石凱，劉貞姬，李曼

(石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，新疆 石河子 832000)

微灌用網(wǎng)式過濾器是以新疆北疆地區(qū)為代表的中國西北地區(qū)微灌系統(tǒng)的核心組成部分，過濾器主要作用是去除灌溉水源中的泥沙顆粒和懸浮雜質(zhì)[1-3].已有學(xué)者針對(duì)立式自吸自動(dòng)網(wǎng)式過濾器進(jìn)行研究，通過分析過濾器水頭損失與過濾流量的關(guān)系，確定了水頭損失與過濾流量的變化規(guī)律，并得出水頭損失的經(jīng)驗(yàn)公式[4-6].秦天云等[7]、蔡九茂等[8]通過對(duì)比網(wǎng)式過濾器與疊片式過濾器進(jìn)行研究，定性分析2種過濾器的優(yōu)缺點(diǎn)和使用工況.李強(qiáng)強(qiáng)等[9]對(duì)臥式自清洗網(wǎng)式過濾器排污過程進(jìn)行理論分析，確定其排污時(shí)間的范圍.劉曉初等[10]以Y型篩網(wǎng)式過濾器為研究對(duì)象，分別在無堵塞和堵塞條件下進(jìn)行了水力性能試驗(yàn)，得出泥沙粒徑和篩網(wǎng)的關(guān)系，并得出了水頭損失和流量以及堵塞程度之間的變化規(guī)律.梁菊蓉等[11]、駱秀萍等[12]分析了濾網(wǎng)過濾器局部水頭損失的影響因素，其中包括進(jìn)水流量、過濾時(shí)間、含沙量等.阿力甫江·阿不里米提等[13]重點(diǎn)研究了魚雷網(wǎng)式過濾器的水頭損失，通過對(duì)2種目數(shù)的魚雷網(wǎng)式過濾器進(jìn)行定流量和定含沙量試驗(yàn)，得出了其水頭損失在不同運(yùn)行條件下的變化規(guī)律.國外主要在不同流量和不同含沙量的渾水條件下，結(jié)合量綱分析和試驗(yàn)探究，確定了不同形式的網(wǎng)式過濾器水頭損失的經(jīng)驗(yàn)公式[14-15].目前網(wǎng)式過濾器主要有自清洗網(wǎng)式過濾器和魚雷網(wǎng)式過濾器等，其水頭損失的研究已經(jīng)比較完整，但針對(duì)一種新型翻板網(wǎng)式過濾器的水頭損失研究比較罕見，在應(yīng)用中比較局限.

文中對(duì)翻板網(wǎng)式過濾器進(jìn)行理論分析和試驗(yàn)探究，分析不同流量和不同含沙量條件下的水頭損失值隨時(shí)間的變化規(guī)律，并給出翻板網(wǎng)式過濾器水頭損失的表達(dá)式， 同時(shí)對(duì)網(wǎng)式過濾器水頭損失公式進(jìn)行擬合，確定其水頭損失調(diào)節(jié)系數(shù)，以指導(dǎo)網(wǎng)式過濾器的實(shí)際研發(fā)和使用.

1 結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 過濾器結(jié)構(gòu)

翻板網(wǎng)式過濾器是由過濾器外殼、過濾器濾芯和可旋轉(zhuǎn)翻板(在濾網(wǎng)內(nèi)部可90°旋轉(zhuǎn))等主要部件構(gòu)成.結(jié)構(gòu)圖如圖1所示.

1.2 工作原理

過濾器過濾時(shí)，保持翻板完全打開，排污口完全關(guān)閉.灌溉用含沙渾水經(jīng)沉沙攪拌池沉淀，大顆粒泥沙雜質(zhì)沉積在過濾系統(tǒng)之外；經(jīng)沉沙攪拌池沉淀后的含沙水再次經(jīng)過濾網(wǎng)由內(nèi)向外過濾：大于濾網(wǎng)孔徑的泥沙顆粒及懸浮雜質(zhì)由于被濾網(wǎng)攔截而堆積在濾網(wǎng)內(nèi)表面，小于濾網(wǎng)孔徑的泥沙顆粒隨灌溉水經(jīng)出水管進(jìn)入指定灌溉系統(tǒng).由于泥沙及懸浮雜質(zhì)的堆積，濾網(wǎng)內(nèi)外壓差增大，當(dāng)壓差增大到排污預(yù)設(shè)壓差時(shí)即進(jìn)入清洗排污過程.

圖1 翻板網(wǎng)式過濾器結(jié)構(gòu)示意圖

2 試驗(yàn)裝置及方法

2.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置由5m×4m×2m的蓄水池，直徑為1m、高為1.8m的沉沙攪拌池及過濾系統(tǒng)組成，如圖2所示.其中本次使用的翻板網(wǎng)式過濾器為新疆灌溉常用尺寸的過濾器，過濾器進(jìn)出水口尺寸均為200mm，過濾器外殼內(nèi)徑為300mm，過濾網(wǎng)內(nèi)徑為280mm，過濾器總長(zhǎng)度為1700mm.

圖2 試驗(yàn)裝置圖

2.2 試驗(yàn)配套設(shè)備

試驗(yàn)配套設(shè)備匯總?cè)绫?所示.

表1 試驗(yàn)配套設(shè)備匯總表

2.3 試驗(yàn)方法及步驟

試驗(yàn)分為清水試驗(yàn)和渾水試驗(yàn).渾水試驗(yàn)采用正交試驗(yàn)法安排試驗(yàn)組次.為了既能夠保證較小含沙量情況下過濾器達(dá)到水頭損失峰值時(shí)間不會(huì)過長(zhǎng)，又確保在較大含沙量情況下有足夠時(shí)間進(jìn)行取樣，設(shè)定4個(gè)不同進(jìn)水含沙量(0.122,0.278,0.309,0.336 g/L)；根據(jù)過濾器工作流量140～200 m3/h，按照極差為10 m3/h進(jìn)行設(shè)置，在滿足流量處于過濾器正常工作流量范圍的同時(shí)，保證試驗(yàn)流量有很廣泛的范圍，設(shè)定6個(gè)不同進(jìn)水流量Q(140,150,160,170,180,200 m3/h).在過濾器濾網(wǎng)為(80目)的條件下展開試驗(yàn)，清水試驗(yàn)主要控制不同進(jìn)水流量，測(cè)量進(jìn)出水口之間的壓力差，得到過濾器局部水頭損失初始值；渾水試驗(yàn)主要采用控制單因素變量試驗(yàn)，對(duì)影響水頭損失的進(jìn)水流量和含沙量進(jìn)行試驗(yàn)探究.即試驗(yàn)控制含沙量相同，分析進(jìn)水流量；控制進(jìn)水流量相同，分析含沙量，其中進(jìn)水流量通過調(diào)節(jié)變頻柜，由小到大及由大到小對(duì)各組流量進(jìn)行2組試驗(yàn)；含沙量通過控制人工加沙速度來改變進(jìn)口含沙量，在進(jìn)水口處每3 min接取1次水樣，試驗(yàn)結(jié)束后對(duì)水樣進(jìn)行測(cè)量，取該組水樣含沙量均值為試驗(yàn)含沙量.在相同含沙量不同進(jìn)水流量及相同進(jìn)水流量不同含沙量條件下進(jìn)行試驗(yàn)探究，重點(diǎn)分析其水頭損失值隨時(shí)間的變化規(guī)律，同時(shí)擬合水頭損失值，驗(yàn)證相應(yīng)的數(shù)學(xué)表達(dá)式.

2.4 試驗(yàn)采用泥沙顆粒級(jí)配

本次試驗(yàn)采用新疆瑪納斯河流域的河床沙，經(jīng)試驗(yàn)前對(duì)其顆粒級(jí)配進(jìn)行篩分測(cè)定，小于顆粒粒徑百分比ω隨泥沙顆粒粒徑d的顆粒級(jí)配曲線如圖3所示.其中粒徑為0.1～5.0 mm的泥沙粒徑占90%以上，符合工程實(shí)際灌溉用水含沙顆粒級(jí)配，能夠代表新疆北疆地區(qū)灌溉水源特點(diǎn).

圖3 泥沙顆粒級(jí)配曲線

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

在過濾器正常過濾狀態(tài)下，翻板網(wǎng)式過濾器的水頭損失變化規(guī)律呈現(xiàn)先平緩變化后急劇增加的趨勢(shì).圖4為翻板網(wǎng)式過濾器不同流量下水頭損失值P隨時(shí)間t的變化曲線，圖中Sj為進(jìn)水含沙量.

圖4 水頭損失變化曲線

分析圖4，在過濾器運(yùn)行初始階段，隨著時(shí)間推移，水頭損失值基本不發(fā)生變化，處于平穩(wěn)運(yùn)行階段，且流量越小，平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)間越長(zhǎng)；隨著過濾時(shí)間的增加，由于過濾網(wǎng)實(shí)際過水面積變小，不同流量對(duì)應(yīng)的水頭損失值開始急劇變化.根據(jù)局部水頭損失公式可知，局部水頭損失與進(jìn)水流量的二次方成正比，在穩(wěn)定過濾過程中，流量越小，泥沙顆粒也越少，過濾網(wǎng)被堵塞概率越小.因此流量越小，初始水頭損失越小，穩(wěn)定時(shí)間越長(zhǎng).當(dāng)?shù)竭_(dá)過濾終點(diǎn)時(shí)，過濾器的水頭損失達(dá)到峰值，無法進(jìn)行正常過濾工作，需進(jìn)行清洗.分析圖4，翻板網(wǎng)式過濾器共測(cè)得6組流量下水頭損失值隨時(shí)間的變化曲線，在進(jìn)水流量一定的條件下，當(dāng)流量分別為140,150,160,170,180,200 m3/h時(shí)，各流量組對(duì)應(yīng)的4個(gè)不同含沙量情況下的水頭損失差值最大分別為0.272,0.452,0.326,0.929,0.848,0.470 m.在定流量條件下，各含沙量工況下水頭損失峰值隨含沙量有遞增趨勢(shì)，但其水頭損失峰值差值不超過1 m，同時(shí)由圖4可知，隨著含沙量的變化水頭損失出現(xiàn)拐點(diǎn)的時(shí)間發(fā)生變化，且含沙量越大，水頭損失變化出現(xiàn)拐點(diǎn)的時(shí)間越早，認(rèn)為含沙量不是影響水頭損失峰值的主要因素，進(jìn)水流量為影響水頭損失的主要因素，含沙量主要影響水頭損失拐點(diǎn)出現(xiàn)的時(shí)間.在含沙量一定條件下，以含沙量為0.309 g/L組為代表分析，流量由140～200 m3/h變化時(shí)，水頭損失值依次為12.111,13.889,17.466,19.664,22.712,30.578 m.由圖4可發(fā)現(xiàn)其近似滿足正相關(guān)關(guān)系，且變化規(guī)律一致，即進(jìn)水流量對(duì)水頭損失影響較大；同時(shí)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著過濾時(shí)間變化，過濾器過濾水頭損失先處于平穩(wěn)變化狀態(tài)，后出現(xiàn)拐點(diǎn)并逐漸增大.分析圖4，水頭損失變化拐點(diǎn)基本發(fā)生在整個(gè)過濾周期的中間時(shí)刻.目前過濾用網(wǎng)式過濾器自清洗控制主要分為壓差控制和時(shí)間控制2種，通過確定過濾過程的水頭損失峰值，可確定不同流量下壓差控制啟動(dòng)排污時(shí)的啟動(dòng)壓差值，從而避免利用時(shí)間控制啟動(dòng)排污時(shí)由于時(shí)間過早造成的耗能問題，以及由于時(shí)間過晚造成的非最優(yōu)工況運(yùn)行的問題.

4 網(wǎng)式過濾器水頭損失理論分析計(jì)算

過濾器總水頭損失可以表示為過濾器水頭損失和進(jìn)出口高程差之和[4].過濾器主體長(zhǎng)度較短，相對(duì)局部水頭損失，沿程水頭損失較小基本可以忽略，認(rèn)為過濾器水頭損失主要為過濾器產(chǎn)生的局部水頭損失.按照過濾器進(jìn)水水流流動(dòng)方向不同，將過濾器分為立式和臥式2種.區(qū)別于臥式網(wǎng)式過濾器，立式網(wǎng)式過濾器水頭損失計(jì)算應(yīng)考慮過濾器進(jìn)出口高程差，即滿足

H=Hj+ΔH,

(1)

式中:H為總水頭損失,m;Hj為局部水頭損失,m;ΔH為進(jìn)出口高程差,m.

根據(jù)水力學(xué)水頭損失公式Hj=ξv2/2g和連續(xù)性方程Q=vA可得出過濾器局部水頭損失與進(jìn)水流量的數(shù)學(xué)表達(dá)式，即滿足

(2)

式中:ξ為水頭損失系數(shù)，ξ=ξ粗+ξ細(xì)+ξ進(jìn)+ξ出;A為過濾器斷面面積,m2;Q為進(jìn)水流量,m3/h;v為進(jìn)水流速,m/h.

Hj=αQ2,

(3)

式中:α為水頭損失調(diào)節(jié)系數(shù)，與過濾網(wǎng)目數(shù)、過濾器制造材質(zhì)和規(guī)格有關(guān).從而，網(wǎng)式過濾器水頭損失計(jì)算公式滿足

H=αQ2+ΔH.

(4)

5 擬合計(jì)算

將試驗(yàn)測(cè)定的進(jìn)水流量和過濾器進(jìn)出口高程差代入式(4)，取α=0.000 70代入計(jì)算驗(yàn)證，將公式計(jì)算總損失H1與試驗(yàn)總損失H2結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，對(duì)其相對(duì)誤差H3、誤差百分比λ及公式擬合度β進(jìn)行分析，取各組同一流量不同含沙量水頭損失均值.翻板網(wǎng)式過濾器計(jì)算結(jié)果如表2所示.

表2 計(jì)算結(jié)果匯總表

分析表2，本試驗(yàn)使用過濾器過濾網(wǎng)目數(shù)為80目，結(jié)合過濾器制造材質(zhì)和規(guī)格，翻板網(wǎng)式過濾器水頭損失修正系數(shù)取0.000 70時(shí)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果偏差較小，且公式擬合程度較高.由此得到水頭損失公式，對(duì)李強(qiáng)強(qiáng)等[9]研究同規(guī)格的臥式自清洗網(wǎng)式過濾器時(shí)提及的水頭損失值接近，且水頭損失值誤差絕對(duì)值不超過9%，即說明式(4)有很高的準(zhǔn)確性，針對(duì)各種形式的網(wǎng)式過濾器均可使用.目前新疆地區(qū)灌溉用臥式網(wǎng)式過濾器基本尺寸與文中提及的過濾器尺寸基本一致，因此將修正系數(shù)設(shè)定為0.000 70時(shí)，認(rèn)為式(4)可作為目前設(shè)計(jì)規(guī)格的臥式網(wǎng)式過濾器的水頭損失的基本公式，并建議應(yīng)用于目前新疆實(shí)際工程使用的同規(guī)格網(wǎng)式過濾器的水頭損失計(jì)算.修正系數(shù)隨過濾器的設(shè)計(jì)規(guī)格有調(diào)整，可在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)量，按照測(cè)量試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定相應(yīng)的修正系數(shù)值，應(yīng)用于對(duì)應(yīng)實(shí)際工程的過濾器的水頭損失計(jì)算.

6 結(jié) 論

1) 新型翻板網(wǎng)式過濾器水頭損失研究顯示含沙量主要影響水頭損失變化出現(xiàn)拐點(diǎn)的時(shí)間，進(jìn)水流量主要影響水頭損失的峰值.繪制各流量下水頭損失隨時(shí)間的變化曲線，得出水頭損失隨進(jìn)水流量增大而增大的變化規(guī)律.其中，試驗(yàn)設(shè)置進(jìn)水流量和含沙量等參數(shù)符合當(dāng)下灌溉工程實(shí)際值，因此水頭損失結(jié)論可應(yīng)用于實(shí)際灌溉工程.

2) 擬合修正水頭損失公式H=αQ2+ΔH，并確定水頭損失修正系數(shù)，試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果相對(duì)誤差較小，公式擬合度達(dá)90%以上，因此網(wǎng)式過濾器水頭損失公式適用于新型翻板網(wǎng)式過濾器水頭損失計(jì)算.