泵站水泵變頻恒壓系統在水利節水灌溉中的應用研究

柳玲玲

摘要：隨著經濟的發展，人們對環保節能的重視程度越來越高，在農業灌溉中實施了噴灌、滴灌、微溉等諸多節水工程。為進一步降低水資源消耗與電力消耗，水泵變頻恒壓技術應運而生。本文從該項技術的基本原理與常規控制方法入手，以甘肅省景電灌區灌溉試驗站大棚滴灌工程為例，說明了該項技術的具體應用方法。

關鍵詞：泵站；水泵；變頻恒壓系統；節水灌溉

近年來，水資源的供需矛盾逐漸加深，嚴重制約著我國的經濟發展。而多數地區受自然條件限制難以開發新水源，因而需要從節約水資源入手。

其中，農業灌溉對水資源的消耗較大，節水潛力較高。比如，甘肅中部的景電灌區灌溉面積為120萬畝，但由于灌區海拔在1400～2000m，氣候差異大，年蒸發量達到3038.1mm，而降水量僅為119.8mm，由此可見，其具有極高的節水潛力。因此，在農業灌溉中應用節水技術極為必要，水泵變頻恒壓技術可有效提升農業灌溉的節水效果。

一、泵站水泵變頻恒壓系統的基本原理與常規控制方法

泵站水泵的變頻恒壓系統通常分為三部分：水泵機組、變頻調速裝置與傳感器。出水管道與進水管道與水泵機組相連，傳感器與變頻調速裝置、出水管道相連。水泵機組在運行中，出水管產生的壓力信號可傳輸至變頻調速裝置。若檢測的壓力低于設定壓力，調速裝置便會提高水泵機組的供電頻率，對水泵轉速進行控制，提高管網中的供水壓力，此時，水泵的出水量將會增大。當傳感器檢測到的壓力信號大于預先設定的閾值時，調速裝置便會降低電源頻率，使水泵轉速下降，管網中的水壓也會下降，進而降低出水量。而水泵轉速的升高或降低均取決于預先設定的壓力閾值，通過傳感器的檢測對電源頻率進行靈活調整，使壓力監測點的壓力始終保持恒定，這便是變頻恒壓系統。

將水泵工頻運行狀況下的水流量與壓力設置為Q0與H0，當該系統的出水量由Q0下降為Q1時，若水泵機組仍然在工頻狀況下運行，僅采用閥門對流量進行調節，則水泵性能便不會產生變化。若改變水泵機組的工況，并將改變后的水流量與壓力設定為Q1與H1，此時，其軸功率如式（1）。

式（1）中的[N]為軸功率；[γ]代表水的重度；[μ]代表工況下水泵的效率。

若在其中加入變頻調速裝置，當水泵機組流量減小時，便代表水泵出水管或進水管處的壓力高于設定壓力H0。此時，變頻裝置便會降低電源頻率，降低水泵轉速。當將水泵轉速降低至n1時，該系統的水流量為Q1，但其壓力仍然為H0，則此時的軸功率計算公式便需要將式（1）中的H1替換為H0。顯然，H0要小于H1，這便產生了節能效果，節能計算公式便需要將式（1）中的H1替換成（H1/H0）。進一步計算，根據水泵比例定律可推導其節能量公式，具體如式（2）。

式（2）中的[N]為軸功率；[△N]為節能量，從式（2）的數量關系中可發現，該系統的節能量與H1/H0存在密切聯系。

二、泵站水泵變頻恒壓系統在水利節水灌溉中的應用

（一）工程概況

景電灌區位于甘肅省中部，為溫帶大陸性干旱氣候，降水較少，蒸發量較大。2021年，該地區降水量為119.8mm，但年蒸發量達3038.1mm，灌區海拔1400～2000m，整體氣候差異大。灌區灌溉面積達到120萬畝，提水流量37.4m3/s，加大流量43.89m3/s，裝機容量30.6萬千瓦。

該工程在原有雙閘泵前增加了一個電動流量調節閥恒壓控制單元，變頻閥組布置圖如圖1所示。泵站內原有兩臺雙閘泵，均為軸流泵，其中的一臺泵采用單水輪馬達，該水利節水灌溉工程覆蓋99個大棚，本文選擇其中具有代表性的6個進行說明，大棚具體位置如圖2。一號大棚內部有77條毛管，每條毛管存在19個滴頭，總滴頭數量為1463個，整體長度為38m。二號大棚內部毛管數為90條，每條毛管存在21個滴頭，總滴頭數量為1890個，整體長度為45m。三號大棚內毛管數量為82條，每條毛管的滴頭數量為16個，總滴頭數量有1312個，整體長度為41m。四號大棚內有55條毛管，每條毛管的滴頭數量為17個，總滴頭數量為935個，整體長度為28m。五號大棚存在146條毛管，每條毛管滴頭數量為18個，總滴頭數為2628個，整體長度為73m。六號大棚有75條毛管，每條毛管存在16個滴頭，總滴頭數量為2628個，整體長度為38m。

（二）系統結構

水泵變頻恒壓系統可對泵站的控制程序進行智能調節，使泵站工作效率和流量保持穩定。同時，也可以確保其在工作中不會產生過熱、過載等問題，保障了運行的安全性。用戶需要控制泵站時，只需設定相應的時間，便可對泵的參數進行調整。恒壓系統不僅可以實現對水泵參數的自動調節，還可以監控水泵的運行狀態，一旦發生故障或其他特殊情況需要重新啟動水泵時，便可對恒壓系統進行自動控制。具體結構如下：

1.壓力檢測裝置

變頻系統的工作壓力會隨著泵的運行時間逐漸升高，因此，所需壓力也會隨著泵工作時間的延長而逐漸增大。當測量到泵的氣壓高于相應設定值時，傳感器會將信號反饋給變頻器模塊，變頻模塊將此信號轉換成電信號送至水泵執行機構，通過電動馬達帶動水泵動作，直至恒壓泵與變頻管道中的氣體壓力相等。因此，壓力檢測裝置在運行過程中，可檢測到管網中液體壓力隨時間的變化情況，從而達到對管網壓力的動態調控效果。

2.恒壓比例閥

在水泵變頻恒壓系統的壓力檢測裝置中，使用一種恒壓比例閥。該閥通過調節PID控制方式，可實現對壓力和流量的自動調節目標，從而實現壓力監控功能。PID控制是一種智能化的控制方法，它通過計算機控制軟件生成一組簡單、有效的數據模型，以時間序列的方式計算出流量和水泵轉速、揚程等重要參數，并在適當的溫度下自動恒壓。而為了實現該機制，需要對PID控制器的參數進行調節，在PID控制過程中，要考慮到水泵運轉過程中的狀態變化和運行流量與PID控制方案之間的匹配關系。

3.壓力控制回路

壓力控制回路的組成主要包括三個部分：壓力檢測單元、壓力調節單元和減壓單元，每個部分又分別對應著不同的功能。壓力檢測單元主要負責檢測水泵在各個子系統內是否存在故障，一旦有異常情況，便立即停機調整。壓力調節單元主要負責對壓力進行調整，并監控各個子系統的運行狀況，確保機組運行穩定（不會出現流量波動）。減壓單元可防止機組在運行過程中產生嚴重的安全隱患，其作用是當設備發生故障或停機時快速減壓。

4.系統自檢

當水位傳感器檢測到水位下降后，就可以啟動壓力檢測裝置，對泵的各子系統進行壓力檢測和壓力控制。水位升高后，壓力檢測裝置就會通過自動換向器，把水泵運行時各個子系統中產生的實際壓降進行轉換，從而實現水泵的正常運行。當設備內部發生故障時，輸出電壓會不穩定。此時，水泵運行時便會有很多電脈沖傳入設備內部。為了保證工作正常進行，同時避免出現故障點，需要對水泵的各個子系統進行檢查并判斷是否存在問題。比如，當發現設備內部線路出現問題，或該設備有漏電現象時，需要及時更換。

（三）系統具體應用方法

1.泵的調節

泵運行一段時間后，應對電機進行開關量調整。為了達到與泵轉速一致的目的，采取控制策略實現電機啟停和轉矩保持。泵啟動時，每臺泵的運行速度固定為1000r/min，電機啟動時為1000r/min；水泵轉矩保持過程中，在某段調速周期內，泵啟動后不再改變原來的運行速度。當泵運行時間達到最長時，可通過減小電機負載、改變水泵負載變化率調節水泵轉速；當泵轉矩穩定在最大值時，應立即停止泵運行；當泵開啟或關閉時，水泵轉速均保持不變。泵啟動和關閉后，可以通過調節水泵負載，調整電機轉速和電機負荷。

2.恒壓控制器的選擇

電動流量調節閥為變頻閥組提供了恒定輸入、輸出壓差的控制流量調節閥組。從調速原理上講，調速閥可分為手動調速和自動調速。手動調速閥開啟運行時間長，電機功率大，恒壓速度快，考慮設備所處環境對泵的影響，需要與環境相適應；自動調速閥可根據當前狀態自動調節壓力和功率。從節能的角度出發，變頻設備的節能效果最明顯；由于恒壓控制器在泵站恒壓狀態下運行（電動機不工作），且泵在運行過程中，需要調節轉速、電機功率等，使系統得到恒定的輸入、輸出壓差。因此，電動流量調節閥恒壓控制單元的主要功能，就是通過調整水泵電機的所處環境與參數，對泵進行恒壓調節。

3.變頻控制方法

變頻恒壓控制器主要由開關量反饋控制模塊、逆變器和信號處理模塊組成，其中，開關量反饋控制模塊可以實現開關量的控制，信號處理模塊可實現反饋控制。該功能模塊為單脈沖電流反饋模型，可對泵在運行過程中產生的恒變電流進行無功補償。該功能模塊可較好地解決變速裝置在恒壓過程中產生的電壓波動和功率損耗問題；電流與功率損耗均較大的定子繞組，不受電流峰值影響；可降低電能損耗和電壓波動；具有很好的調速性能。將該功能模塊應用到泵站水泵變頻恒壓系統中，當電機輸出轉矩達到規定值后，水泵自動進入恒溫狀態；當輸出轉矩低于規定值時，泵機自動停機；以節能為目的，在定子繞組兩端加電阻后，在電機輸入端施加恒壓電流，達到規定值后，可直接退出變頻器狀態，再進入恒壓狀態。

（四）運行效果對比

該工程利用上述系統后，運行效果對比如表1。通過表中的數據可以看出，無論是工頻運行狀況下，還是變頻運行狀況下，滴灌均勻度均不會造成較大影響。由此證明，該系統的應用并不會影響大棚滴灌工程的節水效果，但兩者運行過程中的耗電量卻存在較大差別。

當同時開3棚或開1棚工作時，若想提高滴灌均勻度，需要關閉水泵出口閥門。當水泵處于變頻工況時，工作人員只需調節設定壓力即可。如此，便可最大限度地提高電能與水資源的利用率，由此體現出恒壓變頻系統的優勢。在工況運行狀況下，當水泵出口揚程增大時，其耗電量大幅減小。這意味著，其水流量也在減小。而在變頻運行狀態下，隨著變頻揚程的增大，水流也在增加，耗電量也在增長。這意味著，變頻工況下，工作人員可以通過調節電源頻率控制滴灌過程消耗的水資源速度，極大地降低了農業灌溉的勞動強度。

從經濟的角度來看，按照此大棚滴灌工程每年需要工作11個月、每月滴灌時間為20天、每天滴灌時間為18h計算，一年可節省約8300度電。按照0.4元/度計算，每年可節省3320元。該數據是根據6個大棚計算出來的，此工程有99個大棚，應用該系統后，保守估計每年可省53000余元。而當前市場中變頻調節裝置的價格在2萬元左右。因此，該系統的應用可有效降低該節水工程的成本，提高經濟收益。

三、結束語

綜上所述，恒壓變頻系統可有效節約灌溉工程的耗電量。本文從其基本原理與常規控制方法入手，以甘肅省某示范園區的大棚滴灌節水灌溉工程為例，說明了此工程應用的恒壓變頻系統的具體結構與應用方法，并與以往的工頻運行情況進行了對比，對應用系統產生的經濟效益進行了分析。

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