灌溉閥在應(yīng)用中存在的問題及優(yōu)化設(shè)計

袁穎華，顧曉峰，孫穎奇，魏韶輝，苑寶玉，華 濤

(1.南瑞集團公司(國網(wǎng)電力科學(xué)研究院)，南京 211000；2.江蘇省太湖水利規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，江蘇 蘇州 215128)

目前我國水資源短缺與水資源浪費并存的現(xiàn)象十分嚴(yán)重，特別是農(nóng)業(yè)用水，由于灌溉方式的不合理，造成了水資源浪費嚴(yán)重、灌溉水利用率低下，加劇了水資源短缺的現(xiàn)狀，為了實現(xiàn)水資源的科學(xué)管理，緩解資源供需矛盾，具有節(jié)水、高效的自動化精準(zhǔn)灌溉系統(tǒng)，如滴灌系統(tǒng)、微灌系統(tǒng)、噴灌系統(tǒng)以及滲灌系統(tǒng)等，得到了非常廣泛的應(yīng)用[1,2]。在這類灌溉系統(tǒng)中，灌溉水通過輸配水管網(wǎng)直接輸送至農(nóng)作物處，最大限度地降低了灌溉水在輸送過程中的損耗，實現(xiàn)了對灌溉用水的精確定量控制，顯著提高了灌溉效率，是現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù)的一個重要發(fā)展方向[3]。

灌溉閥作為自動化精準(zhǔn)灌溉系統(tǒng)的主要控制設(shè)備，對整個灌溉系統(tǒng)的準(zhǔn)確、可靠運行起到了關(guān)鍵作用。國外的灌溉閥產(chǎn)品經(jīng)過多年的發(fā)展已逐步趨于成熟系列化，占據(jù)了國內(nèi)市場很高份額，但由于受到國內(nèi)灌區(qū)特殊自然氣候土地資源農(nóng)業(yè)經(jīng)濟狀況等因素，灌溉閥工作不穩(wěn)定，不能很好地適用于國內(nèi)灌區(qū)的灌溉系統(tǒng)中，導(dǎo)致自動化精準(zhǔn)灌溉無法大面積推廣。國內(nèi)同類產(chǎn)品在實際工程使用中也同樣存在運行不可靠的問題。本文通過對目前灌區(qū)灌溉系統(tǒng)中灌溉閥存在問題的分析與研究，提出了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方案，解決了現(xiàn)有產(chǎn)品的相關(guān)缺點，實現(xiàn)了產(chǎn)品的可靠運行。

1 灌溉閥現(xiàn)存問題分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

灌溉閥是自動化灌溉系統(tǒng)的終端設(shè)備，直接控制著輸配水管網(wǎng)的通斷以及調(diào)節(jié)灌溉水的壓力、流量。根據(jù)市場調(diào)研及新疆地區(qū)一些灌區(qū)自動化工程運行反饋情況可知，目前在灌溉系統(tǒng)中應(yīng)用的灌溉閥主要存在低壓無法開啟、電磁頭工作不穩(wěn)定及無法及時反饋閥門工作狀態(tài)這3個問題，本節(jié)通過對這3個問題的原因進行分析與研究，并以此理論分析為依據(jù)，對灌溉閥的結(jié)構(gòu)進行了相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計，從而解決了現(xiàn)有產(chǎn)品的相關(guān)缺點。

1.1 灌溉閥低壓無法開啟問題

常用的灌溉閥主要是隔膜閥，其需要管線壓力滿足一定開啟壓力才能完成閥門開啟動作。采用管道系統(tǒng)模擬軟件對某一智能化棉花膜下滴灌系統(tǒng)進行建模及分析計算后發(fā)現(xiàn)，靠近于總干渠的灌溉閥工作正常，而遠離總干渠的灌溉閥卻逐漸發(fā)生故障，直至徹底失靈，如圖1所示。而造成這一問題的原因主要是不合理的管網(wǎng)設(shè)計和不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)妮喒嘀贫?，使得距離較遠RTU節(jié)點的水力特性經(jīng)過輸水管網(wǎng)損失后，無法滿足灌溉閥的運行要求。因此灌溉閥需要具有良好的低壓開啟性能，才能在管網(wǎng)壓力較低時實現(xiàn)穩(wěn)定工作。

圖1 智能化棉花膜下滴灌系統(tǒng)田間布設(shè)結(jié)構(gòu)示意圖

為了滿足低壓開啟的性能要求，首先想到從閥門結(jié)構(gòu)入手，通過對多種控制閥結(jié)構(gòu)進行對比分析，選擇合適的閥門結(jié)構(gòu)。為此對隔膜水力閥、PVC球閥、籠式控制閥及軸流式控制閥等各類控制閥結(jié)構(gòu)進行了對比分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，雖然PVC球閥、籠式控制閥和軸流式控制閥這3種結(jié)構(gòu)均不需要借助管線壓力動作，但PVC球閥結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功耗較高，籠式控制閥和軸流式控制閥則成本高昂，均不滿足農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)低成本、低功耗的設(shè)計要求，故閥門結(jié)構(gòu)仍選擇了成本低廉、技術(shù)成熟的隔膜閥。通過性能試驗，從眾多隔膜閥結(jié)構(gòu)種類中選擇了外流道、單腔傾斜式、帶復(fù)位彈簧、環(huán)形密封且具有優(yōu)異低壓開啟性能的隔膜閥結(jié)構(gòu)，最小開啟壓力為0.02 MPa。

1.2 電磁頭工作不穩(wěn)定問題

灌溉用隔膜閥采用先導(dǎo)式控制模式，通過對一個液體壓力控制回路施加控制來實現(xiàn)整個閥門的啟閉控制，如圖2所示，其控制回路主要由先導(dǎo)孔、過濾網(wǎng)[1]、橡膠管(流道)、導(dǎo)閥[2](電磁頭)、排水孔等幾部分組成。電磁頭作為液體壓力控制回路的重要部件，控制著整個回路的通斷。但其在灌區(qū)系統(tǒng)使用過程中，易出現(xiàn)不動作，甚至失效等情況，從而無法完成隔膜閥的正常啟閉。

圖2 隔膜閥液體壓力控制回路示意圖

通過對灌溉閥上常用的兩位三通直流脈沖電磁頭[4](見圖3)的結(jié)構(gòu)分析可知，其最大的缺點在于存在有浸沒于液體中的金屬元件，如銜鐵、復(fù)位彈簧等。灌溉系統(tǒng)通常需要進行水肥一體化運作，灌溉水中會含有各種化肥成分，酸堿度變化比較大，會在金屬元件表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或者淤積水垢，由于電磁頭自身的流道狹窄，輕微的積垢與堵塞都會引起故障，從而導(dǎo)致整個電磁頭的動作失靈。

圖3 二位三通直流脈沖電磁頭

為了解決常用的直流脈沖電磁頭在使用中發(fā)生的堵塞問題，目前可用的方法是將電磁頭中的金屬元件與灌溉水完全隔離開來，采用介質(zhì)隔離電磁頭結(jié)構(gòu)，如圖4所示[5]。圖4中1、2、3為電磁頭的3個連接接頭，2號和3號連接接頭上蓋有一彈性膜片，膜片連接至一個搖桿機構(gòu)上，銜鐵連接至搖桿的一端。彈性膜片將整個液體回路與銜鐵、彈簧等金屬元件隔離，保證電磁頭在正常動作時不會使金屬元件接觸液體，從而解決了由于灌溉水中雜質(zhì)導(dǎo)致的電磁頭動作失效，極大地提高了灌溉閥在水肥一體化工作中的可靠性。

1.3 無法反饋閥門工作狀態(tài)問題

目前灌溉系統(tǒng)中使用的灌溉閥無法實現(xiàn)閥門狀態(tài)反饋檢測，動作指令發(fā)布后，控制中心無法獲知灌溉閥是否準(zhǔn)確地執(zhí)行相應(yīng)的動作，若灌溉閥由于閥門堵塞、壓力不足而發(fā)生故障時，控制中心也無法獲知故障閥的準(zhǔn)確位置，管理人員需要到灌區(qū)內(nèi)對各個灌溉閥進行逐個排查，而灌溉系統(tǒng)其布設(shè)范圍較大，通常需要覆蓋方圓幾百米的田間區(qū)域，因此大大降低了自動化精準(zhǔn)灌溉系統(tǒng)的實用性，費工費時，運行維護成本高。

圖4 二位三通搖桿機構(gòu)介質(zhì)隔離電磁頭結(jié)構(gòu)示意圖

針對這一技術(shù)的需求，專門設(shè)計了一種光電傳感器式閥門狀態(tài)反饋裝置，通過選用反射式光電傳感器作為檢測元件來反饋閥門開度信息，其結(jié)構(gòu)如圖5(a)所示，反射式光電位移傳感器固定于閥桿上，隔膜動作帶動閥桿運動，使得光電傳感器的安裝平面到反射平面之間的間距隨之變化，而使得接收光電流發(fā)生相應(yīng)變化，光電流的變化轉(zhuǎn)換為輸出電壓的變化，以實現(xiàn)閥門工作狀態(tài)的反饋，工作原理如圖5(b)所示[6]。

圖5 光電式閥門狀態(tài)反饋裝置

1.4 優(yōu)化后的灌溉閥

根據(jù)對灌溉閥在應(yīng)用中存在問題的分析與研究，經(jīng)過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計后，形成的灌溉閥結(jié)構(gòu)如圖6所示，其閥門結(jié)構(gòu)采用了具有優(yōu)異的低壓開啟特性的隔膜閥，能在管線水壓較低的情況下實現(xiàn)灌溉閥的穩(wěn)定工作，導(dǎo)閥選用了介質(zhì)隔膜直流脈沖電磁頭，避免堵塞，從而解決了電磁頭動作失效的問題，同時設(shè)計了一種光電傳感器式閥門狀態(tài)反饋裝置，可實時檢測灌溉閥工作狀態(tài)，為灌溉閥的正常運行提供了可靠保證。優(yōu)化設(shè)計后的灌溉閥中涉及的各零部件均為市面上成熟產(chǎn)品，價格便宜，且結(jié)構(gòu)簡單、易于加工，安裝、維護方便，特別適用于農(nóng)業(yè)自動化灌溉系統(tǒng)中。

圖6 灌溉閥

2 性能試驗與分析

為了驗證研制的灌溉閥在實際工況條件下的性能表現(xiàn)，本文參照閥門壓力試驗的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)搭建了如圖7所示的性能試驗裝置[6,7]。試驗平臺主要由空氣壓縮機、減壓閥、壓力表、法蘭適配件等部件組成。通過該套試驗裝置模擬了灌溉閥在實際管線壓力情況下的動作情況，對灌溉閥進行了最小開啟壓力試驗、閥門密封性試驗、光電式狀態(tài)反饋裝置密封性試驗及響應(yīng)可靠性試驗，試驗介質(zhì)為空氣，通過調(diào)節(jié)減壓閥可以獲得0～0.8 MPa的穩(wěn)定試驗壓力，壓力表精度等級為1.6級，最小刻度為0.01 MPa，得到如表1～表4所示記錄的測試數(shù)據(jù)。

圖7 灌溉閥性能試驗示意圖

表1 灌溉閥最小開啟壓力試驗數(shù)據(jù)

由表1～表4的試驗數(shù)據(jù)可知，灌溉閥的最小開啟壓力為0.02 MPa，即當(dāng)灌溉系統(tǒng)的管線壓力大于0.02 MPa時，該灌溉閥可正常工作，且該閥在關(guān)閥狀態(tài)下，試驗水槽中無氣泡產(chǎn)生，故其具有良好的密封性能。而光電式閥門狀態(tài)反饋裝置則能準(zhǔn)確地反映出閥門全開、中間及全關(guān)各個狀態(tài)，其反饋信號最小響應(yīng)壓力為0.03 MPa，反饋邏輯如表5所示，且裝置密封良好，無明顯肥皂泡產(chǎn)生，閥桿動作正常，無卡死等現(xiàn)象。

表2 灌溉閥閥門密封性能試驗數(shù)據(jù)

表3 灌溉閥閥門狀態(tài)反饋響應(yīng)性能試驗數(shù)據(jù)

表4 灌溉閥閥門狀態(tài)反饋裝置密封性能試驗數(shù)據(jù)

表5 狀態(tài)反饋邏輯

為了驗證改進后的灌溉閥在實際灌溉系統(tǒng)中的性能表現(xiàn)，將其應(yīng)用于甘肅玉門智慧農(nóng)業(yè)自動化灌溉工程項目中，監(jiān)測結(jié)果發(fā)現(xiàn)其運行狀況良好，電磁頭無堵塞而失效現(xiàn)象，且閥門狀態(tài)反饋裝置能準(zhǔn)確地反映出閥門全開、中間及全關(guān)各個狀態(tài)，閥桿動作正常，無卡死，與同類產(chǎn)品相比，其工作穩(wěn)定性及實用性都有了較大的提高。

3 結(jié) 語

本文通過對目前灌區(qū)自動化灌溉系統(tǒng)中灌溉閥存在問題的分析與研究，總結(jié)了現(xiàn)有產(chǎn)品的不足，提出了相應(yīng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方案，并進行了實驗驗證與工程試用。結(jié)果表明，改進后的灌溉閥能較好地適用于國內(nèi)自動化灌溉系統(tǒng)的運行工況，保證灌溉系統(tǒng)的運行可靠性，顯著提高了灌區(qū)自動化節(jié)水灌溉技術(shù)水平。

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[1] 侯存峰. 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)[D].重慶:西南大學(xué), 2012.

[2] 吳文榮, 丁培峰,忻龍祚，等. 我國節(jié)水灌溉技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].節(jié)水灌溉, 2008,(4):50-54.

[3] 孫穎奇, 袁穎華, 吳秋明,等. 低功耗智能灌溉控制閥的研究[C]∥ 大數(shù)據(jù)時代的信息化建設(shè)——2015，2015.

[4] 3/2 Direct Acting Solenoid Valve[EB/OL]. http:∥www.rotexindia.com/Solenoid_Valves.html, 2014-04-09.

[5] Series 385 16mm Rocker Isolation Valve[EB/OL]. http:∥www.ascovalve.com/Applications/Products/IsolationValves.aspx, 2014-04-09.

[6] 袁穎華, 孫穎奇, 苑寶玉,等. 一種用于灌溉隔膜閥的閥門狀態(tài)反饋裝置的設(shè)計與實現(xiàn)[J].中國農(nóng)村水利水電, 2016,(11):130-132.

[7] GB/T 13927-2008, 工業(yè)閥門 壓力試驗[S].

[8] JB/T 10674-2006, 水力控制閥[S].