農(nóng)業(yè)水利泵站監(jiān)測信息系統(tǒng)及其泵站節(jié)能探討

郝相永

（甘肅省景泰川電力提灌水資源利用中心，甘肅 白銀 730400）

農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)是保證社會安定的基礎(chǔ)，更是國民糧食安全的重要保障。水是農(nóng)作物生長過程中最重要的資源之一，農(nóng)業(yè)水利泵站建設(shè)的主要目標(biāo)就是為我國的農(nóng)業(yè)種植活動提供良好的水資源。農(nóng)業(yè)水利泵站是水利工程的重要組成部分，其主要作用是通過將水資源進(jìn)行加壓處理，進(jìn)而實現(xiàn)供水和輸水的目的。現(xiàn)階段，我國大部分農(nóng)業(yè)水利泵站運(yùn)行效率低下且能源浪費嚴(yán)重，給國民經(jīng)濟(jì)的高速增長帶來了負(fù)面影響。因此，深入探討農(nóng)業(yè)水利泵站如何節(jié)能運(yùn)行、降低能耗以及提高運(yùn)行效率對農(nóng)業(yè)水利泵站的運(yùn)行管理具有重大意義。農(nóng)業(yè)水利泵站監(jiān)測信息系統(tǒng)是加強(qiáng)農(nóng)業(yè)水利泵站節(jié)能的有效手段，不僅實現(xiàn)了對泵站的實時監(jiān)測，還能提高泵站的能量利用率，因此開展農(nóng)業(yè)水利泵站監(jiān)測信息系統(tǒng)的研究很有必要。

1 農(nóng)業(yè)水利泵站監(jiān)測信息系統(tǒng)以及泵站運(yùn)轉(zhuǎn)原理

1.1 農(nóng)業(yè)水利泵站監(jiān)測信息系統(tǒng)

隨著信息化技術(shù)與智能化裝備行業(yè)的快速發(fā)展，農(nóng)業(yè)水利泵站監(jiān)測信息系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生[1]。在我國，農(nóng)業(yè)水利泵站運(yùn)轉(zhuǎn)的主要供應(yīng)能源是電能，所以建立的農(nóng)業(yè)水利泵站監(jiān)測信息系統(tǒng)的主要監(jiān)測目標(biāo)就是對電能的使用量進(jìn)行控制。針對電能能源特點，結(jié)合農(nóng)業(yè)水利泵站的運(yùn)作原理，使用真空絕緣測試設(shè)備、大數(shù)據(jù)技術(shù)、優(yōu)化數(shù)學(xué)模型和計算機(jī)算法等手段建立起農(nóng)業(yè)水利泵站監(jiān)測信息系統(tǒng)，并通過該系統(tǒng)實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)水利泵站電能的全面監(jiān)測。同時，可以通過該系統(tǒng)探究農(nóng)業(yè)水利泵站運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)械原理以及對傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)水利泵站的能量轉(zhuǎn)化率，為提高農(nóng)業(yè)水利泵站節(jié)能效果提供數(shù)據(jù)支撐，助推我國節(jié)能減排工作目標(biāo)的實現(xiàn)[2]。

1.2 農(nóng)業(yè)水利泵站的組成

常見的農(nóng)業(yè)水利泵站組成包括管道、進(jìn)水建筑物、出水建筑物、變電站建筑設(shè)備、動力裝置、水傳送設(shè)備、取水設(shè)備以及水泵房等[3]。本文主要研究農(nóng)業(yè)水利泵站變電站設(shè)備、水泵房、動力裝置三部分的節(jié)能措施，其他暫不做研究。

1.3 農(nóng)業(yè)水利泵站的運(yùn)轉(zhuǎn)原理

農(nóng)業(yè)水利泵站運(yùn)轉(zhuǎn)原理是對水資源進(jìn)行加壓處理，然后傳送至供水系統(tǒng)中，以滿足不同地區(qū)的需水要求。從能量轉(zhuǎn)化的角度來說，就是將水泵使用的電能轉(zhuǎn)化為推動水泵運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)械能，當(dāng)水資源的勢能增加到一定程度以后便能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離的傳送。農(nóng)業(yè)水利泵站的運(yùn)轉(zhuǎn)過程實質(zhì)上是水資源通過進(jìn)水建筑物，在水泵的作用下傳送至管道中，最后經(jīng)過管道完成對農(nóng)作物的澆灌的過程。

2 優(yōu)化農(nóng)業(yè)水利泵站節(jié)能效果的具體措施

2.1 實施區(qū)域灌溉

在傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)水利泵站運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，長時間供水是其主要的工作特點，通過管道運(yùn)輸?shù)姆绞綄⑺偷睫r(nóng)業(yè)灌溉區(qū)，并由農(nóng)業(yè)灌溉區(qū)實現(xiàn)對水資源的合理控制[4]。因此，根據(jù)泵站的運(yùn)轉(zhuǎn)模式與地區(qū)特點，可以采取區(qū)域灌溉的策略，定時、定期地對農(nóng)業(yè)灌溉區(qū)進(jìn)行區(qū)域化灌溉。通常情況下，同一個區(qū)域的農(nóng)作物面臨的氣候條件和土地狀態(tài)是相近的，所以對同一個區(qū)域進(jìn)行灌溉既能夠充分發(fā)揮水資源的優(yōu)勢，還能夠降低農(nóng)業(yè)水利泵站的能量消耗。然而，區(qū)域灌溉策略的順利開展需要依托當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)用地的使用面積和灌溉范圍。比如，在對某地進(jìn)行農(nóng)業(yè)灌溉時，可以根據(jù)當(dāng)?shù)氐膶嶋H地形狀態(tài)和實際土地區(qū)劃，將其設(shè)計成5個區(qū)域，保證每個區(qū)域的天氣條件和土地條件接近。在設(shè)計合理的前提條件下，采取區(qū)域灌溉策略對每個區(qū)域進(jìn)行定期、定時澆灌，這樣不僅能顯著提高電能的使用效率，也能夠保證對農(nóng)作物的澆灌質(zhì)量，提高農(nóng)業(yè)水利泵站的節(jié)能效果。區(qū)域灌溉策略的優(yōu)勢在于縮短泵站的運(yùn)轉(zhuǎn)時長，減少電能消耗，節(jié)約成本支出。

2.2 充分利用地形設(shè)計進(jìn)出水建筑

很多地區(qū)的農(nóng)業(yè)水利泵站浪費的電能比較多，是因為當(dāng)?shù)氐乃こ淘O(shè)施設(shè)計不是很合理。如果進(jìn)水建筑高于出水建筑，那么平時使用的電能就會相對較低；如果進(jìn)水建筑低于出水建筑，那么平時使用的電能就會相對較高。由于水資源具有流動性，如果在設(shè)計農(nóng)業(yè)水利泵站時能夠充分發(fā)揮出其流動性的自然優(yōu)勢，就能夠降低輸水過程中的電能消耗。

首先，針對未建的農(nóng)業(yè)水利泵站，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐牡匦?、地貌科學(xué)地設(shè)計進(jìn)水建筑物和出水建筑物。在設(shè)計過程中，應(yīng)該將出水建筑物設(shè)計得低于進(jìn)水建筑物，讓水資源在重力勢能的作用下自動進(jìn)入進(jìn)水建筑物，并通過水泵進(jìn)入出水建筑物[5]。而在此過程中，水泵只需要基礎(chǔ)的加壓與加速工作即可完成水資源的輸送，降低了水泵使用過程中的電能消耗，進(jìn)而實現(xiàn)節(jié)能目的。其次，針對已經(jīng)建設(shè)完成的農(nóng)業(yè)水利泵站，可以通過使用良好的管道設(shè)計來降低能量的消耗。比如通過優(yōu)化進(jìn)水管道設(shè)計來降低能量消耗，或優(yōu)化出水管道設(shè)計，在保證水壓的基礎(chǔ)上降低電能消耗[6]。當(dāng)然，最優(yōu)的方式是將優(yōu)化管道設(shè)計和進(jìn)出水建筑設(shè)計結(jié)合起來，這樣更能充分降低對電能的消耗。最后，針對已經(jīng)建好的農(nóng)業(yè)水利泵站，利用現(xiàn)有的進(jìn)水建筑和出水建筑改造以實現(xiàn)良好的節(jié)能目標(biāo)。

2.3 多個泵站聯(lián)合運(yùn)轉(zhuǎn)

在降低農(nóng)業(yè)水利泵站能源使用消耗量的基礎(chǔ)上，采取多泵站聯(lián)合運(yùn)轉(zhuǎn)的方式降低能耗。首先，一個農(nóng)業(yè)水利泵站的運(yùn)轉(zhuǎn)是有極限的，在最大功率情況下能夠供給的水資源有限，但是多個泵站聯(lián)合使用，能夠在低功率的條件下實現(xiàn)相對較好的供水效果和較大的供水面積目標(biāo)。在落實多泵站聯(lián)合運(yùn)轉(zhuǎn)工作的過程中，相關(guān)工作人員要檢測設(shè)備功率與供水狀態(tài)，保證多個農(nóng)業(yè)水利泵站低功率運(yùn)轉(zhuǎn)與單一農(nóng)業(yè)水利泵站大功率運(yùn)轉(zhuǎn)的能耗接近預(yù)定標(biāo)準(zhǔn)，再根據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)確定多個設(shè)備低功率運(yùn)轉(zhuǎn)供水的面積和水量。在測量完這兩個標(biāo)準(zhǔn)以后，設(shè)計多農(nóng)業(yè)水利泵站聯(lián)合運(yùn)轉(zhuǎn)的模型計劃，通過這種方式保證低能耗狀態(tài)下更多水量和更大面積的供水效果，同時能夠有效降低農(nóng)業(yè)水利泵站的用電量，降低能源消耗。此外，相關(guān)技術(shù)人員還要根據(jù)當(dāng)?shù)氐膶嶋H情況，選擇市場中較為可靠的傳感器來對泵站流量與泵站運(yùn)行過程中的耗能進(jìn)行監(jiān)測，結(jié)合檢測數(shù)據(jù)，利用計算機(jī)構(gòu)建計算模型，通過應(yīng)用算法，尋找適合泵站流量的最佳能源供應(yīng)計劃，進(jìn)而保證多個泵站聯(lián)合運(yùn)轉(zhuǎn)能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能的目標(biāo)，并滿足我國節(jié)能減排工作的各種要求[7]。在多個泵站聯(lián)合運(yùn)轉(zhuǎn)之后，設(shè)計人員以及泵站管理人員需要對運(yùn)轉(zhuǎn)過程中泵站的運(yùn)轉(zhuǎn)效率、目標(biāo)值以及節(jié)能效果進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄。

2.4 使用新型的水泵設(shè)備，制定定期巡檢計劃

在新型水泵設(shè)備的使用過程中，工作人員要合理地規(guī)劃定期巡檢計劃，保證能耗控制在合理水平范圍內(nèi)。隨著我國高新技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多成熟的技術(shù)能夠被應(yīng)用在農(nóng)業(yè)水利泵站的運(yùn)轉(zhuǎn)過程中?，F(xiàn)階段，有很多新型的節(jié)能水泵能夠?qū)崿F(xiàn)良好的灌溉效果。所以，在泵站的設(shè)計和建設(shè)過程中，可以選用節(jié)能效果良好的農(nóng)業(yè)水泵設(shè)備，以最低的電能消耗實現(xiàn)更佳的灌溉效果[8]。同時，可以制定定期巡檢計劃，對現(xiàn)有的水泵設(shè)備和運(yùn)轉(zhuǎn)過程進(jìn)行檢查。如果水泵設(shè)備出現(xiàn)故障，或者是運(yùn)轉(zhuǎn)過程中出現(xiàn)管道腐蝕等現(xiàn)象，會增加水泵設(shè)備的壓力，并加快水泵設(shè)備的電能消耗。因此，制定定期的巡檢制度，可以保證現(xiàn)有農(nóng)業(yè)水利泵站能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)，也能夠降低能耗，推動節(jié)能減排工作的落實。比如，在實際泵站建設(shè)過程中，能夠變頻潛水泵，利用變頻調(diào)速技術(shù)來實現(xiàn)良好的節(jié)能目標(biāo)。變頻調(diào)速水泵主要是利用變頻器來實現(xiàn)良好的水泵轉(zhuǎn)速控制，并結(jié)合實際的泵站流量特點控制能源的使用情況。其中，變頻器主要是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用來將工頻電源轉(zhuǎn)換為另一頻率的電能控制裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)對交流異步電機(jī)的軟啟動和變頻，進(jìn)而提高運(yùn)轉(zhuǎn)的精度，改變功率因數(shù)。同時，異步電動機(jī)的變頻調(diào)速主要是依靠改變定子的供電頻率來改變內(nèi)部旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)改變轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的目標(biāo)，所以不會產(chǎn)生任何附加的損耗，這樣也能在一定程度上實現(xiàn)節(jié)能的目標(biāo)和效果，這是一種相對理想的調(diào)速方法。因此，在水泵動力驅(qū)動的過程中，可以使用變頻器來對水泵功率進(jìn)行調(diào)節(jié)，在不需要水泵使用強(qiáng)動力驅(qū)動時，也可以使用變頻器來降低水泵功率，以實現(xiàn)節(jié)能的目標(biāo)。

2.5 完善的供電設(shè)計

完善的供電設(shè)計能有效地減少泵站運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的能源損耗，進(jìn)而能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能控制目標(biāo)起到促進(jìn)作用。因此，泵站運(yùn)維管理人員應(yīng)該重視供電設(shè)計的科學(xué)性以及合理性。例如，能夠使用目標(biāo)電耗控制技術(shù)來進(jìn)行供電設(shè)計。目標(biāo)電耗控制技術(shù)是指通過對農(nóng)業(yè)水利泵站供水系統(tǒng)中壓力、流量以及溫度等參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)管控，獲得系統(tǒng)輸出單位的電耗最低值，進(jìn)而制定出專項可行的水泵運(yùn)行監(jiān)管以及調(diào)速措施[9]。同時，借助變頻裝置來滿足不同電荷運(yùn)行期間的各種要求，如果變頻裝置的頻率達(dá)到50 Hz，那么應(yīng)該在水泵變頻器隨機(jī)運(yùn)行的過程中對工頻以及變頻進(jìn)行切換。在實際應(yīng)用目標(biāo)電耗技術(shù)的過程中，首先要使用先進(jìn)的檢測軟件，通過軟件以及設(shè)備對農(nóng)業(yè)水利泵站中的水泵運(yùn)行特征曲線進(jìn)行擬合處理，計算得到農(nóng)業(yè)水利泵站運(yùn)行過程中的實際功率、流量、設(shè)置功率、效率以及流量值等數(shù)據(jù)。同時，技術(shù)人員應(yīng)該結(jié)合水泵生產(chǎn)廠家提供的電機(jī)運(yùn)行效率以及電負(fù)荷量實際技術(shù)數(shù)值來對變頻器的功率進(jìn)行調(diào)整。根據(jù)目標(biāo)電耗控制原理，選擇不同水泵組合方式，對農(nóng)業(yè)水利泵站節(jié)能情況進(jìn)行系統(tǒng)分析。具體來說，應(yīng)該要求農(nóng)業(yè)水利泵站以全定速、一定一變和全變速3種方式運(yùn)行。在農(nóng)業(yè)水利泵站全定速工頻運(yùn)行的過程中，需要技術(shù)人員計算水泵在不同流量下的功率和效率，結(jié)合電機(jī)運(yùn)行效率和水泵效率來確定系統(tǒng)工作水平。在水利泵站一定一變運(yùn)行的過程中，要求一臺水泵進(jìn)行工作，其余水泵使用定頻工作，并計算出需要的單位電耗量。最后在全變速的農(nóng)業(yè)水利泵站運(yùn)行過程中，計算出相應(yīng)的電耗量。為了確保目標(biāo)電耗優(yōu)化改造結(jié)果研究工作的順利開展，應(yīng)該就改造后的農(nóng)業(yè)水利泵站能源消耗和原有能源消耗進(jìn)行比較，如果發(fā)現(xiàn)水泵運(yùn)行在偏離高效區(qū)的小流量區(qū)間中節(jié)能效果下降，技術(shù)人員應(yīng)該注意不能將額定轉(zhuǎn)數(shù)控制在50轉(zhuǎn)以內(nèi)，在系統(tǒng)最低流量仍低于定速運(yùn)轉(zhuǎn)要求時，應(yīng)該選擇組合節(jié)能手段來實現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)。

2.6 積極使用新能源

隨著我國科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，我國新能源開發(fā)和利用工作已經(jīng)逐漸緩解了我國能源緊缺的現(xiàn)狀。因此，為了充分保證農(nóng)業(yè)水利泵站的運(yùn)行效果和節(jié)能目標(biāo)，農(nóng)業(yè)水利泵站的運(yùn)管人員應(yīng)該積極使用新能源以降低泵站運(yùn)轉(zhuǎn)的能耗，促進(jìn)節(jié)能目標(biāo)的實現(xiàn)。充分利用農(nóng)業(yè)水利泵站的優(yōu)勢，在條件允許的范圍內(nèi)，充分利用水資源優(yōu)勢來實現(xiàn)水資源的發(fā)電和能源利用，進(jìn)而實現(xiàn)電能的自給自足。而針對水資源優(yōu)勢較小的農(nóng)業(yè)水利泵站，就需要結(jié)合當(dāng)?shù)毓庹?、氣候等自然條件發(fā)展風(fēng)力發(fā)電或者太陽能發(fā)電等節(jié)能模式，最大程度地滿足農(nóng)業(yè)水利泵站的用電需求[10]。如果在實際應(yīng)用新能源的過程中出現(xiàn)電能不穩(wěn)定或者電力資源不能充分滿足實際用電需求的情況，可以將新能源電能運(yùn)用在農(nóng)業(yè)水利泵站的運(yùn)轉(zhuǎn)電能系統(tǒng)的小系統(tǒng)中，例如只實現(xiàn)光照目標(biāo)，通過這種方式來切實提高節(jié)能效果。對于應(yīng)用新能源而產(chǎn)生過量電能的現(xiàn)象，可將其轉(zhuǎn)給國家用電機(jī)構(gòu)，進(jìn)而增加農(nóng)業(yè)水利泵站的經(jīng)濟(jì)效益，提高農(nóng)業(yè)水利泵站運(yùn)行水平和質(zhì)量。

3 結(jié)語

綜上所述，農(nóng)業(yè)水利泵站是保護(hù)我國農(nóng)業(yè)健康發(fā)展的重要組成部分之一，但由于其能源消耗較大，需要對農(nóng)業(yè)水利泵站節(jié)能效果進(jìn)行優(yōu)化和改革。在不影響農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)上，通過實施區(qū)域灌溉策略、充分利用地形設(shè)計進(jìn)水和出水建筑、多個泵站聯(lián)合運(yùn)轉(zhuǎn)、使用新型水泵設(shè)備、制定定期巡檢計劃、落實良好的供電設(shè)計、積極使用新能源等方式來降低農(nóng)業(yè)水利泵站的能耗，并充分推動我國節(jié)能減排工作的落實和開展。