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      節(jié)能保質(zhì)的卷盤式噴灌機(jī)雙噴槍技術(shù)

      2023-01-02 12:53:24劉一川張銳朱德蘭葛茂生高飛趙海青
      關(guān)鍵詞:幅寬盤式噴槍

      劉一川,張銳,朱德蘭*,葛茂生,高飛,趙海青

      (1. 西北農(nóng)林科技大學(xué)中國(guó)旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院,陜西 楊凌 712100; 2. 西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院,陜西 楊凌 712100)

      卷盤式噴灌機(jī)是農(nóng)業(yè)灌溉中應(yīng)用較為普遍的一種噴灌設(shè)備,具有自動(dòng)化程度高、普適性強(qiáng)、節(jié)約勞動(dòng)成本等優(yōu)點(diǎn)[1].該類機(jī)組普遍配備單個(gè)大流量噴槍,為保證噴灑幅寬,單噴槍所需工作壓力往往較高,加之噴灌機(jī)正常工作所需的驅(qū)動(dòng)能耗以及軟管水力損失、水渦輪能量損失,使得入機(jī)壓力往往超過(guò)0.6 MPa,有時(shí)甚至高達(dá)0.8 MPa.為滿足機(jī)組運(yùn)行所需高壓,勢(shì)必造成噴灌機(jī)高運(yùn)行能耗的問(wèn)題[2-3],導(dǎo)致噴灌機(jī)運(yùn)行所產(chǎn)生的電費(fèi)往往高于人工費(fèi).因此,卷盤式噴灌機(jī)高能耗、高運(yùn)行費(fèi)用已經(jīng)成為制約其推廣應(yīng)用的主要因素.

      針對(duì)卷盤式噴灌機(jī)高能耗的問(wèn)題,眾多研究人員從水渦輪結(jié)構(gòu)、軟管阻力、牽引裝備、能源配備、噴槍性能等方面開展了大量研究.黎耀軍等[4]對(duì)噴灌機(jī)水渦輪內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),優(yōu)化后水渦輪的進(jìn)出口水頭差降低20%~30%,效率提高了12%~17%.李振等[5]對(duì)噴灌機(jī)軟管阻力損失進(jìn)行研究,結(jié)果表明軟管阻力與軟管類型、曲率以及管內(nèi)流速有很大關(guān)系.李丹等[6]提出使用油光互補(bǔ)供電的噴灌機(jī)牽引裝置,以降低牽引噴灌機(jī)行走產(chǎn)生的能耗.劉柯楠[7]提出使用太陽(yáng)能代替水力驅(qū)動(dòng)噴灌機(jī)運(yùn)行,從而實(shí)現(xiàn)降低噴灌機(jī)工作壓力和運(yùn)行能耗的目的.此外,對(duì)于噴灌機(jī)所配備的噴槍耗能,也是造成卷盤式噴灌機(jī)高能耗的重要因素.GE等[8-10]理論分析了卷盤式噴灌機(jī)組的能耗,提出在不犧牲機(jī)組灌水質(zhì)量的前提下適當(dāng)減小噴頭的工作壓力是降低卷盤式噴灌機(jī)組整體能耗的有效途徑.綜上所述,前人針對(duì)如何降低卷盤式噴灌機(jī)能耗的問(wèn)題進(jìn)行了大量研究,通過(guò)降低噴槍工作壓力可有效降低能耗,但因噴槍工作壓力降低導(dǎo)致噴灑范圍減小的問(wèn)題尚未很好解決.

      在降低卷盤式噴灌機(jī)噴槍運(yùn)行工作壓力的同時(shí),為保證噴槍噴灑范圍,劉一川等[11]提出使用雙噴槍結(jié)構(gòu)代替單噴槍進(jìn)行噴灑作業(yè),低壓時(shí)通過(guò)雙噴槍噴灑區(qū)域相互組合,彌補(bǔ)噴槍射程的損失,并對(duì)雙噴槍支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析,提出一種12 m桁架式懸臂梁支撐結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)性能穩(wěn)定,可搭載雙噴槍穩(wěn)定運(yùn)行.趙海青等[12]在低壓條件下使用2個(gè)HY50葉輪式噴槍作為雙噴槍噴灑,結(jié)果表明,使用雙噴槍噴灑,可以在保證噴灑質(zhì)量的前提下,有效降低噴槍工作壓力.但采用雙噴槍形式進(jìn)行噴灑,勢(shì)必會(huì)增加噴槍的初始投資,使用雙噴槍噴灑的經(jīng)濟(jì)性有待研究.

      文中提出卷盤式噴灌機(jī)在低壓情況下搭載雙噴槍進(jìn)行灌溉,研究低壓時(shí)雙噴槍噴灑水力性能,在保證噴灑質(zhì)量的基礎(chǔ)上確定雙噴槍工作參數(shù),并進(jìn)行經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià),以期為降低卷盤式噴灌機(jī)能源消耗、提高生產(chǎn)效率提供一定理論和實(shí)踐參考.

      1 材料與方法

      1.1 試驗(yàn)裝置

      試驗(yàn)選用HY50葉輪式噴槍和50PYC垂直搖臂式噴槍.如圖1a所示,HY50噴槍由噴管、旋轉(zhuǎn)密封裝置、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和換向機(jī)構(gòu)等組成,采用蝸輪蝸桿式傳動(dòng),通過(guò)水流作用到葉輪的不同位置,實(shí)現(xiàn)正、反向的連續(xù)噴灑方式,其進(jìn)口公稱直徑為50 mm,噴射仰角為23°.如圖1b所示,50PYC噴槍工作原理:噴嘴射出的高速水流沖擊噴槍導(dǎo)流器左側(cè),噴頭利用射流對(duì)導(dǎo)流器的反作用力做全圓或扇形旋轉(zhuǎn),其進(jìn)口公稱直徑為50 mm,噴射仰角為24°.

      圖1 噴槍實(shí)物圖

      文中自行研制了12 m組合的低壓雙噴槍支撐結(jié)構(gòu)[11],搭載噴嘴直徑為18 mm的HY50葉輪式噴槍,在0.10 MPa工作壓力下進(jìn)行移動(dòng)噴灑水力性能試驗(yàn).低壓雙噴槍結(jié)構(gòu)如圖2所示.

      圖2 低壓雙噴槍實(shí)物圖

      在西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行噴槍移動(dòng)水量分布測(cè)定試驗(yàn),場(chǎng)地平整,最大坡度小于1%;室外風(fēng)速小于2 m/s,滿足規(guī)范GB/T 19797—2012[13]要求.試驗(yàn)裝置主要包括:水源、水泵、輸水管道、流量計(jì)、壓力傳感器、測(cè)試噴頭、雨量筒、計(jì)時(shí)器.

      試驗(yàn)布置如圖3所示,噴槍搭載在JP75-300型卷盤式噴灌機(jī)上,通過(guò)PE軟管與卷盤連接,壓力表安裝在噴槍支撐管下0.1 m處,通過(guò)0.4級(jí)精密壓力傳感器控制;卷盤與供水栓由DN50口徑的PVC管連接,EMF5000型電磁流量計(jì)(量程 3.5~50.0 m3/h)安裝在噴灌機(jī)進(jìn)口處,用以測(cè)量管道流量.

      圖3 噴槍移動(dòng)水量分布測(cè)定試驗(yàn)裝置圖

      1.2 測(cè)試方法

      噴槍水量分布測(cè)試試驗(yàn)參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19797—2012.設(shè)置機(jī)行速度為20 m/h,噴槍安裝高度1.65 m,調(diào)節(jié)噴槍輻射角為180°,噴嘴直徑為18 mm,HY50葉輪式噴槍與50PYC垂直搖臂式噴槍工作壓力H分別為0.05,0.10,0.15,0.20和0.25 MPa.低壓雙噴槍工作壓力0.10 MPa.牽引噴頭車至試驗(yàn)場(chǎng)東端,垂直于噴灌機(jī)行走方向,在噴灑域右側(cè),從距機(jī)行道1 m開始,呈網(wǎng)格狀平行布置3排雨量筒,相鄰雨量筒間隔為2 m,試驗(yàn)所用的雨量筒開口直徑為20 cm.

      某一測(cè)點(diǎn)的噴灌水深由3排距離機(jī)行道相同距離的雨量筒測(cè)定水深均值表示;雨量筒測(cè)定水深由稱重法測(cè)量雨量桶內(nèi)噴灑水的重量,除以雨量桶的橫截面面積計(jì)算求得;該測(cè)點(diǎn)降雨強(qiáng)度由該測(cè)點(diǎn)水深除以噴灑時(shí)間求得;噴灑射程取雨量筒收集的水量為0.15 mm/h測(cè)點(diǎn)處到噴頭中心的距離.

      2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

      2.1 50PYC與HY50噴槍移動(dòng)噴灌強(qiáng)度分布

      圖4為卷盤式噴灌機(jī)以20 m/h的行走速度,分別搭載HY50噴槍與50PYC噴槍在不同壓力下的移動(dòng)噴灌強(qiáng)度.圖中I為噴灌強(qiáng)度;s為距噴槍距離.

      圖4 2種噴槍在不同壓力下的移動(dòng)噴灌強(qiáng)度分布

      由圖4a可以看出:HY50噴槍在0.05 MPa工作壓力時(shí)可正常工作;當(dāng)工作壓力大于0.10 MPa時(shí),噴灌強(qiáng)度分布逐漸趨向“三角形”分布,有利于組合噴灑,各測(cè)點(diǎn)噴灌強(qiáng)度峰值和平均值也相對(duì)穩(wěn)定.這是由于HY50葉輪式噴槍特有的射流粉碎結(jié)構(gòu)以及副噴嘴處葉輪的蝸輪蝸桿傳動(dòng)方式,造成HY50噴槍在0.05~0.25 MPa工作壓力時(shí)均可正常工作,大部分水流經(jīng)噴嘴后被前端分水針?lè)稚ⅲ〔糠炙鹘?jīng)副噴嘴處葉輪作用灑落在近噴槍處,起到改善水量分布均勻性的作用.而試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),50PYC噴槍在工作壓力為0.05 MPa時(shí)因粉碎機(jī)構(gòu)受力不足而無(wú)法工作,在壓力為0.10和0.15 MPa時(shí)會(huì)產(chǎn)生水量集中且破碎不充分的問(wèn)題.由圖4可知,當(dāng)工作壓力分別為0.10,0.15,0.20和0.25 MPa時(shí),HY50噴頭的最大噴灌強(qiáng)度分別為19.87,22.87,19.77和21.70 mm/h;50PYC噴頭最大噴灌強(qiáng)度分別為26.49,33.91,25.63和24.97 mm/h,4種壓力下HY50噴槍的最大噴灌強(qiáng)度均小于50PYC噴槍,因此在較低壓力下可以考慮使用HY50噴槍進(jìn)行灌溉作業(yè).

      2.2 單雙噴槍組合移動(dòng)水量分布及噴灑均勻度

      根據(jù)上述分析,在低壓時(shí)可選取HY50葉輪式噴槍作為雙噴槍進(jìn)行組合噴灑,基于此,文中選取工作壓力為0.25 MPa的單噴槍與工作壓力為0.10 MPa的雙噴槍,對(duì)比分析2種噴槍的組合水量分布及噴灑均勻度.表1為2種噴槍實(shí)測(cè)噴灑性能對(duì)比表,表中a為噴頭車噴灑半徑;2a為噴灑幅寬;H為工作壓力;q為噴槍流量;Ia為平均噴灌強(qiáng)度;Imax為峰值噴灌強(qiáng)度.

      表1 單噴槍與雙噴槍實(shí)測(cè)噴灑性能對(duì)比

      由表1可以看出,雙噴槍噴灑幅寬為45.08 m,單噴槍噴灑幅寬為45.60 m,兩者的噴灑幅寬近似相等,雙噴槍噴灑流量比單噴槍大4.55 m3/h,二者相對(duì)差值為18.48%;雙噴槍平均噴灌強(qiáng)度比單噴槍大1.14 mm/h,二者相對(duì)差值為5.02%;雙噴槍峰值噴灌強(qiáng)度比單噴槍大4.45 mm/h,二者相對(duì)差值為12.65%.運(yùn)用疊加法對(duì)搭載2種不同噴槍的噴頭車在不同組合間距下的水量分布及噴灑均勻度進(jìn)行分析.雙噴槍與單噴槍組合噴灑工作示意圖如圖5所示.

      圖5 2種噴槍輪灌組合噴灑示意圖

      如圖5a所示,L1為雙噴槍組合間距,L2為噴頭車的噴灑半徑,R1為雙噴槍中單個(gè)噴槍的射程,則2L2為噴頭車的噴灑幅寬,噴灑幅寬為2R1+L1;如圖5b所示,R2為單噴槍的射程,噴頭車的噴灑半徑L2與單個(gè)噴槍的射程R2相等,其噴灑幅寬2L2為2R2.卷盤式噴灌機(jī)在進(jìn)行噴灑作業(yè)時(shí),在一次噴灑作業(yè)結(jié)束后,會(huì)在臨近上一次作業(yè)區(qū)域旁進(jìn)行下一次噴灑.為保證灌水質(zhì)量,下一次噴灑域會(huì)與前面的噴灑域部分重疊.這種噴灑方式稱為輪灌組合噴灑.相鄰兩噴車間距稱為噴頭車輪灌組合間距,如圖5a和圖5b所示的L3.

      文中通過(guò)對(duì)2種噴槍實(shí)測(cè)移動(dòng)噴灑水量分布疊加組合,模擬輪灌組合下的水量分布并計(jì)算組合均勻度,噴頭車輪灌組合間距L3分別以噴頭車噴灑半徑L2的1.1,1.3,1.5倍進(jìn)行噴灑作業(yè),由于噴槍噴灑域的對(duì)稱性,其組合噴灑移動(dòng)水量分布可用兩車間水量分布表示,水量分布如圖6所示.圖中d為灌水深度;B為組合間距.

      圖6 組合噴灑移動(dòng)水量分布

      由圖6可以看出,雙噴槍分別以1.1L2,1.3L2,1.5L2組合間距灌溉時(shí),最大灌水深度分別為49.83,43.41和37.17 mm,單噴槍的最大灌水深度分別為53.95,53.12和45.85 mm;相同組合間距下,雙噴槍的最大灌水深度均小于單噴槍.在組合間距為1.3L2時(shí)雙噴槍水量分布最為平緩.噴灌機(jī)勻速前進(jìn),降水深度在沿噴灌機(jī)前進(jìn)方向上是近似的.因而機(jī)組組合噴灑均勻度可用線噴灑均勻度表示,可根據(jù)組合噴灑移動(dòng)水量分布計(jì)算均勻系數(shù)Cu(%),計(jì)算公式可表示為

      (1)

      (2)

      由公式計(jì)算2種噴槍分別以1.1L2,1.3L2,1.5L2輪灌組合間距進(jìn)行噴灑作業(yè)時(shí),雙噴槍的組合噴灑均勻度分別為86.29%,94.11%,81.72%,單噴槍分別為72.39%,69.77%,80.36%.當(dāng)組合間距L3取為1.5L2時(shí),單噴槍與雙噴槍組合均勻度相近,且滿足80%噴灌均勻度的要求.基于此,下面選取1.5L2的組合間距,對(duì)2種噴槍年費(fèi)用進(jìn)行比較.

      2.3 年費(fèi)用分析

      采用雙噴槍噴灑方式可在保證灌溉質(zhì)量的基礎(chǔ)上,降低噴槍工作壓力、增大灌溉流量,從而有效降低機(jī)組能耗及運(yùn)行費(fèi)用,但雙噴槍的使用勢(shì)必會(huì)引起初始投資的增加,為提高雙噴槍的推廣應(yīng)用價(jià)值,文中針對(duì)2種噴槍費(fèi)用的差異,對(duì)雙噴槍的經(jīng)濟(jì)可行性進(jìn)行評(píng)價(jià).

      以陜西省關(guān)中地區(qū)的灌溉作業(yè)為例,該地區(qū)屬西北資源型缺水地區(qū),土壤類型為塿土,以玉米為主要糧食作物.現(xiàn)采用卷盤式噴灌機(jī)為某農(nóng)場(chǎng)的玉米進(jìn)行補(bǔ)充灌溉,2種噴槍分別以上述工況在相同環(huán)境下作業(yè),玉米種植面積為20 hm2,該作物灌溉定額[14]取為3 500 m3/hm2.2種噴槍以1.5L2組合間距噴灑,采用等效年值法[15]對(duì)2種噴槍每公頃土地的年費(fèi)用進(jìn)行比較,年費(fèi)用的組成包括考慮折舊與年利率的噴槍初始總投資以及能耗費(fèi).每公頃土地噴槍工作所消耗的能耗計(jì)算式為

      (3)

      式中:E為噴槍在每公頃土地所消耗的能耗,kW·h/hm2;γ為水的容重,9.8 kN/m3;H為噴槍工作壓力,m;M為灌溉定額,m3/hm2;η為有效水利用系數(shù),噴灌時(shí)取為0.7.

      噴槍的每公頃土地年費(fèi)用計(jì)算式為

      (4)

      式中:CT為每公頃土地年費(fèi)用,元/hm2;CI為噴槍每年的初始投資,元;S為灌溉面積,hm2;Cel為電費(fèi),取0.57元/kW·h.

      噴槍每年的初始投資可表示為

      CI=CRF(CgunN+CpipeL1)(1+k),

      (5)

      其中

      (6)

      式中:CRF為資金回收因子;r為年利率,取5%;n′為噴槍工作年限,取10 a;Cgun為噴槍購(gòu)置費(fèi),2種噴槍單價(jià)均取為2 000元/個(gè);N為噴槍數(shù)量,個(gè);Cpipe為雙噴槍支撐管單位長(zhǎng)度價(jià)格(對(duì)于單噴槍無(wú)此項(xiàng)花費(fèi)),取為20元/m;L1=12 m;k為噴槍管理維護(hù)費(fèi)用系數(shù),取2%.

      單噴槍與雙噴槍費(fèi)用比較見表2,表中Ce為能耗費(fèi);ε為誤差.

      表2 單噴槍、雙噴槍費(fèi)用比較

      由表2可以看出,當(dāng)雙噴槍與單噴槍的機(jī)組噴灑幅寬、噴灑均勻度相差不大時(shí),即雙噴槍工作壓力為0.10 MPa、單噴槍工作壓力為0.25 MPa,兩者能耗分別為136.11, 340.28 kW·h/ hm2,對(duì)比單噴槍,雙噴槍工作壓力減小0.15 MPa,故其為噴灑水加壓的能耗降低了60.00%.同時(shí)對(duì)2種噴槍的初始投資、能耗費(fèi)和年運(yùn)行費(fèi)等進(jìn)行計(jì)算比較發(fā)現(xiàn),雖然使用雙噴槍會(huì)造成初始投資的增加,但其能耗費(fèi)減小了60.00%,年運(yùn)行費(fèi)減小了49.23%,綜上,在保證灌溉質(zhì)量的基礎(chǔ)上,雙噴槍更加低耗、經(jīng)濟(jì).

      3 討 論

      提出使用2個(gè)HY50葉輪式噴槍組成雙噴槍進(jìn)行灌溉并通過(guò)噴灑域相互疊加補(bǔ)充的方法,解決了因噴槍壓力減小而導(dǎo)致的噴灑面積變小的問(wèn)題.實(shí)際工作中,雙噴槍在0.10 MPa工作壓力下即可實(shí)現(xiàn)50PYC單噴槍在0.25 MPa工作壓力下相同的噴灑效果,噴灑幅寬、流量、平均噴灌強(qiáng)度和噴灑均勻度等指標(biāo)未發(fā)生明顯變化,這充分表明文中采用雙噴槍代替?zhèn)鹘y(tǒng)單噴槍噴灑不僅有效降低噴灑工作壓力,也充分保證了灌水質(zhì)量,起到了十分明顯的“節(jié)能保質(zhì)”作用.

      基于本試驗(yàn)的實(shí)際工況,卷盤式噴灌機(jī)搭載單噴槍以0.25 MPa工作壓力進(jìn)行噴灌時(shí),由于噴灌機(jī)的水渦輪能量損失以及軟管水力損失等,常常會(huì)使噴灌機(jī)的進(jìn)口壓力接近0.60 MPa,高壓力對(duì)輸水管道的承壓等級(jí)要求更高,而灌溉管道中的壓力級(jí)別往往低于0.63 MPa,因此,噴灌機(jī)要求的高壓常常引起爆管.需要指出的是,雙噴槍在保證噴灑質(zhì)量的基礎(chǔ)上,降低0.15 MPa工作壓力,可使噴灌機(jī)進(jìn)口壓力降到0.45 MPa以下,有效防止灌溉管道爆管,使管道運(yùn)行更加安全.

      4 結(jié) 論

      對(duì)比分析噴槍間距為12 m的HY50雙噴槍與50PYC垂直搖臂式單噴槍的工作性能、能耗和費(fèi)用,得到以下結(jié)論:

      1) 雙噴槍分別以1.1L2,1.3L2,1.5L2輪灌組合間距進(jìn)行噴灑作業(yè)時(shí),其組合噴灑均勻度分別為86.29%,94.11%,81.72%,單噴槍分別為72.39%,69.77%,80.36%.雙噴槍組合均勻度均大于單噴槍,且滿足噴灌均勻度要求.

      2) 雙、單噴槍分別以0.10和0.25 MPa工作壓力、1.5L2輪灌組合間距噴灑作業(yè)時(shí),其組合噴灑幅寬、噴灑均勻度基本相等,此時(shí),雙噴槍噴灑流量相比單噴槍增加22.67%,能耗降低60.00%.因此使用雙噴槍噴灑可在保證噴灌質(zhì)量的同時(shí),適當(dāng)增加噴灑流量,降低能耗.

      3) 上述工況下雙噴槍的初始投資、能耗費(fèi)和年運(yùn)行費(fèi)分別為27.45,77.58和105.04元/ hm2,單噴槍分別為12.95,193.96和206.91元/ hm2,盡管初始投資略有增加,但能耗費(fèi)和年運(yùn)行費(fèi)較單噴槍分別減小了60.00%和49.23%,具有良好的推廣應(yīng)用價(jià)值.

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