宗全利, 劉貞姬, 井河義, 張明鳴

(1.青島農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院, 山東 青島 266109; 2.石河子大學(xué) 水利建筑工程學(xué)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(nóng)業(yè)綜合服務(wù)中心, 山東 濰坊 262600)

1 研究背景

網(wǎng)式過濾器具有安裝使用簡單、維護(hù)管理方便、成本造價低及水頭損失小等優(yōu)點(diǎn),在新疆大田微灌系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛[1]。實(shí)際工程中應(yīng)用較多的網(wǎng)式過濾器一般設(shè)置在泵后,濾網(wǎng)孔徑較小(80～120目),過濾精度較高,但作為微灌系統(tǒng)最后一道水質(zhì)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(yīng)于過濾顆粒較小和含量較少的泥沙雜質(zhì)。近年來,市場上出現(xiàn)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(wǎng)外側(cè)進(jìn)入內(nèi)側(cè),過濾后清水從過濾網(wǎng)內(nèi)部進(jìn)入管道,改變了現(xiàn)有開闊水域滴灌系統(tǒng)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(guān)于網(wǎng)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(zhì)對過濾器水力性能的影響,并建立了新的水頭損失計(jì)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(wǎng)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(wǎng)式過濾器的反沖洗過程和效果進(jìn)行了研究;喻黎明等[12]結(jié)合數(shù)值模擬正交試驗(yàn)結(jié)果的極差分析,探索了各因素對水頭損失、中速過流量區(qū)域面積占比、顆粒分布相對標(biāo)準(zhǔn)偏差及攔截率影響 4 個指標(biāo)的敏感度;陶洪飛等[13]、謝炎等[14]基于Fluent模擬結(jié)果,對網(wǎng)式過濾器內(nèi)部流場分布進(jìn)行了研究。

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

綜上,現(xiàn)有過濾效率研究多針對傳統(tǒng)的泵后過濾器,而關(guān)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(qū)常用的泵前網(wǎng)式過濾器為研究對象,分別在實(shí)驗(yàn)室和工程現(xiàn)場開展觀測試驗(yàn),并提出有效過濾效率的概念,對網(wǎng)式過濾器的過濾效率進(jìn)行全面研究,以完善滴灌配套產(chǎn)品,提升系統(tǒng)配套性能。

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 泵前無壓網(wǎng)式過濾器結(jié)構(gòu)及原理

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

圖1 泵前無壓旋噴滾筒網(wǎng)式過濾器結(jié)構(gòu)

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(jìn)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(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩,帶動裝置轉(zhuǎn)動,從而帶動網(wǎng)筒轉(zhuǎn)動。從水力旋噴管出水管流出的水流進(jìn)入噴射支管,從支管各噴頭噴出,實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)動網(wǎng)筒的不間斷沖洗。整個過濾過程與自清洗過程同步進(jìn)行,從而防止濾網(wǎng)被漂浮物及浮游生物等雜質(zhì)堵塞。

2.2 試驗(yàn)材料

過濾效率試驗(yàn)包括實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和現(xiàn)場觀測試驗(yàn)兩部分。實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)在石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院水工水力學(xué)試驗(yàn)大廳進(jìn)行;觀測現(xiàn)場包括新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)石河子市某團(tuán)場和瑪納斯縣某村正在運(yùn)行的過濾器現(xiàn)場,現(xiàn)場觀測試驗(yàn)旨在檢驗(yàn)過濾器在實(shí)際應(yīng)用中的過濾效果。

2.2.1 試驗(yàn)裝置 實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)裝置主要由蓄水池、攪拌池、離心泵、過濾設(shè)備、控制設(shè)備和監(jiān)測設(shè)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(nèi)設(shè)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(nèi)4個葉片旋轉(zhuǎn)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(dāng)攪拌池和過濾器運(yùn)行一段時間水流穩(wěn)定后,在過濾器進(jìn)水口和出水口處分別用廣口瓶進(jìn)行取樣,每組試驗(yàn)至少取樣5次,以均值作為最終結(jié)果。試驗(yàn)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(guī)格選擇實(shí)際中應(yīng)用最為廣泛的兩種額定過濾流量Q=200和Q=250 m3/h。

圖2 實(shí)驗(yàn)室過濾效率試驗(yàn)裝置示意圖

分別在新疆石河子市某團(tuán)場進(jìn)行Q=200 m3/h和瑪納斯縣某村進(jìn)行Q=250 m3/h的現(xiàn)場觀測試驗(yàn),如圖3所示?，F(xiàn)場試驗(yàn)主要測定過濾器的過濾流量以及對過濾前后水流進(jìn)行取樣。采用大連海峰儀器有限公司生產(chǎn)的便攜式流量計(jì)(型號TDS-100P)進(jìn)行現(xiàn)場過濾流量測試,其精度為 0.5%。分別在現(xiàn)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(jì)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(shù)及技術(shù)條件》(SL 470—2010)中網(wǎng)式過濾器的測試要求進(jìn)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(xiàn)場水質(zhì)的含沙情況,雜草、有機(jī)質(zhì)等其他影響過濾效果的指標(biāo)暫未測試。

圖3 現(xiàn)場試驗(yàn)裝置

2.2.2 濾網(wǎng)目數(shù)Q=200和Q=250 m3/h兩種規(guī)格過濾器所用濾網(wǎng)規(guī)格和目數(shù)相同,為準(zhǔn)確計(jì)算濾網(wǎng)目數(shù),用二維掃描儀對濾網(wǎng)進(jìn)行高精度掃描,并根據(jù)掃描結(jié)果對濾網(wǎng)規(guī)格計(jì)算得到:網(wǎng)絲直徑D=0.105 mm=0.004134 in;網(wǎng)孔直徑(凈邊長)d=0.3432 mm=0.013512 in;按照濾網(wǎng)目數(shù)定義(1in25.4 mm長度范圍內(nèi)網(wǎng)孔個數(shù))濾網(wǎng)目數(shù)M≈74目。

2.2.3 試驗(yàn)用沙粒徑級配及含沙量 在實(shí)驗(yàn)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(jìn)行過濾效率試驗(yàn)。通過顆粒分析,測定干沙中各粒組所占總質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)和比重值,兩種試驗(yàn)用沙的級配曲線見圖4。根據(jù)測定結(jié)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(yàn)數(shù)據(jù),實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)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?，F(xiàn)場試驗(yàn)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(jìn)行粒徑級配測試,根據(jù)現(xiàn)場取樣測試,現(xiàn)場懸浮泥沙顆粒含量范圍為141～367 mg/L。

圖4 試驗(yàn)用沙的顆粒級配曲線

2.3 試驗(yàn)方法及步驟

試驗(yàn)主要測量過濾器工作流量和計(jì)算過濾效率。過濾效率測試與計(jì)算方法為:首先對過濾前、后水流分別進(jìn)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(jìn)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(jù)烘干后泥沙質(zhì)量計(jì)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(jì)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(jì)算結(jié)果代表某一時刻或較短時間內(nèi)過濾器過濾效率,為評價一段時間內(nèi)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(jì)算的過濾效率是評價過濾器性能優(yōu)劣的重要指標(biāo),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(zhì)越好,越能滿足灌溉要求。

2.4 試驗(yàn)組次

試驗(yàn)組次安排見表1。試驗(yàn)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(guī)格過濾器的濾網(wǎng)直徑為805 mm,長度為1 200 mm,過濾面積為3.033 m2,濾網(wǎng)筒旋轉(zhuǎn)速度為每圈13～16 s,實(shí)際最大流量可達(dá)245～248.4 m3/h,比額定流量大22.5%～24.2%;Q=250 m3/h規(guī)格過濾器的濾網(wǎng)直徑為840 mm,長度為1 200 mm,過濾面積為3.165 m2,濾網(wǎng)筒旋轉(zhuǎn)速度為每圈15～18 s,實(shí)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(shè)計(jì)中均保留有較大流量安全系數(shù),試驗(yàn)過程中均以實(shí)測流量為準(zhǔn)。

表1 試驗(yàn)組次安排

3 結(jié)果與分析

3.1 不同含沙量下濾網(wǎng)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(wǎng)對泥沙顆粒的攔截效果主要與泥沙含量有關(guān)。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?yàn)樵谶^濾流量一定的前提下,來水中含沙量越大,濾網(wǎng)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(wǎng)孔徑大小、顆粒粒徑大小及粒組組成等)有關(guān)。

3.2 不同粒組下濾網(wǎng)過濾效率

由于過濾器濾網(wǎng)只能攔截粒徑大于網(wǎng)孔孔徑范圍的泥沙顆粒,所以大部分比濾網(wǎng)孔徑小的泥沙顆粒會通過濾網(wǎng)進(jìn)入灌溉系統(tǒng)。因而,若要更加準(zhǔn)確和全面地評價過濾器的過濾效率,就必須根據(jù)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(jié)合網(wǎng)孔孔徑大小,按粒組分別計(jì)算過濾器的過濾效率。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室沙樣A和B顆粒的粒徑分析結(jié)果,分別在過濾前和過濾后對不同沙樣的粒徑進(jìn)行分析,得到過濾前后對應(yīng)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(xì);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(yàn)過濾器濾網(wǎng)目數(shù)為74目,按照濾網(wǎng)目數(shù)孔徑標(biāo)準(zhǔn),其對應(yīng)的過濾精度為0.180～0.212 mm(70目對應(yīng)過濾標(biāo)準(zhǔn)為0.212 mm,80目對應(yīng)過濾標(biāo)準(zhǔn)為0.180 mm),即該過濾器濾網(wǎng)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(wǎng)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(xì),粒徑小于0.180 mm的泥沙顆粒占到80.0%,說明濾網(wǎng)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(wǎng)孔徑的泥沙也計(jì)算在內(nèi)。實(shí)際過濾器設(shè)計(jì)中對于小于網(wǎng)孔孔徑的泥沙顆粒是允許通過濾網(wǎng)的,所以將該部分泥沙的過濾效率也計(jì)算在內(nèi)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(jì)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(yīng)粒組的泥沙顆粒含量百分?jǐn)?shù)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?jǐn)?shù)分別為p11,p12,…,p1i,p1(i+1),…,p1n,過濾后粒組的泥沙顆粒含量百分?jǐn)?shù)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(jì)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(yīng)的全沙平均過濾效率可以表示為:

(6)

(7)

(8)

根據(jù)表2中過濾前后不同粒組組成試驗(yàn)結(jié)果,利用公式(5)～(8)分別計(jì)算第i粒組的平均過濾效率、全沙平均過濾效率及相應(yīng)的平均有效過濾效率值,結(jié)果見表2。從表2中的計(jì)算結(jié)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(jì)算結(jié)果相同,驗(yàn)證了公式(3)～(6)的正確性。

根據(jù)表2中大于濾網(wǎng)網(wǎng)孔直徑d=0.180 mm的平均有效過濾效率計(jì)算結(jié)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(wǎng)主要對粒徑大于網(wǎng)孔孔徑的泥沙顆粒過濾有效,且攔截率均達(dá)到了95%以上,這也證明了過濾效果達(dá)到了該種過濾器濾網(wǎng)目數(shù)的設(shè)計(jì)要求。反之,若過濾器對泥沙粒徑大于網(wǎng)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(dá)不到設(shè)計(jì)要求。所以用有效過濾效率指標(biāo),可以更準(zhǔn)確地評價網(wǎng)式過濾器過濾效果。

4 討 論

現(xiàn)有的過濾效率概念都是計(jì)算全沙過濾效率,得到的結(jié)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(yàn)結(jié)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(xiàn)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(guān),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(xiàn)場試驗(yàn)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(xiàn)[3]中“含沙量對平均過濾效率的影響最大”的研究結(jié)論一致。

但實(shí)際中全沙過濾效率的計(jì)算結(jié)果有時會得到與實(shí)際不太符合的結(jié)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(yàn)為85.2%)反而要小于細(xì)沙(本文試驗(yàn)為97.9%)。為此,本文從“濾網(wǎng)僅對大于網(wǎng)孔孔徑的泥沙顆粒過濾有效”這一實(shí)際問題出發(fā),提出了有效過濾效率的概念和計(jì)算方法。本研究結(jié)果可為更加準(zhǔn)確和全面地評價過濾器的過濾效果提供計(jì)算依據(jù),補(bǔ)充網(wǎng)式過濾器現(xiàn)有規(guī)范中缺乏過濾效率計(jì)算方法的不足。需要指出的是,本文只針對漂浮式網(wǎng)式過濾器進(jìn)行了試驗(yàn),有效過濾效率計(jì)算方法的可行性和準(zhǔn)確性還需要更多網(wǎng)式過濾器的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

5 結(jié) 論

(1)根據(jù)實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場觀測結(jié)果,濾網(wǎng)對泥沙顆粒的攔截效果主要與來水泥沙含量有關(guān),但也與其他因素如濾網(wǎng)孔徑大小、顆粒粒徑大小及粒組組成等有很大關(guān)系。

(2)提出了有效過濾效率的概念和計(jì)算方法,計(jì)算結(jié)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(wǎng)主要對粒徑大于網(wǎng)孔孔徑的泥沙顆粒過濾有效,且攔截率較高,均達(dá)到95%以上,這也證明了過濾效果達(dá)到了該種過濾器濾網(wǎng)目數(shù)的設(shè)計(jì)要求。

(3)根據(jù)有效過濾效率概念,分別計(jì)算了過濾器不同粒組的過濾效率。根據(jù)計(jì)算結(jié)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(wǎng)對相應(yīng)粒組的過濾效率從52.1%增加至99.3%,說明同一種濾網(wǎng)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。