新型翻板網(wǎng)式過濾器水頭損失試驗研究

石凱，劉貞姬，李曼

(石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，新疆 石河子 832000)

微灌用網(wǎng)式過濾器是以新疆北疆地區(qū)為代表的中國西北地區(qū)微灌系統(tǒng)的核心組成部分，過濾器主要作用是去除灌溉水源中的泥沙顆粒和懸浮雜質(zhì)[1-3].已有學(xué)者針對立式自吸自動網(wǎng)式過濾器進行研究，通過分析過濾器水頭損失與過濾流量的關(guān)系，確定了水頭損失與過濾流量的變化規(guī)律，并得出水頭損失的經(jīng)驗公式[4-6].秦天云等[7]、蔡九茂等[8]通過對比網(wǎng)式過濾器與疊片式過濾器進行研究，定性分析2種過濾器的優(yōu)缺點和使用工況.李強強等[9]對臥式自清洗網(wǎng)式過濾器排污過程進行理論分析，確定其排污時間的范圍.劉曉初等[10]以Y型篩網(wǎng)式過濾器為研究對象，分別在無堵塞和堵塞條件下進行了水力性能試驗，得出泥沙粒徑和篩網(wǎng)的關(guān)系，并得出了水頭損失和流量以及堵塞程度之間的變化規(guī)律.梁菊蓉等[11]、駱秀萍等[12]分析了濾網(wǎng)過濾器局部水頭損失的影響因素，其中包括進水流量、過濾時間、含沙量等.阿力甫江·阿不里米提等[13]重點研究了魚雷網(wǎng)式過濾器的水頭損失，通過對2種目數(shù)的魚雷網(wǎng)式過濾器進行定流量和定含沙量試驗，得出了其水頭損失在不同運行條件下的變化規(guī)律.國外主要在不同流量和不同含沙量的渾水條件下，結(jié)合量綱分析和試驗探究，確定了不同形式的網(wǎng)式過濾器水頭損失的經(jīng)驗公式[14-15].目前網(wǎng)式過濾器主要有自清洗網(wǎng)式過濾器和魚雷網(wǎng)式過濾器等，其水頭損失的研究已經(jīng)比較完整，但針對一種新型翻板網(wǎng)式過濾器的水頭損失研究比較罕見，在應(yīng)用中比較局限.

文中對翻板網(wǎng)式過濾器進行理論分析和試驗探究，分析不同流量和不同含沙量條件下的水頭損失值隨時間的變化規(guī)律，并給出翻板網(wǎng)式過濾器水頭損失的表達式， 同時對網(wǎng)式過濾器水頭損失公式進行擬合，確定其水頭損失調(diào)節(jié)系數(shù)，以指導(dǎo)網(wǎng)式過濾器的實際研發(fā)和使用.

1 結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 過濾器結(jié)構(gòu)

翻板網(wǎng)式過濾器是由過濾器外殼、過濾器濾芯和可旋轉(zhuǎn)翻板(在濾網(wǎng)內(nèi)部可90°旋轉(zhuǎn))等主要部件構(gòu)成.結(jié)構(gòu)圖如圖1所示.

1.2 工作原理

過濾器過濾時，保持翻板完全打開，排污口完全關(guān)閉.灌溉用含沙渾水經(jīng)沉沙攪拌池沉淀，大顆粒泥沙雜質(zhì)沉積在過濾系統(tǒng)之外；經(jīng)沉沙攪拌池沉淀后的含沙水再次經(jīng)過濾網(wǎng)由內(nèi)向外過濾：大于濾網(wǎng)孔徑的泥沙顆粒及懸浮雜質(zhì)由于被濾網(wǎng)攔截而堆積在濾網(wǎng)內(nèi)表面，小于濾網(wǎng)孔徑的泥沙顆粒隨灌溉水經(jīng)出水管進入指定灌溉系統(tǒng).由于泥沙及懸浮雜質(zhì)的堆積，濾網(wǎng)內(nèi)外壓差增大，當壓差增大到排污預(yù)設(shè)壓差時即進入清洗排污過程.

圖1 翻板網(wǎng)式過濾器結(jié)構(gòu)示意圖

2 試驗裝置及方法

2.1 試驗裝置

試驗裝置由5m×4m×2m的蓄水池，直徑為1m、高為1.8m的沉沙攪拌池及過濾系統(tǒng)組成，如圖2所示.其中本次使用的翻板網(wǎng)式過濾器為新疆灌溉常用尺寸的過濾器，過濾器進出水口尺寸均為200mm，過濾器外殼內(nèi)徑為300mm，過濾網(wǎng)內(nèi)徑為280mm，過濾器總長度為1700mm.

圖2 試驗裝置圖

2.2 試驗配套設(shè)備

試驗配套設(shè)備匯總?cè)绫?所示.

表1 試驗配套設(shè)備匯總表

2.3 試驗方法及步驟

試驗分為清水試驗和渾水試驗.渾水試驗采用正交試驗法安排試驗組次.為了既能夠保證較小含沙量情況下過濾器達到水頭損失峰值時間不會過長，又確保在較大含沙量情況下有足夠時間進行取樣，設(shè)定4個不同進水含沙量(0.122,0.278,0.309,0.336 g/L)；根據(jù)過濾器工作流量140～200 m3/h，按照極差為10 m3/h進行設(shè)置，在滿足流量處于過濾器正常工作流量范圍的同時，保證試驗流量有很廣泛的范圍，設(shè)定6個不同進水流量Q(140,150,160,170,180,200 m3/h).在過濾器濾網(wǎng)為(80目)的條件下展開試驗，清水試驗主要控制不同進水流量，測量進出水口之間的壓力差，得到過濾器局部水頭損失初始值；渾水試驗主要采用控制單因素變量試驗，對影響水頭損失的進水流量和含沙量進行試驗探究.即試驗控制含沙量相同，分析進水流量；控制進水流量相同，分析含沙量，其中進水流量通過調(diào)節(jié)變頻柜，由小到大及由大到小對各組流量進行2組試驗；含沙量通過控制人工加沙速度來改變進口含沙量，在進水口處每3 min接取1次水樣，試驗結(jié)束后對水樣進行測量，取該組水樣含沙量均值為試驗含沙量.在相同含沙量不同進水流量及相同進水流量不同含沙量條件下進行試驗探究，重點分析其水頭損失值隨時間的變化規(guī)律，同時擬合水頭損失值，驗證相應(yīng)的數(shù)學(xué)表達式.

2.4 試驗采用泥沙顆粒級配

本次試驗采用新疆瑪納斯河流域的河床沙，經(jīng)試驗前對其顆粒級配進行篩分測定，小于顆粒粒徑百分比ω隨泥沙顆粒粒徑d的顆粒級配曲線如圖3所示.其中粒徑為0.1～5.0 mm的泥沙粒徑占90%以上，符合工程實際灌溉用水含沙顆粒級配，能夠代表新疆北疆地區(qū)灌溉水源特點.

圖3 泥沙顆粒級配曲線

3 試驗結(jié)果分析

在過濾器正常過濾狀態(tài)下，翻板網(wǎng)式過濾器的水頭損失變化規(guī)律呈現(xiàn)先平緩變化后急劇增加的趨勢.圖4為翻板網(wǎng)式過濾器不同流量下水頭損失值P隨時間t的變化曲線，圖中Sj為進水含沙量.

圖4 水頭損失變化曲線

分析圖4，在過濾器運行初始階段，隨著時間推移，水頭損失值基本不發(fā)生變化，處于平穩(wěn)運行階段，且流量越小，平穩(wěn)運行時間越長；隨著過濾時間的增加，由于過濾網(wǎng)實際過水面積變小，不同流量對應(yīng)的水頭損失值開始急劇變化.根據(jù)局部水頭損失公式可知，局部水頭損失與進水流量的二次方成正比，在穩(wěn)定過濾過程中，流量越小，泥沙顆粒也越少，過濾網(wǎng)被堵塞概率越小.因此流量越小，初始水頭損失越小，穩(wěn)定時間越長.當?shù)竭_過濾終點時，過濾器的水頭損失達到峰值，無法進行正常過濾工作，需進行清洗.分析圖4，翻板網(wǎng)式過濾器共測得6組流量下水頭損失值隨時間的變化曲線，在進水流量一定的條件下，當流量分別為140,150,160,170,180,200 m3/h時，各流量組對應(yīng)的4個不同含沙量情況下的水頭損失差值最大分別為0.272,0.452,0.326,0.929,0.848,0.470 m.在定流量條件下，各含沙量工況下水頭損失峰值隨含沙量有遞增趨勢，但其水頭損失峰值差值不超過1 m，同時由圖4可知，隨著含沙量的變化水頭損失出現(xiàn)拐點的時間發(fā)生變化，且含沙量越大，水頭損失變化出現(xiàn)拐點的時間越早，認為含沙量不是影響水頭損失峰值的主要因素，進水流量為影響水頭損失的主要因素，含沙量主要影響水頭損失拐點出現(xiàn)的時間.在含沙量一定條件下，以含沙量為0.309 g/L組為代表分析，流量由140～200 m3/h變化時，水頭損失值依次為12.111,13.889,17.466,19.664,22.712,30.578 m.由圖4可發(fā)現(xiàn)其近似滿足正相關(guān)關(guān)系，且變化規(guī)律一致，即進水流量對水頭損失影響較大；同時試驗發(fā)現(xiàn)，隨著過濾時間變化，過濾器過濾水頭損失先處于平穩(wěn)變化狀態(tài)，后出現(xiàn)拐點并逐漸增大.分析圖4，水頭損失變化拐點基本發(fā)生在整個過濾周期的中間時刻.目前過濾用網(wǎng)式過濾器自清洗控制主要分為壓差控制和時間控制2種，通過確定過濾過程的水頭損失峰值，可確定不同流量下壓差控制啟動排污時的啟動壓差值，從而避免利用時間控制啟動排污時由于時間過早造成的耗能問題，以及由于時間過晚造成的非最優(yōu)工況運行的問題.

4 網(wǎng)式過濾器水頭損失理論分析計算

過濾器總水頭損失可以表示為過濾器水頭損失和進出口高程差之和[4].過濾器主體長度較短，相對局部水頭損失，沿程水頭損失較小基本可以忽略，認為過濾器水頭損失主要為過濾器產(chǎn)生的局部水頭損失.按照過濾器進水水流流動方向不同，將過濾器分為立式和臥式2種.區(qū)別于臥式網(wǎng)式過濾器，立式網(wǎng)式過濾器水頭損失計算應(yīng)考慮過濾器進出口高程差，即滿足

H=Hj+ΔH,

(1)

式中:H為總水頭損失,m;Hj為局部水頭損失,m;ΔH為進出口高程差,m.

根據(jù)水力學(xué)水頭損失公式Hj=ξv2/2g和連續(xù)性方程Q=vA可得出過濾器局部水頭損失與進水流量的數(shù)學(xué)表達式，即滿足

(2)

式中:ξ為水頭損失系數(shù)，ξ=ξ粗+ξ細+ξ進+ξ出;A為過濾器斷面面積,m2;Q為進水流量,m3/h;v為進水流速,m/h.

Hj=αQ2,

(3)

式中:α為水頭損失調(diào)節(jié)系數(shù)，與過濾網(wǎng)目數(shù)、過濾器制造材質(zhì)和規(guī)格有關(guān).從而，網(wǎng)式過濾器水頭損失計算公式滿足

H=αQ2+ΔH.

(4)

5 擬合計算

將試驗測定的進水流量和過濾器進出口高程差代入式(4)，取α=0.000 70代入計算驗證，將公式計算總損失H1與試驗總損失H2結(jié)果進行對比，對其相對誤差H3、誤差百分比λ及公式擬合度β進行分析，取各組同一流量不同含沙量水頭損失均值.翻板網(wǎng)式過濾器計算結(jié)果如表2所示.

表2 計算結(jié)果匯總表

分析表2，本試驗使用過濾器過濾網(wǎng)目數(shù)為80目，結(jié)合過濾器制造材質(zhì)和規(guī)格，翻板網(wǎng)式過濾器水頭損失修正系數(shù)取0.000 70時，試驗數(shù)據(jù)結(jié)果與理論計算結(jié)果偏差較小，且公式擬合程度較高.由此得到水頭損失公式，對李強強等[9]研究同規(guī)格的臥式自清洗網(wǎng)式過濾器時提及的水頭損失值接近，且水頭損失值誤差絕對值不超過9%，即說明式(4)有很高的準確性，針對各種形式的網(wǎng)式過濾器均可使用.目前新疆地區(qū)灌溉用臥式網(wǎng)式過濾器基本尺寸與文中提及的過濾器尺寸基本一致，因此將修正系數(shù)設(shè)定為0.000 70時，認為式(4)可作為目前設(shè)計規(guī)格的臥式網(wǎng)式過濾器的水頭損失的基本公式，并建議應(yīng)用于目前新疆實際工程使用的同規(guī)格網(wǎng)式過濾器的水頭損失計算.修正系數(shù)隨過濾器的設(shè)計規(guī)格有調(diào)整，可在實驗室進行試驗測量，按照測量試驗數(shù)據(jù)確定相應(yīng)的修正系數(shù)值，應(yīng)用于對應(yīng)實際工程的過濾器的水頭損失計算.

6 結(jié) 論

1) 新型翻板網(wǎng)式過濾器水頭損失研究顯示含沙量主要影響水頭損失變化出現(xiàn)拐點的時間，進水流量主要影響水頭損失的峰值.繪制各流量下水頭損失隨時間的變化曲線，得出水頭損失隨進水流量增大而增大的變化規(guī)律.其中，試驗設(shè)置進水流量和含沙量等參數(shù)符合當下灌溉工程實際值，因此水頭損失結(jié)論可應(yīng)用于實際灌溉工程.

2) 擬合修正水頭損失公式H=αQ2+ΔH，并確定水頭損失修正系數(shù)，試驗結(jié)果與計算結(jié)果相對誤差較小，公式擬合度達90%以上，因此網(wǎng)式過濾器水頭損失公式適用于新型翻板網(wǎng)式過濾器水頭損失計算.