水力驱动自清洗网式过滤器水力性能试验研究

雷建花，崔春亮，崔 瑞，赛衣旦， 杨 静

（1.新疆水利水电科学研究院，新疆乌鲁木齐830049；

2.乌鲁木齐希水节水设备研究开发中心，新疆乌鲁木齐830049）

1 引 言

新疆地处典型的内陆干旱、半干旱地区,气候干燥,降雨稀少,蒸发强烈,年平均降水量147 mm,年蒸发能力2 500～2 600 mm,人均水资源量3 531 m3,总体上水资源紧缺。截至2015年底,新疆农田灌溉面积491万hm2,其中节水灌溉面积241万hm2。新疆水利发展“十三五”规划中提出,到2020年新疆农业高效节水建设面积达到286.6万hm2［1］。随着节水灌溉技术的发展,具有自清洗功能的过滤器成为新疆节水灌溉系统的关键设备之一。

自清洗网式过滤器是目前国内外应用最广泛的过滤器之一,是保证整个微灌系统正常运行的核心设备［2］。自清洗网式过滤器一般分为立式、卧式或内滤式、外滤式；按清洗方式可分为吸污式、刷式（刮式)、反冲洗式；按清洗动力可分为水力驱动式和电机驱动式［3］。目前国内对自清洗网式过滤器进行了大量的研究工作,刘焕芳等［4-6］对自清洗网式过滤器的水力性能进行了试验研究,得到过滤器清水和浑水条件下的水头损失公式、过滤时间及自清洗时间变化规律等；宗全利等［2,7-10］通过滴灌自清洗网式过滤器全流场数值模拟与分析,得出了过滤器最优化的结构尺寸,对大田滴灌自清洗网式过滤器的水头损失进行了试验研究,给出了过滤器排污压差计算方法等；刘建华等［11-12］设计了水力驱动全自动过滤器,并分析了过滤器的结构原理以及过滤器参数的确定；孟剑等［13］对微灌系统全自动反冲洗过滤器的水力驱动系统进行了试验研究和设计。

传统的网式过滤器具有结构简单、价格便宜的优点,但不具有自动清洗功能,滤网堵塞需要人工清洗,清洗不及时则易产生憋压、爆网等事故,无法适应目前高效节水规模化、自动化的发展方向。自清洗网式过滤器是在传统网式过滤器基础上研发的,由自动清洗控制系统通过压差、时间设定来控制自动清洗装置,进而实现自动排污。该设备具有自动化程度高、过滤和清洗效率高、清洗过程中不间断供水的优点。

新疆水利水电科学研究院自主研发了水力驱动自清洗网式过滤器,与前人研究的自清洗网式过滤器的不同之处有以下几个方面：①研制出水力扭力耦合驱动装置,较传统的单力矩结构运行更平稳,驱动压力小,扭矩大。水力扭力耦合驱动装置的作用是把水流自身的能量转化成机械能来驱动排污轴的转动。②研制出循环往复轴机械装置,实现了排污轴循环往复双向清洗,与水动活塞单向清洗相比,具有结构简单的优点,而且清洗效率提高一倍,故障率低；与排污轴无往复运动的水动过滤器相比,具有工作压力要求低、排污用水量小的优点。③吸污嘴结构有创新性,与排污轴无往复运动的水动过滤器相比较,吸污装置由平行旋转扫描滤网表面进行面扫描改为垂直螺旋扫描滤网表面进行线扫描,排污力强。④该过滤器不依靠电力驱动,适用于没有电力供应的自压滴灌系统首部水处理系统。

2 自主研发水力驱动自清洗网式过滤器的结构和工作原理

自主研发的水力驱动自清洗网式过滤器采用吸污式和水力扭力耦合驱动反冲洗相结合,在排污结构上有很大的创新。该过滤器为卧式结构,不锈钢过滤罐安装在水平供水管上,通过进水管、出水管连接不锈钢过滤罐,在进、出水管之间的供水管上安装检修阀,不锈钢过滤罐内分隔成粗过滤腔、细过滤腔和排污腔,进水管连接粗过滤腔,出水管连接细过滤腔,在不锈钢过滤罐内安装传动轴,在粗过滤腔的传动轴上设置往复传动装置,位于细过滤腔内的传动轴上设置吸污嘴,在排污腔的传动轴上设置水力扭力驱动杆,排污腔的排污口连接排污电磁阀（见图1)。

图1 水力驱动自清洗网式过滤器装配示意

水力驱动自清洗网式过滤器工作原理如下：过滤时,浑水由进水口进入粗过滤腔,通过5目粗滤网初步过滤掉一些粗颗粒泥沙和大颗粒杂物后,水流由粗过滤腔流入细过滤腔；然后水流经过细过滤网（本次试验用100目滤网),水流中的杂质截留在细过滤网表面,过滤干净的水由出水口进入供水管道。细过滤网表面的污物聚集到一定程度,进水口和出水口之间的压差会增大,当压差达到过滤器控制器设定的压差值时,过滤器控制器就会发出清洗指令,打开排污口处的电磁阀。排污腔内的污水从吸污嘴进入排污轴,从排污嘴处高速流入水力扭力腔内,污水经过排污电磁阀排出。水力扭力装置在水流的喷射作用下形成一对大小相等、方向相反的力矩,推动排污轴旋转。排污轴的另一端设置循环往复轴,循环往复轴在固定滑块的导向作用下带动排污轴作左右螺旋往复运动。排污轴转动后带动吸污嘴沿圆柱体滤网面作螺旋往复运动,吸污嘴与细过滤网之间产生很大的吸力,将细滤网表面附着的有机质、泥沙颗粒等杂质清理干净。滤网清洗干净后,内外压差就降低了,于是控制器关闭排污电磁阀,不再排出污水,过滤器恢复到正常工作状态。过滤器在清洗过程中,可实现不间断地过滤和供水。

过滤器的外壳材料采用304不锈钢,质量轻,强度高,耐腐蚀,使用寿命长,检修方便。粗滤网采用316L不锈钢钢板一次冲压成形,滤网内壁光滑。细滤网有两层滤网复合而成,外骨架采用316L不锈钢钢板一次冲压成形,高压工作时不易变形,滤网整体同心度较好,精密不锈钢滤网黏接固定在骨架内表面上,从结构上保证滤网有效过滤面积大、具有抗变形刚度和强度大。吸污嘴采用工程塑料材质,表面光滑不易滞留杂物,质量轻,旋转灵活；空心轴采用316L不锈钢管精密加工,同心度好。过滤器为卧式安装,结构轻便紧凑,占地少,安装维护方便。

水力驱动自清洗网式过滤器控制器工作原理：自动清洗控制器事先设定好自动清洗程序,控制启动反冲洗周期可通过3种方式实现,一是压差,即过滤器进出口压差达到预先设定的压差值；二是时间,根据水质情况,规定在一定时间后打开电磁阀；三是手动触发,通过手动开启（利用控制器的手动清洗功能)。

自主研发的4种型号水力驱动自清洗网式过滤器常用参数见表1。

表1 4种型号水力驱动自清洗网式过滤器的常用参数

3 自主研发水力驱动自清洗网式过滤器的水力性能

3.1 试验方案

本试验是在新疆水利水电科学研究院节水中心大流量过滤器水力性能测试平台上完成的,测试装置主要包括蓄水池、水力性能测试平台、进水口压力表、出水口压力表、水力驱动自清洗网式过滤器（4种型号),过滤网目数为100目。图2为本次试验装置布局示意。

图2 水力驱动自清洗网式过滤器试验装置布局

3.2 静水耐压试验设计

依据《灌溉用过滤器基本参数及技术条件》（SL 470—2010)中常温下的静水耐压性能试验方法,对水力驱动自清洗网式过滤器进行检测试验。试验前,在排污阀进口施加0.75倍额定工作压力（水力驱动自清洗网式过滤器额定工作压力为0.8 MPa),开启、关闭排污阀100次。之后关闭出口阀,在过滤器进口加压,向过滤器充水并排气。过滤器充满水后,逐步加压到额定压力的1.5倍,即1.2 MPa,保压5 min,过滤器应无损坏及永久性变形,过滤器壳体、过滤器壳盖、过滤器壳盖密封圈、排污阀和过滤器连接处应无泄漏［7］。针对自主研发的100台水力驱动自清洗网式过滤器,完成静水耐压试验。从额定工作压力0.8 MPa的0.75倍至1.5倍压力范围内（0.6～1.2 MPa),每打压1次后,停止供压,从排污阀排水,打开壳体,检查记录过滤器各部件有无永久变形,检查过滤器连接部分是否漏水,并记录无杂质状态下两压力表压差试样连接处有无漏水现象。

3.3 过流能力试验设计

每种型号的过滤装置选取5台,共计20台检测样机,根据同类型号的检测结果计算均值,判断清水过滤流量Q和水头损失Δh之间的关系。试验中采用自来水,安装过滤器后,进、出水口各装一个压力表,反复检查安装安全性,确保无误后开泵,调节出水口碟阀开度,在0.2倍～1.2倍最大工作流量范围内,分10个流量档,待仪表稳定工作5 min后,同时记录流量和对应的进、出水口压力值,并由此获得过滤器清洁压降。清洁压降为3 m时,XS-8GWZ-V4200/6过滤器最大流量为150 m3/h,XS-8GWZ-V5600/8过滤器最大流量为206 m3/h,XS-8GWZ-V7000/8过滤器最大流量为251 m3/h,XS-8GWZ-V8400/10过滤器最大流量为301 m3/h。

3.4 试验结果与分析

通过静水耐压试验可知,在额定工作压力0.8 MPa的0.75倍至1.5倍压力范围内（0.6～1.2 MPa),过滤器壳体、橡胶密封垫完好无变形、无损坏,静水耐压性能达标。

通过控制进、出水口的阀门来测量不同流量下过滤器的清水水头损失,绘制不同流量下4种型号的过滤器清洁压降曲线,并拟合出水头损失经验公式（见图4)。过滤器的清洁压降曲线可为用户选型提供技术参考。

图4 水力驱动自清洗网式过滤器清洁压降曲线

由图4可知,当进水流量较小时,过滤器初始水头损失变化比较缓慢,小于0.015 MPa；当流量增大到0.9倍额定流量时,水头损失开始逐步增大,此时细过滤网内外压差增大；当流量达到额定流量时,水头损失达到0.030 MPa；当流量进一步加大到1.2倍额定流量时,水头损失持续增加,达到0.054 MPa。可以看出,不同流量下4种型号的过滤器过流能力强,为了延长过滤器使用寿命,建议进水流量控制在额定流量附近,这样可以在保证水头损失不至过大的同时,降低被滤网截留的泥沙颗粒挤过滤网、堵塞微灌系统灌水器的概率。

4 结 语

自主研发的水力驱动自清洗网式过滤器基于吸污式和反冲洗相结合,结构上全面创新,研制了水力扭力耦合驱动装置和循环往复轴机械装置,实现了无活塞往复螺旋扫描排污,正常工作时不需要电力驱动,真正做到了节能、环保。根据相关技术标准,通过水力性能检测试验可知,自主研发的水力驱动自清洗网式过滤器的静水耐压性能达标；过流能力试验结果表明,清水过滤流量和压力之间存在较好的正回归关系,水头损失小。自主研发的4种型号水力驱动自清洗网式过滤器清洁压降小、结构坚固、使用寿命长,随着灌溉自动化、智能化的发展,势必在新疆地区有很大的发展空间和应用前景。