高速混床底部集水装置的阻力设计

1、 高速混床底部集水装置的阻力设计常熟第二发电厂筹建处 陆达年 随着国民经济的持续高速发展，电力事业也得到了飞速的发展。30万千瓦、60万千瓦的火力发电机组正在成为大型火力发电厂的主力机组。这些机组基本上都采用了亚临界或超临界的热力参数，以提高机组的热效率。在给水、炉水处理方面，除了传统的方法以外，给水联合处理工艺在国外、尤其在西欧国家已经得到了非常广泛而成功的应用。在我国也有几家电厂报道了他们已经成功地应用了联合水处理的工艺。 毫无疑问，大机组、高参数和给水联合处理的推广应用，都需要对凝结水进行100的精处理。 凝结水的精处理一般是通过凝结水的前置过滤器和高速混床实现的，当然也有只采用高速混床

2、实现凝结水精处理的目的。由于凝结水精处理设备串联在热力系统中，因此它的运行情况直接关系到整个热力系统的安全和可靠。不仅有混床出水的质量问题，混床在运行过程中是否跑树脂的问题以及在额定负荷流量下阻力是否超限的问题。 近几年来，国内有一些30万千瓦、60万千瓦发电机组的凝结水精处理设备在运行过程中经常发生阻力超限的情况，成为影响到热力系统运行安全的一个突出问题，究其原因，不外乎树脂的粒径分配问题，混床底部集水装置的设计问题，或者是集水装置与树脂粒径的匹配问题。研究表明集水装置和树脂粒径的匹配问题恰恰是一个十分重要、而有往往容易忽视的问题。 一、离子交换树脂与高速混床底部集水装置的匹配： 离子交换树

3、脂在运行中阻力计算已经有经验公式可以表达： 显然，树脂层的阻力与水的温度（表现为水的运动粘度系数）、流速和树脂的平均粒径有关，如果高速混床在运行中的最大流速和最低水温是已知的，树脂的层高是一定的，而且树脂层在上述条件下的阻力损失也是一定的，那么事实上树脂的粒径也应该控制在一定的范围内，这样才能确保树脂层的阻力控制在一定的范围内。这个允许的阻力损失一般不会超过0.1Mpa。 高速混床底部的集水装置可能是母管支管式（支管为多孔管，外套PVC和涤纶网套），可能是母管支管水帽式，可能是母管支管外套筛管式（支管为多孔管，筛管为不锈钢梯形丝绕制的滤元），也可能是多孔板双流水帽式。不管是那一种集水装置，设计

4、者都会考虑到它的阻力要求和配水的均匀性问题，例如通流的面积和小孔（或缝隙）的流速都有一定的要求。人们逐步地认识到高速混床的运行阻力只单独考虑树脂层的阻力和集水装置的阻力是很不完善的。由于离子交换树脂和集水装置总是匹配起来运行的，因此树脂在集水装置通流区域积聚形成的堵塞和架桥作用，使集水装置真实的通流面积和小孔（或缝隙）流速与设计值相差甚远。小孔有大有小，缝隙有宽有窄，树脂粒径的分布更是十分复杂，它们匹配起来以后对小孔或缝隙产生的堵塞系数也各不相同。要用一个数学公式来表达、计算树脂与集水装置匹配以后的阻力是一件困难的工作。目前比较有效、实用的办法是进行模拟试验。通过试验，设备制造厂家可以提供一系

5、列的数据，描述集水装置的滤水元件在各种不同树脂粒径匹配情况下的阻力特性，无疑这是非常重要的。换句话说，离开了树脂粒径分布特性去选择集水装置多少是一种盲目的行为。下面图1反映了水帽在有树脂和没有树脂情况下的阻力流量（PQ）特性曲线，表1、表2反映了树脂不同粒径分布时的水帽阻力： P(Pa) P(Pa) 5000 双头水帽 5000 双头水帽 4000 4000 单头水帽 3000 单头水帽 3000 2000 2000 1000 1000 0 0 1 2 3 4 5 t/h 1 2 3 4 5 t/h 图1 不装树脂工况 装树脂工况表1：水帽不同粒径树脂与集水器上水帽匹配后的阻力损失 （米水柱）

6、>mm<AB表2：水帽树脂粒径分布数据树脂与水帽匹配以后的阻力损失 （米水柱）改进型>0.65mm 50% ; 0.450.65mm 42%<0.45mm 8% （上海*热电厂混床中树脂数据）>0.65mm12%; 0.450.65mm 88%<0.45mm 0% （上海*电厂混床中树脂数据） 上述表1、表2虽然数据不太完善，但可以看出树脂粒径对水帽（或其他滤水元件）的阻力损失影响很大，尤其是小颗粒树脂的影响极大。因此 作为业主在选用高速混床树脂的时候，应该尽可能地选用均粒（uniform）树脂，对于非均粒的一般大孔或凝胶型树脂，往往有1%的小颗粒树脂不在粒

7、径分布的范围内，因此在订货的时候，必须在合同的有关条款中明确，把这一部分的小树脂筛去。二、阻力系统的选择在选择阻力系统的时候，一般有大阻力系统和小阻力系统二种。无论采用那一种系统，都是为了使滤层在正常运行工况或反冲洗的工况下，通过滤层的水能够均匀分布，使配水的均匀系数达到95%以上。下面以母管支管形式的集水装置为例对高速混床的阻力系统作一分析：假设在高速混床的树脂表面有A、B两点，qA,qB 分别是这二点单位面积上的流量，运行中产生的两条流线垂直通过树脂层达到底部集水装置，然后进入支管、母管到达混床的出口。我们设树脂层的阻力系数为S1，集水装置滤元的阻力系数为S2，支管、母管的阻力系数为S3，

8、（所有的阻力系数都是局部阻力系数和沿程阻力系数之和），经过数学推导，得到如下的表达式： SA、SB分别表示A、B两条流线的总阻力系数。一般认为S1A、S1B和S2A、S2B的阻力系数基本相同，但S3A、S3B很难做到完全相同，因此qA,qB就不可能完全相等。由于选定的树脂层阻力系数为确定的，为了使S3A、S3B产生的阻力系数差值在SA、SB上微不足道，就有二个办法，一是增大S2，使总阻力系数增大，总阻力损失增大（一般的做法是减少集水装置的通流面积，增大流速），这就是大阻力系统。二是在适当保持S2比较小的条件下，把S3值尽量降底，使S3值在总阻力系数SA、SB中所引起的差值，对配水的不均匀性可以

9、忽略，使qA,qB接近相等。S2值比较小，使总阻力系数减小，总阻力减小（一般的做法是增加集水装置的通流面积，降低流速），这就是小阻力系统。1.5%（开孔比的定义是集水装置的孔眼或缝隙的总面积与过滤器过滤面积的比值）。 上述推荐数据对于采用低流速（例如1020m/h)工艺的交换器或过滤器应该是适用的,但是在高速混床中，运行流速达到120m/h，再用上述数据就会十分的不合理。以某电厂的30万千瓦机组精处理混床为例，该混床内径2100毫米，分别以120m/h流速（流量385m3/h)和20m/h流速(流量64m3/h)进行计算得到表3：阻力系统开孔比小孔或缝隙流速 m/sec120m/h 工况20m

10、/h 工况大阻力系统0.25%小阻力系统1.5% 事实上，集水装置与树脂匹配以后由于树脂对集水装置通流部分的堵塞和架桥作用，通流部分的实际流速会远远高于上述的计算流速。显然，高速混床采用低流速工况下的推荐数据、即使是小阻力系统的数据也是不合适的。有报告指出，对于采用不锈钢梯形丝绕制的滤水元件，其缝隙计算流速应小于0.5m/sec。其实，离开了树脂的粒径分布，以计算流速作为设计依据并不是恰当的。 三、有限阻力系统所谓有限阻力实际上是凝结水精处理系统和工艺允许高速混床进出口之间在正常运行工况下的阻力损失减去树脂层的阻力，混床进口、出口的阻力，树脂捕捉器的阻力以后剩下的阻力损失数据，这一数据实际上就

11、是集水装置在正常运行工况下与树脂匹配以后的阻力数据，这一数据是我们设计混床集水装置的主要依据。混床进出口的阻力损失是一个动态的数据：1.流量变动带来的阻力变化；2.凝结水温度变化引起的阻力变化；3.在运行过程中，树脂层的压实和污脏程度的增加而使阻力变化；4.在长时间的运行过程中，树脂磨损和破碎引起树脂粒径分布的变化；5.当发生树脂泄漏的时候，树脂捕捉器的阻力也会发生很大的变化。 所有这些，归结到一点，混床进出口的允许阻力损失应该有二个含义，一个是正常运行阻力，另一个是允许的最大阻力。例如美国的USFilter/Permutit公司对高速混床在运行中的阻力损失规定如下：a(正常值) （包括树脂捕

12、捉器在内） 0.35 MPa(最大值) 阻力损失的规定值一般是考虑了热力系统的设计、交换器内部构件的设计强度、树脂的物理性能等问题以后得到的。根据上面的论述，有限阻力的数据可以用下式表达： 例如，高速混床的正常运行阻力为17米水柱，假定树脂层的阻力为11米水柱，混床进出口的阻力为2.5米水这柱，树脂捕捉器的阻力为1.5米水柱，那么集水装置的有限阻力应该是2米水柱，这个阻力是在其他阻力已经确定情况下的阻力，所以是有限的。有了这个数据，我们才可以确定滤水元件的数量（水帽的数量或滤元的长度）。 最好的办法是把滤水元件放在模拟设备中与选定的树脂匹配后进行试验，得到在2米阻力下的流量值，如果这个流量是6

13、立方米/小时，而混床的额定流量是360立方米/小时，那么，选用的水帽数量应该是60个。如果在布置上有问题，当然可以在重新进行模拟试验后，增加或减少水帽的数量，水帽的规格相应地改变，但是这个有限阻力的数据基本上是不能改变的。一旦改变了选定的树脂（特别是选用了粒径分布比较小的树脂），那么 ，最好能在制造厂重新进行模拟试验，对集水装置进行必要的改进。 四、高速混床中离子交换树脂局部先失效的补救措施高速混床中的离子交换树脂在局部地方先失效的原因不仅仅是因为树脂床层和集水装置的阻力差异，还因为根据portals公司的观点由于所谓的“间隙效应”（spacing effect）和“电荷效应”（charge

14、effect）,造成床层中各部分离子交换动态特性的差异，这种差异随着流速的增大而增大，其结果，在AVT处理系统中，表现为铵离子首先穿透出来，造成电导率的升高，但这并不代表整个床层的失效。因此只要重新执行混床的“投入运行程序”（即放水混合灌水正洗投运）以后，破坏了原来的流场，使离子交换动态性能建立起新的秩序。以*电厂的高速混床电导率调整为例，制水量和水质的变化见图 2，在调整过程中的电导率和氢电导率的变化比较见图3： Na(ppb) 出水钠离子 进水钠离子 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 万吨 DDs/cm 进水电导率 0 出水电导率 0 图2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 万吨 DDs/cm 出水酸电导率 出水电导率 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 （时间单位） 图3 调整过程中电导率和酸电导率的变化曲线 这一补救办法的理论根据是非常经典的。如果混床出水中的钠离子和氯离子的浓度要低于规定值，那么树脂相中的氢型和氢氧型离子的浓度分率大于表3 的规定值就可以了：表3：离子类型出水中的离子浓度树脂相中H和OH型离子浓度分率Na< 5 p