雷建花，崔春亮，崔 瑞，賽衣旦， 楊 靜

（1.新疆水利水電科學(xué)研究院，新疆烏魯木齊830049；

2.烏魯木齊希水節(jié)水設(shè)備研究開發(fā)中心，新疆烏魯木齊830049）

1 引 言

新疆地處典型的內(nèi)陸干旱、半干旱地區(qū),氣候干燥,降雨稀少,蒸發(fā)強烈,年平均降水量147 mm,年蒸發(fā)能力2 500～2 600 mm,人均水資源量3 531 m3,總體上水資源緊缺。截至2015年底,新疆農(nóng)田灌溉面積491萬hm2,其中節(jié)水灌溉面積241萬hm2。新疆水利發(fā)展“十三五”規(guī)劃中提出,到2020年新疆農(nóng)業(yè)高效節(jié)水建設(shè)面積達到286.6萬hm2［1］。隨著節(jié)水灌溉技術(shù)的發(fā)展,具有自清洗功能的過濾器成為新疆節(jié)水灌溉系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備之一。

自清洗網(wǎng)式過濾器是目前國內(nèi)外應(yīng)用最廣泛的過濾器之一,是保證整個微灌系統(tǒng)正常運行的核心設(shè)備［2］。自清洗網(wǎng)式過濾器一般分為立式、臥式或內(nèi)濾式、外濾式；按清洗方式可分為吸污式、刷式（刮式)、反沖洗式；按清洗動力可分為水力驅(qū)動式和電機驅(qū)動式［3］。目前國內(nèi)對自清洗網(wǎng)式過濾器進行了大量的研究工作,劉煥芳等［4-6］對自清洗網(wǎng)式過濾器的水力性能進行了試驗研究,得到過濾器清水和渾水條件下的水頭損失公式、過濾時間及自清洗時間變化規(guī)律等；宗全利等［2,7-10］通過滴灌自清洗網(wǎng)式過濾器全流場數(shù)值模擬與分析,得出了過濾器最優(yōu)化的結(jié)構(gòu)尺寸,對大田滴灌自清洗網(wǎng)式過濾器的水頭損失進行了試驗研究,給出了過濾器排污壓差計算方法等；劉建華等［11-12］設(shè)計了水力驅(qū)動全自動過濾器,并分析了過濾器的結(jié)構(gòu)原理以及過濾器參數(shù)的確定；孟劍等［13］對微灌系統(tǒng)全自動反沖洗過濾器的水力驅(qū)動系統(tǒng)進行了試驗研究和設(shè)計。

傳統(tǒng)的網(wǎng)式過濾器具有結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜的優(yōu)點,但不具有自動清洗功能,濾網(wǎng)堵塞需要人工清洗,清洗不及時則易產(chǎn)生憋壓、爆網(wǎng)等事故,無法適應(yīng)目前高效節(jié)水規(guī)?；⒆詣踊陌l(fā)展方向。自清洗網(wǎng)式過濾器是在傳統(tǒng)網(wǎng)式過濾器基礎(chǔ)上研發(fā)的,由自動清洗控制系統(tǒng)通過壓差、時間設(shè)定來控制自動清洗裝置,進而實現(xiàn)自動排污。該設(shè)備具有自動化程度高、過濾和清洗效率高、清洗過程中不間斷供水的優(yōu)點。

新疆水利水電科學(xué)研究院自主研發(fā)了水力驅(qū)動自清洗網(wǎng)式過濾器,與前人研究的自清洗網(wǎng)式過濾器的不同之處有以下幾個方面：①研制出水力扭力耦合驅(qū)動裝置,較傳統(tǒng)的單力矩結(jié)構(gòu)運行更平穩(wěn),驅(qū)動壓力小,扭矩大。水力扭力耦合驅(qū)動裝置的作用是把水流自身的能量轉(zhuǎn)化成機械能來驅(qū)動排污軸的轉(zhuǎn)動。②研制出循環(huán)往復(fù)軸機械裝置,實現(xiàn)了排污軸循環(huán)往復(fù)雙向清洗,與水動活塞單向清洗相比,具有結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點,而且清洗效率提高一倍,故障率低；與排污軸無往復(fù)運動的水動過濾器相比,具有工作壓力要求低、排污用水量小的優(yōu)點。③吸污嘴結(jié)構(gòu)有創(chuàng)新性,與排污軸無往復(fù)運動的水動過濾器相比較,吸污裝置由平行旋轉(zhuǎn)掃描濾網(wǎng)表面進行面掃描改為垂直螺旋掃描濾網(wǎng)表面進行線掃描,排污力強。④該過濾器不依靠電力驅(qū)動,適用于沒有電力供應(yīng)的自壓滴灌系統(tǒng)首部水處理系統(tǒng)。

2 自主研發(fā)水力驅(qū)動自清洗網(wǎng)式過濾器的結(jié)構(gòu)和工作原理

自主研發(fā)的水力驅(qū)動自清洗網(wǎng)式過濾器采用吸污式和水力扭力耦合驅(qū)動反沖洗相結(jié)合,在排污結(jié)構(gòu)上有很大的創(chuàng)新。該過濾器為臥式結(jié)構(gòu),不銹鋼過濾罐安裝在水平供水管上,通過進水管、出水管連接不銹鋼過濾罐,在進、出水管之間的供水管上安裝檢修閥,不銹鋼過濾罐內(nèi)分隔成粗過濾腔、細過濾腔和排污腔,進水管連接粗過濾腔,出水管連接細過濾腔,在不銹鋼過濾罐內(nèi)安裝傳動軸,在粗過濾腔的傳動軸上設(shè)置往復(fù)傳動裝置,位于細過濾腔內(nèi)的傳動軸上設(shè)置吸污嘴,在排污腔的傳動軸上設(shè)置水力扭力驅(qū)動桿,排污腔的排污口連接排污電磁閥（見圖1)。

圖1 水力驅(qū)動自清洗網(wǎng)式過濾器裝配示意

水力驅(qū)動自清洗網(wǎng)式過濾器工作原理如下：過濾時,渾水由進水口進入粗過濾腔,通過5目粗濾網(wǎng)初步過濾掉一些粗顆粒泥沙和大顆粒雜物后,水流由粗過濾腔流入細過濾腔；然后水流經(jīng)過細過濾網(wǎng)（本次試驗用100目濾網(wǎng)),水流中的雜質(zhì)截留在細過濾網(wǎng)表面,過濾干凈的水由出水口進入供水管道。細過濾網(wǎng)表面的污物聚集到一定程度,進水口和出水口之間的壓差會增大,當(dāng)壓差達到過濾器控制器設(shè)定的壓差值時,過濾器控制器就會發(fā)出清洗指令,打開排污口處的電磁閥。排污腔內(nèi)的污水從吸污嘴進入排污軸,從排污嘴處高速流入水力扭力腔內(nèi),污水經(jīng)過排污電磁閥排出。水力扭力裝置在水流的噴射作用下形成一對大小相等、方向相反的力矩,推動排污軸旋轉(zhuǎn)。排污軸的另一端設(shè)置循環(huán)往復(fù)軸,循環(huán)往復(fù)軸在固定滑塊的導(dǎo)向作用下帶動排污軸作左右螺旋往復(fù)運動。排污軸轉(zhuǎn)動后帶動吸污嘴沿圓柱體濾網(wǎng)面作螺旋往復(fù)運動,吸污嘴與細過濾網(wǎng)之間產(chǎn)生很大的吸力,將細濾網(wǎng)表面附著的有機質(zhì)、泥沙顆粒等雜質(zhì)清理干凈。濾網(wǎng)清洗干凈后,內(nèi)外壓差就降低了,于是控制器關(guān)閉排污電磁閥,不再排出污水,過濾器恢復(fù)到正常工作狀態(tài)。過濾器在清洗過程中,可實現(xiàn)不間斷地過濾和供水。

過濾器的外殼材料采用304不銹鋼,質(zhì)量輕,強度高,耐腐蝕,使用壽命長,檢修方便。粗濾網(wǎng)采用316L不銹鋼鋼板一次沖壓成形,濾網(wǎng)內(nèi)壁光滑。細濾網(wǎng)有兩層濾網(wǎng)復(fù)合而成,外骨架采用316L不銹鋼鋼板一次沖壓成形,高壓工作時不易變形,濾網(wǎng)整體同心度較好,精密不銹鋼濾網(wǎng)黏接固定在骨架內(nèi)表面上,從結(jié)構(gòu)上保證濾網(wǎng)有效過濾面積大、具有抗變形剛度和強度大。吸污嘴采用工程塑料材質(zhì),表面光滑不易滯留雜物,質(zhì)量輕,旋轉(zhuǎn)靈活；空心軸采用316L不銹鋼管精密加工,同心度好。過濾器為臥式安裝,結(jié)構(gòu)輕便緊湊,占地少,安裝維護方便。

水力驅(qū)動自清洗網(wǎng)式過濾器控制器工作原理：自動清洗控制器事先設(shè)定好自動清洗程序,控制啟動反沖洗周期可通過3種方式實現(xiàn),一是壓差,即過濾器進出口壓差達到預(yù)先設(shè)定的壓差值；二是時間,根據(jù)水質(zhì)情況,規(guī)定在一定時間后打開電磁閥；三是手動觸發(fā),通過手動開啟（利用控制器的手動清洗功能)。

自主研發(fā)的4種型號水力驅(qū)動自清洗網(wǎng)式過濾器常用參數(shù)見表1。

表1 4種型號水力驅(qū)動自清洗網(wǎng)式過濾器的常用參數(shù)

3 自主研發(fā)水力驅(qū)動自清洗網(wǎng)式過濾器的水力性能

3.1 試驗方案

本試驗是在新疆水利水電科學(xué)研究院節(jié)水中心大流量過濾器水力性能測試平臺上完成的,測試裝置主要包括蓄水池、水力性能測試平臺、進水口壓力表、出水口壓力表、水力驅(qū)動自清洗網(wǎng)式過濾器（4種型號),過濾網(wǎng)目數(shù)為100目。圖2為本次試驗裝置布局示意。

圖2 水力驅(qū)動自清洗網(wǎng)式過濾器試驗裝置布局

3.2 靜水耐壓試驗設(shè)計

依據(jù)《灌溉用過濾器基本參數(shù)及技術(shù)條件》（SL 470—2010)中常溫下的靜水耐壓性能試驗方法,對水力驅(qū)動自清洗網(wǎng)式過濾器進行檢測試驗。試驗前,在排污閥進口施加0.75倍額定工作壓力（水力驅(qū)動自清洗網(wǎng)式過濾器額定工作壓力為0.8 MPa),開啟、關(guān)閉排污閥100次。之后關(guān)閉出口閥,在過濾器進口加壓,向過濾器充水并排氣。過濾器充滿水后,逐步加壓到額定壓力的1.5倍,即1.2 MPa,保壓5 min,過濾器應(yīng)無損壞及永久性變形,過濾器殼體、過濾器殼蓋、過濾器殼蓋密封圈、排污閥和過濾器連接處應(yīng)無泄漏［7］。針對自主研發(fā)的100臺水力驅(qū)動自清洗網(wǎng)式過濾器,完成靜水耐壓試驗。從額定工作壓力0.8 MPa的0.75倍至1.5倍壓力范圍內(nèi)（0.6～1.2 MPa),每打壓1次后,停止供壓,從排污閥排水,打開殼體,檢查記錄過濾器各部件有無永久變形,檢查過濾器連接部分是否漏水,并記錄無雜質(zhì)狀態(tài)下兩壓力表壓差試樣連接處有無漏水現(xiàn)象。

3.3 過流能力試驗設(shè)計

每種型號的過濾裝置選取5臺,共計20臺檢測樣機,根據(jù)同類型號的檢測結(jié)果計算均值,判斷清水過濾流量Q和水頭損失Δh之間的關(guān)系。試驗中采用自來水,安裝過濾器后,進、出水口各裝一個壓力表,反復(fù)檢查安裝安全性,確保無誤后開泵,調(diào)節(jié)出水口碟閥開度,在0.2倍～1.2倍最大工作流量范圍內(nèi),分10個流量檔,待儀表穩(wěn)定工作5 min后,同時記錄流量和對應(yīng)的進、出水口壓力值,并由此獲得過濾器清潔壓降。清潔壓降為3 m時,XS-8GWZ-V4200/6過濾器最大流量為150 m3/h,XS-8GWZ-V5600/8過濾器最大流量為206 m3/h,XS-8GWZ-V7000/8過濾器最大流量為251 m3/h,XS-8GWZ-V8400/10過濾器最大流量為301 m3/h。

3.4 試驗結(jié)果與分析

通過靜水耐壓試驗可知,在額定工作壓力0.8 MPa的0.75倍至1.5倍壓力范圍內(nèi)（0.6～1.2 MPa),過濾器殼體、橡膠密封墊完好無變形、無損壞,靜水耐壓性能達標。

通過控制進、出水口的閥門來測量不同流量下過濾器的清水水頭損失,繪制不同流量下4種型號的過濾器清潔壓降曲線,并擬合出水頭損失經(jīng)驗公式（見圖4)。過濾器的清潔壓降曲線可為用戶選型提供技術(shù)參考。

圖4 水力驅(qū)動自清洗網(wǎng)式過濾器清潔壓降曲線

由圖4可知,當(dāng)進水流量較小時,過濾器初始水頭損失變化比較緩慢,小于0.015 MPa；當(dāng)流量增大到0.9倍額定流量時,水頭損失開始逐步增大,此時細過濾網(wǎng)內(nèi)外壓差增大；當(dāng)流量達到額定流量時,水頭損失達到0.030 MPa；當(dāng)流量進一步加大到1.2倍額定流量時,水頭損失持續(xù)增加,達到0.054 MPa。可以看出,不同流量下4種型號的過濾器過流能力強,為了延長過濾器使用壽命,建議進水流量控制在額定流量附近,這樣可以在保證水頭損失不至過大的同時,降低被濾網(wǎng)截留的泥沙顆粒擠過濾網(wǎng)、堵塞微灌系統(tǒng)灌水器的概率。

4 結(jié) 語

自主研發(fā)的水力驅(qū)動自清洗網(wǎng)式過濾器基于吸污式和反沖洗相結(jié)合,結(jié)構(gòu)上全面創(chuàng)新,研制了水力扭力耦合驅(qū)動裝置和循環(huán)往復(fù)軸機械裝置,實現(xiàn)了無活塞往復(fù)螺旋掃描排污,正常工作時不需要電力驅(qū)動,真正做到了節(jié)能、環(huán)保。根據(jù)相關(guān)技術(shù)標準,通過水力性能檢測試驗可知,自主研發(fā)的水力驅(qū)動自清洗網(wǎng)式過濾器的靜水耐壓性能達標；過流能力試驗結(jié)果表明,清水過濾流量和壓力之間存在較好的正回歸關(guān)系,水頭損失小。自主研發(fā)的4種型號水力驅(qū)動自清洗網(wǎng)式過濾器清潔壓降小、結(jié)構(gòu)堅固、使用壽命長,隨著灌溉自動化、智能化的發(fā)展,勢必在新疆地區(qū)有很大的發(fā)展空間和應(yīng)用前景。