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)機械研究設(shè)計院，四川成都

智慧灌溉是將節(jié)水灌溉與物聯(lián)網(wǎng)相融合，實現(xiàn)對農(nóng)作物適時、按需、適量、精準灌溉。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]，也逐漸被推廣應用到實際生產(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)平臺等，其中，首部樞紐主要包括進水管道、引水裝置、水泵、過濾器等設(shè)備。為了實現(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前，先將裝置灌滿水，當水泵啟動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，水從進水池經(jīng)進水管道進入真空引水裝置。

某智慧灌溉系統(tǒng)在試運行過程中，當真空引水裝置灌滿水，啟動水泵運行一會兒后，水泵出口管道上壓力大大低于設(shè)計工作壓力，且出口流量明顯小于設(shè)計流量。針對試運行出現(xiàn)的問題，本文采用理論計算方法對原始方案進行復核計算，并提出改進方案，最終使得系統(tǒng)運行滿足要求。

1 基本參數(shù)介紹

該智慧灌溉系統(tǒng)的進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 原始方案復核

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

進水管道內(nèi)水力損失：

表1 進水管路的管道和管件參數(shù)

表2 水泵設(shè)計參數(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 進水管路平面示意圖

圖2 進水管路立面示意圖

2） 水泵啟動后裝置內(nèi)的氣體壓力

水泵啟動后裝置內(nèi)的氣體壓力p2：

式中：p1為水泵啟動前裝置內(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為真空引水裝置進水管上端面距離進水池液面最低水位的高差。則:

3） 泵啟動后裝置內(nèi)最小壓力

泵啟動后裝置內(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 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，水泵啟動后裝置內(nèi)的壓力p2=34.97kPa

3 改進方案

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

根據(jù)改進后的方案，采用原始方案復核中的計算過程進行計算，各參數(shù)的計算結(jié)果如表4所示。

表3 改進后進水管路的管道和管件參數(shù)

圖3 改進后進水管路平面示意圖

圖4 改進后進水管路立面示意圖

由表4 可見，水泵啟動后裝置內(nèi)的壓力P2=38.80kPa>P2min=38.31kPa，水泵進口不會發(fā)生汽蝕。最終真空引水裝置引水正常，系統(tǒng)運行達到了設(shè)計要求。

表4 改進后各參數(shù)計算結(jié)果

4 結(jié)論

通過該智慧灌溉系統(tǒng)在試運行過程中出現(xiàn)首部引水故障問題分析可見，當采用真空引水裝置作為引水設(shè)備時，應正確計算進水管道內(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，使之與進水管路相匹配，避免造成水泵進口發(fā)生汽蝕，導致系統(tǒng)運行壓力和流量達不到設(shè)計要求。