泵前和泵后組合型網(wǎng)式過濾器的過濾性能

摘要：為探究泵前和泵后組合型網(wǎng)式過濾器的過濾性能，將泵前和泵后網(wǎng)式過濾器串聯(lián)，通過室內(nèi)原型試驗，開展不同進水流量、含沙質(zhì)量濃度和濾網(wǎng)目數(shù)對組合型過濾器水頭損失和除沙率的影響規(guī)律試驗研究，并與單一網(wǎng)式過濾器的水頭損失和除沙率進行對比.研究結(jié)果表明：清水條件下組合型過濾器的水頭損失與進水流量具有統(tǒng)計學意義；渾水條件下水頭損失隨進水流量和濾網(wǎng)目數(shù)增大而增大，在進水流量為130 m³/h工況下，進水含沙質(zhì)量濃度對初始水頭損失和總水頭損失峰值影響較小；通過極差分析得到各因素對除沙率的影響程度由大到小依次為濾網(wǎng)目數(shù)、進水含沙質(zhì)量濃度和進水流量，確定了最優(yōu)參數(shù)組合為泵前60目濾網(wǎng)、泵后100目濾網(wǎng)、進水流量130 m³/h、進水含沙質(zhì)量濃度0.18 g/L；當進水流量為110 ～150 m³/h時，組合型網(wǎng)式過濾器最大水頭損失峰值較單一泵前或泵后過濾器分別高41.51%和39.58%.研究結(jié)果可為組合型網(wǎng)式過濾器的設計和應用提供一定參考.

關(guān)鍵詞：網(wǎng)式過濾器；組合型過濾器；過濾性能；進水流量；極差分析

中圖分類號：S277.9 文獻標志碼：A 文章編號：1674-8530（2024）09-0888-07

DOI：10.3969/j.issn.1674-8530.23.0040

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Filtration performance of combined pre-pump and post-pump mesh filters

YANG Hao， LIU Zhenji^*， LEI Chenyu， LU Chen， LONG Yangjuan， LI Man

（College of Water Conservancy and Architectural Engineering， Shihezi University， Shihezi， Xinjiang 832000， China）

Abstract： To investigate the filtration performance of combined pre-pump and post-pump mesh filters， the pre-pump and post-pump mesh filters were connected in series. The influence of different inlet water flow， sand content and mesh size on the head loss and sand interception rate of combined filters was carried out through indoor prototype tests， and the test results of the combined filter were compared with the head loss and sand interception rate of single mesh filters. The results show that the head loss of the combined filter under clear water condition is positively correlated with the inlet water flow. Under the muddy water condition， head loss increases with the increase of inlet water flow rate and mesh size. Under the condition of inlet water flow of 130 m³/h， influences of the inlet water sand content on the initial head loss and total peak head loss are relatively small. Through range analysis， in descending order of the influence degree of various factors on the sand interception is screen aperture， sand content and inlet water flow. The optimum combination of filter parameters is determined to be the pre-pump filter with mesh number of 60， the post-pump filter with mesh number of 100， 130 m³/h inlet flow rate and 0.18 g/L inlet sand content. When the flow rate is 110-150 m³/h， the maximum peak head loss of combined mesh filter is 41.51% and 39.58% higher than that of single pre-pump or post-pump filter， respectively. The results of the study have positive significance for application and promotion of the combined mesh filters.

Key words： mesh filter;combined filter;filter performance;inlet flow rate;range analysis

泵前和泵后組合型網(wǎng)式過濾器結(jié)合了不同類型過濾器的優(yōu)缺點，適用范圍廣，過濾精度高，常用于微灌系統(tǒng)工程中水源雜質(zhì)的分離過濾.目前眾多學者針對單一過濾器開展了大量研究.楊培嶺等^[1]對比分析了砂石篩網(wǎng)分體式和一體式過濾器的流場，提出了將濾網(wǎng)融入砂石罐體的一體式優(yōu)化布置方案.ZONG等^[2]對自清洗網(wǎng)式過濾器的反沖洗壓差和反沖洗時間進行了研究，確定了最佳反沖洗時間為30～45 s.文獻[3-5]分別研究了不同顆粒介質(zhì)砂石過濾器壓降隨流速的變化關(guān)系，建立了水頭損失計算公式.文獻[6-7]采用試驗和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究了旋流器錐角對水力性能和分離效率的影響規(guī)律.甘光華等^[8]基于CFX對離心泵水力性能進行了數(shù)值模擬研究.文獻[9-11]研究發(fā)現(xiàn)，較大的入口和出口直徑與較短和較寬的過濾器外殼組合能夠減小自清洗網(wǎng)式過濾器的水頭損失，并擴大過濾器工作流量范圍.

以上主要是對泵后有壓過濾器的研究，而對泵前過濾器及其組合型過濾器的研究較少.李繼霞等^[12]設計一種網(wǎng)式旋流自清洗泵前過濾器，分析了過濾器出口直徑、吸污器轉(zhuǎn)速和吸污口寬度對除雜率的影響，得到過濾器和吸污器內(nèi)部流場的分布規(guī)律.楊圓坤等^[13]分析了不同濾網(wǎng)條件對微壓過濾沖洗池過濾時間、攔截泥沙質(zhì)量和泥沙去除率的影響規(guī)律.周洋等^[14]對旋轉(zhuǎn)網(wǎng)筒過濾器進行室內(nèi)物理模型試驗，結(jié)果表明網(wǎng)筒轉(zhuǎn)速隨流量增大而增大，隨含沙質(zhì)量濃度增大而減小.

綜上所述，現(xiàn)有網(wǎng)式過濾器研究主要是針對單一泵前或泵后進行試驗，而泵后網(wǎng)式過濾器在實際應用過程中往往存在濾網(wǎng)易堵塞、自清洗效果差等問題.因此，文中在不同進水流量、含沙質(zhì)量濃度以及濾網(wǎng)目數(shù)條件下，對泵前和泵后組合型網(wǎng)式過濾器開展清水和渾水試驗，并與單一網(wǎng)式過濾器進行對比，探究組合型網(wǎng)式過濾器水頭損失和除沙率的影響因素.

1 試 驗

1.1 試驗裝置

試驗裝置由蓄水池、攪拌機、組合型網(wǎng)式過濾器、水泵（額定流量為160 m³/h）、變頻柜、進水連接管道、出水連接管道等組成，如圖1所示.

組合型網(wǎng)式過濾器由泵前漂浮式過濾器和泵后自清洗網(wǎng)式過濾器串聯(lián)組成，泵前過濾器主要包括濾網(wǎng)、浮筒、自清洗裝置和支撐結(jié)構(gòu)等（見圖2a），過濾器48目和60目濾網(wǎng)孔徑分別為0.32 mm×0.32 mm，0.25 mm×0.25 mm.泵后過濾器為立式結(jié)構(gòu)，主要包括粗濾網(wǎng)、細濾網(wǎng)（起主要過濾作用，文中泵后過濾器濾網(wǎng)均指細濾網(wǎng)）和吸沙組件（見圖2b），過濾器80目和100目濾網(wǎng)孔徑分別為0.20 mm×0.20 mm，0.16 mm×0.16 mm.

1.2 試驗材料

試驗用泥沙為新疆瑪納斯河流域天然細河沙，其中懸浮泥沙顆粒粒徑較小，無法對其進行級配測試.粒徑在0.10～0.25 mm的泥沙級配為51.46%，粒徑在0.10～5.00 mm的泥沙級配為93.53%.

1.3 試驗方法

試驗分為清水試驗和渾水試驗.選取3種濾網(wǎng)目數(shù)組合（M₁：泵前60目，泵后80目；M₂：泵前60目，泵后100目；M₃：泵前48目，泵后80目），結(jié)合新疆地區(qū)實際工程情況和試驗設備允許流量（0～160 m³/h），設置進水流量以10 m³/h為梯度從110 m³/h遞增至160 m³/h，共6組進水流量，并通過電磁流量計進行校核，蓄水池中含沙水經(jīng)過濾后回到蓄水池中實現(xiàn)循環(huán)過濾.

清水條件下采用精密壓力表測量組合型過濾器進、出水口壓強，探究不同濾網(wǎng)目數(shù)組合情況下過濾器水頭損失隨流量的變化規(guī)律.

渾水條件下開展定流量和定含沙質(zhì)量濃度兩組試驗，為了使過濾系統(tǒng)具有較好的過濾效果和有效過濾時長，結(jié)合預試驗及農(nóng)田灌溉水質(zhì)標準設置進水含沙質(zhì)量濃度分別為0.12，0.15，0.18 g/L.試驗開始前調(diào)節(jié)變頻柜頻率控制過濾系統(tǒng)進水流量，待系統(tǒng)穩(wěn)定運行3 min后向蓄水池中勻速手動加沙，通過控制加沙速率改變過濾器進水含沙質(zhì)量濃度，在蓄水池中設置攪拌機使含沙水混合均勻.加沙過程中部分泥沙在重力作用下沉降，難以進入過濾系統(tǒng)，考慮泵前過濾器主要起到對懸浮雜質(zhì)的攔截以及泵后過濾器對泥沙的關(guān)鍵過濾作用，將提前配置好的含沙水加入泵前過濾器進水口一側(cè)，以控制實際進入到組合型過濾系統(tǒng)的含沙質(zhì)量濃度.在過濾系統(tǒng)進、出水口處每隔1 min讀取一次壓力表示數(shù)，當泵后過濾器濾網(wǎng)內(nèi)外壓降達到排污壓差時， 試驗停止.

1.4 評價指標

1.4.1 水頭損失

水頭損失是評價過濾器水力性能的主要指標，包括沿程水頭損失和局部水頭損失.考慮過濾器主體結(jié)構(gòu)和連接管道長度較短，沿程水頭損失較小可忽略不計.過濾系統(tǒng)進水口和出水口之間存在一定的高程差，故組合型網(wǎng)式過濾器的總水頭損失ΔH可表示為

ΔH=h_j+Δh，（1）

其中

h_j=ξ₁v²₁2g+ξ₂v²₂2g，（2）

式中：h_j為局部水頭損失；Δh為過濾系統(tǒng)進出水口高程差；ξ₁，ξ₂分別為泵前過濾器和泵后過濾器的局部水頭損失系數(shù)；v₁，v₂分別為泵前和泵后過濾器進水斷面平均流速；g為重力加速度.

根據(jù)連續(xù)性方程Q=Av，流速為

v=QA，（3）

式中：Q為過濾系統(tǒng)進水流量；A為過流斷面面積.

根據(jù)式（1）—（3），可得總水頭損失與進水流量的關(guān)系式為

ΔH=ξQ²（A²₁+A²₂）2gA²₁A²₂+Δh，（4）

式中：ξ為組合型網(wǎng)式過濾器局部水頭損失系數(shù)；A₁，A₂分別為泵前和泵后過濾器進水斷面面積.

令k=ξ12g，可將式（4）簡化為

ΔH=kQ²（A²₁+A²₂）A²₁A²₂+Δh，（5）

式中：k為總水頭損失系數(shù)，與過濾器種類、材質(zhì)和濾網(wǎng)規(guī)格有關(guān).

1.4.2 除沙率

泵前和泵后組合型網(wǎng)式過濾器的除沙率為濾網(wǎng)攔截泥沙質(zhì)量與各級過濾前含沙水中泥沙質(zhì)量的比值，分別記為η₁和η₂，即

η₁=S₀-S₁S₀×100%，（6）

η₂=S₁-S₂S₁×100%，（7）

式中：S₀，S₁，S₂分別為過濾前、一級過濾和二級過濾后含沙水中泥沙質(zhì)量.

2 結(jié)果與分析

2.1 清水條件下各過濾器水力性能

圖3為清水條件下，泵前、泵后以及組合型網(wǎng)式過濾器總水頭損失隨流量變化曲線，可以看出，當進水流量從110 m³/h增大至160 m³/h時，泵前、泵后以及組合型網(wǎng)式過濾器的水頭損失增長率分別為62.44%，114.66%，97.28%.

從試驗結(jié)果可知，各過濾器的水頭損失與進水流量具有統(tǒng)計學意義，其中泵前過濾器的水頭損失隨進水流量變化最小.分析認為，泵前過濾器濾網(wǎng)表面積較大，進水流速小，且泵前過濾器濾筒內(nèi)壓強與大氣壓強相近，造成的水頭損失較小.

對試驗數(shù)據(jù)進行擬合，得到清水條件下過濾器的水頭損失與進水流量關(guān)系式，其形式與目前常用的水頭損失計算公式一致，決定系數(shù)R²均大于0.990 0，擬合度較高，可認為該公式適用于實際工程中對組合型網(wǎng)式過濾器的水頭損失計算.

2.2 水頭損失影響因素分析

組合型網(wǎng)式過濾器M₁在相同含沙質(zhì)量濃度、不同進水流量條件下的總水頭損失隨時間變化情況如圖4所示，可以看出：當進水流量為110～130 m³/h時，對應的水頭損失變化緩慢；當進水流量為130～160 m³/h時，對應的水頭損失增長較快；隨著進水流量增大，組合型過濾系統(tǒng)的初始水頭損失呈上升趨勢，總水頭損失峰值也增大；以進水含沙質(zhì)量濃度ρ=0.15 g/L為例，不同進水流量條件下組合型網(wǎng)式過濾器的初始水頭損失和總水頭損失峰值增長率分別為48.18%和59.58%.

組合型網(wǎng)式過濾器M₁和M₂在相同進水流量、不同含沙質(zhì)量濃度條件下的總水頭損失隨時間變化情況如圖5所示，可以看出：隨著進水含沙質(zhì)量濃度不斷增大，組合型過濾器M₁ 和M₂的初始水頭損失和總水頭損失峰值變化均較??；泵后過濾器濾網(wǎng)目數(shù)越大，過濾系統(tǒng)水頭損失出現(xiàn)拐點的時間提前，且總水頭損失峰值有所增大；以進水流量Q=130 m³/h為例，組合型網(wǎng)式過濾器M₁在不同含沙質(zhì)量濃度條件下的水頭損失出現(xiàn)拐點對應的時間分別為1 800，1 500，1 320 s，而組合型網(wǎng)式過濾器M₂的水頭損失出現(xiàn)拐點對應的時間分別為990，900，810 s，明顯小于濾網(wǎng)目數(shù)組合M₁；同一濾網(wǎng)目數(shù)組合網(wǎng)式過濾器初始水頭損失變化量為0.03～0.22 m，水頭損失峰值變化量為0.10～0.19 m，均小于對應初始值的5%，認為進水含沙質(zhì)量濃度對組合型網(wǎng)式過濾器水頭損失影響不大.

對試驗結(jié)果進行分析可知，隨著過濾系統(tǒng)進水流量增大，水流受到濾網(wǎng)和過濾系統(tǒng)邊界造成的黏滯阻力越大，因此初始水頭損失和總水頭損失峰值均增大，一定時間內(nèi)進入過濾系統(tǒng)的泥沙質(zhì)量增多，泵前和泵后過濾器分別在短時間內(nèi)完成介質(zhì)堵塞和濾餅堵塞，最終完全堵塞.而進水含沙質(zhì)量濃度的大小主要影響一定時間內(nèi)進入過濾系統(tǒng)的泥沙總量，加速過濾系統(tǒng)的堵塞過程，對過濾系統(tǒng)的總水頭損失峰值影響不大.過濾器濾網(wǎng)目數(shù)對過濾系統(tǒng)總水頭損失的影響主要是基于過濾介質(zhì)對水流的阻礙作用，濾網(wǎng)目數(shù)越大，對應的水頭損失系數(shù)越大，則過濾系統(tǒng)的總水頭損失也越大.

將試驗結(jié)果與李繼霞等^[12]、李曼等^[15]對單一泵前和泵后網(wǎng)式過濾器的試驗結(jié)果進行對比，如表1所示，表中ΔH_max為水頭損失峰值.

由表1可以看出：當含沙質(zhì)量濃度為0.15 g/L時，泵前過濾器水頭損失峰值為15.90 m，而組合型網(wǎng)式過濾器在試驗工況下的水頭損失峰值為11.82～22.50 m，最大值較泵前過濾器高41.51%，其水頭損失主要是由泵后過濾器濾網(wǎng)堵塞造成的；當含沙質(zhì)量濃度為0.12 g/L時，泵后過濾器的水頭損失峰值為11.00～16.27 m，而組合型網(wǎng)式過濾器在試驗工況下的水頭損失峰值為11.87～22.71 m，最大值較泵后過濾器高39.58%，這是由于組合型網(wǎng)式過濾器和單一過濾器相比結(jié)構(gòu)復雜，造成了更大的總水頭損失.

分析對比結(jié)果可知，進水流量對泵前過濾器水頭損失影響較小，而泵后過濾器以及組合型網(wǎng)式過濾器的水頭損失峰值均隨進水流量增大而增大.進水含沙質(zhì)量濃度對泵前、泵后以及組合型過濾器的水頭損失影響不大，這與水頭損失影響因素分析結(jié)果一致.各工況條件下組合型網(wǎng)式過濾器水頭損失峰值明顯高于泵前或泵后單一過濾器.

2.3 除沙率影響因素分析

除沙率反映了網(wǎng)式過濾器的泥沙處理能力，不同進水流量和含沙質(zhì)量濃度條件下組合型網(wǎng)式過濾器M₁各級除沙率如圖6所示.

由圖6可以看出：組合型網(wǎng)式過濾器一級過濾和二級過濾除沙率隨進水含沙質(zhì)量濃度增大而增大，隨進水流量增大而減小；對比各工況條件下的一級過濾和二除沙率，泵后過濾器的除沙率明顯高于泵前過濾器；當進水流量為110 m³/h時，不同進水含沙質(zhì)量濃度條件下組合型網(wǎng)式過濾器二級過濾比一級過濾除沙率高11.43%～14.20%，大部分泥沙在進入組合型網(wǎng)式過濾器后被攔截在泵后過濾器濾網(wǎng)表面，部分粗顆粒泥沙在泵前過濾器的篩分和重力作用下沉降到蓄水池底部.

分析試驗結(jié)果可知，進水含沙質(zhì)量濃度越大，一定時間內(nèi)進入過濾系統(tǒng)的泥沙增多，各級過濾器濾網(wǎng)表面攔截的泥沙質(zhì)量增大，除沙率增大.對比一級和二級除沙率表明，泵后過濾器除沙率明顯高于泵前過濾器，在過濾過程中起主要作用，對泵后過濾器的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化并選擇合適的濾網(wǎng)目數(shù)有利于提高組合型過濾系統(tǒng)的整體過濾性能.

將試驗結(jié)果與單一泵前和泵后網(wǎng)式過濾器的試驗結(jié)果進行對比，如表2所示，表中η為除沙率.

由表2可以看出：當進水含沙質(zhì)量濃度為0.15 g/L時，泵前過濾器的除沙率最大為38.60%，而組合型過濾器在試驗工況下的除沙率為52.17%～60.00%，明顯高于泵前過濾器；當含沙質(zhì)量濃度為0.12 g//L時，泵后過濾器的除沙率為58.80%，而組合型過濾器在不同進水流量條件下的除沙率為47.06%～57.14%，低于泵后過濾器.這是由于泵前過濾器主要攔截懸浮泥沙雜質(zhì)，而部分大顆粒泥沙在重力作用下沉降，實際進入組合型過濾器的泥沙含量低于設置進水含沙質(zhì)量濃度，除沙率降低.

極差分析結(jié)果如表3所示，表中R為極差，K_i為各因素下與i（i=1，2，3）水平相關(guān)的試驗結(jié)果之和，k_i為各因素下與i水平相關(guān)的試驗結(jié)果之和的平均值.

由表3可以看出，各因素對組合型過濾器除沙率影響程度由大到小依次為濾網(wǎng)目數(shù)、含沙質(zhì)量濃度和流量.濾網(wǎng)目數(shù)極差為22.11，遠大于進水含沙質(zhì)量濃度和流量，對除沙率的影響程度最大.以除沙率作為分析評價指標，最優(yōu)工況組合為泵前60目，泵后100目濾網(wǎng)，進水流量130 m³/h，進水含沙質(zhì)量濃度0.18 g/L.

3 討 論

開展原型試驗探究組合型網(wǎng)式過濾器過濾性能，得到了清水條件下的水頭損失擬合計算公式，發(fā)現(xiàn)流量和濾網(wǎng)目數(shù)是影響水頭損失的主要因素，且濾網(wǎng)目數(shù)對除沙率影響最大.將試驗結(jié)果與李繼霞等^[12]、李曼等^[15]的研究結(jié)果進行對比，發(fā)現(xiàn)組合型網(wǎng)式過濾器的除沙率明顯高于單一泵前過濾器，但低于泵后過濾器.這是因為組合型網(wǎng)式過濾器對進水含沙質(zhì)量濃度的控制與傳統(tǒng)泵后過濾器存在一定的區(qū)別：組合型過濾器主要對水中懸浮雜質(zhì)進行過濾，進入過濾系統(tǒng)的泥沙含量往往小于設計進水含沙質(zhì)量濃度.劉煥芳等^[16]研究表明網(wǎng)式過濾器水頭損失隨流量增大而增大，進水口流量值超過140 m³/h后水頭損失增加較快，文中顯示當進水流量在130～160 m³/h水頭損失變化具有相似規(guī)律.

在實際工程中，泵后網(wǎng)式過濾器往往還存在濾網(wǎng)易堵塞、使用壽命短等問題，需要頻繁清洗或更換濾網(wǎng)，增設泵前過濾器能夠較好地解決這一問題.由于目前國內(nèi)外對泵前過濾器的研究成果相對較少，將組合型試驗與李繼霞等^[12]、李曼等^[15]對單一泵前或泵后過濾器試驗結(jié)果進行對比時難以得到同一工況下的定量結(jié)論，在后續(xù)研究中可對相似工況下單一泵前或泵后過濾器進行試驗，以達到更好的對比效果.此外，進一步探究組合型網(wǎng)式過濾器對樹葉、藻類等有機物雜質(zhì)的過濾機理，分析泵前和泵后濾網(wǎng)目數(shù)匹配對過濾效率的影響規(guī)律也具有一定的研究價值.

4 結(jié) 論

對泵前和泵后組合型網(wǎng)式過濾器開展清水試驗以及不同進水流量和含沙質(zhì)量濃度條件下的渾水試驗，對試驗結(jié)果進行分析得到結(jié)論如下：

1） 清水條件下，組合型網(wǎng)式過濾器的水頭損失隨進水流量增大而增大，得到了水頭損失擬合計算公式，其決定系數(shù)R²大于0.990 0，可用于實際計算.

2） 渾水條件下，組合型網(wǎng)式過濾器的初始水頭損失和總水頭損失峰值與流量具有統(tǒng)計學意義，不同含沙質(zhì)量濃度下水頭損失變化率小于對應初始值的5%，認為含沙質(zhì)量濃度對水頭損失影響不大.濾網(wǎng)目數(shù)越大，總水頭損失峰值越大，水頭損失出現(xiàn)拐點的時間提前.

3） 極差分析結(jié)果表明，各因素對除沙率影響程度由大到小依次為濾網(wǎng)目數(shù)、進水含沙質(zhì)量濃度和流量.結(jié)合正交試驗結(jié)果確定了最優(yōu)參數(shù)組合：泵前60目，泵后100目濾網(wǎng)，進水流量130 m³/h，含沙質(zhì)量濃度0.18 g/L.泵后過濾器除沙率高于泵前過濾器，對泵后過濾器濾網(wǎng)目數(shù)的選取是提高組合型過濾器過濾性能的關(guān)鍵.

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（責任編輯 陳建華）