水泵變頻控制技術(shù)在梯田滴灌系統(tǒng)中的應(yīng)用

郭 銘

(遼寧江河水利水電新技術(shù)設(shè)計(jì)研究院，遼寧 沈陽 110003)

水泵變頻控制技術(shù)在梯田滴灌系統(tǒng)中的應(yīng)用

郭 銘

(遼寧江河水利水電新技術(shù)設(shè)計(jì)研究院，遼寧 沈陽 110003)

由于坡耕地高差變化范圍較大，坡耕地梯田恒壓滴灌系統(tǒng)一直存在局部超壓及灌水均勻度差等問題，為解決這一問題，采用分級(jí)變頻控制灌溉技術(shù)，通過調(diào)節(jié)水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速控制水泵壓力和流量，使整個(gè)滴灌系統(tǒng)在不同高程范圍內(nèi)都滿足設(shè)計(jì)要求。工程實(shí)例表明：與工頻控制灌溉相比，變頻控制灌溉提高了灌水質(zhì)量，可以滿足灌水均勻度的要求。

坡耕地；滴灌；灌水均勻度；變頻控制灌溉

近年來，節(jié)水灌溉工程在遼寧省快速發(fā)展[1-2]，2011—2015年共發(fā)展節(jié)水灌溉面積40萬hm2，其中，遼寧省西部在內(nèi)的絕大部分地區(qū)采用滴灌技術(shù)。水頭偏差率是滴灌工程設(shè)計(jì)中衡量灌水質(zhì)量的重要參數(shù)，對(duì)灌溉水利用效率和作物增產(chǎn)具有重要的影響。梯田地形高差變化較大，采用減壓閥等調(diào)控措施存在局限性，很難滿足水頭偏差率的設(shè)計(jì)要求?，F(xiàn)將變頻調(diào)速技術(shù)引入梯田滴灌系統(tǒng)，根據(jù)灌溉單元高程調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速，進(jìn)而對(duì)滴灌系統(tǒng)的入口壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，使灌溉單元滿足水頭偏差率要求。

近年來，一些學(xué)者對(duì)變頻灌溉技術(shù)進(jìn)行了研究，李治勤[3]等分析了變頻調(diào)速技術(shù)對(duì)微噴灌均勻度的影響，結(jié)果表明，變頻調(diào)速技術(shù)對(duì)微噴灌灌水均勻度具有顯著的改善作用。杜軍順[4]在分析了水泵和電動(dòng)機(jī)基本原理的基礎(chǔ)上，比較了幾種變頻調(diào)速方式，并提出了交口灌區(qū)的變頻調(diào)速節(jié)能運(yùn)行方案。何武全[5]等提出了一種變頻調(diào)速分級(jí)灌溉自動(dòng)控制系統(tǒng)，可以根據(jù)灌溉分區(qū)進(jìn)行分級(jí)自動(dòng)調(diào)壓供水灌溉，滿足灌水均勻度要求。上述研究在一定程度上解決了平地灌溉系統(tǒng)變頻調(diào)控的問題，但如何在坡耕地灌溉系統(tǒng)中應(yīng)用仍須進(jìn)一步研究。本研究分析了水泵變頻調(diào)速原理，采用變頻灌溉技術(shù)對(duì)不同高程的灌溉分區(qū)進(jìn)行壓力控制灌溉，以提高梯田灌水質(zhì)量。

1 水泵變頻調(diào)速原理

水泵揚(yáng)程和流量的調(diào)節(jié)可分兩種，即非變速調(diào)節(jié)和變速調(diào)節(jié)。非變速調(diào)節(jié)一般是通過節(jié)流，增大水泵運(yùn)行的阻力，進(jìn)而調(diào)節(jié)水泵運(yùn)行的揚(yáng)程和流量，但這種調(diào)節(jié)方式的缺點(diǎn)是能耗較高。變速調(diào)節(jié)通常比較方便及節(jié)能，主要方法是改變電機(jī)轉(zhuǎn)速、采用液力聯(lián)軸器或調(diào)換皮帶輪等。其中，改變電機(jī)轉(zhuǎn)速(即變頻調(diào)速)是被廣泛運(yùn)用的調(diào)節(jié)方法。水泵的變頻調(diào)速，主要是通過調(diào)節(jié)與水泵連接的電動(dòng)機(jī)的電源頻率來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，若水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速為n，電源頻率為f，則符合關(guān)系式(1)：

n=60f(1-s)/p

(1)

式中：n為電機(jī)轉(zhuǎn)速， r/min；f為交流電源的頻率，Hz；p為電機(jī)的磁極對(duì)數(shù)；s為電機(jī)的轉(zhuǎn)差率，%。

從式(1)中可以看出，若電機(jī)的磁極對(duì)數(shù)和轉(zhuǎn)差率保持不變，連續(xù)改變交流電源的頻率就可以連續(xù)改變電機(jī)轉(zhuǎn)速。

在水泵變頻調(diào)速運(yùn)行中，水泵轉(zhuǎn)速n與流量Q、揚(yáng)程H及功率N之間存在著如下關(guān)系：

(2)

(3)

(4)

式中：n、n′為水泵變頻調(diào)速前后轉(zhuǎn)速，r/min；Q、Q′為水泵變頻調(diào)速前后流量，m3/h；H、H′為水泵變頻調(diào)速前后揚(yáng)程，m；N、N′為水泵變頻調(diào)速前后功率，kW。式(2)～(4)反映了水泵在不同轉(zhuǎn)速條件下，當(dāng)工況相同或相似時(shí)各工作參數(shù)之間的變化關(guān)系，它是相似特性公式的特例，常稱之為比例率?？梢钥闯?，若改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，能夠調(diào)節(jié)水泵的揚(yáng)程和流量。

2 變頻調(diào)控及分級(jí)壓力等級(jí)的確定方法

確定滴灌系統(tǒng)分級(jí)壓力等級(jí)時(shí)，首先要確定系統(tǒng)設(shè)計(jì)允許水頭偏差率，在傳統(tǒng)滴灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上，將灌溉系統(tǒng)劃分成若干個(gè)灌溉分區(qū)，要求每一灌溉分區(qū)內(nèi)任意2個(gè)灌水器的工作水頭差必須在系統(tǒng)設(shè)計(jì)允許水頭偏差率范圍內(nèi)，即

(5)

式中：hmax為灌水器最大工作水頭，m；hmin為灌水器最小工作水頭，m；hd為灌水器設(shè)計(jì)工作水頭，m；hv為灌水器水頭偏差率，%。

根據(jù)《微灌工程技術(shù)規(guī)范》[6]，微灌系統(tǒng)灌水小區(qū)灌水器設(shè)計(jì)允許水頭偏差率可按下式計(jì)算：

[qv]≤20%

(6)

(7)

式中：qv為灌水器流量偏差率，%；x為灌水器流態(tài)指數(shù)。當(dāng)x取0.5，qv取20%時(shí)，灌水器水頭偏差率hv=41.2%

灌溉分區(qū)確定后，需要確定滴灌系統(tǒng)的壓力控制點(diǎn)，為了管理方便，選擇系統(tǒng)首部樞紐處為壓力控制點(diǎn)，根據(jù)滴灌系統(tǒng)布置方式和灌水器的設(shè)計(jì)水頭及設(shè)計(jì)流量，按照式(8)、(9)可以計(jì)算出各灌溉分區(qū)在壓力控制點(diǎn)的壓力等級(jí)值，即

Hi=hd+hik+Zi

(8)

(9)

式中：Hi為第i個(gè)灌水小區(qū)壓力控制點(diǎn)的壓力值，m；hik為第i個(gè)灌水小區(qū)灌水時(shí)最不利灌水器到壓力控制點(diǎn)處的水頭損失，m；Zi為第i個(gè)灌水小區(qū)灌水時(shí)最不利灌水器與壓力控制點(diǎn)的高程差，m；K為考慮局部水頭損失的擴(kuò)大系數(shù)，取1.1；fi為第j管段的摩阻系數(shù)；Li為第j管段的長(zhǎng)度，m；Qij為第i個(gè)灌水小區(qū)第j管段的流量，m3/s；Dj為第i個(gè)灌水小區(qū)第j管段的管徑，m；m為流量指數(shù)；b為管徑指數(shù)。

各灌水小區(qū)分級(jí)工作壓力等級(jí)值確定后，通過機(jī)井變頻調(diào)控技術(shù)調(diào)節(jié)水泵揚(yáng)程和流量，使分布在垂直方向的各輪灌組滿足水頭偏差率的要求，提高坡耕地灌水均勻度，同時(shí)降低超壓隱患，減少能耗。

3 工程實(shí)例

某梯田滴灌區(qū)形狀如圖1所示，每一級(jí)梯田寬約10 m，長(zhǎng)度約80 m，相鄰兩塊梯田高差約1 m，每塊梯田均設(shè)置梯田梗和溝坎，水源控制面積自上而下共設(shè)梯田36層，高差約36 m。滴灌系統(tǒng)干管位于作業(yè)路下，淺埋40 cm；干管長(zhǎng)度為396 m，管徑為110 mm；支管為地面管，長(zhǎng)度為10 m，管徑為63 mm；滴灌帶長(zhǎng)度為80 m，間距為1 m，管徑為16 mm；灌水器設(shè)計(jì)流量為1.38 L/h，間距0.3 m，管網(wǎng)布置如圖2所示。梯田灌區(qū)分為9個(gè)灌水小區(qū)，各小區(qū)控制高度范圍見表1。

圖1 梯田地形示意圖

圖2 滴灌區(qū)灌溉管網(wǎng)布置圖

灌水小區(qū)編號(hào)123456789控制高度范圍/m1～45～89～1213～1617～2021～2425～2829～3233～36

采用工頻控制灌溉時(shí)，由于坡耕地高程變化較大，高程較低處容易造成管網(wǎng)超壓，而工程較高處則容易出現(xiàn)壓力不足，很難滿足灌溉均勻度的要求。表2為工頻運(yùn)行時(shí)的壓差計(jì)算結(jié)果，從表2中可以看出，由于灌水小區(qū)1高程位置最低，工頻灌溉時(shí)灌水器工作水頭最大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過設(shè)計(jì)工作水頭，超壓嚴(yán)重；而灌水小區(qū)9高程位置最高，工頻灌溉時(shí)灌水器工作水頭達(dá)不到設(shè)計(jì)工作水頭，壓力不足。雖然各小區(qū)壓差滿足允許壓差要求，但整個(gè)系統(tǒng)壓差達(dá)到38.85 m，灌溉均勻度較差。

表2 工頻運(yùn)行時(shí)的壓差計(jì)算結(jié)果 m

采用變頻控制灌溉，根據(jù)灌溉分區(qū)不同高程范圍控制水泵流量和揚(yáng)程，使各分區(qū)滿足系統(tǒng)允許壓差要求。經(jīng)計(jì)算，變頻運(yùn)行時(shí)各灌溉分區(qū)壓差見表3。從表3中可以看出，9個(gè)灌水小區(qū)中，灌水小區(qū)2壓差最大為4.02 m，滿足允許壓差要求，整個(gè)滴灌系統(tǒng)壓差為4.10 m，也滿足允許壓差要求。

表3 變頻運(yùn)行時(shí)的壓差計(jì)算結(jié)果 m

4 結(jié) 論

(1)坡耕地滴灌系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，由于灌區(qū)高程變化較大，采用工頻運(yùn)行恒壓灌溉不能滿足整個(gè)灌區(qū)灌溉均勻度的要求。

(2)以傳統(tǒng)滴灌系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法為基礎(chǔ)，將灌區(qū)按照高程進(jìn)行分區(qū)，并計(jì)算不同分區(qū)的壓力等級(jí)，采用變頻調(diào)控技術(shù)實(shí)現(xiàn)變壓分區(qū)灌溉，使系統(tǒng)滿足灌水均勻度的要求。

(3)由實(shí)例分析可知，工頻和變頻兩種工況下小區(qū)壓差可以滿足設(shè)計(jì)要求，但工頻工況下系統(tǒng)壓差不能滿足設(shè)計(jì)要求，而變頻工況下系統(tǒng)壓差仍然滿足設(shè)計(jì)要求。

[1] 竇超銀,孟維忠.膜下滴灌在遼西半干旱區(qū)不同地形條件下的應(yīng)用研究[J].節(jié)水灌溉,2014(8):19-21.

[2] 竇超銀,孟維忠.控制灌溉在玉米大壟雙行膜下滴灌種植中的應(yīng)用研究[J].吉林農(nóng)業(yè)科學(xué),2014,39(1):16-19.

[3] 李治勤,袁聆釗,李國元.變頻調(diào)速技術(shù)在微噴灌中的應(yīng)用[J].節(jié)水灌溉,2005(1):21-23.

[4] 杜軍順.變頻器在交口灌區(qū)泵站的應(yīng)用與節(jié)能研究[D].西安：西安理工大學(xué),2007.

[5] 何武全,張華,何欣燁,等.變頻調(diào)速分級(jí)恒壓灌溉自動(dòng)控制系統(tǒng)及應(yīng)用[J].灌排機(jī)械工程學(xué)報(bào),2016,34(11):1003-1007.

[6] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.微灌工程技術(shù)規(guī)范：GB/T 50485-2009 [S]. 北京：中國計(jì)劃出版社，2009.

Application of the pump frequency control technique on the terrace drip irrigation system

Guo Ming

(Liaoning River Water Conservancy and Hydropower Design and Research Institute of New Technology, Shenyang 110003, China)

Due to the large variation of slope land height difference, the problems of local overpressure and poor irrigation uniformity always exist in the constant pressure drip irrigation system of the terraced fields on sloping land.To solve this problem, grading frequency control technique is used to control the pump pressure and the flow by adjusting the motor speed of the pump. So the whole drip irrigation system can meet the design requirements in different elevation ranges.The engineering example shows that the frequency control irrigation improves the irrigation quality and can satisfy the irrigation uniformity requirements compared with the power frequency control irrigation.

sloping farmland; drip irrigation; irrigation uniformity; variable frequency control irrigation

國家“十二五”科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2014BAD12B04)；遼寧省農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(2014212003)

郭 銘(1983-)，男，遼寧鞍山人，工程師，主要從事灌溉排水理論與技術(shù)研究工作。E-mail:guoming27@163.com。

S275.6

A

2096-0506(2017)07-0013-04