農田灌溉是我國農業發展中重要的一項工程,灌溉需要大量的水資源和電能資源。截至2010年底,我國累計建成灌溉配套機電井501.2萬眼,裝機容量4321萬kW。灌溉系統節水和灌溉水泵電機系統節能2方面綜合考慮,才所謂真正的資源節約型農田灌溉系統。通過新的水力模型或制造技術提高水泵效率已幾乎無可能,解決方法唯有通過優化系統配置來提高整體效率。變頻調速技術應用于農田灌溉是農田灌溉節能技術的新方向,其主要優點是自動調節水泵轉速滿足流量、揚程要求,具有明顯節能、滿足隨機取水、減少管理成本等優勢。文獻分析了灌溉系統變頻的基本原理,通過試驗得出節能率20%~69%。文獻和以實地試驗表明變頻調速裝置在不同灌溉方式下的節能效果顯著,具有經濟可行性。變頻調速灌溉系統的仿真研究涉及較少,有學者對變頻調速裝置控制的恒壓供水系統進行仿真,文獻針對大型泵站綜合自動化系統中水泵的變頻調速進行了仿真實驗,為變頻調速灌溉系統仿真提供了一定的參考。
本研究擬從水泵變頻調速節能原理入手,對引入變頻裝置的灌溉系統節能原理進行分析;構建系統各部分數學模型,通過仿真對系統的節能效果、變頻調速的控制等進行相關研究。
1系統構成
變頻調速灌溉系統的特點是使用變頻器驅動水泵\\(圖1\\)。系統運行中,可以人為設定灌水器所需要的壓力或流量,并與傳感器檢測后反饋至變頻器的信號進行對比,自動改變水泵電機輸入頻率來改變電動機的轉速,從而改變水泵的運行工況,使灌水器實際壓力或流量維持在灌水所需的設定值。
2水泵變頻調速節能原理
農田灌溉中,不同灌溉方式下灌水器對管網的揚程和流量的要求不同。常用的調節流量的方法有閥門控制法和轉速控制法。傳統調節流量的方法是閥門控制法,即恒定的轉速下通過調節閥門開度的大小來調節流量,使得一部分能量被消耗在擋板上,水泵的工作效率降低,浪費了大量的電能。另外當改變出水口閥門開度大小時,必然出現超壓或者欠壓的狀態。轉速控制法則是在保持閥門開度不變的情況下,通過改變水泵轉速來調節流量。
根據水泵的比例定律,即相似工況下,水泵運行在不同轉速下的揚程、流量和泵消耗的功率分別與轉速有以下比例關系
式中:n1和n2為2種運行工況下的轉速,r/min;Q1和Q2分別為轉速為n1和n2時的流量,m3/h;H1和H2分別為轉為n1和n2時的揚程,m;P1和P2分別為轉速n1和n2時的功率,kW。
采用變頻調速驅動水泵電機時,可以調節水泵電機轉速來獲得灌溉系統變化后的所需揚程或流量,由式\\(3\\)可知水泵消耗的功率與轉速呈三次方關系。閥門控制法只是調節閥門開度來改變管路系統的管阻特性來調節水泵的運行狀態,由于其轉速并沒改變,因此水泵消耗的功率也不變,且閥門開度改變后水泵的運行效率也會隨流量的減小而降低;轉速控制時,功率與轉速的三次方的比例變化關系使得水泵消耗功率隨轉速變化而較大幅度變化,而水泵的運行效率基本維持不變,水泵繼續運轉在盡高效率區間。當需要流量減小時,轉速控制法具有明顯的節能效果。此外,轉速控制法可以根據不同灌溉系統的需求調節轉速實現“恒壓變量”和“恒量變壓”模式運行。
傳統的渠道輪灌灌溉模型中,多采用“定流量,變歷時”方式,以某出水口是否出水,建立輪灌的0-1規劃模型。本模型中,采用了管道輸水和變頻調速技術,可以調節轉速來控制流量或壓力在0~1之間連續變化,對精細灌溉、自動控制、節水節能有重要的意義。此外,電機的變頻起動可以減少異步機起動大電流對電網的沖擊,減少配電變壓器容量,亦能節約電網投資成本。
3、系統仿真模型
3.1變頻器異步電機簡化模型
根據異步電機原理可知,當給定子繞組通以對稱的三相交流電時,在氣隙中可產生正比與三相交流電頻率的同步旋轉磁場,轉子與磁場不同步時便切割磁感線,并產生感應電勢。由于轉子繞組短路,故有轉子電流產生,該電流與同步旋轉磁場相互作用,產生電磁轉矩,從而驅動轉子順著同步旋轉磁場的方向旋轉。
在變頻調速過程中,協調定子電壓幅值E和頻率f的比值為常數,從而維持氣隙磁通恒定不變,E/f的改變僅僅改變氣隙磁通的同步角速度ω1,因此變頻器異步電機模型可以使用頻率f1作為調速系統的輸入量,輸出量選轉子角速度ω2。結合異步電磁轉矩計算、電動機矢量圖、系統拖動方程等可以推導出異步電機恒磁通變頻調速系統模型\\(圖2\\)[10,15-18]。
3.2水泵模型
水泵選擇通用型離心水泵,其結構簡單,適用范圍廣,操作維修方便,在農業和水利工程、給排水等領域得到了廣泛的應用。其工作原理是在離心力的作用下,葉輪里的水以很高的速度被甩離葉輪,水經螺旋形擴散室后,沿著排水管路被壓送到高處。
根據水泵的實際性能需要,水泵在額定轉速下的揚程H與流量Q間的關系可由一元二次多項式表示[19-21]為H=K1+K2Q+K3Q2\\(4\\)式中:K1,K2,K3由水泵在額定轉速下的性能曲線擬合得到,大量實際算例[22]表明K1>0,K2>0,K3<0。結合水泵的相似定律,將式\\(1\\)\\(2\\)\\(3\\)代入\\(4\\)可得任意轉速n下的流量揚程關系H=K1N2+K2NQ+K3Q2\\(5\\)由式\\(5\\)可知,對于任何一臺泵,只要轉速和流量確定,其揚程亦為定值。輸入轉矩、揚程和流量是表征離心泵運行時輸入、輸出的重要參數。水泵由電動機旋轉帶動水泵旋轉產生動能進行抽水,因此可用轉速作為水泵模型輸入。由式\\(1\\)\\(2\\)\\(3\\),以水泵的額定工況為參考,可建立離心泵仿真模型\\(圖3\\)。
該模型可以反過來可以在已知所需揚程或流量時推算水泵應提供的轉速。已知管網拓撲結構、管線參數和出水口所需壓力時,即可計算得水泵
出水口應提供的壓力,可由上述模型反向推導出電機應提供的轉速,作為電機調速的參考值。
3.3管路系統數學模型
管道輸水可以減少灌溉水的沿途損失,且供水速度快,是當今灌溉常用技術之一。管網的布置類型可以分為樹狀管網、環狀管網和混合式管網3種。
根據水源位置、控制范圍、地面坡度、田塊形狀、作物種植方向等條件,官網布置采用不同的管網布置,如“一字形”、“H形”、“L形”、“梳齒形”等。大規模的管網中,可以先對其管網結構進行簡單基礎單元分析,進而對由簡單單元組成的復雜管網進行分析。
以樹狀管網為例,建立管網系統數學模型。
集中輪灌方式運行下各管道流量等于系統設計流量\\(水泵出水流量\\),出水口超過2個時,各級管道流量為
式中:Q為管道設計流量,m3/h;Nm為管道控制范圍內同時開啟的給水栓個數;N為全系統同時開啟的給水栓個數。水頭損失即揚程損失,包括沿程水頭損失和局部水頭損失。沿程水頭損hf采用有壓管道的勃拉休斯公式計算:
式中:f為沿程水頭損失摩阻系數;m為流量指數;b為管徑指數;L為管道長度,m;d為管道直徑,m。局部水頭損失一般以流速水頭乘以局部水頭損失系數來表示。管道的總局部水頭損失等于管道上各局部水頭損失之和,表示為
式中:hj為局部水頭損失,m;ξ為局部水頭損失系數,可由相關設計手冊中查出;ν為斷面平均流速,m/s;g為重力加速度,g=9.81m/s2。在實際工程設計中,為簡化計算,總水頭損失通常按沿程水頭損失的10%~15%考慮,即Δh=\\(10%~15%\\)hf\\(9\\)求得管路揚程損失后,可以根據各個出水口的揚程需要求得水泵出水口對應提供的揚程Hn0\\(管網入口揚程\\)\\(10\\)式中:Δhn為管線總水頭損失,m;ΔZ為設計控制點與管網入口地面高程差,m;Hg為設計控制點給水栓工作水頭,m。
綜上可建立管路系統的數學模型框圖見圖4。對于使用潛水泵或深井泵的井灌區,水泵揚程按式\\(11\\)計算Hp=Hn0+Hm+hp\\(11\\)式中:Hp為水泵揚程,m;Hm為機井動水位埋深,m;hp為水泵進出水管總水頭損失,m。確定水泵揚程和流量需求后,就可以選擇對應水泵型號和配套電機。
4、仿真試驗
4.1仿真設計
基于以上各部分數學模型,選擇在MATLAB/simulink平臺上進行仿真,仿真流程見圖5。
參考轉速由管網和水泵模型結合計算后得出。轉速調節器采用模糊PID控制器,是模糊技術與常規的PID算法的相結合的一種控制算法,結合后分別發揮各自的控制優勢,使得動、靜態性能都能得到很好的改善,即動態響應快、超調小、穩態誤差小[7-9,23]。PID控制不具有自適應控制能力,使用模糊控制對PID參數進行在線修正,實現自適應控制能力。模糊PID控制器原理框圖見圖6。
由變頻器、異步電機、管網和傳感器組成的供水系統傳遞函數為
式中:K為系統的總增益;T為系統的慣性時間常數;τ為系統的滯后時間常數。系統的模型參數可以使用階躍響應法測得。
反饋部分以轉速采取閉環控制。轉速的獲得可以直接測得電動機轉速或者管網末端的壓力經計算變換后得出所需轉速。嚴格來講,應當使用管路各出水端的參數量\\(壓力或流量\\)經壓力或流量調節器后控制變頻驅動系統,但大型農田系統中傳感器數量的增加會使得技術經濟性能不理想。因此,本系統僅僅在水泵出水端安裝傳感器,利用水泵揚程\\(或流量\\)和轉速的關系,以轉速控制變頻驅動。轉速調節器獲得經過調整后的轉速,轉化為對應的同步頻率,進而控制變頻器,驅動異步電機水泵系統。
4.2仿真結果
基于綜上所述模型和仿真設計,在Simulink平臺建立系統仿真模型如圖7所示。
本例仿真試驗管道系統設計為梳齒型典型管道布置\\(圖8\\)。干管上每隔200m設置出水支管共5條,支管上每隔100m設置出水口進行灌溉。依據其良好的對稱性,灌溉制度設計為分組輪灌,分為3組:1號輪灌組包含3號支管,2號輪灌組包含2和4號支管,3號輪灌組包含1和5號支管。各支管上出水口由距離水泵近到遠依次編號為1至5,輪灌組內灌溉時,因其結構對稱,對稱點上的運行工況相同,故2號輪灌組和3號輪灌組中不同支管上相同編號的出水口可同時出水。
給定灌區參數為設計流量40m/h,選擇UPVC管,經濟流速1.5m/s,可確定管徑為110mm,內徑103.6mm,管道參數為:f=0.947×105,m=1.77,b=4.77。水力計算的控制點選擇運行時最大的揚程出水口,即最不利灌水點。
1號和5號支管最末端為不利灌水點,該點正常工作時,管網入口設計壓力按式\\(8\\)計算。局部水頭損失取沿程水頭損失的15%;ΔZ取0.5m;Hg取0.3m?？捎嬎愕霉芫W入口揚程\\(即水泵出水口壓力\\)為17.17m。水泵揚程按式\\(9\\)計算,Hm=3m;hp=2m,得所需水泵總揚程為22.17m。
據以上計算的揚程和系統設計流量,選取水泵的類型為200QJ50-26/2型潛水泵,額定揚程26m,額定流量50m3/h,配套電機功率5.5kW。由式\\(5\\)~\\(10\\)可計算得各水口出水時水泵應提供的揚程見表1。
在農田灌系統系統仿真模型\\(圖7\\)中以表1的揚程變化作為輸入,觀察系統的輸出響應并進行功耗分析。以輪灌組3運行為例,各出水口揚程變化
如圖9所示。依管網計算出的揚程作為參考輸出進行輸出調節,可以實現動態控制。其中階躍曲線為輸入參考揚程,參考揚程的變化表示管網出水口的改變。
流量方面,圖10為輪灌組3灌溉時各出水口的流量變化。隨揚程的變化,出水口流量也變化。
測得出水口的水量達到預期目標時,可以進行出水口的切換,即對應切換參考輸入揚程。輪灌組2和3運行時,因為有2條支管在出水,各支管流量為水泵出端流量的一半。
采用變頻控制后水泵消耗的功率不再是恒定值,會隨揚程大小而變化\\(圖11\\)。鑒于本例中,管網所需最大揚程小于水泵額定值,因此變速運行時,水泵消耗功率始終小于額定值5.5kW。而轉速固定時,水泵消耗的功率不變。變頻調速法和轉速恒定法運行情況下,固定仿真時間均為600s,3個輪灌組消耗的電能和節能率見表2。變頻調速方法相對固定轉速所節約的電能占轉速固定情況下耗電能的比例即為節能率。
5、結束語
1\\)農田灌溉采用管道輸水后,結合變頻調速技術可以實現揚程或流量的控制,即根據管網和灌溉工作制度下出水口對流量或者壓力的要求進行調節,實行閉環調節控制,以考慮管網拓撲結構的揚程或流量經轉速調節器后對變頻器進行控制,可實現出水口揚程或流量0~1\\(零至額定值\\)連續或浮點變化。
2\\)針對變頻器、異步電機、水泵和管網組成的系統,本研究對水泵變頻調速控制的農田灌溉系統各環節進行建模仿真,特別是將管道系統模型引入,使系統更為完備。文中單水泵多管道模型可為大規模復雜管道灌溉系統建模提供參考。
3\\)仿真案例結果表明,變頻調速控制時,水泵運行更節能,總節能率達56.6%,對于大規模農田灌溉有明顯的可預期經濟效益。
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