灌溉系统的保护装置

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　我国是一个水资源严重短缺的国家，人均水资源占有量排在世界109位，仅为世界平均水平1/4。随着经济的发展，农业供水矛盾日益突出，干旱缺水成为制约我国农业发展的重要因素。因此，国家领导和全民根据国情提出多种节水灌溉模式，以解决农业发展的危机。

　　针对北方地区，农业缺水更加严重，人均水资源略占南方的1/4，从1998-2000年，国家共投资2000多亿搞农田水利建设，初步发挥了其作用，缓解农业用水矛盾。但其中也出现不少问题，其中犹为突出是：缺少必要的保护装置、管理不善。仅缺少保护装置这一项，仅河北省每年要报废1000多台潜水泵及其配套的输水管道和设备，使其不能发挥其应有的节水优势。 　　为了确定灌溉系统正常运行，系统中必须安装必要的控制、测量、保护装置。如阀门、压力调节器、压力表、安全阀、逆止阀、进排气阀等，下面阐述保护装置的工作原理及选用标准一一述之。 1、 启动设备 　　电动机启动时电流很大，有时超过额定电流5-7倍，这样大的电流长时间通过电机绕组会将其烧坏，而且还会使电网降压很大而影响其他电器设备运行。因此采用启动设备以降低电动机电流，从而保护泵的电动机和保证其他电器设备正常进行，有三种方式。 　　a.直接启动：当电机功率小于7.5KW或电动机容量与变压器容量之比小于35%时。 　　b.降压启动：当电动机功率大于7.5KW或电动机容量与变压器容量之比大于35%时，采用星型、三角型启动器，或自耦变压启动器。 　　c.电器控制箱：包括电动机降压启动设备、短路、单项运转、三项过流、反转保护装置与仪器等。其动作灵敏可靠，容易调整，其操作安装安全方便，是潜水泵理想电器配套设备。 2、 阀门 　　用以控制管道的启闭与调节流量，进而控制管道压力。灌溉系统基本采用低压阀门，常用有闸阀、蝶阀、截止阀等，目前首部采用法兰联结方式为多。 3、逆止阀（拍门） 　　逆止阀又叫止回阀，是一种根据前后的压差而自动启闭的阀门， 　　它使水沿单方向流动，反方向流动时则自动关闭。通常在水泵出水口安装逆止阀，以避免停机时水倒流冲击水泵叶轮长时间反转，造成潜水泵非正常磨损，减少寿命。在怀来县二堡子村大田喷灌工程中由于缺少逆止阀，导致管道形成负压遭到破坏。 　　以一静水位：H₀=35m计 管径为（外径）：D=110mm 　　流量：Q=40m³/h流速：v=1.33m/s 　　管道长度：L=500m为例说明其危害 　　·冲击方面影响 　　冲击波传播速度：a=a₀/（1+K*D/（E*D/2））^1/2=304.1m/s 　　关闭时间：Ts=2*L/a=3.3s一般情况下大于5s不予考虑 　　任意流速断面的过水能量方程：p₁=40m，p₂=10m， Z1=Z2 　　Z1+ p₁/γ+v₁²/2g=Z2+p₂/γ+ v₂²/2g 　　求出V₂=24m/s，可见高速反冲水泵叶轮。 　　最高逆转速：Nmax=K3*K5*P5*N₀=1.7N₀ 　　·水锤 　　由于管道内压力水的流速急剧变化，而引起管道中水压力突然增高或降低这种现象叫做水锤现象。 　　按产生原因分关闭水锤，空管启动水泵排气不畅启动水锤，停泵水锤，经常造成管道破裂。 　　按薄壁管计算ρ₀=101000N/m2 　　阀门口最大水锤压力：Hmax=H0-Z+K2*K4*P3=440m 　　管道中点处最大水锤压力：H¹max=Hc+Z¹+K2*K4*P1*H0=180m 　　其中参数P3、P4、P5、Z、Z¹、K2、K3、K4、K5见参考文献。 　　·选取标准 　　① 当系统中未设单项阀时，应验算其最高反转速作为检验水锤依据，以确定管道设计压力（额定工作压力的1.25倍） 　　② 管道中点出现的最低压力Hmin值是否低于该处的汽化压力，如果低于，则出现水柱分离现象。 4、进排气阀 　　能够自动进气和排气，有一定压力能自动关闭。管道输水时在最高位置和隆起地方会积累一部分空气。一方面影响过水面积；另一方面水流速度大，又会带动一部分空气在管内流动，发生水力冲击。 　　安装在最高处进排气阀可迅速排除空气，停泵或关阀时又能迅速补充空气，减少造成对设备和管道的危害。 　　喷灌常用型号为KQ42X-10（12） 5、安全部件 　　①安全阀 上开式安全阀作用是当管道的水压力生高时自动开放，以防止水锤事故，一般通过泻水完成。 上开式安全阀主要有弹簧式和杠杆式，常见为弹簧式。 　　③ 流量调节阀 　　通过自动改变过水断面的大小来调节流量。 　　③减压阀 　　类似于流量调节阀，用于保证管道内工作压力在设计范围内。 6、过滤器 　　微灌中灌水器出水口在运行一段时间后容易被污物、杂质、沉淀物堵塞，影响工程总体效益发挥。因此对灌溉水源进行严格净化处理，是微灌系统正常运行，延长灌水器寿命的保证。 　　常用几种形式： 　　①旋流式水砂分离器（离心式） 　　适用于：含砂量高的水初级过滤。 　　特点：不能除去与水比重相近和比水轻的有机质等杂质，水泵启动和停机时效率下降；水头损失大。 　　② 砂石过滤器    适合于：有机物。    特点：成本高，清洗不方便。 　　③ 筛网式过滤器    适用于：过滤粉粒、沙和水垢等污物。    特点：比较常见且种类繁多，有机含量高时，有机物堵塞“挤出”网进入管道造成堵塞。 　　④ 叠片式过滤器：带沟槽塑料圆片过滤器。 7、量测设备     压力表是灌溉系统中不可缺少的量册仪器，可反映系统是否按设计正常运行。特别是过滤器前后的压力表，反映过滤器堵塞程度及何时需要清洗的指示器。 参考文献： 1.《水力学》高等教育出版社.1983.6吴持恭主编 2.《喷灌与微灌设备》中国水力水电出版社1999.3.郑耀全、李光永等 3.《潜水电泵的使用与维修》机械工业出版社1995.李世辉等 4.《节水灌溉—喷灌系统水锤及其预防》2001.2慕在华 作者：郑  成  海    助理研究员       刘  伊  明    助理研究员 邮政编码：050051 单位：国家半干旱农业工程技术研究中心 地址：河北省石家庄市和平西路598号