“運(yùn)行等待”或“降流量運(yùn)行等待”，最高等待時(shí)間為15 min，直到反洗超濾系統(tǒng)投運(yùn)后再進(jìn)行第二套反洗。

第一條件避免了長(zhǎng)時(shí)間等待加藥反洗的情況，第二個(gè)條件保證了超濾排隊(duì)反洗時(shí)不停超濾給水泵。

4 超濾清洗系統(tǒng)的改造

如上所述超濾系統(tǒng)設(shè)計(jì)有反洗 (BW)和化學(xué)加強(qiáng)反洗 (CEB)系統(tǒng)，用來去除“污染物”，保證系統(tǒng)的過濾壓差。運(yùn)行控制嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)說明進(jìn)行反洗和加藥反洗操作，但隨著運(yùn)行時(shí)間增加，2010年左右，超濾的過濾壓差從運(yùn)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(fù)，通過增加在線清洗系統(tǒng)和清洗過濾壓差得以恢復(fù)[3]。

5 超濾系統(tǒng)的水錘控制

超濾系統(tǒng)進(jìn)水泵和反洗水泵要求設(shè)計(jì)成變頻或軟啟動(dòng)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(hào)超濾離母管最近，超濾運(yùn)行3年后每年都發(fā)現(xiàn)1號(hào)超濾的中間連接接頭損壞。對(duì)超濾的進(jìn)水過程和反洗過程中超濾的進(jìn)、出水 (反洗排水、進(jìn)水)壓力進(jìn)行觀察，超濾正常啟動(dòng)和反洗啟動(dòng)過程中壓力都是平穩(wěn)上升，這說明進(jìn)水慢開門設(shè)計(jì)和反洗軟啟動(dòng)設(shè)計(jì)，可以很好地解決啟動(dòng)和反洗過程中的水錘問題。壓力劇烈變化主要發(fā)生在超濾反洗時(shí)刻。當(dāng)超濾系統(tǒng)反洗的時(shí)候，由于超濾給水泵的頻繁啟停，造成其他的超濾系統(tǒng)進(jìn)水壓力變化，靠近超濾進(jìn)水母管前端的超濾系統(tǒng)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(diào)整超濾組件端接頭間隙，該情況能得到明顯控制。

6 結(jié)論

(1)超濾設(shè)計(jì)應(yīng)仔細(xì)核算超濾系統(tǒng)進(jìn)水壓力參數(shù)，合理的揚(yáng)程設(shè)計(jì)不僅可以節(jié)省大量電能，而且能使超濾給水泵運(yùn)行更加平穩(wěn)。

(2)多套超濾系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，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(yùn)行的設(shè)計(jì)中，不僅可以減少水泵檢修費(fèi)用，而且可以減少水錘對(duì)超濾膜元件和連接部件的損壞。

(3)地表水超濾系統(tǒng)應(yīng)設(shè)計(jì)在線清洗系統(tǒng)。