水泵變頻控制技術在梯田滴灌系統中的應用

郭 銘

(遼寧江河水利水電新技術設計研究院，遼寧 沈陽 110003)

水泵變頻控制技術在梯田滴灌系統中的應用

郭 銘

(遼寧江河水利水電新技術設計研究院，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，采用分級變頻控制灌溉技術，通過調節水泵電機轉速控制水泵壓力和流量，使整個滴灌系統在不同高程范圍內都滿足設計要求。工程實例表明：與工頻控制灌溉相比，變頻控制灌溉提高了灌水質量，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，節水灌溉工程在遼寧省快速發展[1-2]，2011—2015年共發展節水灌溉面積40萬hm2，其中，遼寧省西部在內的絕大部分地區采用滴灌技術。水頭偏差率是滴灌工程設計中衡量灌水質量的重要參數，對灌溉水利用效率和作物增產具有重要的影響。梯田地形高差變化較大，采用減壓閥等調控措施存在局限性，很難滿足水頭偏差率的設計要求。現將變頻調速技術引入梯田滴灌系統，根據灌溉單元高程調節水泵轉速，進而對滴灌系統的入口壓力進行調節，使灌溉單元滿足水頭偏差率要求。

近年來，一些學者對變頻灌溉技術進行了研究，李治勤[3]等分析了變頻調速技術對微噴灌均勻度的影響，結果表明，變頻調速技術對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機基本原理的基礎上，比較了幾種變頻調速方式，并提出了交口灌區的變頻調速節能運行方案。何武全[5]等提出了一種變頻調速分級灌溉自動控制系統，可以根據灌溉分區進行分級自動調壓供水灌溉，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變頻調控的問題，但如何在坡耕地灌溉系統中應用仍須進一步研究。本研究分析了水泵變頻調速原理，采用變頻灌溉技術對不同高程的灌溉分區進行壓力控制灌溉，以提高梯田灌水質量。

1 水泵變頻調速原理

水泵揚程和流量的調節可分兩種，即非變速調節和變速調節。非變速調節一般是通過節流，增大水泵運行的阻力，進而調節水泵運行的揚程和流量，但這種調節方式的缺點是能耗較高。變速調節通常比較方便及節能，主要方法是改變電機轉速、采用液力聯軸器或調換皮帶輪等。其中，改變電機轉速(即變頻調速)是被廣泛運用的調節方法。水泵的變頻調速，主要是通過調節與水泵連接的電動機的電源頻率來調節轉速，若水泵電機的轉速為n，電源頻率為f，則符合關系式(1)：

n=60f(1-s)/p

(1)

式中：n為電機轉速， r/min；f為交流電源的頻率，Hz；p為電機的磁極對數；s為電機的轉差率，%。

從式(1)中可以看出，若電機的磁極對數和轉差率保持不變，連續改變交流電源的頻率就可以連續改變電機轉速。

在水泵變頻調速運行中，水泵轉速n與流量Q、揚程H及功率N之間存在著如下關系：

(2)

(3)

(4)

式中：n、n′為水泵變頻調速前后轉速，r/min；Q、Q′為水泵變頻調速前后流量，m3/h；H、H′為水泵變頻調速前后揚程，m；N、N′為水泵變頻調速前后功率，kW。式(2)～(4)反映了水泵在不同轉速條件下，當工況相同或相似時各工作參數之間的變化關系，它是相似特性公式的特例，常稱之為比例率。可以看出，若改變電機轉速，能夠調節水泵的揚程和流量。

2 變頻調控及分級壓力等級的確定方法

確定滴灌系統分級壓力等級時，首先要確定系統設計允許水頭偏差率，在傳統滴灌系統設計方法的基礎上，將灌溉系統劃分成若干個灌溉分區，要求每一灌溉分區內任意2個灌水器的工作水頭差必須在系統設計允許水頭偏差率范圍內，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為灌水器設計工作水頭，m；hv為灌水器水頭偏差率，%。

根據《微灌工程技術規范》[6]，微灌系統灌水小區灌水器設計允許水頭偏差率可按下式計算：

[qv]≤20%

(6)

(7)

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

灌溉分區確定后，需要確定滴灌系統的壓力控制點，為了管理方便，選擇系統首部樞紐處為壓力控制點，根據滴灌系統布置方式和灌水器的設計水頭及設計流量，按照式(8)、(9)可以計算出各灌溉分區在壓力控制點的壓力等級值，即

Hi=hd+hik+Zi

(8)

(9)

式中：Hi為第i個灌水小區壓力控制點的壓力值，m；hik為第i個灌水小區灌水時最不利灌水器到壓力控制點處的水頭損失，m；Zi為第i個灌水小區灌水時最不利灌水器與壓力控制點的高程差，m；K為考慮局部水頭損失的擴大系數，取1.1；fi為第j管段的摩阻系數；Li為第j管段的長度，m；Qij為第i個灌水小區第j管段的流量，m3/s；Dj為第i個灌水小區第j管段的管徑，m；m為流量指數；b為管徑指數。

各灌水小區分級工作壓力等級值確定后，通過機井變頻調控技術調節水泵揚程和流量，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，同時降低超壓隱患，減少能耗。

3 工程實例

某梯田滴灌區形狀如圖1所示，每一級梯田寬約10 m，長度約80 m，相鄰兩塊梯田高差約1 m，每塊梯田均設置梯田梗和溝坎，水源控制面積自上而下共設梯田36層，高差約36 m。滴灌系統干管位于作業路下，淺埋40 cm；干管長度為396 m，管徑為110 mm；支管為地面管，長度為10 m，管徑為63 mm；滴灌帶長度為80 m，間距為1 m，管徑為16 mm；灌水器設計流量為1.38 L/h，間距0.3 m，管網布置如圖2所示。梯田灌區分為9個灌水小區，各小區控制高度范圍見表1。

圖1 梯田地形示意圖

圖2 滴灌區灌溉管網布置圖

灌水小區編號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，由于坡耕地高程變化較大，高程較低處容易造成管網超壓，而工程較高處則容易出現壓力不足，很難滿足灌溉均勻度的要求。表2為工頻運行時的壓差計算結果，從表2中可以看出，由于灌水小區1高程位置最低，工頻灌溉時灌水器工作水頭最大，遠遠超過設計工作水頭，超壓嚴重；而灌水小區9高程位置最高，工頻灌溉時灌水器工作水頭達不到設計工作水頭，壓力不足。雖然各小區壓差滿足允許壓差要求，但整個系統壓差達到38.85 m，灌溉均勻度較差。

表2 工頻運行時的壓差計算結果 m

采用變頻控制灌溉，根據灌溉分區不同高程范圍控制水泵流量和揚程，使各分區滿足系統允許壓差要求。經計算，變頻運行時各灌溉分區壓差見表3。從表3中可以看出，9個灌水小區中，灌水小區2壓差最大為4.02 m，滿足允許壓差要求，整個滴灌系統壓差為4.10 m，也滿足允許壓差要求。

表3 變頻運行時的壓差計算結果 m

4 結 論

(1)坡耕地滴灌系統運行時，由于灌區高程變化較大，采用工頻運行恒壓灌溉不能滿足整個灌區灌溉均勻度的要求。

(2)以傳統滴灌系統的設計方法為基礎，將灌區按照高程進行分區，并計算不同分區的壓力等級，采用變頻調控技術實現變壓分區灌溉，使系統滿足灌水均勻度的要求。

(3)由實例分析可知，工頻和變頻兩種工況下小區壓差可以滿足設計要求，但工頻工況下系統壓差不能滿足設計要求，而變頻工況下系統壓差仍然滿足設計要求。

[1] 竇超銀,孟維忠.膜下滴灌在遼西半干旱區不同地形條件下的應用研究[J].節水灌溉,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用研究[J].吉林農業科學,2014,39(1):16-19.

[3] 李治勤,袁聆釗,李國元.變頻調速技術在微噴灌中的應用[J].節水灌溉,2005(1):21-23.

[4] 杜軍順.變頻器在交口灌區泵站的應用與節能研究[D].西安：西安理工大學,2007.

[5] 何武全,張華,何欣燁,等.變頻調速分級恒壓灌溉自動控制系統及應用[J].灌排機械工程學報,2016,34(11):1003-1007.

[6] 中華人民共和國住房和城鄉建設部.微灌工程技術規范：GB/T 50485-2009 [S]. 北京：中國計劃出版社，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”科技支撐計劃項目(2014BAD12B04)；遼寧省農業科技創新團隊項目(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研究工作。E-mail:guoming27@163.com。

S275.6

A

2096-0506(2017)07-0013-04