自主研發(fā)立式雙級(jí)自清洗網(wǎng)式過濾器性能研究與特點(diǎn)

王 君，崔春亮

（1.新疆水利水電科學(xué)研究院，新疆 烏魯木齊 830052；2.新疆農(nóng)業(yè)節(jié)水工程技術(shù)中心，新疆 烏魯木齊830052）

0 前言

自清洗過濾器是目前國內(nèi)外應(yīng)用最廣泛的過濾器之一，自清洗過濾器是20 世紀(jì)70 年代末發(fā)展起來的一種新型過濾器，具有很多優(yōu)勢(shì)，其中最主要的優(yōu)勢(shì)是自動(dòng)化程度高、壓力損失的小；不必進(jìn)行人工清除濾渣。自清洗過濾器的形式有很多，可分為：臥式、立式、內(nèi)濾式、外濾式；多聯(lián)式、多單元式，自清洗過濾器在各行各業(yè)中都具有很廣泛的應(yīng)用。

由于以色列是一個(gè)極度缺水的國家，所以被迫研發(fā)了很多節(jié)水新技術(shù)其中就包含了自清洗過濾器，最早以色列專家Ravina，PazE，Sofer 等人針對(duì)污水滴灌系統(tǒng)過濾和堵塞的問題進(jìn)行了長期的試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)過濾材料的種類和規(guī)格與過濾器的堵塞有關(guān)，建議對(duì)于堵塞嚴(yán)重的增設(shè)二級(jí)過濾設(shè)施。除此之外，以色列還有許多專業(yè)生產(chǎn)過濾器的廠家， 如Lego、Amiad、Arkal 和Filtomat 公 司 等。Lego 公 司生產(chǎn)的疊片式過濾器特點(diǎn)顯著，無需打開過濾器，操作簡單且清洗效果好。類似的具有研發(fā)和生產(chǎn)能力的自清洗過濾器 公 司， 還 有 美 國 的Orival、Automaticfilters、Schnoeder、RPAProcessTechnologies 和西班牙阿速德公司等，其研發(fā)的多種自清洗過濾器受到廣大用戶的青睞，其中阿速德公司以疊片式過濾器著稱。

新疆位于內(nèi)陸干旱區(qū)，水資源嚴(yán)重短缺，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)全部依靠灌溉，形成典型的“荒漠綠洲，灌溉農(nóng)業(yè)”的格局。由于先進(jìn)的農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)和現(xiàn)代化管理措施沒有得到大面積的應(yīng)用和推廣，水資源的浪費(fèi)也是尤為嚴(yán)重，目前新疆主要灌區(qū)的灌溉水利用系數(shù)也很低，在田間灌水中，采用漫灌的方法較多，并且每次的灌水量過大，總的灌溉定額也大，灌溉定額甚至高出作物實(shí)際需求的2～5 倍，所以說提高水的利用率，發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)是解決未來農(nóng)業(yè)水資源短缺的根本方法，也是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的基本要求，我國水資源短缺已成定局，農(nóng)業(yè)用水必須提高水的利用率，讓有限的水資源滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需要，農(nóng)業(yè)節(jié)水是長期的戰(zhàn)略任務(wù)。目前新疆節(jié)水灌溉面積已超過2500 萬畝，“十二五”期間還以每年300 萬畝的速度增加。隨著新疆節(jié)水灌溉發(fā)展突飛猛進(jìn)，尤其是對(duì)河水的處理要求越來越普遍，而新疆的河水又是多泥沙河流，水質(zhì)普遍較差，要求修建完善的沉淀池、攔污柵來提高過濾器的使用效果，而網(wǎng)式過濾器正是應(yīng)用于滴灌水源的過濾設(shè)備。

近幾年對(duì)網(wǎng)式過濾器研究較多的有宗全利、劉飛[1-3］對(duì)自清洗網(wǎng)式過濾器排污壓差進(jìn)行試驗(yàn)，得出80 目過濾器最佳排污壓差為6 m，120 目過濾器最佳排污壓差為7 m。劉煥芳[4］和駱秀萍[5］對(duì)自清洗網(wǎng)式過濾器的水頭損失進(jìn)行研究，劉煥芳推導(dǎo)出了含沙水流條件下計(jì)算局部水頭損失經(jīng)驗(yàn)公式，駱秀萍的研究指出在渾水條件下，隨著含砂量的增大，過濾器過濾周期縮短，局部水頭損失增加的趨勢(shì)變大。同時(shí)劉煥芳[6-7］對(duì)自清洗網(wǎng)式過濾器的水力性能及排污清洗時(shí)間進(jìn)行了研究，擬合出了水頭損失與流量的經(jīng)驗(yàn)公式，并得出過濾器清洗時(shí)間與含沙量呈反比關(guān)系。宗全利[8］、王棟雷[9］和王新坤[10］分別對(duì)自清洗網(wǎng)式過濾器和阿速德（AZUD）網(wǎng)式過濾器，采用動(dòng)網(wǎng)格方法對(duì)網(wǎng)式過濾器全流場(chǎng)進(jìn)行了模擬，模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相吻合，研究結(jié)果為過濾器結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考。

1 自主研發(fā)的自動(dòng)清洗網(wǎng)式過濾器原理及結(jié)構(gòu)

1.1 網(wǎng)式過濾器工作原理

本文網(wǎng)式過濾器為新疆水科院自主研發(fā)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)的立式雙級(jí)自清洗網(wǎng)式過濾器（專利號(hào)ZL-20122049978.8），在正常工作情況下：當(dāng)壓力水從進(jìn)水口進(jìn)入第一級(jí)過濾器罐體的粗濾網(wǎng)的過濾腔內(nèi)，較大顆粒的雜質(zhì)就被粗濾網(wǎng)進(jìn)行攔截，保證進(jìn)入第二級(jí)過濾器時(shí)水中的雜質(zhì)不會(huì)堵塞吸污嘴。壓力水到了第二級(jí)過濾器時(shí)，雜質(zhì)就被精密濾網(wǎng)攔截，清潔的水經(jīng)濾網(wǎng)過濾后從出水口排出。當(dāng)過濾器工作一個(gè)階段或進(jìn)入過濾腔內(nèi)的水質(zhì)較差時(shí)，在濾網(wǎng)內(nèi)壁上附著污物較多時(shí)，經(jīng)精密濾網(wǎng)過濾的水量減少，使內(nèi)、外腔產(chǎn)生一定的壓差時(shí)，壓差傳感器啟動(dòng)，并通過控制器帶動(dòng)減速電機(jī)和電磁閥同時(shí)工作，減速電機(jī)通過傳動(dòng)軸帶動(dòng)空心軸轉(zhuǎn)動(dòng)，空心軸上均布的吸污管上的吸污嘴在貼近濾網(wǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)過程中吸去濾網(wǎng)上的污物，在水壓的作用下將夾帶污物的水進(jìn)入空心軸，通過空心管經(jīng)電磁閥排出。減速電機(jī)在帶動(dòng)傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中，傳動(dòng)軸螺桿段與支撐座上的固定螺母相配合，將傳動(dòng)軸向前推動(dòng)，傳動(dòng)軸的導(dǎo)向鍵槽段在減速電機(jī)轉(zhuǎn)子中心孔的導(dǎo)向鍵的約束下，在傳動(dòng)中向前滑動(dòng)，使空心吸污管的吸污嘴邊轉(zhuǎn)動(dòng)邊向前移動(dòng)；當(dāng)傳動(dòng)中向前移動(dòng)的傳動(dòng)軸的接觸盤碰到減速電機(jī)上的限位器時(shí)，控制器控制減速電機(jī)反轉(zhuǎn)，在支撐座上固定螺母使傳動(dòng)軸帶動(dòng)空心軸倒退，當(dāng)?shù)雇说膫鲃?dòng)軸上的接觸盤碰到減速電機(jī)下側(cè)的限位器時(shí)，減速電機(jī)正轉(zhuǎn)，自動(dòng)往復(fù)循環(huán)工作。當(dāng)濾網(wǎng)上的污物吸盡時(shí)，內(nèi)、外腔的壓差趨于相近或相等時(shí)，此時(shí)減速電機(jī)停止工作。

本實(shí)用新型自清洗網(wǎng)式過濾器具有以下特點(diǎn)：清洗濾網(wǎng)的工作時(shí)間和間歇時(shí)間可以通過控制器面板任意設(shè)定；自清洗時(shí)間短，只需20 s～40 s，且對(duì)正常供水沒有影響。

1.2 網(wǎng)式過濾器結(jié)構(gòu)

本實(shí)用新型立式雙級(jí)自清洗網(wǎng)式過濾器（下文簡稱立式雙級(jí)式）由筒體、初級(jí)過濾網(wǎng)、二級(jí)過濾網(wǎng)、吸污裝置、排污裝置、減速電機(jī)、壓差控制器等七個(gè)部分組成，圖1 為新型自清洗網(wǎng)式過濾器結(jié)構(gòu)圖。

圖1 網(wǎng)式過濾器試驗(yàn)結(jié)構(gòu)圖

2 與其他網(wǎng)式過濾器試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

本實(shí)用新型立式雙級(jí)與目前新疆滴灌首部系統(tǒng)采用普通的自動(dòng)清洗網(wǎng)式過濾器（下文簡稱自清洗網(wǎng)式），和以色列阿米亞德（Amiad）公司生產(chǎn)的SAF3000 網(wǎng)式過濾器（下文簡稱SAF3000），三種自清洗網(wǎng)式過濾器的水頭損失試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

通過圖2 流量與水頭損失關(guān)系曲線可以看出，立式雙級(jí)過濾器的水頭損失最小，其次為SAF3000 過濾器，再次為自清洗網(wǎng)式過濾器。當(dāng)流量在50 m3／h～90 m3／h 時(shí)，立式雙級(jí)過濾器與SAF3000 過濾器的水頭損失相差不大，但此時(shí)自清洗網(wǎng)式過濾器的水頭損失要明顯高于前兩種過濾器。隨著流量的增加，立式雙級(jí)過濾器的水頭損失呈現(xiàn)出緩慢增加的趨勢(shì)，而SAF3000 過濾器，在流量逐漸加大的情況下，水頭損失增加幅度比較大，尤其是當(dāng)流量超過150 m3／h 以后，水頭損失曲線的曲率最大，近似于直線。自清洗網(wǎng)式過濾器在大流量情況下，水頭損失增加幅度比SAF3000 要小，當(dāng)流量在在190 m3／h～210 m3／h 之間時(shí)，自清洗網(wǎng)式過濾器與SAF3000 過濾器的水頭損失相當(dāng)。以下三個(gè)公式：式（1）至式（3）為實(shí)用新型立式雙級(jí)過濾器、SAF3000 網(wǎng)式過濾器和自清洗網(wǎng)式過濾器的流量與水頭損失擬合公式。

式中：Δh 為水頭損失，m；Q 為流量，m3／h。

3 結(jié)論

通過此次試驗(yàn)，擬合出了三種不同類型網(wǎng)式過濾器水頭損失與流量的經(jīng)驗(yàn)公式，發(fā)現(xiàn)水頭損失與流量呈現(xiàn)乘冪型式，其次對(duì)三種不同類型網(wǎng)式過濾器在相同流量的水頭損失對(duì)比，立式雙級(jí)網(wǎng)式過濾器的水頭損失最小，其次為以色列的SAF3000，再次為普通自清洗網(wǎng)式過濾器。

“十二五”期間新疆每年發(fā)展滴灌面積大300 萬畝，到“十二五”末滴灌面積將達(dá)到3000 多萬畝。隨著新疆滴灌技術(shù)的發(fā)展、規(guī)模的擴(kuò)大，發(fā)展新型節(jié)能型大流量網(wǎng)式過濾器對(duì)新疆滴灌的發(fā)展意義重大。