智慧灌溉系统首部引水故障诊断及解决方案*

卢珍 邱云桥 蒋辉霞 曾文明 文亦骁 陈爽

四川省农业机械研究设计院，四川成都

智慧灌溉是将节水灌溉与物联网相融合，实现对农作物适时、按需、适量、精准灌溉。近年来，智慧灌溉在农业领域已成为热门研究方向[1-2]，也逐渐被推广应用到实际生产中。智慧灌溉系统组成主要包括首部枢纽、输配水管网、灌水器、智能控制系统、智能管理与物联网平台等，其中，首部枢纽主要包括进水管道、引水装置、水泵、过滤器等设备。为了实现智能控制，智慧灌溉系统引水设备通常采用真空引水装置[3]，其工作原理是水泵第一次启动前，先将装置灌满水，当水泵启动后装置里面的水量逐渐减少，从而使装置里产生一定的真空，在此真空的作用下，水从进水池经进水管道进入真空引水装置。

某智慧灌溉系统在试运行过程中，当真空引水装置灌满水，启动水泵运行一会儿后，水泵出口管道上压力大大低于设计工作压力，且出口流量明显小于设计流量。针对试运行出现的问题，本文采用理论计算方法对原始方案进行复核计算，并提出改进方案，最终使得系统运行满足要求。

1 基本参数介绍

该智慧灌溉系统的进水管路主要由喇叭口、钢管、弯头、真空引水装置等组成，具体参数详见表1。水泵型号为CDL85-30，具体参数详见表2。安装示意图见图1和图2。

2 原始方案复核

该系统试运行过程中出现的问题，初步诊断是由于进水管路与真空引水装置不匹配造成的。原始方案复核计算过程如下。1） 进水管道内水力损失进水管道内平均流速为：

式中：Q为水泵流量，m3/s；d为吸水管直径，m。则：

进水管道内水力损失：

表1 进水管路的管道和管件参数

表2 水泵设计参数

式中：hj为沿程损失，m；hi为局部水头损失，m；hv为速度水头，m；L为吸水管长度与装置进水管长度总和，m；v为吸水管内流速，m/s；d为吸水管直径，m；ζ为局部阻力系数，查表喇叭口取0.2；90°弯头取0.3[4]。则：

图1 进水管路平面示意图

图2 进水管路立面示意图

2） 水泵启动后装置内的气体压力

水泵启动后装置内的气体压力p2：

式中：p1为水泵启动前装置内气体压力，与外界大气压相同，为95.5 kPa；h为吸水管道水力损失，m；ha为真空引水装置进水管上端面距离进水池液面最低水位的高差。则:

3） 泵启动后装置内最小压力

泵启动后装置内最小压力P2min：

式中：H2为装置出水管中心线的最低淹没高度，m；hc为水泵进水管内水力损失，m；[NPSH] 为水泵许用汽蚀余量， m， 通 常 取[NPSH]= （1.1～1.5）NPSHr， 本 设 计 取1.4，NPSHr为泵汽蚀余量，Pv为水泵安装所在地最高水温下的饱和蒸汽压力，kPa，本文为3.78 kPa。则：

由此可见，水泵启动后装置内的压力p2=34.97kPa

3 改进方案

针对现有进水管路与真空引水装置不配套的问题，改进方案有两种：第一种，减小进水管道的长度，减少弯头等管件的个数，从而减小进水管路的水力损失；第二种，调整真空引水装置尺寸。本文选择对进水管路进行改进。改进后的进水管路管道及管件如表3所示。改进后安装示意图见图3和图4。

根据改进后的方案，采用原始方案复核中的计算过程进行计算，各参数的计算结果如表4所示。

表3 改进后进水管路的管道和管件参数

图3 改进后进水管路平面示意图

图4 改进后进水管路立面示意图

由表4 可见，水泵启动后装置内的压力P2=38.80kPa>P2min=38.31kPa，水泵进口不会发生汽蚀。最终真空引水装置引水正常，系统运行达到了设计要求。

表4 改进后各参数计算结果

4 结论

通过该智慧灌溉系统在试运行过程中出现首部引水故障问题分析可见，当采用真空引水装置作为引水设备时，应正确计算进水管道内水力损失等参数，选型确定真空引水装置的规格尺寸，使之与进水管路相匹配，避免造成水泵进口发生汽蚀，导致系统运行压力和流量达不到设计要求。