水利工程論文-自控變頻節(jié)能節(jié)水灌溉系統(tǒng)的研究.doc

水利工程論文-自控變頻節(jié)能節(jié)水灌溉系統(tǒng)的研究作者：朱岳明聞建忠諸國(guó)芳摘要:本文以壓力傳感技術(shù)、變頻調(diào)速技術(shù)、可編程控制技術(shù)為基礎(chǔ),結(jié)合近年來(lái)泵站建設(shè)和低壓管道灌溉的經(jīng)驗(yàn),將“液位自動(dòng)控制節(jié)水灌溉系統(tǒng)”改進(jìn)為“自控變頻節(jié)能節(jié)水灌溉系統(tǒng)”,有效提高了現(xiàn)代灌溉系統(tǒng)中水量流量的自動(dòng)控制技術(shù),為田間管理提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。關(guān)鍵詞:自動(dòng)變頻；節(jié)能節(jié)水；灌溉系統(tǒng)；研究目前全球淡水資源日趨緊張,在我國(guó)有很多地方農(nóng)田和生活用水緊張的情況相當(dāng)嚴(yán)重,有的已出現(xiàn)斷水現(xiàn)象,因此節(jié)水問(wèn)題已成為全社會(huì)共同關(guān)注的嚴(yán)重問(wèn)題。早在1997年,在桐鄉(xiāng)市政府支持下,經(jīng)市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)所設(shè)計(jì)并在河山含村示范區(qū)等地建成低壓地下管道灌溉試點(diǎn)工程,由于田間用水量變化大,為了解決水量流量的實(shí)時(shí)調(diào)控,泵站的出水池新建了高大的蓄水池,蓄水池內(nèi)安裝了液位控制器,串接于電機(jī)控制柜的控制回路中,初步解決了用水量、出水量的實(shí)時(shí)調(diào)控。“液位自動(dòng)控制節(jié)水灌溉系統(tǒng)”于1998年獲浙江省水利廳科技進(jìn)步三等獎(jiǎng),2004年獲浙江省水利廳優(yōu)秀工程設(shè)計(jì)獎(jiǎng)。2005年秋,桐鄉(xiāng)市水利局在石門(mén)鎮(zhèn)民豐村明渠灌溉的廟橋浜泵站試用手動(dòng)變頻調(diào)速控制水泵運(yùn)行,取得較好地效果,受到當(dāng)?shù)厝罕姷母叨荣澴u(yù)。一、“自控變頻節(jié)能節(jié)水灌溉系統(tǒng)”的總體設(shè)計(jì)一是引入變頻調(diào)速技術(shù)、壓力傳感技術(shù)、可編程控制技術(shù)于農(nóng)田灌溉。由變頻器、壓力變送器、壓力顯示器、可編程控制器、可編程時(shí)控器、相序保護(hù)器和空氣開(kāi)關(guān)、斷路器、交流接觸器、時(shí)間繼電器、熱繼電器、按鈕、指示燈、儀表等電器集成(均為國(guó)產(chǎn))的智能型自動(dòng)控制柜“自控變頻節(jié)能控制柜”,作為“自控變頻節(jié)能節(jié)水灌溉系統(tǒng)”的指揮中心,能根據(jù)田間用水量的變化,自動(dòng)變頻調(diào)速調(diào)節(jié)水泵出水量,自動(dòng)進(jìn)行工頻變頻切換和單泵雙泵切換,自動(dòng)按設(shè)定時(shí)間開(kāi)機(jī)停機(jī)。在泵站建設(shè)中,針對(duì)平原水網(wǎng)地區(qū)泵站規(guī)模較小的特點(diǎn),采用了涵洞式引水道、豎井式水泵室,使引水道和水泵井四周的土壓力相互平衡,比傳統(tǒng)的開(kāi)敞式引水道有限地節(jié)省了工程量,減少了土方開(kāi)挖和回填土,方便了施工。二是將“液位自動(dòng)控制節(jié)水灌溉”中的高蓄水池,改為較小的地下壓力水池,建在泵房地面之下。既節(jié)省了工程量,又減少了耕地占用。水池壁上預(yù)埋安裝壓力變送器和水位觀察管的鍍鋅鋼管,水池邊上設(shè)置調(diào)壓溢流管。選用專(zhuān)門(mén)為本地區(qū)低壓管道灌溉研制且不需要加引水、適于自動(dòng)開(kāi)機(jī)的HDB系列導(dǎo)葉式混流泵。用UPVC雙壁波紋管作為地下管道,用鋼筋混凝土預(yù)制接頭,施工方便,漏水少,管壁糙率小。干管和部份支管的進(jìn)口處安裝蝶閥控制,部份渠尾設(shè)置調(diào)壓管。用專(zhuān)利產(chǎn)品、工程塑料制造的FN-150(100)農(nóng)田灌溉節(jié)水閥作為田間放水閥,使用壽命長(zhǎng),不需維修,可做到滴水不漏。一只放水閥控制面積約5畝左右。二、關(guān)鍵設(shè)備“自控變頻節(jié)能控制柜”的原理和工作過(guò)程田間用水量的信息,通過(guò)管網(wǎng)壓力的變化,傳遞到壓力水池中,壓力水池中安裝的壓力變送器,把壓力信號(hào)變成電模擬量,輸入變頻器控制回路,變頻器根據(jù)輸入的模擬量,自動(dòng)將連接水泵電機(jī)的主回路的交流電頻率變化,使管網(wǎng)壓力不斷向設(shè)定的“控制壓力”接近,達(dá)到恒壓供水。從而使水泵根據(jù)田間用水量自動(dòng)調(diào)節(jié)供水量,達(dá)到節(jié)水節(jié)能目的。一個(gè)泵站安裝兩臺(tái)水泵,為了節(jié)省投資,采用一臺(tái)變頻器控制兩臺(tái)電機(jī),由于田間用水量的變化涉及到單泵供水或雙泵供水,需單泵雙泵切換和工頻變頻切換,用可編程控制器設(shè)定條件進(jìn)行控制,還要設(shè)置“最高壓力”、“最低壓力”等參數(shù)。控制柜的電路,有變頻器-電機(jī)主回路和控制回路兩大部份,控制回路有壓力變送顯示電路、可編程控制器外接電路、可編程時(shí)控器外接電路、變頻器外接電路、交流接觸器互鎖電路、手動(dòng)控制電路、電機(jī)工況顯示電路、直流電源外接電路等,另外還設(shè)置了相序保護(hù)器、熱繼電器等?？刂乒竦墓ぷ鬟^(guò)程,以一臺(tái)變頻器控制兩臺(tái)電機(jī)的控制柜為例。首先合上電源空氣開(kāi)關(guān),接通電源,按照“自控變頻節(jié)能控制柜使用維護(hù)簡(jiǎn)要說(shuō)明”在變頻器控制面板上設(shè)置好“控制壓力”,在壓力顯示器上設(shè)置好“最低壓力”、“最高壓力”,在可編程時(shí)控器上設(shè)置好開(kāi)機(jī)停機(jī)時(shí)間(或在時(shí)間繼電器上設(shè)置好停機(jī)時(shí)間),把“功能轉(zhuǎn)換旋鈕”旋到“自動(dòng)”,然后即可正常工作。其工作過(guò)程為:當(dāng)?shù)竭_(dá)時(shí)控器設(shè)定的開(kāi)機(jī)時(shí)間,如果壓力變送器檢測(cè)到的壓力低于“最低壓力”,1號(hào)機(jī)組(兩臺(tái)機(jī)組中功率較大的一臺(tái))首先變頻軟起動(dòng),可見(jiàn)壓力顯示器中數(shù)值逐漸上升,水位觀察管中水柱同步上升,如此時(shí)田間用水量不多,一臺(tái)水泵水量已夠,則壓力上升到“控制壓力”以上,變頻器即自動(dòng)降頻,壓力降低到“控制壓力”以下,變頻器即自動(dòng)升頻,使水泵保持恒壓供水,田間用水量的變化反映在水泵轉(zhuǎn)速的變化上。如果田間用水量逐漸增加,1號(hào)機(jī)組的出水量不夠了,此時(shí)盡管電機(jī)以最大頻率即50Hz運(yùn)行,但壓力顯示器中數(shù)值還是逐漸下降,待下降到設(shè)定的加泵壓力即“最低壓力時(shí)”,控制柜等待五分鐘,如果不是特殊的波動(dòng)造成,五分鐘的壓力都低于最低壓力,此時(shí)才將1號(hào)機(jī)組自動(dòng)轉(zhuǎn)為工頻運(yùn)行,將2號(hào)機(jī)組自動(dòng)變頻軟起動(dòng),可見(jiàn)壓力顯示器中數(shù)值逐漸上升,如此時(shí)兩臺(tái)水泵供水量已夠田間用水,則壓力上升到“控制壓力”后,即保持恒壓供水,田間用水量的變化反映在2號(hào)機(jī)組轉(zhuǎn)速的變化上。如果田間用水量繼續(xù)上升,兩臺(tái)水泵的供水量也不夠了,盡管兩臺(tái)水泵都以最高頻率50Hz運(yùn)行,供水壓力還是逐步下降,此時(shí),應(yīng)關(guān)閉或調(diào)小部份節(jié)水閥,用水量減少到二兩臺(tái)水泵供水量以下,供水壓力就會(huì)恢復(fù)到設(shè)定的“控制壓力”。如果田間用水量逐步減少,管道和壓力水池中的壓力會(huì)稍微上升,正在變頻運(yùn)行的2號(hào)機(jī)組轉(zhuǎn)速隨即降低,水泵出水減少,以保持恒壓供水。如果田間用水量進(jìn)一步減少,小于1號(hào)機(jī)組的出水量,但仍大于2號(hào)機(jī)組出水量,當(dāng)供水壓力超過(guò)設(shè)定的“最高壓力”,這時(shí)首先將正在工頻運(yùn)行的1號(hào)機(jī)組自動(dòng)停機(jī),然后自動(dòng)將正在變頻運(yùn)行的2號(hào)機(jī)組轉(zhuǎn)成工頻運(yùn)行,再自動(dòng)變頻軟起動(dòng)1號(hào)機(jī)組。如果田間用水量進(jìn)一步減少,小于2號(hào)機(jī)組的出水量,這時(shí)即使1號(hào)機(jī)組頻率和轉(zhuǎn)速降到最低,水池壓力還是超過(guò)“最高壓力”,則正在工頻運(yùn)行的2號(hào)機(jī)組自動(dòng)停機(jī)。如果田間用水量再進(jìn)一步減少到接近于零,則1號(hào)機(jī)組以最低頻率(設(shè)置為15HZ)運(yùn)行,使管道壓力保持一定數(shù)值,以備田間可以隨時(shí)用水?？删幊虝r(shí)控器到達(dá)設(shè)定停機(jī)時(shí)間,正在變頻運(yùn)行的1號(hào)機(jī)組變頻軟停機(jī)。也可以將“功能轉(zhuǎn)換旋鈕”從“自動(dòng)”轉(zhuǎn)向“停止”。如果按下“緊急停車(chē)按鈕”,任何情況之下,兩臺(tái)機(jī)組都會(huì)立即停機(jī)。三、該系統(tǒng)的改進(jìn)意見(jiàn)任何技術(shù)都是在不斷改進(jìn)的,“自控變頻節(jié)能節(jié)水灌溉系統(tǒng)”也是在綜合許多先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上改進(jìn)的,今后也將隨著技術(shù)的發(fā)和進(jìn)步不斷改進(jìn)。經(jīng)過(guò)一個(gè)灌溉季節(jié)的實(shí)踐,筆者認(rèn)為應(yīng)對(duì)系統(tǒng)做如下改進(jìn):一是對(duì)于只有一臺(tái)水泵的泵站,可以利用變頻器內(nèi)置簡(jiǎn)易PLC編程控制,可降低控制柜造價(jià)。二是對(duì)于只有一臺(tái)水泵的泵站,可以取消壓力水池,以進(jìn)一步降低泵站造價(jià),逆止閥、調(diào)壓管仍舊保留。對(duì)于兩臺(tái)或兩臺(tái)以上水泵的泵站,壓力水池還是需要的。三是針對(duì)現(xiàn)有泵站管理人員文化程度偏低的現(xiàn)象,建議今后選配泵站管理人員時(shí),最好文化程度能在初中以上,便于熟練掌握控制柜各種功能的應(yīng)用,最大限度地發(fā)揮先進(jìn)設(shè)備的功能。四是假使有兩臺(tái)水泵的控制柜,還應(yīng)增加“先開(kāi)機(jī)選擇旋鈕”,在“自動(dòng)”狀態(tài)下,可以先起動(dòng)