旋流網式組合型過濾器過濾性能研究

王柏林，劉煥芳，劉貞姬，宗全利

(1.石河子大學水利建筑工程學院，新疆 石河子 832003 ；2.新疆阜康抽水蓄能有限公司，烏魯木齊 830000)

微灌是西北干旱區農業高效節水灌溉的主要形式之一，對區域經濟發展和水環境改善極其重要[1]。過濾器是微灌系統進行水處理的關鍵設備，其過濾性能的好壞直接影響微灌系統的灌溉能力和使用年限，隨著微灌工程的不斷實施，如何選擇適宜的過濾設備來保障微灌系統安全運行，同時獲得更優的水處理能力和過濾效果；如何在不影響過濾器過濾效率的前提下減少能量損耗和延長過濾器運行時間成為過濾器研究的主要方向[2]。然而，由于傳統單一型過濾裝置過濾能力有限、適應性不強[3]，通過對單一過濾器的改進難以滿足微灌技術的快速發展[4]。目前國內外學者已將目光投向不同過濾器的優化組合，以求達到新的突破[5]。本文針對一種已在大田廣泛應用的旋流網式過濾器組合進行試驗，分析其在不同含沙率條件下的過濾性能變化情況，以期為該裝置的工程應用提供指導依據。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料與裝置

試驗在石河子大學水利大廳內進行, 試驗所用過濾系統采用旋流網式過濾器組合模式，通過串聯方式連接，一級過濾為旋流過濾器，網式過濾器作為二級過濾裝置與旋流過濾器對接，并且網式過濾器采用雙濾網并聯模式。可通過對網式過濾器處蝶閥的啟閉，及時對濾網進行沖洗。裝置在實際應用中可連接施肥罐，在連續穩定供水的同時施肥，裝置具體連接方式見圖1。其中旋流器外形尺寸(高×直徑)為1 920 mm×700 mm，下設儲沙罐，進水口直徑為150 mm。網式過濾器外形尺寸(高×直徑)480 mm×160 mm，濾網為鋼制，濾網規格100目，對應網眼尺寸為0.15 mm，凈面積系數為0.36。

1-儲沙罐；2-球閥；3-蝶閥；4-旋流過濾器；5-進水口；6-高精度壓力表；7-蝶閥；8-空氣閥；9-蝶閥；10-網式過濾器進水多通管；11-蝶閥；12-水咀；13-網式過濾器；14-出水口；15-施肥罐；16-軟管圖1 旋流網式過濾裝置結構示意圖

試驗裝置見圖2，由蓄水池、攪拌池、離心泵、過濾裝置、控制設備、監控設備構成。蓄水池和攪拌池為試驗提供所需水量及固定含沙率原水。離心泵采用臥式單級泵，可通過變頻裝置調節獲得所需流量。精度為0.2%高精度壓力表2塊，分別設置在旋流過濾器進口段和網式過濾器出口段，用來測量過濾器組合后的局部水頭損失。進水管道處設置型號為TDS-100P的便攜式超聲流量儀1臺，用來測量過濾裝置進水流量及流速變化情況。

1-蓄水池；2-攪拌池；3-出水管；4-進水管；5-過濾器；6-離心泵圖2 旋流網式過濾器組合試驗裝置示意圖

1.2 試驗設計與方法

設置清水試驗和渾水試驗2種試驗處理。清水試驗時，依靠控制裝置對離心泵的頻率進行調節，達到對進水管流量的變量控制，當設備運行穩定后記錄壓力表數值，得出其在無阻塞情況下的局部水頭損失規律。渾水試驗時，選用天然河床河沙作為固相顆粒雜質。通過實際調研資料分析，確定進水口含沙率為0.14、0.19、0.24 g/L。試驗準備階段對所選沙樣進行干燥及人工篩濾，去除大顆粒無機雜質或有機顆粒。試驗開始階段開啟攪拌池，均勻倒入固相顆粒雜質以保證進水管含沙率均勻穩定。依照清水試驗所選流量點，依次從小流量向大流量過渡。根據旋流過濾器的運行條件和網式過濾器額定處理能力，確定測試流量范圍為60～180 m3/h，每間隔20 m3/h設測試點。試驗時通過控制裝置調節流量到待測值后，每隔30 s記錄壓力表數值，當出水口流量減小為試驗流量的80%時停止試驗，并對過濾器進行清洗。以此分析旋流網式過濾器在不同流量情況下的水頭損失變化規律及其在應對不同含沙率水流時的過濾性能變化規律。

2 試驗結果與分析

本組合式過濾裝置充分利用旋流過濾器的高保障濾和網式過濾器的精細過濾特性，在避免旋流過濾器開關機過程中因水流紊亂導致的過濾精度下降的同時，降低了網式過濾器過濾壓力，有效地延長了過濾裝置穩定運行時間[6]。

2.1 過濾裝置水頭損失變化規律分析

組合式過濾裝置水頭損失情況較為復雜，主要包括進水口局部水頭損失、出水口局部水頭損失、網式過濾器局部水頭損失、旋流過濾器局部水頭損失和沿程管道水頭損失。其計算公式可采用如下公式[7]：

(1)

式中：hf為旋流網式過濾器總局部水頭損失，m；∑ξ為各部分局部水頭損失系數求和；V為進水管流速， m3/h。

其中旋流過濾器因其結構特殊，主要依靠液體旋流所產生的離心力場來達到過濾目標，經驗公式如下：

(2)

式中：Δhx為旋流器局部水頭損失，m；Di為旋流器溢流管直徑，m；D0為旋流器進水口直徑，m。

可看出其局部水頭損失主要受旋流過濾器尺寸和過濾流量影響。因此，在來水條件固定情況下其水頭損失不會發生大的波動。從圖3可以看出，旋流網式過濾器水頭損失伴隨流量增大而持續增長，且伴隨流量增大，過濾器水頭損失增速情況加劇，與公式分析結果相符。

圖3 清水條件下過濾器水頭損失曲線

通過清水試驗處理得到各流量時局部水頭損失情況，擬合得出水頭損失隨流量變化公式H=0.000 2Q2-0.001 1Q-0.265 8，其中R2=0.997表明公式擬合程度較高。當流量小于60 m3/h時，壓力降不能達到旋流器對壓力降的要求，導致空氣閥無法閉合。當流量在100～180 m3/h時，從圖3中可以明顯看出過濾器水頭損失受過濾流量影響較大，且隨著流量增大，局部水頭損失增長趨勢加劇。

如圖4所示，當流量范圍在100～180 m3/h時，其水頭損失曲線表現為雙段式。設備在開始階段平穩運行，水壓力穩定。當拐點1出現時，水頭損失有小范圍增速加據。隨后過濾過程進入第2段穩定運行階段。此階段設備持續穩定運行，但隨著水頭損失的增長，進水口流量減少為初始流量的85%～90%。拐點2出現時，其特性與單一網式過濾器相似，隨著網式過濾器濾網被固相顆粒阻塞，濾網過流面積減少，導致濾網處水流流速增大，局部水頭損失急劇增長。

圖4 100～180 m3/h流量條件下水頭損失變化曲線(含沙率0.19 g/L)

影響旋流過濾器過濾效率的主要因素為固液介質二相的密度差，當進水口流量一定且裝置結構尺寸不變時，其所能過濾的固相顆粒粒徑和過濾效率是固定的。同時旋流過濾器是一種可連續作用的開放式結構，其后對接的網式過濾裝置因有效過流面積減小導致過流阻力增加時，旋流過濾器內水流紊亂情況無法避免。而旋流過濾器過濾性能受進水口流速和流場的穩定性影響，裝置總體過流能力的下降在導致串聯系統中旋流過濾器內流場的改變的同時，這一過程中的水流流態紊亂也導致未經處理的固相顆粒雜質進入到溢流管中，造成網式過濾器被多粒徑固相顆粒雜質阻塞。當旋流器再次形成穩定的離心力場后，其在該條件下繼續對來水進行過濾。當網式過濾器清潔度達到導致水頭損失急劇增長值時，過流量急劇減少，且總局部水頭損失顯著增長。

如圖5所示，當流量范圍在60～80 m3/h時，旋流網式過濾器局部水頭損失隨時間變化曲線表現為單拐點，其特性與傳統網式過濾器相似[8]。這是因為旋流過濾器在小流量條件下運行，過濾性能主要依靠重力場和弱離心力場的共同作用，而該類型裝置對來水流速、流態要求較高，只有當其水頭損失大于3 m時，才能形成足夠的離心力，達到分離效果。當網式過濾器濾網阻塞，導致的進水口流量減小時，旋流過濾器內流體無法在流量下降條件下再次形成穩定離心力場，水流流態失穩導致過濾精度下降，旋流過濾器失效。因此，伴隨著濾網被阻塞面積的增長，水頭損失顯著增長，曲線表現為單拐點。

圖5 60～80 m3/h流量條件下水頭損失變化曲線(含沙率0.19 g/L)

2.2 含沙率對過濾器組合過濾性能的影響

因組合式過濾裝置構造復雜，在對所得數據分析的過程中發現其局部水頭損失受流量影響較為顯著，且在不同的流量范圍內表現為不同的增長趨勢。根據局部水頭損失增長規律的趨勢不同，將本試驗劃分為小流量(60～80 m3/h)和大流量(100～180 m3/h)2種情況并分段分部進行相應分析。

圖6為Q=140 m3/h時，組合過濾裝置在不同含沙率條件下水頭損失隨時間變化曲線。從圖6中可知，在Q=140 m3/h流量條件下，所選的3種含沙率均呈現出雙段式典型特征，其運行周期中出現明顯的雙拐點,拐點出現時間隨著含沙率的減少呈現推后的趨勢，其中0.14 g/L拐點1出現時間在0.24和0.19 g/L之間，且當含沙率為0.14和0.19 g/L時，其拐點2出現時間較為接近，而當含沙率為0.24 g/L時拐點2出現時間遠遠早于0.19 g/L。當過濾器在含沙率為0.24 g/L條件下運行時，相比于中低檔含沙率情況其第2段平穩運行時間明顯減少。這是因為旋流過濾器過濾精度和過濾效率主要受流速所帶來的離心力場和水流流態的影響，伴隨著拐點一出現后的流量減少，其不但對旋流過濾器的分離強度造成影響，同時伴隨著水流流態的變化，其內部流場流態失穩，大量未經旋流過濾器處理的紊亂水流從溢流管進入網式過濾器。與此同時，由于旋流過濾器的短路流和邊壁流的存在，進一步加劇了網式過濾器過濾負擔[9]。從圖6中可以看出，在不同含沙率條件下，拐點1出現后過濾器的水頭損失變化的時間周期相近，當含沙率明顯增長時，該過程中大含沙率來水將更多的固相顆粒雜質帶入網式過濾器，造成了濾網的過量阻塞。根據對試驗數據的分析可以看出：在各流量條件下，其達到穩定所需時間未發生較為明顯變化。在第2段平穩運行階段之初，清潔度雖未達到導致網式過濾器局部水頭損失顯著增長的值，但其有效過流面積已經開始減少，故第2段穩定運行階段明顯縮短。

圖6 Q=140 m3/h時不同含沙率水頭損失隨時間變化規律

由圖7可知，當組合式過濾裝置在小流量條件下運行時，其過濾時間隨著含沙率的減少而增長。其中0.19和0.24 g/L表現為單拐點。這是因為當組合式過濾裝置在小流量條件下運行時，旋流過濾器因其結構的特殊性，不能在進口流速條件下形成高效的離心力場，過濾主要依靠網式過濾器完成。而引起濾網局部水頭損失增長的清潔度固定，故在不更換裝置的條件下，其所能承載的固相顆粒雜質總重相近，因此不同含沙率下的過濾時間出現了這種線性增長的趨勢。0.14 g/L情況下出現與大流量條件類似的雙段式曲線，這主要是因為當含沙率降低時，其在單位時間內進入網式過濾器的固相顆粒雜質減少，當其清潔度達到引起水頭損失改變的值時，表現出波動，因此小流量時進水口含沙率是導致水頭損失曲線表現為雙拐點的重要因素。

圖7 流量80 m3/h時，不同含沙率下水頭損失隨時間變化規律

2.3 旋流網式過濾器最佳工況條件分析

根據過濾器設計過流量與網式過濾器濾網面積的關系式[10]：

Q=3 600fAv

(3)

式中：A為過濾器濾網面積；f為濾網的凈面積系數。

計算可知：試驗所選用網式過濾器在單獨工作過程中，對應設計流量為82 m3/h。從60～180 m3/h的流量范圍內對組合式過濾裝置過濾時間的統計分析及對比情況來看，該組合式過濾裝置在該濾網面積下處理120～140 m3/h來水時，穩定運行時間較長，且在處理不同含沙率來水條件時，過濾性能無明顯波動。出現這種情況的原因是，旋流網式組合式過濾器末端的網式過濾器的存在，保證了組合式過濾裝置在該過濾裝置在過濾標準下穩定運行，而其首部作為初級處理的旋流式過濾器發揮作用，將大部分固相顆粒雜質過濾至集沙箱，減輕了網式過濾器處理壓力。而決定網式過濾器阻塞的因素主要有濾網目數、固相顆粒雜質級配和濾網阻塞程度，不同流量情況下，淤積情況雖各有不同，但其在不同流量下網式過濾器所能承載的固相顆粒雜質總重規律相近。當流量在120～140 m3/h情況下運行時，旋流過濾器可在較高的保證率下運行，且其在協同過程中，進入網式過濾器的未處理雜質較少。

從表1中可以看出，隨著含沙率的增長，過濾時間依次遞減，其中當含沙率為0.24 g/L時下降極為明顯，正常運行時間相比于另外2組含沙率下降約40%，故本裝置不適宜高含沙率情況下運行，其最優處理能力為0.14～0.19 g/L ，因實際工程中，過濾器首部多設置沉沙池等構造來降低進水含沙率，通過實際觀測與野外調研得知，0.19 g/L為新疆范圍內主要含沙率，大田微灌來水含沙率均小于該數值，故本裝置可良好的適應區域水源的需要，具有良好的適應能力。

表1 不同含沙率條件下，大流量運行時間對比

觀察表2可以發現，在小流量下隨著含沙率的增加，第1階段運行時間減小明顯。當流量在60～80 m3/h時，旋流過濾器不能形成穩定的離心力場導致其不能有效的投入工作，大部分過濾壓力集中在網式過濾器上。從集沙箱的排沙情況可以看出，旋流過濾器在小流量條件下仍然發揮過濾作用，但對組合式過濾器本身，與單一網式過濾器相比提升幅度有限。所以不推薦旋流網式過濾器在小流量下工作。

表2 不同含沙率小流量運行時間對比

3 結 語

(1)組合式過濾裝置水頭損失在大流量條 件下表現為明顯的雙段式，2個拐點，2段穩定運行階段，1次協同。該特性有別于傳統型過濾裝置，對大型過濾站系統的水頭損失產生因素和特性具有一定的指導作用。小流量條件下與傳統網式過濾器水頭損失隨時間變化情況相類似，與其相對接的旋流過濾器在水頭損失小于3m的情況下仍然發揮其部分過濾作用，提高了組合式過濾裝置在該條件下的穩定運行時間。

(2)網式過濾器濾網被阻塞面積增大導致的水頭損失顯著增長，是大流量條件下(100～180 m3/h)水頭損失隨時間變化曲線表現為雙段式的原因。拐點出現后，因進口流速減小導致的旋流過濾器離心力場強度改變，是水頭損失隨時間變化曲線表現為雙段式的另一原因。拐點1出現后，旋流過濾器內流態改變導致部分固相顆粒雜質進入網式過濾器是大流量條件下穩定運行時間縮減的重要原因。

(3)組合式過濾裝置在處理不同含沙率的水源條件時，過濾性能差異較大。進口流量在60～80 m3/h時，伴隨含沙率的增長，裝置水頭損失表現為線性增長。進口流量在100～140 m3/h時，當水源含沙率呈線性增長時，裝置穩定運行時間呈加劇縮減的趨勢。當流量在160～180 m3/h時，相比于140 m3/h流量條件，過濾周期縮減了40%。

(4)當含沙率條件小于0.19 g/L且進水口流量小于140 m3/h時，組合式過濾裝置穩定運行時長最優。為確保旋流過濾器上端空氣閥閉合，保證裝置密封性，組合式過濾裝置不適宜在流量小于60 m3/h條件下運行。

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