碟片式自清洗海底門過濾器的設計與實現*

劉海松 陳 穎 李廣波

(海軍駐溫州地區軍事代表室 舟山 316000)

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碟片式自清洗海底門過濾器的設計與實現*

劉海松 陳 穎 李廣波

(海軍駐溫州地區軍事代表室 舟山 316000)

針對傳統海底門過濾器不具有備雜質自清理、自動排污功能，因近海海域污染嚴重而導致堵塞頻發、清洗困難等現狀，借鑒煉油設備——油雜分離裝置的濾芯結構，結合海水中雜質特性適應性改進了旋轉碟片式濾芯、排污噴射泵等關鍵結構，成功設計了碟片式自清洗海底門過濾器。樣機臺架試驗表明該過濾器能夠有效減少堵塞幾率，延長設備保養周期，可大幅度減輕艦員工作強度。

自清洗海底門過濾器; 旋轉碟片式濾芯; 排污噴射泵

Class Number TH122

1 引言

近年來我國海洋污染形勢日益嚴峻，河流攜帶入海的污染物數量持續增加，海水中無機氮、活性磷酸鹽、石油類和化學需氧量(CODCr)等超標污染物使我國呈富營養化狀態的海域面積逐年增大。加上全球氣候變暖的影響，海洋中的浮游動、植物如橈足類、水母類、硅藻和甲藻等迅速繁殖[1]。另外海洋中廢棄塑料制品垃圾越來越多，很多塑料垃圾經由內陸水域流向大海，在長途旅行中被陽光和海浪慢慢分解成小碎片，成為海水中的懸浮物。這些懸浮于海水中的浮游生物和塑料碎片的增加，不僅對海洋生態環境造成威脅，也對船舶維護保養和航行安全造成嚴重影響。

海底門過濾器用于過濾全船的吸入海水，提供給主輔機冷卻、消防等設備使用。傳統海水過濾器濾芯一般采用金屬濾網，孔徑一般在Φ1.5～3.0mm左右，濾器濾出的雜質殘留在濾網上。因此，隨著海洋污染物的增加，直接導致停泊或航行在我國港口及近海航道的船舶經常出現海底門過濾器堵塞的情況，從而影響海水正常供給，使得海水冷卻系統循環不暢，嚴重時甚至威脅主輔機等重要設備的安全。

本文針對傳統海水過濾器存在的主要問題，設計了一種具有雜質自動清理、自動排污功能的海底門過濾器，并對樣機進行了試驗驗證，結果表明該過濾器能夠有效減少堵塞幾率、延長設備保養周期、減輕艦員工作強度。

2 總體方案

傳統的海底門過濾器(CB/T 497-94)采用簡單濾網結構，主要存在以下問題：

1) 海水進入濾器后流速減小，水溫升高，海洋浮游動植物很容易在濾器中繁殖，導致濾網堵塞(如圖1)。

圖1 海水過濾器內部堵塞情況

2) 在出現大量魚群、貝類、及較大面積塑料膜等吸入的極端情況時，會導致過濾器無法正常工作，只能人工拆卸清理。

3) 過濾器清洗時需拆卸端蓋，端蓋體積大、重量重，再加上海水中的泥沙沉積、貝類增生導致濾器進出口閥經常無法完全關閉，使得濾器清洗工作難度大、強度高。

針對上述問題，本題在設計中遵循以下原則： 1) 對船體的結構和傳統海底門結構盡量不作改動，便于用戶設計選型； 2) 為船舶設備提供足量的潔凈海水，不影響船舶設備正常工作； 3) 可靠性高、使用簡便，延長維護保養周期。

根據這一設計原則，本題在查閱國內外相關文獻的基礎上[2～8]，先后提出了刮片式、反沖洗式和碟片式三種過濾器設計方案。其中，刮片式過濾器是在傳統濾器的濾芯上增加了刮片，通過定時旋轉刮片把濾芯上的附著物刮掉。反沖洗式過濾器的工作原理是通過高壓水流的沖洗將濾網上的附著物剝離。經過樣機驗證，這兩種型式雖然具備一定的自清效果，但仍存在不同程度的缺陷：如刮片型式存在無法清除濾網孔中的附著物、對刮板和濾筒的配合間隙精度要求高、機械結構可靠性不高、使用壽命短等問題；反沖洗型式則存在沖洗不徹底、耗水量和耗電量大等問題。經反復驗證，本題最終選擇碟片式過濾器方案。

碟片式過濾器借鑒了石油煉制過程中原油進入初餾塔前油雜分離設備[9]的濾芯結構形式，并結合海水中雜質的特性進行適應性改進。碟片式過濾器由濾器本體、旋轉碟片式濾芯、排污噴射泵、驅動電機、電控箱等部分組成，濾器外形結構如圖2所示。

圖2 海底門過濾器外形結構

濾器本體采用CB/T 497規定的標準結構形式和外形尺寸，海水通過旋轉碟片式濾芯進行過濾，并利用驅動電機轉動濾芯將過濾通道上的附著物剝離，防止海洋生物等在濾器內繁殖，最后通過排污噴射泵將沉淀在濾器底部的雜質排出，具體工作流程如圖3所示。

圖3 海水過濾器工作流程

3 關鍵技術

3.1 濾芯結構形式

傳統海水過濾器隨著使用時間的增加，濾芯上的附著物會越來越多，越來越難剝離，如不進行人工清理最終會使濾網堵塞。針對這一問題，本題設計了旋轉碟片式濾芯實現了濾芯附著物的自動剝離。

旋轉碟片式濾芯由中間軸、定片、動片、墊片、兩側法蘭、定片固定軸、分流罩等部分組成(如圖4)。其中，中間軸連接驅動機構，動片和定片穿在中間軸上，當中間軸旋轉時，動片在兩塊定片的間隙中運轉(如圖5)，定片和動片的間隙構成了海水過濾通道。分流罩上均勻分布有透水圓孔，用于將濾芯1/2圓柱體外側面封閉成為一個凈水空腔，防止濾出的雜質流入海水總管。

圖4 旋轉碟片式濾芯結構

圖5 濾芯動片轉動方式

3.2 濾通面積計算

根據海底門過濾器標準要求，濾網通道面積SF(以下簡稱濾通面積)與公稱通徑面積SDN的比值應不小于2.5[10]：

(1)

旋轉碟片式濾芯為圓柱體結構(底面直徑為D，高為H)，定片和動片之間的間隙高度為h，間隙高度通過墊片調整。由于分流罩的設置，其濾通面積SF為各定片與動片間高度為h的半圓柱外側面積之和：

(2)

式中，n為間隙的數量，即定片的數量；間隙高度h由過濾精度決定，即通過濾器的最大固體顆粒直徑尺寸，本文設定為2.5mm。

下面以CB/T 497中規定的最大通徑DN500為例，進行濾芯的濾通面積進行計算。

1) 過濾器入口截面積SDN為

2) 根據該型過濾器筒體結構尺寸(筒體外徑D0=854mm，壁厚δ=12mm，高度H0=1120mm)，設計圓柱體濾芯尺寸為Φ560×1002mm，由268個動片、269個定片組成的，間隙高度設為2.5mm，其濾通面積SF為

SF=280×3.14×2.5×269≈5.91×105(mm2)

3) 濾通面積比SF/SDN為

即濾通面積達到為公稱通徑面積的3倍，滿足設計要求。

3.3 自排污功能設計

自排污功能通過噴射泵實現，可以將濾器內沉淀的雜質經由筒體下部的排污口排出。排出方式可以選擇艙內排污或舷外排污方式。艙內排污方式是通過噴射泵排至污水井，并通過網兜收集大顆粒雜質；舷外排污方式則是通過管道直接排到船舷外。

3.4 驅動方式及控制

旋轉碟片式濾芯的驅動方式可以根據船的實際情況選擇，主要有三種方式： 1) 手動驅動; 2) 氣動驅動; 3) 電動驅動，如圖6所示。

圖6 濾芯驅動方式

基于電動驅動方式可以實現過濾器濾芯的自動旋轉和自動排污功能。通過單片機或PLC編程可以實現濾芯的自動旋轉、停止及故障報警，轉動頻率、運行時間、啟停時機可在程序中設置。

自動排污功能需要結合差壓傳感器信號確定排污時機。隨著海底門過濾器使用時間的增加，從海水中過濾出的雜質會逐步在筒體底部沉積，當雜質數量堆積到一定程度時，濾器進出口壓差會發生改變，在進出口端設置差壓傳感器采集壓差信號，噴射泵啟停時對應的壓差值可以通過程序設定。

4 試驗驗證

成功試制了如圖7所示旋轉式自清洗海底門過濾器樣機，并在如圖8所示試驗臺架上進行了雜質自動剝離效果、排污效率、過濾效率、流通量、可靠性等性能測試。臺架試驗表明該過濾器各項性能指標均滿足要求，具有較好的雜質自清效果，能夠極大地延長設備保養周期。

圖7 旋轉式自清洗海底門過濾器樣機

圖8 臺架試驗裝置

[1] 中國國家海洋局.2015年中國海洋環境狀況公報[EB/OL].中國海洋信息網，2016-04-14.

[2] 王愛偉，朱海軍，錢才富,等.自清洗過濾器結構特點與應用前景[J].石油和化工設備，2007，10(4)：68-70.

[3] 王愛偉.吸污式自清洗過濾器的開發與理論研究[D].北京：北京化工大學，2008.

[4] 潘子衡.自清洗過濾器的設計及過濾網承載能力分析[D].北京：北京化工大學，2009.

[5] 于旭永.自清洗過濾器內部機構受力特性研究[D].石河子：石河子大學，2014.

[6] 王愛偉，范德順.自清洗過濾器的分類及特點[J].過濾與分離，2008，18(2)：46-48.

[7] 李強強，宗全利， 劉貞姬,等.臥式自清洗網式過濾器排污時間試驗及計算[J].排灌機械工程學報，2014，32(12)：1098-1104.

[8] 陳大兵.燃氣輪機自清式過濾系統的運行和維護[J].燃氣輪機技術，2014，27(2)：58-61.

[9] 夏良燕.多聯產中低溫煤焦油加氫工藝及催化劑研究[D].杭州：浙江大學，2015.

[10] CB/T 497-1994.船用粗濾器[S].北京：中國船舶工業總公司，1995.

Design and Realization of Rotary Disk Self-cleaning Sea Chest Filter

LIU Haisong CHEN Ying LI Guangbo

(Navy Representative Office in Wenzhou, Zhoushan 316000)

The marine pollution situation of coastal waters in our country is increasing seriously, the defects of traditional sea chest filter is becoming more and more visible. Lack of impurities automatic cleaning and emission functions leads to the blocking and cleaning problem of traditional sea chest filter. According to the filter element of oil impurity separating device in petrochemical engineering and the characteristics of impurities in seawater, the rotary disk self-cleaning sea chest filter is designed. The function of impurities automatic cleaning and emission can be realized by means of the key structures such as rotary disk filter element and emission ejector. The results of prototype bench test show that the proposed design can effectively reduce the blocking probability and extend the maintenance cycle of equipment.

self-cleaning sea chest filter, rotary disk filter element, emission ejector

2016年5月15日,

2016年6月25日

劉海松，男，博士，工程師，研究方向：艦船建造中輪機專業檢測。

TH122

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.11.040