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，侯 永，张月红，张学军

(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)

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

试验温室种植区域长70 m，宽8 m，种植面积560 m2，采取膜下微喷方式种植黄瓜为，一垄双行，垄中心距0.6 m，使用φ28微喷带，喷孔间隔100 mm，水源流量为30 m3。

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 m3/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ΔPY按Darcy-Weisbach公式计算，即：

(1)

式中：λ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；ρ为水肥溶液密度，kg/m3；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30 m3/h设计，所用管路为截面为圆形的UPVC供水管，管道内径100 mm。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，λ按Colebrook方程计算[10]，即式(2)。施肥机内管道雷诺数Re>2 000，系统处于过渡状态或紊流状态，其中Re按式(3)计算[11]。

(2)

(3)

式中：ε为管壁等值粗糙度，mm；μ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ΔPJ为：

(4)

式中：ζ为管道各局部阻力系数。

弯头、三通等管件的局部阻力系数ζ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ΔPH为：

(5)

式中：HI、HO分别为管道进口、出口的位置标高，m；g为重力加速度，g=9.81 m/s2。

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ΔP为：

ΔP=ΔPY+ΔPJ+ΔPH

(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。

(2)在实际环境中，施肥机供水水源流量为30 m3/h，施肥末端滴灌带要求压力为0.15 MPa。

(3)管壁的等值粗糙度取0.1 mm。

(4)为满足稳定吸肥，文丘里管进、出口端压力差要大于0.15 MPa。

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30 m3/h灌溉流量需求，吸肥流量约600 L/h，水泵流量约为6 m3/h。选择流量4～8 m3/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= -0.004 5x2-0.003 5x+0.385 4

(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5.488 m3/h满足水泵运行工况需求。系统最大压力为0.379 MPa，处于UPVC管路安全压力范围内。文丘里管处进出口端压力差为0.22 MPa，满足吸肥启动压力，文丘里管内流量2.743 m3/h(图5～图7)。

表1 施肥机节点及管路参数设置

图5 施肥机管道流量仿真结果(单位：m3/h)

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：MPa G)

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1.5 m3蓄水桶，蓄水桶出口接入额定流量为30 m3/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)。

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

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0.15 MPa且系统运行稳定后入口压力0.163 MPa，流量为30 m3/h，施肥机主管路压力为0.154 MPa，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、319 L/h，出口处肥料溶液EC值波动范围为2 200～2 600 mS/cm，通过调整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。