柳玲玲

摘要：隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)環(huán)保節(jié)能的重視程度越來(lái)越高，在農(nóng)業(yè)灌溉中實(shí)施了噴灌、滴灌、微溉等諸多節(jié)水工程。為進(jìn)一步降低水資源消耗與電力消耗，水泵變頻恒壓技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。本文從該項(xiàng)技術(shù)的基本原理與常規(guī)控制方法入手，以甘肅省景電灌區(qū)灌溉試驗(yàn)站大棚滴灌工程為例，說(shuō)明了該項(xiàng)技術(shù)的具體應(yīng)用方法。

關(guān)鍵詞：泵站；水泵；變頻恒壓系統(tǒng)；節(jié)水灌溉

近年來(lái)，水資源的供需矛盾逐漸加深，嚴(yán)重制約著我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。而多數(shù)地區(qū)受自然條件限制難以開發(fā)新水源，因而需要從節(jié)約水資源入手。

其中，農(nóng)業(yè)灌溉對(duì)水資源的消耗較大，節(jié)水潛力較高。比如，甘肅中部的景電灌區(qū)灌溉面積為120萬(wàn)畝，但由于灌區(qū)海拔在1400～2000m，氣候差異大，年蒸發(fā)量達(dá)到3038.1mm，而降水量?jī)H為119.8mm，由此可見，其具有極高的節(jié)水潛力。因此，在農(nóng)業(yè)灌溉中應(yīng)用節(jié)水技術(shù)極為必要，水泵變頻恒壓技術(shù)可有效提升農(nóng)業(yè)灌溉的節(jié)水效果。

一、泵站水泵變頻恒壓系統(tǒng)的基本原理與常規(guī)控制方法

泵站水泵的變頻恒壓系統(tǒng)通常分為三部分：水泵機(jī)組、變頻調(diào)速裝置與傳感器。出水管道與進(jìn)水管道與水泵機(jī)組相連，傳感器與變頻調(diào)速裝置、出水管道相連。水泵機(jī)組在運(yùn)行中，出水管產(chǎn)生的壓力信號(hào)可傳輸至變頻調(diào)速裝置。若檢測(cè)的壓力低于設(shè)定壓力，調(diào)速裝置便會(huì)提高水泵機(jī)組的供電頻率，對(duì)水泵轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，提高管網(wǎng)中的供水壓力，此時(shí)，水泵的出水量將會(huì)增大。當(dāng)傳感器檢測(cè)到的壓力信號(hào)大于預(yù)先設(shè)定的閾值時(shí)，調(diào)速裝置便會(huì)降低電源頻率，使水泵轉(zhuǎn)速下降，管網(wǎng)中的水壓也會(huì)下降，進(jìn)而降低出水量。而水泵轉(zhuǎn)速的升高或降低均取決于預(yù)先設(shè)定的壓力閾值，通過(guò)傳感器的檢測(cè)對(duì)電源頻率進(jìn)行靈活調(diào)整，使壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力始終保持恒定，這便是變頻恒壓系統(tǒng)。

將水泵工頻運(yùn)行狀況下的水流量與壓力設(shè)置為Q0與H0，當(dāng)該系統(tǒng)的出水量由Q0下降為Q1時(shí)，若水泵機(jī)組仍然在工頻狀況下運(yùn)行，僅采用閥門對(duì)流量進(jìn)行調(diào)節(jié)，則水泵性能便不會(huì)產(chǎn)生變化。若改變水泵機(jī)組的工況，并將改變后的水流量與壓力設(shè)定為Q1與H1，此時(shí)，其軸功率如式（1）。

式（1）中的[N]為軸功率；[γ]代表水的重度；[μ]代表工況下水泵的效率。

若在其中加入變頻調(diào)速裝置，當(dāng)水泵機(jī)組流量減小時(shí)，便代表水泵出水管或進(jìn)水管處的壓力高于設(shè)定壓力H0。此時(shí)，變頻裝置便會(huì)降低電源頻率，降低水泵轉(zhuǎn)速。當(dāng)將水泵轉(zhuǎn)速降低至n1時(shí)，該系統(tǒng)的水流量為Q1，但其壓力仍然為H0，則此時(shí)的軸功率計(jì)算公式便需要將式（1）中的H1替換為H0。顯然，H0要小于H1，這便產(chǎn)生了節(jié)能效果，節(jié)能計(jì)算公式便需要將式（1）中的H1替換成（H1/H0）。進(jìn)一步計(jì)算，根據(jù)水泵比例定律可推導(dǎo)其節(jié)能量公式，具體如式（2）。

式（2）中的[N]為軸功率；[△N]為節(jié)能量，從式（2）的數(shù)量關(guān)系中可發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)的節(jié)能量與H1/H0存在密切聯(lián)系。

二、泵站水泵變頻恒壓系統(tǒng)在水利節(jié)水灌溉中的應(yīng)用

（一）工程概況

景電灌區(qū)位于甘肅省中部，為溫帶大陸性干旱氣候，降水較少，蒸發(fā)量較大。2021年，該地區(qū)降水量為119.8mm，但年蒸發(fā)量達(dá)3038.1mm，灌區(qū)海拔1400～2000m，整體氣候差異大。灌區(qū)灌溉面積達(dá)到120萬(wàn)畝，提水流量37.4m3/s，加大流量43.89m3/s，裝機(jī)容量30.6萬(wàn)千瓦。

該工程在原有雙閘泵前增加了一個(gè)電動(dòng)流量調(diào)節(jié)閥恒壓控制單元，變頻閥組布置圖如圖1所示。泵站內(nèi)原有兩臺(tái)雙閘泵，均為軸流泵，其中的一臺(tái)泵采用單水輪馬達(dá)，該水利節(jié)水灌溉工程覆蓋99個(gè)大棚，本文選擇其中具有代表性的6個(gè)進(jìn)行說(shuō)明，大棚具體位置如圖2。一號(hào)大棚內(nèi)部有77條毛管，每條毛管存在19個(gè)滴頭，總滴頭數(shù)量為1463個(gè)，整體長(zhǎng)度為38m。二號(hào)大棚內(nèi)部毛管數(shù)為90條，每條毛管存在21個(gè)滴頭，總滴頭數(shù)量為1890個(gè)，整體長(zhǎng)度為45m。三號(hào)大棚內(nèi)毛管數(shù)量為82條，每條毛管的滴頭數(shù)量為16個(gè)，總滴頭數(shù)量有1312個(gè)，整體長(zhǎng)度為41m。四號(hào)大棚內(nèi)有55條毛管，每條毛管的滴頭數(shù)量為17個(gè)，總滴頭數(shù)量為935個(gè)，整體長(zhǎng)度為28m。五號(hào)大棚存在146條毛管，每條毛管滴頭數(shù)量為18個(gè)，總滴頭數(shù)為2628個(gè)，整體長(zhǎng)度為73m。六號(hào)大棚有75條毛管，每條毛管存在16個(gè)滴頭，總滴頭數(shù)量為2628個(gè)，整體長(zhǎng)度為38m。

（二）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

水泵變頻恒壓系統(tǒng)可對(duì)泵站的控制程序進(jìn)行智能調(diào)節(jié)，使泵站工作效率和流量保持穩(wěn)定。同時(shí)，也可以確保其在工作中不會(huì)產(chǎn)生過(guò)熱、過(guò)載等問(wèn)題，保障了運(yùn)行的安全性。用戶需要控制泵站時(shí)，只需設(shè)定相應(yīng)的時(shí)間，便可對(duì)泵的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。恒壓系統(tǒng)不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)水泵參數(shù)的自動(dòng)調(diào)節(jié)，還可以監(jiān)控水泵的運(yùn)行狀態(tài)，一旦發(fā)生故障或其他特殊情況需要重新啟動(dòng)水泵時(shí)，便可對(duì)恒壓系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)控制。具體結(jié)構(gòu)如下：

1.壓力檢測(cè)裝置

變頻系統(tǒng)的工作壓力會(huì)隨著泵的運(yùn)行時(shí)間逐漸升高，因此，所需壓力也會(huì)隨著泵工作時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸增大。當(dāng)測(cè)量到泵的氣壓高于相應(yīng)設(shè)定值時(shí)，傳感器會(huì)將信號(hào)反饋給變頻器模塊，變頻模塊將此信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)送至水泵執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過(guò)電動(dòng)馬達(dá)帶動(dòng)水泵動(dòng)作，直至恒壓泵與變頻管道中的氣體壓力相等。因此，壓力檢測(cè)裝置在運(yùn)行過(guò)程中，可檢測(cè)到管網(wǎng)中液體壓力隨時(shí)間的變化情況，從而達(dá)到對(duì)管網(wǎng)壓力的動(dòng)態(tài)調(diào)控效果。

2.恒壓比例閥

在水泵變頻恒壓系統(tǒng)的壓力檢測(cè)裝置中，使用一種恒壓比例閥。該閥通過(guò)調(diào)節(jié)PID控制方式，可實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力和流量的自動(dòng)調(diào)節(jié)目標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)壓力監(jiān)控功能。PID控制是一種智能化的控制方法，它通過(guò)計(jì)算機(jī)控制軟件生成一組簡(jiǎn)單、有效的數(shù)據(jù)模型，以時(shí)間序列的方式計(jì)算出流量和水泵轉(zhuǎn)速、揚(yáng)程等重要參數(shù)，并在適當(dāng)?shù)臏囟认伦詣?dòng)恒壓。而為了實(shí)現(xiàn)該機(jī)制，需要對(duì)PID控制器的參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，在PID控制過(guò)程中，要考慮到水泵運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的狀態(tài)變化和運(yùn)行流量與PID控制方案之間的匹配關(guān)系。

3.壓力控制回路

壓力控制回路的組成主要包括三個(gè)部分：壓力檢測(cè)單元、壓力調(diào)節(jié)單元和減壓?jiǎn)卧?，每個(gè)部分又分別對(duì)應(yīng)著不同的功能。壓力檢測(cè)單元主要負(fù)責(zé)檢測(cè)水泵在各個(gè)子系統(tǒng)內(nèi)是否存在故障，一旦有異常情況，便立即停機(jī)調(diào)整。壓力調(diào)節(jié)單元主要負(fù)責(zé)對(duì)壓力進(jìn)行調(diào)整，并監(jiān)控各個(gè)子系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，確保機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定（不會(huì)出現(xiàn)流量波動(dòng)）。減壓?jiǎn)卧煞乐箼C(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生嚴(yán)重的安全隱患，其作用是當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障或停機(jī)時(shí)快速減壓。

4.系統(tǒng)自檢

當(dāng)水位傳感器檢測(cè)到水位下降后，就可以啟動(dòng)壓力檢測(cè)裝置，對(duì)泵的各子系統(tǒng)進(jìn)行壓力檢測(cè)和壓力控制。水位升高后，壓力檢測(cè)裝置就會(huì)通過(guò)自動(dòng)換向器，把水泵運(yùn)行時(shí)各個(gè)子系統(tǒng)中產(chǎn)生的實(shí)際壓降進(jìn)行轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)水泵的正常運(yùn)行。當(dāng)設(shè)備內(nèi)部發(fā)生故障時(shí)，輸出電壓會(huì)不穩(wěn)定。此時(shí)，水泵運(yùn)行時(shí)便會(huì)有很多電脈沖傳入設(shè)備內(nèi)部。為了保證工作正常進(jìn)行，同時(shí)避免出現(xiàn)故障點(diǎn)，需要對(duì)水泵的各個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行檢查并判斷是否存在問(wèn)題。比如，當(dāng)發(fā)現(xiàn)設(shè)備內(nèi)部線路出現(xiàn)問(wèn)題，或該設(shè)備有漏電現(xiàn)象時(shí)，需要及時(shí)更換。

（三）系統(tǒng)具體應(yīng)用方法

1.泵的調(diào)節(jié)

泵運(yùn)行一段時(shí)間后，應(yīng)對(duì)電機(jī)進(jìn)行開關(guān)量調(diào)整。為了達(dá)到與泵轉(zhuǎn)速一致的目的，采取控制策略實(shí)現(xiàn)電機(jī)啟停和轉(zhuǎn)矩保持。泵啟動(dòng)時(shí)，每臺(tái)泵的運(yùn)行速度固定為1000r/min，電機(jī)啟動(dòng)時(shí)為1000r/min；水泵轉(zhuǎn)矩保持過(guò)程中，在某段調(diào)速周期內(nèi)，泵啟動(dòng)后不再改變?cè)瓉?lái)的運(yùn)行速度。當(dāng)泵運(yùn)行時(shí)間達(dá)到最長(zhǎng)時(shí)，可通過(guò)減小電機(jī)負(fù)載、改變水泵負(fù)載變化率調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速；當(dāng)泵轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定在最大值時(shí)，應(yīng)立即停止泵運(yùn)行；當(dāng)泵開啟或關(guān)閉時(shí)，水泵轉(zhuǎn)速均保持不變。泵啟動(dòng)和關(guān)閉后，可以通過(guò)調(diào)節(jié)水泵負(fù)載，調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速和電機(jī)負(fù)荷。

2.恒壓控制器的選擇

電動(dòng)流量調(diào)節(jié)閥為變頻閥組提供了恒定輸入、輸出壓差的控制流量調(diào)節(jié)閥組。從調(diào)速原理上講，調(diào)速閥可分為手動(dòng)調(diào)速和自動(dòng)調(diào)速。手動(dòng)調(diào)速閥開啟運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，電機(jī)功率大，恒壓速度快，考慮設(shè)備所處環(huán)境對(duì)泵的影響，需要與環(huán)境相適應(yīng)；自動(dòng)調(diào)速閥可根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)自動(dòng)調(diào)節(jié)壓力和功率。從節(jié)能的角度出發(fā)，變頻設(shè)備的節(jié)能效果最明顯；由于恒壓控制器在泵站恒壓狀態(tài)下運(yùn)行（電動(dòng)機(jī)不工作），且泵在運(yùn)行過(guò)程中，需要調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速、電機(jī)功率等，使系統(tǒng)得到恒定的輸入、輸出壓差。因此，電動(dòng)流量調(diào)節(jié)閥恒壓控制單元的主要功能，就是通過(guò)調(diào)整水泵電機(jī)的所處環(huán)境與參數(shù)，對(duì)泵進(jìn)行恒壓調(diào)節(jié)。

3.變頻控制方法

變頻恒壓控制器主要由開關(guān)量反饋控制模塊、逆變器和信號(hào)處理模塊組成，其中，開關(guān)量反饋控制模塊可以實(shí)現(xiàn)開關(guān)量的控制，信號(hào)處理模塊可實(shí)現(xiàn)反饋控制。該功能模塊為單脈沖電流反饋模型，可對(duì)泵在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的恒變電流進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。該功能模塊可較好地解決變速裝置在恒壓過(guò)程中產(chǎn)生的電壓波動(dòng)和功率損耗問(wèn)題；電流與功率損耗均較大的定子繞組，不受電流峰值影響；可降低電能損耗和電壓波動(dòng)；具有很好的調(diào)速性能。將該功能模塊應(yīng)用到泵站水泵變頻恒壓系統(tǒng)中，當(dāng)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩達(dá)到規(guī)定值后，水泵自動(dòng)進(jìn)入恒溫狀態(tài)；當(dāng)輸出轉(zhuǎn)矩低于規(guī)定值時(shí)，泵機(jī)自動(dòng)停機(jī)；以節(jié)能為目的，在定子繞組兩端加電阻后，在電機(jī)輸入端施加恒壓電流，達(dá)到規(guī)定值后，可直接退出變頻器狀態(tài)，再進(jìn)入恒壓狀態(tài)。

（四）運(yùn)行效果對(duì)比

該工程利用上述系統(tǒng)后，運(yùn)行效果對(duì)比如表1。通過(guò)表中的數(shù)據(jù)可以看出，無(wú)論是工頻運(yùn)行狀況下，還是變頻運(yùn)行狀況下，滴灌均勻度均不會(huì)造成較大影響。由此證明，該系統(tǒng)的應(yīng)用并不會(huì)影響大棚滴灌工程的節(jié)水效果，但兩者運(yùn)行過(guò)程中的耗電量卻存在較大差別。

當(dāng)同時(shí)開3棚或開1棚工作時(shí)，若想提高滴灌均勻度，需要關(guān)閉水泵出口閥門。當(dāng)水泵處于變頻工況時(shí)，工作人員只需調(diào)節(jié)設(shè)定壓力即可。如此，便可最大限度地提高電能與水資源的利用率，由此體現(xiàn)出恒壓變頻系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。在工況運(yùn)行狀況下，當(dāng)水泵出口揚(yáng)程增大時(shí)，其耗電量大幅減小。這意味著，其水流量也在減小。而在變頻運(yùn)行狀態(tài)下，隨著變頻揚(yáng)程的增大，水流也在增加，耗電量也在增長(zhǎng)。這意味著，變頻工況下，工作人員可以通過(guò)調(diào)節(jié)電源頻率控制滴灌過(guò)程消耗的水資源速度，極大地降低了農(nóng)業(yè)灌溉的勞動(dòng)強(qiáng)度。

從經(jīng)濟(jì)的角度來(lái)看，按照此大棚滴灌工程每年需要工作11個(gè)月、每月滴灌時(shí)間為20天、每天滴灌時(shí)間為18h計(jì)算，一年可節(jié)省約8300度電。按照0.4元/度計(jì)算，每年可節(jié)省3320元。該數(shù)據(jù)是根據(jù)6個(gè)大棚計(jì)算出來(lái)的，此工程有99個(gè)大棚，應(yīng)用該系統(tǒng)后，保守估計(jì)每年可省53000余元。而當(dāng)前市場(chǎng)中變頻調(diào)節(jié)裝置的價(jià)格在2萬(wàn)元左右。因此，該系統(tǒng)的應(yīng)用可有效降低該節(jié)水工程的成本，提高經(jīng)濟(jì)收益。

三、結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，恒壓變頻系統(tǒng)可有效節(jié)約灌溉工程的耗電量。本文從其基本原理與常規(guī)控制方法入手，以甘肅省某示范園區(qū)的大棚滴灌節(jié)水灌溉工程為例，說(shuō)明了此工程應(yīng)用的恒壓變頻系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)與應(yīng)用方法，并與以往的工頻運(yùn)行情況進(jìn)行了對(duì)比，對(duì)應(yīng)用系統(tǒng)產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行了分析。

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