節(jié)能保質(zhì)的卷盤式噴灌機(jī)雙噴槍技術(shù)

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.