泵站水泵变频恒压系统在水利节水灌溉中的应用研究

柳玲玲

摘要：随着经济的发展，人们对环保节能的重视程度越来越高，在农业灌溉中实施了喷灌、滴灌、微溉等诸多节水工程。为进一步降低水资源消耗与电力消耗，水泵变频恒压技术应运而生。本文从该项技术的基本原理与常规控制方法入手，以甘肃省景电灌区灌溉试验站大棚滴灌工程为例，说明了该项技术的具体应用方法。

关键词：泵站；水泵；变频恒压系统；节水灌溉

近年来，水资源的供需矛盾逐渐加深，严重制约着我国的经济发展。而多数地区受自然条件限制难以开发新水源，因而需要从节约水资源入手。

其中，农业灌溉对水资源的消耗较大，节水潜力较高。比如，甘肃中部的景电灌区灌溉面积为120万亩，但由于灌区海拔在1400～2000m，气候差异大，年蒸发量达到3038.1mm，而降水量仅为119.8mm，由此可见，其具有极高的节水潜力。因此，在农业灌溉中应用节水技术极为必要，水泵变频恒压技术可有效提升农业灌溉的节水效果。

一、泵站水泵变频恒压系统的基本原理与常规控制方法

泵站水泵的变频恒压系统通常分为三部分：水泵机组、变频调速装置与传感器。出水管道与进水管道与水泵机组相连，传感器与变频调速装置、出水管道相连。水泵机组在运行中，出水管产生的压力信号可传输至变频调速装置。若检测的压力低于设定压力，调速装置便会提高水泵机组的供电频率，对水泵转速进行控制，提高管网中的供水压力，此时，水泵的出水量将会增大。当传感器检测到的压力信号大于预先设定的阈值时，调速装置便会降低电源频率，使水泵转速下降，管网中的水压也会下降，进而降低出水量。而水泵转速的升高或降低均取决于预先设定的压力阈值，通过传感器的检测对电源频率进行灵活调整，使压力监测点的压力始终保持恒定，这便是变频恒压系统。

将水泵工频运行状况下的水流量与压力设置为Q0与H0，当该系统的出水量由Q0下降为Q1时，若水泵机组仍然在工频状况下运行，仅采用阀门对流量进行调节，则水泵性能便不会产生变化。若改变水泵机组的工况，并将改变后的水流量与压力设定为Q1与H1，此时，其轴功率如式（1）。

式（1）中的[N]为轴功率；[γ]代表水的重度；[μ]代表工况下水泵的效率。

若在其中加入变频调速装置，当水泵机组流量减小时，便代表水泵出水管或进水管处的压力高于设定压力H0。此时，变频装置便会降低电源频率，降低水泵转速。当将水泵转速降低至n1时，该系统的水流量为Q1，但其压力仍然为H0，则此时的轴功率计算公式便需要将式（1）中的H1替换为H0。显然，H0要小于H1，这便产生了节能效果，节能计算公式便需要将式（1）中的H1替换成（H1/H0）。进一步计算，根据水泵比例定律可推导其节能量公式，具体如式（2）。

式（2）中的[N]为轴功率；[△N]为节能量，从式（2）的数量关系中可发现，该系统的节能量与H1/H0存在密切联系。

二、泵站水泵变频恒压系统在水利节水灌溉中的应用

（一）工程概况

景电灌区位于甘肃省中部，为温带大陆性干旱气候，降水较少，蒸发量较大。2021年，该地区降水量为119.8mm，但年蒸发量达3038.1mm，灌区海拔1400～2000m，整体气候差异大。灌区灌溉面积达到120万亩，提水流量37.4m3/s，加大流量43.89m3/s，装机容量30.6万千瓦。

该工程在原有双闸泵前增加了一个电动流量调节阀恒压控制单元，变频阀组布置图如图1所示。泵站内原有两台双闸泵，均为轴流泵，其中的一台泵采用单水轮马达，该水利节水灌溉工程覆盖99个大棚，本文选择其中具有代表性的6个进行说明，大棚具体位置如图2。一号大棚内部有77条毛管，每条毛管存在19个滴头，总滴头数量为1463个，整体长度为38m。二号大棚内部毛管数为90条，每条毛管存在21个滴头，总滴头数量为1890个，整体长度为45m。三号大棚内毛管数量为82条，每条毛管的滴头数量为16个，总滴头数量有1312个，整体长度为41m。四号大棚内有55条毛管，每条毛管的滴头数量为17个，总滴头数量为935个，整体长度为28m。五号大棚存在146条毛管，每条毛管滴头数量为18个，总滴头数为2628个，整体长度为73m。六号大棚有75条毛管，每条毛管存在16个滴头，总滴头数量为2628个，整体长度为38m。

（二）系统结构

水泵变频恒压系统可对泵站的控制程序进行智能调节，使泵站工作效率和流量保持稳定。同时，也可以确保其在工作中不会产生过热、过载等问题，保障了运行的安全性。用户需要控制泵站时，只需设定相应的时间，便可对泵的参数进行调整。恒压系统不仅可以实现对水泵参数的自动调节，还可以监控水泵的运行状态，一旦发生故障或其他特殊情况需要重新启动水泵时，便可对恒压系统进行自动控制。具体结构如下：

1.压力检测装置

变频系统的工作压力会随着泵的运行时间逐渐升高，因此，所需压力也会随着泵工作时间的延长而逐渐增大。当测量到泵的气压高于相应设定值时，传感器会将信号反馈给变频器模块，变频模块将此信号转换成电信号送至水泵执行机构，通过电动马达带动水泵动作，直至恒压泵与变频管道中的气体压力相等。因此，压力检测装置在运行过程中，可检测到管网中液体压力随时间的变化情况，从而达到对管网压力的动态调控效果。

2.恒压比例阀

在水泵变频恒压系统的压力检测装置中，使用一种恒压比例阀。该阀通过调节PID控制方式，可实现对压力和流量的自动调节目标，从而实现压力监控功能。PID控制是一种智能化的控制方法，它通过计算机控制软件生成一组简单、有效的数据模型，以时间序列的方式计算出流量和水泵转速、扬程等重要参数，并在适当的温度下自动恒压。而为了实现该机制，需要对PID控制器的参数进行调节，在PID控制过程中，要考虑到水泵运转过程中的状态变化和运行流量与PID控制方案之间的匹配关系。

3.压力控制回路

压力控制回路的组成主要包括三个部分：压力检测单元、压力调节单元和减压单元，每个部分又分别对应着不同的功能。压力检测单元主要负责检测水泵在各个子系统内是否存在故障，一旦有异常情况，便立即停机调整。压力调节单元主要负责对压力进行调整，并监控各个子系统的运行状况，确保机组运行稳定（不会出现流量波动）。减压单元可防止机组在运行过程中产生严重的安全隐患，其作用是当设备发生故障或停机时快速减压。

4.系统自检

当水位传感器检测到水位下降后，就可以启动压力检测装置，对泵的各子系统进行压力检测和压力控制。水位升高后，压力检测装置就会通过自动换向器，把水泵运行时各个子系统中产生的实际压降进行转换，从而实现水泵的正常运行。当设备内部发生故障时，输出电压会不稳定。此时，水泵运行时便会有很多电脉冲传入设备内部。为了保证工作正常进行，同时避免出现故障点，需要对水泵的各个子系统进行检查并判断是否存在问题。比如，当发现设备内部线路出现问题，或该设备有漏电现象时，需要及时更换。

（三）系统具体应用方法

1.泵的调节

泵运行一段时间后，应对电机进行开关量调整。为了达到与泵转速一致的目的，采取控制策略实现电机启停和转矩保持。泵启动时，每台泵的运行速度固定为1000r/min，电机启动时为1000r/min；水泵转矩保持过程中，在某段调速周期内，泵启动后不再改变原来的运行速度。当泵运行时间达到最长时，可通过减小电机负载、改变水泵负载变化率调节水泵转速；当泵转矩稳定在最大值时，应立即停止泵运行；当泵开启或关闭时，水泵转速均保持不变。泵启动和关闭后，可以通过调节水泵负载，调整电机转速和电机负荷。

2.恒压控制器的选择

电动流量调节阀为变频阀组提供了恒定输入、输出压差的控制流量调节阀组。从调速原理上讲，调速阀可分为手动调速和自动调速。手动调速阀开启运行时间长，电机功率大，恒压速度快，考虑设备所处环境对泵的影响，需要与环境相适应；自动调速阀可根据当前状态自动调节压力和功率。从节能的角度出发，变频设备的节能效果最明显；由于恒压控制器在泵站恒压状态下运行（电动机不工作），且泵在运行过程中，需要调节转速、电机功率等，使系统得到恒定的输入、输出压差。因此，电动流量调节阀恒压控制单元的主要功能，就是通过调整水泵电机的所处环境与参数，对泵进行恒压调节。

3.变频控制方法

变频恒压控制器主要由开关量反馈控制模块、逆变器和信号处理模块组成，其中，开关量反馈控制模块可以实现开关量的控制，信号处理模块可实现反馈控制。该功能模块为单脉冲电流反馈模型，可对泵在运行过程中产生的恒变电流进行无功补偿。该功能模块可较好地解决变速装置在恒压过程中产生的电压波动和功率损耗问题；电流与功率损耗均较大的定子绕组，不受电流峰值影响；可降低电能损耗和电压波动；具有很好的调速性能。将该功能模块应用到泵站水泵变频恒压系统中，当电机输出转矩达到规定值后，水泵自动进入恒温状态；当输出转矩低于规定值时，泵机自动停机；以节能为目的，在定子绕组两端加电阻后，在电机输入端施加恒压电流，达到规定值后，可直接退出变频器状态，再进入恒压状态。

（四）运行效果对比

该工程利用上述系统后，运行效果对比如表1。通过表中的数据可以看出，无论是工频运行状况下，还是变频运行状况下，滴灌均匀度均不会造成较大影响。由此证明，该系统的应用并不会影响大棚滴灌工程的节水效果，但两者运行过程中的耗电量却存在较大差别。

当同时开3棚或开1棚工作时，若想提高滴灌均匀度，需要关闭水泵出口阀门。当水泵处于变频工况时，工作人员只需调节设定压力即可。如此，便可最大限度地提高电能与水资源的利用率，由此体现出恒压变频系统的优势。在工况运行状况下，当水泵出口扬程增大时，其耗电量大幅减小。这意味着，其水流量也在减小。而在变频运行状态下，随着变频扬程的增大，水流也在增加，耗电量也在增长。这意味着，变频工况下，工作人员可以通过调节电源频率控制滴灌过程消耗的水资源速度，极大地降低了农业灌溉的劳动强度。

从经济的角度来看，按照此大棚滴灌工程每年需要工作11个月、每月滴灌时间为20天、每天滴灌时间为18h计算，一年可节省约8300度电。按照0.4元/度计算，每年可节省3320元。该数据是根据6个大棚计算出来的，此工程有99个大棚，应用该系统后，保守估计每年可省53000余元。而当前市场中变频调节装置的价格在2万元左右。因此，该系统的应用可有效降低该节水工程的成本，提高经济收益。

三、结束语

综上所述，恒压变频系统可有效节约灌溉工程的耗电量。本文从其基本原理与常规控制方法入手，以甘肃省某示范园区的大棚滴灌节水灌溉工程为例，说明了此工程应用的恒压变频系统的具体结构与应用方法，并与以往的工频运行情况进行了对比，对应用系统产生的经济效益进行了分析。

参考文献：

[1]王彤，王伟，雷春元.恒压供水设备节能运行的必要条件及前提探究[J].给水排水，2022，58（06）：114-117.

[2]李钢，张敏.变频恒压供水控制系统的研究与设计[J].电子设计工程，2022，30（10）：90-94.

[3]陈楚平.基于PLC的变频调速给水系统设计及原理分析[J].工程机械文摘，2022，（02）：5-9.

[4]陈经艳.基于PLC和触摸屏的变频恒压供水控制系统设计[J].软件，2022，43（03）：23-25.

[5]闫莎莎.变频调速恒压供水系统设计[J].企业科技与发展，2022，（01）：33-35.