运行参数对差压式过滤器滤水能力的影响研究

曹宇， 雷超， 陈庆旭， 魏大明， 胡启帅， 周金昊， 高俭， 杨松

（中国核动力研究设计院，成都610041）

0 引 言

安全水池作为反应堆重要的安全设施，承担着为循环冷却水系统（简称W系统）提供满足要求冷却水源的功能。但在雨季期间水质浑浊，导致安全水池水质较差，水中泥沙较多，W系统在运行过程中，差压式过滤器易发生堵塞，滤水量减少[1]，严重影响二回路系统用户的供水量，无法保证二回路系统用户的安全稳定运行。为了确保在雨季期间二回路用户的供水需求，本文基于反应堆现有安装调试后的差压式过滤器结构和工作原理，从安全运行角度出发，通过分析差压式过滤器滤水能力的影响因素，研究了不同运行参数对差压式过滤器滤水量的影响，并得出最优的运行参数，以提高差压式过滤器的滤水能力，有效保障反应堆二回路用户的供水需求。

1 差压式过滤器工作原理

W系统设置有3台增压泵（W001/002/003PO），2用1备。其中W001PO设置变频调节。为了保证二回路用户用水的要求，系统供水管路上设置有3台电动差压式过滤器（W001/002/003FI），2用1备。W系统设计成增压泵+二回路用户水箱联合供水的方式。W系统工艺流程简图如图1所示。W系统从安全水池缓冲区溢流堰内取水。经水泵加压后送至屋顶二回路用户水箱，水箱内的水经重力流供给二回路用户用水。

差压式过滤器为多滤筒过滤、单筒反向冲洗的结构，具有过滤面积大、设备体积小、结构紧凑、过滤效率高、反冲洗强度大、耗水少等优点，且过滤与排污同时进行[2]，不影响也不中断W系统的正常运行。

冷却水通过增压泵加压后送至差压式过滤器，在其内部从滤网的内侧流向外侧，杂质颗粒被截留在滤网内侧，随着滤网内侧表面污物的增多，滤网内外侧压差会增大[3]。当压差到达设定值时，排污阀打开，滤斗内压力小于滤网外侧压力，用过滤后的冷却水对滤网进行反冲洗，当到达设定时间值后，通过电动机带动滤斗，转至下一个滤腔，差压式过滤器滤网被平均分为8个滤腔，当完成8个区域的冲洗后，过滤器的冲洗周期结束[4]，压差即可恢复到初始状态。差压式过滤器的工艺流程如图2所示。

2 差压式过滤器滤水能力的影响因素

通过分析差压式过滤器的结构及工作原理，结合W系统运行经验，发现滤水能力与多种因素有关，主要包括安全水池水质、增压泵流量、过滤器参数设置等。

1）安全水池水质越浑浊，差压式过滤器需要滤除的杂质越多，滤水能力越低，滤水量越少，且易造成过滤器压差高报警；

2）增压泵流量越大，一定时间内过滤器需要滤除的水量越多，滤除的杂质也会相应增多，滤水量也会降低；

图2 差压式过滤器工艺流程图

3）差压式过滤器的运行参数设置控制其工作方式，不同的运行参数对差压式过滤器滤水量影响较大，主要运行参数包括排污时间、周期、差压反洗值、差压高报警值，而其中周期和差压高报警值指的是设置的周期时间内自动反洗一次和到达设定的差压高报警值时产生报警，该运行参数对差压式过滤器滤水能力影响不大。排污时间和差压反洗值指的是反洗过程中滤斗在一个滤腔的停留时间和过滤器开始反洗的滤网内外侧压差值，在水质较差情况下对保证差压式过滤器的工作能力起着决定性作用。

2.1 排污时间

差压式过滤器的排污时间是指反洗过程中滤斗在一个滤腔的停留时间，共分为8个滤腔。反洗过程中，当经历一个滤腔的停留排污时间后，通过排污电动机驱动，自动转入下一个滤腔，直至8个滤腔反洗结束，过滤器的一个反洗循环结束。如果排污时间设置过短，会导致滤腔还未冲洗干净，滤斗就转至下一个滤腔，反洗能力降低，过滤器堵塞的情况会持续加重，过滤器滤水能力降低，滤水量减小，且反洗过程一直持续，滤斗驱动电动机容易发热烧毁。如果排污时间设置过长，滤斗在其中一个滤腔内停留的时间过长，其他滤腔得不到及时冲洗，滤网也会被堵塞，滤水量也会降低。因此，排污时间的设定对差压式过滤器反洗能力有着至关重要的影响，是差压式过滤器稳定运行的重要参数。

2.2 差压反洗值

差压反洗值指的是过滤器开始反洗的滤网内外侧压差值，当差压式过滤器压差到达设定值时，开始执行反洗命令，打开排污阀，根据排污时间设定，自动对滤网进行冲洗，若一个反洗结束后，滤网内外压差未降至压差反洗值以下，则系统自动继续执行反洗命令，直至滤网压差降至压差反洗值以下。如果压差反洗值设置过高，滤网在堵塞情况下过滤器也不会执行反洗动作，当压差升高至压差反洗设定值开始反洗时，有可能会因为堵塞严重，清洗效果不明显，从而导致差压式过滤器自动反洗失效，滤网内外压差持续升高，严重时会导致滤网破损，失去过滤作用。如果压差反洗值设置过低，滤网压差在较小的压差情况下过滤器就会执行反洗动作，会导致过滤器滤斗驱动电动机长时间持续工作，造成滤斗驱动电动机烧毁，导致过滤器反洗功能失效，严重时滤网会破损，差压式过滤器损毁。因此，压差反洗值的设定对差压式过滤器反洗能力影响较大，也是差压式过滤器稳定运行的重要参数。

3 试验方法及结果

本文设计了多组对照试验来研究不同排污时间和差压反洗值对滤水量的影响。试验方法为：在雨季期间安全水池水质浑浊状态下，启动W系统，选用W001FI和W002FI过滤器，设置排污时间为15 s、20 s、25 s、30 s、35 s、40 s，手动运行差压式过滤器30 min，每5 min记录在不同排污时间下差压式过滤器的滤水量。在得出最优的排污时间后，设置反洗压差值为15 kPa、20 kPa、25 kPa、30 kPa、35 kPa，自动运行差压式过滤器，每5 min记录不同压差反洗设定值下过滤器的滤水量。

为了将干扰因素降至最低，在差压式过滤器运行时作如下要求：1）为了保证试验中安全水池的水质相同，试验持续完成，中途不中断试验；2）滤水量即为二回路用户水箱进水流量，待读数稳定后再进行记录。

不同排污时间下的滤水量试验数据见表1。

表1 不同排污时间下的滤水量 m3/h

通过试验数据对比，发现在排污时间设置为30 s时，二回路用户水箱进水量最大，即差压式过滤器滤水量最大，将排污时间设置为30 s，得到不同的压差反洗值下滤水量，试验数据见表2。

表2 不同压差反洗值的滤水量 m3/h

4 运行参数对差压式过滤器滤水量的影响

4.1 排污时间对滤水量的影响

不同排污时间对差压式过滤器滤水量的影响如图3所示。可以看出，随着排污时间的增加，差压式过滤器滤水量呈现先增加后降低的变化趋势。排污时间为30 s时，压差式过滤器滤水量达到最大。

当排污时间低于30 s时，差压式过滤器对滤腔内对应过滤网反洗时间过短，导致滤网清洗不彻底，还未清洗干净即转入下一个清洗滤腔，过滤器堵塞未得到缓解，滤水能力下降，滤水量较低。

图3 不同排污时间下的差压式过滤器滤水量变化曲线

当排污时间高于30 s时，排污斗在滤腔内停留清洗时间过长，一个反洗周期时间变长，每一个滤腔的清洗后等待的时间较长，导致过滤网堵塞后未得到及时清洗，滤网堵塞，反而滤水能力下降，滤水量下降[5]。

当排污时间为30 s时，每个滤腔内滤网既能得到有效清洗，滤网清洗后等待下一次清洗时间也不至于过长，使过滤网时刻保持一个最大过滤量的状态，差压式过滤器的工作能力也能发挥至最优状态，使滤水量保持一个较高的水平。因此排污时间最佳运行参数为30 s。

4.2 反洗压差值对滤水量的影响

排污时间为30 s时，反洗压差值对滤水量的影响如图4、图5所示。可以看出，反洗压差值从15 kPa增加到35 kPa，差压式过滤器滤水量呈现先缓慢下降，再急剧下降的趋势。反洗压差值在15～25 kPa变化时，滤水量下降缓慢，变化范围在40 m3/h左右。而反洗压差值在25～35 kPa变化时，滤水量下降较多，变化范围在170 m3/h左右。

图4 不同反洗压差值下的差压式过滤器滤水量随运行时间的变化曲线

从原理上分析，当反洗压差值设置得越低，滤网清洗的次数较频繁，滤网堵塞情况较好，滤水量较大。但在实际运行期间发现，压差反洗值设置过低，将会导致差压式过滤器频繁处于反洗状态，滤斗驱动电动机工作频繁，在水质较差的工况下，滤斗驱动电动机几乎处于连续运行的工作状态，监测电动机由于连续运行导致发热严重，易造成电动机烧毁。查阅相关技术文件，并结合运行经验，考虑到反洗压差值在15～25 kPa变化对滤水量影响较小，当安全水池水质较差时，压差反洗值设为25 kPa，差压式过滤器反洗一次后约在5 min后再执行清洗程序，滤斗驱动电动机能保证散热，同时二回路用户的供水量也能满足要求。综合分析，反洗压差值最佳运行参数为25 kPa。

图5 反洗压差值对差压式过滤器滤水量的影响

5 结 论

本文基于反应堆现有安装调试后的差压式过滤器结构和工作原理，从安全运行角度出发，通过分析差压式过滤器滤水能力的影响因素，研究不同运行参数对差压式过滤器滤水量的影响，有效指导W系统的稳定运行。得到如下结论：

1）排污时间对差压式过滤器滤网的清洗程度起决定性作用，随着排污时间在15～40 s范围内增加，差压式过滤器滤水量呈现先增加后降低的变化趋势，排污时间为30 s时，滤水量最大，满足二回路用户供水需求。排污时间过短，会导致清洗不充分，滤网堵塞没有得到最佳缓解，排污时间过长，清洗周期变长，滤腔滤网等待清洗时间过长，也会导致滤网堵塞，降低滤水量。

2）排污时间为30 s时，反洗压差值在15～35 kPa范围内增加，差压式过滤器滤水量呈现先缓慢下降，再急剧下降的趋势。从安全运行角度考虑，滤斗驱动电动机不能长时间持续工作，在满足二回路用户供水需求的前提下，最佳反洗差压值为25 kPa。