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自控變頻節(jié)能節(jié)水灌溉系統(tǒng)的研究工學(xué)論文
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)合近年來泵站建設(shè)和低壓管道灌溉的經(jīng)驗,將“液位自動控制節(jié)水灌溉系統(tǒng)”改進為“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)中水量流量的自動控制技術(shù),為田間管理提供了強有力的技術(shù)支撐。
關(guān)鍵詞:自動變頻;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,在我國有很多地方農(nóng)田和生活用水緊張的情況相當嚴重,有的已出現(xiàn)斷水現(xiàn)象,因此節(jié)水問題已成為全社會共同關(guān)注的嚴重問題。
早在1997年,在桐鄉(xiāng)市政府支持下,經(jīng)市水利勘測設(shè)計所設(shè)計并在河山含村示范區(qū)等地建成低壓地下管道灌溉試點工程,由于田間用水量變化大,為了解決水量流量的實時調(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,串接于電機控制柜的控制回路中,初步解決了用水量、出水量的實時調(diào)控。“液位自動控制節(jié)水灌溉系統(tǒng)”于1998年獲浙江省水利廳科技進步三等獎,2004年獲浙江省水利廳優(yōu)秀工程設(shè)計獎。2005年秋,桐鄉(xiāng)市水利局在石門鎮(zhèn)民豐村明渠灌溉的廟橋浜泵站試用手動變頻調(diào)速控制水泵運行,取得較好地效果,受到當?shù)厝罕姷母叨荣澴u。
一、“自控變頻節(jié)能節(jié)水灌溉系統(tǒng)”的總體設(shè)計
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、可編程時控器、相序保護器和空氣開關(guān)、斷路器、交流接觸器、時間繼電器、熱繼電器、按鈕、指示燈、儀表等電器集成(均為國產(chǎn))的智能型自動控制柜“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,自動變頻調(diào)速調(diào)節(jié)水泵出水量,自動進行工頻變頻切換和單泵雙泵切換,自動按設(shè)定時間開機停機。在泵站建設(shè)中,針對平原水網(wǎng)地區(qū)泵站規(guī)模較小的特點,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)的開敞式引水道有限地節(jié)省了工程量,減少了土方開挖和回填土,方便了施工。
二是將“液位自動控制節(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。選用專門為本地區(qū)低壓管道灌溉研制且不需要加引水、適于自動開機的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口處安裝蝶閥控制,部份渠尾設(shè)置調(diào)壓管。用專利產(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,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”的原理和工作過程
田間用水量的信息,通過管網(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,自動將連接水泵電機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,達到恒壓供水。從而使水泵根據(jù)田間用水量自動調(diào)節(jié)供水量,達到節(jié)水節(jié)能目的。一個泵站安裝兩臺水泵,為了節(jié)省投資,采用一臺變頻器控制兩臺電機,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、可編程時控器外接電路、變頻器外接電路、交流接觸器互鎖電路、手動控制電路、電機工況顯示電路、直流電源外接電路等,另外還設(shè)置了相序保護器、熱繼電器等。
控制柜的工作過程,以一臺變頻器控制兩臺電機的控制柜為例。首先合上電源空氣開關(guān),接通電源,按照“自控變頻節(jié)能控制柜使用維護簡要說明”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”,在可編程時控器上設(shè)置好開機停機時間(或在時間繼電器上設(shè)置好停機時間),把“功能轉(zhuǎn)換旋鈕”旋到“自動”,然后即可正常工作。其工作過程為:
當?shù)竭_時控器設(shè)定的開機時間,如果壓力變送器檢測到的壓力低于“最低壓力”,1號機組(兩臺機組中功率較大的一臺)首先變頻軟起動,可見壓力顯示器中數(shù)值逐漸上升,水位觀察管中水柱同步上升,如此時田間用水量不多,一臺水泵水量已夠,則壓力上升到“控制壓力”以上,變頻器即自動降頻,壓力降低到“控制壓力”以下,變頻器即自動升頻,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號機組的出水量不夠了,此時盡管電機以最大頻率即50Hz運行,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”,控制柜等待五分鐘,如果不是特殊的波動造成,五分鐘的壓力都低于最低壓力,此時才將1號機組自動轉(zhuǎn)為工頻運行,將2號機組自動變頻軟起動,可見壓力顯示器中數(shù)值逐漸上升,如此時兩臺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號機組轉(zhuǎn)速的變化上。如果田間用水量繼續(xù)上升,兩臺水泵的供水量也不夠了,盡管兩臺水泵都以最高頻率50Hz運行,供水壓力還是逐步下降,此時,應(yīng)關(guān)閉或調(diào)小部份節(jié)水閥,用水量減少到二兩臺水泵供水量以下,供水壓力就會恢復(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稍微上升,正在變頻運行的2號機組轉(zhuǎn)速隨即降低,水泵出水減少,以保持恒壓供水。如果田間用水量進一步減少,小于1號機組的出水量,但仍大于2號機組出水量,當供水壓力超過設(shè)定的“最高壓力”,這時首先將正在工頻運行的1號機組自動停機,然后自動將正在變頻運行的2號機組轉(zhuǎn)成工頻運行,再自動變頻軟起動1號機組。如果田間用水量進一步減少,小于2號機組的出水量,這時即使1號機組頻率和轉(zhuǎn)速降到最低,水池壓力還是超過“最高壓力”,則正在工頻運行的2號機組自動停機。如果田間用水量再進一步減少到接近于零,則1號機組以最低頻率(設(shè)置為15HZ)運行,使管道壓力保持一定數(shù)值,以備田間可以隨時用水。
可編程時控器到達設(shè)定停機時間,正在變頻運行的1號機組變頻軟停機。也可以將“功能轉(zhuǎn)換旋鈕”從“自動”轉(zhuǎn)向“停止”。如果按下“緊急停車按鈕”,任何情況之下,兩臺機組都會立即停機。
三、該系統(tǒng)的改進意見
任何技術(shù)都是在不斷改進的,“自控變頻節(jié)能節(jié)水灌溉系統(tǒng)”也是在綜合許多先進技術(shù)的基礎(chǔ)上改進的,今后也將隨著技術(shù)的發(fā)和進步不斷改進。經(jīng)過一個灌溉季節(jié)的實踐,筆者認為應(yīng)對系統(tǒng)做如下改進:
一是對于只有一臺水泵的泵站,可以利用變頻器內(nèi)置簡易PLC編程控制,可降低控制柜造價。
二是對于只有一臺水泵的泵站,可以取消壓力水池,以進一步降低泵站造價,逆止閥、調(diào)壓管仍舊保留。對于兩臺或兩臺以上水泵的泵站,壓力水池還是需要的。
三是針對現(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,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)揮先進設(shè)備的功能。
四是假使有兩臺水泵的控制柜,還應(yīng)增加“先開機選擇旋鈕”,在“自動”狀態(tài)下,可以先起動任意一臺機組,有利于兩臺機組的均勻使用。
桐鄉(xiāng)市這樣的平原水網(wǎng)地帶,泵站的規(guī)模比較小,一般都是明渠灌溉的泵站,多數(shù)安裝一臺水泵。經(jīng)過以上改進,泵站和控制柜的造價將明顯降低�？梢院兔髑喔鹊谋谜緲O為接近。這就為“自控變頻節(jié)能節(jié)水灌溉系統(tǒng)”的進一步推廣開辟了廣闊的空間。未來將成為桐鄉(xiāng)市和類似地區(qū)農(nóng)田灌溉的主要模式。
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