低能耗多功能轻小型移动式喷灌机组优化设计与试验研究

摘要

水资源短缺和能耗问题的加剧使得低能耗成为喷灌发展的主要方向之一。在我国，地形条件及种植作物的多样性、农村经济条件复杂性等因素使得轻小型移动式喷灌机组的多元化配置成为必然。而农村劳动力转移、土地适度规模经营等对喷灌机组的管道布置及组合模式提出了新的要求。因而提高轻小型移动式喷灌机组构成方式的灵活性、降低机组能耗、提高单位机组功率的灌溉面积成为喷灌机组应用推广中亟待解决的问题。本文采用优化模拟、试验验证等方法，开展了低能耗多功能轻小型移动式喷灌机组优化设计与试验研究。
　　主要研究工作及创新点分为以下几个方面:
　　(1)低能耗多功能轻小型移动式喷灌机组设计
　　提出一种移动固定多目标喷灌系统，它使机组灵活性提高，且对作物的适应性增强。为了提高机组的便捷性，发明了一种快速连接管件和一种喷灌用喷头及管道固定装置。
　　提出一种组合式双支管多喷喷灌系统，理论分析结果表明，该系统与传统的“一”字型支管和两条支管布置相比，操作时间和总费用最低，喷灌均匀性最高，单位能耗居中。
　　依据上述两种喷灌机组的支管布置方式、机组各部件移动模式，总结出11种适用于不同面积的管道布置方式，为用户提供多元化选择。
　　(2)机组综合评价体系建立及各指标影响因素研究
　　基于灰色关联法，建立了涵盖技术、经济、环境、社会等4大类10个指标的喷灌机组综合评价模型，权值确定采用层次分析法与熵权法相结合的综合赋权法来集成主观和客观两方面的因素。计算结果表明该评价体系可以根据需要进行调整，为喷灌机组多因素多目标的选择提供有效的分析工具。
　　对机组评价指标的影响因素及规律进行分析。技术指标方面，就喷头工作压力、喷头间距等因素对均匀性的影响进行理论研究，为机组组合喷灌均匀性的分析及机组优化配置提供参考。经济指标方面，对机组生命周期成本(LCC)的组成部分进行分析。结果表明，能耗费在LCC中所占比例最大，其次是初投资和人工费，因此喷灌机组的优化配置对机组的节约成本、降低能耗十分关键。环境指标方面，采用含交互作用的正交表L27(313)对喷灌机组的能耗影响因素进行研究。结果表明，轻小型喷灌机组能耗对喷头工作压力的变化最敏感，其次为管道管径，喷头间距对能耗的影响主要体现在与其他参数的交互作用中。因此，需对喷灌机组进行多目标配置优化。
　　(3)轻小型喷灌机组管道水力设计及多目标优化配置研究
　　根据轻小型喷灌机组水泵-管路-喷头协同运行的特点，借鉴微灌管道水力计算方法，对现有喷灌机组管道水力计算方法进行改进。提出了考虑流量约束的后退法、前进法，和将前进法、后退法与黄金分割法相结合的轻小型喷灌机组管道水力计算方法。计算结果表明:前进法与后退法相比，更能反映喷灌管道与微灌管道相比由于出水口较少且每个孔口流量较大，而呈现的管道沿程一定位置上出现的压力骤降的特点;新提出的前进后退法多级管道水力计算方法与前人的方法相比，更能满足各支管末端的最低喷头工作压力要求，使计算结果更加可靠。
　　以单位能耗为目标，首次将蚁群算法应用于喷灌机组的配置优化中，并与遗传算法优化及试验结果进行比较。结果表明，蚁群算法计算得到的最佳喷头数和管道沿程工作压力，与遗传算法相比更接近实验值。同时基于评价指标及影响因素研究，采用线性加权和法初步建立了轻小型喷灌机组多目标配置优化模型。
　　(4)机组能耗及均匀性影响因素田间试验研究
　　机组能耗及均匀性是机组综合评价中主要的环境指标和技术指标，分别反映机组运行状态及喷灌质量，且对机组配置参数的变化较为敏感。因此，采用田间试验的方法对机组能耗及均匀性影响因素及规律进行分析，对管道水力计算方法和优化方法进行验证，并对试验条件下特定喷灌机组的最优配置方式进行探讨。机组能耗影响因素研究结果表明，理论计算方法总体可行，但试验中当管径增大时，由于此时使水泵提供给喷头的工作压力增大，间接导致机组能耗上升，反映了水泵-管路-喷头间的协同作用，而理论方法对这一因素考虑不足。
　　喷灌均匀性影响因素研究结果表明，喷灌机组田间应用时，在风速＜2.7m/s（试验最大风速）的场合，可以采用矩形布置，喷头间距及支管间距适中，工作压力取低值以降低系统能耗，同时保证较高的均匀性。但在多风的场合，宜采用三角形布置，布置间距取小值，喷头工作压力维持在较高水平（对于15PY喷头），提高机组的抗风性能。喷灌机组能耗及均匀性影响因素之间都存在交互作用，实际应用需综合考虑。

目录

声明

摘要

主要符号说明

第一章 绪论

1．1 研究背景和目的

1．1．1 研究背景

1．1．2 研究目的

1．2 国内外研究现状

1．2．1 轻小型移动式喷灌机组现有机组型式

1．2．2 轻小型喷灌机组评价指标及评价方法现状

1．2．3 喷灌管道水力计算及优化方法

1．3 主要研究内容

1．4 研究方法和技术路线

第二章 低能耗多功能轻小型移动式喷灌机组设计

2．1 轻小型喷灌机组系列

2．1．1 机组参数

2．1．2 基本配置

2．2．3 存在的不足

2．2 移动固定多目标喷灌系统

2．2．1 系统组合模式

2．2．2 机组关键部件改进

2．3 组合式双支管多喷喷灌系统

2．3．1 系统构成

2．3．2 关键部件设计

2．4 管道配置方式拓展

2．5 本章小结

第三章 轻小型移动式喷灌机组单目标优化

3．1 机组优化数学模型

3．1．1 喷灌机组水力计算方法

3．1．2 约束条件

3．1．3 遗传算法优化

3．2 机组能耗最低为目标

3．2．1 单位能耗计算方法

3．2．2 能耗影响因素分析

3．3 机组成本最低为目标

3．3．1 年造价

3．3．2 年费用

3．3．3 总费用

3．3．4 生命周期成本(LCC)

3．4 喷灌均匀性最高为目标

3．4．1 喷灌均匀性计算公式

3．4．2 喷灌均匀性影响因素分析

3．5 操作时间最少为目标

3．6 本章小结

第四章 综合评价指标体系与方法

4．1 技术性指标

4．1．1 喷灌强度

4．1．2 喷灌均匀性

4．1．3 雾化指标

4．2 经济性指标

4．2．1 生命周期成本LCC

4．2．2 灌水时间

4．3 环境指标

4．3．1 单位能耗

4．3．2 灌水效率

4．4 社会指标

4．4．1 操作时间

4．4．2 可靠性

4．4．3 储存方便性

4．5 灰色关联度评价方法

4．5．1 灰色关联模型

4．5．2 权值确定方法

4．6 实例分析

4．7 本章小结

第五章 轻小型移动式喷灌机组多目标优化配置研究

5．1 轻小型喷灌机组管道水力设计方法

5．1．1 后退法

5．1．2 前进法

5．1．3 后退法与前进法相结合

5．2 优化方法比较

5．2．1 遗传算法

5．2．2 蚁群算法

5．3 多目标优化方法

5．3．1 多目标优化问题的数学模型

5．3．3 求解方法

5．4 本章小结

第六章 轻小型移动式喷灌机组多目标优化配置实例

6．1 单目标多种喷头配置对比

6．1．1 优化指标的选取

6．1．2 机组及喷头的选择

6．1．3 优化结果及讨论

6．2 机组多目标配置优化

6．2．1 子目标拟合公式

6．2．2 目标归一化及权重设置

6．2．3 计算结果与讨论

6．3 不同支管布置方式对比

6．3．1 支管布置选择依据

6．3．2 不同支管布置计算结果对比

6．4 机组规模拓展

6．4．1 项目区概况

6．4．2 机组选择及管道布置

6．4．3 性能计算及评价

6．5 本章小结

第七章 轻小型移动式喷灌机组田间试验研究

7．1 试验材料

7．1．1 研究对象

7．1．2 试验场地

7．1．3 试验设备

7．2 机组配置优化及能耗试验研究

7．21 试验目的

7．2．2 试验方案

7．2．3 测量结果与分析

7．3 喷灌均匀性影响因素研究

7．3．1 喷头工作压力的影响

7．3．2 喷头间距、管道布置、工作压力的综合影响

7．4 机组配置方式优选

7．5 本章小结

第八章 总结与展望

8．1 结论

8．2 展望

参考文献

攻读学位期间参加的研究项目和取得的科研成果

致谢