节能保质的卷盘式喷灌机双喷枪技术

2023-01-02刘一川张锐朱德兰葛茂生高飞赵海青

排灌机械工程学报 2022年12期

刘一川，张锐，朱德兰*，葛茂生，高飞，赵海青

(1. 西北农林科技大学中国旱区节水农业研究院，陕西杨凌 712100； 2. 西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西杨凌 712100)

卷盘式喷灌机是农业灌溉中应用较为普遍的一种喷灌设备，具有自动化程度高、普适性强、节约劳动成本等优点[1].该类机组普遍配备单个大流量喷枪，为保证喷洒幅宽，单喷枪所需工作压力往往较高，加之喷灌机正常工作所需的驱动能耗以及软管水力损失、水涡轮能量损失，使得入机压力往往超过0.6 MPa，有时甚至高达0.8 MPa.为满足机组运行所需高压，势必造成喷灌机高运行能耗的问题[2-3]，导致喷灌机运行所产生的电费往往高于人工费.因此，卷盘式喷灌机高能耗、高运行费用已经成为制约其推广应用的主要因素.

针对卷盘式喷灌机高能耗的问题，众多研究人员从水涡轮结构、软管阻力、牵引装备、能源配备、喷枪性能等方面开展了大量研究.黎耀军等[4]对喷灌机水涡轮内部结构进行优化设计，优化后水涡轮的进出口水头差降低20%～30%，效率提高了12%～17%.李振等[5]对喷灌机软管阻力损失进行研究，结果表明软管阻力与软管类型、曲率以及管内流速有很大关系.李丹等[6]提出使用油光互补供电的喷灌机牵引装置，以降低牵引喷灌机行走产生的能耗.刘柯楠[7]提出使用太阳能代替水力驱动喷灌机运行，从而实现降低喷灌机工作压力和运行能耗的目的.此外，对于喷灌机所配备的喷枪耗能，也是造成卷盘式喷灌机高能耗的重要因素.GE等[8-10]理论分析了卷盘式喷灌机组的能耗，提出在不牺牲机组灌水质量的前提下适当减小喷头的工作压力是降低卷盘式喷灌机组整体能耗的有效途径.综上所述，前人针对如何降低卷盘式喷灌机能耗的问题进行了大量研究，通过降低喷枪工作压力可有效降低能耗，但因喷枪工作压力降低导致喷洒范围减小的问题尚未很好解决.

在降低卷盘式喷灌机喷枪运行工作压力的同时，为保证喷枪喷洒范围，刘一川等[11]提出使用双喷枪结构代替单喷枪进行喷洒作业，低压时通过双喷枪喷洒区域相互组合，弥补喷枪射程的损失，并对双喷枪支撑结构进行有限元分析，提出一种12 m桁架式悬臂梁支撑结构，该结构性能稳定，可搭载双喷枪稳定运行.赵海青等[12]在低压条件下使用2个HY50叶轮式喷枪作为双喷枪喷洒，结果表明，使用双喷枪喷洒，可以在保证喷洒质量的前提下，有效降低喷枪工作压力.但采用双喷枪形式进行喷洒，势必会增加喷枪的初始投资，使用双喷枪喷洒的经济性有待研究.

文中提出卷盘式喷灌机在低压情况下搭载双喷枪进行灌溉，研究低压时双喷枪喷洒水力性能，在保证喷洒质量的基础上确定双喷枪工作参数，并进行经济评价，以期为降低卷盘式喷灌机能源消耗、提高生产效率提供一定理论和实践参考.

1 材料与方法

1.1 试验装置

试验选用HY50叶轮式喷枪和50PYC垂直摇臂式喷枪.如图1a所示，HY50喷枪由喷管、旋转密封装置、驱动机构和换向机构等组成，采用蜗轮蜗杆式传动，通过水流作用到叶轮的不同位置，实现正、反向的连续喷洒方式，其进口公称直径为50 mm，喷射仰角为23°.如图1b所示，50PYC喷枪工作原理：喷嘴射出的高速水流冲击喷枪导流器左侧，喷头利用射流对导流器的反作用力做全圆或扇形旋转，其进口公称直径为50 mm，喷射仰角为24°.

图1 喷枪实物图

文中自行研制了12 m组合的低压双喷枪支撑结构[11]，搭载喷嘴直径为18 mm的HY50叶轮式喷枪，在0.10 MPa工作压力下进行移动喷洒水力性能试验.低压双喷枪结构如图2所示.

图2 低压双喷枪实物图

在西北农林科技大学旱区节水农业研究院试验场进行喷枪移动水量分布测定试验，场地平整，最大坡度小于1%；室外风速小于2 m/s，满足规范GB/T 19797—2012[13]要求.试验装置主要包括：水源、水泵、输水管道、流量计、压力传感器、测试喷头、雨量筒、计时器.

试验布置如图3所示，喷枪搭载在JP75-300型卷盘式喷灌机上，通过PE软管与卷盘连接，压力表安装在喷枪支撑管下0.1 m处，通过0.4级精密压力传感器控制；卷盘与供水栓由DN50口径的PVC管连接，EMF5000型电磁流量计(量程 3.5～50.0 m3/h)安装在喷灌机进口处，用以测量管道流量.

图3 喷枪移动水量分布测定试验装置图

1.2 测试方法

喷枪水量分布测试试验参照国家标准GB/T 19797—2012.设置机行速度为20 m/h，喷枪安装高度1.65 m，调节喷枪辐射角为180°，喷嘴直径为18 mm，HY50叶轮式喷枪与50PYC垂直摇臂式喷枪工作压力H分别为0.05，0.10，0.15，0.20和0.25 MPa.低压双喷枪工作压力0.10 MPa.牵引喷头车至试验场东端，垂直于喷灌机行走方向，在喷洒域右侧，从距机行道1 m开始，呈网格状平行布置3排雨量筒，相邻雨量筒间隔为2 m，试验所用的雨量筒开口直径为20 cm.

某一测点的喷灌水深由3排距离机行道相同距离的雨量筒测定水深均值表示；雨量筒测定水深由称重法测量雨量桶内喷洒水的重量，除以雨量桶的横截面面积计算求得；该测点降雨强度由该测点水深除以喷洒时间求得；喷洒射程取雨量筒收集的水量为0.15 mm/h测点处到喷头中心的距离.

2 试验结果与分析

2.1 50PYC与HY50喷枪移动喷灌强度分布

图4为卷盘式喷灌机以20 m/h的行走速度，分别搭载HY50喷枪与50PYC喷枪在不同压力下的移动喷灌强度.图中I为喷灌强度；s为距喷枪距离.

图4 2种喷枪在不同压力下的移动喷灌强度分布

由图4a可以看出：HY50喷枪在0.05 MPa工作压力时可正常工作；当工作压力大于0.10 MPa时，喷灌强度分布逐渐趋向“三角形”分布，有利于组合喷洒，各测点喷灌强度峰值和平均值也相对稳定.这是由于HY50叶轮式喷枪特有的射流粉碎结构以及副喷嘴处叶轮的蜗轮蜗杆传动方式，造成HY50喷枪在0.05～0.25 MPa工作压力时均可正常工作，大部分水流经喷嘴后被前端分水针分散，小部分水流经副喷嘴处叶轮作用洒落在近喷枪处，起到改善水量分布均匀性的作用.而试验发现，50PYC喷枪在工作压力为0.05 MPa时因粉碎机构受力不足而无法工作，在压力为0.10和0.15 MPa时会产生水量集中且破碎不充分的问题.由图4可知，当工作压力分别为0.10，0.15，0.20和0.25 MPa时，HY50喷头的最大喷灌强度分别为19.87，22.87，19.77和21.70 mm/h；50PYC喷头最大喷灌强度分别为26.49，33.91，25.63和24.97 mm/h，4种压力下HY50喷枪的最大喷灌强度均小于50PYC喷枪，因此在较低压力下可以考虑使用HY50喷枪进行灌溉作业.

2.2 单双喷枪组合移动水量分布及喷洒均匀度

根据上述分析，在低压时可选取HY50叶轮式喷枪作为双喷枪进行组合喷洒，基于此，文中选取工作压力为0.25 MPa的单喷枪与工作压力为0.10 MPa的双喷枪，对比分析2种喷枪的组合水量分布及喷洒均匀度.表1为2种喷枪实测喷洒性能对比表，表中a为喷头车喷洒半径；2a为喷洒幅宽；H为工作压力；q为喷枪流量；Ia为平均喷灌强度；Imax为峰值喷灌强度.

表1 单喷枪与双喷枪实测喷洒性能对比

由表1可以看出，双喷枪喷洒幅宽为45.08 m，单喷枪喷洒幅宽为45.60 m，两者的喷洒幅宽近似相等，双喷枪喷洒流量比单喷枪大4.55 m3/h，二者相对差值为18.48%；双喷枪平均喷灌强度比单喷枪大1.14 mm/h，二者相对差值为5.02%；双喷枪峰值喷灌强度比单喷枪大4.45 mm/h，二者相对差值为12.65%.运用叠加法对搭载2种不同喷枪的喷头车在不同组合间距下的水量分布及喷洒均匀度进行分析.双喷枪与单喷枪组合喷洒工作示意图如图5所示.

图5 2种喷枪轮灌组合喷洒示意图

如图5a所示，L1为双喷枪组合间距，L2为喷头车的喷洒半径，R1为双喷枪中单个喷枪的射程，则2L2为喷头车的喷洒幅宽，喷洒幅宽为2R1+L1；如图5b所示，R2为单喷枪的射程，喷头车的喷洒半径L2与单个喷枪的射程R2相等，其喷洒幅宽2L2为2R2.卷盘式喷灌机在进行喷洒作业时，在一次喷洒作业结束后，会在临近上一次作业区域旁进行下一次喷洒.为保证灌水质量，下一次喷洒域会与前面的喷洒域部分重叠.这种喷洒方式称为轮灌组合喷洒.相邻两喷车间距称为喷头车轮灌组合间距，如图5a和图5b所示的L3.

文中通过对2种喷枪实测移动喷洒水量分布叠加组合，模拟轮灌组合下的水量分布并计算组合均匀度，喷头车轮灌组合间距L3分别以喷头车喷洒半径L2的1.1，1.3，1.5倍进行喷洒作业，由于喷枪喷洒域的对称性，其组合喷洒移动水量分布可用两车间水量分布表示，水量分布如图6所示.图中d为灌水深度；B为组合间距.

图6 组合喷洒移动水量分布

由图6可以看出，双喷枪分别以1.1L2，1.3L2，1.5L2组合间距灌溉时，最大灌水深度分别为49.83，43.41和37.17 mm，单喷枪的最大灌水深度分别为53.95，53.12和45.85 mm；相同组合间距下，双喷枪的最大灌水深度均小于单喷枪.在组合间距为1.3L2时双喷枪水量分布最为平缓.喷灌机匀速前进，降水深度在沿喷灌机前进方向上是近似的.因而机组组合喷洒均匀度可用线喷洒均匀度表示，可根据组合喷洒移动水量分布计算均匀系数Cu(%)，计算公式可表示为

(1)

(2)

由公式计算2种喷枪分别以1.1L2，1.3L2，1.5L2轮灌组合间距进行喷洒作业时，双喷枪的组合喷洒均匀度分别为86.29%，94.11%，81.72%，单喷枪分别为72.39%，69.77%，80.36%.当组合间距L3取为1.5L2时，单喷枪与双喷枪组合均匀度相近，且满足80%喷灌均匀度的要求.基于此，下面选取1.5L2的组合间距，对2种喷枪年费用进行比较.

2.3 年费用分析

采用双喷枪喷洒方式可在保证灌溉质量的基础上，降低喷枪工作压力、增大灌溉流量，从而有效降低机组能耗及运行费用，但双喷枪的使用势必会引起初始投资的增加，为提高双喷枪的推广应用价值，文中针对2种喷枪费用的差异，对双喷枪的经济可行性进行评价.

以陕西省关中地区的灌溉作业为例，该地区属西北资源型缺水地区，土壤类型为塿土，以玉米为主要粮食作物.现采用卷盘式喷灌机为某农场的玉米进行补充灌溉，2种喷枪分别以上述工况在相同环境下作业，玉米种植面积为20 hm2，该作物灌溉定额[14]取为3 500 m3/hm2.2种喷枪以1.5L2组合间距喷洒，采用等效年值法[15]对2种喷枪每公顷土地的年费用进行比较，年费用的组成包括考虑折旧与年利率的喷枪初始总投资以及能耗费.每公顷土地喷枪工作所消耗的能耗计算式为

(3)

式中:E为喷枪在每公顷土地所消耗的能耗，kW·h/hm2；γ为水的容重，9.8 kN/m3；H为喷枪工作压力，m；M为灌溉定额，m3/hm2；η为有效水利用系数，喷灌时取为0.7.

喷枪的每公顷土地年费用计算式为

(4)

式中:CT为每公顷土地年费用，元/hm2；CI为喷枪每年的初始投资，元；S为灌溉面积，hm2；Cel为电费，取0.57元/kW·h.

喷枪每年的初始投资可表示为

CI=CRF(CgunN+CpipeL1)(1+k)，

(5)

其中

(6)

式中:CRF为资金回收因子；r为年利率，取5%；n′为喷枪工作年限，取10 a；Cgun为喷枪购置费，2种喷枪单价均取为2 000元/个；N为喷枪数量，个；Cpipe为双喷枪支撑管单位长度价格(对于单喷枪无此项花费)，取为20元/m；L1=12 m；k为喷枪管理维护费用系数，取2%.

单喷枪与双喷枪费用比较见表2，表中Ce为能耗费；ε为误差.

表2 单喷枪、双喷枪费用比较

由表2可以看出，当双喷枪与单喷枪的机组喷洒幅宽、喷洒均匀度相差不大时，即双喷枪工作压力为0.10 MPa、单喷枪工作压力为0.25 MPa，两者能耗分别为136.11, 340.28 kW·h/ hm2，对比单喷枪，双喷枪工作压力减小0.15 MPa，故其为喷洒水加压的能耗降低了60.00%.同时对2种喷枪的初始投资、能耗费和年运行费等进行计算比较发现，虽然使用双喷枪会造成初始投资的增加，但其能耗费减小了60.00%，年运行费减小了49.23%，综上，在保证灌溉质量的基础上，双喷枪更加低耗、经济.

3 讨论

提出使用2个HY50叶轮式喷枪组成双喷枪进行灌溉并通过喷洒域相互叠加补充的方法，解决了因喷枪压力减小而导致的喷洒面积变小的问题.实际工作中，双喷枪在0.10 MPa工作压力下即可实现50PYC单喷枪在0.25 MPa工作压力下相同的喷洒效果，喷洒幅宽、流量、平均喷灌强度和喷洒均匀度等指标未发生明显变化，这充分表明文中采用双喷枪代替传统单喷枪喷洒不仅有效降低喷洒工作压力，也充分保证了灌水质量，起到了十分明显的“节能保质”作用.

基于本试验的实际工况，卷盘式喷灌机搭载单喷枪以0.25 MPa工作压力进行喷灌时，由于喷灌机的水涡轮能量损失以及软管水力损失等，常常会使喷灌机的进口压力接近0.60 MPa，高压力对输水管道的承压等级要求更高，而灌溉管道中的压力级别往往低于0.63 MPa，因此，喷灌机要求的高压常常引起爆管.需要指出的是，双喷枪在保证喷洒质量的基础上，降低0.15 MPa工作压力，可使喷灌机进口压力降到0.45 MPa以下，有效防止灌溉管道爆管，使管道运行更加安全.