旋流网式组合型过滤器过滤性能研究

2017-03-21王柏林刘焕芳刘贞姬宗全利

中国农村水利水电 2017年9期

王柏林，刘焕芳，刘贞姬，宗全利

(1.石河子大学水利建筑工程学院，新疆石河子 832003 ；2.新疆阜康抽水蓄能有限公司，乌鲁木齐 830000)

微灌是西北干旱区农业高效节水灌溉的主要形式之一，对区域经济发展和水环境改善极其重要[1]。过滤器是微灌系统进行水处理的关键设备，其过滤性能的好坏直接影响微灌系统的灌溉能力和使用年限，随着微灌工程的不断实施，如何选择适宜的过滤设备来保障微灌系统安全运行，同时获得更优的水处理能力和过滤效果；如何在不影响过滤器过滤效率的前提下减少能量损耗和延长过滤器运行时间成为过滤器研究的主要方向[2]。然而，由于传统单一型过滤装置过滤能力有限、适应性不强[3]，通过对单一过滤器的改进难以满足微灌技术的快速发展[4]。目前国内外学者已将目光投向不同过滤器的优化组合，以求达到新的突破[5]。本文针对一种已在大田广泛应用的旋流网式过滤器组合进行试验，分析其在不同含沙率条件下的过滤性能变化情况，以期为该装置的工程应用提供指导依据。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料与装置

试验在石河子大学水利大厅内进行, 试验所用过滤系统采用旋流网式过滤器组合模式，通过串联方式连接，一级过滤为旋流过滤器，网式过滤器作为二级过滤装置与旋流过滤器对接，并且网式过滤器采用双滤网并联模式。可通过对网式过滤器处蝶阀的启闭，及时对滤网进行冲洗。装置在实际应用中可连接施肥罐，在连续稳定供水的同时施肥，装置具体连接方式见图1。其中旋流器外形尺寸(高×直径)为1 920 mm×700 mm，下设储沙罐，进水口直径为150 mm。网式过滤器外形尺寸(高×直径)480 mm×160 mm，滤网为钢制，滤网规格100目，对应网眼尺寸为0.15 mm，净面积系数为0.36。

1-储沙罐；2-球阀；3-蝶阀；4-旋流过滤器；5-进水口；6-高精度压力表；7-蝶阀；8-空气阀；9-蝶阀；10-网式过滤器进水多通管；11-蝶阀；12-水咀；13-网式过滤器；14-出水口；15-施肥罐；16-软管图1 旋流网式过滤装置结构示意图

试验装置见图2，由蓄水池、搅拌池、离心泵、过滤装置、控制设备、监控设备构成。蓄水池和搅拌池为试验提供所需水量及固定含沙率原水。离心泵采用卧式单级泵，可通过变频装置调节获得所需流量。精度为0.2%高精度压力表2块，分别设置在旋流过滤器进口段和网式过滤器出口段，用来测量过滤器组合后的局部水头损失。进水管道处设置型号为TDS-100P的便携式超声流量仪1台，用来测量过滤装置进水流量及流速变化情况。

1-蓄水池；2-搅拌池；3-出水管；4-进水管；5-过滤器；6-离心泵图2 旋流网式过滤器组合试验装置示意图

1.2 试验设计与方法

设置清水试验和浑水试验2种试验处理。清水试验时，依靠控制装置对离心泵的频率进行调节，达到对进水管流量的变量控制，当设备运行稳定后记录压力表数值，得出其在无阻塞情况下的局部水头损失规律。浑水试验时，选用天然河床河沙作为固相颗粒杂质。通过实际调研资料分析，确定进水口含沙率为0.14、0.19、0.24 g/L。试验准备阶段对所选沙样进行干燥及人工筛滤，去除大颗粒无机杂质或有机颗粒。试验开始阶段开启搅拌池，均匀倒入固相颗粒杂质以保证进水管含沙率均匀稳定。依照清水试验所选流量点，依次从小流量向大流量过渡。根据旋流过滤器的运行条件和网式过滤器额定处理能力，确定测试流量范围为60～180 m3/h，每间隔20 m3/h设测试点。试验时通过控制装置调节流量到待测值后，每隔30 s记录压力表数值，当出水口流量减小为试验流量的80%时停止试验，并对过滤器进行清洗。以此分析旋流网式过滤器在不同流量情况下的水头损失变化规律及其在应对不同含沙率水流时的过滤性能变化规律。

2 试验结果与分析

本组合式过滤装置充分利用旋流过滤器的高保障滤和网式过滤器的精细过滤特性，在避免旋流过滤器开关机过程中因水流紊乱导致的过滤精度下降的同时，降低了网式过滤器过滤压力，有效地延长了过滤装置稳定运行时间[6]。

2.1 过滤装置水头损失变化规律分析

组合式过滤装置水头损失情况较为复杂，主要包括进水口局部水头损失、出水口局部水头损失、网式过滤器局部水头损失、旋流过滤器局部水头损失和沿程管道水头损失。其计算公式可采用如下公式[7]：

(1)

式中：hf为旋流网式过滤器总局部水头损失，m；∑ξ为各部分局部水头损失系数求和；V为进水管流速， m3/h。

其中旋流过滤器因其结构特殊，主要依靠液体旋流所产生的离心力场来达到过滤目标，经验公式如下：

(2)

式中：Δhx为旋流器局部水头损失，m；Di为旋流器溢流管直径，m；D0为旋流器进水口直径，m。

可看出其局部水头损失主要受旋流过滤器尺寸和过滤流量影响。因此，在来水条件固定情况下其水头损失不会发生大的波动。从图3可以看出，旋流网式过滤器水头损失伴随流量增大而持续增长，且伴随流量增大，过滤器水头损失增速情况加剧，与公式分析结果相符。

图3 清水条件下过滤器水头损失曲线

通过清水试验处理得到各流量时局部水头损失情况，拟合得出水头损失随流量变化公式H=0.000 2Q2-0.001 1Q-0.265 8，其中R2=0.997表明公式拟合程度较高。当流量小于60 m3/h时，压力降不能达到旋流器对压力降的要求，导致空气阀无法闭合。当流量在100～180 m3/h时，从图3中可以明显看出过滤器水头损失受过滤流量影响较大，且随着流量增大，局部水头损失增长趋势加剧。

如图4所示，当流量范围在100～180 m3/h时，其水头损失曲线表现为双段式。设备在开始阶段平稳运行，水压力稳定。当拐点1出现时，水头损失有小范围增速加据。随后过滤过程进入第2段稳定运行阶段。此阶段设备持续稳定运行，但随着水头损失的增长，进水口流量减少为初始流量的85%～90%。拐点2出现时，其特性与单一网式过滤器相似，随着网式过滤器滤网被固相颗粒阻塞，滤网过流面积减少，导致滤网处水流流速增大，局部水头损失急剧增长。

图4 100～180 m3/h流量条件下水头损失变化曲线(含沙率0.19 g/L)

影响旋流过滤器过滤效率的主要因素为固液介质二相的密度差，当进水口流量一定且装置结构尺寸不变时，其所能过滤的固相颗粒粒径和过滤效率是固定的。同时旋流过滤器是一种可连续作用的开放式结构，其后对接的网式过滤装置因有效过流面积减小导致过流阻力增加时，旋流过滤器内水流紊乱情况无法避免。而旋流过滤器过滤性能受进水口流速和流场的稳定性影响，装置总体过流能力的下降在导致串联系统中旋流过滤器内流场的改变的同时，这一过程中的水流流态紊乱也导致未经处理的固相颗粒杂质进入到溢流管中，造成网式过滤器被多粒径固相颗粒杂质阻塞。当旋流器再次形成稳定的离心力场后，其在该条件下继续对来水进行过滤。当网式过滤器清洁度达到导致水头损失急剧增长值时，过流量急剧减少，且总局部水头损失显著增长。

如图5所示，当流量范围在60～80 m3/h时，旋流网式过滤器局部水头损失随时间变化曲线表现为单拐点，其特性与传统网式过滤器相似[8]。这是因为旋流过滤器在小流量条件下运行，过滤性能主要依靠重力场和弱离心力场的共同作用，而该类型装置对来水流速、流态要求较高，只有当其水头损失大于3 m时，才能形成足够的离心力，达到分离效果。当网式过滤器滤网阻塞，导致的进水口流量减小时，旋流过滤器内流体无法在流量下降条件下再次形成稳定离心力场，水流流态失稳导致过滤精度下降，旋流过滤器失效。因此，伴随着滤网被阻塞面积的增长，水头损失显著增长，曲线表现为单拐点。

图5 60～80 m3/h流量条件下水头损失变化曲线(含沙率0.19 g/L)

2.2 含沙率对过滤器组合过滤性能的影响

因组合式过滤装置构造复杂，在对所得数据分析的过程中发现其局部水头损失受流量影响较为显著，且在不同的流量范围内表现为不同的增长趋势。根据局部水头损失增长规律的趋势不同，将本试验划分为小流量(60～80 m3/h)和大流量(100～180 m3/h)2种情况并分段分部进行相应分析。

图6为Q=140 m3/h时，组合过滤装置在不同含沙率条件下水头损失随时间变化曲线。从图6中可知，在Q=140 m3/h流量条件下，所选的3种含沙率均呈现出双段式典型特征，其运行周期中出现明显的双拐点,拐点出现时间随着含沙率的减少呈现推后的趋势，其中0.14 g/L拐点1出现时间在0.24和0.19 g/L之间，且当含沙率为0.14和0.19 g/L时，其拐点2出现时间较为接近，而当含沙率为0.24 g/L时拐点2出现时间远远早于0.19 g/L。当过滤器在含沙率为0.24 g/L条件下运行时，相比于中低档含沙率情况其第2段平稳运行时间明显减少。这是因为旋流过滤器过滤精度和过滤效率主要受流速所带来的离心力场和水流流态的影响，伴随着拐点一出现后的流量减少，其不但对旋流过滤器的分离强度造成影响，同时伴随着水流流态的变化，其内部流场流态失稳，大量未经旋流过滤器处理的紊乱水流从溢流管进入网式过滤器。与此同时，由于旋流过滤器的短路流和边壁流的存在，进一步加剧了网式过滤器过滤负担[9]。从图6中可以看出，在不同含沙率条件下，拐点1出现后过滤器的水头损失变化的时间周期相近，当含沙率明显增长时，该过程中大含沙率来水将更多的固相颗粒杂质带入网式过滤器，造成了滤网的过量阻塞。根据对试验数据的分析可以看出：在各流量条件下，其达到稳定所需时间未发生较为明显变化。在第2段平稳运行阶段之初，清洁度虽未达到导致网式过滤器局部水头损失显著增长的值，但其有效过流面积已经开始减少，故第2段稳定运行阶段明显缩短。

图6 Q=140 m3/h时不同含沙率水头损失随时间变化规律

由图7可知，当组合式过滤装置在小流量条件下运行时，其过滤时间随着含沙率的减少而增长。其中0.19和0.24 g/L表现为单拐点。这是因为当组合式过滤装置在小流量条件下运行时，旋流过滤器因其结构的特殊性，不能在进口流速条件下形成高效的离心力场，过滤主要依靠网式过滤器完成。而引起滤网局部水头损失增长的清洁度固定，故在不更换装置的条件下，其所能承载的固相颗粒杂质总重相近，因此不同含沙率下的过滤时间出现了这种线性增长的趋势。0.14 g/L情况下出现与大流量条件类似的双段式曲线，这主要是因为当含沙率降低时，其在单位时间内进入网式过滤器的固相颗粒杂质减少，当其清洁度达到引起水头损失改变的值时，表现出波动，因此小流量时进水口含沙率是导致水头损失曲线表现为双拐点的重要因素。

图7 流量80 m3/h时，不同含沙率下水头损失随时间变化规律

2.3 旋流网式过滤器最佳工况条件分析

根据过滤器设计过流量与网式过滤器滤网面积的关系式[10]：

Q=3 600fAv

(3)

式中：A为过滤器滤网面积；f为滤网的净面积系数。

计算可知：试验所选用网式过滤器在单独工作过程中，对应设计流量为82 m3/h。从60～180 m3/h的流量范围内对组合式过滤装置过滤时间的统计分析及对比情况来看，该组合式过滤装置在该滤网面积下处理120～140 m3/h来水时，稳定运行时间较长，且在处理不同含沙率来水条件时，过滤性能无明显波动。出现这种情况的原因是，旋流网式组合式过滤器末端的网式过滤器的存在，保证了组合式过滤装置在该过滤装置在过滤标准下稳定运行，而其首部作为初级处理的旋流式过滤器发挥作用，将大部分固相颗粒杂质过滤至集沙箱，减轻了网式过滤器处理压力。而决定网式过滤器阻塞的因素主要有滤网目数、固相颗粒杂质级配和滤网阻塞程度，不同流量情况下，淤积情况虽各有不同，但其在不同流量下网式过滤器所能承载的固相颗粒杂质总重规律相近。当流量在120～140 m3/h情况下运行时，旋流过滤器可在较高的保证率下运行，且其在协同过程中，进入网式过滤器的未处理杂质较少。

从表1中可以看出，随着含沙率的增长，过滤时间依次递减，其中当含沙率为0.24 g/L时下降极为明显，正常运行时间相比于另外2组含沙率下降约40%，故本装置不适宜高含沙率情况下运行，其最优处理能力为0.14～0.19 g/L ，因实际工程中，过滤器首部多设置沉沙池等构造来降低进水含沙率，通过实际观测与野外调研得知，0.19 g/L为新疆范围内主要含沙率，大田微灌来水含沙率均小于该数值，故本装置可良好的适应区域水源的需要，具有良好的适应能力。

表1 不同含沙率条件下，大流量运行时间对比

观察表2可以发现，在小流量下随着含沙率的增加，第1阶段运行时间减小明显。当流量在60～80 m3/h时，旋流过滤器不能形成稳定的离心力场导致其不能有效的投入工作，大部分过滤压力集中在网式过滤器上。从集沙箱的排沙情况可以看出，旋流过滤器在小流量条件下仍然发挥过滤作用，但对组合式过滤器本身，与单一网式过滤器相比提升幅度有限。所以不推荐旋流网式过滤器在小流量下工作。

表2 不同含沙率小流量运行时间对比

3 结语

(1)组合式过滤装置水头损失在大流量条件下表现为明显的双段式，2个拐点，2段稳定运行阶段，1次协同。该特性有别于传统型过滤装置，对大型过滤站系统的水头损失产生因素和特性具有一定的指导作用。小流量条件下与传统网式过滤器水头损失随时间变化情况相类似，与其相对接的旋流过滤器在水头损失小于3m的情况下仍然发挥其部分过滤作用，提高了组合式过滤装置在该条件下的稳定运行时间。

(2)网式过滤器滤网被阻塞面积增大导致的水头损失显著增长，是大流量条件下(100～180 m3/h)水头损失随时间变化曲线表现为双段式的原因。拐点出现后，因进口流速减小导致的旋流过滤器离心力场强度改变，是水头损失随时间变化曲线表现为双段式的另一原因。拐点1出现后，旋流过滤器内流态改变导致部分固相颗粒杂质进入网式过滤器是大流量条件下稳定运行时间缩减的重要原因。

(3)组合式过滤装置在处理不同含沙率的水源条件时，过滤性能差异较大。进口流量在60～80 m3/h时，伴随含沙率的增长，装置水头损失表现为线性增长。进口流量在100～140 m3/h时，当水源含沙率呈线性增长时，装置稳定运行时间呈加剧缩减的趋势。当流量在160～180 m3/h时，相比于140 m3/h流量条件，过滤周期缩减了40%。

(4)当含沙率条件小于0.19 g/L且进水口流量小于140 m3/h时，组合式过滤装置稳定运行时长最优。为确保旋流过滤器上端空气阀闭合，保证装置密封性，组合式过滤装置不适宜在流量小于60 m3/h条件下运行。

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