CN111685016B - 山区斜坡茶园喷灌分级抽水变频节能方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的山区斜坡茶园喷灌分级抽水变频节能方法，针对大面积山区坡地规模化地种植茶叶，发展现代农业经济的需求，方法对地形的适应能力强，斜坡茶园不必严格平整，就可喷灌，并可调节田间小气候，为茶叶生长创造最适宜的生态环境，茶叶喷灌可增加空气湿度，促进茶叶生长，提高茶叶产量和品质，提高经济效益和社会效益。本发明进一步针对山区坡地地势高、水源低的地形特点，对山区斜坡茶园工程设计的相关技术和变频节能方法进行了改进优化。坡地喷灌系统采用分级提水技术，既可以节约茶园喷灌投资，又可以降低喷灌能源消耗，节省茶园的运营成本，山区茶园喷灌系统中应用变频器的节能效果也十分明显。

Description

山区斜坡茶园喷灌分级抽水变频节能方法
技术领域
本发明涉以及一种茶园喷灌分级抽水节能方法，特别涉及一种山区斜坡茶园喷灌分级抽水变频节能方法，属于茶园喷灌分级抽水技术领域。
背景技术
山区地势起伏剧烈，地面高差大，坡度陡，但是面积大，通过土地的流转和承包，承包户将土地进行综合治理，进行规模化种植茶叶，发展茶特色产业。特色茶园经济不仅可以为承包户带来可观的收益，大幅增加农民的收入，还能带动农民的茶叶种植积极性，而且还能推动当地旅游业的发展，改善村容村貌，建设美丽乡村。近年来，随着农村水利建设加大了投入，节水灌溉技术被广泛应用在山区，不断的完善特色农业的灌溉设施。鉴于喷灌对地形的适应能力强，山区斜坡地不必严格平整，就能够喷灌，并可以调节田间小气候，为茶叶生长创造最适宜的生态环境，是一种适合茶园坡地采用的灌水方法。
中国山区的耕地面积占全国总耕地面积大，但由于各种原因，这部分耕地的灌溉问题至今没有得到合理解决，而节水灌溉中的管道输水、微喷技术以及喷灌自身特征决定了它是解决这些耕地灌溉问题的好方法。山区合适气候条件下种植茶叶是较优选择，茶叶喷灌可以根据茶叶对水分的需求，适时适量科学灌溉，改善土壤中的水肥气等条件，促进茶叶的生长。茶叶喷灌还可以冲洗掉茶叶表面的灰尘，减少茶树的各种病虫害，增强茶叶的光合作用，从而增加茶叶的产值和经济效益，按照水源地与灌区的相对位置以及高差、水源地工程的形式，可将山区管道式系统归纳为蓄水、引水和抽水三种基本类型；按照喷灌系统取得水压力的方式，又可分为采用自然落差的自压和使用水泵加压的机压二种基本形式。
现有技术中自压喷灌系统，水源地位置在灌区上方，来水流量和自然落差形成的水头均满足喷灌要求，水源地直接向压力管道供水，这类系统不需水泵加压，投资相对减少，运行费用小，是山区适宜发展的喷灌系统。具体包括一是引水式自压喷灌系统，水源地来水流量和自然落差形成的水头满足喷灌要求，但水源地位置与灌区相距较远，此时沿等高线修建引水渠道或者铺设引水管道，将水引至灌区上游的控制点，再向压力管道供水；二是蓄水式自压喷灌系统，灌区上游无现成水源，但有一定的汇水面积，此时根据喷灌的压力要求，在灌区上方的控制点修建蓄水池，拦蓄上游的地面径流，并向压力管道供水；三是引蓄结合的自压喷灌系统，自然落差形成的水头满足喷灌要求，来水总量也够灌区所需，但水源地位置距灌区较远，流量也小于喷灌所需流量，这时在水源地处修建蓄水池调蓄，再用明渠或者无压管道将水引至灌区上方控制点。
现有技术中加压喷灌系统包括：一是抽水式机压喷灌系统，水源地的来水流量可满足喷灌系统用水要求，但水源地位置低于灌区，需要水泵抽水和加压，这时在水源地处修建泵站，一级或者多级抽水加压向压力管道供水，亦可用水源地泵站将水提到灌区，再由灌区的加压泵站将来水加压后向压力管道供水；二是提蓄结合的机压喷灌系统，水源地的来水总量足够喷灌系统用水需要，但流量小于喷灌系统设计流量，水源地位置又低于灌区，此时可在水源地处修建蓄水池调蓄，再一次抽水加压向压力管道供水；也可在灌区建蓄水池，由水源地泵站抽水到池进行调蓄，再由加压泵站将水加压后向压力管道供水；三是抽水蓄水自压系统，由于直接抽水流量不能满足喷灌系统需要，采取在灌区上较高的控制点处建调蓄水池，由水源地泵站抽水高蓄，然后利用蓄水池与灌区的落差形成水头，将水送至压力管道，为提高蓄能式机压喷灌系统。
现有技术的节水灌溉技术包括喷灌、微灌、低压管灌和覆膜灌溉等，山区坡地地势起伏剧烈，地面高差大，坡度陡，微灌和滴灌适合种植在平坦地块上的瓜类、果树等宽形作物的灌溉，而喷灌和微喷可适应各种复杂地形，在山区坡地被广泛采用。坡地喷灌可以有效的解决茶叶的需水问题，还可以显著地改善水土环境，调节田间小气候，增加土壤的氧含量，改善空气湿度，为茶叶生长创造最适宜的生态环境，增强茶叶对养分的吸收能力，提高茶叶的数量和质量，产生良好的经济社会效益，带动贫困山区农民脱贫致富，发展现代农业经济。通过在茶园连续四年的喷灌试验表明，茶园采用固定喷灌和移动喷灌比全园漫灌可节约用水54％和48％，比沟灌节约51％和45％，茶叶种植区上与传统的地面灌水方式相比，田间土体持水量在喷灌洒水作业下得到显著的改善，同时喷洒水还能改善田间的空气湿度，有利于茶树根系的生长，有效的促进茶树有效面积的快速生长，使得产茶率得到保障，茶叶质量更加优良，茶叶的亩产量可增加18％以上，经济效益非常诱人，极大的促进农民朋友茶叶种植的积极性。
但是，现有技术的灌溉方法应用到山区斜坡茶园中，都还存在一些明显不足，或者说对现有技术还有一些改进需求，表现在以下方面：
一是针对大面积山区坡地规模化地种植茶叶，发展现代农业经济的需求，现有技术没有针对性的山区茶园喷灌方法，现有技术的方法对地形的适应能力弱，斜坡茶园必须严格平整，才可灌溉，而且现有技术传统的灌溉方法不能调节田间小气候，茶叶生长的生态环境一般，不能有效提高山区茶园的空气湿度，对促进茶叶生长的作用十分有限，不能很好的提高茶叶的产量和品质，不能很好的提高山区茶叶种植的经济和社会效益；而且针对山区坡地地势高、水源低的地形特点，也没有针对性的工程设计的相关技术和变频节能方法，山区坡地的灌溉技术十分落后。
二是现有技术的坡地喷灌抽水方法要满足茶叶种植的灌溉需求，首先要解决抽水问题，一般利用水泵进行抽水上山进行灌溉，当高程较高时则需要多级抽水上山，如图1，灌溉水源地位于山脚下，要进行坡地茶叶喷灌，现有技术一般有二种做法：第一种是抽水式机压喷灌系统，通过水泵直接加压，使管网水头满足山顶处的喷头所需的压力水头，斜坡下部分通过加大管道承压等级，防止管道压力过大导致爆管；第二种是抽水蓄水喷灌系统，在灌区上较高控制点处建调蓄水池，由水源地泵站抽水高蓄，再利用蓄水池与灌区的落差形成水头，将水送至压力管道，对坡地下部自压喷灌，静压时则需采取消能调压措施。两种方法都存在投资较大，能源消耗多，运营成本高的问题。现有技术的蓄水池式喷灌工程需要所有的喷灌水全部提到山顶的蓄水池，再利用落差自流到下部压力管道，以自压喷灌的形式灌溉，不仅需要消耗大量的能源进行抽水，当水自流到山坡下部时，还要采取消能措施保护管道和喷头。现有技术的水泵所控制的喷灌区高程较高，无法避免喷头压力过大导致喷洒出来的水滴的打击强度过强，对茶叶造成伤害和坡地土壤进行冲刷的问题，无法保护竖管和喷头，管道的使用寿命较短。
三是现有技术的山区喷灌工程中，机电泵在工频电源50Hz下作恒速运行，喷灌系统采用蓄水池、调压罐、减压阀调节控制设施，能起到控制压力以及流量变化的作用，但均有很大的局限性，无法调节水泵的运行特性与管网实际变化的运行状况相适应，会降低水泵的工作效率，使水泵工作偏离高效区，运行十分不经济，大量浪费能源，不能满足喷灌恒压供水的要求，使得茶园喷灌投资，喷灌能源消耗多，茶园的运营成本高。
四是节能环保的当今社会的重要课题，山地茶园进行抽水喷灌，需要消耗大量能源，如何用最少的能源产生最大的经济效益，是值得研究的问题，也非常切合当前实际应用需要。山区抽水喷灌时，由于自然高差的存在，若水泵一直在工频下抽水喷灌，不仅浪费能源，而且还影响喷灌的均匀性，缩短工程的正常使用年限。针对茶园喷灌工程中，现有技术的蓄水池、调压罐和减压阀等无法调节水泵的运行特性与管网实际变化的运行状况相适应，无法达到变速节能的目的。现有技术没有山区茶园灌溉的节能设计，管网投资和动力设备投资大，能源消耗多，运行管理人员的劳动强度和费用高。因此，对于在山区茶园发展节水型经济发展模式，促进农民栽培茶叶脱贫致富，推动节水喷灌工程系统的技术进步，实现山区农村经济的可持续发展都有重要的现实意义和应用价值。
发明内容
本发明提供的山区斜坡茶园喷灌分级抽水变频节能方法，针对大面积山区坡地规模化地种植茶叶，发展现代农业经济的需求，对地形的适应能力强，斜坡茶园不必严格平整，就可喷灌，并可调节田间小气候，为茶叶生长创造最适宜的生态环境，茶叶喷灌可增加空气湿度，促进茶叶生长，提高茶叶产量和品质，提高经济效益和社会效益。本发明进一步针对山区坡地地势高、水源低的地形特点，对山区斜坡茶园工程设计的相关技术和变频节能方法进行了改进优化。坡地喷灌系统采用分级提水技术，既可以节约茶园喷灌投资，又可以降低喷灌能源消耗，节省茶园的运营成本，山区茶园喷灌系统中应用变频器的节能效果也十分明显。
为达到以上技术效果，本发明所采用的技术方案如下：
山区斜坡茶园喷灌分级抽水变频节能方法，包括茶园喷灌压力分区与抽水方法和茶园喷灌系统的节能方法，茶园喷灌压力分区与抽水方法包括茶园喷灌压力分区方法、茶园喷灌抽水方法；
茶园喷灌压力分区与抽水方法基于坡地喷灌的压力特性和压力分区，按地形高差对茶园喷灌区域进行压力分区，实行分区灌溉，在压力区实行支管轮灌，并提出分级抽水、分区灌溉的节能调压方法；分级抽水方法为在茶园坡地高程高的地方，通过多个水泵进行分级抽水，每个水泵负责一片区域，建立相应的中转水池进行蓄水，作为上一级区域的水源；分级抽水使泵站扬程和系统管网压力保持在相对适中的范围内；
茶园喷灌系统的节能方法在坡地上采用变频调速方式实现节能运行，喷灌变频水泵恒压变量运行，由管道压力检测值是否大于设定参数值决定是否调整电机的输入频率，加大或者降低管网的压力和流量，达到变速节能的目的，当茶园喷灌系统高程差较大时，同时工作的喷头数差异也大，在坡地喷灌应用变频器节能多；
茶园喷灌压力分区方法按照高程和灌溉面积将整个茶园喷灌系统分成若干个灌溉区，每个灌溉单元区内的任意支管上二个喷头的工作压力差在允许范围内，二个喷头之间的喷洒压差不超过喷头压力的20％，根据单元区确定压力区，确定灌溉分区后，再确定管网压力控制点；
dimax-dimin≤0.2dp 式1
式中：dimax为区域i内最大喷头压力值，dimin为区域i内最小喷头压力值，dp为喷头工作压力值；
在斜坡茶园顶端区域，将斜坡分为二个压力区，一区和二区，系统进行该区域喷洒作业时，水泵机组H工作，其最大工作水压要保证提供二区山顶最高处的工作水头，即其扬程为水源地至山顶高程差加上喷头工作压力加上管网水头损失，即式2：
D二＝d2+dp+dw二 式2
当喷灌作业区域处于区域的一区时，水泵H出口所需要的压力为：
D一＝d1+dp+dw一 式3
dp为喷头工作压力值，d1、d2为水源地至对应地点的高程，dw为管网水头损失，若水泵机组以工况频率进行一区喷洒作业，机组工作压力为D二，实际上一区所需要的工作压力为D一，由于d2比d1大，即D二＞D一，在灌溉一区时，管网产生富余水头，此时若通过安装变频调速器调整水泵转速，以降低工作水头，减少富余水头；
山区斜坡茶园喷灌变频调速异步电机转速表达式设置为：
m＝60a0(1-p)/S 式4
Figure GDA0003320557160000051
Figure GDA0003320557160000052
式中：m为电动机转速，单位为r/min，m0为异步电动机的同步转速，r/min，a0为定子绕组供电电源频率，Hz，p为转差率，S为电动机磁极对数；
电机的极对数S与转差率p都为定值，电机的转速度m与输入电机电源的频率a0成正比，改变电源频率即可改变电机的转速，变频调速装置通过连续改变输入电机电源的频率调整电机的转速，对水泵进行连续平滑调速，通过变频调速装置将水泵以恒压变量方式变频运行；
斜坡茶园喷灌变频水泵恒压变量运行方法：水泵以恒压变量进行变频调节时，传感器为压力传感器，根据高差对山区茶园的喷灌区域进行压力分区，设置二个压力参数值Q1、Q2,以参数值Q1为典型参数，对变频水泵的恒压变量运行方法进行分析，水泵在运行过程中，压力传感器将水泵出水管道口处的检测点的参数信号压力D传送给变频调速器，若参数检测点的压力值D测低于管道的设定压力Q1，中控室就给变频调速装置下达指令，加大水泵机组的输入电源频率a，水泵转速m与a成正比，随之增大，使整个管网的压力D得到相应提升，当D测＝Q1时，水泵以恒压Q1运行，水泵出水量P相应增大，反之，当压力检测点的压力值D测高于设定压力值Q1时，变频调速装置降低输入水泵机组的电源频率a，调节水泵转速m，使之减小，降低整个管网的压力D，水泵出水口的流量P也将得到相应减小；水泵转速的调整与否取决于水泵出水管口的压力D是否高于设定的水泵压力，通过中控室调整水泵转速保持压力检测点的压力D恒定，等于压力设定值Q1，而出水量P则发生相应变化，斜坡茶园喷灌变频水泵恒压变量运行，变频恒压控制系统是变频器、PID控制器、压力传感器等器件的结合；
斜坡茶园喷灌变频水泵恒压变量的节能方法：水泵的出水口压力D与出水量P由水泵性能曲线与管道系统特性曲线S1、S2的交点工况点确定，当水泵在工况频率下运行级转速为m0时，工况点为B点，对应的流量P与压力D分别为P0与D0；当喷灌系统的需水量P由P0减小至P1时，若水泵仍在工况频率下运行，流量调节就完全只能用阀门完成，此时水泵的性能曲线依然保持不变，管道特性曲线将由S1转移至曲线S2，系统工况点也从B点转移到A点，对应的流量为P1，出口压力为D1，此时水泵所提供的轴功率为：
Figure GDA0003320557160000061
式中：M为水泵提供的轴功率，单位为kw；γ为水的重度γ＝ρg；η为水泵效率，单位为％；
采用变频调速装置在工作的喷头数减少时，系统自动调节阀门，使系统流量减小；同时管道特性曲线也随之变化，将由S1向S2方向移动；此时水泵出水口处对应的压力值D1比设定压力值D0大，压力传感器就自动的将检测点的压力值信号传递给控制室，再给变频调速装置下达指令；变频调速装置将会降低电机的输入电源频率，调控水泵转速，使转速降低，系统压力保持恒定D0，当水泵转速m从m0降至m1时，系统流量P相应的从P0减小至P1，此时系统的工况点就顺利的从B点过度到C点，此时变频水泵对应的流量与压力分别为P1与D0，所提供的轴功率为：
Figure GDA0003320557160000062
根据水泵的相似定律，在通过改变电机的输入电源频率来改变水泵的转速时，其效率不变，相似律如下：
Figure GDA0003320557160000063
Figure GDA0003320557160000064
Figure GDA0003320557160000065
恒压变量调速运行下水泵的节能能力：
Figure GDA0003320557160000066
由式12得，通过变频调速装置，降低水泵的转速所节约的能量取决于D0/D1的取值，各个压力区的压差越大，节能越明显，山区斜坡茶园自然落差的存在，D0、D1相差大，同时工作的喷头数相差也大，每个喷灌区域的下部分与上部分所需要的压力值也不同，安装变频器节省能源消耗；
在斜坡茶园喷灌工程中选择变频调速装置时，采用式13计算变频装置所节约的运行费用：
Figure GDA0003320557160000071
式中：ΔA为节约的年运行费用，单位为元/年；I为单位电价，单位为元/(kw·h)；T为水泵年运行小时数，单位为h；m为喷灌系统的轮灌组数；Mi、Mi'为调频前、后电机的输入功率，单位为kw；山区斜坡茶园上喷灌作业时，喷头数目随灌溉区域的不同而不同，高程越高，茶叶种植面积越小，所需要的喷灌个数也相应减少。
山区斜坡茶园喷灌分级抽水变频节能方法，进一步的，茶园喷灌抽水方法是将山区斜坡茶园喷灌系统通过多级水泵，水泵A、水泵B、水泵C、水泵D抽水，其中，水泵A负责向中转水池一送水，并负责灌溉区域F0；水泵B负责向中转水池二送水，并负责灌溉区域F1；水泵C负责向中转水池三送水，并负责灌溉区域F2；水泵D负责灌溉区域F3，系统中的中转水池作为上一级系统的抽水前池，并且中转水池一号、二号、三号的容积依次减小，在山区充分利用项目区内的塘堰，塘堰经清淤和加固后可充当中转水池；
上部喷灌区管道的主管流量比下部的管道流量小，采用变径管道，对同一区域的管段，若坡度变化不大，管道的直径变化不大，本发明同一管段中，变化的管径在二个相邻的标准直径之间转化。
山区斜坡茶园喷灌分级抽水变频节能方法，进一步的，山区斜坡茶园喷灌的变频器调速方法是变频调速通过改变电机输入频率调整电机的同步转速，采用计算机控制根据电机负荷变化实现自动、平滑的增速或者减速，达到电机调速目的，变频器调速与异步电机固有特性一致，转差率小，精度高、效率高、调速范围宽且能无级调速，是适合水泵的异步电机调速方法，变频技术提高调速效率和精度，节能潜力好，供水管网压力稳定，便于维护管理，故障少。
山区斜坡茶园喷灌分级抽水变频节能方法，进一步的，茶园喷灌工程的经济效益中，运用变频调速装置后，不仅可改善喷灌条件，节约喷灌水资源，增大喷灌均匀度、雾化指标，降低能源消耗，而且对茶叶的产量的质量都有大幅度的提高；茶园喷灌工程对效益估算只考虑其带来的直接效益，即茶叶增产带来的效益，经济效益主要计算工程实施后的茶叶灌溉增产增收效益，其增产效益计算方法为灌溉效益分摊系数法，具体计算按式：
G＝∑εiFi(Ki-Ki0)Qi 式14
式中：G为灌溉效益；
εi为分摊系数，一般取0.6；
Fi为第i种农茶叶的种植面积，单位为亩；
Ki为工程实施后，第i种农茶叶的产量，单位为kg/亩；
Kio为工程实施前，第i种农茶叶的产量，单位为kg/亩；
Qi为第i种农茶叶的产品价格。
山区斜坡茶园喷灌分级抽水变频节能方法，进一步的，本发明坡地茶园采用低压旋转式喷头，管材采用塑料管，变频调速器采用PWM变频器；
安装管道时，避免管道暴露在地面，管道埋设于地面以下40至50cm，管道穿过公路和机耕路时以钢管套在管外予以保护。
山区斜坡茶园喷灌分级抽水变频节能方法，进一步的，变频调速器采用多重化的电流型变频器和电压型变频器，改善相应的输出波形，减少高次谐波，保障电动机的效率和功率因数，避免共振。
与现有技术相比，本发明的贡献和创新点在于：
第一，本发明提供的山区斜坡茶园喷灌分级抽水变频节能方法，针对大面积山区坡地规模化地种植茶叶，发展现代农业经济的需求，对地形的适应能力强，斜坡茶园不必严格平整，就可喷灌，并可调节田间小气候，为茶叶生长创造最适宜的生态环境，茶叶喷灌可增加空气湿度，促进茶叶生长，提高茶叶产量和品质，提高经济效益和社会效益。本发明进一步针对山区坡地地势高、水源低的地形特点，对山区斜坡茶园工程设计的相关技术和变频节能方法进行了改进优化。
第二，本发明提供的山区斜坡茶园喷灌分级抽水变频节能方法，分级抽水喷灌系统优势巨大，本发明采用多级水泵和配套的中转水池进行分级抽水和分区灌溉，不仅节约投资，又能降低能源消耗，节省运营成本；一是山坡下部面积要远大于山坡上部面积，水泵所需扬程大为减小，每台水泵的功率也相应变小，根据茶叶对水的需求，适时适量科学灌溉，系统需要多少喷灌水量，水泵就抽取多少水量，而现有技术的蓄水池式喷灌工程需要所有的喷灌水全部提到山顶的蓄水池，再利用落差自流到下部压力管道，以自压喷灌的形式灌溉，不仅需要消耗大量的能源进行抽水，当水自流到山坡下部时，还要采取消能措施保护管道和喷头；二是系统的中转水池只需作为上一级系统的抽水前池，不需要考虑轮灌水量需求，中转水势的体积较小，减少了土地占用面积，各级水泵只需负责相应的喷灌区域，种植区域的面积和水泵的扬程相对较小，采用常规0.8MPa的PVC管道就能满足喷灌要求，其承压等级满足喷灌管网系统的压力变化；三是山区抽水喷灌系统，应用分级抽水，每个水泵所控制的喷灌区相对高程较低，既避免喷头压力过大导致喷洒出来的水滴的打击强度过强，对茶叶造成伤害和坡地土壤进行冲刷，又保护了竖管和喷头，延长了管道的使用寿命。
第三，本发明提供的山区斜坡茶园喷灌分级抽水变频节能方法，针对坡地喷灌系统的特点，设计了茶园喷灌压力分区与抽水方法，按地形高差对茶园喷灌区域进行压力分区，实行茶园分区灌溉，在压力区，实行支管轮灌；并提出分级提水、分区灌溉的节能调压方法，分级提水的是在茶园高程高的地方，通过多个水泵进行分级提水，每个水泵负责一片区域，建立相应的中转水池进行蓄水，作为上一级区域的水源，分级提水使泵站扬程和系统管网压力保持在相对适中的范围内，可应用于地势较高的山丘坡地。坡地喷灌系统采用分级提水技术，既可以节约茶园喷灌投资，又可以降低喷灌能源消耗，节省茶园的运营成本。
四是本发明提供的山区斜坡茶园喷灌分级抽水变频节能方法，针对茶园喷灌工程中，现有技术的蓄水池、调压罐和减压阀等无法调节水泵的运行特性与管网实际变化的运行状况相适应的问题，在坡地茶园上喷灌变频水泵恒压变量运行，由管道压力检测值是否大于设定参数值决定是否调整电机的输入频率，加大或者降低管网的压力和流量，达到变速节能的目的。当喷灌系统高程差较大时，同时工作的喷头数差异也大，本发明变频器的节能效果在31.2％至39.6％之间，在山区茶园喷灌系统中应用变频器的节能效果十分明显。
附图说明
图1是本发明的山区斜坡茶园示意图。
图2是本发明的压力单元分区示意图。
图3是本发明区域F3的压力分区示意图。
图4是本发明的节能调频喷灌系统设计方法平面图。
图5是本发明的茶园喷灌供水调速示意图。
图6是本发明茶园喷灌设置不同的管道压力值示意图。
图7是本发明茶园喷灌水泵工况点变化示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明提供的山区斜坡茶园喷灌分级抽水变频节能方法的技术方案进行进一步的描述，使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能够予以实施。
本发明提供的山区斜坡茶园喷灌分级抽水变频节能方法，包括茶园喷灌压力分区与抽水方法和茶园喷灌系统的节能方法，茶园喷灌压力分区与抽水方法包括茶园喷灌压力分区方法、茶园喷灌抽水方法；
茶园喷灌压力分区与抽水方法基于坡地喷灌的压力特性和压力分区方法，按地形高差对茶园喷灌区域进行压力分区，实行分区灌溉，在压力区实行支管轮灌，并提出分级抽水、分区灌溉的节能调压方法；分级抽水方法为在茶园坡地高程高的地方，通过多个水泵进行分级抽水，每个水泵负责一片区域，建立相应的中转水池进行蓄水，作为上一级区域的水源；分级抽水使泵站扬程和系统管网压力保持在相对适中的范围内，可用于地势较高的山丘茶园；茶园喷灌系统采用分级抽水方法，既节约投资，又降低能源消耗，节省运营成本；
茶园喷灌系统的节能方法在坡地上采用变频调速方式实现节能运行，喷灌变频水泵恒压变量运行，由管道压力检测值是否大于设定参数值决定是否调整电机的输入频率，加大或者降低管网的压力和流量，达到变速节能的目的。当茶园喷灌系统高程差较大时，同时工作的喷头数差异也大，在坡地喷灌应用变频器节能多。
一、山区斜坡茶园的地形特征
将大量闲置的荒山土地进行统一的综合开发，在山坡上进行规模化的种植茶叶，不仅充分利用了山区土地资源，还有效的发展了当地的特色经济，为当地农民增收，改善农村面貌，建设新农村提供有利环境。但是，种植在山丘山坡上的茶叶对灌水量有十分严格的要求。为了最大化的发挥茶叶的经济效益，必须较好的解决茶叶灌溉需水和如何灌溉的问题，如图1，是山区典型坡地示意图，山区典型坡地坡度较陡，高程差较大。
喷灌作为一种较先进的节水灌水方式，效益显著而被广泛采用于山区，与平地相比，山区坡地喷灌主要具有以下几个特征：一是喷头间水量分布极不均匀，上坡方向由于地面高度上升，从喷头射出的水未充分扩散就洒落在地面上，射程缩短严重，喷洒面积减小，而在下坡方向，水流运动时间增长，射程增加，喷洒面积增加；二是允许喷灌强度降低，随着地面坡度增加，斜坡上更容易发生地表径流，因此要相应降低喷灌强度；三是对土壤和茶叶的破坏作用加强，在上坡方向，由于水舌未充分碎裂就喷洒在地面上，对土壤的冲刷作用加强，容易破坏土壤的结构，同时对茶叶的横向打击加大，容易打伤茶叶；四是管道布设特性，山区斜坡茶园上，由于自然落差的影响，管道布设受到一定的限制，一方面要充分利用自然落差来弥补水头损失，另一方面又要设法消除过多的自由水头以保持喷头工作压力不会相差过大，同时还要考虑管道的承压能力；五是山区斜坡茶园喷灌系统设计在陡坡上，管道发生水锤的机会增多。
二、茶园喷灌压力分区与抽水方法
(一)山区斜坡茶园喷灌的压力特征
山区斜坡茶园由于坡度的存在，下部的茶叶种植面积要比上部的大得多，沿着山脊向上方向，面积越来越小，因此采用分区轮灌的工作方式。现有技术的设计是在水源地处修建一座泵站，泵站型号参数应按最不利条件全部满足所需压力最大的分区作业，即泵站参数满足喷灌要求，水泵工况点就是额定工况。在下部坡地喷灌作业时，额定工况下的喷头压力会超过喷头作业所需的水头，使水滴打击强度增大，损坏茶叶叶片，此时喷灌系统通过减压阀调整喷头压力，避免水滴打伤茶叶，保证喷洒效果。但这种调压方式无法调节水泵的运行特征与管网实际变化的运行状况相适应，会使水泵偏离高效运行区，并且将过多的水能损失在闸阀上，水头利用率降低，造成大量能源耗费，是一种不经济的运行方式。
(二)确定压力分区
按照高程和灌溉面积将整个茶园喷灌系统分成若干个灌溉区，为满足喷灌均匀度要求，每个灌溉单元区内的任意支管上二个喷头的工作压力差在允许范围内，二个喷头之间的喷洒压差不超过喷头压力的20％，如式1，喷头压力为30m，二个喷头间的压力差最大为6m，依次往前推，根据单元区确定压力区，如图2，确定灌溉分区后，再确定管网压力控制点。
dimax-dimin≤0.2dp 式1
式中：dimax为区域i内最大喷头压力值，dimin为区域i内最小喷头压力值，dp为喷头工作压力值；
如图1和图3，以斜坡茶园顶端区域为例，将斜坡分为二个压力区，一区和二区，系统进行该区域喷洒作业时，水泵机组H工作，其最大工作水压要保证提供二区山顶最高处的工作水头，即其扬程为水源地至山顶高程差加上喷头工作压力加上管网水头损失，即式2：
D二＝d2+dp+dw二 式2
当喷灌作业区域处于区域的一区时，水泵H出口所需要的压力为：
D一＝d1+dp+dw一 式3
dp为喷头工作压力值，d为水源地至对应地点的高程，dw为管网水头损失，若水泵机组以工况频率进行一区喷洒作业，机组工作压力为D二，实际上一区所需要的工作压力为D一，由于d2比d1大，即D二＞D一，因此在灌溉一区时，管网产生富余水头，此时若通过安装变频调速器调整水泵转速，以降低工作水头，减少富余水头，既可以提高喷灌效果，减轻对茶叶的雨滴打击，还能有效避免水击冲刷地面土壤，并且节省能源，降低运营成本。
(三)山区斜坡茶园喷灌系统的抽水方法
1.现有技术的坡地喷灌抽水方法
要满足茶叶种植的灌溉需求，首先要解决抽水问题，一般利用水泵进行抽水上山进行灌溉，当高程较高时则需要多级抽水上山。如图1，灌溉水源地位于山脚下，要进行坡地茶叶喷灌，现有技术一般有二种做法：第一种是抽水式机压喷灌系统，通过水泵直接加压，使管网水头满足山顶处的喷头所需的压力水头，斜坡下部分通过加大管道承压等级，防止管道压力过大导致爆管；第二种是抽水蓄水喷灌系统，在灌区上较高控制点处建调蓄水池，由水源地泵站抽水高蓄，再利用蓄水池与灌区的落差形成水头，将水送至压力管道，对坡地下部自压喷灌，静压时则需采取消能调压措施。
2.山区斜坡茶园分级抽水喷灌系统
如图1所示，山区斜坡茶园喷灌系统通过多级水泵，如水泵A、水泵B、水泵C、水泵D抽水，其中，水泵A负责向中转水池一送水，并负责灌溉区域F0；水泵B负责向中转水池二送水，并负责灌溉区域F1；水泵C负责向中转水池三送水，并负责灌溉区域F2；水泵D负责灌溉区域F3，系统中的中转水池作为上一级系统的抽水前池，并且中转水池一号、二号、三号的容积依次减小，在山区充分利用项目区内的塘堰，塘堰经清淤和加固后可充当中转水池，既可发挥塘堰的引蓄作用，又可节约修建中转水池的费用，还节省用地。
由于存在坡度和自然落差，山区斜坡茶园的每个压力区的种植面积不同，如图4所示，沿山顶的方向，高程越高，区域茶叶种植面积越小，所需要的灌溉总水量相对减少，结合图1所示，以区域F4为例，在对区域F4的二区的茶叶喷洒作业时，由于上部二区的种植面积小，需要的喷头数和管道流量要比下部一区少。因此，上部喷灌区管道的主管流量比下部的管道流量小，就可能采用变径管道。通过采用变径管道，可节约管网的投入成本。对同一区域的管段，若坡度变化不大，管道的直径变化也不会太大。本发明同一管段中，变化的管径在二个相邻的标准直径之间转化。
3.分级抽水喷灌系统的优势
本发明采用多级水泵和配套的中转水池进行分级抽水和分区灌溉，不仅节约投资，又能降低能源消耗，节省运营成本。一是山坡下部面积要远大于山坡上部面积，水泵所需扬程大为减小，每台水泵的功率也相应变小，根据茶叶对水的需求，适时适量科学灌溉，系统需要多少喷灌水量，水泵就抽取多少水量。而现有技术的蓄水池式喷灌工程需要所有的喷灌水全部提到山顶的蓄水池，再利用落差自流到下部压力管道，以自压喷灌的形式灌溉，不仅需要消耗大量的能源进行抽水，当水自流到山坡下部时，还要采取消能措施保护管道和喷头；二是系统的中转水池只需作为上一级系统的抽水前池，不需要考虑轮灌水量需求，中转水势的体积较小，减少了土地占用面积，各级水泵只需负责相应的喷灌区域，种植区域的面积和水泵的扬程相对较小，采用常规0.8MPa的PVC管道就能满足喷灌要求，其承压等级满足喷灌管网系统的压力变化；三是山区抽水喷灌系统，应用分级抽水，每个水泵所控制的喷灌区相对高程较低，既避免喷头压力过大导致喷洒出来的水滴的打击强度过强，对茶叶造成伤害和坡地土壤进行冲刷，又保护了竖管和喷头，延长了管道的使用寿命。
四、山区斜坡茶园喷灌系统的节能方法
节能是经济发展的长远战略方针，对茶园坡地喷灌工程进行合理的设计、施工、管理以及运行维护，能有效提高能源利用率，但山区斜坡茶园喷灌的技术含量较平地喷灌复杂很多，涉以及面广，在山区斜坡茶园，喷灌工程不同的抽水方式，管网设计方案就不同，能源消耗也就不一样。在山区上部区域与下部区域的喷灌扬程变化较大，进行上部区域喷灌作业时，需要较高的水压才能满足喷灌的各项技术指标，若水泵额定工况下对下部区域茶叶进行喷灌作业时，喷头的压力会增大，喷洒出来的水滴可能对茶叶叶面造成伤害，还可能冲刷地面表层土，影响喷灌效果。本发明提供山区斜坡茶园喷灌系统的节能方法。
(一)现有技术的坡地喷灌调控方法
(1)喷灌结点的富余水头，喷灌结点的富余水头是喷灌结点的自由水头超过该喷灌结点所需的最小水头的那部分水头，富余水头越低，管网系统的可靠性越高，管网系统运行越节能。
(2)喷头经济压力值，喷头经济压力值是在喷灌系统中，选择所有可能的系列喷头时，能找出这样的喷头以及其相应的工作压力值，使系统在该工作压力值下运行时系统既能满足各项技术指标的要求又能使管网运行的年费用最小。这种喷头的对应压力值为该喷灌系统的喷头经济压力值，高压喷头射程远，可适当加大喷头组合间距，从工程建设投资上讲，确实节省了部分资金，但由于工作压力大，在坡地喷灌工程中易冲刷表层土壤，造成水土流失。
(二)现有技术的喷灌调节控制方法
现有技术的山区喷灌工程中，机电泵在工频电源50Hz下作恒速运行，喷灌系统采用蓄水池、调压罐、减压阀调节控制设施，能起到控制压力以及流量变化的作用，但均有局限性，无法调节水泵的运行特性与管网实际变化的运行状况相适应，会降低水泵的工作效率，使水泵工作偏离高效区，运行十分不经济，大量浪费能源，不能满足喷灌恒压供水的要求。
一是调蓄池调压，在灌区内部或者邻近足够高的位置修筑调蓄水池，错峰将低处水源提升到高处的蓄水池，经调蓄池存蓄、调节，再引下来实现自压喷灌，调蓄池形式需将所有的水量通过水泵全部抽到山顶蓄水池，当茶叶种植区地势平坦时，管道压力均匀，流速稳定，喷洒效果好，但在山区坡地上，存在坡度和自然落差，喷灌区域高程相差很大，调蓄池无法保证管网压力平稳，无法保证喷洒均匀度，因此调蓄池调压不适合坡地喷灌。
二是调压罐调节水压，调压罐利用自身储存的水量以及其压力调节功能调节控制水泵机组的出力，当水泵供水与田间用水量不一样时，调压罐通过蓄水加压或放水降压平衡供水与用水，但压力罐体积大、投资高，能源消耗大，压力变化大，运行效率低，运行费用高。
三是减压阀，减压阀是自动降低管路工作压力的装置，保持水泵转速不变，通过调节阀门的开度调节流量，当管道压力超过设定压力时，减压阀会自动打开，降低压力，保护喷灌设备；利用调节阀或者分流阀调节流量和压力，投资较小，但管理麻烦，调节范围小，并将大量能量消耗在阀门上，非常不经济，并且一旦调节不及时，就会引起超压或者欠压现象，造成水泵或者管网损坏，喷灌均匀度对茶叶的增产有决定性作用，但对于大面积的喷灌系统，工作压力是影响灌水均匀度的最大因素，工程设计中仅要求同一条支管上任意二个灌水器之间的工作压力在设计压力的20％内，而整个系统的压力是通过调压罐或者减压阀进行调节控制，实际应用中很难达到设计灌溉均匀度要求。因此，急需寻找一种新的变频恒压控制方法解决区斜坡茶园喷灌管网压力，保证喷灌系统安全运行，节能高效运行。
(三)山区斜坡茶园喷灌的变频器调速方法
变频调速通过改变电机输入频率调整电机的同步转速，采用计算机控制根据电机负荷变化实现自动、平滑的增速或者减速，达到电机调速目的，变频器调速与异步电机固有特性一致，即转差率小，因而其精度高、效率高、调速范围宽且能无级调速，是理想的异步电机调速方法，尤其适合水泵。变频技术提高了调速效率和精度，且节能潜力好、噪声小，使供水管网压力稳定，便于维护管理，故障少。
1.山区斜坡茶园喷灌变频调速方法
异步电机转速表达式为：
m＝60a0(1-p)/S 式4
Figure GDA0003320557160000141
Figure GDA0003320557160000142
式中：m为电动机转速，单位为r/min，
m0为异步电动机的同步转速，r/min，
a0为定子绕组供电电源频率，Hz，
p为转差率，
S为电动机磁极对数；
电机的极对数S与转差率p都为定值，电机的转速度m与输入电机电源的频率a0成正比，改变电源频率即可改变电机的转速，变频调速装置通过连续改变输入电机电源的频率调整电机的转速，对水泵进行连续平滑调速。变频调速装置可使水泵以恒压变量方式变频运行，也可使水泵以恒量变压方式变频运行，本发明通过变频调速装置将水泵以恒压变量方式变频运行。
2.斜坡茶园喷灌变频水泵恒压变量运行方法
如图5为恒压供水调速装置，水泵以恒压变量进行变频调节时，传感器为压力传感器。根据高差对山区茶园的喷灌区域进行压力分区，设置二个压力参数值Q1、Q2,如图6所示。以参数值Q1为典型参数，对变频水泵的恒压变量运行方法进行分析，水泵在运行过程中，压力传感器将水泵出水管道口处的检测点的参数信号压力D传送给变频调速器，若参数检测点的压力值D测低于管道的设定压力Q1，中控室就给变频调速装置下达指令，加大水泵机组的输入电源频率a，水泵转速m与a成正比，随之增大，使整个管网的压力D得到相应提升，当D测＝Q1时，水泵以恒压Q1运行，水泵出水量P相应增大，反之，当压力检测点的压力值D测高于设定压力值Q1时，变频调速装置降低输入水泵机组的电源频率a，调节水泵转速m，使之减小，降低整个管网的压力D，水泵出水口的流量P也将得到相应减小；水泵转速的调整与否取决于水泵出水管口的压力D是否高于设定的水泵压力，通过中控室调整水泵转速保持压力检测点的压力D恒定，等于压力设定值Q1，而出水量P则发生相应变化，斜坡茶园喷灌变频水泵恒压变量运行，变频恒压控制系统是变频器、PID控制器、压力传感器等器件的结合。
3.斜坡茶园喷灌变频水泵恒压变量的节能方法
水泵的出水口压力D与出水量P由水泵性能曲线与管道系统特性曲线S1、S2的交点工况点确定，如图7中A点、B点、C点。当水泵在工况频率下运行级转速为m0时，工况点为B点，对应的流量P与压力D分别为P0与D0。
当喷灌系统的需水量P由P0减小至P1时，若水泵仍在工况频率下运行，流量调节就完全只能用阀门完成。如图7所示，此时水泵的性能曲线依然保持不变，管道特性曲线将由图中的S1转移至曲线S2，系统工况点也从图中的B点转移到A点，对应的流量为P1，出口压力为D1，此时水泵所提供的轴功率为:
Figure GDA0003320557160000151
式中：M为水泵提供的轴功率，单位为kw；
γ为水的重度γ＝ρg；
η为水泵效率，单位为％；
若采用变频调速装置，在工作的喷头数减少时，系统自动调节阀门，使系统流量减小；同时管道特性曲线也随之变化，将由S1向S2方向移动；此时水泵出水口处对应的压力值D1比设定压力值D0大，压力传感器就自动的将检测点的压力值信号传递给控制室，再给变频调速装置下达指令；于是变频调速装置将会降低电机的输入电源频率，调控水泵转速，使转速降低，使系统压力保持恒定D0，当水泵转速m从m0降至m1时，系统流量P相应的从P0减小至P1，此时系统的工况点就顺利的从B点过度到C点，此时变频水泵对应的流量与压力分别为P1与D0，所提供的轴功率为：
Figure GDA0003320557160000161
根据水泵的相似定律，在通过改变电机的输入电源频率来改变水泵的转速时，其效率不变，相似律如下：
Figure GDA0003320557160000162
Figure GDA0003320557160000163
Figure GDA0003320557160000164
恒压变量调速运行下水泵的节能能力：
Figure GDA0003320557160000165
由式12得，通过变频调速装置，降低水泵的转速所节约的能量取决于D0/D1的取值，各个压力区的压差越大，节能越明显，在山区斜坡茶园，由于自然落差的存在，D0、D1相差大，同时工作的喷头数相差也大，每个喷灌区域的下部分与上部分所需要的压力值也不同，安装变频器可节省能源消耗。
(四)茶园喷灌变频节能的经济性
山区斜坡茶园由于坡度的存在，下部分种植面积要比上半部大得多，主要分布在F0和F1区域，通过分级抽水和分区灌溉，水泵H只需要提供F3区域茶叶喷灌所需的水头和水量，中转水池四相应的小很多。
1.变频节能的潜力
通过对当前市场上的变频调速设备进行调查，变频调速装置的价格普遍很高，因此在斜坡茶园喷灌工程中选择变频调速装置时，应先进行经济分析，本发明采用式13计算变频装置所节约的运行费用：
Figure GDA0003320557160000171
式中：ΔA为节约的年运行费用，单位为元/年；
I为单位电价，单位为元/(kw·h)；
T为水泵年运行小时数，单位为h；
m为喷灌系统的轮灌组数；
Mi、Mi'为调频前、后电机的输入功率，单位为kw；
本发明将变频调速装置应用到平地喷灌工程中，并进行试验。在水泵工频和水泵变频二种不同的工况下，分别对五个喷灌小组进行变频试验，各组同时工作的喷头数分别为776、591、379、189、101，分别测试一个完整喷灌工序所消耗的能源，对相关的试验进行分析，得出以下结论：一是变频调速装置应用于喷灌是可行的；二是当同时作业的喷头数目相差不大时，变频效果不明显，在工况下喷灌即可；三是变频调速装置在喷灌中具有明显的节能效果，工作的喷头数不同，其节电效果在31.2％至39.6％之间，节能潜力较大，每年可节省很大一笔能源费。
山区斜坡茶园上喷灌作业时，喷头数目随灌溉区域的不同而不同，高程越高，茶叶种植面积越小，所需要的喷灌个数也相应减少，
2.茶园喷灌工程的经济效益
在茶园喷灌工程试验中，运用变频调速装置后，不仅可改善喷灌条件，节约喷灌水资源，增大喷灌均匀度、雾化指标，降低能源消耗，而且对茶叶的产量的质量都有大幅度的提高。茶园喷灌工程对效益估算只考虑其带来的直接效益，即茶叶增产带来的效益，经济效益主要计算工程实施后的茶叶灌溉增产增收效益，其增产效益计算方法为灌溉效益分摊系数法，具体计算按式：
G＝∑εiFi(Ki-Ki0)Qi 式14
式中：G为灌溉效益；
εi为分摊系数，一般取0.6；
Fi为第i种农茶叶的种植面积，单位为亩；
Ki为工程实施后，第i种农茶叶的产量，单位为kg/亩；
Kio为工程实施前，第i种农茶叶的产量，单位为kg/亩；
Qi为第i种农茶叶的产品价格。
实施例以湖北省宜昌县夷陵区太平溪茶厂为例，在对茶叶进行喷灌后，茶叶的生长环境得到很大的改善，茶叶增产量超过30％，直接效益可观。
3.茶园喷灌变频调速器的优点
变频调速装置实现平滑的连续无级调速，并且调速的精度高、效率高，运行灵活。在变频装置出现故障时，可退出运行，直接由电网供电。对水泵的安全经济运行非常有利。在以下二种情况下，变频装置可直接退出运行：一是在发生紧急情况导致变频调速装置发生故障时，变频调速装置可直接退出运行，且不会影响水泵的运行，大大提高了茶园喷灌工程的可靠性，提高喷灌的效率，便于喷灌管理；二是在接近额定频率范围工作时，使用变频调速装置意义不大，也可退出运行，改由电网直接供电，或使用节流等其它常规调节方式。
(五)茶园喷灌节能的综合方法
优秀的茶园喷灌系统仅靠最优的节能设计是不够的，还必须有配套的后续工作，包括选择最优设备组件，合理的施工方法，以及投产运营后完善的管理制度。只有将这些要素统筹考虑，才能让山区斜坡茶园喷灌工程发挥最大效益。
1.优选喷灌设备
(1)喷头的选择
喷头好坏决定坡地茶园喷灌系统的喷灌质量，喷头是喷灌的专用设备，也是喷灌系统最重要的部件，喷头的选择决定喷灌均匀度的大小、喷洒质量的好坏，并影响雾化指标。通过喷头将竖管中的有压水流均匀的扩散成细小的水滴并均匀喷散在坡地茶园。本发明坡地茶园采用低压旋转式喷头，优选全圆转动和扇形转动的摇臂式喷头，喷头质量必须得到保障，禁止技术落后的、质量伪劣的、不符合节能要求的喷头流入茶园喷灌工程现场，否则会降低系统的可靠性，缩短工程的使用年限，加大管理维修的强度，浪费大量的人力、财力、物力。
(2)管材以及配件的选择
茶园喷灌系统的良好运行关键在于管道系统的优化布设，管道的优化布设又与喷头的选择直接相关，管道系统分为支管和主管二级，将水泵的加压水输送分配到各个茶园地块。管道是喷灌系统的重要组成部分，在整个茶园喷灌系统中所占的投资比重在固定式达到70％以上。管材以及配件按其使用方式分为固定管和移动管，按材料不同又分为金属管、脆硬性管、塑料管。本发明采用塑料管，塑料管具有下列优点：寿命长，耐腐蚀，比较耐用，重量轻，易于搬运，安装施工容易，水力性能好，过水能力稳定，有一定韧性，能适应较小的不均匀沉降，节省大量钢铁。
(3)水泵以及电机的选择
在对水泵以及电动机选型时，在满足喷灌要求的基础上，结合茶园实际，选取多个不同型号的水泵进行比较，选择一种工作效率高，又节能环保的水泵。动力机可采用柴油机、汽油机和电动机，本发明采用电动机，柴油机和汽油机对大气环境有一定的污染。
(4)变频调速器的选择
本发明变频调速器采用PWM变频器或采用多重化技术的电流型变频器和电压型变频器，其相应的输出波形大为改善，高次谐波大大减少，电动机的效率和功率因数能得到保障，还可避免共振。
2.茶园喷灌施工过程中的节能方法
坡地茶园喷灌工程在施工期的节能方法主要有：一是精心组织工程施工，合理安排施工工序，合理选择施工设备，节能减排；尽可能减少占地，严格控制开挖与回填的方量；在山区坡地上作业，考虑到地形坡度对施工造成的不便，在满足安全的前提下可选择适宜的机械作业，但要避免空载、空负荷运转发生；在无法使用机械作业或不必进行机械作业的施工区域，尽量使用人工代劳，这样也可以带动农民投工投劳的热情；二是安装管道时，要避免管道暴露在地面，应该埋设于地面以下40至50cm，有利于保护管材，能有效延长管网的使用寿命，管道穿过公路和机耕路时应以钢管套在管外予以保护。
3.优化管理制度和专业技术人员
茶园坡地喷灌工程建成后，要发挥工程的最大效益，关键在于有效的管理，因此喷灌工程在运营期间，要对工程管理区制定合理的节能减排措施，建立严格的管理制度，确保喷灌工程产生最佳效率。一是建章立制，规范管理，制定整套茶园喷灌工程管理规章制度，确保工程管理有章可循，确保工程达到设计效益；落实巡查、检查制度，以防为主，保养重于维修，发现问题及时维护；尽量保持茶园坡地喷灌系统的工程设施和机电设备的完好，防止输水、配水管道的冻胀以及其它附件的破坏，在喷灌作业结束后及时排空管道内的余水，以防止因冻胀破坏管道；二是注重观测，提高茶园坡地喷灌的工程技术水平；在喷灌工程作业时，注重观测记录各种数据，并分析各种数据之间的关系，包括各时期的土壤含水率、茶叶不同生长期的耗水需求量、茶叶的产量以及用水量，为制定科学的灌溉制度提供依据；三是建设信息平台，完善喷灌工程管理队伍，定期培训，推进管理创新，提高管理人员的技术水平。
本发明的山区斜坡茶园喷灌分级抽水变频节能方法，以山区坡地为背景，以茶叶喷灌为对象。本发明基于水源地位置在山坡下，需要借助水泵进行加压抽水至喷灌区，山区斜坡茶园由于自然落差的原因，采用现有技术的水泵直接加压喷灌和蓄水池喷灌，不仅在抽水环节浪费大量能源，而且对管道材料的要求也更高，投资也相对加大。既满足喷灌要求，又可以节省投资，还可以节能的喷灌方法对发展高山地区的茶叶经济有着十分重要的作用。通过对蓄池式喷灌和水泵直接加压式二种喷灌方式的优缺点进行探讨，提出一种山区斜坡茶园多级水泵进行分级抽水的方法，进行节能设计，同时采用变频器来进行节能运营，发展节能喷灌。本发明从结点富余水头和管道经济压力着手，结合现有技术的调压方式的优缺点，变频调速装置可实现平滑的连续无级调速，并且调速的精度高，效率高，运行灵活，基于节水变频水泵的工作原理，喷灌高程差较大的地方，同时工作的喷头数差异也大，变频器的节能效果就很明显，其节能效果在31.2％至39.6％之间。

Claims (5)

1.山区斜坡茶园喷灌分级抽水变频节能方法，其特征在于，包括茶园喷灌压力分区与抽水方法和茶园喷灌系统的节能方法，茶园喷灌压力分区与抽水方法包括茶园喷灌压力分区方法、茶园喷灌抽水方法；
茶园喷灌压力分区与抽水方法基于坡地喷灌的压力特性和压力分区，按地形高差对茶园喷灌区域进行压力分区，实行分区灌溉，在压力区实行支管轮灌，并提出分级抽水、分区灌溉的节能调压方法；分级抽水方法为在茶园坡地高程高的地方，通过多个水泵进行分级抽水，每个水泵负责一片区域，建立相应的中转水池进行蓄水，作为上一级区域的水源；分级抽水使泵站扬程和系统管网压力保持在相对适中的范围内；
茶园喷灌系统的节能方法在坡地上采用变频调速方式实现节能运行，喷灌变频水泵恒压变量运行，由管道压力检测值是否大于设定参数值决定是否调整电机的输入频率，加大或者降低管网的压力和流量，达到变速节能的目的，当茶园喷灌系统高程差较大时，同时工作的喷头数差异也大，在坡地喷灌应用变频器节能多；
茶园喷灌压力分区方法按照高程和灌溉面积将整个茶园喷灌系统分成若干个灌溉区，每个灌溉单元区内的任意支管上二个喷头的工作压力差在允许范围内，二个喷头之间的喷洒压差不超过喷头压力的20％，根据单元区确定压力区，确定灌溉分区后，再确定管网压力控制点；
dimax-dimin≤0.2dp 式1
式中：dimax为区域i内最大喷头压力值，dimin为区域i内最小喷头压力值，dp为喷头工作压力值；
在斜坡茶园顶端区域，将斜坡分为二个压力区，一区和二区，系统进行该区域喷洒作业时，水泵机组H工作，其最大工作水压要保证提供二区山顶最高处的工作水头，即其扬程为水源地至山顶高程差加上喷头工作压力加上管网水头损失，即式2：
D二＝d2+dp+dw二 式2
当喷灌作业区域处于区域的一区时，水泵H出口所需要的压力为：
D一＝d1+dp+dw一 式3
dp为喷头工作压力值，d1、d2为水源地至对应地点的高程，dw为管网水头损失，dw一为一区管网水头损失，dw二为二区管网水头损失，若水泵机组以工况频率进行一区喷洒作业，机组工作压力为D二，实际上一区所需要的工作压力为D一，由于d2比d1大，即D二＞D一，在灌溉一区时，管网产生富余水头，此时若通过安装变频调速器调整水泵转速，以降低工作水头，减少富余水头；
山区斜坡茶园喷灌变频调速异步电机转速表达式设置为：
m＝60a0(1-p)/S 式4
Figure FDA0003506434170000021
Figure FDA0003506434170000022
式中：m为电动机转速，单位为r/min，m0为异步电动机的同步转速，r/min，a0为定子绕组供电电源频率，Hz，p为转差率，S为电动机磁极对数；
电机的极对数S与转差率p都为定值，电机的转速度m与输入电机电源的频率a0成正比，改变电源频率即可改变电机的转速，变频调速装置通过连续改变输入电机电源的频率调整电机的转速，对水泵进行连续平滑调速，通过变频调速装置将水泵以恒压变量方式变频运行；
斜坡茶园喷灌变频水泵恒压变量运行方法：水泵以恒压变量进行变频调节时，传感器为压力传感器，根据高差对山区茶园的喷灌区域进行压力分区，设置二个压力参数值Q1、Q2,以参数值Q1为典型参数，对变频水泵的恒压变量运行方法进行分析，水泵在运行过程中，压力传感器将水泵出水管道口处的检测点的参数信号压力D传送给变频调速器，若参数检测点的压力值D测低于管道的设定压力Q1，中控室就给变频调速装置下达指令，加大水泵机组的输入电源频率a，水泵转速m与a成正比，随之增大，使整个管网的压力D得到相应提升，当D测＝Q1时，水泵以恒压Q1运行，水泵出水量P相应增大，反之，当压力检测点的压力值D测高于设定压力值Q1时，变频调速装置降低输入水泵机组的电源频率a，调节水泵转速m，使之减小，降低整个管网的压力D，水泵出水量P也将得到相应减小；水泵转速的调整与否取决于水泵出水管口的压力D是否高于设定的水泵压力，通过中控室调整水泵转速保持压力检测点的压力D恒定，等于压力设定值Q1，而水泵出水量P则发生相应变化，斜坡茶园喷灌变频水泵恒压变量运行，变频恒压控制系统是变频器、PID控制器、压力传感器的结合；
斜坡茶园喷灌变频水泵恒压变量的节能方法：水泵的出水口压力D与出水量P由水泵性能曲线与管道系统特性曲线S1、S2的交点工况点确定，当水泵在工况频率下运行级转速为m0时，工况点为B点，对应的流量P与压力D分别为P0与D0；当喷灌系统的需水量P由P0减小至P1时，若水泵仍在工况频率下运行，流量调节就完全只能用阀门完成，此时水泵的性能曲线依然保持不变，管道特性曲线将由S1转移至曲线S2，系统工况点也从B点转移到A点，对应的流量为P1，出口压力为D1，此时水泵所提供的轴功率为：
Figure FDA0003506434170000031
式中：M为水泵提供的轴功率，单位为kw；γ为水的重度γ＝ρg；η为水泵效率，单位为％；
采用变频调速装置在工作的喷头数减少时，系统自动调节频率，使系统流量减小；同时管道特性曲线也随之变化，将由S1向S2方向移动；此时水泵出水口处对应的压力值D1比设定压力值D0大，压力传感器就自动的将检测点的压力值信号传递给控制室，再给变频调速装置下达指令；变频调速装置将会降低电机的输入电源频率，调控水泵转速，使转速降低，系统压力保持恒定D0，当水泵转速m从m0降至m1时，系统流量P相应的从P0减小至P1，此时系统的工况点就顺利的从B点过度到C点，此时变频水泵对应的流量与压力分别为P1与D0，所提供的轴功率为：
Figure FDA0003506434170000032
根据水泵的相似定律，在通过改变电机的输入电源频率来改变水泵的转速时，其效率不变，相似律如下：
Figure FDA0003506434170000033
Figure FDA0003506434170000034
Figure FDA0003506434170000035
Pa、Da、ma、Ma分别是变频水泵a处对应的流量、压力、水泵转速和轴功率，Pb、Db、mb、Mb分别是变频水泵b处对应的流量、压力、水泵转速和轴功率，恒压变量调速运行下水泵的节能能力：
Figure FDA0003506434170000036
由式12得，通过变频调速装置，降低水泵的转速所节约的能量取决于D0/D1的取值，各个压力区的压差越大，节能越明显，山区斜坡茶园自然落差的存在，D0、D1相差大，同时工作的喷头数相差也大，每个喷灌区域的下部分与上部分所需要的压力值也不同，安装变频器节省能源消耗；
在斜坡茶园喷灌工程中选择变频调速装置时，采用式13计算变频装置所节约的运行费用：
Figure FDA0003506434170000041
式中：ΔA为节约的年运行费用，单位为元/年；I为单位电价，单位为元/(kw·h)；T为水泵年运行小时数，单位为h；m为喷灌系统的轮灌组数；Mi、Mi'为调频前、后电机的输入功率，单位为kw；山区斜坡茶园上喷灌作业时，喷头数目随灌溉区域的不同而不同，高程越高，茶叶种植面积越小，所需要的喷灌个数也相应减少；
茶园喷灌抽水方法是将山区斜坡茶园喷灌系统通过多级水泵，水泵A、水泵B、水泵C、水泵D抽水，其中，水泵A负责向中转水池一送水，并负责灌溉区域F0；水泵B负责向中转水池二送水，并负责灌溉区域F1；水泵C负责向中转水池三送水，并负责灌溉区域F2；水泵D负责灌溉区域F3，系统中的中转水池作为上一级系统的抽水前池，并且中转水池一号、二号、三号的容积依次减小，在山区充分利用项目区内的塘堰，塘堰经清淤和加固后可充当中转水池；
上部喷灌区管道的主管流量比下部的管道流量小，采用变径管道，同一管段中，变化的管径在二个相邻的标准直径之间转化；灌溉区域F0、F1、F2、F3从下往上依次排列，中转水池一号、二号、三号从下往上依次排列。
2.根据权利要求1所述的山区斜坡茶园喷灌分级抽水变频节能方法，其特征在于，山区斜坡茶园喷灌的变频器调速方法是变频调速，通过改变电机输入频率调整电机的同步转速，采用计算机控制根据电机负荷变化实现自动、平滑的增速或者减速，达到电机调速目的，变频器调速与异步电机固有特性一致，转差率小、精度高、效率高、调速范围宽且能无级调速，是适合水泵的异步电机调速方法，变频技术提高调速效率和精度，节能潜力好，供水管网压力稳定，便于维护管理，故障少。
3.根据权利要求1所述的山区斜坡茶园喷灌分级抽水变频节能方法，其特征在于，茶园喷灌工程的经济效益中，运用变频调速装置后，不仅可改善喷灌条件、节约喷灌水资源、增大喷灌均匀度、雾化指标、降低能源消耗，而且对茶叶的产量的质量都有大幅度的提高；茶园喷灌工程对效益估算只考虑其带来的直接效益，即茶叶增产带来的效益，经济效益主要计算工程实施后的茶叶灌溉增产增收效益，其增产效益计算方法为灌溉效益分摊系数法，具体计算按式：
G＝∑εiFi(Ki-Ki0)Qi 式14
式中：G为灌溉效益；
εi为分摊系数，一般取0.6；
Fi为第i种农茶叶的种植面积，单位为亩；
Ki为工程实施后，第i种农茶叶的产量，单位为kg/亩；
Kio为工程实施前，第i种农茶叶的产量，单位为kg/亩；
Qi为第i种农茶叶的产品价格。
4.根据权利要求1所述的山区斜坡茶园喷灌分级抽水变频节能方法，其特征在于，坡地茶园采用低压旋转式喷头，管材采用塑料管，变频调速器采用PWM变频器；
安装管道时，避免管道暴露在地面，管道埋设于地面以下40至50cm，管道穿过公路和机耕路时以钢管套在管外予以保护。
5.根据权利要求1所述的山区斜坡茶园喷灌分级抽水变频节能方法，其特征在于，变频调速器采用多重化的电流型变频器和电压型变频器，改善相应的输出波形，减少高次谐波，保障电动机的效率和功率因数，避免共振。
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