淺析變頻技術(shù)對(duì)景電工程和灌區(qū)三農(nóng)的影響

張林虎，張全禮

（甘肅省景泰川電力提灌水資源利用中心，甘肅 景泰 730400）

1 景電工程概況

景泰川電力提灌工程（以下簡(jiǎn)稱景電工程）屬于甘肅省大型水利提灌工程項(xiàng)目，自身帶有高揚(yáng)程、多梯級(jí)、大流量等特征，地處甘肅省的中部地區(qū)，河西走廊的東部位置；北邊與騰格里沙漠相接，東邊與黃河相毗鄰，是接連石羊河以及黃河流域的重要水利工程，由景電一期工程、二期工程以及二期延伸向民勤調(diào)水工程三大組成部分構(gòu)成，其中景電一期是一個(gè)獨(dú)立的供水系統(tǒng)，景電二期和民勤調(diào)水工程共用一個(gè)提水系統(tǒng)[1]。本工程的設(shè)計(jì)提水流量是28.56 m3/s，泵站的建設(shè)數(shù)量是43座，實(shí)現(xiàn)270 000 kW的裝機(jī)容量，全長(zhǎng)2 422 km，能夠?qū)崿F(xiàn)1 496 km2的土地灌溉，是一項(xiàng)極為重要的水利工程項(xiàng)目，具有突出的建設(shè)意義與實(shí)際價(jià)值。

由于景電工程覆蓋的地理范圍較廣，各梯級(jí)泵站水流量存在不同程度的差異，平均達(dá)到了0.5 m3/s，導(dǎo)致各泵站為了能夠?qū)崿F(xiàn)水流控制目的不得不采取了各種技術(shù)手段，比如葉輪車削等，但是實(shí)際的應(yīng)用效果并不理想，仍然需要經(jīng)常性地對(duì)機(jī)組進(jìn)行開關(guān)機(jī)操作才能讓水流控制狀況得以有效改善。頻繁開關(guān)機(jī)組導(dǎo)致景電工程運(yùn)行成本居高不下，電力消耗也比較嚴(yán)重，嚴(yán)重影響了該工程的可持續(xù)發(fā)展。

根據(jù)操作日志記錄顯示，景電工程各泵站機(jī)組開停次數(shù)達(dá)到了800～900次/年，如果平均計(jì)算的話，該工程每天的機(jī)組啟停次數(shù)都超過十臺(tái)次。機(jī)組頻繁啟停對(duì)設(shè)備損害比較嚴(yán)重，最明顯的就是容易造成電極絕緣受到嚴(yán)重影響，造成故障隱患，導(dǎo)致故障發(fā)生幾率大增，同時(shí)也極大降低了機(jī)組使用壽命，會(huì)造成大量的能源消耗和成本投入。在這種狀況的影響下，景電工程每年都要對(duì)機(jī)組設(shè)備進(jìn)行大量的檢修，投入的成本和費(fèi)用呈現(xiàn)不斷增長(zhǎng)的趨勢(shì)。雖然在理論研究和實(shí)踐應(yīng)用上已經(jīng)取得了大量成果，整個(gè)體系也日趨成熟。特別是高壓變頻設(shè)備的應(yīng)用越來越廣泛，從原理和技術(shù)角度都具備了控制水泵出水量有效調(diào)控的條件，但是由于受到多種因素影響，黃河流域的大量類似泵站建設(shè)時(shí)都沒有應(yīng)用高壓變頻設(shè)備，導(dǎo)致重要的基礎(chǔ)技術(shù)數(shù)據(jù)缺乏，相應(yīng)參數(shù)體系不完備，對(duì)后續(xù)引入高壓變頻設(shè)備帶來了不利影響。

近年來景電工程結(jié)合自身需求并考慮黃河泥沙水質(zhì)的影響，積極在實(shí)踐中安裝應(yīng)用變頻設(shè)備，極大地提高了工程的運(yùn)作效率、降低了成本，并且很大程度讓機(jī)組安全運(yùn)行有了保障。

2 變頻技術(shù)對(duì)景電工程的貢獻(xiàn)

景電工程科學(xué)引入變頻技術(shù)以后，解決了工程中存在的諸多實(shí)際問題?，F(xiàn)階段，景電工程進(jìn)行項(xiàng)目的更新改造，采購(gòu)了一批高壓變頻器運(yùn)用于二期工程項(xiàng)目中，從實(shí)際看，該類高壓變頻器在景電工程中發(fā)揮了許多優(yōu)點(diǎn)，為工程的運(yùn)行做出了較大的貢獻(xiàn)。

2.1 調(diào)節(jié)各階段流量，優(yōu)化調(diào)度控制

水資源的合理利用、合理分配，泵站安全運(yùn)行是泵站調(diào)度管理的核心內(nèi)容，而泵站各方流量的平衡是調(diào)度工作的重中之重。高壓變頻技術(shù)的應(yīng)用，配合近年來泵站綜合自動(dòng)化操作系統(tǒng)，調(diào)度員通過實(shí)時(shí)的水位監(jiān)測(cè)，遠(yuǎn)程根據(jù)運(yùn)行實(shí)際對(duì)高壓變頻機(jī)組進(jìn)行頻率調(diào)節(jié)，讓運(yùn)行水位保持在合理區(qū)間，高壓變頻器的調(diào)頻精度一般設(shè)定為0.01Hz，其可以在規(guī)定范圍內(nèi)通過平滑方式進(jìn)行調(diào)整，有效調(diào)節(jié)泵站之間的流量不平衡問題，確保各級(jí)流量可以達(dá)到相互匹配的要求，也同樣改善了以往泵站水位調(diào)節(jié)的盲目性，高壓變頻技術(shù)的應(yīng)用是對(duì)泵站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的一個(gè)有力補(bǔ)充，對(duì)優(yōu)化調(diào)度操作和控制起到了積極的作用。泵站在設(shè)計(jì)階段由于對(duì)水位數(shù)據(jù)掌握不可能完全準(zhǔn)確，就會(huì)導(dǎo)致?lián)P程、機(jī)組運(yùn)行模式等的設(shè)計(jì)出現(xiàn)偏差，進(jìn)而會(huì)影響變頻范圍和流量控制范圍之間的契合度。所以，應(yīng)該在保證高效運(yùn)行的前提下，對(duì)頻率調(diào)整范圍進(jìn)行科學(xué)合理的設(shè)置，既要保證與泵站流量要求匹配，又能夠保證水泵始終工作在高效區(qū)。

2.2 減少資源浪費(fèi)、提高效率

變頻技術(shù)與高壓變頻器在水流調(diào)整階段內(nèi)廣泛應(yīng)用，其有助于實(shí)現(xiàn)最大化節(jié)能目標(biāo)。對(duì)比安裝前后數(shù)據(jù)，開停機(jī)頻率大幅度降低，系統(tǒng)總耗電量也出現(xiàn)大幅度下降，此外，在變頻設(shè)備器內(nèi)部濾波電容影響下，無功損耗得到了有效控制，這些都能夠促進(jìn)電網(wǎng)有功功率全面增長(zhǎng)。

變頻技術(shù)不僅可以改善泵站存在的資源利用率低等問題，同時(shí)還能夠提升整體運(yùn)行效益，合理控制物資損耗，避免產(chǎn)生嚴(yán)重噪聲，更為關(guān)鍵的是調(diào)水質(zhì)量、調(diào)水效率均得到不同程度地改善，而且年度調(diào)水量節(jié)能方面也有更為突出地表現(xiàn)。

2.3 提高運(yùn)行的安全性、可靠性

電動(dòng)機(jī)工頻全壓?jiǎn)?dòng)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和感應(yīng)電流都很大，其定子電流可達(dá)額定電流的5～7倍，電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)過程中動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩很大，拖動(dòng)系統(tǒng)的加速過程很快，頻繁啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)，對(duì)電動(dòng)機(jī)和水泵的機(jī)械部分沖擊很大，嚴(yán)重影響了電動(dòng)機(jī)和水泵的機(jī)械壽命及維修周期，在低頻環(huán)境下啟動(dòng)電機(jī)，不僅不會(huì)產(chǎn)生巨大熱量，而且絕緣老化速率也會(huì)全面下滑。高壓變頻調(diào)速啟動(dòng)，電機(jī)在啟動(dòng)過程中，高壓變頻器所輸出的頻率和電壓逐步增大，頻率和電壓上升到額定值的過程中，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速緩慢上升，啟動(dòng)電流也限定在一定的范圍內(nèi)，同時(shí)減小了啟動(dòng)過程中的動(dòng)態(tài)扭矩，啟動(dòng)平穩(wěn)，大大增加了電動(dòng)機(jī)和水泵的機(jī)械壽命，延長(zhǎng)了維修周期。另外在出水管道處，由于變頻機(jī)組的使用能夠有效降低水壓，減輕對(duì)管道的沖擊，避免了管道破裂。通過進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)在應(yīng)用了變頻調(diào)速技術(shù)后，泵站機(jī)組在高壓變頻器的控制下調(diào)水控制更加精準(zhǔn)，有效提高了機(jī)組運(yùn)行的安全性。

2.4 為實(shí)現(xiàn)“少人值守、無人值班”提供有力依據(jù)

在確定了變頻范圍并對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行嚴(yán)格設(shè)置后，調(diào)水變頻調(diào)速系統(tǒng)就能夠在設(shè)定變頻范圍內(nèi)進(jìn)入自動(dòng)化工作狀態(tài)，能夠始終保持標(biāo)準(zhǔn)的出水壓力，準(zhǔn)確控制水量，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)水流量管理，而且可以實(shí)現(xiàn)24 h不間斷地連續(xù)工作。在其運(yùn)作期間無需過多操作，只有在調(diào)度指令下達(dá)后對(duì)其相關(guān)參數(shù)值進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整就能保證調(diào)水精確性。從景電工程的實(shí)際應(yīng)用效果來看，經(jīng)過較長(zhǎng)時(shí)間的使用，其變頻調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用效果已經(jīng)得到明顯體現(xiàn)，能耗有了大幅度地降低，每年能夠減少超過百萬度的電能消耗。并且明顯減少了工頻電機(jī)的頻繁啟停，極大地降低了安全故障發(fā)生的概率，使得整個(gè)工程的調(diào)水效率得到了全面提升，推動(dòng)了工程節(jié)能目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

2.5 是泵站現(xiàn)代化、自動(dòng)化控制的重要環(huán)節(jié)

在泵站深入推廣變頻技術(shù)和高壓變頻器應(yīng)用的同時(shí)，計(jì)算機(jī)技術(shù)也不斷地被應(yīng)用到該領(lǐng)域，這就使得在變速調(diào)速技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)一步應(yīng)用PLC控制，提高自動(dòng)化水平有了技術(shù)支持和現(xiàn)實(shí)需求，使泵站作用得以充分發(fā)揮。從變頻調(diào)速系統(tǒng)本身來看已經(jīng)具備了大量?jī)?yōu)點(diǎn)，比如操作簡(jiǎn)單、性能可靠、抗干擾能力強(qiáng)、控制精準(zhǔn)等，同時(shí)也能夠?qū)崿F(xiàn)同時(shí)控制多臺(tái)水泵的目標(biāo)，基本上能夠完全解決傳統(tǒng)操作模式下無法避免的管網(wǎng)水錘效應(yīng)。另外在網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的支持下還可以利用該系統(tǒng)遠(yuǎn)程進(jìn)行水泵機(jī)房的數(shù)據(jù)維護(hù)和控制，極大地增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性，讓整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性得到明顯提升[2]。

3 景電工程應(yīng)用變頻技術(shù)對(duì)灌區(qū)三農(nóng)的影響

“風(fēng)沙不斷頭，十種九不收?！盵3]形象地道出了數(shù)十年前景泰川人的辛酸和無奈，他們?nèi)找古c黃河相望，卻受著干旱的煎熬?！八诘吞幜?，人在川上愁”，滾滾黃河奔流而去的壯觀景象相對(duì)比的是干涸枯死的莊稼。而到了今天，景泰川綠意盎然，一片片的莊稼長(zhǎng)勢(shì)喜人，鳥鳴蟬唱。把洪荒世界變成了希望田園，匯聚了很多人的努力，其中，景電工程在更新改造中應(yīng)用了高新技術(shù)起到了至關(guān)重要的作用。

3.1 增加農(nóng)民收入

水利灌溉工程為農(nóng)作物的生長(zhǎng)提供著必不可少的水分，是保證其健康生長(zhǎng)的必然要素，它不僅能夠促進(jìn)農(nóng)作物產(chǎn)量和質(zhì)量的提高，同時(shí)也給農(nóng)民增加經(jīng)濟(jì)收入提供了重要保障。景電工程的建設(shè)，為灌區(qū)帶來充沛的水源供給，推動(dòng)農(nóng)業(yè)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展與進(jìn)步，農(nóng)民的生活水平顯著提升。

六七十年代，景泰縣地區(qū)的農(nóng)民在一般年景，畝產(chǎn)多則百斤，少則幾十斤，遇到大旱，顆粒無收，或靠救濟(jì)艱難度日，或流落他鄉(xiāng)。景電工程興建后，工程效益顯著，使景泰川發(fā)生了翻天覆地的變化，截至目前，景電灌區(qū)能夠?qū)崿F(xiàn)的灌溉面積多達(dá)120萬畝，帶來245.99億元的直接經(jīng)濟(jì)效益，農(nóng)民持續(xù)創(chuàng)收，生活水平顯著提高。2018年,全縣農(nóng)民實(shí)現(xiàn)人均純收入9 100元，使灌區(qū)群眾致富奔小康。

3.2 提高農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)力、維護(hù)農(nóng)業(yè)生態(tài)平衡

節(jié)水灌溉項(xiàng)目可以緩解洪水、干旱和其他自然條件，有效降低惡劣天氣對(duì)農(nóng)業(yè)發(fā)展的影響；水利灌溉工程也在生活飲水安全、水土保持等方面發(fā)揮著重要作用；它可以調(diào)節(jié)土壤的溫度和濕度，也可以疏松土地、增加養(yǎng)分，改善水質(zhì)狀況，減少干旱、洪澇和水土流失給環(huán)境帶來的破壞。

景電工程建成后，除了提水灌溉直接作用，還逐漸對(duì)灌區(qū)內(nèi)的生態(tài)平衡起到良好的改善以及維持作用，對(duì)比工程建設(shè)之前的氣象情況來看，工程建設(shè)后，年均降水量提升201.6 mm，相對(duì)濕度升高是47%，風(fēng)速平均值減少2.4 m/s，年蒸發(fā)量水平下降是2 361 mm，整體灌區(qū)的小氣候水平顯著優(yōu)化[4]。

總之，景電工程建立后，嚴(yán)格治理土地鹽堿化、優(yōu)化用水空間格局、改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境，徹底改變了灌區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基本條件，為灌區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)創(chuàng)造良好的條件，有效提高了農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)能力和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)效益，百萬畝灌區(qū)與十余萬畝三北防護(hù)林帶連成一片，成為省城蘭州最大的生態(tài)屏障，也是騰格里沙漠南緣的一道綠色屏障。

3.3 助推美麗鄉(xiāng)村建設(shè)，服務(wù)鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略

黨的十八大以來，景電人按照甘肅省委省政府的布署，持續(xù)推動(dòng)生態(tài)文明的發(fā)展與建設(shè)，構(gòu)建更加完善的防洪減災(zāi)體系，積極開展精準(zhǔn)扶貧幫扶，先后結(jié)對(duì)幫扶白銀、武威、天水市的11個(gè)村，派駐駐村工作隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)6人、駐村第一書記9人、駐村干部21人，參與幫扶工作人員280多人，爭(zhēng)取和籌措各類資金500多萬元，用于幫扶村基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、生態(tài)環(huán)境改善、美麗鄉(xiāng)村建設(shè)、經(jīng)濟(jì)林建設(shè)等。實(shí)施鄉(xiāng)村振興以來，景電人更是牢記初心使命，積極響應(yīng)號(hào)召，精心組織，全力以赴，提升供水保障體系，發(fā)揮水利行業(yè)優(yōu)勢(shì)，完成項(xiàng)目更新改造資金16.58億元，改造泵站39座，改造機(jī)組221臺(tái)（套），改造干、支渠道176 km，進(jìn)一步改善了灌區(qū)供水條件，提升了供水保障水平，保證了農(nóng)作物適時(shí)適量灌溉，保障了灌區(qū)的生態(tài)平衡，為鄉(xiāng)村振興奠定良好的水利條件基礎(chǔ)。

實(shí)施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略,產(chǎn)業(yè)興旺是基礎(chǔ)，質(zhì)量興農(nóng)是關(guān)鍵,科技助力是保障[5]。在景電不懈的支持和幫助下，灌區(qū)最大的收益地區(qū)——景泰縣，推動(dòng)“絲路杞園·漁農(nóng)小鎮(zhèn)”的田園綜合體實(shí)現(xiàn)良好的發(fā)展與進(jìn)步，持續(xù)推動(dòng)農(nóng)家樂以及農(nóng)產(chǎn)品深加工等相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與建設(shè)，實(shí)現(xiàn)立體式、多方位的綜合性發(fā)展模式。為更好地利用水資源，全面推動(dòng)稻下經(jīng)濟(jì)以及有機(jī)水稻的發(fā)展與進(jìn)步，基于稻蟹綜合的產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì)，持續(xù)推動(dòng)稻米加工廠等相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)步伐，建設(shè)具有多產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì)的生態(tài)農(nóng)業(yè)基地，實(shí)現(xiàn)新型農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展目標(biāo)。

4 結(jié)束語(yǔ)

從實(shí)踐結(jié)果看出，高壓變頻技術(shù)在景電工程中的選用，對(duì)景電工程節(jié)能降耗起到了積極的作用，也對(duì)長(zhǎng)期存在的不同泵站水量不均衡問題得到了妥善解決，使工程處于穩(wěn)定運(yùn)作的同時(shí)也使整個(gè)運(yùn)行方式得到全面改善。綜上所述，景電工程廣泛應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)，使調(diào)水技術(shù)和能力得到顯著提升，讓原本貧瘠的不毛之地澆灌上了更多的黃河甘露，讓無邊的戈壁荒原蛻變?yōu)榱置Z豐的山川美景，為灌區(qū)的農(nóng)業(yè)發(fā)展、農(nóng)民創(chuàng)收以及鄉(xiāng)村振興提供了有效支撐。