水力驅(qū)動(dòng)自清洗網(wǎng)式過(guò)濾器水力性能試驗(yàn)研究

雷建花，崔春亮，崔 瑞，賽衣旦， 楊 靜

（1.新疆水利水電科學(xué)研究院，新疆烏魯木齊830049；

2.烏魯木齊希水節(jié)水設(shè)備研究開(kāi)發(fā)中心，新疆烏魯木齊830049）

1 引 言

新疆地處典型的內(nèi)陸干旱、半干旱地區(qū),氣候干燥,降雨稀少,蒸發(fā)強(qiáng)烈,年平均降水量147 mm,年蒸發(fā)能力2 500～2 600 mm,人均水資源量3 531 m3,總體上水資源緊缺。截至2015年底,新疆農(nóng)田灌溉面積491萬(wàn)hm2,其中節(jié)水灌溉面積241萬(wàn)hm2。新疆水利發(fā)展“十三五”規(guī)劃中提出,到2020年新疆農(nóng)業(yè)高效節(jié)水建設(shè)面積達(dá)到286.6萬(wàn)hm2［1］。隨著節(jié)水灌溉技術(shù)的發(fā)展,具有自清洗功能的過(guò)濾器成為新疆節(jié)水灌溉系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備之一。

自清洗網(wǎng)式過(guò)濾器是目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最廣泛的過(guò)濾器之一,是保證整個(gè)微灌系統(tǒng)正常運(yùn)行的核心設(shè)備［2］。自清洗網(wǎng)式過(guò)濾器一般分為立式、臥式或內(nèi)濾式、外濾式；按清洗方式可分為吸污式、刷式（刮式)、反沖洗式；按清洗動(dòng)力可分為水力驅(qū)動(dòng)式和電機(jī)驅(qū)動(dòng)式［3］。目前國(guó)內(nèi)對(duì)自清洗網(wǎng)式過(guò)濾器進(jìn)行了大量的研究工作,劉煥芳等［4-6］對(duì)自清洗網(wǎng)式過(guò)濾器的水力性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究,得到過(guò)濾器清水和渾水條件下的水頭損失公式、過(guò)濾時(shí)間及自清洗時(shí)間變化規(guī)律等；宗全利等［2,7-10］通過(guò)滴灌自清洗網(wǎng)式過(guò)濾器全流場(chǎng)數(shù)值模擬與分析,得出了過(guò)濾器最優(yōu)化的結(jié)構(gòu)尺寸,對(duì)大田滴灌自清洗網(wǎng)式過(guò)濾器的水頭損失進(jìn)行了試驗(yàn)研究,給出了過(guò)濾器排污壓差計(jì)算方法等；劉建華等［11-12］設(shè)計(jì)了水力驅(qū)動(dòng)全自動(dòng)過(guò)濾器,并分析了過(guò)濾器的結(jié)構(gòu)原理以及過(guò)濾器參數(shù)的確定；孟劍等［13］對(duì)微灌系統(tǒng)全自動(dòng)反沖洗過(guò)濾器的水力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)研究和設(shè)計(jì)。

傳統(tǒng)的網(wǎng)式過(guò)濾器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜的優(yōu)點(diǎn),但不具有自動(dòng)清洗功能,濾網(wǎng)堵塞需要人工清洗,清洗不及時(shí)則易產(chǎn)生憋壓、爆網(wǎng)等事故,無(wú)法適應(yīng)目前高效節(jié)水規(guī)?；?、自動(dòng)化的發(fā)展方向。自清洗網(wǎng)式過(guò)濾器是在傳統(tǒng)網(wǎng)式過(guò)濾器基礎(chǔ)上研發(fā)的,由自動(dòng)清洗控制系統(tǒng)通過(guò)壓差、時(shí)間設(shè)定來(lái)控制自動(dòng)清洗裝置,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)排污。該設(shè)備具有自動(dòng)化程度高、過(guò)濾和清洗效率高、清洗過(guò)程中不間斷供水的優(yōu)點(diǎn)。

新疆水利水電科學(xué)研究院自主研發(fā)了水力驅(qū)動(dòng)自清洗網(wǎng)式過(guò)濾器,與前人研究的自清洗網(wǎng)式過(guò)濾器的不同之處有以下幾個(gè)方面：①研制出水力扭力耦合驅(qū)動(dòng)裝置,較傳統(tǒng)的單力矩結(jié)構(gòu)運(yùn)行更平穩(wěn),驅(qū)動(dòng)壓力小,扭矩大。水力扭力耦合驅(qū)動(dòng)裝置的作用是把水流自身的能量轉(zhuǎn)化成機(jī)械能來(lái)驅(qū)動(dòng)排污軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。②研制出循環(huán)往復(fù)軸機(jī)械裝置,實(shí)現(xiàn)了排污軸循環(huán)往復(fù)雙向清洗,與水動(dòng)活塞單向清洗相比,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn),而且清洗效率提高一倍,故障率低；與排污軸無(wú)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的水動(dòng)過(guò)濾器相比,具有工作壓力要求低、排污用水量小的優(yōu)點(diǎn)。③吸污嘴結(jié)構(gòu)有創(chuàng)新性,與排污軸無(wú)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的水動(dòng)過(guò)濾器相比較,吸污裝置由平行旋轉(zhuǎn)掃描濾網(wǎng)表面進(jìn)行面掃描改為垂直螺旋掃描濾網(wǎng)表面進(jìn)行線(xiàn)掃描,排污力強(qiáng)。④該過(guò)濾器不依靠電力驅(qū)動(dòng),適用于沒(méi)有電力供應(yīng)的自壓滴灌系統(tǒng)首部水處理系統(tǒng)。

2 自主研發(fā)水力驅(qū)動(dòng)自清洗網(wǎng)式過(guò)濾器的結(jié)構(gòu)和工作原理

自主研發(fā)的水力驅(qū)動(dòng)自清洗網(wǎng)式過(guò)濾器采用吸污式和水力扭力耦合驅(qū)動(dòng)反沖洗相結(jié)合,在排污結(jié)構(gòu)上有很大的創(chuàng)新。該過(guò)濾器為臥式結(jié)構(gòu),不銹鋼過(guò)濾罐安裝在水平供水管上,通過(guò)進(jìn)水管、出水管連接不銹鋼過(guò)濾罐,在進(jìn)、出水管之間的供水管上安裝檢修閥,不銹鋼過(guò)濾罐內(nèi)分隔成粗過(guò)濾腔、細(xì)過(guò)濾腔和排污腔,進(jìn)水管連接粗過(guò)濾腔,出水管連接細(xì)過(guò)濾腔,在不銹鋼過(guò)濾罐內(nèi)安裝傳動(dòng)軸,在粗過(guò)濾腔的傳動(dòng)軸上設(shè)置往復(fù)傳動(dòng)裝置,位于細(xì)過(guò)濾腔內(nèi)的傳動(dòng)軸上設(shè)置吸污嘴,在排污腔的傳動(dòng)軸上設(shè)置水力扭力驅(qū)動(dòng)桿,排污腔的排污口連接排污電磁閥（見(jiàn)圖1)。

圖1 水力驅(qū)動(dòng)自清洗網(wǎng)式過(guò)濾器裝配示意

水力驅(qū)動(dòng)自清洗網(wǎng)式過(guò)濾器工作原理如下：過(guò)濾時(shí),渾水由進(jìn)水口進(jìn)入粗過(guò)濾腔,通過(guò)5目粗濾網(wǎng)初步過(guò)濾掉一些粗顆粒泥沙和大顆粒雜物后,水流由粗過(guò)濾腔流入細(xì)過(guò)濾腔；然后水流經(jīng)過(guò)細(xì)過(guò)濾網(wǎng)（本次試驗(yàn)用100目濾網(wǎng)),水流中的雜質(zhì)截留在細(xì)過(guò)濾網(wǎng)表面,過(guò)濾干凈的水由出水口進(jìn)入供水管道。細(xì)過(guò)濾網(wǎng)表面的污物聚集到一定程度,進(jìn)水口和出水口之間的壓差會(huì)增大,當(dāng)壓差達(dá)到過(guò)濾器控制器設(shè)定的壓差值時(shí),過(guò)濾器控制器就會(huì)發(fā)出清洗指令,打開(kāi)排污口處的電磁閥。排污腔內(nèi)的污水從吸污嘴進(jìn)入排污軸,從排污嘴處高速流入水力扭力腔內(nèi),污水經(jīng)過(guò)排污電磁閥排出。水力扭力裝置在水流的噴射作用下形成一對(duì)大小相等、方向相反的力矩,推動(dòng)排污軸旋轉(zhuǎn)。排污軸的另一端設(shè)置循環(huán)往復(fù)軸,循環(huán)往復(fù)軸在固定滑塊的導(dǎo)向作用下帶動(dòng)排污軸作左右螺旋往復(fù)運(yùn)動(dòng)。排污軸轉(zhuǎn)動(dòng)后帶動(dòng)吸污嘴沿圓柱體濾網(wǎng)面作螺旋往復(fù)運(yùn)動(dòng),吸污嘴與細(xì)過(guò)濾網(wǎng)之間產(chǎn)生很大的吸力,將細(xì)濾網(wǎng)表面附著的有機(jī)質(zhì)、泥沙顆粒等雜質(zhì)清理干凈。濾網(wǎng)清洗干凈后,內(nèi)外壓差就降低了,于是控制器關(guān)閉排污電磁閥,不再排出污水,過(guò)濾器恢復(fù)到正常工作狀態(tài)。過(guò)濾器在清洗過(guò)程中,可實(shí)現(xiàn)不間斷地過(guò)濾和供水。

過(guò)濾器的外殼材料采用304不銹鋼,質(zhì)量輕,強(qiáng)度高,耐腐蝕,使用壽命長(zhǎng),檢修方便。粗濾網(wǎng)采用316L不銹鋼鋼板一次沖壓成形,濾網(wǎng)內(nèi)壁光滑。細(xì)濾網(wǎng)有兩層濾網(wǎng)復(fù)合而成,外骨架采用316L不銹鋼鋼板一次沖壓成形,高壓工作時(shí)不易變形,濾網(wǎng)整體同心度較好,精密不銹鋼濾網(wǎng)黏接固定在骨架內(nèi)表面上,從結(jié)構(gòu)上保證濾網(wǎng)有效過(guò)濾面積大、具有抗變形剛度和強(qiáng)度大。吸污嘴采用工程塑料材質(zhì),表面光滑不易滯留雜物,質(zhì)量輕,旋轉(zhuǎn)靈活；空心軸采用316L不銹鋼管精密加工,同心度好。過(guò)濾器為臥式安裝,結(jié)構(gòu)輕便緊湊,占地少,安裝維護(hù)方便。

水力驅(qū)動(dòng)自清洗網(wǎng)式過(guò)濾器控制器工作原理：自動(dòng)清洗控制器事先設(shè)定好自動(dòng)清洗程序,控制啟動(dòng)反沖洗周期可通過(guò)3種方式實(shí)現(xiàn),一是壓差,即過(guò)濾器進(jìn)出口壓差達(dá)到預(yù)先設(shè)定的壓差值；二是時(shí)間,根據(jù)水質(zhì)情況,規(guī)定在一定時(shí)間后打開(kāi)電磁閥；三是手動(dòng)觸發(fā),通過(guò)手動(dòng)開(kāi)啟（利用控制器的手動(dòng)清洗功能)。

自主研發(fā)的4種型號(hào)水力驅(qū)動(dòng)自清洗網(wǎng)式過(guò)濾器常用參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 4種型號(hào)水力驅(qū)動(dòng)自清洗網(wǎng)式過(guò)濾器的常用參數(shù)

3 自主研發(fā)水力驅(qū)動(dòng)自清洗網(wǎng)式過(guò)濾器的水力性能

3.1 試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)是在新疆水利水電科學(xué)研究院節(jié)水中心大流量過(guò)濾器水力性能測(cè)試平臺(tái)上完成的,測(cè)試裝置主要包括蓄水池、水力性能測(cè)試平臺(tái)、進(jìn)水口壓力表、出水口壓力表、水力驅(qū)動(dòng)自清洗網(wǎng)式過(guò)濾器（4種型號(hào)),過(guò)濾網(wǎng)目數(shù)為100目。圖2為本次試驗(yàn)裝置布局示意。

圖2 水力驅(qū)動(dòng)自清洗網(wǎng)式過(guò)濾器試驗(yàn)裝置布局

3.2 靜水耐壓試驗(yàn)設(shè)計(jì)

依據(jù)《灌溉用過(guò)濾器基本參數(shù)及技術(shù)條件》（SL 470—2010)中常溫下的靜水耐壓性能試驗(yàn)方法,對(duì)水力驅(qū)動(dòng)自清洗網(wǎng)式過(guò)濾器進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn)。試驗(yàn)前,在排污閥進(jìn)口施加0.75倍額定工作壓力（水力驅(qū)動(dòng)自清洗網(wǎng)式過(guò)濾器額定工作壓力為0.8 MPa),開(kāi)啟、關(guān)閉排污閥100次。之后關(guān)閉出口閥,在過(guò)濾器進(jìn)口加壓,向過(guò)濾器充水并排氣。過(guò)濾器充滿(mǎn)水后,逐步加壓到額定壓力的1.5倍,即1.2 MPa,保壓5 min,過(guò)濾器應(yīng)無(wú)損壞及永久性變形,過(guò)濾器殼體、過(guò)濾器殼蓋、過(guò)濾器殼蓋密封圈、排污閥和過(guò)濾器連接處應(yīng)無(wú)泄漏［7］。針對(duì)自主研發(fā)的100臺(tái)水力驅(qū)動(dòng)自清洗網(wǎng)式過(guò)濾器,完成靜水耐壓試驗(yàn)。從額定工作壓力0.8 MPa的0.75倍至1.5倍壓力范圍內(nèi)（0.6～1.2 MPa),每打壓1次后,停止供壓,從排污閥排水,打開(kāi)殼體,檢查記錄過(guò)濾器各部件有無(wú)永久變形,檢查過(guò)濾器連接部分是否漏水,并記錄無(wú)雜質(zhì)狀態(tài)下兩壓力表壓差試樣連接處有無(wú)漏水現(xiàn)象。

3.3 過(guò)流能力試驗(yàn)設(shè)計(jì)

每種型號(hào)的過(guò)濾裝置選取5臺(tái),共計(jì)20臺(tái)檢測(cè)樣機(jī),根據(jù)同類(lèi)型號(hào)的檢測(cè)結(jié)果計(jì)算均值,判斷清水過(guò)濾流量Q和水頭損失Δh之間的關(guān)系。試驗(yàn)中采用自來(lái)水,安裝過(guò)濾器后,進(jìn)、出水口各裝一個(gè)壓力表,反復(fù)檢查安裝安全性,確保無(wú)誤后開(kāi)泵,調(diào)節(jié)出水口碟閥開(kāi)度,在0.2倍～1.2倍最大工作流量范圍內(nèi),分10個(gè)流量檔,待儀表穩(wěn)定工作5 min后,同時(shí)記錄流量和對(duì)應(yīng)的進(jìn)、出水口壓力值,并由此獲得過(guò)濾器清潔壓降。清潔壓降為3 m時(shí),XS-8GWZ-V4200/6過(guò)濾器最大流量為150 m3/h,XS-8GWZ-V5600/8過(guò)濾器最大流量為206 m3/h,XS-8GWZ-V7000/8過(guò)濾器最大流量為251 m3/h,XS-8GWZ-V8400/10過(guò)濾器最大流量為301 m3/h。

3.4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

通過(guò)靜水耐壓試驗(yàn)可知,在額定工作壓力0.8 MPa的0.75倍至1.5倍壓力范圍內(nèi)（0.6～1.2 MPa),過(guò)濾器殼體、橡膠密封墊完好無(wú)變形、無(wú)損壞,靜水耐壓性能達(dá)標(biāo)。

通過(guò)控制進(jìn)、出水口的閥門(mén)來(lái)測(cè)量不同流量下過(guò)濾器的清水水頭損失,繪制不同流量下4種型號(hào)的過(guò)濾器清潔壓降曲線(xiàn),并擬合出水頭損失經(jīng)驗(yàn)公式（見(jiàn)圖4)。過(guò)濾器的清潔壓降曲線(xiàn)可為用戶(hù)選型提供技術(shù)參考。

圖4 水力驅(qū)動(dòng)自清洗網(wǎng)式過(guò)濾器清潔壓降曲線(xiàn)

由圖4可知,當(dāng)進(jìn)水流量較小時(shí),過(guò)濾器初始水頭損失變化比較緩慢,小于0.015 MPa；當(dāng)流量增大到0.9倍額定流量時(shí),水頭損失開(kāi)始逐步增大,此時(shí)細(xì)過(guò)濾網(wǎng)內(nèi)外壓差增大；當(dāng)流量達(dá)到額定流量時(shí),水頭損失達(dá)到0.030 MPa；當(dāng)流量進(jìn)一步加大到1.2倍額定流量時(shí),水頭損失持續(xù)增加,達(dá)到0.054 MPa。可以看出,不同流量下4種型號(hào)的過(guò)濾器過(guò)流能力強(qiáng),為了延長(zhǎng)過(guò)濾器使用壽命,建議進(jìn)水流量控制在額定流量附近,這樣可以在保證水頭損失不至過(guò)大的同時(shí),降低被濾網(wǎng)截留的泥沙顆粒擠過(guò)濾網(wǎng)、堵塞微灌系統(tǒng)灌水器的概率。

4 結(jié) 語(yǔ)

自主研發(fā)的水力驅(qū)動(dòng)自清洗網(wǎng)式過(guò)濾器基于吸污式和反沖洗相結(jié)合,結(jié)構(gòu)上全面創(chuàng)新,研制了水力扭力耦合驅(qū)動(dòng)裝置和循環(huán)往復(fù)軸機(jī)械裝置,實(shí)現(xiàn)了無(wú)活塞往復(fù)螺旋掃描排污,正常工作時(shí)不需要電力驅(qū)動(dòng),真正做到了節(jié)能、環(huán)保。根據(jù)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),通過(guò)水力性能檢測(cè)試驗(yàn)可知,自主研發(fā)的水力驅(qū)動(dòng)自清洗網(wǎng)式過(guò)濾器的靜水耐壓性能達(dá)標(biāo)；過(guò)流能力試驗(yàn)結(jié)果表明,清水過(guò)濾流量和壓力之間存在較好的正回歸關(guān)系,水頭損失小。自主研發(fā)的4種型號(hào)水力驅(qū)動(dòng)自清洗網(wǎng)式過(guò)濾器清潔壓降小、結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、使用壽命長(zhǎng),隨著灌溉自動(dòng)化、智能化的發(fā)展,勢(shì)必在新疆地區(qū)有很大的發(fā)展空間和應(yīng)用前景。