基于PIPENET的在线式水肥一体化施肥机管路优化设计.pdf

文 章 编 号 1007 4929 2020 01 0049 04 基 于PIPENET 的 在 线 式 水 肥 一 体 化 施 肥 机 管 路 优 化 设 计 李 恺 1 2 尹 义 蕾 1 2 何 斌 3 侯 永 1 2 张 月 红 1 2 张 学 军 1 2 1 农 业 农 村 部 规 划 设 计 研 究 院 北 京100125 2 农 业 农 村 部 农 业 设 施 结 构 工 程 重 点 实 验 室 北 京100125 3 西 北 农 林 科 技 大 学 陕 西 杨 凌712100 摘 要 现 有 的 精 准 水 肥 一 体 化 施 肥 机 混 肥 原 理 基 本 相 同 但 针 对 不 同 应 用 场 景 管 路 布 置 方 式 吸 肥 原 件 水 泵 选 型 各 有 区 别 为 此 在 研 究 设 计 在 线 式 水 肥 一 体 化 施 肥 机 的 同 时 通 过PIPENET 软 件 对 设 计 管 路 进 行 仿 真 提 出 优 化 设 计 选 择 合 适 水 泵 以 供 给 文 丘 里 管 合 适 的 流 量 和 压 力 提 升 设 备 吸 肥 效 率 和 稳 定 性 通 过 试 验 验 证 仿 真 结 果 在 研 究 条 件 下 仿 真 结 果 与 验 证 试 验 结 果 各 点 压 力 差 异 小 于5 5 通 过 对 比 证 明 PIPENET 软 件 可 以 用 于 施 肥 机 管 路 辅 助 设 计 尤 其 在 进 行 水 泵 选 型 时 可 以 快 速 确 定 水 泵 参 数 根 据 流 速 修 正 管 路 管 径 加 速 设 计 过 程 提 高 设 备 可 靠 性 关 键 词 PIPENET 水 肥 一 体 化 管 路 仿 真 优 化 设 计 中 图 分 类 号 S278 文 献 标 识 码 A OptimizationDesignforPipelineofOn lineFertigationDeviceBasedonPIPENETSoftware LIKai 1 2 YINYi lei 1 2 HEBin 3 HOUYong 1 2 ZHANGYue hong 1 2 ZHANGXue jun 1 2 1 ChineseAcademyofAgriculturalEngineeringPlanningandDesign Beijing100125 China 2 KeyLaboratoryofFarmBuildinginStructureandConstruction MinistryofAgricultureandRuralAffairs Beijing100125 China 3 NorthwestAfertigationdevice pipelinesimulation optimizationdesign 收 稿 日 期 2019 07 19 基 金 项 目 国 家 重 点 研 发 计 划 项 目 2018YFD0201200 作 者 简 介 李 恺 1986 男 博 士 主 要 从 事 水 肥 一 体 化 装 备 研 发 E mail will25505177 0 引 言 随 着 国 家 设 施 农 业 的 不 断 发 展 设 施 装 备 水 平 也 在 不 断 提 升 水 肥 管 理 作 为 生 产 管 理 中 重 要 一 环 也 逐 渐 被 生 产 者 所 重 视 相 应 的 水 肥 一 体 化 施 肥 设 备 需 求 不 断 加 大 市 场 上 形 形 色 色 的 施 肥 机 集 中 涌 现 而 不 同 的 设 备 混 肥 原 理 基 本 相 同 但 由 于 不 同 园 区 水 源 条 件 差 异 较 大 在 吸 肥 混 肥 部 分 的 管 路 设 计 和 水 泵 选 型 方 面 常 存 在 不 匹 配 情 况 需 要 在 设 计 初 期 就 根 据 具 体 情 况 做 差 异 性 设 计 1 在 基 本 管 路 原 定 确 定 的 条 件 下 为 快 速 准 确 地 确 定 管 路 相 关 尺 寸 选 择 合 适 的 水 泵 类 型 和 型 号 选 择 PIPENET 软 件 作 为 计 算 机 辅 助 设 计 工 具 2 PIPENET 软 件 具 有 高 效 准 确 的 管 网 系 统 计 算 工 具 对 树 9 4 节 水 灌 溉 2020 年 第1 期 状 管 网 环 状 管 网 等 复 杂 管 网 水 力 计 算 多 水 源 系 统 模 拟 等 方 面 已 获 得 广 泛 应 用 国 内 针 对 消 防 海 上 钻 井 平 台 结 合 科 学 的 计 算 方 法 来 核 准 整 个 系 统 的 流 体 阻 力 进 行 防 水 锤 冲 击 系 统 稳 定 性 等 方 面 的 研 究 已 有 很 多 3 6 本 文 采 用PIPENET 软 件 的 标 准 模 块 对 单 机 设 备 内 管 路 通 过 导 入 计 算 模 型 设 置 边 界 条 件 和 管 道 部 件 参 数 进 行 仿 真 分 析 并 通 过 试 验 验 证 确 定 仿 真 结 果 的 可 参 考 性 便 于 后 续 的 系 统 优 化 设 计 因 此 使 用 以 上 方 法 得 到 的 计 算 结 果 将 为 水 肥 一 体 化 施 肥 机 管 路 的 设 计 合 理 与 否 提 供 重 要 依 据 1 在 线 式 水 肥 一 体 化 施 肥 机 系 统 构 成 我 国 设 施 农 业 主 要 还 是 以 单 栋 日 光 温 室 或 塑 料 大 棚 为 主 土 壤 栽 培 占 绝 大 多 数 水 肥 一 体 化 技 术 是 设 施 农 业 生 产 中 节 水 节 肥 的 重 要 手 段 7 而 施 肥 机 作 为 重 要 载 体 通 过 文 丘 里 管 比 例 施 肥 泵 计 量 泵 等 核 心 元 件 实 现 水 与 肥 料 的 适 量 混 合 并 注 入 施 肥 管 道 通 过 滴 灌 喷 灌 等 方 式 完 成 施 肥 与 灌 溉 结 合 实 验 地 点 河 北 永 清 龙 虎 庄 乡 当 地 水 源 情 况 本 研 究 针 对 日 光 温 室 膜 下 微 喷 灌 溉 设 计 了 在 线 式 水 肥 一 体 化 施 肥 机 图 1 为 施 肥 机 管 路 原 理 图 设 备 包 括 主 管 路 和 吸 肥 支 路 设 备 管 路 均 采 用PVC U 给 水 管 为 减 少 占 地 面 积 设 备 整 体 采 用 立 式 结 构 混 肥 核 心 部 件 为 文 丘 里 管 图1 施 肥 机 管 路 原 理 图2 施 肥 机 实 际 管 路 试 验 温 室 种 植 区 域 长70m 宽8m 种 植 面 积560m 2 采 取 膜 下 微 喷 方 式 种 植 黄 瓜 为 一 垄 双 行 垄 中 心 距0 6m 使 用 28 微 喷 带 喷 孔 间 隔100mm 水 源 流 量 为30m 3 施 肥 机 最 主 要 的 性 能 参 数 是 混 肥 能 力 混 肥 核 心 部 件 文 丘 里 管 的 吸 肥 量 主 要 取 决 于 喉 部 负 压 喉 部 负 压 与 文 丘 里 管 出 入 口 压 力 差 呈 线 性 关 系 与 通 过 流 量 平 方 呈 线 性 关 系 8 因 此 仿 真 关 注 出 入 口 压 力 差 及 通 过 流 量 按 照 肥 料 稀 释 比 例500 倍 母 液 配 置 稀 释10 倍 还 需 要 施 肥 机 稀 释 倍 数 为50 倍 按 照30 m 3 h 灌 溉 流 量 需 求 2 管 道 流 阻 计 算 方 法 采 用PIPENET 管 网 流 体 分 析 软 件 中standard 模 块 进 行 仿 真 计 算 9 2 1 沿 程 压 力 损 失 计 算 管 道 沿 程 压 力 损 失 P Y 按Darcy Weisbach 公 式 计 算 即 P Y Lv 2 2d 1 式中 为 管 道摩 擦系 数 按 式 2 计算 L 为管 道 长 度 m d 为 管 道内 径 mm 为水肥 溶液 密度 kg m 3 v 为 管道内 流 速 m s 在 线 式 水 肥 一 体 化 施 肥 机 主 体 管 路 按 照30m 3 h 设 计 所 用 管 路 为 截 面 为 圆 形 的UPVC 供 水 管 管 道 内 径100mm 管 道 摩 擦 系 数 与 流 动 状 态 及 管 壁 粗 糙 度 有 关 根 据 设 计 流 速 按Colebrook 方 程 计 算 10 即 式 2 施 肥 机 内 管 道 雷 诺 数Re 2000 系 统 处 于 过 渡 状 态 或 紊 流 状 态 其 中Re 按 式 3 计 算 11 1 1 74 2lg 2 d 18 7 Re 2 Re dv 3 式 中 为 管 壁 等 值 粗 糙 度 mm 为 水 肥 溶 液 的 动 力 黏 度 Pa s 2 2 局 部 压 力 损 失 计 算 管 道 中 的 弯 头 三 通 等 管 件 的 局 部 压 力 损 失 P J 为 P J v 2 2 4 式 中 为 管 道 各 局 部 阻 力 系 数 弯 头 三 通 等 管 件 的 局 部 阻 力 系 数 的 取 值 根 据 相 关 动 力 管 道 设 计 规 范 12 及PVC U 管 件 标 准 13 确 定 2 3 高 差 静 压 降 计 算 管 道 进 出 口 位 置 高 度 差 产 生 的 静 压 降 P H 为 P H H I H O g 1000 5 式 中 H I H O 分 别 为 管 道 进 口 出 口 的 位 置 标 高 m g 为 重 力 加 速 度 g 9 81m s 2 2 4 管 道 总 压 力 损 失 计 算 管 道 总 压 力 损 失 由 沿 程 压 力 损 失 局 部 压 力 损 失 高 差 静 压 降 的 压 力 损 失3 部 分 组 成 管 道 总 压 力 损 失 P 为 P P Y P J P H 6 3 计 算 假 设 及 边 界 条 件 1 施 肥 机 处 于 灌 溉 系 统 中 系 统 供 水 及 施 肥 处 于 稳 定 流 动 状 态 拟 定 设 备 仿 真 处 于20 环 境 温 度 中 0 5 基 于PIPENET 的 在 线 式 水 肥 一 体 化 施 肥 机 管 路 优 化 设 计 李 恺 尹 义 蕾 何 斌 等 2 在 实 际 环 境 中 施 肥 机 供 水 水 源 流 量 为30m 3 h 施 肥 末 端 滴 灌 带 要 求 压 力 为0 15MPa 3 管 壁 的 等 值 粗 糙 度 取0 1mm 4 为 满 足 稳 定 吸 肥 文 丘 里 管 进 出 口 端 压 力 差 要 大 于 0 15MPa 4 计 算 模 型 及 参 数 输 入 在PIPENET 软 件 环 境 下 根 据 在 线 式 水 肥 一 体 化 施 肥 机 系 统 构 建 管 道 计 算 模 型 如 图3 所 示 图 中 节 点1 与 节 点8 分 别 为 施 肥 机 的 供 水 口 及 灌 溉 口 即 系 统 入 口 和 出 口 各 段 管 道 编 号 如 图4 所 示 各 节 点 及 管 路 参 数 设 置 如 表1 所 示 图3 施 肥 机 节 点 计 算 模 型 图4 施 肥 机 管 道 计 算 模 型 按 照 肥 料 稀 释 比 例500 倍 母 液 配 置 稀 释10 倍 还 需 要 施 肥 机 稀 释 倍 数 为50 倍 按 照30m 3 h 灌 溉 流 量 需 求 吸 肥 流 量 约600L h 水 泵 流 量 约 为6m 3 h 选 择 流 量4 8m 3 h 的 卧 式 离 心 泵 通 过 利 用 多 项 式 模 型 拟 合 水 泵 流 量 圧 力 曲 线 满 足 y 0 0045x 2 0 0035x 0 3854 7 5 计 算 结 果 通 过PIPENET 软 件 仿 真 得 到 结 果 主 管 路 流 速 为0 9 1 2 m 符 合 设 备 经 济 流 速 水 泵 实 际 运 行 流 量5 488m 3 h 满 足 水 泵 运 行 工 况 需 求 系 统 最 大 压 力 为0 379MPa 处 于UPVC 管 表1 施 肥 机 节 点 及 管 路 参 数 设 置 序 号 直 径 内 径 m 长 度 m 高 差 m 局 部 阻 力 系 数 1 100 1 00 0 0 2 100 1 00 1 00 1 1 3 100 0 40 0 0 5 4 100 0 40 0 0 5 5 100 0 40 0 1 0 6 100 1 00 1 00 0 7 100 1 00 0 1 0 8 40 0 20 0 0 1 9 40 0 50 0 50 4 0 10 25 0 20 0 1 0 11 25 0 20 0 1 0 12 25 0 30 0 30 0 13 25 0 30 0 30 0 14 6 0 02 0 02 0 4 15 6 0 02 0 02 0 4 16 25 0 20 0 20 1 5 17 25 0 20 0 20 1 5 路 安 全 压 力 范 围 内 文 丘 里 管 处 进 出 口 端 压 力 差 为0 22MPa 满 足 吸 肥 启 动 压 力 文 丘 里 管 内 流 量2 743m 3 h 图5 图7 图5 施 肥 机 管 道 流 量 仿 真 结 果 单 位 m 3 h 6 试 验 验 证 为 验 证 仿 真 结 果 的 可 靠 性 在 实 验 室 条 件 下 进 行 了 施 肥 机 管 路 性 能 检 测 试 验 通 过 初 始 设 计 搭 建 如 图2 的 在 线 式 水 肥 一 体 化 施 肥 机 性 能 测 试 平 台 实 验 台 包 括3 个 联 通 的1 5m 3 蓄 1 5 基 于PIPENET 的 在 线 式 水 肥 一 体 化 施 肥 机 管 路 优 化 设 计 李 恺 尹 义 蕾 何 斌 等 图6 施 肥 机 管 道 流 速 仿 真 结 果 单 位 m 图7 施 肥 机 节 点 压 力 仿 真 结 果 单 位 MPaG 水 桶 蓄 水 桶 出 口 接 入 额 定 流 量 为30m 3 h 的 变 频 泵 施 肥 机 按 照 仿 真 优 化 的 管 径 和CHL4 30 卧 式 离 心 泵 搭 建 试 验 样 机 选 配DN20 文 丘 里 管 施 肥 机 出 入 口 分 别 安 装 压 力 表 及 流 量 表 图8 调 整 出 口 球 阀 和 水 源 水 泵 变 频 器 设 定 压 力 使 系 统 出 口 压 力 为0 15MPa 且 系 统 运 行 稳 定 后 入 口 压 力0 163MPa 流 量 为 30m 3 h 施 肥 机 主 管 路 压 力 为0 154MPa 仿 真 结 果 与 实 测 值 误 差 小 于5 5 图9 单 路 吸 肥 流 量 分 别 为336 319L h 出 口 处 肥 料 溶 液EC 值 波 动 范 围 为2200 2600mS cm 通 过 调 整 1 入 口 压 力 表 2 入 口 流 量 计 3 蓄 水 箱 4 水 源 变 频 泵 5 出 口 流 量 计 6 出 口 压 力 表 7 施 肥 机 图8 施 肥 机 管 路 验 证 试 验 系 统 吸 肥 管 路 上 的 针 阀 可 以 调 整 施 肥 机 吸 肥 量 从 而 调 整 灌 溉 溶 液 的EC 值 设 备 满 足 水 肥 一 体 化 灌 溉 使 用 图9 施 肥 机 水 泵 仿 真 结 果 7 结 论 1 通 过 验 证 实 验 可 以 看 出 基 于PIPENET 进 行 施 肥 设 备 管 路 辅 助 设 计 可 校 核 设 备 管 径 合 理 性 快 速 计 算 水 泵 实 际 工 作 工 况 点 有 利 于 水 泵 迅 速 选 型 工 作 状 态 的 调 整 通 过 仿 真 结 果 与 实 测 值 对 比 主 管 路 压 力 误 差 小 于5 5 2 PIPENET 模 拟 分 析 软 件 用 于 施 肥 设 备 管 路 辅 助 设 计 结 果 可 靠 减 少 或 简 化 样 机 试 制 轮 次 从 而 加 速 施 肥 机 设 计 过 程 参 考 文 献 1 李 恺 尹 义 蕾 侯 永 中 国 设 施 园 艺 水 肥 一 体 化 设 备 应 用 现 状 及 发 展 趋 势 J 农 业 工 程 技 术 2018 38 4 16 21 2 张 克 雄 毛 伟 志 陈 好 等 PIPENET 水 力 分 析 在 曹 妃 甸 改 造 项 目 中 的 应 用 研 究 J 化 工 技 术 与 开 发 2011 40 5 50 52 3 郝 博 PIPENET 在 石 化 装 置 消 防 管 网 计 算 中 的 应 用 J 石 油 化 工 设 计 2017 34 3 50 53 7 8 4 阎 贵 文 安 明 泉 PIPENET 软 件 用 于 海 上 平 台 消 防 水 系 统 的 水 力 分 析 J 石 油 工 程 建 设 2012 38 6 13 15 106 107 5 张 伟 阎 贵 文 基 于PIPENET 的 管 道 系 统 水 击 分 析 J 石 油 工 程 建 设 2011 37 S1 55 57 6 王 树 山 都 基 旭 余 娅 运 用PIPENET 软 件 优 化 复 杂 中 央 淡 水 冷 却 系 统 J 船 舶 标 准 化 工 程 师 2018 51 3 48 52 7 吴 现 兵 白 美 健 李 益 农 等 蔬 菜 水 肥 一 体 化 研 究 进 展 分 析 J 节 水 灌 溉 2019 2 121 124 下 转 第60 页 2 5 基 于PIPENET 的 在 线 式 水 肥 一 体 化 施 肥 机 管 路 优 化 设 计 李 恺 尹 义 蕾 何 斌 等 3 HOMEPG PANDAPK KARS Effectofandschedulingof irrigationonwaterandnitrogenuseefficienciesofOkra Abelmoschus esculentus J AgriculturalWaterManagement 2002 55 159 170 4 王 一 博 李 道 西 低 水 头 微 喷 带 喷 洒 均 匀 度 试 验 研 究 J 人 民 黄 河 2018 40 7 146 149 5 李 扬 郝 明 王 凯 等 基 于AMESim 的 大 田 水 肥 一 体 化 微 喷 灌 系 统 建 模 与 试 验 研 究 J 中 国 农 机 化 学 报 2017 38 6 53 60 6 王 义 慈 节 水 灌 溉 水 肥 一 体 化 微 喷 灌 系 统 设 计 及 模 拟 分 析 J 陕 西 水 利 2018 3 98 100 7 席 奇 亮 葛 国 锋 周 方 等 2 种 滴 灌 带 灌 水 均 匀 度 对 铺 设 长 度 和 进 水 压 力 的 响 应 J 灌 溉 排 水 学 报 2018 37 3 78 83 8 张 天 举 仵 峰 邓 忠 等 不 同 坡 度 下 压 力 对 滴 灌 毛 管 均 匀 度 的 影 响 试 验 J 水 利 水 电 科 技 进 展 2007 27 3 24 26 9 马 晓 鹏 龚 时 宏 王 建 东 等 低 压 条 件 下 滴 灌 带 灌 水 均 匀 系 数 试 验 研 究 J 灌 溉 排 水 学 报 2010 29 4 6 10 10 王 瑛 范 宗 良 冯 辉 霞 等 滴 灌 带 灌 水 均 匀 度 的 田 间 测 试 与 分 析 J 甘 肃 农 业 大 学 学 报 2000 35 1 66 69 11 孙 超 滴 灌 带 流 量 均 匀 度 实 验 与 山 地 梯 田 滴 灌 系 统 的 实 例 分 析 D 山 西 晋 中 山 西 农 业 大 学 2016 14 18 12 DEBOERDW MONNENSMJ Estimationofdropsizeandkinetic energyfromarotating platesprinkler J TransactionsofASAE 2001 44 6 1571 1580 13 JUX WUP PAULWR etal Simplifiedfordesigning diameterofdripirrigationlateralsbasedonemitterflowvariation J Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering 2016 32 5 14 20 14 ZHUDL WUPT MERKLEYGP etal Dripirrigationlateralde signprocedurebasedonemissionuniityandfieldmicrotopogra phy J IrrigationandDrainage 2010 59 5 535 546 15 苟 万 里 杨 路 华 邸 志 刚 等 薄 壁 微 喷 带 沿 程 水 头 损 失 试 验 研 究 J 灌 溉 排 水 学 报 2019 38 5 79 83 上 接 第52 页 8 王 海 军 文 丘 里 管 射 流 装 置 的 结 构 及 工 作 原 理 J 西 南 科 技 大 学 学 报 2004 2 41 44 9 Sunrisesystemslimited Pipenetstandard EB OL https www sunrise 10 COLEBROOKCF WHITECM Experimentswithfluidfrictionin roughenedpipes J ProceedingsoftheRoyalSocietyofLondon SeriesA MathematicalandPhysicalSciences 1937 367 381 11 吴 望 一 流 体 力 学 M 北 京 北 京 大 学 出 版 社 1982 12 中 华 人 民 共 和 国 住 房 和 城 乡 建 设 部 电 厂 动 力 管 道 设 计 规 范 GB 50764 2012 S 北 京 中 国 计 划 出 版 社 2012 13 中 华 人 民 共 和 国 国 家 质 量 监 督 检 验 检 疫 总 局 给 水 用 硬 聚 氯 乙 烯 PVC U 管 件 GB T10002 2 2003 S 北 京 中 国 标 准 出 版 社 2003 上 接 第55 页 8 HOGLUNDA LINX LIBERGO etal Overviewof3GPPRelease 14EnhancedNB IoT J IEEENetwork 2017 31 6 16 22 9 WANGYPE LINX ADHIKARYA etal APrimeron3GPPNar rowbandInternet of Things NB IoT J IEEE Communications Magazine 2016 55 3 10 王 新 忠 刘 飞 韩 旭 土 壤 理 化 特 性 对 土 壤 剖 面 水 分 传 感 器 性 能 的 影 响 J 农 业 机 械 学 报 2012 43 11 97 101 11 杨 卫 中 王 雅 淳 基 于 窄 带 物 联 网 的 土 壤 墒 情 监 测 系 统 J 农 业 机 械 学 报 2019 50 7 243 247 12 郭 凤 仪 周 坤 姜 丽 丽 等 太 阳 能LED 照 明 控 制 系 统 的 设 计 与 实 现 J 电 工 电 能 新 技 术 2012 31 3 86 89 13 姜 彤 罗 静 基 于WebGIS 的 遵 义 市 水 雨 情 实 时 监 测 系 统 J 人 民 黄 河 2012 12 75 77 14 杜 聪 杜 文 华 曾 志 强 等 基 于VisualC 的 图 像 实 时 采 集 及 处 理 J 计 算 机 工 程 与 设 计 2014 8 2939 2943 信 息 欢 迎 订 阅 节 水 灌 溉 节 水 灌 溉 是 由 中 国 国 家 灌 排 委 员 会 中 国 灌 溉 排 水 发 展 中 心 武 汉 大 学 国 家 节 水 灌 溉 北 京 工 程 技 术 研 究 中 心 共 同 主 办 的 技 术 类 期 刊 是 全 国 中 文 核 心 期 刊 中 国 科 技 论 文 统 计 源 期 刊 省 部 优 秀 科 技 期 刊 入 选 中 国 期 刊 方 阵 栏 目 设 置 试 验 研 究 水 环 境 与 水 资 源 工 程 技 术 水 利 经 济 工 程 管 理 技 术 讲 座 国 外 动 态 设 备 与 市 场 简 讯 等 读 者 对 象 从 事 节 水 灌 溉 行 业 的 水 利 农 业 林 业 机 械 及 相 关 领 域 的 技 术 人 员 管 理 人 员 节 水 灌 溉 邮 发 代 号38 17 月 刊 10 00 元 册 全 年 定 价120 元 每 月5 日 出 版 全 国 各 地 邮 局 征 订 国 内 外 公 开 发 行 也 可 直 接 从 编 辑 部 订 阅 地 址 武 汉 市 珞 珈 山 武 汉 大 学 二 区 节 水 灌 溉 编 辑 部 邮 编 430072 电 话 027 68776880 027 68772201 传 真 027 68776133 电 子 信 箱 jieshuiguangai 联 系 人 甘 甜 单 位 名 称 节 水 灌 溉 编 辑 部 开 户 银 行 中 行 武 汉 珞 珈 山 支 行 账 号 570357528608 0 6 不 同 坡 度 条 件 下 薄 壁 型 微 喷 带 铺 设 长 度 优 化 分 析 王 金 毅 杨 路 华 苟 万 里 等