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噴灌系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備研制與產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展
噴灌系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備研制與產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展 1.引言
1.1 存在問題與發(fā)展趨勢
我國自上世紀(jì)七十年代中期引進(jìn)噴微灌技術(shù)并大力推廣應(yīng)用。至上世紀(jì)末,我國噴微灌設(shè)備生產(chǎn)已初具規(guī)模,用于農(nóng)田灌溉的主要噴微灌設(shè)備(如噴微灌專用管材、噴頭、微噴頭、滴頭、微灌帶、過濾器、施肥裝置、自吸式水泵等)已能自行開發(fā)生產(chǎn)并滿足國內(nèi)的需求,部分產(chǎn)品還有出口(如微噴頭、自吸式水泵)。
噴頭是影響噴灌灌水質(zhì)量的關(guān)鍵設(shè)備,世界主要發(fā)達(dá)國家一直致力于噴頭的改進(jìn)及研究開發(fā),發(fā)展趨勢是向多功能、節(jié)能、低壓方向發(fā)展。如美國先后開發(fā)出不同搖臂形式(水平搖臂、垂直搖臂)、不同仰角(7o、11o、15o、23o、27o)及適用于不同目的的多功能噴頭。我國目前生產(chǎn)上廣泛使用的噴頭為PY1、PY2、ZY-1和ZY-2,其中PY1、PY2已形成系列,除具有不同規(guī)格外,其噴頭仰角也有7o、15o、22.5o、30o等不同型號(hào)。由于此類噴頭為20世紀(jì)80年代初開發(fā)的產(chǎn)品,能量轉(zhuǎn)化率偏低,實(shí)測值尚不足80%,在噴灌工程中正逐漸被淘汰。ZY-1、ZY-2噴頭為20世紀(jì)80年代中期引進(jìn)奧地利鮑爾公司生產(chǎn)線生產(chǎn)的產(chǎn)品,實(shí)測能量利用率可達(dá)90%.近年來,隨著我國節(jié)水灌溉的發(fā)展,許多節(jié)水灌溉設(shè)備生產(chǎn)廠家紛紛對(duì)ZY-1、ZY-2噴頭進(jìn)行仿制或略加改進(jìn),如增加換向機(jī)構(gòu)、改進(jìn)噴頭仰角(一般增大)等,該產(chǎn)品成為我國目前使用的主流噴頭。盡管該產(chǎn)品品牌較多,但仍未形成系列化,且在防風(fēng)、多功能利用、低壓工作時(shí)的水量分布等方面存在缺陷。因此,需要開發(fā)新型節(jié)能噴頭系列及功能可調(diào)的噴頭系列,改進(jìn)噴頭性能,增加噴頭功能。
隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,城市化進(jìn)程的加快以及人們對(duì)生活質(zhì)量要求的提高,城市綠地大幅度增加,城市用水也隨之日趨緊張,綠地灌溉的節(jié)水要求日益迫切。因此,噴微灌技術(shù)在城市綠地中被廣泛應(yīng)用。但至2002年,我國城市噴微灌多采用農(nóng)田灌溉中所使用的噴頭。這些噴頭雖然也可以達(dá)到節(jié)水和良好的綠地灌溉效果,但影響綠地的景觀效果。當(dāng)時(shí),我國城市灌溉專用噴頭,百分之百是舶來品,沒有一家企業(yè)開發(fā)和生產(chǎn)城市灌溉專用噴頭。因此,急需開發(fā)性能優(yōu)良的城市綠地專用噴頭,滿足城市綠地灌溉既要節(jié)水、又要美觀的要求,探索我國城市綠地灌溉設(shè)備國產(chǎn)化的可能性和可行性。
我國使用的噴灌移動(dòng)管材主要有薄壁鋁管、薄壁鋼管和PE管等。其中薄壁鋼管由于加工缺陷、易腐蝕,已很少使用。薄壁鋁管盡管重量輕、耐用,是目前廣泛使用的噴灌移動(dòng)管道,但其生產(chǎn)成本偏高。而通過減小壁厚降低成本的方法會(huì)嚴(yán)重減弱產(chǎn)品的剛度,造成質(zhì)量下降。因此,急需研制新型金屬管道,使之既能滿足剛度與強(qiáng)度的需要,又能降低系統(tǒng)成本。
在噴灌配套管件方面,由于噴灌系統(tǒng)涉及到金屬、塑料、橡膠等多種材料,不同材料間的連接方式及其規(guī)格有所差異,導(dǎo)致噴灌系統(tǒng)的配套性和可靠性降低。因而,需研制標(biāo)準(zhǔn)化、系列化的噴灌用管件,提高系統(tǒng)的通用性和可靠性。
國家“十五”重大科技專項(xiàng)“田間固定式半固定式噴灌系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備及產(chǎn)品研制與產(chǎn)業(yè)化開發(fā)”以跟蹤當(dāng)代世界前沿技術(shù),提高我國噴灌技術(shù)和設(shè)備的現(xiàn)有水平為目標(biāo),針對(duì)制約噴灌發(fā)展的主要因素——投資大、能耗高、易受風(fēng)影響和存在蒸發(fā)漂移損失,研制開發(fā)新一代適合我國國情的噴灌技術(shù)和設(shè)備。在噴頭方面,研制開發(fā)節(jié)能、防風(fēng)的異形噴嘴噴頭、可調(diào)仰角和霧化程度的噴頭、短流道系列噴頭、園林專用噴頭及非圓形噴灑域噴頭等;在噴灌用管道方面,研制開發(fā)經(jīng)濟(jì)耐用的移動(dòng)管道。通過對(duì)噴灌設(shè)備的系統(tǒng)化和系列化研制,創(chuàng)制具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)和市場競爭力的低能耗多用途噴灌技術(shù)與新產(chǎn)品,縮短我國噴灌技術(shù)與國外的差距,推動(dòng)噴灌產(chǎn)品的升級(jí)換代,全面提升我國的噴灌技術(shù)水平。
1.2 國內(nèi)市場需求
噴灌技術(shù)是目前先進(jìn)的高效用水技術(shù)之一,也是可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的高新技術(shù),是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)的重要特征。美國1998年的噴灌面積占全部灌溉面積的47%.以色列到20世紀(jì)90年代初,噴灌占全部灌溉面積的30%.日本旱地灌溉幾乎全部采用噴灌。而我國至1998年底噴灌面積僅占有效灌溉面積的3%、占節(jié)水灌溉面積的10%,與先進(jìn)國家相比存在很大差距。
目前,制約我國噴灌發(fā)展的主要因素一是系統(tǒng)能耗高,二是易受風(fēng)影響,三為存在蒸發(fā)漂移損失。我國缺水的華北、西北及東北地區(qū)屬多風(fēng)、干燥地帶,早在20世紀(jì)70年代,西北地區(qū)的寧夏、甘肅等地就曾大力推廣噴灌技術(shù),但由于沒能很好地解決能耗、風(fēng)的影響及設(shè)備質(zhì)量等問題,到20世紀(jì)80年代幾乎全部不用。因此低能耗多功能噴頭的市場需求量較大,同時(shí)隨著精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)及多目標(biāo)利用的發(fā)展,對(duì)多功能噴頭的需求量也越來越大。
半固定式噴灌系統(tǒng)是現(xiàn)階段管道式噴灌發(fā)展的主要型式,移動(dòng)管道是半固定式噴灌系統(tǒng)的主要設(shè)備,據(jù)粗略估計(jì),移動(dòng)管道的年需求量在10000t左右,因此本課題擬開發(fā)的質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的新型移動(dòng)管道具有廣闊的潛在市場。
目前,我國園林及綠地使用的灌水器幾乎都是進(jìn)口產(chǎn)品,外國噴頭占據(jù)著我國園林噴灌的大部分市場,但進(jìn)口灌水器及配套設(shè)備價(jià)格昂貴,制約著節(jié)水型城市的建設(shè)。開發(fā)研制園林噴灌設(shè)備對(duì)改變外國產(chǎn)品一統(tǒng)天下的被動(dòng)局面,降低工程造價(jià)、促進(jìn)國內(nèi)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要意義。因此,噴灌設(shè)備應(yīng)用前景廣闊。
2.重大研究進(jìn)展
2.1 噴頭
2.1.1 園林用新型短流道噴頭
通過對(duì)國外典型短流道噴頭的流量、射程和水量分布進(jìn)行系統(tǒng)測試和剖析,發(fā)現(xiàn)影響噴頭能量轉(zhuǎn)化率的關(guān)鍵是噴頭和噴嘴的流道結(jié)構(gòu)。在對(duì)國內(nèi)外發(fā)展趨勢和市場前景充分分析基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了進(jìn)口直徑為10和15mm兩種規(guī)格的短流道噴頭。為了克服現(xiàn)有短流道噴頭噴嘴無法更換的缺陷,我們將噴頭設(shè)計(jì)成噴嘴可更換的形式。進(jìn)口直徑10mm的噴頭還具有扇形機(jī)構(gòu)和霧化程度調(diào)節(jié)裝置。對(duì)噴頭樣機(jī)的測試結(jié)果表明,其能量轉(zhuǎn)化率達(dá)到96%(表1),在現(xiàn)行噴灌工程技術(shù)規(guī)范規(guī)定的噴頭組合間距條件下,均勻系數(shù)(CU)可達(dá)到85%.噴頭水力性能指標(biāo)見表2.
表1 新型短流道噴頭的能量轉(zhuǎn)化率(進(jìn)口直徑10mm)
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