自清洗旋转网筒过滤器过滤效率初探

2022-10-27段晓芳张延贺杨文新

海河水利 2022年5期

段晓芳，张延贺，马睿，杨文新，2

（1.新疆农业大学水利与土木工程学院，新疆乌鲁木齐 830052；2.新疆水利工程安全与水灾害防治重点实验室，新疆乌鲁木齐 830052）

1 国内外研究背景及现状

我国总体水资源呈现“东南多，西北少”的大分配格局。随着人口数量变多、城市化进程加快、地表水污染严重、水资源供需矛盾、地区之间分配不均等，我国人均水资源利用量持续减少，与其他国家差距较大。在新疆地区，作物大量需水的生育期正是河流的汛期，80%以上的灌溉水源为高山冰川的地表水，具有含沙量较高、泥沙粒径大的特点。在工程设计中考虑防止和减少泥沙进入引取水口措施，如沉沙池（井）等沉沙设施解决泥沙问题[1]非常有必要。

上世纪后期，石河子大学张开泉等人曾进行过螺旋排沙试验研究[2]。目前，砂介质过滤器、网式过滤器、离心过滤器及叠片过滤器等[3]常用于地表水的处理，刘亚丽研究的河水滴灌重力沉沙过滤池[4]也取得了较好成果。在常规过滤器研究成果基础上，国内学者又提出了新型过滤器，如鱼雷网式过滤器[5]、砂石-筛网组合过滤器[6]、离心筛网式过滤器[7]，为滴灌技术首部系统过滤器的选择提供了更多选项。但这些过滤器的工作方式都属于泵后强压过滤冲洗，且能耗高、生产投资大，会造成灌水器堵塞，影响灌水质量，造成作物减产，严重的甚至会造成整个微灌系统瘫痪[8，9]。

现有的网式过滤器研究对象主要包括水利性能、流场、过滤机理以及综合评价指标等[10]。刘焕芳[11]等对自吸网式过滤器进行水力性能试验，发现装置过滤效率与时间并不成线性关系；宗全利等[12]对自清洗网式过滤器排污压差进行了计算，最终获得清水和浑水水头损失变化曲线并得出过滤器的最佳排污压差值；阿力甫江·阿不里米提等[13]对鱼雷网式过滤器内部全流场进行数值模拟，最终表明，鱼雷部件和出水口边界条件对过滤器的速度场和压力场分布规律影响很大。

利用自反冲洗式水质过滤装置原理[14]，研究一种造价低、结构简单、高效节能、轻便实用、管理方便的设备或装置，是保障微灌系统正常发挥经济效益的必要条件，也是发展节水灌溉技术的首要前提。在网式过滤器的基础上，提出一种新型过滤装置——自清洗旋转网筒过滤器，在设计结构、形状、驱动方式上加以创新，同时提高过滤和排沙双重效率。

2 装置简介

2.1 试验装置

本装置是一种新型除沙过滤装置，将传统的微灌首部枢纽泵后式过滤改为泵前转筒式过滤，如图1 所示。过滤器由进水端、旋转网筒、叶片、轴承及排污阀等组成，浑水桶与转筒进水管连接，在自然水头的作用下浑水进入旋转网筒。旋转网筒由锥桶、两端叶片、中部的滤网、高压喷嘴和尾部的排沙阀组成。整个转筒从左到右直径逐渐减少，促进泥沙等污物向转筒末端汇集。

图1 自清洗旋转网筒过滤器示意

2.2 工作原理

该装置滤网孔径为100 目，喷嘴频率为50 Hz，从浑水箱中流出的浑水通过进水管进入转筒式过滤器，冲击转筒外壁上的叶片，保障转筒持续转动。浑水由内向外过滤出来，当转筒内部的泥沙沉积到一定量时，打开尾部排沙阀门，在沉沙池内的自然水头作用下升高装置进水端实现水力排沙。自制模型利用浑水桶代替沉沙池，由浑水桶与转筒之间的高差模拟自然水头。本设计利用旋转网筒（锥筒）结构，减小转筒的截面面积，增大水流流速，促进网筒中的泥沙向转筒尾部移动。由于喷嘴的作用，将附着在滤网表面的泥沙冲洗掉，使网筒处于高效的介质过滤阶段，进一步促使泥沙向转筒尾部汇集，可提高过滤器的过滤效率和排沙速率。

2.3 试验方法

本次试验分为清水试验和浑水试验。做清水试验时，含沙量为0，故不考虑含沙量对装置的影响，主要研究进水端升高高度和进水流量对过滤效果的影响；做浑水试验时，主要研究进水端升高高度、进水流量、含沙量对转速大小、过滤效果以及排沙耗水率的影响。试验时，用秒表计时，测出转筒每分钟所转圈数，最后可得出各工况对装置转速的影响，进而判断出装置的过滤效率。

2.3.1 清水试验

（1）研究进水流量对装置转速的影响时，控制进水端升高高度为5、9和13 cm，控制进水流量分别为5.1、3.1、1.3 m3/h；共做3 组试验，以消除系统误差和偶然误差，试验结果如图2所示。

图2 进水流量与装置转速关系

由进水流量与装置转速的影响关系曲线得知：进水端升高高度越高、进水流量越小，装置转速越快。在进水端升高高度为13 cm、进水流量为1.3 m3/h时，装置的转速最快为363 r/min，由于受到水重力的影响，转筒内部水量越大，装置越重，减小进水流量，会使装置的转速加快；升高高度越高进水流量变小，使得装置转动阻力变小，转速加快。

（2）研究进水端升高高度对装置转速的影响时，控制流量在5.1、3.1 和1.3 m3/h，控制升高高度分别为5、9、13、17、20 cm；共做3组试验，试验结果如图3所示。

图3 进水端升高高度对装置转速影响

由升高高度对装置转速的影响关系曲线得知：抬高转筒的升高高度，使得网筒的倾斜角度变大，更多的水聚到锥桶尾部，使网筒重力的水平分力增加，进而增加了网筒末端的摩擦力，使得网筒的转速越慢。

2.3.2 浑水试验

（1）在研究进水端升高高度对转速、排沙效率、排沙耗水率的影响时，首先可控制进水流量为1.7 m3/h，含沙量为1 kg/m3，升高高度分别为0、4、9 cm，测得过滤烘干前后沙子的重量分析该影响；再控制进水流量为0.66 m3/h，含沙量为2.4 kg/m3，升高高度分别为0、4、9 cm，测得过滤烘干前后沙子的重量，试验结果如图4所示。

图4 进水端升高高度与装置过滤效率关系

由进水端升高高度与装置过滤效率影响关系曲线得知：控制进水流量和含沙量相同，升高高度越高，网筒的倾斜角度变大，网筒转速变慢，使得沙子和过滤网的接触面积减小，过滤效率变低，排沙耗水率越小。

（2）在研究进水流量对转速、排沙效率、排沙耗水率的影响时，控制含沙量为1.2 kg/m3，进水端升高高度分别为0、4、9 cm，测得过滤烘干前后沙子的重量以分析该影响，试验结果如图5所示。

图5 进水流量与装置过滤效率关系

由进水流量与装置过滤效率关系曲线得知：含沙量和进水端升高高度相同时，进水流量越大，装置重量最大，动能越大，使得转筒的转速越低，过滤效率降低，排沙耗水率越大。

3 试验结论

根据现有研究成果[10]，在其基础上将装置加以改进，利用控制变量法，全面探究含沙量、升高高度、进水流量等综合因素对装置过滤效率的影响。

清水工况下，在控制进水端升高高度不变、滤网孔径一定时，进水流量越大，转筒内部蓄水越多，转筒重量越大，使得网筒的转速越慢。以控制升高高度9 cm 工况为例，随着进水流量的减小，在进水流量为1.3 m3/h 时，网筒转速最快为363 r/min；抬高转筒的升高高度时，使得网筒的倾斜角度变大，更多的水聚到锥桶尾部，使得网筒的转速越慢，以控制进水流量3.14 m3/h 工况为例，在升高高度为9 cm 时，网筒转速最快，为288 r/min。

浑水工况下，进水流量和含沙量相同时，进水端升高高度越高，网筒的倾斜角度变大，更多沙子淤积在锥桶尾部，使得沙子和过滤网的接触面积减小，过滤效率变低，以进水流量为1.7 m3/h、含沙量为1 kg/m3工况为例，进水端升高高度为9 cm 时，网筒转速最快为363 r/min；装置平放时，过滤效率最高为87%，排沙耗水率最大为2.46%。含沙量和升高高度相同时，进水流量越大，转筒的转速越低，从而影响过滤效率，使其变低，以含沙量为1.2 kg/m3、升高高度为4 cm 的工况为例，当进水流量为0.55 m3/h 时，过滤效率最高为86%，排沙耗水率为2.42%；进水流量为1.05 m3/h 时，排沙耗水率最大为2.62%，过滤效率为78%。