旋流網(wǎng)式組合型過濾器過濾性能研究

王柏林，劉煥芳，劉貞姬，宗全利

(1.石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，新疆 石河子 832003 ；2.新疆阜康抽水蓄能有限公司，烏魯木齊 830000)

微灌是西北干旱區(qū)農(nóng)業(yè)高效節(jié)水灌溉的主要形式之一，對區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展和水環(huán)境改善極其重要[1]。過濾器是微灌系統(tǒng)進(jìn)行水處理的關(guān)鍵設(shè)備，其過濾性能的好壞直接影響微灌系統(tǒng)的灌溉能力和使用年限，隨著微灌工程的不斷實施，如何選擇適宜的過濾設(shè)備來保障微灌系統(tǒng)安全運(yùn)行，同時獲得更優(yōu)的水處理能力和過濾效果；如何在不影響過濾器過濾效率的前提下減少能量損耗和延長過濾器運(yùn)行時間成為過濾器研究的主要方向[2]。然而，由于傳統(tǒng)單一型過濾裝置過濾能力有限、適應(yīng)性不強(qiáng)[3]，通過對單一過濾器的改進(jìn)難以滿足微灌技術(shù)的快速發(fā)展[4]。目前國內(nèi)外學(xué)者已將目光投向不同過濾器的優(yōu)化組合，以求達(dá)到新的突破[5]。本文針對一種已在大田廣泛應(yīng)用的旋流網(wǎng)式過濾器組合進(jìn)行試驗，分析其在不同含沙率條件下的過濾性能變化情況，以期為該裝置的工程應(yīng)用提供指導(dǎo)依據(jù)。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料與裝置

試驗在石河子大學(xué)水利大廳內(nèi)進(jìn)行, 試驗所用過濾系統(tǒng)采用旋流網(wǎng)式過濾器組合模式，通過串聯(lián)方式連接，一級過濾為旋流過濾器，網(wǎng)式過濾器作為二級過濾裝置與旋流過濾器對接，并且網(wǎng)式過濾器采用雙濾網(wǎng)并聯(lián)模式?？赏ㄟ^對網(wǎng)式過濾器處蝶閥的啟閉，及時對濾網(wǎng)進(jìn)行沖洗。裝置在實際應(yīng)用中可連接施肥罐，在連續(xù)穩(wěn)定供水的同時施肥，裝置具體連接方式見圖1。其中旋流器外形尺寸(高×直徑)為1 920 mm×700 mm，下設(shè)儲沙罐，進(jìn)水口直徑為150 mm。網(wǎng)式過濾器外形尺寸(高×直徑)480 mm×160 mm，濾網(wǎng)為鋼制，濾網(wǎng)規(guī)格100目，對應(yīng)網(wǎng)眼尺寸為0.15 mm，凈面積系數(shù)為0.36。

1-儲沙罐；2-球閥；3-蝶閥；4-旋流過濾器；5-進(jìn)水口；6-高精度壓力表；7-蝶閥；8-空氣閥；9-蝶閥；10-網(wǎng)式過濾器進(jìn)水多通管；11-蝶閥；12-水咀；13-網(wǎng)式過濾器；14-出水口；15-施肥罐；16-軟管圖1 旋流網(wǎng)式過濾裝置結(jié)構(gòu)示意圖

試驗裝置見圖2，由蓄水池、攪拌池、離心泵、過濾裝置、控制設(shè)備、監(jiān)控設(shè)備構(gòu)成。蓄水池和攪拌池為試驗提供所需水量及固定含沙率原水。離心泵采用臥式單級泵，可通過變頻裝置調(diào)節(jié)獲得所需流量。精度為0.2%高精度壓力表2塊，分別設(shè)置在旋流過濾器進(jìn)口段和網(wǎng)式過濾器出口段，用來測量過濾器組合后的局部水頭損失。進(jìn)水管道處設(shè)置型號為TDS-100P的便攜式超聲流量儀1臺，用來測量過濾裝置進(jìn)水流量及流速變化情況。

1-蓄水池；2-攪拌池；3-出水管；4-進(jìn)水管；5-過濾器；6-離心泵圖2 旋流網(wǎng)式過濾器組合試驗裝置示意圖

1.2 試驗設(shè)計與方法

設(shè)置清水試驗和渾水試驗2種試驗處理。清水試驗時，依靠控制裝置對離心泵的頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，達(dá)到對進(jìn)水管流量的變量控制，當(dāng)設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定后記錄壓力表數(shù)值，得出其在無阻塞情況下的局部水頭損失規(guī)律。渾水試驗時，選用天然河床河沙作為固相顆粒雜質(zhì)。通過實際調(diào)研資料分析，確定進(jìn)水口含沙率為0.14、0.19、0.24 g/L。試驗準(zhǔn)備階段對所選沙樣進(jìn)行干燥及人工篩濾，去除大顆粒無機(jī)雜質(zhì)或有機(jī)顆粒。試驗開始階段開啟攪拌池，均勻倒入固相顆粒雜質(zhì)以保證進(jìn)水管含沙率均勻穩(wěn)定。依照清水試驗所選流量點(diǎn)，依次從小流量向大流量過渡。根據(jù)旋流過濾器的運(yùn)行條件和網(wǎng)式過濾器額定處理能力，確定測試流量范圍為60～180 m3/h，每間隔20 m3/h設(shè)測試點(diǎn)。試驗時通過控制裝置調(diào)節(jié)流量到待測值后，每隔30 s記錄壓力表數(shù)值，當(dāng)出水口流量減小為試驗流量的80%時停止試驗，并對過濾器進(jìn)行清洗。以此分析旋流網(wǎng)式過濾器在不同流量情況下的水頭損失變化規(guī)律及其在應(yīng)對不同含沙率水流時的過濾性能變化規(guī)律。

2 試驗結(jié)果與分析

本組合式過濾裝置充分利用旋流過濾器的高保障濾和網(wǎng)式過濾器的精細(xì)過濾特性，在避免旋流過濾器開關(guān)機(jī)過程中因水流紊亂導(dǎo)致的過濾精度下降的同時，降低了網(wǎng)式過濾器過濾壓力，有效地延長了過濾裝置穩(wěn)定運(yùn)行時間[6]。

2.1 過濾裝置水頭損失變化規(guī)律分析

組合式過濾裝置水頭損失情況較為復(fù)雜，主要包括進(jìn)水口局部水頭損失、出水口局部水頭損失、網(wǎng)式過濾器局部水頭損失、旋流過濾器局部水頭損失和沿程管道水頭損失。其計算公式可采用如下公式[7]：

(1)

式中：hf為旋流網(wǎng)式過濾器總局部水頭損失，m；∑ξ為各部分局部水頭損失系數(shù)求和；V為進(jìn)水管流速， m3/h。

其中旋流過濾器因其結(jié)構(gòu)特殊，主要依靠液體旋流所產(chǎn)生的離心力場來達(dá)到過濾目標(biāo)，經(jīng)驗公式如下：

(2)

式中：Δhx為旋流器局部水頭損失，m；Di為旋流器溢流管直徑，m；D0為旋流器進(jìn)水口直徑，m。

可看出其局部水頭損失主要受旋流過濾器尺寸和過濾流量影響。因此，在來水條件固定情況下其水頭損失不會發(fā)生大的波動。從圖3可以看出，旋流網(wǎng)式過濾器水頭損失伴隨流量增大而持續(xù)增長，且伴隨流量增大，過濾器水頭損失增速情況加劇，與公式分析結(jié)果相符。

圖3 清水條件下過濾器水頭損失曲線

通過清水試驗處理得到各流量時局部水頭損失情況，擬合得出水頭損失隨流量變化公式H=0.000 2Q2-0.001 1Q-0.265 8，其中R2=0.997表明公式擬合程度較高。當(dāng)流量小于60 m3/h時，壓力降不能達(dá)到旋流器對壓力降的要求，導(dǎo)致空氣閥無法閉合。當(dāng)流量在100～180 m3/h時，從圖3中可以明顯看出過濾器水頭損失受過濾流量影響較大，且隨著流量增大，局部水頭損失增長趨勢加劇。

如圖4所示，當(dāng)流量范圍在100～180 m3/h時，其水頭損失曲線表現(xiàn)為雙段式。設(shè)備在開始階段平穩(wěn)運(yùn)行，水壓力穩(wěn)定。當(dāng)拐點(diǎn)1出現(xiàn)時，水頭損失有小范圍增速加據(jù)。隨后過濾過程進(jìn)入第2段穩(wěn)定運(yùn)行階段。此階段設(shè)備持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，但隨著水頭損失的增長，進(jìn)水口流量減少為初始流量的85%～90%。拐點(diǎn)2出現(xiàn)時，其特性與單一網(wǎng)式過濾器相似，隨著網(wǎng)式過濾器濾網(wǎng)被固相顆粒阻塞，濾網(wǎng)過流面積減少，導(dǎo)致濾網(wǎng)處水流流速增大，局部水頭損失急劇增長。

圖4 100～180 m3/h流量條件下水頭損失變化曲線(含沙率0.19 g/L)

影響旋流過濾器過濾效率的主要因素為固液介質(zhì)二相的密度差，當(dāng)進(jìn)水口流量一定且裝置結(jié)構(gòu)尺寸不變時，其所能過濾的固相顆粒粒徑和過濾效率是固定的。同時旋流過濾器是一種可連續(xù)作用的開放式結(jié)構(gòu)，其后對接的網(wǎng)式過濾裝置因有效過流面積減小導(dǎo)致過流阻力增加時，旋流過濾器內(nèi)水流紊亂情況無法避免。而旋流過濾器過濾性能受進(jìn)水口流速和流場的穩(wěn)定性影響，裝置總體過流能力的下降在導(dǎo)致串聯(lián)系統(tǒng)中旋流過濾器內(nèi)流場的改變的同時，這一過程中的水流流態(tài)紊亂也導(dǎo)致未經(jīng)處理的固相顆粒雜質(zhì)進(jìn)入到溢流管中，造成網(wǎng)式過濾器被多粒徑固相顆粒雜質(zhì)阻塞。當(dāng)旋流器再次形成穩(wěn)定的離心力場后，其在該條件下繼續(xù)對來水進(jìn)行過濾。當(dāng)網(wǎng)式過濾器清潔度達(dá)到導(dǎo)致水頭損失急劇增長值時，過流量急劇減少，且總局部水頭損失顯著增長。

如圖5所示，當(dāng)流量范圍在60～80 m3/h時，旋流網(wǎng)式過濾器局部水頭損失隨時間變化曲線表現(xiàn)為單拐點(diǎn)，其特性與傳統(tǒng)網(wǎng)式過濾器相似[8]。這是因為旋流過濾器在小流量條件下運(yùn)行，過濾性能主要依靠重力場和弱離心力場的共同作用，而該類型裝置對來水流速、流態(tài)要求較高，只有當(dāng)其水頭損失大于3 m時，才能形成足夠的離心力，達(dá)到分離效果。當(dāng)網(wǎng)式過濾器濾網(wǎng)阻塞，導(dǎo)致的進(jìn)水口流量減小時，旋流過濾器內(nèi)流體無法在流量下降條件下再次形成穩(wěn)定離心力場，水流流態(tài)失穩(wěn)導(dǎo)致過濾精度下降，旋流過濾器失效。因此，伴隨著濾網(wǎng)被阻塞面積的增長，水頭損失顯著增長，曲線表現(xiàn)為單拐點(diǎn)。

圖5 60～80 m3/h流量條件下水頭損失變化曲線(含沙率0.19 g/L)

2.2 含沙率對過濾器組合過濾性能的影響

因組合式過濾裝置構(gòu)造復(fù)雜，在對所得數(shù)據(jù)分析的過程中發(fā)現(xiàn)其局部水頭損失受流量影響較為顯著，且在不同的流量范圍內(nèi)表現(xiàn)為不同的增長趨勢。根據(jù)局部水頭損失增長規(guī)律的趨勢不同，將本試驗劃分為小流量(60～80 m3/h)和大流量(100～180 m3/h)2種情況并分段分部進(jìn)行相應(yīng)分析。

圖6為Q=140 m3/h時，組合過濾裝置在不同含沙率條件下水頭損失隨時間變化曲線。從圖6中可知，在Q=140 m3/h流量條件下，所選的3種含沙率均呈現(xiàn)出雙段式典型特征，其運(yùn)行周期中出現(xiàn)明顯的雙拐點(diǎn),拐點(diǎn)出現(xiàn)時間隨著含沙率的減少呈現(xiàn)推后的趨勢，其中0.14 g/L拐點(diǎn)1出現(xiàn)時間在0.24和0.19 g/L之間，且當(dāng)含沙率為0.14和0.19 g/L時，其拐點(diǎn)2出現(xiàn)時間較為接近，而當(dāng)含沙率為0.24 g/L時拐點(diǎn)2出現(xiàn)時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)早于0.19 g/L。當(dāng)過濾器在含沙率為0.24 g/L條件下運(yùn)行時，相比于中低檔含沙率情況其第2段平穩(wěn)運(yùn)行時間明顯減少。這是因為旋流過濾器過濾精度和過濾效率主要受流速所帶來的離心力場和水流流態(tài)的影響，伴隨著拐點(diǎn)一出現(xiàn)后的流量減少，其不但對旋流過濾器的分離強(qiáng)度造成影響，同時伴隨著水流流態(tài)的變化，其內(nèi)部流場流態(tài)失穩(wěn)，大量未經(jīng)旋流過濾器處理的紊亂水流從溢流管進(jìn)入網(wǎng)式過濾器。與此同時，由于旋流過濾器的短路流和邊壁流的存在，進(jìn)一步加劇了網(wǎng)式過濾器過濾負(fù)擔(dān)[9]。從圖6中可以看出，在不同含沙率條件下，拐點(diǎn)1出現(xiàn)后過濾器的水頭損失變化的時間周期相近，當(dāng)含沙率明顯增長時，該過程中大含沙率來水將更多的固相顆粒雜質(zhì)帶入網(wǎng)式過濾器，造成了濾網(wǎng)的過量阻塞。根據(jù)對試驗數(shù)據(jù)的分析可以看出：在各流量條件下，其達(dá)到穩(wěn)定所需時間未發(fā)生較為明顯變化。在第2段平穩(wěn)運(yùn)行階段之初，清潔度雖未達(dá)到導(dǎo)致網(wǎng)式過濾器局部水頭損失顯著增長的值，但其有效過流面積已經(jīng)開始減少，故第2段穩(wěn)定運(yùn)行階段明顯縮短。

圖6 Q=140 m3/h時不同含沙率水頭損失隨時間變化規(guī)律

由圖7可知，當(dāng)組合式過濾裝置在小流量條件下運(yùn)行時，其過濾時間隨著含沙率的減少而增長。其中0.19和0.24 g/L表現(xiàn)為單拐點(diǎn)。這是因為當(dāng)組合式過濾裝置在小流量條件下運(yùn)行時，旋流過濾器因其結(jié)構(gòu)的特殊性，不能在進(jìn)口流速條件下形成高效的離心力場，過濾主要依靠網(wǎng)式過濾器完成。而引起濾網(wǎng)局部水頭損失增長的清潔度固定，故在不更換裝置的條件下，其所能承載的固相顆粒雜質(zhì)總重相近，因此不同含沙率下的過濾時間出現(xiàn)了這種線性增長的趨勢。0.14 g/L情況下出現(xiàn)與大流量條件類似的雙段式曲線，這主要是因為當(dāng)含沙率降低時，其在單位時間內(nèi)進(jìn)入網(wǎng)式過濾器的固相顆粒雜質(zhì)減少，當(dāng)其清潔度達(dá)到引起水頭損失改變的值時，表現(xiàn)出波動，因此小流量時進(jìn)水口含沙率是導(dǎo)致水頭損失曲線表現(xiàn)為雙拐點(diǎn)的重要因素。

圖7 流量80 m3/h時，不同含沙率下水頭損失隨時間變化規(guī)律

2.3 旋流網(wǎng)式過濾器最佳工況條件分析

根據(jù)過濾器設(shè)計過流量與網(wǎng)式過濾器濾網(wǎng)面積的關(guān)系式[10]：

Q=3 600fAv

(3)

式中：A為過濾器濾網(wǎng)面積；f為濾網(wǎng)的凈面積系數(shù)。

計算可知：試驗所選用網(wǎng)式過濾器在單獨(dú)工作過程中，對應(yīng)設(shè)計流量為82 m3/h。從60～180 m3/h的流量范圍內(nèi)對組合式過濾裝置過濾時間的統(tǒng)計分析及對比情況來看，該組合式過濾裝置在該濾網(wǎng)面積下處理120～140 m3/h來水時，穩(wěn)定運(yùn)行時間較長，且在處理不同含沙率來水條件時，過濾性能無明顯波動。出現(xiàn)這種情況的原因是，旋流網(wǎng)式組合式過濾器末端的網(wǎng)式過濾器的存在，保證了組合式過濾裝置在該過濾裝置在過濾標(biāo)準(zhǔn)下穩(wěn)定運(yùn)行，而其首部作為初級處理的旋流式過濾器發(fā)揮作用，將大部分固相顆粒雜質(zhì)過濾至集沙箱，減輕了網(wǎng)式過濾器處理壓力。而決定網(wǎng)式過濾器阻塞的因素主要有濾網(wǎng)目數(shù)、固相顆粒雜質(zhì)級配和濾網(wǎng)阻塞程度，不同流量情況下，淤積情況雖各有不同，但其在不同流量下網(wǎng)式過濾器所能承載的固相顆粒雜質(zhì)總重規(guī)律相近。當(dāng)流量在120～140 m3/h情況下運(yùn)行時，旋流過濾器可在較高的保證率下運(yùn)行，且其在協(xié)同過程中，進(jìn)入網(wǎng)式過濾器的未處理雜質(zhì)較少。

從表1中可以看出，隨著含沙率的增長，過濾時間依次遞減，其中當(dāng)含沙率為0.24 g/L時下降極為明顯，正常運(yùn)行時間相比于另外2組含沙率下降約40%，故本裝置不適宜高含沙率情況下運(yùn)行，其最優(yōu)處理能力為0.14～0.19 g/L ，因?qū)嶋H工程中，過濾器首部多設(shè)置沉沙池等構(gòu)造來降低進(jìn)水含沙率，通過實際觀測與野外調(diào)研得知，0.19 g/L為新疆范圍內(nèi)主要含沙率，大田微灌來水含沙率均小于該數(shù)值，故本裝置可良好的適應(yīng)區(qū)域水源的需要，具有良好的適應(yīng)能力。

表1 不同含沙率條件下，大流量運(yùn)行時間對比

觀察表2可以發(fā)現(xiàn)，在小流量下隨著含沙率的增加，第1階段運(yùn)行時間減小明顯。當(dāng)流量在60～80 m3/h時，旋流過濾器不能形成穩(wěn)定的離心力場導(dǎo)致其不能有效的投入工作，大部分過濾壓力集中在網(wǎng)式過濾器上。從集沙箱的排沙情況可以看出，旋流過濾器在小流量條件下仍然發(fā)揮過濾作用，但對組合式過濾器本身，與單一網(wǎng)式過濾器相比提升幅度有限。所以不推薦旋流網(wǎng)式過濾器在小流量下工作。

表2 不同含沙率小流量運(yùn)行時間對比

3 結(jié) 語

(1)組合式過濾裝置水頭損失在大流量條 件下表現(xiàn)為明顯的雙段式，2個拐點(diǎn)，2段穩(wěn)定運(yùn)行階段，1次協(xié)同。該特性有別于傳統(tǒng)型過濾裝置，對大型過濾站系統(tǒng)的水頭損失產(chǎn)生因素和特性具有一定的指導(dǎo)作用。小流量條件下與傳統(tǒng)網(wǎng)式過濾器水頭損失隨時間變化情況相類似，與其相對接的旋流過濾器在水頭損失小于3m的情況下仍然發(fā)揮其部分過濾作用，提高了組合式過濾裝置在該條件下的穩(wěn)定運(yùn)行時間。

(2)網(wǎng)式過濾器濾網(wǎng)被阻塞面積增大導(dǎo)致的水頭損失顯著增長，是大流量條件下(100～180 m3/h)水頭損失隨時間變化曲線表現(xiàn)為雙段式的原因。拐點(diǎn)出現(xiàn)后，因進(jìn)口流速減小導(dǎo)致的旋流過濾器離心力場強(qiáng)度改變，是水頭損失隨時間變化曲線表現(xiàn)為雙段式的另一原因。拐點(diǎn)1出現(xiàn)后，旋流過濾器內(nèi)流態(tài)改變導(dǎo)致部分固相顆粒雜質(zhì)進(jìn)入網(wǎng)式過濾器是大流量條件下穩(wěn)定運(yùn)行時間縮減的重要原因。

(3)組合式過濾裝置在處理不同含沙率的水源條件時，過濾性能差異較大。進(jìn)口流量在60～80 m3/h時，伴隨含沙率的增長，裝置水頭損失表現(xiàn)為線性增長。進(jìn)口流量在100～140 m3/h時，當(dāng)水源含沙率呈線性增長時，裝置穩(wěn)定運(yùn)行時間呈加劇縮減的趨勢。當(dāng)流量在160～180 m3/h時，相比于140 m3/h流量條件，過濾周期縮減了40%。

(4)當(dāng)含沙率條件小于0.19 g/L且進(jìn)水口流量小于140 m3/h時，組合式過濾裝置穩(wěn)定運(yùn)行時長最優(yōu)。為確保旋流過濾器上端空氣閥閉合，保證裝置密封性，組合式過濾裝置不適宜在流量小于60 m3/h條件下運(yùn)行。

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