CN1774994A - 基于变频恒压控制下的喷微灌单元设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于变频恒压控制下的喷微灌单元设计方法，将变频技术和自动化技术应用于喷微灌设计中，能够自动调节泵的运行特性与管网实际变化的运行状况相适应，根据田间用水量的变化，自动调节电流频率，改变水泵转速，实现管网流量变化时系统压力恒定不变的要求。采用本发明的单元设计法，对喷微灌系统进行压力分单元、分级控制，使整个系统任意两个灌水器的压力差均在设计允许压力变幅内，极大地提高了系统灌水均匀度，适应我国农村土地承包责任制和农业种植结构多样化条件下的农民灌溉用水的要求，实现适时适量的科学灌水，并具有节水、节能、系统自动化程度较高，运行管理方便的特点。

Description

基于变频恒压控制下的喷微灌单元设计方法

技术领域

本发明属于节水灌溉工程设计领域，涉及一种喷灌单元设计方法，特别涉及一种基于变频恒压控制下的喷微灌单元设计方法。

背景技术

随着全球水资源供需矛盾的日益加剧，充分利用水资源，提高水的利用率越来越成为重要而迫切的问题。世界各国，特别是发达国家十分重视对节水灌溉新技术的研究和应用，从1981年至2000年的19年间，世界微灌面积增加了633％，喷灌面积已达4亿多亩。我国是一个水资源严重短缺的国家，人均水资源量不足世界平均水平的1/4，同时，我国水资源时空分布极不均衡，年际年内变化大，更加重了水资源的供需矛盾。据预测，到2030年我国人口增长到16亿时，人均水资源将降到1760m³，接近国际上公认的人均1700m³的缺水警戒线，未来的水资源形势将十分严峻。农业灌溉是我国的用水大户，目前占全国总用水量的70％左右，同时，农业灌溉用水浪费也十分严重，因此，近年来我国政府非常重视并积极发展节水灌溉新技术，喷微灌技术得到迅速发展和应用。

由于我国农村土地承包责任制和农业种植结构多样化的特点，决定了我国农业灌溉的随机性和分散性很大，而传统的利用水泵加压条件下的喷微灌技术应用中存在支管及轮灌组要严格按照水泵流量的要求进行划分，不能适应农村土地承包责任制和农业种植结构多样化条件下的农民灌溉用水的要求，同时，也很难满足系统设计允许压力变幅和灌水均匀度的要求。利用机电泵加压条件下的喷微灌系统，田间用水通常处于一种随机变化状态，其用水的不确定性经常造成管网系统的压力和流量的变化，为了适应田间用水量的变化，保证供给所需要的水量，供水系统及水泵工况也处于经常性的变化中，但是，机电泵通常是利用工频电源(50Hz)作恒速运行，无法调节泵的运行特性与管网实际变化的运行状况相适应，因此，不能满足喷微灌恒压供水的要求。喷微灌系统以前广泛采用水塔、高位水箱、调压罐、减压阀等调节控制设施，能够起到控制压力及流量变化的作用，但均具有一定的局限性，如利用水塔供水，管网压力比较恒定，但投资较大，控制面积较小；利用调压罐供水，其优点是灵活性大，建设快，但压力罐的体积大、投资高，压力变化大，运行效率低，电能消耗大，运行费用高；利用调节阀或分流阀等调节流量和压力，投资较小，但管理麻烦，调节范围小，电能和水量浪费大，并且，一旦调节不及时，就会造成水泵或管网的损坏。同时，喷微灌均匀度是衡量灌水质量的主要指标之一，其对作物的增产有决定性的影响，但是，对于大面积的喷微灌系统，工作压力是影响灌水均匀度的最大因素，目前工程设计中仅要求同一条支管上任意两个灌水器之间的工作压力应在设计工作压力的20％以内，而整个系统的压力是通过控制阀或减压阀等进行调节控制，实际应用中很难达到设计灌溉均匀度的要求。

发明内容

本发明的目的在于提出一种将变频技术和自动化技术应用于喷微灌设计中，能够实现自动检测管网压力并进行调节，并具有节水、节能、保证管网及水泵安全运行的基于变频恒压控制下的喷微灌单元设计方法。

为达到上述目的，本发明所采用的设计原理和技术方案是：

本发明的基于变频恒压控制下的喷微灌单元设计方法是在变频恒压控制系统的基础上，根据整个系统允许的压力变幅要求，将系统划分成两个以上的单元，每个单元的任意两个灌水器的工作压力差均在允许压力变幅内，再进行分单元、压力分级控制，从而实现整个系统的任意两个灌水器的工作压力差均在允许压力变幅内，保证整个系统的灌水均匀度要求，所说的变频恒压控制系统包括设置在网管系统6的压力控制点4上的电机5及压力传感器3，压力传感器3的信号输出与PID控制器2的信号输入相连接，PID控制器2的信号输出与变频器1的信号输入相连接，变频器1的信号输出与水泵电机5相连接，其具体步骤如下：

1、压力单元的划分

根据系统要求，确定系统设计压力变幅，划分压力单元及每一压力单元内的支管条数，要求每一压力单元内任意两个灌水器的工作压力差必须在系统设计压力变幅内，即满足下式要求：

               H_imax-H_imin≤ΔH_y

其中：H_imax-第i单元灌水器最大工作压力，m，i＝1，2，…，n；

H_imin-第i单元灌水器最小工作压力，m，i＝1，2，…，n；

ΔH_y-系统设计压力变幅，m。喷灌系统ΔH_y＝H_s×20％，H_s为喷头设计工作压力，m；微灌系统ΔH_y＝h_v×h_d，h_y为设计允许水头偏差率，h_d为灌水器设计水头，m。

2、确定压力控制点及控制压力值

压力控制点一般均选在管网枢纽处，但当喷微灌面积大于1000亩时，也可将压力控制点选在各个压力单元管网入口处。

根据以下公式确定设计控制压力值：

H_ic＝H_id+ΔH_i+ΔZ_i

其中：H_ic---第i单元的设计控制压力值，m，i＝1，2，…，n；

H_id---第i单元入口的设计工作压力，m，i＝1，2，…，n；

ΔH_i---第i单元入口至压力控制点的水头损失，m，i＝1，2，…，n；

ΔZ_i---第i单元入口与压力控制点之间的地形高差，m，i＝1，2，…，n。

3、根据前两步计算结果确定加压泵和变频恒压控制系统。

(1)加压泵的确定

在前面计算的基础上，计算系统所需总扬程和流量，进行加压泵选型。

①系统所需总扬程：

H＝H_icm+h+h₀+z

H---系统所需总扬程；

H_icm单元设计控制压力值的最大值。如果有两个以上单元，

必须分单元进行计算，取其中的最大值；

h---从压力控制点到管网首部枢纽处的管道沿程水头损失和局部水头损失之和；

h₀---首部枢纽需要的总水头；

Z---压力控制点与管网首部枢纽处的地形高差。

②系统流量：

$Q_0=\frac{\mathrm{\αmA}}{\mathrm{\ηTt}}$

Q₀---系统设计流量，m³/h；

α---作物种植比例；

A---系统设计灌溉面积，m²；

η---灌溉水利用系数；

T---一次灌水延续时间，d；

t---系统每天工作时间，h。

根据以上计算的系统总扬程和流量，确定加压泵型号。

(2)变频恒压控制系统的确定

根据加压泵的功率确定变频器的功率，一般变频器的功率比加压泵的功率大一个型号，如加压泵的功率为5.5KW，则选取变频器的功率为7.5KW。同时，根据划分的压力单元、压力控制点及控制压力值确定变频恒压控制系统的压力分级及控制压力值，系统划分为几个压力单元，变频恒压控制系统压力分级就分为几级，每一级的控制压力值为相应单元的控制压力值。

传统的喷微灌设计及运行管理中存在支管及轮灌组要严格按照水泵流量的要求进行划分，不能适应农村土地承包责任制和农业种植结构多样化的要求。采用单元设计法，支管及轮灌单元可根据用水户和田块进行灵活划分，解决了传统微灌技术与农户灌溉用水之间的矛盾，特别是微灌设计中，可根据群众各家田块进行设计，每一用水户均为独立的支管单元，轮灌组可以随意组合，能够满足各用水户适时适量的科学灌水要求，运行管理方便。

应用实例

某绿地面积2000平方米，地形坡度较大，最大相对高差13.3米，计划利用已有水源(蓄水池)采用加压喷灌进行灌溉。喷头选用美国雨鸟公司1800系列埋藏式散射喷头。全圆喷嘴选用15SQ矩形喷嘴，设计压力0.2MPa时流量为0.85m3/h，射程为6.4×6.4m；其余喷嘴选用15VAN可调角度喷嘴，设计压力0.2MPa时，流量(半圆)为0.48m3/h，射程为4.6m；管道采用UPVC塑料管。

利用传统设计方法，经计算该喷灌工程最大喷头工作压力和最小喷头工作压力差为10.58米，不能满足《喷灌工程技术规范》(GBJ85-85)规定的喷灌系统任意两个灌水器之间的工作压力应在设计工作压力的20％以内，本喷灌工程喷头设计工作压力为0.2Mpa，按照规范要求允许压力变幅为4米，而利用传统设计方法，本喷灌工程实际压力变幅为10.58米，不能满足规范要求。

利用基于变频恒压控制下的喷微灌单元设计方法进行设计：

(1)管网水力计算

水力计算中管道沿程水头损失按公式 $h_f=0.948\×{10}^5\×\frac{Q^{1.77}}{d^{4.77}}\×L,$ 局部水

头损失按沿程水头损失的10％计算，计算结果见表1。

                             表1  各区管道水力计算结果

区号	沿程水头损失(m)	局部水头损失(m)	地形高差(m)	喷头工作水头(m)	首部枢纽损失(m)	所需水头(m)
							I	3.84	0.38	13.42	20	5	42.64
II	6.81	0.68	12.42	20	5	44.91
							III	6.48	0.65	10.54	20	5	42.67
IV	7.18	0.72	6.32	20	5	39.22
							V	3.68	0.37	5.28	20	5	34.33
VI	3.43	0.34	6.18	20	5	34.95

(2)压力单元的划分

按照压力单元的划分要求，本喷灌系统要求每一压力单元内任意两个喷头的工作压力差必须在系统设计压力变幅内(≤4米)，同时，根据管网水力计算结果(见表1)，本喷灌系统划分为3个压力单元，即I、II、III区为第1压力单元，IV区为第2压力单元，V、VI为第3压力单元。

(3)确定压力控制点及控制压力值

本喷灌工程面积较小，水源(蓄水池)距离近，因此压力控制点选在管网首部枢纽处。

根据公式H_ic＝H_id+ΔH_i+ΔZ_i确定设计控制压力值。经计算第1压力单元设计控制压力值为0.44MPa(44米)，第2压力单元设计控制压力值为0.39MPa(39米)，第3压力单元设计控制压力值为0.34MPa(34米)。

根据以上计算，考虑蓄水池水位变化，设计选用QS15-50型潜水泵，采用变频恒压控制系统分3级压力单元进行控制，喷灌系统实际最大压力差为11.35％。工程应用证明采用变频恒压控制系统下的喷微灌单元设计法能够达到整个系统工作压力差小于规范要求，保证整个系统的灌水均匀度要求。

附图说明

图1为水泵流量Q与扬程H的关系曲线图；

图2为变频恒压控制系统工作原理框图；

图3为变频恒压控制系统调节程序框图；

图4为本发明系统设计原理框图。

具体实施方式

图1为水泵流量Q与扬程H的关系曲线，N1、N2、N3…是不同转速n1、n2、n3…下的流量一压力特性曲线。可见，在n1转速下，如果通过控制阀门调节将流量从Q0减小到Q1，压力将沿N1曲线由O点升高到A点，很显然，在减少流量的同时提高了压力(H_A-H₀)。如果采用变频恒压控制系统，通过调节转速来调节流量时，转速由n₁减少到n₂，则流量从Q0减小到Q1，而压力恒定不变，这种特性表明，调节水泵转速，改变出水流量，能够实现恒压供水。另外，图1中，R1是水泵流量为Q₀扬程为H₀时的管路阻力损失曲线，R2是水泵流量为Q₁扬程为H_A时的管路阻力损失曲线。

图2为变频恒压控制系统工作原理框图，变频恒压控制系统由变频器1、PID控制器2、压力传感器3、压力控制点4、电机水泵5、网管系统6组成，其之间的连接关系是压力传感器3将检测到的压力信号传给PID控制器2，经PID控制器2转换为电信号传给变频器1，变频器1接收到的电信号控制水泵电机5转速。变频恒压控制系统总的工作原理是利用压力传感器3对管网压力控制点4的压力进行检测，通过变频器1调节供电频率，达到调节水泵电机5的转速，使得管网流量变化时压力控制点的压力恒定不变，从而实现恒压供水灌溉。

图3为变频恒压控制系统调节程序框图，根据喷微灌系统要求，确定管网压力控制点和控制点的设计压力。变频恒压控制系统的调节分两种情况：①当检测压力H_检大于压力控制点设计压力H_设时，变频恒压控制系统将电源频率f下调减小，则水泵转速降低，出水流量减小，管网压力下降；②当检测压力H_检小于压力控制点设计压力H_设时，变频恒压控制系统将电源频率f上调增大，则水泵转速提高，出水流量增大，管网压力升高。通过以上两种调节使H_检＝H_设，即达到管网系统恒压运行。

图4为本发明系统设计原理框图，设计中采用从下向上的原则，第一步首先要根据管网水力计算确定划分几个压力单元(图中I部分)，第二步是确定压力控制点，并根据压力单元划分情况确定不同单元控制点的压力控制值(图中II部分)，第三步是根据前两步计算结果确定加压泵和变频恒压控制系统(图中III部分)。

本发明与现有技术相比，明显具有以下优点：

(1)将变频技术和自动化技术应用于喷微灌设计中，能够实现自动检测管网压力并进行调节，并具有节水、节能、保证管网及水泵安全运行等功能；

(2)能够自动调节泵的运行特性与管网实际变化的运行状况相适应，根据田间用水量的变化，自动调节电流频率，改变水泵转速，实现管网流量变化时系统压力恒定不变的要求；

(3)对喷微灌系统进行压力分单元、分级控制，使整个系统任意两个灌水器的压力差均在设计允许压力变幅内，极大地提高了系统灌水均匀度；

(4)能够适应我国农村土地承包责任制和农业种植结构多样化条件下的农民灌溉用水的要求，实现适时适量的科学灌水；

(5)系统自动化程度较高，运行管理方便。

Claims (1)

1、一种基于变频恒压控制下的喷微灌单元设计方法，所述的变频恒压控制系统是系统包括设置在网管系统6的压力控制点4上的电机5及压力传感器3，压力传感器3的信号输出与PID控制器2的信号输入相连接，PID控制器2的信号输出与变频器1的信号输入相连接，变频器1的信号输出与水泵电机5相连接，其特征在于，所述的喷微灌单元设计方法包括以下步骤：

1)、压力单元的划分

根据系统要求，确定系统设计压力变幅，划分压力单元及每一压力单元内的支管条数，要求每一压力单元内任意两个灌水器的工作压力差必须在系统设计压力变幅内，即满足下式要求：

                H_imax-H_imin≤ΔH_y

其中：H_imax-第i单元灌水器最大工作压力，m，i＝1，2，…，n；

H_imin-第i单元灌水器最小工作压力，m，i＝1，2，…，n；

ΔH_y-系统设计压力变幅，m。喷灌系统ΔH_y＝H_s×20％，H_s为喷头设计工作压力，m；微灌系统ΔH_y＝h_v×h_d，h_v为设计允许水头偏差率，h_d为灌水器设计水头，m。

2)、确定压力控制点及控制压力值

压力控制点一般选在管网枢纽处，当喷微灌面积大于1000亩时，也可将压力控制点选在各个压力单元管网入口处。

根据以下公式确定设计控制压力值：

H_ic＝H_id+ΔH_i+ΔZ_i

其中：H_ic---第i单元的设计控制压力值，m，i＝1，2，…，n；

H_id---第i单元入口的设计工作压力，m，i＝1，2，…，n；

ΔH_i---第i单元入口至压力控制点的水头损失，m，i＝1，2，…，n；

ΔZ_i---第i单元入口与压力控制点之间的地形高差，m，i＝1，2，…，n。

3)、根据前两步计算结果确定加压泵和变频恒压控制系统

(1)加压泵的确定

在前面计算的基础上，计算系统所需总扬程和流量，进行加压泵选型。

①系统所需总扬程：

                  H＝H_icm+h+h₀+z

H---系统所需总扬程；

H_icm---单元设计控制压力值的最大值。如果有两个以上单元，必须分单元进行计算，取其中的最大值；

h---从压力控制点到管网首部枢纽处的管道沿程水头损失和局部水头损失之和；

h₀---首部枢纽需要的总水头；

Z---压力控制点与管网首部枢纽处的地形高差。

②系统流量：

$Q_0=\frac{\mathrm{\αmA}}{\mathrm{\ηTt}}$

Q₀---系统设计流量，m³/h；

α---作物种植比例；

A---系统设计灌溉面积，m²；

η---灌溉水利用系数；

T---一次灌水延续时间，d；

t---系统每天工作时间，h。

根据以上计算的系统总扬程和流量，确定加压泵型号。

(2)变频恒压控制系统的确定

根据加压泵的功率确定变频器的功率，一般变频器的功率比加压泵的功率大一个型号，如加压泵的功率为5.5KW，则选取变频器的功率为7.5KW，同时，根据划分的压力单元、压力控制点及控制压力值确定变频恒压控制系统的压力分级及控制压力值，系统划分为几个压力单元，变频恒压控制系统压力分级就分为几级，每一级的控制压力值为相应单元的控制压力值。

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