微灌系统泵前无压网式过滤器过滤效率研究

宗全利, 刘贞姬, 井河义, 张明鸣

(1.青岛农业大学 资源与环境学院, 山东 青岛 266109; 2.石河子大学 水利建筑工程学院, 新疆 石河子 832000; 3.新疆惠利灌溉科技股份有限公司, 新疆 石河子 832011; 4.山东省临朐县东城街道农业综合服务中心, 山东 潍坊 262600)

1 研究背景

网式过滤器具有安装使用简单、维护管理方便、成本造价低及水头损失小等优点,在新疆大田微灌系统中应用最为广泛[1]。实际工程中应用较多的网式过滤器一般设置在泵后,滤网孔径较小(80～120目),过滤精度较高,但作为微灌系统最后一道水质屏障,泵后过滤器对过滤水源的含沙类型和含量要求较高,只适应于过滤颗粒较小和含量较少的泥沙杂质。近年来,市场上出现了几种典型的泵前无压过滤器装置[2-3]。这些过滤器均安装在水泵的吸程前端,避免了动力的压力损失;工作时污水由滤网外侧进入内侧,过滤后清水从过滤网内部进入管道,改变了现有开阔水域滴灌系统的过滤模式。在一定程度上解决了泵后过滤器工作能耗高、过滤前后端压力损失大、过滤及自清洗效果不佳等问题。

目前,关于网式过滤器的研究成果主要集中于水力性能方面。如Bové等[4]、Mesquita等[5]、刘贞姬等[6]研究了不同颗粒介质对过滤器水力性能的影响,并建立了新的水头损失计算公式;Hu等[7]、Tao等[8]和Zong等[9]通过量纲分析分别得出了圆盘式、砂石和网式过滤器的水头损失方程;De-Deus等[10]和Zong等[11]分别对砂石过滤器和网式过滤器的反冲洗过程和效果进行了研究;喻黎明等[12]结合数值模拟正交试验结果的极差分析,探索了各因素对水头损失、中速过流量区域面积占比、颗粒分布相对标准偏差及拦截率影响 4 个指标的敏感度;陶洪飞等[13]、谢炎等[14]基于Fluent模拟结果,对网式过滤器内部流场分布进行了研究。

在过滤器滤网堵塞方面,相关学者也进行了试验和模拟研究。如杨洪飞等[15]、宗全利等[16]通过试验研究了泥沙堵塞滤网的内部机理;朱德兰等[17]根据堵塞试验分析了网式过滤器局部水头损失与单个滤孔滤网清洁的关系;王睿等[18]通过对比试验研究了叠片和网式过滤器不易发生堵塞的肥液平均浓度;黄玲艳等[19]分析了介质流向和滤网滤芯堵塞面积等对水头损失的影响;喻黎明等[20]采用计算流体力学-离散元法(computational fluid dynamics-discrete element method, CFD-DEM)耦合模拟研究了网式过滤器的局部堵塞过程。滤网过滤效率的现有研究成果多针对泵后有压网式过滤器,如张凯等[21]以Y 型网式过滤器为研究对象,通过试验分析了过滤器拦截过程、拦截率和滤网拦截位置与过滤器入口压强、滤网孔径和砂粒中值粒径的关系等;对于泵前过滤器的过滤效率也有相关研究成果,如陶洪飞等[22]对泵前微压过滤器的最佳运行状况进行了研究,得到各因素对总过滤效率影响大小的顺序为:滤网面积、进水含沙量、分水器型式、进水流量;李继霞等[23]提出了一种网式旋流自清洗泵前过滤器,以水头损失和除杂率为评价指标,分析了流量、含杂量、转动频率在一定条件下对水头损失和除杂率变化规律的影响。

综上,现有过滤效率研究多针对传统的泵后过滤器,而关于泵前过滤器的研究较少,尤其是对泥沙过滤效率的研究成果更少。因此,本文以新疆地区常用的泵前网式过滤器为研究对象,分别在实验室和工程现场开展观测试验,并提出有效过滤效率的概念,对网式过滤器的过滤效率进行全面研究,以完善滴灌配套产品,提升系统配套性能。

2 试验材料与方法

2.1 泵前无压网式过滤器结构及原理

泵前无压全自动水力旋喷滚筒网式过滤器包括过滤器浮筒、滤网筒、水力旋喷系统和水力冲洗系统等[24],其结构组成如图1所示。滤网筒的一端连接出水管,另一端连接水力旋喷系统装置。两浮筒与滤网筒之间通过支架连接,安装在滤网筒上部的水力冲洗系统通过喷头不断冲洗滤网,以保证过滤正常进行。

图1 泵前无压旋喷滚筒网式过滤器结构

将该过滤器置于沉沙池、水库等开阔水域,工作时漂浮在水面。水泵抽取过滤后的水源并分流,大部分直接作为灌溉水源流入田间,另一部分通过支管流入水力旋喷管。进入水力旋喷管的水流分别从两根出水方向相反的喷射管喷出,产生旋转力矩,带动装置转动,从而带动网筒转动。从水力旋喷管出水管流出的水流进入喷射支管,从支管各喷头喷出,实现对转动网筒的不间断冲洗。整个过滤过程与自清洗过程同步进行,从而防止滤网被漂浮物及浮游生物等杂质堵塞。

2.2 试验材料

过滤效率试验包括实验室试验和现场观测试验两部分。实验室试验在石河子大学水利建筑工程学院水工水力学试验大厅进行;观测现场包括新疆生产建设兵团石河子市某团场和玛纳斯县某村正在运行的过滤器现场,现场观测试验旨在检验过滤器在实际应用中的过滤效果。

2.2.1 试验装置 实验室试验装置主要由蓄水池、搅拌池、离心泵、过滤设备、控制设备和监测设备组成,如图2所示。蓄水池长、宽、高分别为5.0、4.0和1.5 m,容积为30.0 m3。蓄水池内设有高为1.0 m、直径为1.2 m的搅拌池。将泥沙颗粒加入搅拌池后,通过池内4个叶片旋转搅拌将泥沙与水流充分混合,尽可能保证过滤器水源含沙量均匀。当搅拌池和过滤器运行一段时间水流稳定后,在过滤器进水口和出水口处分别用广口瓶进行取样,每组试验至少取样5次,以均值作为最终结果。试验用过滤器由新疆惠利灌溉科技股份有限公司提供,过滤器规格选择实际中应用最为广泛的两种额定过滤流量Q=200和Q=250 m3/h。

图2 实验室过滤效率试验装置示意图

分别在新疆石河子市某团场进行Q=200 m3/h和玛纳斯县某村进行Q=250 m3/h的现场观测试验,如图3所示。现场试验主要测定过滤器的过滤流量以及对过滤前后水流进行取样。采用大连海峰仪器有限公司生产的便携式流量计(型号TDS-100P)进行现场过滤流量测试,其精度为 0.5%。分别在现场过滤前池和过滤后出口处每间隔10 min采集水样(每组至少采样5次),计算均值作为最终水样,具体操作和步骤按照《灌溉用过滤器基本参数及技术条件》(SL 470—2010)中网式过滤器的测试要求进行。由于本文主要研究过滤器对泥沙颗粒的过滤效果,所以主要测定工程现场水质的含沙情况,杂草、有机质等其他影响过滤效果的指标暂未测试。

图3 现场试验装置

2.2.2 滤网目数Q=200和Q=250 m3/h两种规格过滤器所用滤网规格和目数相同,为准确计算滤网目数,用二维扫描仪对滤网进行高精度扫描,并根据扫描结果对滤网规格计算得到:网丝直径D=0.105 mm=0.004134 in;网孔直径(净边长)d=0.3432 mm=0.013512 in;按照滤网目数定义(1in25.4 mm长度范围内网孔个数)滤网目数M≈74目。

2.2.3 试验用沙粒径级配及含沙量 在实验室中分别选用两种河沙(沙样A和B)配制不同来水含沙量,对过滤器进行过滤效率试验。通过颗粒分析,测定干沙中各粒组所占总质量的百分数和比重值,两种试验用沙的级配曲线见图4。根据测定结果,沙样A中值粒径d50=0.30 mm,沙样B中值粒径d50=0.14 mm。为获得过滤器更大范围的过滤效率试验数据,实验室试验中配比的泥沙颗粒含量较大,沙样A泥沙浓度范围为963～6 580 mg/L,沙样B为3 967～10 192 mg/L。现场试验中泥沙含量较少,水中主要为悬浮泥沙颗粒,由于含量太小,无法进行粒径级配测试,根据现场取样测试,现场悬浮泥沙颗粒含量范围为141～367 mg/L。

图4 试验用沙的颗粒级配曲线

2.3 试验方法及步骤

试验主要测量过滤器工作流量和计算过滤效率。过滤效率测试与计算方法为:首先对过滤前、后水流分别进行取样,然后将含沙水水样倒入1 000 mL量筒中,量得水样体积,再用提前烘干并称重的滤纸进行过滤,过滤完成后,将截留有泥沙颗粒的滤纸置于105 ℃烘箱中烘至恒重,再放置于干燥皿中冷却至室温后称重,根据烘干后泥沙质量计算含沙量值。测定出过滤前后水流含沙量后,即可按公式(1)计算过滤器的全沙过滤效率[3]。

(1)

式中:η为全沙过滤效率,%;S1为过滤前水流含沙量,mg/L;S2为过滤后水流含沙量,mg/L。

公式(1)的计算结果代表某一时刻或较短时间内过滤器过滤效率,为评价一段时间内的过滤效率,可以用整个过滤过程过滤效率均值表示,即全沙平均过滤效率。

(2)

公式(1)和(2)计算的过滤效率是评价过滤器性能优劣的重要指标,反映了过滤器对于水中泥沙的拦截程度。对于一般来水,过滤效率越高,则过滤后水质越好,越能满足灌溉要求。

2.4 试验组次

试验组次安排见表1。试验选取的两种过滤器额定流量分别为Q=200和Q=250 m3/h,其中Q=200 m3/h规格过滤器的滤网直径为805 mm,长度为1 200 mm,过滤面积为3.033 m2,滤网筒旋转速度为每圈13～16 s,实际最大流量可达245～248.4 m3/h,比额定流量大22.5%～24.2%;Q=250 m3/h规格过滤器的滤网直径为840 mm,长度为1 200 mm,过滤面积为3.165 m2,滤网筒旋转速度为每圈15～18 s,实际最大工作流量为378.2 m3/h,比额定流量大51.3%。两种过滤器设计中均保留有较大流量安全系数,试验过程中均以实测流量为准。

表1 试验组次安排

3 结果与分析

3.1 不同含沙量下滤网过滤效率

图5 不同来水含沙量条件下的全沙过滤效率

滤网对泥沙颗粒的拦截效果主要与泥沙含量有关。从图5(a)、5(d)可以看出,某一时刻过滤器全沙过滤效率η基本随着过滤前含沙量的增大而增大,这主要因为在过滤流量一定的前提下,来水中含沙量越大,滤网就会拦截越多的泥沙颗粒,从而使得过滤效率增大,但同时从图5(b)、5(c)可以看出,过滤效率随着过滤前含沙量增大的变化不明显,说明某一时刻全沙过滤效率并不一定会随着过滤前含沙量的增大而变大。由此可见,过滤效率还与其他因素(如滤网孔径大小、颗粒粒径大小及粒组组成等)有关。

3.2 不同粒组下滤网过滤效率

由于过滤器滤网只能拦截粒径大于网孔孔径范围的泥沙颗粒,所以大部分比滤网孔径小的泥沙颗粒会通过滤网进入灌溉系统。因而,若要更加准确和全面地评价过滤器的过滤效率,就必须根据水源所含泥沙颗粒的粒径大小来分析,即按照不同的粒径级配组成,结合网孔孔径大小,按粒组分别计算过滤器的过滤效率。

根据实验室沙样A和B颗粒的粒径分析结果,分别在过滤前和过滤后对不同沙样的粒径进行分析,得到过滤前后对应水流泥沙的不同粒组组成,表2给出了过滤前、后所取水样中不同粒组组成百分比。从表2中可以看出,过滤前沙样A颗粒粒径比较均匀,粒径范围主要在0.075～1.0 mm;沙样B颗粒粒径范围主要集中在0.075～0.180 mm,过滤后沙样A颗粒粒径范围主要集中在0.075～0.180 mm,过滤后粒径明显变细;沙样B颗粒粒径范围仍然主要集中在0.075～0.180 mm,过滤前后粒径变化不明显。

表2 过滤前、后泥沙不同粒组组成百分比和过滤效率

由于试验过滤器滤网目数为74目,按照滤网目数孔径标准,其对应的过滤精度为0.180～0.212 mm(70目对应过滤标准为0.212 mm,80目对应过滤标准为0.180 mm),即该过滤器滤网主要能过滤大于0.180～0.212 mm粒径范围的泥沙颗粒,说明其对粒径大于0.180 mm的泥沙颗粒的过滤均有效。

因过滤前沙样B颗粒粒径大部分小于0.180 mm(粒径小于0.180 mm的泥沙颗粒占比为82.0%),所以大部分泥沙不会被滤网拦截,故过滤前后粒组组成变化不明显(过滤后粒径小于0.180 mm的泥沙颗粒占比为84.0%)。而过滤前沙样A颗粒粒径大部分均大于0.180 mm(粒径大于0.180 mm的泥沙颗粒占比为66.0%),过滤后粒径大于0.180 mm的泥沙颗粒占比仅为20.0%,故过滤前后粒组组成变化明显。沙样A过滤后颗粒变细,粒径小于0.180 mm的泥沙颗粒占到80.0%,说明滤网有效拦截了大于0.180 mm的大部分泥沙颗粒。

3.3 有效过滤效率

前文中公式(1)和(2)定义的过滤效率均是针对全沙,即粒径小于滤网孔径的泥沙也计算在内。实际过滤器设计中对于小于网孔孔径的泥沙颗粒是允许通过滤网的,所以将该部分泥沙的过滤效率也计算在内显然不太合理。为了更加合理地评价过滤器的过滤效果,下面给出有效过滤效率的概念和计算方法。

泥沙颗粒粒组分别用d0～d1,d1～d2,…,di-1～di,di～di+1,…,dn-1～dn表示,对应粒组的泥沙颗粒含量百分数分别表示为p1,p2,…,pi,pi+1,…,pn,过滤前粒组的泥沙颗粒含量百分数分别为p11,p12,…,p1i,p1(i+1),…,p1n,过滤后粒组的泥沙颗粒含量百分数分别为p21,p22,…,p2i,p2(i+1),…,p2n,则第i粒组的过滤效率ηi为:

(3)

则计算全沙过滤效率的公式(1)也可以表示为:

(4)

(5)

与公式(2)相对应的全沙平均过滤效率可以表示为:

(6)

(7)

(8)

根据表2中过滤前后不同粒组组成试验结果,利用公式(5)～(8)分别计算第i粒组的平均过滤效率、全沙平均过滤效率及相应的平均有效过滤效率值,结果见表2。从表2中的计算结果可以看出,沙样A和B的全沙平均过滤效率分别为85.2%和97.9%,与公式(2)计算结果相同,验证了公式(3)～(6)的正确性。

根据表2中大于滤网网孔直径d=0.180 mm的平均有效过滤效率计算结果,沙样A和B的值分别为95.5%和98.1%,均大于各自全沙过滤效率85.2%和97.9%,说明滤网主要对粒径大于网孔孔径的泥沙颗粒过滤有效,且拦截率均达到了95%以上,这也证明了过滤效果达到了该种过滤器滤网目数的设计要求。反之,若过滤器对泥沙粒径大于网孔孔径范围泥沙的有效过滤效率较小,说明该过滤器过滤效果欠佳,可能达不到设计要求。所以用有效过滤效率指标,可以更准确地评价网式过滤器过滤效果。

4 讨 论

现有的过滤效率概念都是计算全沙过滤效率,得到的结论一般均是“过滤前含沙量越大,平均过滤效率就越大”。本文试验结果表明,额定流量Q=200 m3/h过滤器对沙样A和B的平均过滤效率均较高(分别为85.2%和97.9%),而对现场泥沙的平均过滤效率均较低(分别为47.9%和63.5%)。这主要与过滤前水流含沙量有关,沙样A和B过滤前水流含沙量平均值分别为2 824.4和7 310.8 mg/L,额定流量Q=200和Q=250 m3/h过滤器现场试验的来水含沙量分别为173.3和233.8 mg/L。这充分说明来水(过滤前)水流含沙量对过滤效率影响较大,与文献[3]中“含沙量对平均过滤效率的影响最大”的研究结论一致。

但实际中全沙过滤效率的计算结果有时会得到与实际不太符合的结论,即同一种过滤器在相同水流条件下对粗沙平均过滤效率(本文试验为85.2%)反而要小于细沙(本文试验为97.9%)。为此,本文从“滤网仅对大于网孔孔径的泥沙颗粒过滤有效”这一实际问题出发,提出了有效过滤效率的概念和计算方法。本研究结果可为更加准确和全面地评价过滤器的过滤效果提供计算依据,补充网式过滤器现有规范中缺乏过滤效率计算方法的不足。需要指出的是,本文只针对漂浮式网式过滤器进行了试验,有效过滤效率计算方法的可行性和准确性还需要更多网式过滤器的试验结果进行验证。

5 结 论

(1)根据实验室和现场观测结果,滤网对泥沙颗粒的拦截效果主要与来水泥沙含量有关,但也与其他因素如滤网孔径大小、颗粒粒径大小及粒组组成等有很大关系。

(2)提出了有效过滤效率的概念和计算方法,计算结果表明:沙样A和B平均有效过滤效率分别为95.5%和98.1%,充分说明滤网主要对粒径大于网孔孔径的泥沙颗粒过滤有效,且拦截率较高,均达到95%以上,这也证明了过滤效果达到了该种过滤器滤网目数的设计要求。

(3)根据有效过滤效率概念,分别计算了过滤器不同粒组的过滤效率。根据计算结果可以看出,随着粒组直径的增大,粒组的过滤效率也逐渐增大,如沙样A粒组从<0.075 mm增大为1.0～2.0 mm粒组时,过滤器滤网对相应粒组的过滤效率从52.1%增加至99.3%,说明同一种滤网在相同条件下对较大粒组的过滤效率要明显大于较小粒组。