節能保質的卷盤式噴灌機雙噴槍技術

劉一川，張銳，朱德蘭*，葛茂生，高飛，趙海青

(1. 西北農林科技大學中國旱區節水農業研究院，陜西 楊凌 712100； 2. 西北農林科技大學水利與建筑工程學院，陜西 楊凌 712100)

卷盤式噴灌機是農業灌溉中應用較為普遍的一種噴灌設備，具有自動化程度高、普適性強、節約勞動成本等優點[1].該類機組普遍配備單個大流量噴槍，為保證噴灑幅寬，單噴槍所需工作壓力往往較高，加之噴灌機正常工作所需的驅動能耗以及軟管水力損失、水渦輪能量損失，使得入機壓力往往超過0.6 MPa，有時甚至高達0.8 MPa.為滿足機組運行所需高壓，勢必造成噴灌機高運行能耗的問題[2-3]，導致噴灌機運行所產生的電費往往高于人工費.因此，卷盤式噴灌機高能耗、高運行費用已經成為制約其推廣應用的主要因素.

針對卷盤式噴灌機高能耗的問題，眾多研究人員從水渦輪結構、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]對噴灌機水渦輪內部結構進行優化設計，優化后水渦輪的進出口水頭差降低20%～30%，效率提高了12%～17%.李振等[5]對噴灌機軟管阻力損失進行研究，結果表明軟管阻力與軟管類型、曲率以及管內流速有很大關系.李丹等[6]提出使用油光互補供電的噴灌機牽引裝置，以降低牽引噴灌機行走產生的能耗.劉柯楠[7]提出使用太陽能代替水力驅動噴灌機運行，從而實現降低噴灌機工作壓力和運行能耗的目的.此外，對于噴灌機所配備的噴槍耗能，也是造成卷盤式噴灌機高能耗的重要因素.GE等[8-10]理論分析了卷盤式噴灌機組的能耗，提出在不犧牲機組灌水質量的前提下適當減小噴頭的工作壓力是降低卷盤式噴灌機組整體能耗的有效途徑.綜上所述，前人針對如何降低卷盤式噴灌機能耗的問題進行了大量研究，通過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致噴灑范圍減小的問題尚未很好解決.

在降低卷盤式噴灌機噴槍運行工作壓力的同時，為保證噴槍噴灑范圍，劉一川等[11]提出使用雙噴槍結構代替單噴槍進行噴灑作業，低壓時通過雙噴槍噴灑區域相互組合，彌補噴槍射程的損失，并對雙噴槍支撐結構進行有限元分析，提出一種12 m桁架式懸臂梁支撐結構，該結構性能穩定，可搭載雙噴槍穩定運行.趙海青等[12]在低壓條件下使用2個HY50葉輪式噴槍作為雙噴槍噴灑，結果表明，使用雙噴槍噴灑，可以在保證噴灑質量的前提下，有效降低噴槍工作壓力.但采用雙噴槍形式進行噴灑，勢必會增加噴槍的初始投資，使用雙噴槍噴灑的經濟性有待研究.

文中提出卷盤式噴灌機在低壓情況下搭載雙噴槍進行灌溉，研究低壓時雙噴槍噴灑水力性能，在保證噴灑質量的基礎上確定雙噴槍工作參數，并進行經濟評價，以期為降低卷盤式噴灌機能源消耗、提高生產效率提供一定理論和實踐參考.

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

試驗選用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、旋轉密封裝置、驅動機構和換向機構等組成，采用蝸輪蝸桿式傳動，通過水流作用到葉輪的不同位置，實現正、反向的連續噴灑方式，其進口公稱直徑為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流器左側，噴頭利用射流對導流器的反作用力做全圓或扇形旋轉，其進口公稱直徑為50 mm，噴射仰角為24°.

圖1 噴槍實物圖

文中自行研制了12 m組合的低壓雙噴槍支撐結構[11]，搭載噴嘴直徑為18 mm的HY50葉輪式噴槍，在0.10 MPa工作壓力下進行移動噴灑水力性能試驗.低壓雙噴槍結構如圖2所示.

圖2 低壓雙噴槍實物圖

在西北農林科技大學旱區節水農業研究院試驗場進行噴槍移動水量分布測定試驗，場地平整，最大坡度小于1%；室外風速小于2 m/s，滿足規范GB/T 19797—2012[13]要求.試驗裝置主要包括：水源、水泵、輸水管道、流量計、壓力傳感器、測試噴頭、雨量筒、計時器.

試驗布置如圖3所示，噴槍搭載在JP75-300型卷盤式噴灌機上，通過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0.4級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(量程 3.5～50.0 m3/h)安裝在噴灌機進口處，用以測量管道流量.

圖3 噴槍移動水量分布測定試驗裝置圖

1.2 測試方法

噴槍水量分布測試試驗參照國家標準GB/T 19797—2012.設置機行速度為20 m/h，噴槍安裝高度1.65 m，調節噴槍輻射角為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.牽引噴頭車至試驗場東端，垂直于噴灌機行走方向，在噴灑域右側，從距機行道1 m開始，呈網格狀平行布置3排雨量筒，相鄰雨量筒間隔為2 m，試驗所用的雨量筒開口直徑為20 cm.

某一測點的噴灌水深由3排距離機行道相同距離的雨量筒測定水深均值表示；雨量筒測定水深由稱重法測量雨量桶內噴灑水的重量，除以雨量桶的橫截面面積計算求得；該測點降雨強度由該測點水深除以噴灑時間求得；噴灑射程取雨量筒收集的水量為0.15 mm/h測點處到噴頭中心的距離.

2 試驗結果與分析

2.1 50PYC與HY50噴槍移動噴灌強度分布

圖4為卷盤式噴灌機以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噴灌強度.圖中I為噴灌強度；s為距噴槍距離.

圖4 2種噴槍在不同壓力下的移動噴灌強度分布

由圖4a可以看出：HY50噴槍在0.05 MPa工作壓力時可正常工作；當工作壓力大于0.10 MPa時，噴灌強度分布逐漸趨向“三角形”分布，有利于組合噴灑，各測點噴灌強度峰值和平均值也相對穩定.這是由于HY50葉輪式噴槍特有的射流粉碎結構以及副噴嘴處葉輪的蝸輪蝸桿傳動方式，造成HY50噴槍在0.05～0.25 MPa工作壓力時均可正常工作，大部分水流經噴嘴后被前端分水針分散，小部分水流經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.而試驗發現，50PYC噴槍在工作壓力為0.05 MPa時因粉碎機構受力不足而無法工作，在壓力為0.10和0.15 MPa時會產生水量集中且破碎不充分的問題.由圖4可知，當工作壓力分別為0.10，0.15，0.20和0.25 MPa時，HY50噴頭的最大噴灌強度分別為19.87，22.87，19.77和21.70 mm/h；50PYC噴頭最大噴灌強度分別為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噴槍進行灌溉作業.

2.2 單雙噴槍組合移動水量分布及噴灑均勻度

根據上述分析，在低壓時可選取HY50葉輪式噴槍作為雙噴槍進行組合噴灑，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種噴槍實測噴灑性能對比表，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為平均噴灌強度；Imax為峰值噴灌強度.

表1 單噴槍與雙噴槍實測噴灑性能對比

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，二者相對差值為18.48%；雙噴槍平均噴灌強度比單噴槍大1.14 mm/h，二者相對差值為5.02%；雙噴槍峰值噴灌強度比單噴槍大4.45 mm/h，二者相對差值為12.65%.運用疊加法對搭載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與單個噴槍的射程R2相等，其噴灑幅寬2L2為2R2.卷盤式噴灌機在進行噴灑作業時，在一次噴灑作業結束后，會在臨近上一次作業區域旁進行下一次噴灑.為保證灌水質量，下一次噴灑域會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.

文中通過對2種噴槍實測移動噴灑水量分布疊加組合，模擬輪灌組合下的水量分布并計算組合均勻度，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倍進行噴灑作業，由于噴槍噴灑域的對稱性，其組合噴灑移動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，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時雙噴槍水量分布最為平緩.噴灌機勻速前進，降水深度在沿噴灌機前進方向上是近似的.因而機組組合噴灑均勻度可用線噴灑均勻度表示，可根據組合噴灑移動水量分布計算均勻系數Cu(%)，計算公式可表示為

(1)

(2)

由公式計算2種噴槍分別以1.1L2，1.3L2，1.5L2輪灌組合間距進行噴灑作業時，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%.當組合間距L3取為1.5L2時，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2種噴槍年費用進行比較.

2.3 年費用分析

采用雙噴槍噴灑方式可在保證灌溉質量的基礎上，降低噴槍工作壓力、增大灌溉流量，從而有效降低機組能耗及運行費用，但雙噴槍的使用勢必會引起初始投資的增加，為提高雙噴槍的推廣應用價值，文中針對2種噴槍費用的差異，對雙噴槍的經濟可行性進行評價.

以陜西省關中地區的灌溉作業為例，該地區屬西北資源型缺水地區，土壤類型為塿土，以玉米為主要糧食作物.現采用卷盤式噴灌機為某農場的玉米進行補充灌溉，2種噴槍分別以上述工況在相同環境下作業，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2種噴槍每公頃土地的年費用進行比較，年費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.每公頃土地噴槍工作所消耗的能耗計算式為

(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，噴灌時取為0.7.

噴槍的每公頃土地年費用計算式為

(4)

式中:CT為每公頃土地年費用，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，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為噴槍購置費，2種噴槍單價均取為2 000元/個；N為噴槍數量，個；Cpipe為雙噴槍支撐管單位長度價格(對于單噴槍無此項花費)，取為20元/m；L1=12 m；k為噴槍管理維護費用系數，取2%.

單噴槍與雙噴槍費用比較見表2，表中Ce為能耗費；ε為誤差.

表2 單噴槍、雙噴槍費用比較

由表2可以看出，當雙噴槍與單噴槍的機組噴灑幅寬、噴灑均勻度相差不大時，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%.同時對2種噴槍的初始投資、能耗費和年運行費等進行計算比較發現，雖然使用雙噴槍會造成初始投資的增加，但其能耗費減小了60.00%，年運行費減小了49.23%，綜上，在保證灌溉質量的基礎上，雙噴槍更加低耗、經濟.

3 討 論

提出使用2個HY50葉輪式噴槍組成雙噴槍進行灌溉并通過噴灑域相互疊加補充的方法，解決了因噴槍壓力減小而導致的噴灑面積變小的問題.實際工作中，雙噴槍在0.10 MPa工作壓力下即可實現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、平均噴灌強度和噴灑均勻度等指標未發生明顯變化，這充分表明文中采用雙噴槍代替傳統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量，起到了十分明顯的“節能保質”作用.

基于本試驗的實際工況，卷盤式噴灌機搭載單噴槍以0.25 MPa工作壓力進行噴灌時，由于噴灌機的水渦輪能量損失以及軟管水力損失等，常常會使噴灌機的進口壓力接近0.60 MPa，高壓力對輸水管道的承壓等級要求更高，而灌溉管道中的壓力級別往往低于0.63 MPa，因此，噴灌機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量的基礎上，降低0.15 MPa工作壓力，可使噴灌機進口壓力降到0.45 MPa以下，有效防止灌溉管道爆管，使管道運行更加安全.

4 結 論

對比分析噴槍間距為12 m的HY50雙噴槍與50PYC垂直搖臂式單噴槍的工作性能、能耗和費用，得到以下結論：

1) 雙噴槍分別以1.1L2，1.3L2,1.5L2輪灌組合間距進行噴灑作業時，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時，其組合噴灑幅寬、噴灑均勻度基本相等，此時，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量的同時，適當增加噴灑流量，降低能耗.

3) 上述工況下雙噴槍的初始投資、能耗費和年運行費分別為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，但能耗費和年運行費較單噴槍分別減小了60.00%和49.23%，具有良好的推廣應用價值.