低能耗多功能輕小型移動式噴灌機組優(yōu)化設(shè)計與試驗研究.pdf

1、水資源短缺和能耗問題的加劇使得低能耗成為噴灌發(fā)展的主要方向之一。在我國，地形條件及種植作物的多樣性、農(nóng)村經(jīng)濟條件復(fù)雜性等因素使得輕小型移動式噴灌機組的多元化配置成為必然。而農(nóng)村勞動力轉(zhuǎn)移、土地適度規(guī)模經(jīng)營等對噴灌機組的管道布置及組合模式提出了新的要求。因而提高輕小型移動式噴灌機組構(gòu)成方式的靈活性、降低機組能耗、提高單位機組功率的灌溉面積成為噴灌機組應(yīng)用推廣中亟待解決的問題。本文采用優(yōu)化模擬、試驗驗證等方法，開展了低能耗多功能輕小型移動式

2、噴灌機組優(yōu)化設(shè)計與試驗研究。
　　主要研究工作及創(chuàng)新點分為以下幾個方面:
　　(1)低能耗多功能輕小型移動式噴灌機組設(shè)計
　　提出一種移動固定多目標(biāo)噴灌系統(tǒng)，它使機組靈活性提高，且對作物的適應(yīng)性增強。為了提高機組的便捷性，發(fā)明了一種快速連接管件和一種噴灌用噴頭及管道固定裝置。
　　提出一種組合式雙支管多噴噴灌系統(tǒng)，理論分析結(jié)果表明，該系統(tǒng)與傳統(tǒng)的“一”字型支管和兩條支管布置相比，操作時間和總費用最低，噴灌均勻性最

3、高，單位能耗居中。
　　依據(jù)上述兩種噴灌機組的支管布置方式、機組各部件移動模式，總結(jié)出11種適用于不同面積的管道布置方式，為用戶提供多元化選擇。
　　(2)機組綜合評價體系建立及各指標(biāo)影響因素研究
　　基于灰色關(guān)聯(lián)法，建立了涵蓋技術(shù)、經(jīng)濟、環(huán)境、社會等4大類10個指標(biāo)的噴灌機組綜合評價模型，權(quán)值確定采用層次分析法與熵權(quán)法相結(jié)合的綜合賦權(quán)法來集成主觀和客觀兩方面的因素。計算結(jié)果表明該評價體系可以根據(jù)需要進行調(diào)整，為噴灌機

4、組多因素多目標(biāo)的選擇提供有效的分析工具。
　　對機組評價指標(biāo)的影響因素及規(guī)律進行分析。技術(shù)指標(biāo)方面，就噴頭工作壓力、噴頭間距等因素對均勻性的影響進行理論研究，為機組組合噴灌均勻性的分析及機組優(yōu)化配置提供參考。經(jīng)濟指標(biāo)方面，對機組生命周期成本(LCC)的組成部分進行分析。結(jié)果表明，能耗費在LCC中所占比例最大，其次是初投資和人工費，因此噴灌機組的優(yōu)化配置對機組的節(jié)約成本、降低能耗十分關(guān)鍵。環(huán)境指標(biāo)方面，采用含交互作用的正交表L27(

5、313)對噴灌機組的能耗影響因素進行研究。結(jié)果表明，輕小型噴灌機組能耗對噴頭工作壓力的變化最敏感，其次為管道管徑，噴頭間距對能耗的影響主要體現(xiàn)在與其他參數(shù)的交互作用中。因此，需對噴灌機組進行多目標(biāo)配置優(yōu)化。
　　(3)輕小型噴灌機組管道水力設(shè)計及多目標(biāo)優(yōu)化配置研究
　　根據(jù)輕小型噴灌機組水泵-管路-噴頭協(xié)同運行的特點，借鑒微灌管道水力計算方法，對現(xiàn)有噴灌機組管道水力計算方法進行改進。提出了考慮流量約束的后退法、前進法，和將前

6、進法、后退法與黃金分割法相結(jié)合的輕小型噴灌機組管道水力計算方法。計算結(jié)果表明:前進法與后退法相比，更能反映噴灌管道與微灌管道相比由于出水口較少且每個孔口流量較大，而呈現(xiàn)的管道沿程一定位置上出現(xiàn)的壓力驟降的特點;新提出的前進后退法多級管道水力計算方法與前人的方法相比，更能滿足各支管末端的最低噴頭工作壓力要求，使計算結(jié)果更加可靠。
　　以單位能耗為目標(biāo)，首次將蟻群算法應(yīng)用于噴灌機組的配置優(yōu)化中，并與遺傳算法優(yōu)化及試驗結(jié)果進行比較。結(jié)果

7、表明，蟻群算法計算得到的最佳噴頭數(shù)和管道沿程工作壓力，與遺傳算法相比更接近實驗值。同時基于評價指標(biāo)及影響因素研究，采用線性加權(quán)和法初步建立了輕小型噴灌機組多目標(biāo)配置優(yōu)化模型。
　　(4)機組能耗及均勻性影響因素田間試驗研究
　　機組能耗及均勻性是機組綜合評價中主要的環(huán)境指標(biāo)和技術(shù)指標(biāo)，分別反映機組運行狀態(tài)及噴灌質(zhì)量，且對機組配置參數(shù)的變化較為敏感。因此，采用田間試驗的方法對機組能耗及均勻性影響因素及規(guī)律進行分析，對管道水力計

8、算方法和優(yōu)化方法進行驗證，并對試驗條件下特定噴灌機組的最優(yōu)配置方式進行探討。機組能耗影響因素研究結(jié)果表明，理論計算方法總體可行，但試驗中當(dāng)管徑增大時，由于此時使水泵提供給噴頭的工作壓力增大，間接導(dǎo)致機組能耗上升，反映了水泵-管路-噴頭間的協(xié)同作用，而理論方法對這一因素考慮不足。
　　噴灌均勻性影響因素研究結(jié)果表明，噴灌機組田間應(yīng)用時，在風(fēng)速＜2.7m/s（試驗最大風(fēng)速）的場合，可以采用矩形布置，噴頭間距及支管間距適中，工作壓力取低