刘海松 陈 颖 李广波

(海军驻温州地区军事代表室 舟山 316000)



碟片式自清洗海底门过滤器的设计与实现*

刘海松 陈 颖 李广波

(海军驻温州地区军事代表室 舟山 316000)

针对传统海底门过滤器不具有备杂质自清理、自动排污功能，因近海海域污染严重而导致堵塞频发、清洗困难等现状，借鉴炼油设备——油杂分离装置的滤芯结构，结合海水中杂质特性适应性改进了旋转碟片式滤芯、排污喷射泵等关键结构，成功设计了碟片式自清洗海底门过滤器。样机台架试验表明该过滤器能够有效减少堵塞几率，延长设备保养周期，可大幅度减轻舰员工作强度。

自清洗海底门过滤器; 旋转碟片式滤芯; 排污喷射泵

Class Number TH122

1 引言

近年来我国海洋污染形势日益严峻，河流携带入海的污染物数量持续增加，海水中无机氮、活性磷酸盐、石油类和化学需氧量(CODCr)等超标污染物使我国呈富营养化状态的海域面积逐年增大。加上全球气候变暖的影响，海洋中的浮游动、植物如桡足类、水母类、硅藻和甲藻等迅速繁殖[1]。另外海洋中废弃塑料制品垃圾越来越多，很多塑料垃圾经由内陆水域流向大海，在长途旅行中被阳光和海浪慢慢分解成小碎片，成为海水中的悬浮物。这些悬浮于海水中的浮游生物和塑料碎片的增加，不仅对海洋生态环境造成威胁，也对船舶维护保养和航行安全造成严重影响。

海底门过滤器用于过滤全船的吸入海水，提供给主辅机冷却、消防等设备使用。传统海水过滤器滤芯一般采用金属滤网，孔径一般在Φ1.5～3.0mm左右，滤器滤出的杂质残留在滤网上。因此，随着海洋污染物的增加，直接导致停泊或航行在我国港口及近海航道的船舶经常出现海底门过滤器堵塞的情况，从而影响海水正常供给，使得海水冷却系统循环不畅，严重时甚至威胁主辅机等重要设备的安全。

本文针对传统海水过滤器存在的主要问题，设计了一种具有杂质自动清理、自动排污功能的海底门过滤器，并对样机进行了试验验证，结果表明该过滤器能够有效减少堵塞几率、延长设备保养周期、减轻舰员工作强度。

2 总体方案

传统的海底门过滤器(CB/T 497-94)采用简单滤网结构，主要存在以下问题：

1) 海水进入滤器后流速减小，水温升高，海洋浮游动植物很容易在滤器中繁殖，导致滤网堵塞(如图1)。

图1 海水过滤器内部堵塞情况

2) 在出现大量鱼群、贝类、及较大面积塑料膜等吸入的极端情况时，会导致过滤器无法正常工作，只能人工拆卸清理。

3) 过滤器清洗时需拆卸端盖，端盖体积大、重量重，再加上海水中的泥沙沉积、贝类增生导致滤器进出口阀经常无法完全关闭，使得滤器清洗工作难度大、强度高。

针对上述问题，本题在设计中遵循以下原则： 1) 对船体的结构和传统海底门结构尽量不作改动，便于用户设计选型； 2) 为船舶设备提供足量的洁净海水，不影响船舶设备正常工作； 3) 可靠性高、使用简便，延长维护保养周期。

根据这一设计原则，本题在查阅国内外相关文献的基础上[2～8]，先后提出了刮片式、反冲洗式和碟片式三种过滤器设计方案。其中，刮片式过滤器是在传统滤器的滤芯上增加了刮片，通过定时旋转刮片把滤芯上的附着物刮掉。反冲洗式过滤器的工作原理是通过高压水流的冲洗将滤网上的附着物剥离。经过样机验证，这两种型式虽然具备一定的自清效果，但仍存在不同程度的缺陷：如刮片型式存在无法清除滤网孔中的附着物、对刮板和滤筒的配合间隙精度要求高、机械结构可靠性不高、使用寿命短等问题；反冲洗型式则存在冲洗不彻底、耗水量和耗电量大等问题。经反复验证，本题最终选择碟片式过滤器方案。

碟片式过滤器借鉴了石油炼制过程中原油进入初馏塔前油杂分离设备[9]的滤芯结构形式，并结合海水中杂质的特性进行适应性改进。碟片式过滤器由滤器本体、旋转碟片式滤芯、排污喷射泵、驱动电机、电控箱等部分组成，滤器外形结构如图2所示。

图2 海底门过滤器外形结构

滤器本体采用CB/T 497规定的标准结构形式和外形尺寸，海水通过旋转碟片式滤芯进行过滤，并利用驱动电机转动滤芯将过滤通道上的附着物剥离，防止海洋生物等在滤器内繁殖，最后通过排污喷射泵将沉淀在滤器底部的杂质排出，具体工作流程如图3所示。

图3 海水过滤器工作流程

3 关键技术

3.1 滤芯结构形式

传统海水过滤器随着使用时间的增加，滤芯上的附着物会越来越多，越来越难剥离，如不进行人工清理最终会使滤网堵塞。针对这一问题，本题设计了旋转碟片式滤芯实现了滤芯附着物的自动剥离。

旋转碟片式滤芯由中间轴、定片、动片、垫片、两侧法兰、定片固定轴、分流罩等部分组成(如图4)。其中，中间轴连接驱动机构，动片和定片穿在中间轴上，当中间轴旋转时，动片在两块定片的间隙中运转(如图5)，定片和动片的间隙构成了海水过滤通道。分流罩上均匀分布有透水圆孔，用于将滤芯1/2圆柱体外侧面封闭成为一个净水空腔，防止滤出的杂质流入海水总管。

图4 旋转碟片式滤芯结构

图5 滤芯动片转动方式

3.2 滤通面积计算

根据海底门过滤器标准要求，滤网通道面积SF(以下简称滤通面积)与公称通径面积SDN的比值应不小于2.5[10]：

(1)

旋转碟片式滤芯为圆柱体结构(底面直径为D，高为H)，定片和动片之间的间隙高度为h，间隙高度通过垫片调整。由于分流罩的设置，其滤通面积SF为各定片与动片间高度为h的半圆柱外侧面积之和：

(2)

式中，n为间隙的数量，即定片的数量；间隙高度h由过滤精度决定，即通过滤器的最大固体颗粒直径尺寸，本文设定为2.5mm。

下面以CB/T 497中规定的最大通径DN500为例，进行滤芯的滤通面积进行计算。

1) 过滤器入口截面积SDN为

2) 根据该型过滤器筒体结构尺寸(筒体外径D0=854mm，壁厚δ=12mm，高度H0=1120mm)，设计圆柱体滤芯尺寸为Φ560×1002mm，由268个动片、269个定片组成的，间隙高度设为2.5mm，其滤通面积SF为

SF=280×3.14×2.5×269≈5.91×105(mm2)

3) 滤通面积比SF/SDN为

即滤通面积达到为公称通径面积的3倍，满足设计要求。

3.3 自排污功能设计

自排污功能通过喷射泵实现，可以将滤器内沉淀的杂质经由筒体下部的排污口排出。排出方式可以选择舱内排污或舷外排污方式。舱内排污方式是通过喷射泵排至污水井，并通过网兜收集大颗粒杂质；舷外排污方式则是通过管道直接排到船舷外。

3.4 驱动方式及控制

旋转碟片式滤芯的驱动方式可以根据船的实际情况选择，主要有三种方式： 1) 手动驱动; 2) 气动驱动; 3) 电动驱动，如图6所示。

图6 滤芯驱动方式

基于电动驱动方式可以实现过滤器滤芯的自动旋转和自动排污功能。通过单片机或PLC编程可以实现滤芯的自动旋转、停止及故障报警，转动频率、运行时间、启停时机可在程序中设置。

自动排污功能需要结合差压传感器信号确定排污时机。随着海底门过滤器使用时间的增加，从海水中过滤出的杂质会逐步在筒体底部沉积，当杂质数量堆积到一定程度时，滤器进出口压差会发生改变，在进出口端设置差压传感器采集压差信号，喷射泵启停时对应的压差值可以通过程序设定。

4 试验验证

成功试制了如图7所示旋转式自清洗海底门过滤器样机，并在如图8所示试验台架上进行了杂质自动剥离效果、排污效率、过滤效率、流通量、可靠性等性能测试。台架试验表明该过滤器各项性能指标均满足要求，具有较好的杂质自清效果，能够极大地延长设备保养周期。

图7 旋转式自清洗海底门过滤器样机

图8 台架试验装置

[1] 中国国家海洋局.2015年中国海洋环境状况公报[EB/OL].中国海洋信息网，2016-04-14.

[2] 王爱伟，朱海军，钱才富,等.自清洗过滤器结构特点与应用前景[J].石油和化工设备，2007，10(4)：68-70.

[3] 王爱伟.吸污式自清洗过滤器的开发与理论研究[D].北京：北京化工大学，2008.

[4] 潘子衡.自清洗过滤器的设计及过滤网承载能力分析[D].北京：北京化工大学，2009.

[5] 于旭永.自清洗过滤器内部机构受力特性研究[D].石河子：石河子大学，2014.

[6] 王爱伟，范德顺.自清洗过滤器的分类及特点[J].过滤与分离，2008，18(2)：46-48.

[7] 李强强，宗全利， 刘贞姬,等.卧式自清洗网式过滤器排污时间试验及计算[J].排灌机械工程学报，2014，32(12)：1098-1104.

[8] 陈大兵.燃气轮机自清式过滤系统的运行和维护[J].燃气轮机技术，2014，27(2)：58-61.

[9] 夏良燕.多联产中低温煤焦油加氢工艺及催化剂研究[D].杭州：浙江大学，2015.

[10] CB/T 497-1994.船用粗滤器[S].北京：中国船舶工业总公司，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

刘海松，男，博士，工程师，研究方向：舰船建造中轮机专业检测。

TH122

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.11.040