某換流站閥冷卻系統(tǒng)保安過濾器濾芯失效原因分析及處理措施

彭 清 劉先文 黃 晨 張超峰 唐恒蔚 李 恒

（1.國網(wǎng)湖南省電力有限公司超高壓變電公司 2.變電智能運(yùn)檢國網(wǎng)湖南省電力有限公司實(shí)驗(yàn)室）

0 引言

換流閥冷卻系統(tǒng)是對換流閥進(jìn)行冷卻的重要系統(tǒng)[1］， 其包含閥外水冷系統(tǒng)和閥內(nèi)水冷系統(tǒng)， 通過閉式冷卻塔作為換熱設(shè)備[2］。閥外水冷系統(tǒng)供水中含有多種雜質(zhì)， 如懸浮物、 膠體、 有機(jī)物和無機(jī)鹽等， 導(dǎo)致外冷水在冷卻塔盤管、 噴淋嘴等處結(jié)垢， 影響閥內(nèi)-外冷水的換熱效率， 進(jìn)而導(dǎo)致直流系統(tǒng)因閥內(nèi)冷水溫度超高而閉鎖。為保證閥冷系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)， 則必須先去除水中的懸浮物、 膠體、 有機(jī)物等。一般采用反滲透工藝將源水中的無機(jī)鹽、 重金屬離子、 有機(jī)物等雜質(zhì)去除， 以保證外冷水的純度[3］。為了保證反滲透系統(tǒng)能夠正常濾除雜質(zhì)， 在反滲透系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了加藥環(huán)節(jié)， 此外， 為了保證反滲透系統(tǒng)中反滲透膜的平穩(wěn)運(yùn)行， 在反滲透膜前設(shè)計(jì)了保安過濾器作為保護(hù)。但在運(yùn)行過程中， 由于各種外界擾動(dòng)及運(yùn)行工況的影響， 導(dǎo)致反滲透系統(tǒng)運(yùn)行異常[4-5］。

保安過濾器是反滲透膜的保護(hù)者， 阻擋可能對膜系統(tǒng)造成傷害的雜質(zhì)， 其中的濾芯是保安過濾器的核心[6-7］。當(dāng)水質(zhì)符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)， 需要保安過濾器濾芯所攔截的雜質(zhì)量很小， 雜質(zhì)多數(shù)是絮凝物等顆粒雜質(zhì)等， 但隨著進(jìn)水中含有其他雜質(zhì)時(shí)， 濾芯所攔截的雜質(zhì)種類變得復(fù)雜， 如大顆粒等難溶性雜質(zhì)， 將導(dǎo)致保安過濾器的濾芯失效， 濾芯更換周期縮短。在工業(yè)水處理的許多領(lǐng)域， 存在大量的廢棄濾芯， 對環(huán)境造成了很大影響[8］。由于濾芯材質(zhì)多為一次性的難降解材料， 且濾芯過濾層含有多種藥劑的化學(xué)反應(yīng)成分、 細(xì)菌、 鹽類結(jié)垢等有害成分， 直接拋棄容易對自然環(huán)境造成嚴(yán)重污染， 后續(xù)處理成本非常高。因此， 研究出一種可重復(fù)使用的濾芯存在很大的研究價(jià)值[9］。

本文結(jié)合換流站實(shí)際運(yùn)行案例， 通過對反滲透系統(tǒng)環(huán)節(jié)組成分析及故障元件剖析， 總結(jié)出導(dǎo)致反滲透系統(tǒng)保安過濾器運(yùn)行異常的主要因素， 進(jìn)而根據(jù)分析結(jié)果對提出了加藥系統(tǒng)和保安過濾器濾芯治理措施。

1 關(guān)鍵技術(shù)

1.1 反滲透系統(tǒng)流程

反滲透系統(tǒng)作為換流站閥外水冷處理系統(tǒng)中的重要一環(huán)， 起著嚴(yán)格控制噴淋水水質(zhì)， 延長閉式冷卻塔盤塔使用壽命， 減小運(yùn)行期間冷卻塔的維護(hù)量的作用。反滲透系統(tǒng)包括保安過濾器、 阻垢劑添加裝置、 殺菌劑添加裝置、 高壓泵、 反滲透裝置[10］。為了使反滲透膜的進(jìn)水達(dá)到要求， 閥外水冷處理系統(tǒng)設(shè)置原水預(yù)處理系統(tǒng)， 原水預(yù)處理系統(tǒng)包括工業(yè)補(bǔ)水泵、 絮凝劑、 石英砂過濾器、 活性炭過濾器。反滲透系統(tǒng)流程圖如圖1 所示。

圖1 反滲透系統(tǒng)流程圖

其中， 高壓泵的作用是為反滲透本體裝置提供足夠的進(jìn)水壓力， 保證反滲透膜的正常運(yùn)行。根據(jù)反滲透本身的特性， 需有一定的推動(dòng)力去克服滲透壓等阻力， 才能保證達(dá)到設(shè)計(jì)的產(chǎn)水量。當(dāng)保安過濾器濾芯存在堵塞或者其他特殊情況時(shí)， 高壓泵前的壓力計(jì)測量數(shù)值將會(huì)低于正常值， 系統(tǒng)報(bào)“高壓水泵進(jìn)水壓力低”報(bào)警。

1.2 加藥系統(tǒng)

（1） 阻垢劑添加系統(tǒng)

為防止反滲透膜的結(jié)垢， 運(yùn)行時(shí)在保安過濾器前投加有高效緩釋阻垢劑， 阻垢劑通過延緩或抑制晶體成長來推遲沉淀的過程， 同時(shí)阻垢劑具有分散劑的作用， 可以有效防止垢質(zhì)顆粒聚的凝結(jié)沉淀，從而阻止垢質(zhì)在反滲透膜上的沉積， 使得系統(tǒng)水的回收率和脫鹽率不會(huì)下降， 同時(shí)延長反滲透膜的使用壽命。換流站閥外水冷系統(tǒng)按照每周添加50kg的50~80mg/L 的緩釋阻垢劑。

（2） 殺菌劑添加系統(tǒng)

冷卻水供水為換流站所在位置的水庫水源， 含有各種各樣的微生物， 細(xì)菌， 為了避免反滲透膜的受到細(xì)菌的污染， 造成不可恢復(fù)的損壞， 需添加殺菌劑抑制原水中細(xì)菌的滋生繁衍。殺菌劑投加量約為0.5~1ppm， 實(shí)際運(yùn)行時(shí)根據(jù)進(jìn)水的水質(zhì)變化情況進(jìn)行調(diào)整。

（3） 絮凝劑

在原水中加入絮凝劑的目的是使水中處于一定程度穩(wěn)定狀態(tài)的溶膠微粒通過電中和脫穩(wěn)而達(dá)到聚集即凝聚或未達(dá)到電中和脫穩(wěn)的聚集即絮凝， 通過凝聚和絮凝， 水中的溶膠狀態(tài)雜質(zhì)形成較大的絮凝體， 可增強(qiáng)后序石英砂過濾器裝置的除濁效果。站內(nèi)根據(jù)供給水源水質(zhì)， 要求按固定周期加入3%配比的絮凝劑。

1.3 保安過濾器原理

保安過濾器作用是截留大于5μm 的顆粒， 以防止其進(jìn)入反滲透系統(tǒng)； 過濾器設(shè)壓差表提示濾芯污垢程度， 清洗或更換， 當(dāng)過濾器進(jìn)出口壓差大于0.07-0.1MPa 時(shí)， 提醒操作人員應(yīng)當(dāng)清洗或更換濾芯。

濾芯過濾原理是以濾芯上濾材為過濾介質(zhì)， 利用加壓使分散相與連續(xù)相分離， 筒式濾芯兩端固定連接在過濾器上。濾芯在工作時(shí)所承受的壓降完全由骨架承擔(dān)， 濾芯整體的抗壓或抗破裂強(qiáng)度取決于濾芯骨架的強(qiáng)度。某換流站的保安過濾器濾芯結(jié)構(gòu)圖及流向圖如下圖2 所示。

圖2 濾芯結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 濾芯變形

如圖所示， 工作時(shí)流體介質(zhì)的流向是由濾芯外部流向內(nèi)部， 濾芯內(nèi)骨架承受由外向內(nèi)的壓降， 用于支撐濾芯、 防止濾芯被壓潰， 確保濾芯能夠正常平穩(wěn)的運(yùn)行。濾芯參數(shù)如下表1 所示。如表中數(shù)據(jù)， 保安過濾器承受0.25Mpa的壓強(qiáng)下， 精度為100μm 攔截效率99%的濾材。

表1 保安過濾器濾芯參數(shù)

表2 水源水質(zhì)分析結(jié)果

表3 新濾芯對比數(shù)據(jù)結(jié)論

當(dāng)濾芯滲漏、 泄漏時(shí)， 會(huì)造成大量的含有雜質(zhì)的冷卻水通過濾芯， 導(dǎo)致反滲透膜系統(tǒng)污堵進(jìn)而失效；在濾芯污堵時(shí)， 將導(dǎo)致濾芯承受大流量的水流壓力，進(jìn)而造成濾芯變形， 進(jìn)而造成濾芯拆裝困難。

2 存在問題

某換流站閥外水冷系統(tǒng)保安過濾器自2022年5月份進(jìn)行年度檢修完畢后， 雙極四閥組頻繁出現(xiàn)高壓泵進(jìn)水壓力低報(bào)警。運(yùn)維人員及廠家通過現(xiàn)場排查確認(rèn)， 發(fā)現(xiàn)保安過濾器濾芯均有不同程度吸扁變形， 濾材進(jìn)行檢測分析， 對濾材的過濾納污進(jìn)行檢測分析。

1） 濾芯變形

在進(jìn)行濾芯的更換過程中， 發(fā)現(xiàn)運(yùn)行后的部分濾芯骨架存在不同程度的吸扁變形的情況， 端蓋處變形的濾芯無法拆卸， 卡在過濾器外殼中， 現(xiàn)場檢修人員只能將整體過濾器進(jìn)行更換， 嚴(yán)重增大了檢修工作量與耗材使用量。

2） 濾芯污堵

將導(dǎo)致“高壓泵進(jìn)水壓力低”報(bào)警的不良濾芯通過剖切用光學(xué)原理分析查看發(fā)現(xiàn)濾芯濾材存在大量顆粒污染物污堵和絮凝黏著物污堵兩種情況， 如下圖4 所示。對從保安過濾器濾芯上采集到的顆粒污染物進(jìn)行檢測， 確認(rèn)其中35%的顆粒物為炭粒。

圖4 光學(xué)原理分析濾材污堵情況

圖5 高壓泵儲(chǔ)水壓力變化曲線

圖6 不銹鋼骨架濾芯設(shè)計(jì)圖

圖7 不銹鋼骨架濾芯實(shí)物圖

3 問題分析

3.1 運(yùn)行工況分析

通過查看運(yùn)行工況記錄可知， 年度檢修前更換濾芯后高壓泵的壓差為0.02MPa， 年檢后使用新一批到貨的濾芯， 安裝后濾芯前后端壓差為0.05MPa。針對新更換濾芯導(dǎo)致出現(xiàn)的前后端壓差不一致的原因， 分析得到以下幾點(diǎn)： 產(chǎn)品加工工藝存在問題， 濾芯內(nèi)部存在毛刺、 濾芯過濾精度不滿足設(shè)計(jì)要求等質(zhì)量問題， 加工工藝問題導(dǎo)致該批量濾芯產(chǎn)品質(zhì)量不合格。因此， 換流站監(jiān)督廠家人員對此批保安過濾器濾芯進(jìn)行返廠監(jiān)測， 返廠確認(rèn)現(xiàn)場濾芯型號(hào)、 供貨廠商未作變更， 此型號(hào)濾芯為供貨商產(chǎn)品常用物料， 且未收到其他項(xiàng)目現(xiàn)場類似異常反饋。因此， 排除該原因?qū)е碌膯栴}。

3.2 水質(zhì)問題

換流站閥外水冷系統(tǒng)水源的包括兩個(gè)部分： 工業(yè)水池水與第二路備用水源， 其中工業(yè)水池為河流水的處理水。將兩路水源的水樣送至檢測機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢測，結(jié)果如下表所示。根據(jù)各項(xiàng)數(shù)據(jù)指標(biāo)進(jìn)行分析， 均未發(fā)現(xiàn)異常， 排除由于水質(zhì)異常原因?qū)е碌臑V芯污堵。

3.3 加藥問題

由上述對反滲透系統(tǒng)的流程分析知， 為增強(qiáng)石英砂過濾器裝置的除濁效果， 在過濾器前加入了絮凝劑， 在保安過濾器作用流程前， 定期加入緩釋阻垢劑和殺菌滅藻劑。在本次排查過程中通過停止添加/添加絮凝劑均未得到改善， 同時(shí)水質(zhì)檢測無異常， 說明絮凝劑影響非主要因素。

3.4 反滲透系統(tǒng)結(jié)垢及污堵問題

2022年度檢修涵蓋更換砂濾罐、 炭濾罐內(nèi)的石英砂和活性炭的工作內(nèi)容， 嚴(yán)格要求反復(fù)沖洗， 直至出水無肉眼可見雜質(zhì)， 判斷由于年度檢修更換沙濾炭濾罐過濾材質(zhì)后， 由于沖洗不足夠充分， 導(dǎo)致濾芯截取了大顆粒材質(zhì)造成了污堵。

因此， 為驗(yàn)證濾芯顆粒污堵物為沙濾炭濾材質(zhì)的分析猜測， 采取針對換流站某兩個(gè)閥組的沙濾炭濾進(jìn)行多次連續(xù)的反沖洗過程的措施。在經(jīng)過一周的測試時(shí)間后， 監(jiān)測到試驗(yàn)的兩個(gè)閥組的高壓泵壓力均得到有效改善。因此， 確認(rèn)污堵原因?yàn)樯鲜龇治鲆蛩亍?/p>

4 處理措施

針對由于上級(jí)濾材未清理干凈導(dǎo)致的保安過濾器堵塞， 造成耗費(fèi)大量濾芯備品及保安過濾器實(shí)體備品的問題， 換流站針對濾芯骨架進(jìn)行了改進(jìn)并將改進(jìn)實(shí)品投入現(xiàn)場使用。

4.1 改進(jìn)措施

根據(jù)上述分析結(jié)果可知導(dǎo)致濾芯變形的原因?yàn)闉V芯骨架設(shè)計(jì)不符合強(qiáng)度要求， 因此， 聯(lián)合濾芯供給廠家對濾芯骨架進(jìn)行設(shè)計(jì)。目前換流站閥外水冷系統(tǒng)廣泛采用的是PP 膠一體成型濾芯組件，這種濾芯組件具有很高的過濾精度， 但當(dāng)水中雜質(zhì)較多時(shí)比較容易堵塞。另外PP 膠既作為過濾材質(zhì)又作為支撐部件， 其機(jī)械強(qiáng)度不足， 在管路壓力較大的工作環(huán)境下容易變形， 使用壽命較短。因此在換流站閥外水冷系統(tǒng)運(yùn)維管理中需要頻繁的對濾芯組件進(jìn)行更換， 存在現(xiàn)場維護(hù)工作量大， 耗材成本高的問題， 同時(shí)也降低了閥水冷設(shè)備的可靠性[11］。因此， 換流站針對此問題研制了一個(gè)高強(qiáng)度的可拆卸濾芯。

根據(jù)現(xiàn)場運(yùn)行工況要求， 濾芯正常運(yùn)行額定壓力為0.25Mpa， 而實(shí)現(xiàn)濾芯耐壓強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)為濾芯的骨架， 其設(shè)計(jì)需要平衡結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和成本之間的問題。因此， 采用聚丙烯和不銹鋼兩種材質(zhì)的不同厚度的材料進(jìn)行對比試驗(yàn)， 最終采用4mm 厚度的不銹鋼支撐骨架， 如下圖所示， 不銹鋼支撐骨架徑向設(shè)置不銹鋼底座和合理布置的支架， 對PP 膠過濾模塊起到固定作用， 軸向通過合理布置的不銹鋼條在不影響濾水流量的同時(shí)為整個(gè)濾芯組件提供牢固的支撐， 不銹鋼支撐骨架設(shè)置不銹鋼接頭通過插接方式與保安過濾器連接固定。PP 膠過濾模塊為可拆卸結(jié)構(gòu)， 布置在不銹鋼管支撐骨架上， 起主要過濾效果。

4.2 改進(jìn)效果

將改進(jìn)后新濾芯投入現(xiàn)場應(yīng)用， 與現(xiàn)場另外一個(gè)新投入使用的原材質(zhì)濾芯進(jìn)行數(shù)據(jù)對比， 對比數(shù)據(jù)結(jié)果如下表所示：

其中， 新濾芯與原濾芯相比， 在單支濾芯使用時(shí)間和高壓泵壓力上表現(xiàn)差距較小， 因此， 可以看出新濾芯在功能上可以替代原濾芯。表中新濾芯的成本“8000/1200”中的8000 表示首次耗費(fèi)的濾芯材料成本， 由于是采用的不銹鋼材質(zhì)， 因此， 價(jià)格會(huì)高于原濾芯造價(jià)成本， 而在之后的運(yùn)行中， 新濾芯只需要更換PP 棉濾材， 濾芯成本與固廢總量比原濾芯造價(jià)低得多。

此外， 現(xiàn)場在投入使用的三個(gè)月內(nèi)， 每周進(jìn)行一次加藥及反沖洗工作， 現(xiàn)場抄錄高壓泵進(jìn)水壓力數(shù)據(jù)得到上圖8 曲線， 從圖中可以看出， 每次濾芯經(jīng)過清洗后流量壓差對比都在上升， 證明濾芯清洗恢復(fù)率在逐漸降低； 原濾芯清洗與新濾芯高壓泵進(jìn)水曲線差距較小， 證明新濾芯后期使用效果與原濾芯幾乎無異。

圖8 高壓泵進(jìn)水壓力曲線 （濾芯投入后）

5 結(jié)束語

本文針對換流站閥外水冷系統(tǒng)高壓泵進(jìn)水壓力低報(bào)警進(jìn)行問題分析， 拆解濾芯發(fā)現(xiàn)污堵失效同時(shí)出現(xiàn)了吸癟現(xiàn)象， 此外， 通過光學(xué)原理發(fā)現(xiàn)濾芯含有大量的大顆粒雜質(zhì)。通過對檢修前后濾芯的工況對比、 水質(zhì)問題及加藥情況， 結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際工況和故障現(xiàn)象，得出了是大修期間的炭濾沙濾清洗不充分的污堵原因。

采取了多次連續(xù)的反沖洗過程措施， 監(jiān)測到試驗(yàn)閥組的高壓泵進(jìn)水壓力均得到了有效改善。同時(shí)研制了不銹鋼骨架的濾芯， 通過投入現(xiàn)場應(yīng)用， 驗(yàn)證了新濾芯的良好的運(yùn)行效果及較低的運(yùn)行成本。該工程案例可為相關(guān)行業(yè)的過濾器濾芯失效的處理提供經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)。