智慧灌溉系統(tǒng)首部引水故障診斷及解決方案*

盧珍 邱云橋 蔣輝霞 曾文明 文亦驍 陳爽

四川省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究設(shè)計(jì)院，四川成都

智慧灌溉是將節(jié)水灌溉與物聯(lián)網(wǎng)相融合，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)作物適時(shí)、按需、適量、精準(zhǔn)灌溉。近年來，智慧灌溉在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域已成為熱門研究方向[1-2]，也逐漸被推廣應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中。智慧灌溉系統(tǒng)組成主要包括首部樞紐、輸配水管網(wǎng)、灌水器、智能控制系統(tǒng)、智能管理與物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)等，其中，首部樞紐主要包括進(jìn)水管道、引水裝置、水泵、過濾器等設(shè)備。為了實(shí)現(xiàn)智能控制，智慧灌溉系統(tǒng)引水設(shè)備通常采用真空引水裝置[3]，其工作原理是水泵第一次啟動(dòng)前，先將裝置灌滿水，當(dāng)水泵啟動(dòng)后裝置里面的水量逐漸減少，從而使裝置里產(chǎn)生一定的真空，在此真空的作用下，水從進(jìn)水池經(jīng)進(jìn)水管道進(jìn)入真空引水裝置。

某智慧灌溉系統(tǒng)在試運(yùn)行過程中，當(dāng)真空引水裝置灌滿水，啟動(dòng)水泵運(yùn)行一會(huì)兒后，水泵出口管道上壓力大大低于設(shè)計(jì)工作壓力，且出口流量明顯小于設(shè)計(jì)流量。針對(duì)試運(yùn)行出現(xiàn)的問題，本文采用理論計(jì)算方法對(duì)原始方案進(jìn)行復(fù)核計(jì)算，并提出改進(jìn)方案，最終使得系統(tǒng)運(yùn)行滿足要求。

1 基本參數(shù)介紹

該智慧灌溉系統(tǒng)的進(jìn)水管路主要由喇叭口、鋼管、彎頭、真空引水裝置等組成，具體參數(shù)詳見表1。水泵型號(hào)為CDL85-30，具體參數(shù)詳見表2。安裝示意圖見圖1和圖2。

2 原始方案復(fù)核

該系統(tǒng)試運(yùn)行過程中出現(xiàn)的問題，初步診斷是由于進(jìn)水管路與真空引水裝置不匹配造成的。原始方案復(fù)核計(jì)算過程如下。1） 進(jìn)水管道內(nèi)水力損失進(jìn)水管道內(nèi)平均流速為：

式中：Q為水泵流量，m3/s；d為吸水管直徑，m。則：

進(jìn)水管道內(nèi)水力損失：

表1 進(jìn)水管路的管道和管件參數(shù)

表2 水泵設(shè)計(jì)參數(shù)

式中：hj為沿程損失，m；hi為局部水頭損失，m；hv為速度水頭，m；L為吸水管長度與裝置進(jìn)水管長度總和，m；v為吸水管內(nèi)流速，m/s；d為吸水管直徑，m；ζ為局部阻力系數(shù)，查表喇叭口取0.2；90°彎頭取0.3[4]。則：

圖1 進(jìn)水管路平面示意圖

圖2 進(jìn)水管路立面示意圖

2） 水泵啟動(dòng)后裝置內(nèi)的氣體壓力

水泵啟動(dòng)后裝置內(nèi)的氣體壓力p2：

式中：p1為水泵啟動(dòng)前裝置內(nèi)氣體壓力，與外界大氣壓相同，為95.5 kPa；h為吸水管道水力損失，m；ha為真空引水裝置進(jìn)水管上端面距離進(jìn)水池液面最低水位的高差。則:

3） 泵啟動(dòng)后裝置內(nèi)最小壓力

泵啟動(dòng)后裝置內(nèi)最小壓力P2min：

式中：H2為裝置出水管中心線的最低淹沒高度，m；hc為水泵進(jìn)水管內(nèi)水力損失，m；[NPSH] 為水泵許用汽蝕余量， m， 通 常 取[NPSH]= （1.1～1.5）NPSHr， 本 設(shè) 計(jì) 取1.4，NPSHr為泵汽蝕余量，Pv為水泵安裝所在地最高水溫下的飽和蒸汽壓力，kPa，本文為3.78 kPa。則：

由此可見，水泵啟動(dòng)后裝置內(nèi)的壓力p2=34.97kPa

3 改進(jìn)方案

針對(duì)現(xiàn)有進(jìn)水管路與真空引水裝置不配套的問題，改進(jìn)方案有兩種：第一種，減小進(jìn)水管道的長度，減少彎頭等管件的個(gè)數(shù)，從而減小進(jìn)水管路的水力損失；第二種，調(diào)整真空引水裝置尺寸。本文選擇對(duì)進(jìn)水管路進(jìn)行改進(jìn)。改進(jìn)后的進(jìn)水管路管道及管件如表3所示。改進(jìn)后安裝示意圖見圖3和圖4。

根據(jù)改進(jìn)后的方案，采用原始方案復(fù)核中的計(jì)算過程進(jìn)行計(jì)算，各參數(shù)的計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表3 改進(jìn)后進(jìn)水管路的管道和管件參數(shù)

圖3 改進(jìn)后進(jìn)水管路平面示意圖

圖4 改進(jìn)后進(jìn)水管路立面示意圖

由表4 可見，水泵啟動(dòng)后裝置內(nèi)的壓力P2=38.80kPa>P2min=38.31kPa，水泵進(jìn)口不會(huì)發(fā)生汽蝕。最終真空引水裝置引水正常，系統(tǒng)運(yùn)行達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

表4 改進(jìn)后各參數(shù)計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)論

通過該智慧灌溉系統(tǒng)在試運(yùn)行過程中出現(xiàn)首部引水故障問題分析可見，當(dāng)采用真空引水裝置作為引水設(shè)備時(shí)，應(yīng)正確計(jì)算進(jìn)水管道內(nèi)水力損失等參數(shù)，選型確定真空引水裝置的規(guī)格尺寸，使之與進(jìn)水管路相匹配，避免造成水泵進(jìn)口發(fā)生汽蝕，導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行壓力和流量達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。