主管壓差式水肥一體化灌溉系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

田 莉,趙先鋒,李磊磊,李家春,王永濤

(1.貴州省煙草公司畢節(jié)市公司,貴州 畢節(jié) 551700;2.貴州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,貴陽 550025;3.貴州省水利科學(xué)研究院,貴陽 550002)

0 引言

我國南方丘陵山地幅員遼闊,但多數(shù)地塊存在規(guī)模小、土地很不平整的現(xiàn)象,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)主要依靠人力和畜力完成,難以實(shí)施大規(guī)模的機(jī)械化生產(chǎn)[1]。以貴州為例,貴州地區(qū)高原山地居多,全省地貌可概括分為高原山地、丘陵和盆地3種基本類型。其中,山地占61.7%,丘陵占30.8%,山間平壩占7.5%,素有“八山一水一分田”之說,是我國內(nèi)陸地區(qū)唯一沒有平原地貌的省份。全省耕地總體呈現(xiàn)出“坡耕地多、壩區(qū)耕地少、中低產(chǎn)耕地多、優(yōu)質(zhì)耕地少”的特點(diǎn)。大部分耕地是喀斯特山間溶斗式麻窩地、斜坡上的石旮旯地,十分貧瘠,是名副其實(shí)的跑水、跑土、跑肥的“三跑地”[2]。

在丘陵地區(qū)開展農(nóng)業(yè)生產(chǎn),面臨生產(chǎn)操作困難、水肥管理不到位、生產(chǎn)成本不斷攀升、生態(tài)環(huán)境惡化等諸多問題。生產(chǎn)實(shí)踐表明,水肥一體化技術(shù)的應(yīng)用是目前解決丘陵山地區(qū)缺水、灌溉及施肥難的最有效途徑和形式之一,各地可根據(jù)實(shí)際情況選擇應(yīng)用相應(yīng)的技術(shù)模式,不僅可以取得顯著的經(jīng)濟(jì)效益,而且在促進(jìn)農(nóng)業(yè)農(nóng)村科技進(jìn)步、充分利用邊緣土地、減少環(huán)境污染、建設(shè)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會等社會效益方面也將發(fā)揮重要作用[3]。

本研究主要從丘陵地區(qū)農(nóng)作物生產(chǎn)中施肥灌溉方面,設(shè)計(jì)了一種主管壓差式水肥一體化灌溉系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅可以實(shí)現(xiàn)對作物常規(guī)的純水源灌溉,亦可進(jìn)行水肥一體化灌溉,且在取水源系統(tǒng)主管道加壓水泵的作用下水肥混合系統(tǒng)節(jié)省了助肥加壓泵的使用,為實(shí)現(xiàn)節(jié)水省肥、作物增產(chǎn)和農(nóng)民增收提供了參考。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

主管壓差式水肥一體化灌溉系統(tǒng)主要包括單元素液肥系統(tǒng)、取水源系統(tǒng)、水肥混合系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和作物灌區(qū)。系統(tǒng)工作流程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)工作流程圖

單元素液肥系統(tǒng)包括單元素液體肥料儲存罐、攪拌泵、吸肥開關(guān)和肥料過濾器,實(shí)現(xiàn)對不同類型單元素液體肥料的供應(yīng)。取水源系統(tǒng)包括砂石過濾器、二級過濾器、加壓水泵和水表,保證灌溉系統(tǒng)的水源供應(yīng)。水肥混合系統(tǒng)包括進(jìn)水通道、吸肥通道、混肥系統(tǒng)和水肥混合液輸出通道,實(shí)現(xiàn)不同類型單元素液體肥料的水肥混合及穩(wěn)定輸出。控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)所述水肥一體化灌溉系統(tǒng)中加壓水泵、電動閥的開啟和關(guān)閉。作物灌區(qū)包括主管道、持壓閥、施肥電磁閥、田間控制閥及作物灌區(qū)灌溉管網(wǎng),實(shí)現(xiàn)對作物灌區(qū)的控制灌溉。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

主管壓差式水肥一體化灌溉系統(tǒng)主要包括取水源系統(tǒng)、單元素液肥系統(tǒng)、水肥混合系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和作物灌區(qū),如圖2所示。

1.水源 2.主管道過濾器 3.主管道加壓水泵 4.流量計(jì) 5.施肥機(jī)進(jìn)口閥門 6.上主管道壓力表 7.射流器 8.浮子流量計(jì) 9.肥料過濾器 10.吸肥通道閥門 11.肥料儲存罐 12.EC/pH傳感器 13.下主管道壓力表 14.施肥機(jī)出口閥門 15.持壓閥 16.灌溉區(qū)域閥門 17.主管道閥門 18.控制系統(tǒng)

2.2 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)運(yùn)行時(shí),水源經(jīng)主管道過濾器過濾,在主管道加壓水泵的作用下為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的恒壓水源。控制系統(tǒng)關(guān)閉主管道閥門、開啟施肥機(jī)進(jìn)口閥門和施肥機(jī)出口閥門,有壓水源流經(jīng)水肥一體化施肥機(jī),水肥混合系統(tǒng)中射流器產(chǎn)生負(fù)壓完成對不同類型單元素液肥的吸取,水肥混合液在壓力作用下輸出施肥機(jī)。控制系統(tǒng)通過控制單元素液肥系統(tǒng)中吸肥通道閥門的啟閉,實(shí)現(xiàn)對不同類型液體肥料儲存罐的液肥供應(yīng)。控制系統(tǒng)通過控制水肥混合系統(tǒng)中不同注肥通道電動閥的通斷,實(shí)現(xiàn)對不同類型液體肥料的定量定比吸取。水肥混合液在持壓閥的作用下以一定壓力進(jìn)入田間灌區(qū),控制系統(tǒng)通過控制田間灌區(qū)閥門的啟閉,實(shí)現(xiàn)對不同灌區(qū)的水肥一體化灌溉。此外,通過開啟主管道閥門、關(guān)閉施肥機(jī)進(jìn)口閥門和施肥機(jī)出口閥門,實(shí)現(xiàn)對作物的水源灌溉。

2.3 系統(tǒng)關(guān)鍵部件

2.3.1 水肥一體化施肥機(jī)

水肥一體化施肥機(jī)主要由注肥通道、主管道進(jìn)水口、水肥混合系統(tǒng)、主管道水肥混合液出口和控制系統(tǒng)組成[4],如圖3所示。

1.注肥通道 2.主管道進(jìn)水口 3.水肥混合系統(tǒng) 4.水肥混合液出口 5.控制系統(tǒng)

水肥一體化施肥機(jī)的工作原理與伯努利方程和連續(xù)性方程息息相關(guān),公式如下[5]:

伯努利方程為

(1)

式中z1—射流器進(jìn)水口面水平高度(m);

z2—射流器噴嘴面水平高度(m);

P1—射流器進(jìn)口流體壓力(Pa);

P2—射流器噴嘴流體壓力(Pa);

v2—射流器進(jìn)口流體流速(m/s);

v2—射流器噴嘴流體流速(m/s);

ρ—流體密度(kg/m3)。

連續(xù)性方程為

v1A1=v2A2=Q=常數(shù)

(2)

在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下,若不考慮射流器的水頭損失,根據(jù)實(shí)際液體恒定流的連續(xù)方及能量方程推到得射流器吸肥量計(jì)算公式,即

(3)

式中q—射流器吸肥流量(m3/h);

A—吸肥口截面積(m2);

h—射流器吸肥口中心距肥液面的垂直距離(m);

γ—流體體積力(N/m3)。

2.3.2 控制系統(tǒng)

所設(shè)計(jì)灌溉系統(tǒng)中,控制系統(tǒng)硬件選用西門子PLC S7-200系列,通過邏輯程序控制各個執(zhí)行機(jī)構(gòu),實(shí)現(xiàn)水肥一體化灌溉系統(tǒng)的預(yù)期功能[6]。上位機(jī)軟件使用組態(tài)王開發(fā)的監(jiān)控系統(tǒng)軟件,實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的遠(yuǎn)程控制及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的顯示。現(xiàn)場地操作是采用MCGS觸摸屏,實(shí)現(xiàn)與PLC的操作。EC/PH傳感器采集的數(shù)據(jù),需通過A/D模塊轉(zhuǎn)換成PLC的數(shù)字信號。執(zhí)行元件接收經(jīng)單片機(jī) D/A 轉(zhuǎn)換后的電壓信號,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中各閥門的啟閉。

本系統(tǒng)中,模擬量輸入有EC/pH值,以此檢測系統(tǒng)中水肥混合液的電導(dǎo)率和酸堿度;數(shù)字量輸入有肥液儲存罐高液位、肥液儲存罐低液位和主管道加壓水泵開啟狀態(tài);數(shù)字量輸出通過中間繼電器控制施肥機(jī)進(jìn)口閥門、施肥機(jī)出口閥門主管道閥門、吸肥電磁閥及通過接觸器控制主管道加壓水泵。實(shí)現(xiàn)主管道壓差式水肥一體化灌溉系統(tǒng)的自動管理和生產(chǎn),控制系統(tǒng)硬件控制圖如圖4所示。

圖4 控制系統(tǒng)硬件控制圖

3 仿真分析

FloEFD是無縫集成于主流三維MCAD軟件中的高度工程化的通用流體分析軟件,它基于當(dāng)今主流CFD軟件都廣泛采用的有限體積法(FVM)開發(fā),可直接導(dǎo)入Pro/E、Catia、SolidWorks、UGS-NX、Inventor等所有主流三維MCAD模型中,廣泛應(yīng)用于機(jī)械行業(yè)、航天航空行業(yè)、醫(yī)療器械行業(yè)、汽車行業(yè)、閥門管道等流體控制設(shè)備行業(yè)[7]。

應(yīng)用FloEFD對灌溉系統(tǒng)中的混肥系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析,掌握其內(nèi)部流場情況。通過對三通混肥系統(tǒng)的進(jìn)水口、吸肥口及混合水肥出口邊界條件設(shè)定,仿真分析混肥系統(tǒng)中速度流向、速度及壓強(qiáng)等參數(shù)的變化情況。

仿真分析中,設(shè)定注肥通道吸肥口邊界條件均為大氣環(huán)境壓力101 325Pa,注水口邊界條件設(shè)定為0.6MPa。水肥混合出口邊界條件設(shè)定0.1MPa。網(wǎng)格劃分采用六面體網(wǎng)格,在管道分岔處進(jìn)行局部網(wǎng)格加密,總網(wǎng)格數(shù)887131。仿真分析如圖5所示。

圖5 混肥系統(tǒng)仿真分析

4 應(yīng)用試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)地與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)地定于貴州省貴陽市修文縣獼猴桃試驗(yàn)研究基地,于2018年4月2日對設(shè)計(jì)的主管壓差式水肥一體化灌溉系統(tǒng)進(jìn)行性能試驗(yàn),如圖6、圖7所示。

圖6 取水源過濾系統(tǒng)

圖7 水肥混合系統(tǒng)

試驗(yàn)中,通過控制系統(tǒng)控制主管道閥門及施肥機(jī)進(jìn)、出口閥門對純水源灌溉及水肥一體化兩種模式進(jìn)行試驗(yàn)。

水肥一體化灌溉模式試驗(yàn)時(shí),依據(jù)仿真分析邊界條件的設(shè)定,設(shè)定水肥系統(tǒng)中主管道加壓水泵壓力0.6MPa,注肥通道分別連接肥料儲存罐。試驗(yàn)時(shí),將吸肥通道上安裝的手動閥調(diào)至全開狀態(tài)、電動閥為常開狀態(tài),待三通道浮子均穩(wěn)定后讀取數(shù)據(jù),并記錄流量數(shù)據(jù),重復(fù)測量4次,取其平均值作為最大吸肥量最終結(jié)果;其次,通過控制系統(tǒng)控制電動閥通斷情況,觀察施肥機(jī)各通道吸肥效果[8]。

4.2 結(jié)果與分析

試驗(yàn)中,灌溉系統(tǒng)各項(xiàng)運(yùn)行正常。通過控制系統(tǒng)控制主管道閥門及施肥機(jī)進(jìn)、出口閥門,實(shí)現(xiàn)純水源灌溉和水肥一體化灌溉兩種模式的切換。運(yùn)行時(shí),灌溉系統(tǒng)達(dá)到對水源的吸取過濾、水肥混合及灌區(qū)作物穩(wěn)定灌溉的效果。作物灌區(qū)效果如圖8所示。

依據(jù)試驗(yàn)中所測各通道數(shù)據(jù)與仿真分析所得數(shù)據(jù),建立表1。通過對比分析兩組數(shù)據(jù)的吻合精度,該混肥系統(tǒng)具有實(shí)用可行性。

表1 吸肥通道吸肥量數(shù)據(jù)對比統(tǒng)計(jì)表

5 結(jié)論

1)設(shè)計(jì)了一種主管壓差式水肥一體化灌溉系統(tǒng),通過控制管道閥門的開閉,達(dá)到對作物常規(guī)的純水源灌溉或水肥一體化灌溉效果。

2)通過借助主管道壓差,水肥混合系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對三種不同類型單元素液肥的水肥一體化混合,且節(jié)省了助肥加壓泵的使用。

3)在SolidWorks三維建模的基礎(chǔ)上,運(yùn)用FloEFD對混肥系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析,獲得了可視化圖像及注水量、注肥通道的吸肥量等表面參數(shù)。

4)試驗(yàn)中,通過控制系統(tǒng)控制主管道閥門及施肥機(jī)進(jìn)、出口閥門,實(shí)現(xiàn)不同灌溉模式的切換,解決了丘陵地區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉中操作困難、水肥管理難度大、水肥利用效率低等問題。