自主研發立式雙級自清洗網式過濾器性能研究與特點

王 君，崔春亮

（1.新疆水利水電科學研究院，新疆 烏魯木齊 830052；2.新疆農業節水工程技術中心，新疆 烏魯木齊830052）

0 前言

自清洗過濾器是目前國內外應用最廣泛的過濾器之一，自清洗過濾器是20 世紀70 年代末發展起來的一種新型過濾器，具有很多優勢，其中最主要的優勢是自動化程度高、壓力損失的小；不必進行人工清除濾渣。自清洗過濾器的形式有很多，可分為：臥式、立式、內濾式、外濾式；多聯式、多單元式，自清洗過濾器在各行各業中都具有很廣泛的應用。

由于以色列是一個極度缺水的國家，所以被迫研發了很多節水新技術其中就包含了自清洗過濾器，最早以色列專家Ravina，PazE，Sofer 等人針對污水滴灌系統過濾和堵塞的問題進行了長期的試驗研究，發現過濾材料的種類和規格與過濾器的堵塞有關，建議對于堵塞嚴重的增設二級過濾設施。除此之外，以色列還有許多專業生產過濾器的廠家， 如Lego、Amiad、Arkal 和Filtomat 公 司 等。Lego 公 司生產的疊片式過濾器特點顯著，無需打開過濾器，操作簡單且清洗效果好。類似的具有研發和生產能力的自清洗過濾器 公 司， 還 有 美 國 的Orival、Automaticfilters、Schnoeder、RPAProcessTechnologies 和西班牙阿速德公司等，其研發的多種自清洗過濾器受到廣大用戶的青睞，其中阿速德公司以疊片式過濾器著稱。

新疆位于內陸干旱區，水資源嚴重短缺，農業生產全部依靠灌溉，形成典型的“荒漠綠洲，灌溉農業”的格局。由于先進的農業節水技術和現代化管理措施沒有得到大面積的應用和推廣，水資源的浪費也是尤為嚴重，目前新疆主要灌區的灌溉水利用系數也很低，在田間灌水中，采用漫灌的方法較多，并且每次的灌水量過大，總的灌溉定額也大，灌溉定額甚至高出作物實際需求的2～5 倍，所以說提高水的利用率，發展節水農業是解決未來農業水資源短缺的根本方法，也是現代農業的基本要求，我國水資源短缺已成定局，農業用水必須提高水的利用率，讓有限的水資源滿足農業生產的需要，農業節水是長期的戰略任務。目前新疆節水灌溉面積已超過2500 萬畝，“十二五”期間還以每年300 萬畝的速度增加。隨著新疆節水灌溉發展突飛猛進，尤其是對河水的處理要求越來越普遍，而新疆的河水又是多泥沙河流，水質普遍較差，要求修建完善的沉淀池、攔污柵來提高過濾器的使用效果，而網式過濾器正是應用于滴灌水源的過濾設備。

近幾年對網式過濾器研究較多的有宗全利、劉飛[1-3］對自清洗網式過濾器排污壓差進行試驗，得出80 目過濾器最佳排污壓差為6 m，120 目過濾器最佳排污壓差為7 m。劉煥芳[4］和駱秀萍[5］對自清洗網式過濾器的水頭損失進行研究，劉煥芳推導出了含沙水流條件下計算局部水頭損失經驗公式，駱秀萍的研究指出在渾水條件下，隨著含砂量的增大，過濾器過濾周期縮短，局部水頭損失增加的趨勢變大。同時劉煥芳[6-7］對自清洗網式過濾器的水力性能及排污清洗時間進行了研究，擬合出了水頭損失與流量的經驗公式，并得出過濾器清洗時間與含沙量呈反比關系。宗全利[8］、王棟雷[9］和王新坤[10］分別對自清洗網式過濾器和阿速德（AZUD）網式過濾器，采用動網格方法對網式過濾器全流場進行了模擬，模擬結果與試驗結果相吻合，研究結果為過濾器結構優化提供參考。

1 自主研發的自動清洗網式過濾器原理及結構

1.1 網式過濾器工作原理

本文網式過濾器為新疆水科院自主研發的電機驅動的立式雙級自清洗網式過濾器（專利號ZL-20122049978.8），在正常工作情況下：當壓力水從進水口進入第一級過濾器罐體的粗濾網的過濾腔內，較大顆粒的雜質就被粗濾網進行攔截，保證進入第二級過濾器時水中的雜質不會堵塞吸污嘴。壓力水到了第二級過濾器時，雜質就被精密濾網攔截，清潔的水經濾網過濾后從出水口排出。當過濾器工作一個階段或進入過濾腔內的水質較差時，在濾網內壁上附著污物較多時，經精密濾網過濾的水量減少，使內、外腔產生一定的壓差時，壓差傳感器啟動，并通過控制器帶動減速電機和電磁閥同時工作，減速電機通過傳動軸帶動空心軸轉動，空心軸上均布的吸污管上的吸污嘴在貼近濾網轉動過程中吸去濾網上的污物，在水壓的作用下將夾帶污物的水進入空心軸，通過空心管經電磁閥排出。減速電機在帶動傳動軸轉動的過程中，傳動軸螺桿段與支撐座上的固定螺母相配合，將傳動軸向前推動，傳動軸的導向鍵槽段在減速電機轉子中心孔的導向鍵的約束下，在傳動中向前滑動，使空心吸污管的吸污嘴邊轉動邊向前移動；當傳動中向前移動的傳動軸的接觸盤碰到減速電機上的限位器時，控制器控制減速電機反轉，在支撐座上固定螺母使傳動軸帶動空心軸倒退，當倒退的傳動軸上的接觸盤碰到減速電機下側的限位器時，減速電機正轉，自動往復循環工作。當濾網上的污物吸盡時，內、外腔的壓差趨于相近或相等時，此時減速電機停止工作。

本實用新型自清洗網式過濾器具有以下特點：清洗濾網的工作時間和間歇時間可以通過控制器面板任意設定；自清洗時間短，只需20 s～40 s，且對正常供水沒有影響。

1.2 網式過濾器結構

本實用新型立式雙級自清洗網式過濾器（下文簡稱立式雙級式）由筒體、初級過濾網、二級過濾網、吸污裝置、排污裝置、減速電機、壓差控制器等七個部分組成，圖1 為新型自清洗網式過濾器結構圖。

圖1 網式過濾器試驗結構圖

2 與其他網式過濾器試驗數據對比分析

本實用新型立式雙級與目前新疆滴灌首部系統采用普通的自動清洗網式過濾器（下文簡稱自清洗網式），和以色列阿米亞德（Amiad）公司生產的SAF3000 網式過濾器（下文簡稱SAF3000），三種自清洗網式過濾器的水頭損失試驗結果進行對比。

通過圖2 流量與水頭損失關系曲線可以看出，立式雙級過濾器的水頭損失最小，其次為SAF3000 過濾器，再次為自清洗網式過濾器。當流量在50 m3／h～90 m3／h 時，立式雙級過濾器與SAF3000 過濾器的水頭損失相差不大，但此時自清洗網式過濾器的水頭損失要明顯高于前兩種過濾器。隨著流量的增加，立式雙級過濾器的水頭損失呈現出緩慢增加的趨勢，而SAF3000 過濾器，在流量逐漸加大的情況下，水頭損失增加幅度比較大，尤其是當流量超過150 m3／h 以后，水頭損失曲線的曲率最大，近似于直線。自清洗網式過濾器在大流量情況下，水頭損失增加幅度比SAF3000 要小，當流量在在190 m3／h～210 m3／h 之間時，自清洗網式過濾器與SAF3000 過濾器的水頭損失相當。以下三個公式：式（1）至式（3）為實用新型立式雙級過濾器、SAF3000 網式過濾器和自清洗網式過濾器的流量與水頭損失擬合公式。

式中：Δh 為水頭損失，m；Q 為流量，m3／h。

3 結論

通過此次試驗，擬合出了三種不同類型網式過濾器水頭損失與流量的經驗公式，發現水頭損失與流量呈現乘冪型式，其次對三種不同類型網式過濾器在相同流量的水頭損失對比，立式雙級網式過濾器的水頭損失最小，其次為以色列的SAF3000，再次為普通自清洗網式過濾器。

“十二五”期間新疆每年發展滴灌面積大300 萬畝，到“十二五”末滴灌面積將達到3000 多萬畝。隨著新疆滴灌技術的發展、規模的擴大，發展新型節能型大流量網式過濾器對新疆滴灌的發展意義重大。