農業水利泵站監測信息系統及其泵站節能探討

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）

農業經濟是保證社會安定的基礎，更是國民糧食安全的重要保障。水是農作物生長過程中最重要的資源之一，農業水利泵站建設的主要目標就是為我國的農業種植活動提供良好的水資源。農業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行加壓處理，進而實現供水和輸水的目的。現階段，我國大部分農業水利泵站運行效率低下且能源浪費嚴重，給國民經濟的高速增長帶來了負面影響。因此，深入探討農業水利泵站如何節能運行、降低能耗以及提高運行效率對農業水利泵站的運行管理具有重大意義。農業水利泵站監測信息系統是加強農業水利泵站節能的有效手段，不僅實現了對泵站的實時監測，還能提高泵站的能量利用率，因此開展農業水利泵站監測信息系統的研究很有必要。

1 農業水利泵站監測信息系統以及泵站運轉原理

1.1 農業水利泵站監測信息系統

隨著信息化技術與智能化裝備行業的快速發展，農業水利泵站監測信息系統應運而生[1]。在我國，農業水利泵站運轉的主要供應能源是電能，所以建立的農業水利泵站監測信息系統的主要監測目標就是對電能的使用量進行控制。針對電能能源特點，結合農業水利泵站的運作原理，使用真空絕緣測試設備、大數據技術、優化數學模型和計算機算法等手段建立起農業水利泵站監測信息系統，并通過該系統實現對農業水利泵站電能的全面監測。同時，可以通過該系統探究農業水利泵站運轉的機械原理以及對傳統農業水利泵站的能量轉化率，為提高農業水利泵站節能效果提供數據支撐，助推我國節能減排工作目標的實現[2]。

1.2 農業水利泵站的組成

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

1.3 農業水利泵站的運轉原理

農業水利泵站運轉原理是對水資源進行加壓處理，然后傳送至供水系統中，以滿足不同地區的需水要求。從能量轉化的角度來說，就是將水泵使用的電能轉化為推動水泵運轉的機械能，當水資源的勢能增加到一定程度以后便能夠實現遠距離的傳送。農業水利泵站的運轉過程實質上是水資源通過進水建筑物，在水泵的作用下傳送至管道中，最后經過管道完成對農作物的澆灌的過程。

2 優化農業水利泵站節能效果的具體措施

2.1 實施區域灌溉

在傳統的農業水利泵站運轉過程中，長時間供水是其主要的工作特點，通過管道運輸的方式將水送到農業灌溉區，并由農業灌溉區實現對水資源的合理控制[4]。因此，根據泵站的運轉模式與地區特點，可以采取區域灌溉的策略，定時、定期地對農業灌溉區進行區域化灌溉。通常情況下，同一個區域的農作物面臨的氣候條件和土地狀態是相近的，所以對同一個區域進行灌溉既能夠充分發揮水資源的優勢，還能夠降低農業水利泵站的能量消耗。然而，區域灌溉策略的順利開展需要依托當地農業用地的使用面積和灌溉范圍。比如，在對某地進行農業灌溉時，可以根據當地的實際地形狀態和實際土地區劃，將其設計成5個區域，保證每個區域的天氣條件和土地條件接近。在設計合理的前提條件下，采取區域灌溉策略對每個區域進行定期、定時澆灌，這樣不僅能顯著提高電能的使用效率，也能夠保證對農作物的澆灌質量，提高農業水利泵站的節能效果。區域灌溉策略的優勢在于縮短泵站的運轉時長，減少電能消耗，節約成本支出。

2.2 充分利用地形設計進出水建筑

很多地區的農業水利泵站浪費的電能比較多，是因為當地的水利工程設施設計不是很合理。如果進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，如果在設計農業水利泵站時能夠充分發揮出其流動性的自然優勢，就能夠降低輸水過程中的電能消耗。

首先，針對未建的農業水利泵站，應根據當地的地形、地貌科學地設計進水建筑物和出水建筑物。在設計過程中，應該將出水建筑物設計得低于進水建筑物，讓水資源在重力勢能的作用下自動進入進水建筑物，并通過水泵進入出水建筑物[5]。而在此過程中，水泵只需要基礎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，進而實現節能目的。其次，針對已經建設完成的農業水利泵站，可以通過使用良好的管道設計來降低能量的消耗。比如通過優化進水管道設計來降低能量消耗，或優化出水管道設計，在保證水壓的基礎上降低電能消耗[6]。當然，最優的方式是將優化管道設計和進出水建筑設計結合起來，這樣更能充分降低對電能的消耗。最后，針對已經建好的農業水利泵站，利用現有的進水建筑和出水建筑改造以實現良好的節能目標。

2.3 多個泵站聯合運轉

在降低農業水利泵站能源使用消耗量的基礎上，采取多泵站聯合運轉的方式降低能耗。首先，一個農業水利泵站的運轉是有極限的，在最大功率情況下能夠供給的水資源有限，但是多個泵站聯合使用，能夠在低功率的條件下實現相對較好的供水效果和較大的供水面積目標。在落實多泵站聯合運轉工作的過程中，相關工作人員要檢測設備功率與供水狀態，保證多個農業水利泵站低功率運轉與單一農業水利泵站大功率運轉的能耗接近預定標準，再根據此標準確定多個設備低功率運轉供水的面積和水量。在測量完這兩個標準以后，設計多農業水利泵站聯合運轉的模型計劃，通過這種方式保證低能耗狀態下更多水量和更大面積的供水效果，同時能夠有效降低農業水利泵站的用電量，降低能源消耗。此外，相關技術人員還要根據當地的實際情況，選擇市場中較為可靠的傳感器來對泵站流量與泵站運行過程中的耗能進行監測，結合檢測數據，利用計算機構建計算模型，通過應用算法，尋找適合泵站流量的最佳能源供應計劃，進而保證多個泵站聯合運轉能夠實現節能的目標，并滿足我國節能減排工作的各種要求[7]。在多個泵站聯合運轉之后，設計人員以及泵站管理人員需要對運轉過程中泵站的運轉效率、目標值以及節能效果進行數據記錄。

2.4 使用新型的水泵設備，制定定期巡檢計劃

在新型水泵設備的使用過程中，工作人員要合理地規劃定期巡檢計劃，保證能耗控制在合理水平范圍內。隨著我國高新技術的不斷發展，越來越多成熟的技術能夠被應用在農業水利泵站的運轉過程中。現階段，有很多新型的節能水泵能夠實現良好的灌溉效果。所以，在泵站的設計和建設過程中，可以選用節能效果良好的農業水泵設備，以最低的電能消耗實現更佳的灌溉效果[8]。同時，可以制定定期巡檢計劃，對現有的水泵設備和運轉過程進行檢查。如果水泵設備出現故障，或者是運轉過程中出現管道腐蝕等現象，會增加水泵設備的壓力，并加快水泵設備的電能消耗。因此，制定定期的巡檢制度，可以保證現有農業水利泵站能夠正常運轉，也能夠降低能耗，推動節能減排工作的落實。比如，在實際泵站建設過程中，能夠變頻潛水泵，利用變頻調速技術來實現良好的節能目標。變頻調速水泵主要是利用變頻器來實現良好的水泵轉速控制，并結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體器件的通斷作用來將工頻電源轉換為另一頻率的電能控制裝置，能夠實現對交流異步電機的軟啟動和變頻，進而提高運轉的精度，改變功率因數。同時，異步電動機的變頻調速主要是依靠改變定子的供電頻率來改變內部旋轉磁場的同步轉速，從而實現改變轉子轉速的目標，所以不會產生任何附加的損耗，這樣也能在一定程度上實現節能的目標和效果，這是一種相對理想的調速方法。因此，在水泵動力驅動的過程中，可以使用變頻器來對水泵功率進行調節，在不需要水泵使用強動力驅動時，也可以使用變頻器來降低水泵功率，以實現節能的目標。

2.5 完善的供電設計

完善的供電設計能有效地減少泵站運轉過程中的能源損耗，進而能夠對實現節能控制目標起到促進作用。因此，泵站運維管理人員應該重視供電設計的科學性以及合理性。例如，能夠使用目標電耗控制技術來進行供電設計。目標電耗控制技術是指通過對農業水利泵站供水系統中壓力、流量以及溫度等參數進行系統管控，獲得系統輸出單位的電耗最低值，進而制定出專項可行的水泵運行監管以及調速措施[9]。同時，借助變頻裝置來滿足不同電荷運行期間的各種要求，如果變頻裝置的頻率達到50 Hz，那么應該在水泵變頻器隨機運行的過程中對工頻以及變頻進行切換。在實際應用目標電耗技術的過程中，首先要使用先進的檢測軟件，通過軟件以及設備對農業水利泵站中的水泵運行特征曲線進行擬合處理，計算得到農業水利泵站運行過程中的實際功率、流量、設置功率、效率以及流量值等數據。同時，技術人員應該結合水泵生產廠家提供的電機運行效率以及電負荷量實際技術數值來對變頻器的功率進行調整。根據目標電耗控制原理，選擇不同水泵組合方式，對農業水利泵站節能情況進行系統分析。具體來說，應該要求農業水利泵站以全定速、一定一變和全變速3種方式運行。在農業水利泵站全定速工頻運行的過程中，需要技術人員計算水泵在不同流量下的功率和效率，結合電機運行效率和水泵效率來確定系統工作水平。在水利泵站一定一變運行的過程中，要求一臺水泵進行工作，其余水泵使用定頻工作，并計算出需要的單位電耗量。最后在全變速的農業水利泵站運行過程中，計算出相應的電耗量。為了確保目標電耗優化改造結果研究工作的順利開展，應該就改造后的農業水利泵站能源消耗和原有能源消耗進行比較，如果發現水泵運行在偏離高效區的小流量區間中節能效果下降，技術人員應該注意不能將額定轉數控制在50轉以內，在系統最低流量仍低于定速運轉要求時，應該選擇組合節能手段來實現節能目標。

2.6 積極使用新能源

隨著我國科學技術的發展和進步，我國新能源開發和利用工作已經逐漸緩解了我國能源緊缺的現狀。因此，為了充分保證農業水利泵站的運行效果和節能目標，農業水利泵站的運管人員應該積極使用新能源以降低泵站運轉的能耗，促進節能目標的實現。充分利用農業水利泵站的優勢，在條件允許的范圍內，充分利用水資源優勢來實現水資源的發電和能源利用，進而實現電能的自給自足。而針對水資源優勢較小的農業水利泵站，就需要結合當地光照、氣候等自然條件發展風力發電或者太陽能發電等節能模式，最大程度地滿足農業水利泵站的用電需求[10]。如果在實際應用新能源的過程中出現電能不穩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用在農業水利泵站的運轉電能系統的小系統中，例如只實現光照目標，通過這種方式來切實提高節能效果。對于應用新能源而產生過量電能的現象，可將其轉給國家用電機構，進而增加農業水利泵站的經濟效益，提高農業水利泵站運行水平和質量。

3 結語

綜上所述，農業水利泵站是保護我國農業健康發展的重要組成部分之一，但由于其能源消耗較大，需要對農業水利泵站節能效果進行優化和改革。在不影響農業經濟發展的基礎上，通過實施區域灌溉策略、充分利用地形設計進水和出水建筑、多個泵站聯合運轉、使用新型水泵設備、制定定期巡檢計劃、落實良好的供電設計、積極使用新能源等方式來降低農業水利泵站的能耗，并充分推動我國節能減排工作的落實和開展。