水力驅動自清洗網式過濾器水力性能試驗研究

雷建花，崔春亮，崔 瑞，賽衣旦， 楊 靜

（1.新疆水利水電科學研究院，新疆烏魯木齊830049；

2.烏魯木齊希水節水設備研究開發中心，新疆烏魯木齊830049）

1 引 言

新疆地處典型的內陸干旱、半干旱地區,氣候干燥,降雨稀少,蒸發強烈,年平均降水量147 mm,年蒸發能力2 500～2 600 mm,人均水資源量3 531 m3,總體上水資源緊缺。截至2015年底,新疆農田灌溉面積491萬hm2,其中節水灌溉面積241萬hm2。新疆水利發展“十三五”規劃中提出,到2020年新疆農業高效節水建設面積達到286.6萬hm2［1］。隨著節水灌溉技術的發展,具有自清洗功能的過濾器成為新疆節水灌溉系統的關鍵設備之一。

自清洗網式過濾器是目前國內外應用最廣泛的過濾器之一,是保證整個微灌系統正常運行的核心設備［2］。自清洗網式過濾器一般分為立式、臥式或內濾式、外濾式；按清洗方式可分為吸污式、刷式（刮式)、反沖洗式；按清洗動力可分為水力驅動式和電機驅動式［3］。目前國內對自清洗網式過濾器進行了大量的研究工作,劉煥芳等［4-6］對自清洗網式過濾器的水力性能進行了試驗研究,得到過濾器清水和渾水條件下的水頭損失公式、過濾時間及自清洗時間變化規律等；宗全利等［2,7-10］通過滴灌自清洗網式過濾器全流場數值模擬與分析,得出了過濾器最優化的結構尺寸,對大田滴灌自清洗網式過濾器的水頭損失進行了試驗研究,給出了過濾器排污壓差計算方法等；劉建華等［11-12］設計了水力驅動全自動過濾器,并分析了過濾器的結構原理以及過濾器參數的確定；孟劍等［13］對微灌系統全自動反沖洗過濾器的水力驅動系統進行了試驗研究和設計。

傳統的網式過濾器具有結構簡單、價格便宜的優點,但不具有自動清洗功能,濾網堵塞需要人工清洗,清洗不及時則易產生憋壓、爆網等事故,無法適應目前高效節水規模化、自動化的發展方向。自清洗網式過濾器是在傳統網式過濾器基礎上研發的,由自動清洗控制系統通過壓差、時間設定來控制自動清洗裝置,進而實現自動排污。該設備具有自動化程度高、過濾和清洗效率高、清洗過程中不間斷供水的優點。

新疆水利水電科學研究院自主研發了水力驅動自清洗網式過濾器,與前人研究的自清洗網式過濾器的不同之處有以下幾個方面：①研制出水力扭力耦合驅動裝置,較傳統的單力矩結構運行更平穩,驅動壓力小,扭矩大。水力扭力耦合驅動裝置的作用是把水流自身的能量轉化成機械能來驅動排污軸的轉動。②研制出循環往復軸機械裝置,實現了排污軸循環往復雙向清洗,與水動活塞單向清洗相比,具有結構簡單的優點,而且清洗效率提高一倍,故障率低；與排污軸無往復運動的水動過濾器相比,具有工作壓力要求低、排污用水量小的優點。③吸污嘴結構有創新性,與排污軸無往復運動的水動過濾器相比較,吸污裝置由平行旋轉掃描濾網表面進行面掃描改為垂直螺旋掃描濾網表面進行線掃描,排污力強。④該過濾器不依靠電力驅動,適用于沒有電力供應的自壓滴灌系統首部水處理系統。

2 自主研發水力驅動自清洗網式過濾器的結構和工作原理

自主研發的水力驅動自清洗網式過濾器采用吸污式和水力扭力耦合驅動反沖洗相結合,在排污結構上有很大的創新。該過濾器為臥式結構,不銹鋼過濾罐安裝在水平供水管上,通過進水管、出水管連接不銹鋼過濾罐,在進、出水管之間的供水管上安裝檢修閥,不銹鋼過濾罐內分隔成粗過濾腔、細過濾腔和排污腔,進水管連接粗過濾腔,出水管連接細過濾腔,在不銹鋼過濾罐內安裝傳動軸,在粗過濾腔的傳動軸上設置往復傳動裝置,位于細過濾腔內的傳動軸上設置吸污嘴,在排污腔的傳動軸上設置水力扭力驅動桿,排污腔的排污口連接排污電磁閥（見圖1)。

圖1 水力驅動自清洗網式過濾器裝配示意

水力驅動自清洗網式過濾器工作原理如下：過濾時,渾水由進水口進入粗過濾腔,通過5目粗濾網初步過濾掉一些粗顆粒泥沙和大顆粒雜物后,水流由粗過濾腔流入細過濾腔；然后水流經過細過濾網（本次試驗用100目濾網),水流中的雜質截留在細過濾網表面,過濾干凈的水由出水口進入供水管道。細過濾網表面的污物聚集到一定程度,進水口和出水口之間的壓差會增大,當壓差達到過濾器控制器設定的壓差值時,過濾器控制器就會發出清洗指令,打開排污口處的電磁閥。排污腔內的污水從吸污嘴進入排污軸,從排污嘴處高速流入水力扭力腔內,污水經過排污電磁閥排出。水力扭力裝置在水流的噴射作用下形成一對大小相等、方向相反的力矩,推動排污軸旋轉。排污軸的另一端設置循環往復軸,循環往復軸在固定滑塊的導向作用下帶動排污軸作左右螺旋往復運動。排污軸轉動后帶動吸污嘴沿圓柱體濾網面作螺旋往復運動,吸污嘴與細過濾網之間產生很大的吸力,將細濾網表面附著的有機質、泥沙顆粒等雜質清理干凈。濾網清洗干凈后,內外壓差就降低了,于是控制器關閉排污電磁閥,不再排出污水,過濾器恢復到正常工作狀態。過濾器在清洗過程中,可實現不間斷地過濾和供水。

過濾器的外殼材料采用304不銹鋼,質量輕,強度高,耐腐蝕,使用壽命長,檢修方便。粗濾網采用316L不銹鋼鋼板一次沖壓成形,濾網內壁光滑。細濾網有兩層濾網復合而成,外骨架采用316L不銹鋼鋼板一次沖壓成形,高壓工作時不易變形,濾網整體同心度較好,精密不銹鋼濾網黏接固定在骨架內表面上,從結構上保證濾網有效過濾面積大、具有抗變形剛度和強度大。吸污嘴采用工程塑料材質,表面光滑不易滯留雜物,質量輕,旋轉靈活；空心軸采用316L不銹鋼管精密加工,同心度好。過濾器為臥式安裝,結構輕便緊湊,占地少,安裝維護方便。

水力驅動自清洗網式過濾器控制器工作原理：自動清洗控制器事先設定好自動清洗程序,控制啟動反沖洗周期可通過3種方式實現,一是壓差,即過濾器進出口壓差達到預先設定的壓差值；二是時間,根據水質情況,規定在一定時間后打開電磁閥；三是手動觸發,通過手動開啟（利用控制器的手動清洗功能)。

自主研發的4種型號水力驅動自清洗網式過濾器常用參數見表1。

表1 4種型號水力驅動自清洗網式過濾器的常用參數

3 自主研發水力驅動自清洗網式過濾器的水力性能

3.1 試驗方案

本試驗是在新疆水利水電科學研究院節水中心大流量過濾器水力性能測試平臺上完成的,測試裝置主要包括蓄水池、水力性能測試平臺、進水口壓力表、出水口壓力表、水力驅動自清洗網式過濾器（4種型號),過濾網目數為100目。圖2為本次試驗裝置布局示意。

圖2 水力驅動自清洗網式過濾器試驗裝置布局

3.2 靜水耐壓試驗設計

依據《灌溉用過濾器基本參數及技術條件》（SL 470—2010)中常溫下的靜水耐壓性能試驗方法,對水力驅動自清洗網式過濾器進行檢測試驗。試驗前,在排污閥進口施加0.75倍額定工作壓力（水力驅動自清洗網式過濾器額定工作壓力為0.8 MPa),開啟、關閉排污閥100次。之后關閉出口閥,在過濾器進口加壓,向過濾器充水并排氣。過濾器充滿水后,逐步加壓到額定壓力的1.5倍,即1.2 MPa,保壓5 min,過濾器應無損壞及永久性變形,過濾器殼體、過濾器殼蓋、過濾器殼蓋密封圈、排污閥和過濾器連接處應無泄漏［7］。針對自主研發的100臺水力驅動自清洗網式過濾器,完成靜水耐壓試驗。從額定工作壓力0.8 MPa的0.75倍至1.5倍壓力范圍內（0.6～1.2 MPa),每打壓1次后,停止供壓,從排污閥排水,打開殼體,檢查記錄過濾器各部件有無永久變形,檢查過濾器連接部分是否漏水,并記錄無雜質狀態下兩壓力表壓差試樣連接處有無漏水現象。

3.3 過流能力試驗設計

每種型號的過濾裝置選取5臺,共計20臺檢測樣機,根據同類型號的檢測結果計算均值,判斷清水過濾流量Q和水頭損失Δh之間的關系。試驗中采用自來水,安裝過濾器后,進、出水口各裝一個壓力表,反復檢查安裝安全性,確保無誤后開泵,調節出水口碟閥開度,在0.2倍～1.2倍最大工作流量范圍內,分10個流量檔,待儀表穩定工作5 min后,同時記錄流量和對應的進、出水口壓力值,并由此獲得過濾器清潔壓降。清潔壓降為3 m時,XS-8GWZ-V4200/6過濾器最大流量為150 m3/h,XS-8GWZ-V5600/8過濾器最大流量為206 m3/h,XS-8GWZ-V7000/8過濾器最大流量為251 m3/h,XS-8GWZ-V8400/10過濾器最大流量為301 m3/h。

3.4 試驗結果與分析

通過靜水耐壓試驗可知,在額定工作壓力0.8 MPa的0.75倍至1.5倍壓力范圍內（0.6～1.2 MPa),過濾器殼體、橡膠密封墊完好無變形、無損壞,靜水耐壓性能達標。

通過控制進、出水口的閥門來測量不同流量下過濾器的清水水頭損失,繪制不同流量下4種型號的過濾器清潔壓降曲線,并擬合出水頭損失經驗公式（見圖4)。過濾器的清潔壓降曲線可為用戶選型提供技術參考。

圖4 水力驅動自清洗網式過濾器清潔壓降曲線

由圖4可知,當進水流量較小時,過濾器初始水頭損失變化比較緩慢,小于0.015 MPa；當流量增大到0.9倍額定流量時,水頭損失開始逐步增大,此時細過濾網內外壓差增大；當流量達到額定流量時,水頭損失達到0.030 MPa；當流量進一步加大到1.2倍額定流量時,水頭損失持續增加,達到0.054 MPa。可以看出,不同流量下4種型號的過濾器過流能力強,為了延長過濾器使用壽命,建議進水流量控制在額定流量附近,這樣可以在保證水頭損失不至過大的同時,降低被濾網截留的泥沙顆粒擠過濾網、堵塞微灌系統灌水器的概率。

4 結 語

自主研發的水力驅動自清洗網式過濾器基于吸污式和反沖洗相結合,結構上全面創新,研制了水力扭力耦合驅動裝置和循環往復軸機械裝置,實現了無活塞往復螺旋掃描排污,正常工作時不需要電力驅動,真正做到了節能、環保。根據相關技術標準,通過水力性能檢測試驗可知,自主研發的水力驅動自清洗網式過濾器的靜水耐壓性能達標；過流能力試驗結果表明,清水過濾流量和壓力之間存在較好的正回歸關系,水頭損失小。自主研發的4種型號水力驅動自清洗網式過濾器清潔壓降小、結構堅固、使用壽命長,隨著灌溉自動化、智能化的發展,勢必在新疆地區有很大的發展空間和應用前景。