新型翻板网式过滤器水头损失试验研究

石凯，刘贞姬，李曼

(石河子大学水利建筑工程学院，新疆 石河子 832000)

微灌用网式过滤器是以新疆北疆地区为代表的中国西北地区微灌系统的核心组成部分，过滤器主要作用是去除灌溉水源中的泥沙颗粒和悬浮杂质[1-3].已有学者针对立式自吸自动网式过滤器进行研究，通过分析过滤器水头损失与过滤流量的关系，确定了水头损失与过滤流量的变化规律，并得出水头损失的经验公式[4-6].秦天云等[7]、蔡九茂等[8]通过对比网式过滤器与叠片式过滤器进行研究，定性分析2种过滤器的优缺点和使用工况.李强强等[9]对卧式自清洗网式过滤器排污过程进行理论分析，确定其排污时间的范围.刘晓初等[10]以Y型筛网式过滤器为研究对象，分别在无堵塞和堵塞条件下进行了水力性能试验，得出泥沙粒径和筛网的关系，并得出了水头损失和流量以及堵塞程度之间的变化规律.梁菊蓉等[11]、骆秀萍等[12]分析了滤网过滤器局部水头损失的影响因素，其中包括进水流量、过滤时间、含沙量等.阿力甫江·阿不里米提等[13]重点研究了鱼雷网式过滤器的水头损失，通过对2种目数的鱼雷网式过滤器进行定流量和定含沙量试验，得出了其水头损失在不同运行条件下的变化规律.国外主要在不同流量和不同含沙量的浑水条件下，结合量纲分析和试验探究，确定了不同形式的网式过滤器水头损失的经验公式[14-15].目前网式过滤器主要有自清洗网式过滤器和鱼雷网式过滤器等，其水头损失的研究已经比较完整，但针对一种新型翻板网式过滤器的水头损失研究比较罕见，在应用中比较局限.

文中对翻板网式过滤器进行理论分析和试验探究，分析不同流量和不同含沙量条件下的水头损失值随时间的变化规律，并给出翻板网式过滤器水头损失的表达式， 同时对网式过滤器水头损失公式进行拟合，确定其水头损失调节系数，以指导网式过滤器的实际研发和使用.

1 结构及工作原理

1.1 过滤器结构

翻板网式过滤器是由过滤器外壳、过滤器滤芯和可旋转翻板(在滤网内部可90°旋转)等主要部件构成.结构图如图1所示.

1.2 工作原理

过滤器过滤时，保持翻板完全打开，排污口完全关闭.灌溉用含沙浑水经沉沙搅拌池沉淀，大颗粒泥沙杂质沉积在过滤系统之外；经沉沙搅拌池沉淀后的含沙水再次经过滤网由内向外过滤：大于滤网孔径的泥沙颗粒及悬浮杂质由于被滤网拦截而堆积在滤网内表面，小于滤网孔径的泥沙颗粒随灌溉水经出水管进入指定灌溉系统.由于泥沙及悬浮杂质的堆积，滤网内外压差增大，当压差增大到排污预设压差时即进入清洗排污过程.

图1 翻板网式过滤器结构示意图

2 试验装置及方法

2.1 试验装置

试验装置由5m×4m×2m的蓄水池，直径为1m、高为1.8m的沉沙搅拌池及过滤系统组成，如图2所示.其中本次使用的翻板网式过滤器为新疆灌溉常用尺寸的过滤器，过滤器进出水口尺寸均为200mm，过滤器外壳内径为300mm，过滤网内径为280mm，过滤器总长度为1700mm.

图2 试验装置图

2.2 试验配套设备

试验配套设备汇总如表1所示.

表1 试验配套设备汇总表

2.3 试验方法及步骤

试验分为清水试验和浑水试验.浑水试验采用正交试验法安排试验组次.为了既能够保证较小含沙量情况下过滤器达到水头损失峰值时间不会过长，又确保在较大含沙量情况下有足够时间进行取样，设定4个不同进水含沙量(0.122,0.278,0.309,0.336 g/L)；根据过滤器工作流量140～200 m3/h，按照极差为10 m3/h进行设置，在满足流量处于过滤器正常工作流量范围的同时，保证试验流量有很广泛的范围，设定6个不同进水流量Q(140,150,160,170,180,200 m3/h).在过滤器滤网为(80目)的条件下展开试验，清水试验主要控制不同进水流量，测量进出水口之间的压力差，得到过滤器局部水头损失初始值；浑水试验主要采用控制单因素变量试验，对影响水头损失的进水流量和含沙量进行试验探究.即试验控制含沙量相同，分析进水流量；控制进水流量相同，分析含沙量，其中进水流量通过调节变频柜，由小到大及由大到小对各组流量进行2组试验；含沙量通过控制人工加沙速度来改变进口含沙量，在进水口处每3 min接取1次水样，试验结束后对水样进行测量，取该组水样含沙量均值为试验含沙量.在相同含沙量不同进水流量及相同进水流量不同含沙量条件下进行试验探究，重点分析其水头损失值随时间的变化规律，同时拟合水头损失值，验证相应的数学表达式.

2.4 试验采用泥沙颗粒级配

本次试验采用新疆玛纳斯河流域的河床沙，经试验前对其颗粒级配进行筛分测定，小于颗粒粒径百分比ω随泥沙颗粒粒径d的颗粒级配曲线如图3所示.其中粒径为0.1～5.0 mm的泥沙粒径占90%以上，符合工程实际灌溉用水含沙颗粒级配，能够代表新疆北疆地区灌溉水源特点.

图3 泥沙颗粒级配曲线

3 试验结果分析

在过滤器正常过滤状态下，翻板网式过滤器的水头损失变化规律呈现先平缓变化后急剧增加的趋势.图4为翻板网式过滤器不同流量下水头损失值P随时间t的变化曲线，图中Sj为进水含沙量.

图4 水头损失变化曲线

分析图4，在过滤器运行初始阶段，随着时间推移，水头损失值基本不发生变化，处于平稳运行阶段，且流量越小，平稳运行时间越长；随着过滤时间的增加，由于过滤网实际过水面积变小，不同流量对应的水头损失值开始急剧变化.根据局部水头损失公式可知，局部水头损失与进水流量的二次方成正比，在稳定过滤过程中，流量越小，泥沙颗粒也越少，过滤网被堵塞概率越小.因此流量越小，初始水头损失越小，稳定时间越长.当到达过滤终点时，过滤器的水头损失达到峰值，无法进行正常过滤工作，需进行清洗.分析图4，翻板网式过滤器共测得6组流量下水头损失值随时间的变化曲线，在进水流量一定的条件下，当流量分别为140,150,160,170,180,200 m3/h时，各流量组对应的4个不同含沙量情况下的水头损失差值最大分别为0.272,0.452,0.326,0.929,0.848,0.470 m.在定流量条件下，各含沙量工况下水头损失峰值随含沙量有递增趋势，但其水头损失峰值差值不超过1 m，同时由图4可知，随着含沙量的变化水头损失出现拐点的时间发生变化，且含沙量越大，水头损失变化出现拐点的时间越早，认为含沙量不是影响水头损失峰值的主要因素，进水流量为影响水头损失的主要因素，含沙量主要影响水头损失拐点出现的时间.在含沙量一定条件下，以含沙量为0.309 g/L组为代表分析，流量由140～200 m3/h变化时，水头损失值依次为12.111,13.889,17.466,19.664,22.712,30.578 m.由图4可发现其近似满足正相关关系，且变化规律一致，即进水流量对水头损失影响较大；同时试验发现，随着过滤时间变化，过滤器过滤水头损失先处于平稳变化状态，后出现拐点并逐渐增大.分析图4，水头损失变化拐点基本发生在整个过滤周期的中间时刻.目前过滤用网式过滤器自清洗控制主要分为压差控制和时间控制2种，通过确定过滤过程的水头损失峰值，可确定不同流量下压差控制启动排污时的启动压差值，从而避免利用时间控制启动排污时由于时间过早造成的耗能问题，以及由于时间过晚造成的非最优工况运行的问题.

4 网式过滤器水头损失理论分析计算

过滤器总水头损失可以表示为过滤器水头损失和进出口高程差之和[4].过滤器主体长度较短，相对局部水头损失，沿程水头损失较小基本可以忽略，认为过滤器水头损失主要为过滤器产生的局部水头损失.按照过滤器进水水流流动方向不同，将过滤器分为立式和卧式2种.区别于卧式网式过滤器，立式网式过滤器水头损失计算应考虑过滤器进出口高程差，即满足

H=Hj+ΔH,

(1)

式中:H为总水头损失,m;Hj为局部水头损失,m;ΔH为进出口高程差,m.

根据水力学水头损失公式Hj=ξv2/2g和连续性方程Q=vA可得出过滤器局部水头损失与进水流量的数学表达式，即满足

(2)

式中:ξ为水头损失系数，ξ=ξ粗+ξ细+ξ进+ξ出;A为过滤器断面面积,m2;Q为进水流量,m3/h;v为进水流速,m/h.

Hj=αQ2,

(3)

式中:α为水头损失调节系数，与过滤网目数、过滤器制造材质和规格有关.从而，网式过滤器水头损失计算公式满足

H=αQ2+ΔH.

(4)

5 拟合计算

将试验测定的进水流量和过滤器进出口高程差代入式(4)，取α=0.000 70代入计算验证，将公式计算总损失H1与试验总损失H2结果进行对比，对其相对误差H3、误差百分比λ及公式拟合度β进行分析，取各组同一流量不同含沙量水头损失均值.翻板网式过滤器计算结果如表2所示.

表2 计算结果汇总表

分析表2，本试验使用过滤器过滤网目数为80目，结合过滤器制造材质和规格，翻板网式过滤器水头损失修正系数取0.000 70时，试验数据结果与理论计算结果偏差较小，且公式拟合程度较高.由此得到水头损失公式，对李强强等[9]研究同规格的卧式自清洗网式过滤器时提及的水头损失值接近，且水头损失值误差绝对值不超过9%，即说明式(4)有很高的准确性，针对各种形式的网式过滤器均可使用.目前新疆地区灌溉用卧式网式过滤器基本尺寸与文中提及的过滤器尺寸基本一致，因此将修正系数设定为0.000 70时，认为式(4)可作为目前设计规格的卧式网式过滤器的水头损失的基本公式，并建议应用于目前新疆实际工程使用的同规格网式过滤器的水头损失计算.修正系数随过滤器的设计规格有调整，可在实验室进行试验测量，按照测量试验数据确定相应的修正系数值，应用于对应实际工程的过滤器的水头损失计算.

6 结 论

1) 新型翻板网式过滤器水头损失研究显示含沙量主要影响水头损失变化出现拐点的时间，进水流量主要影响水头损失的峰值.绘制各流量下水头损失随时间的变化曲线，得出水头损失随进水流量增大而增大的变化规律.其中，试验设置进水流量和含沙量等参数符合当下灌溉工程实际值，因此水头损失结论可应用于实际灌溉工程.

2) 拟合修正水头损失公式H=αQ2+ΔH，并确定水头损失修正系数，试验结果与计算结果相对误差较小，公式拟合度达90%以上，因此网式过滤器水头损失公式适用于新型翻板网式过滤器水头损失计算.