离心筛网一体式微灌式过滤器的试验研究

　　微灌水源的水质形式较多,其中含砂水是一种常见的水质形式,例如我国北方地区广泛提取的地下水及引用的含砂河流水[1]等.作为微灌水源,这些水质如果不进行严格的净化过滤,将造成灌水器的严重堵塞,甚至可致整个微灌系统瘫痪乃至报废.过滤器是承担灌溉水源水质过滤的专用关键设备.目前,用于含砂水过滤的微灌过滤设备主要还以离心筛网组合式过滤器为主,但该型过滤器却普遍存在结构复杂、水力损失大以及价格较高等不足,在一定程度上影响了微灌技术的推广与发展.针对这一实际问题,山西省水利厅在大量调查研究的基础上于2003年适时提出了进行新的先进的离心筛网过滤器研究的科研计划,并委托运城市水科所承担这一研究任务.通过三年的试验研究,一种结构简单、性能优良、造价低廉的离心筛网一体式微灌过滤器终于研制成功.

1、组合式过滤器工作原理及存在问题
　　图1为目前广泛应用的离心筛网组合式过滤器结构示意图.其工作原理[2]:水流从离心过滤器上部进口切向进入,在水流旋转离心力的作用下分离出水中绝大部分砂粒或大于水密度的固体物质,分离出的这些砂粒或固体物质则在重力作用下沿壁面自然下落至储污罐中;清水、部分小粒径砂粒及小于水密度的杂物则在中部高压能作用下上升并通过上部出口及连接管道进入筛网过滤器进行二次过滤,经筛网二次过滤后,清水即进入灌溉供水管道.从流体特征上看,在这一运动过程中,离心过滤器内部流体呈现的是一种特殊的三维强旋转剪切湍流运动,它由两种旋转液流构成,即顺螺旋线向下运动的外旋转流和沿螺旋线向上运动的内旋转流,它们的旋转方向相同,但轴向方向相反,这主要是由于内旋流旋速(线速度)低于外旋流而压能却高于外旋流所致.从结构组成上看,该型过滤设备结构组成比较复杂,主要表现在离心、筛网过滤器及储污罐三者各自独立,而要组成一个完整的过滤系统就必须依靠管道来连接,这势必将带来连接件的增多,加之筛网过滤器分组所形成的多叉管结构,必然导致系统水力损失增大,设备的整体重量及造价也将相应提高,这是该型结构过滤器的主要不足之处.

2、一体式过滤器结构的研究思路
　　从组合式结构中离心过滤器的工作原理可以看出,外旋流主要进行水砂分离,内旋流则依靠较高的压能将清水自然送出.利用这一流体运动特征和原理,研究中采取了将筛网过滤器置于离心过滤器之中的研究思路,即设想将筛网设计成圆柱形或圆锥形结构,并使其轴线与离心过滤器的中心轴线相吻合.但是这一设计,筛网恰好占据了内旋流的位置,而水流要进入下游管道,就必须通过筛网,由于筛网占据了内旋流流场的空间,使强烈旋转的水流流场尺寸变小,亦即水流通过粘性摩擦与紊动而消耗能量的空间变小了,加之由于筛网具有一定的梳流作用,使得筛网内的水流旋转速度及压能明显下降,受水流粘滞力的影响,内旋流旋速的下降必将造成外旋流旋速的下降,而外旋流旋速的下降又将直接导致水砂分离能力的下降,这是研究中不希望出现的.为此,研究中采取了缩小进口直径来加大初始流速借以增大离心作用的方法来解决这一问题.同时,考虑到内旋流压能的降低,在结构上将原上出水结构改为了下出水结构,这样改变不仅减少了原结构中的两个90°弯管,而且大大简化了整体结构.另外,对储污室的处理也采取了与离心过滤器连为一体的结构,并将其断面予以适当扩大.这样处理,一方面可有效降低下部水流的旋速,利于砂粒的自然下沉,另一方面也相应扩大了储污室的容积,减少了管理工作量.对于其各部结构尺寸的拟定,原则上参照相同适应流量范围下原组合式结构中离心过滤器的罐体尺寸进行.其结构示意图详见图2.

3、水力及滤砂性能测试与生产考核
　3.1　水力及滤砂性能测试
　　水力及滤砂性能测试在太原理工大学水流实验大厅进行.结合生产实际,试验选择了适用于Q=80~140 m³/h流量范围段的过滤器作为研究对象.为了选出较优的结构型式,对确定的研究对象共拟定了两种不同的进口直径D100、D80(目前同流量范围段组合式过滤器对应的进出口直径为D150),两种不同的罐体高H1、H2(H1为高罐体,H2为低罐体,H1>H2),以及两种不同的筛网型式圆锥形、圆柱形,共计8组组合试验设置进行试验.试验含砂量(体积比)的选取考虑到试验工作量并参照有关规范取1/1 000.筛网则采用目前国内微灌设备中最常用的100目不锈钢筛网.
　　试验是在对比测试中进行的.首先进行的是Q=70 m³/h情况下锥形筛网与柱形筛网的对比试验,结果锥形筛网成功,柱形失败(砂粒覆满表面,整个骨架被压扁破坏),说明锥形筛网结构优于柱形,柱形被舍弃.后对同流量下D100与D80进口直径的设置进行试验,结果D100设置失败,D80成功,则D100设置被舍弃.最后则对D80进口直径下不同罐体高的两种设置进行了水力与滤砂性能的对比试验,试验结果详见表1.

　3.2、测试结果分析
　　从表中各对比数据可以看出如下特点:①流量愈大,滤砂率及水头损失亦愈大.②高罐体的滤砂率及水头损失均大于低罐体.分析结果认为:对于特点①,在相同的进口直径下,流量愈大,进入离心过滤器的初始流速愈大,其相应所产生的旋流离心作用也愈强,因而水砂分离效果也愈好.但旋流速度愈大,水流的紊动则愈强烈,水流的能量消耗也愈大,因而水力损失也愈大,这与“水头损失与流速的平方成正比”的关系是相符的.对于特点②,虽然水流进入离心过滤器的初始速度是相同的,但由于罐体高度(实际上是分离室高度)的不同,导致了其旋转流场大小的不同.对于高罐体而言,旋流分离室的轴向长度较低罐体为长,相应地其流场也大,在相同的流量工况下,水流在过滤器旋流分离室内强烈旋转运动的路径和时间都要较低罐体为长,因而高罐体过滤器的水砂旋流分离效果要较低罐体充分,其滤砂效果也就必然高于低罐体.相应地高罐体内的水流紊动能耗也必然大于低罐体,这也是高罐体水头损失大于低罐体的原因所在.但在本试验对比条件下,水头损失相差不大,这可能与两罐体高度相差值不大有关.
　　对比结果表明,虽然高罐体设置的水头损失略大于低罐体,但滤砂率却较为明显地高于低罐体,经综合分析,高罐体设置方案最终被作为本研究的最优选择.
　　滤砂率(除砂效果)是评价过滤器性能的一个主要技术指标.目前国内生产的(离心筛网)组合式过滤器中的离心过滤器的除砂效果为[3]:泥砂颗粒在60~150目时,清除效果为98% ~92%.经查阅有关资料[4]对于不锈钢丝筛网(微灌普遍要求采用不锈钢筛网),60目对应的孔(净)径为0. 303 mm, 150目对应的孔(净)径为0.109 mm.对照试验结果(详见图3)可以看出,当下限流量在75 m³/h左右时,大于0.1 mm(约对应150目孔径)粒径砂粒的除砂效果即达到了国内同类产品92%的水平,说明其适宜的下限流量较国内同类产品还略低,上限流量由于试验条件所限未能予以测试,但从其“流量—滤砂率曲线”的变化趋势分析,其适宜的上限流量应可达到140 ~150 m³/h,甚至更高.

　　水头损失是评价过滤器水力性能及运行经济性的又一重要的技术经济指标,与同类产品相比,在相同的适应流量(80~140 m³/h)范围内,本研究过滤器的水头损失相当于同类产品的32.5% ~68.6%,节能效果十分突出.

　　设备造价是衡量设备的一个重要经济指标,本研究过滤器总重不足140 kg,仅相当于国内同类产品总重的30% ~40%,且结构构造简单,保守估算,其成本造价最高也仅相当于同类产品的30% ~40%.

　3.3、生产考核
　　为检验一体式过滤器在实际生产中的应用效果,于2005年3月~6月在运城市万荣县汉薛镇南景村9号机井上进行了实地考核,通过近3个多月计405 h的运行观察,结果表明在该井1/18 500含砂水质情况下,其滤砂效果与试验室试验状况基本相符,可放心用于生产中.
4、结　语
　　一体式微灌过滤器的研制成功说明将筛网过滤器置于离心过滤器之内的结构型式是可行的,试验结果及生产考核表明,滤砂效果不但达到了国内同类产品的水平,且适应的下限流量还略较同类产品为低.同时,水力损失大大低于同类产品,成本造价仅约为同类产品的30% ~40%.另外,由于构造简单,占地少,也为管理维护带来极大方便,是一种新的先进的微灌过滤设备. 2005年10月13日,由山西省科学技术厅组织国内有关专家对该研究成果进行了技术鉴定[5],鉴定认为:该“研究成果具有广阔的推广应用前景,达到同类研究的国内领先水平”.
　　当然,该项研究只是针对适于80 ~140 m³/h流量范围段过滤器的试验研究结果,为使之形成系列化、产品化,还应对其他不同的流量范围进行试验研究.同时,对结构形式还需进行进一步深入研究,使之达到经济效果与水力效果的最佳组合.