摘要：过滤器是微灌工程中处理含沙水源的重要设备,在预设细过滤网内外压差的条件下对微灌用自吸式自动过滤器的过滤和反冲洗性能进行了试验研究。在过滤过程中,细过滤网内表面的泥沙含量和内外压差值随过滤时间增长不断增多,当压差值大于预设压差值时,需对过滤器进行反冲洗。若预设压差值过大,排污时间间隔变长,细过滤网将承受较大压力差而严重影响使用寿命;相反,过滤器的过滤时间较短,频繁排污,影响泥沙的过滤效果,因此如何设置细过滤网内外压差值显的尤为重要。通过理论计算得出细过滤网内外预设压差值的变化范围为0.021~0.086 MPa,并对80目的自吸式自动过滤器进行了试验,结合过滤时间、过滤流量、水头损失等因素,预设压差值设为0.08 MPa时过滤效果较好。
关键词：微灌;过滤器;压差预设值;过滤与反冲洗
中图分类号：S277.9 文献标识码：A
0 引 言
我国西北干旱地区的地表水源大多为高含沙量的河流水,如果不进行沉淀和过滤,易被砂粒、黏土粒、藻类、微生物、细菌团和各种化学絮凝物等固体悬浮颗粒堵住微灌滴头,致使灌水不均匀,严重影响作物生长。因此,对灌溉水源进行泥沙分离是发展农业节水灌溉的先决条件。目前,微灌系统中常采用拦污栅、沉沙池、砂石过滤器、旋流过滤器、网式过滤器等传统设备处理水中泥沙含量,因为这些设备处理泥沙的自动化程度比较低,所以需要一种新型的、自动化程度高的过滤器来满足现在灌溉要求[1-7]。通过对具有自动控制功能的自吸式自动过滤器的试验研究,分析了过滤时间、过滤流量、水头损失等影响因素,提出了细过滤网内外压差的设定值,这对实际生产应用中具有一定的指导意义。
1 自吸式自动过滤器的工作原理
图1为自吸式自动过滤器的结构图,它由过滤器筒体、过滤金属丝网、排沙管、自动控制装置(变频器、可编程序控制器)、排污装置(电磁阀)等零部件组成。在过滤器筒体内设有一个用粗过滤网构成的一级过滤室和一个用细过滤网构成的二级过滤室,二级过滤室中装有排污装置,整个过程通过预设压差方式来保证自吸自动网式过滤器的正常过滤和反冲洗。
自吸式自动过滤器过滤原理:灌溉水源由进水口进入一级过滤室,一些较大杂质(主要是漂浮物)被粗过滤网拦截下来,然后进入二级过滤室,并通过过滤网筒的内侧向外侧过滤,水中杂质就被阻止在网筒内侧,而过滤后的水通过出水口进入主管道,到达用户地点,此时自动吸附装置不运转停止在某一初始位置,排污口也处于关闭状态。自吸式自动过滤器反冲洗原理:由于是连续过滤,水中悬浮物杂质不断地被滤网阻挡,进而使细过滤网内外压差值逐渐上升。当达到一定的预设压差值时,压差变送器发出信号,通过自动控制装置打开电磁排污阀,排污管内压力降低,在吸砂组件局部面积上与细过滤网内壁相接触部分就出现了一个相对压力低于网筒外侧水压的负压区,形成强吸引力,于是细过滤网外侧的水就通过细砂组件被吸入,将网孔间及内部表面的沙粒带出,在水力旋喷管的作用下经排污管从排污口排出。排污的驱动力是水流经水力旋喷管流出时在过滤器顶部壳体内向四周喷射形成旋流带动整个排污系统旋转,旋转过程中四个吸砂组件能吸附整个滤网内表面。随着滤网内表面泥沙的排出,滤网内外压差值将会逐渐减小,当低于预设值时,自动清洗完成,控制器关闭排污阀,同时打开出水阀,自动吸附系统停止旋转,转入正常过滤状态。
2 自吸式自动过滤器的试验方法
2.1 试验装置
试验用过滤器为石河子市金土地节水设备公司生产的自吸式自动网式过滤器。本试验使用过滤器的目数为80,二级过滤网的进水口网径D=0.69 m,高度H=0.80 m,过滤介质为金属丝网,金属丝直径d=0.103 mm,过滤设计流量在150~200 m3/h范围内变化。其试验模型装置如图2所示。
2.2 试验仪器及配套设施
本试验的仪器与配套设施见表1。
2.3 试验过程及方法
本实验选用玛纳斯河流域的河床细沙作为试验水源的“溶质”,其泥沙颗粒级配见图3。
在安装如图2所示试验结构装置后,向4 m×4 m×1.5 m的水池中注入清水,水深在1 m左右。随后向水池内加入一定量细沙(使其含沙量由小到大变化)并搅拌均匀,待系统运行后,开始观察并记录以下数据:进水口、出水口、排污口、细过滤网内腔4个压力表的示数变化;过滤时间;自清洗时间;过滤流量;进水口、出水口和排污口的含沙量。通过测出进、出口水样的含沙量(在每一次试验过程结束之后,在实验室用滤纸过滤法测出进水口、出水口和排污口水样的含沙量)可知道过滤器对泥沙的过滤效果;还可确定排污时间和含沙量两者的关系以及过滤流量与过滤时间的关系等。以上过程为过滤的一个完整周期,完成此过程后,向水中继续加入一定量的细沙,增加水中含沙量,重复上面的数据记录过程,分析泥沙过滤效果;当水中含沙量使过滤器的过滤时间极短且很快达到排污过程时,可结束此试验。
3 细过滤网内外压差值的范围计算
过滤器内部流体通过细过滤网时的流体流速与压降成线性关系,通过颗粒床层的流体流速与压强差值成正比,与床层厚度成反比。故细过滤网内部水流流速规律满足达西(Darcy公式:
结合文献可知80目过滤器出水小孔口的尺寸为a=0.216mm,净面积系数α=0.46[8]。试验中测得过滤设计流量在150~200 m3/h范围内变化,计算值取Q=180 m3/s,并测得积聚在孔口的滤饼的厚度L=0.309 mm。
4 试验结果与分析
4.1 不同进水泥沙含量的细过滤网内外压差随过滤时间的变化规律
结合过滤器的工作原理,可知过滤器的过滤时间是过滤器从开始运行到即将排污的时间间隔。如图4所示,进水口含沙量为0.1 g/L和0.2 g/L时的压降变化有所不同。在各自的过滤时间内,滤网内外压差在0.025~0.08 MPa的范围内变化。在相同的过滤时间内0.2 g/L的含沙水源压差值比0.1 g/L的含沙水源的变化要快,因在相同的过滤时间内对滤网的堵塞程度不一样,高含量泥沙水源在很短的时间会内形成一个泥沙滤层,导致细过滤网内外压差值变化较快。
4.2 过滤器的过滤时间随进水含沙量的不同对应的变化规律
在流量一定条件下,通过调节不同的进水含沙量得到了如图5所示的过滤时间与进水口含沙量的关系曲线。由图可知过滤器过滤时间的长短主要受进水含沙量的影响,进水含沙量逐渐增大,单位时间内堵塞滤网的程度变大,形成滤饼的厚度变厚,引起细过滤网内外压差值变化较快,对应的过滤时间变短,之后进行排污过程。在整个过滤过程中,细过滤网内外压差值在0.022~0.082 MPa范围内变化。
4.3 出水流量随过滤压差值的变化对应的变化规律
图6表明在一个过滤时间内,当进水口的含沙量为0.075 7 g/L时,出水口流量随细过滤网内外压差值的变化曲线。由图可知,过滤压差值在0.022~0.082 MPa范围内变化时对应的流量在195~170 m3/h范围变化,满足80目过滤器设计流量在150~200 m3/h范围内的变化要求,其中过滤器的预设压差值在0.08 MPa前后变化时出水流量在175 m3/h上下浮动,比较稳定。
4.4 过滤器的水头损失在进水含沙量一定时随过滤时间的变长对应的变化规律
如图7所示,当进水口的含沙量为0.075 7 g/L和0.086 3g/L时,过滤器的水头损失随过滤时间的变长而变大。由图可知,过滤器水头损失在过滤时间的初始阶段变化极其缓慢,之后其水头损失急剧增大。因过滤器的水头损失跟出水流量、过滤时间、含沙情况有关,所以在保证压降曲线不发生急剧上升的前提下,可根据不同水质条件,确定其自清洗时的预设压差值。实验表明,对不同的进水口泥沙含量,预设压差值设为0.08 MPa时,水头损失不会太大,自清洗效果较好。
5 结 语
本文通过理论计算得出细过滤网内外预设压差值的变化范围应为0.021~0.086 MPa,并对80目的自吸式自动过滤器进行了试验,结合过滤器的过滤时间、出水口流量、水头损失等因素,过滤器的细过滤网内外压差值应预设为0.08 MPa时。试验值与理论计算值相吻合。
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