微灌系統泵前無壓網式過濾器過濾效率研究

宗全利, 劉貞姬, 井河義, 張明鳴

(1.青島農業大學 資源與環境學院, 山東 青島 266109; 2.石河子大學 水利建筑工程學院, 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.山東省臨朐縣東城街道農業綜合服務中心, 山東 濰坊 262600)

1 研究背景

網式過濾器具有安裝使用簡單、維護管理方便、成本造價低及水頭損失小等優點,在新疆大田微灌系統中應用最為廣泛[1]。實際工程中應用較多的網式過濾器一般設置在泵后,濾網孔徑較小(80～120目),過濾精度較高,但作為微灌系統最后一道水質屏障,泵后過濾器對過濾水源的含沙類型和含量要求較高,只適應于過濾顆粒較小和含量較少的泥沙雜質。近年來,市場上出現了幾種典型的泵前無壓過濾器裝置[2-3]。這些過濾器均安裝在水泵的吸程前端,避免了動力的壓力損失;工作時污水由濾網外側進入內側,過濾后清水從過濾網內部進入管道,改變了現有開闊水域滴灌系統的過濾模式。在一定程度上解決了泵后過濾器工作能耗高、過濾前后端壓力損失大、過濾及自清洗效果不佳等問題。

目前,關于網式過濾器的研究成果主要集中于水力性能方面。如Bové等[4]、Mesquita等[5]、劉貞姬等[6]研究了不同顆粒介質對過濾器水力性能的影響,并建立了新的水頭損失計算公式;Hu等[7]、Tao等[8]和Zong等[9]通過量綱分析分別得出了圓盤式、砂石和網式過濾器的水頭損失方程;De-Deus等[10]和Zong等[11]分別對砂石過濾器和網式過濾器的反沖洗過程和效果進行了研究;喻黎明等[12]結合數值模擬正交試驗結果的極差分析,探索了各因素對水頭損失、中速過流量區域面積占比、顆粒分布相對標準偏差及攔截率影響 4 個指標的敏感度;陶洪飛等[13]、謝炎等[14]基于Fluent模擬結果,對網式過濾器內部流場分布進行了研究。

在過濾器濾網堵塞方面,相關學者也進行了試驗和模擬研究。如楊洪飛等[15]、宗全利等[16]通過試驗研究了泥沙堵塞濾網的內部機理;朱德蘭等[17]根據堵塞試驗分析了網式過濾器局部水頭損失與單個濾孔濾網清潔的關系;王睿等[18]通過對比試驗研究了疊片和網式過濾器不易發生堵塞的肥液平均濃度;黃玲艷等[19]分析了介質流向和濾網濾芯堵塞面積等對水頭損失的影響;喻黎明等[20]采用計算流體力學-離散元法(computational fluid dynamics-discrete element method, CFD-DEM)耦合模擬研究了網式過濾器的局部堵塞過程。濾網過濾效率的現有研究成果多針對泵后有壓網式過濾器,如張凱等[21]以Y 型網式過濾器為研究對象,通過試驗分析了過濾器攔截過程、攔截率和濾網攔截位置與過濾器入口壓強、濾網孔徑和砂粒中值粒徑的關系等;對于泵前過濾器的過濾效率也有相關研究成果,如陶洪飛等[22]對泵前微壓過濾器的最佳運行狀況進行了研究,得到各因素對總過濾效率影響大小的順序為:濾網面積、進水含沙量、分水器型式、進水流量;李繼霞等[23]提出了一種網式旋流自清洗泵前過濾器,以水頭損失和除雜率為評價指標,分析了流量、含雜量、轉動頻率在一定條件下對水頭損失和除雜率變化規律的影響。

綜上,現有過濾效率研究多針對傳統的泵后過濾器,而關于泵前過濾器的研究較少,尤其是對泥沙過濾效率的研究成果更少。因此,本文以新疆地區常用的泵前網式過濾器為研究對象,分別在實驗室和工程現場開展觀測試驗,并提出有效過濾效率的概念,對網式過濾器的過濾效率進行全面研究,以完善滴灌配套產品,提升系統配套性能。

2 試驗材料與方法

2.1 泵前無壓網式過濾器結構及原理

泵前無壓全自動水力旋噴滾筒網式過濾器包括過濾器浮筒、濾網筒、水力旋噴系統和水力沖洗系統等[24],其結構組成如圖1所示。濾網筒的一端連接出水管,另一端連接水力旋噴系統裝置。兩浮筒與濾網筒之間通過支架連接,安裝在濾網筒上部的水力沖洗系統通過噴頭不斷沖洗濾網,以保證過濾正常進行。

圖1 泵前無壓旋噴滾筒網式過濾器結構

將該過濾器置于沉沙池、水庫等開闊水域,工作時漂浮在水面。水泵抽取過濾后的水源并分流,大部分直接作為灌溉水源流入田間,另一部分通過支管流入水力旋噴管。進入水力旋噴管的水流分別從兩根出水方向相反的噴射管噴出,產生旋轉力矩,帶動裝置轉動,從而帶動網筒轉動。從水力旋噴管出水管流出的水流進入噴射支管,從支管各噴頭噴出,實現對轉動網筒的不間斷沖洗。整個過濾過程與自清洗過程同步進行,從而防止濾網被漂浮物及浮游生物等雜質堵塞。

2.2 試驗材料

過濾效率試驗包括實驗室試驗和現場觀測試驗兩部分。實驗室試驗在石河子大學水利建筑工程學院水工水力學試驗大廳進行;觀測現場包括新疆生產建設兵團石河子市某團場和瑪納斯縣某村正在運行的過濾器現場,現場觀測試驗旨在檢驗過濾器在實際應用中的過濾效果。

2.2.1 試驗裝置 實驗室試驗裝置主要由蓄水池、攪拌池、離心泵、過濾設備、控制設備和監測設備組成,如圖2所示。蓄水池長、寬、高分別為5.0、4.0和1.5 m,容積為30.0 m3。蓄水池內設有高為1.0 m、直徑為1.2 m的攪拌池。將泥沙顆粒加入攪拌池后,通過池內4個葉片旋轉攪拌將泥沙與水流充分混合,盡可能保證過濾器水源含沙量均勻。當攪拌池和過濾器運行一段時間水流穩定后,在過濾器進水口和出水口處分別用廣口瓶進行取樣,每組試驗至少取樣5次,以均值作為最終結果。試驗用過濾器由新疆惠利灌溉科技股份有限公司提供,過濾器規格選擇實際中應用最為廣泛的兩種額定過濾流量Q=200和Q=250 m3/h。

圖2 實驗室過濾效率試驗裝置示意圖

分別在新疆石河子市某團場進行Q=200 m3/h和瑪納斯縣某村進行Q=250 m3/h的現場觀測試驗,如圖3所示。現場試驗主要測定過濾器的過濾流量以及對過濾前后水流進行取樣。采用大連海峰儀器有限公司生產的便攜式流量計(型號TDS-100P)進行現場過濾流量測試,其精度為 0.5%。分別在現場過濾前池和過濾后出口處每間隔10 min采集水樣(每組至少采樣5次),計算均值作為最終水樣,具體操作和步驟按照《灌溉用過濾器基本參數及技術條件》(SL 470—2010)中網式過濾器的測試要求進行。由于本文主要研究過濾器對泥沙顆粒的過濾效果,所以主要測定工程現場水質的含沙情況,雜草、有機質等其他影響過濾效果的指標暫未測試。

圖3 現場試驗裝置

2.2.2 濾網目數Q=200和Q=250 m3/h兩種規格過濾器所用濾網規格和目數相同,為準確計算濾網目數,用二維掃描儀對濾網進行高精度掃描,并根據掃描結果對濾網規格計算得到:網絲直徑D=0.105 mm=0.004134 in;網孔直徑(凈邊長)d=0.3432 mm=0.013512 in;按照濾網目數定義(1in25.4 mm長度范圍內網孔個數)濾網目數M≈74目。

2.2.3 試驗用沙粒徑級配及含沙量 在實驗室中分別選用兩種河沙(沙樣A和B)配制不同來水含沙量,對過濾器進行過濾效率試驗。通過顆粒分析,測定干沙中各粒組所占總質量的百分數和比重值,兩種試驗用沙的級配曲線見圖4。根據測定結果,沙樣A中值粒徑d50=0.30 mm,沙樣B中值粒徑d50=0.14 mm。為獲得過濾器更大范圍的過濾效率試驗數據,實驗室試驗中配比的泥沙顆粒含量較大,沙樣A泥沙濃度范圍為963～6 580 mg/L,沙樣B為3 967～10 192 mg/L。現場試驗中泥沙含量較少,水中主要為懸浮泥沙顆粒,由于含量太小,無法進行粒徑級配測試,根據現場取樣測試,現場懸浮泥沙顆粒含量范圍為141～367 mg/L。

圖4 試驗用沙的顆粒級配曲線

2.3 試驗方法及步驟

試驗主要測量過濾器工作流量和計算過濾效率。過濾效率測試與計算方法為:首先對過濾前、后水流分別進行取樣,然后將含沙水水樣倒入1 000 mL量筒中,量得水樣體積,再用提前烘干并稱重的濾紙進行過濾,過濾完成后,將截留有泥沙顆粒的濾紙置于105 ℃烘箱中烘至恒重,再放置于干燥皿中冷卻至室溫后稱重,根據烘干后泥沙質量計算含沙量值。測定出過濾前后水流含沙量后,即可按公式(1)計算過濾器的全沙過濾效率[3]。

(1)

式中:η為全沙過濾效率,%;S1為過濾前水流含沙量,mg/L;S2為過濾后水流含沙量,mg/L。

公式(1)的計算結果代表某一時刻或較短時間內過濾器過濾效率,為評價一段時間內的過濾效率,可以用整個過濾過程過濾效率均值表示,即全沙平均過濾效率。

(2)

公式(1)和(2)計算的過濾效率是評價過濾器性能優劣的重要指標,反映了過濾器對于水中泥沙的攔截程度。對于一般來水,過濾效率越高,則過濾后水質越好,越能滿足灌溉要求。

2.4 試驗組次

試驗組次安排見表1。試驗選取的兩種過濾器額定流量分別為Q=200和Q=250 m3/h,其中Q=200 m3/h規格過濾器的濾網直徑為805 mm,長度為1 200 mm,過濾面積為3.033 m2,濾網筒旋轉速度為每圈13～16 s,實際最大流量可達245～248.4 m3/h,比額定流量大22.5%～24.2%;Q=250 m3/h規格過濾器的濾網直徑為840 mm,長度為1 200 mm,過濾面積為3.165 m2,濾網筒旋轉速度為每圈15～18 s,實際最大工作流量為378.2 m3/h,比額定流量大51.3%。兩種過濾器設計中均保留有較大流量安全系數,試驗過程中均以實測流量為準。

表1 試驗組次安排

3 結果與分析

3.1 不同含沙量下濾網過濾效率

圖5 不同來水含沙量條件下的全沙過濾效率

濾網對泥沙顆粒的攔截效果主要與泥沙含量有關。從圖5(a)、5(d)可以看出,某一時刻過濾器全沙過濾效率η基本隨著過濾前含沙量的增大而增大,這主要因為在過濾流量一定的前提下,來水中含沙量越大,濾網就會攔截越多的泥沙顆粒,從而使得過濾效率增大,但同時從圖5(b)、5(c)可以看出,過濾效率隨著過濾前含沙量增大的變化不明顯,說明某一時刻全沙過濾效率并不一定會隨著過濾前含沙量的增大而變大。由此可見,過濾效率還與其他因素(如濾網孔徑大小、顆粒粒徑大小及粒組組成等)有關。

3.2 不同粒組下濾網過濾效率

由于過濾器濾網只能攔截粒徑大于網孔孔徑范圍的泥沙顆粒,所以大部分比濾網孔徑小的泥沙顆粒會通過濾網進入灌溉系統。因而,若要更加準確和全面地評價過濾器的過濾效率,就必須根據水源所含泥沙顆粒的粒徑大小來分析,即按照不同的粒徑級配組成,結合網孔孔徑大小,按粒組分別計算過濾器的過濾效率。

根據實驗室沙樣A和B顆粒的粒徑分析結果,分別在過濾前和過濾后對不同沙樣的粒徑進行分析,得到過濾前后對應水流泥沙的不同粒組組成,表2給出了過濾前、后所取水樣中不同粒組組成百分比。從表2中可以看出,過濾前沙樣A顆粒粒徑比較均勻,粒徑范圍主要在0.075～1.0 mm;沙樣B顆粒粒徑范圍主要集中在0.075～0.180 mm,過濾后沙樣A顆粒粒徑范圍主要集中在0.075～0.180 mm,過濾后粒徑明顯變細;沙樣B顆粒粒徑范圍仍然主要集中在0.075～0.180 mm,過濾前后粒徑變化不明顯。

表2 過濾前、后泥沙不同粒組組成百分比和過濾效率

由于試驗過濾器濾網目數為74目,按照濾網目數孔徑標準,其對應的過濾精度為0.180～0.212 mm(70目對應過濾標準為0.212 mm,80目對應過濾標準為0.180 mm),即該過濾器濾網主要能過濾大于0.180～0.212 mm粒徑范圍的泥沙顆粒,說明其對粒徑大于0.180 mm的泥沙顆粒的過濾均有效。

因過濾前沙樣B顆粒粒徑大部分小于0.180 mm(粒徑小于0.180 mm的泥沙顆粒占比為82.0%),所以大部分泥沙不會被濾網攔截,故過濾前后粒組組成變化不明顯(過濾后粒徑小于0.180 mm的泥沙顆粒占比為84.0%)。而過濾前沙樣A顆粒粒徑大部分均大于0.180 mm(粒徑大于0.180 mm的泥沙顆粒占比為66.0%),過濾后粒徑大于0.180 mm的泥沙顆粒占比僅為20.0%,故過濾前后粒組組成變化明顯。沙樣A過濾后顆粒變細,粒徑小于0.180 mm的泥沙顆粒占到80.0%,說明濾網有效攔截了大于0.180 mm的大部分泥沙顆粒。

3.3 有效過濾效率

前文中公式(1)和(2)定義的過濾效率均是針對全沙,即粒徑小于濾網孔徑的泥沙也計算在內。實際過濾器設計中對于小于網孔孔徑的泥沙顆粒是允許通過濾網的,所以將該部分泥沙的過濾效率也計算在內顯然不太合理。為了更加合理地評價過濾器的過濾效果,下面給出有效過濾效率的概念和計算方法。

泥沙顆粒粒組分別用d0～d1,d1～d2,…,di-1～di,di～di+1,…,dn-1～dn表示,對應粒組的泥沙顆粒含量百分數分別表示為p1,p2,…,pi,pi+1,…,pn,過濾前粒組的泥沙顆粒含量百分數分別為p11,p12,…,p1i,p1(i+1),…,p1n,過濾后粒組的泥沙顆粒含量百分數分別為p21,p22,…,p2i,p2(i+1),…,p2n,則第i粒組的過濾效率ηi為:

(3)

則計算全沙過濾效率的公式(1)也可以表示為:

(4)

(5)

與公式(2)相對應的全沙平均過濾效率可以表示為:

(6)

(7)

(8)

根據表2中過濾前后不同粒組組成試驗結果,利用公式(5)～(8)分別計算第i粒組的平均過濾效率、全沙平均過濾效率及相應的平均有效過濾效率值,結果見表2。從表2中的計算結果可以看出,沙樣A和B的全沙平均過濾效率分別為85.2%和97.9%,與公式(2)計算結果相同,驗證了公式(3)～(6)的正確性。

根據表2中大于濾網網孔直徑d=0.180 mm的平均有效過濾效率計算結果,沙樣A和B的值分別為95.5%和98.1%,均大于各自全沙過濾效率85.2%和97.9%,說明濾網主要對粒徑大于網孔孔徑的泥沙顆粒過濾有效,且攔截率均達到了95%以上,這也證明了過濾效果達到了該種過濾器濾網目數的設計要求。反之,若過濾器對泥沙粒徑大于網孔孔徑范圍泥沙的有效過濾效率較小,說明該過濾器過濾效果欠佳,可能達不到設計要求。所以用有效過濾效率指標,可以更準確地評價網式過濾器過濾效果。

4 討 論

現有的過濾效率概念都是計算全沙過濾效率,得到的結論一般均是“過濾前含沙量越大,平均過濾效率就越大”。本文試驗結果表明,額定流量Q=200 m3/h過濾器對沙樣A和B的平均過濾效率均較高(分別為85.2%和97.9%),而對現場泥沙的平均過濾效率均較低(分別為47.9%和63.5%)。這主要與過濾前水流含沙量有關,沙樣A和B過濾前水流含沙量平均值分別為2 824.4和7 310.8 mg/L,額定流量Q=200和Q=250 m3/h過濾器現場試驗的來水含沙量分別為173.3和233.8 mg/L。這充分說明來水(過濾前)水流含沙量對過濾效率影響較大,與文獻[3]中“含沙量對平均過濾效率的影響最大”的研究結論一致。

但實際中全沙過濾效率的計算結果有時會得到與實際不太符合的結論,即同一種過濾器在相同水流條件下對粗沙平均過濾效率(本文試驗為85.2%)反而要小于細沙(本文試驗為97.9%)。為此,本文從“濾網僅對大于網孔孔徑的泥沙顆粒過濾有效”這一實際問題出發,提出了有效過濾效率的概念和計算方法。本研究結果可為更加準確和全面地評價過濾器的過濾效果提供計算依據,補充網式過濾器現有規范中缺乏過濾效率計算方法的不足。需要指出的是,本文只針對漂浮式網式過濾器進行了試驗,有效過濾效率計算方法的可行性和準確性還需要更多網式過濾器的試驗結果進行驗證。

5 結 論

(1)根據實驗室和現場觀測結果,濾網對泥沙顆粒的攔截效果主要與來水泥沙含量有關,但也與其他因素如濾網孔徑大小、顆粒粒徑大小及粒組組成等有很大關系。

(2)提出了有效過濾效率的概念和計算方法,計算結果表明:沙樣A和B平均有效過濾效率分別為95.5%和98.1%,充分說明濾網主要對粒徑大于網孔孔徑的泥沙顆粒過濾有效,且攔截率較高,均達到95%以上,這也證明了過濾效果達到了該種過濾器濾網目數的設計要求。

(3)根據有效過濾效率概念,分別計算了過濾器不同粒組的過濾效率。根據計算結果可以看出,隨著粒組直徑的增大,粒組的過濾效率也逐漸增大,如沙樣A粒組從<0.075 mm增大為1.0～2.0 mm粒組時,過濾器濾網對相應粒組的過濾效率從52.1%增加至99.3%,說明同一種濾網在相同條件下對較大粒組的過濾效率要明顯大于較小粒組。