矿井水浸没式超滤进水管道振动问题研究.pdf

84tinaVol.55,No.8COALENGINEERING第55卷第8 期程炭煤doi:10.11799/ce202308016矿井水浸没式超滤进水管道振动问题研究陈峰，陈怡?（1.国能朗新明环保科技有限公司，北京100039；2.陕西同力重工股份有限公司，陕西西安710000)摘要：针对煤矿矿井水浸没式超滤预处理中，超滤入口管道振动剧烈的问题，通过分析研究现有系统及设备运行状况，对比主要设备的差异，找出管道振动的根本原因为：混合式加热器管道振动和浸没式超滤系统的进水问题。进而通过重新调整相关设备和管道，解决了进水管道的强烈振动，为混合式加热器的选择、浸没式超滤配水渠的设计、超滤给水泵的选型、阀门的选型及管道的系统设计提供参考。关键词：浸没式超滤；加热器；超滤管道；管道振动；水锤中图分类号：TD74；T U 991文献标识码：A文章编号：1 6 7 1-0 959(2 0 2 3)0 8-0 0 8 4-0 4Solution for inlet pipe vibration in mine water immersion ultrafiltrationCHEN Feng,CHEN Yi?(1.Guoneng Lucency Enviro-tech Co.,Ltd.,Beijing 100039,China;2.Shanxi Tonly Heavy Industries Co.,Ltd.,Xian 710000,ChAbstract:Aiming at the severe vibration in the ultrafiltration inlet pipeline during the pre-treatment of coal mine waterimmersion ultrafiltration,by analyzing and studying the operating conditions of existing systems and equipment,comparing thedifferences between the main equipment,it was found that the root causes of pipeline vibration were:the vibration of the mixedheater pipeline and the water inlet problem of the immersion ultrafiltration system.Furthermore,by readjusting relevantequipment and pipelines,the strong vibration of the inlet pipeline was solved,providing reference for the selection of hybridheaters,ultrafiltration feed pumps and valves,the design of submerged ultrafiltration distribution channels and pipeline system.Keywords:submerged ultrafiltration;heater;pipeline of ultrafiltration;pipeline vibration;water hammer宁夏宁东某矿井水采用“预处理+混合式加热器+浸没式超滤装置+反渗透”工艺，于2 0 2 0 年8 月开始调试，但在运行过程中超滤进水管道发生强烈振动。在进水管道振动处理方面，苟湘 对汽水混合加热器的内部结构设计进行了一系列的研究分析，分析了不同内部结构对掺混加热效果及噪音分布的影响因素，对汽水混合加热器的高效加热和降噪改进设计具有参考价值；尉建松 2 对给水管道水锤成因进行分析并提出解决措施，认为延长关阀时间是最直接也是最有效的措施。本文通过现场观察，结合前人经验和汽水混合加热器构造 3 ，分析了现有系统及设备运行状况，对比主要设备的差异，找出管道振动的根本原因，从而重新调整相关设备和管道，解决进水管道的强烈振动，为混合式加热器的选择、浸没式超滤配水渠的设计、超滤给水泵的选型、阀门的选型及管道的系统设计提供参考。1工程概况工程厂址位于宁夏宁东矿区，矿井水采用反渗透除盐后在井下及矿区回用，浓水外排 4.5】，项目于2020年8 月开始调试。矿井水处理工艺采用“污泥浓缩池调节池磁混凝高密清水池混合式加热器自清洗过滤器浸没式超滤装置超滤水箱升压泵保安过滤器反渗透给水泵反渗透装置淡水箱淡水泵”工艺 6-9。原水泵出力为4 400th，磁混凝高密出力为2 1 0 0 0 t/h，混合式加热器出力为3 4 0 0/h，自清洗过滤器出力4 270t/h，浸没式超滤设备出力4 2 7 0 t/h，反渗透设收稿日期：2 0 2 2-0 2-1 4作者简介：陈峰（1 98 0），男，陕西富平人，高级工程师，主要从事工业水处理与利用，E-mail：4 1 6 3 3 3 4 8 3 q q.c o m。引用格式：陈峰，陈怡矿井水浸没式超滤进水管道振动问题研究J煤炭工程，2 0 2 3，55（8）：8 4-8 7.852023年第8 期程炭煤生产技术备出力4 x180t/h。当生水加热器通人蒸汽运行时，加热器的出水管道发生振动 1 0 ，尤其在通人的蒸汽量较小时，振动更为剧烈，弯头处的振动幅度明显可见，噪音超过85dBA；当通人蒸汽量增大后，管道振动减弱，但依然明显；同时在浸没式超滤反洗时，自清洗前的气动门关闭瞬间，超滤进水母管出现强烈振动，幅度超过5cm，声音异常，同时加热器振动加强 2振动问题分析与解决方案2.1主要设备运行参数及运行方式2.1.1混合式加热器工程采用3 台3 5%容量的混合式加热器，每台加热器由壳体、喷管、过滤网板、填料、排污塞、密封垫组成，其中壳体内壁采用波纹壁形式，壳体与喷管之间的空隙内充满填料。其工作原理是：被加热水通过呈拉阀尔管形的喷管，蒸汽从喷管外侧通过管壁上的许多倾斜小管喷入水中，二者在高速流动中混合，达到加热水的目的 1 2 其加热器设计参数如下：进口水工作压力0.2 0.3MPa(g），进口水工作温度1 2，出口水额定流量（单台设备）3 8 0 h，出口水额定温度2 5 3 5，蒸汽流量（单台设备）8 1 3 t/h，加热蒸汽工作压力0.41.05MPa（a），加热蒸汽工作温度2 6 0 4 1 0。2.1.2浸没式超滤采用4 台2 5%容量的浸没式超滤，其产水满足反渗透进水要求，浸没式超滤运行周期3 0 min，其中产水时间1 6 4 0 s，反洗时间1 6 0 s（从关进水阀开始降液位到反洗完开进水阀进水）1 3 。其设计参数如下：出力2 7 0 t/h，滤元型式为中空纤维，滤元型号S10V，滤元材质PVDF，滤元制造商Siemens，膜丝内外径0.6 5/0.3 9mm，有效膜丝长度7 0 0 mm，膜孔径或截流分子量0.0 4 mm，加热蒸汽工作温度2 6 0 4 1 0，膜池滤元有效面积27.9m，膜通量2 9.9，滤元总数量3 2 2 配套膜池容积2 8 m，配套膜池尺寸3.1 m2.7m3.0m，其中流量为单台设备的流量。2.2振动原因分析2.2.1混合式加热器出口管道振动1）加热器内部结构如图1 所示，在工作时，高速流动的过热蒸汽通过填料缓冲后进人被加热的低速流动的水中。而其他项目应用的喷嘴式加热器如图2 所示，此喷嘴加热器能够使汽水充分混合，工作时在压力作用下的蒸汽形成喷射力，将需加热的流体从混合喷头（多个）环形布置的喷嘴吸人、扩散头内混合、再喷入需加热的流体中，蒸汽和需加热的流体是在扩散头内部发生强烈混合，经多个项目验证，此喷嘴混合式加热器解决了噪音及振动问题。与此相比，这种结构使蒸汽进孔的过程中出现蒸汽进孔时分配不均匀，也使得水汽混合不均匀，进而使生水加热器运行过程中出现强烈振动1 4 蒸汽入口壳体冷水入口喷管填料图1混合式加热器内部结构N2N1N3图2喷嘴式混合式加热器2）混合式加热器的出水管道长度约为1000mm，相对厂家要求的1 50 0 mm较短，蒸汽和水在生水加热器中混合后，不能及时消能，易冲击管道、产生振动 1 53）出水管道的安装固定方式如图3 所示，出水管道汇成母管后，向上弯起然后往右拐弯，再在空中往左拐弯，再往右拐弯，然后往下拐弯，进人车间，形成空中弯头悬挑，而且仅设1 个单薄的管道支架，易形成振动。生水加热器进水母管0 52 96-CS蒸汽蒸汽蒸汽牛入口#入口入口0.50m生水加热器出水母管0 52 96-CS图3混合式加热器改造前平面布置(mm)4）由于配水渠调节容量有限，使得混合式加热器进水量频繁断续调整，加热器出水的温度又和蒸862023年第8 期生产技术程炭煤汽连锁，导致蒸汽量也在频繁变动，尤其在低气量时不能及时混入水中，会冲击加热器内壁，产生噪音和振动 1 6 2.2.2浸没式超滤入口母管振动当一台浸没式超滤运行时，需要投人一台原水泵、一台加热器，以此为例进行分析。1）进水流量偏大。原水泵流量约为4 0 0 m/h，现场目前通过阀门调整为3 4 0 m/h，而单套超滤系统的处理水量是2 7 0 m/h，明显不匹配，因此，必然会间歇关闭进水。2）配水渠的调节容量偏小。配水渠的尺寸为16mx1.7m2m，而调整水位为0.6 0.8 m，调节容量仅有5.4 m（1 6 m 1.7 m x 0.2 m），而进出水的流量差为7 0 m/h，仅能满足约5min，因此进水启闭非常频繁。浸没式超滤配水渠的液位和浸没式超滤前的自清洗过滤器进水气动阀门连锁，频繁启闭气动进水门，因为启闭时间约为5s，且阀门为气动蝶阀，则在关闭的瞬间，蝶阀阀板快速旋转，将与阀板接触的水快速改变流向，产生加速度，使水反方向流动，这种流动在管道中与来水相互作用，产生水锤及振动；如果不进行联锁，则水会从配水渠的溢流口溢流，造成水的浪费 1 7 。当分别运行两台、三台、四台浸没式超滤时，需要投人相关水泵及加热器，也会产生上述结果。2.3解决方案2.3.1混合式加热器管道振动问题1）加长出水管道直线段，达到1.5倍设备长度。同时，改变出水母管的安装固定方式，将3 台混合式加热器的汇集段改为DN1000mm，利于蒸汽和水混合的能量释放。然后，汇集段接出的DN500mm母管在地面直接接入车间，避免空中弯头悬挑。同时，为加强防振动效果，在出水管道直线段和汇集段下设置管道混凝土支墩，固定管道。2）在每个混合式加热器的蒸汽管道上增设1 个截止阀。当系统需要使用蒸汽时，关闭不使用的混合式加热器的蒸汽管截止阀，以防止蒸汽泄漏，避免冲击生水加热器，产生噪音和振动 1 2 3）在混合式加热器出水母管上加DN32排气阀，以排出管道内部空气，减小管道振动4）在加热蒸汽母管合适位置增设限位支架，以减小补偿器变形改造后平面布置如图4 所示。生水加热器进水母管0 52 9x6-CS#蒸汽蒸汽蒸汽009S入口入口入口滑动干滑动滑动支架支架支架补偿器加强筋固定固定固定管架支架支架支架管架0.50m单筋加强01020 x10-CS0529x6-CS图4加热器改造平面布置（mm）2.3.2浸没式超滤系统进水问题1）更换自清洗过滤前的气动蝶阀的进出气管上分别设截流阀，将开关时间延长为2 0 s，降低水锤产生的振动。加大配水渠液位的变化幅度，将溢流口标高提升至1.6 3 m，将液位联锁高值设为1.6 m，即当液位为1.6 m，再关闭来水气动门，以增加调节余量，减少气动门开关频率。调节容积由5.4 m3(16m1.7m0.2m)调节为2 7.2 m(16m1.7mx1m），具体做法如图5所示，伸入UPVC大小头，并将大小头部分切割，然后将其固定于溢流口，在大小头上粘弯头与溢流水口 1 8 7000L1图5浸没式超滤改造（mm）2）调节原水泵出口阀门，使来水量和浸没式超滤运行水量基本匹配，原水管道增加回流管道，达到系统平衡 1 9当运行1 套超滤装置时，根据运行实际情况，产水泵流量2 7 0 m/h，运行周期3 0 min，其中产水时间1 6 4 0 s，反洗时间1 6 0 s（从关进水阀开始降液位到反洗完开进水阀进水），则如果以半小时为周期，第一次运行时，应考虑膜池进水容积3.3 3.1 1.40.5=7.16m，经计算得进水流量应控制为260.32m/h；进水时间约4 5s，可得进水量为3.25m，同时需要考虑运行产水时间1 6 4 0 s需要的水量差4.4 1 m。则第一次运行时需要水量为7.1 6-87（责任编辑杨蛟洋）2023年第8 期程炭煤生产技术3.25+4.41=8.32m；以后正常运行时，水量达到平衡。7.1 6-(1 6 x1.7)=0.26m，3.2 5-(1 6 1.7)=0.12m，即在启动时，需要保证液位至少8.3 2（1 6 x 1.7)=0.3 1 m。此时，超滤反洗时，超滤进水门关闭，此时配水渠的液位为：2 6 0 1 6 0-3 6 0 0-(16x1.7)=0.42 m。当运行2 套超滤装置时，启动第二台加热器，根据DCS控制，将启动时差设为4 50 s，即第一台超滤启动4 50 s后，启动第二台超滤。则需要在启动第二台超滤前，需要8.3 2-2 6 0 3 6 0 0=1 1 5s前开启气动蝶阀进水，取消此台气动阀门与超滤配水渠液位联锁。则液位此时为0.5-0.2 6+0.1 2-（2 7 0-2 6 0）-3600 x(450-45)-(161.7)+0.31=0.63m。以此类推，通过计算，3 台超滤运行时配水渠液位为0.82m，4 台超滤运行时配水渠液位为0.7 7 m，小于最高水位1.6 0 m，则使运行水量达到平衡，不会发生气动门启闭及溢流，则不会发生水锤，也不会造成水溢流的浪费。3结论系统经改造后，混合式加热器出口管道及浸没式超滤进水母管的无明显振动，运行良好。建议设计“混合式加热器+浸没式超滤”时，考虑以下问题：1）在选择混合式加热器时，带喷嘴的混合式加热器可使蒸汽均匀雾化并快速进入水中，混合比较均匀，从而减轻加热器及管道的振动。2）为了防止水锤产生，将配水渠进水气动蝶阀改为电动截止门或电动闸阀，优化阀门结构对水的作用力。3）建议配水渠容积做到与单台超滤1 0 min流量相当，方便调节，以降低阀门频繁开关产生水锤的概率。参考文献：1 苟湘，夏冰，连晶红，等喷管式汽水混合加热器气动噪声数值模拟与实验研究J热科学与技术，2 0 1 6，1 5(1):81-86.2尉建松给水管道水锤成因分析与解决措施探讨J城镇给水，2 0 2 2,6(2)：51-54.3强峰，马超，方文峰，等。汽水混合加热器的选型对比J装备应用与研究，2 0 2 0，6 3 5(2 9：3 9-4 1.4张山山，姬海宏，吴巧玲，等。煤矿矿井水处理零排放技术与工程应用中国给水排水J2 0 2 0，3 8（2）：98-1 0 3.5杨廷超唐山矿业分公司B区矿井水处理技术及应用J.煤炭与化工，2 0 2 2，4 5（1)：1 1 7-1 2 0.6张超，王宏义，李宏伟，等含悬浮物矿井水处理技术现状及发展趋势 J煤炭加工与综合利用，2 0 1 9(1 2)：7 2-7 5.7王静毅，胡劲逸，马伟伟，等基于喷射式混合加热器锅炉定排高效余热回收的应用研究J电力行业节能，2 0 2 0，24(11):29-30.8任克刚，梁红，李庆君，等高污染采金矿井废水超滤反渗透法制备饮用水J化工生产与技术，2 0 1 4，2 1（1）：51-52.9王媛超滤-反渗透双膜法在镇城底矿井水处理系统改造应用 J山西化工，2 0 2 0，1 8 6(2)：1 3 2-1 3 3.10Borgesss，Zd a n s k i p s b,Ba r b i e r i r.A h y b r i danalytical/experimental model for evaluation of the aerodynamic noise in fansJ.Applied Acoustics,2015,90:81-87.11王汝武混合式加热器的发展及应用J节能，2 0 0 4，258(1):22-23.12吴川南，金建国，张艾萍某混合式低压加热器水室壳体振动原因分析和处理措施J黑龙江电力，2 0 0 6，6（3)：51-54.13冯暨伟浸没式超滤膜在电厂废水回用中的应用J华电技术,2 0 1 8,1 2(7)：6 3-6 6.14王静毅，胡劲逸，马伟伟，等基于喷射式混合加热器锅炉定排高效余热回收的应用研究【J电力行业节能，2 0 2 0，24(11):29-30.15郑，马学礼，党立晨，等电厂浸没式超滤产水量降低的原因分析及改进J给水排水，2 0 1 6，1 2(4）：6 5-6 7.16胡长鑫，吴瑞军，马百文，等重力驱动浸没式超滤技术在某饮用水厂提标改造中的应用案例J环境工程学报，2021,15(3):799-805.17唐福生，张新，李殿海浸没式超滤系统工艺优化的分析J.给水排水2 0 1 2，1 2(S2)：1 4-1 5.18栗文明，罗宏伟，诸宇刚，等浸没式超滤-反渗透工艺应用于市政污水回用系统的选择与设计J水处理技术，2017,12(7):143-145.19沙海伟某燃机电厂反渗透进水加热系统的优化J电力工程技术，2 0 1 7,6(5)：1 6 1-1 6 5.