郭 铭

(辽宁江河水利水电新技术设计研究院，辽宁 沈阳 110003)

水泵变频控制技术在梯田滴灌系统中的应用

郭 铭

(辽宁江河水利水电新技术设计研究院，辽宁 沈阳 110003)

由于坡耕地高差变化范围较大，坡耕地梯田恒压滴灌系统一直存在局部超压及灌水均匀度差等问题，为解决这一问题，采用分级变频控制灌溉技术，通过调节水泵电机转速控制水泵压力和流量，使整个滴灌系统在不同高程范围内都满足设计要求。工程实例表明：与工频控制灌溉相比，变频控制灌溉提高了灌水质量，可以满足灌水均匀度的要求。

坡耕地；滴灌；灌水均匀度；变频控制灌溉

近年来，节水灌溉工程在辽宁省快速发展[1-2]，2011—2015年共发展节水灌溉面积40万hm2，其中，辽宁省西部在内的绝大部分地区采用滴灌技术。水头偏差率是滴灌工程设计中衡量灌水质量的重要参数，对灌溉水利用效率和作物增产具有重要的影响。梯田地形高差变化较大，采用减压阀等调控措施存在局限性，很难满足水头偏差率的设计要求。现将变频调速技术引入梯田滴灌系统，根据灌溉单元高程调节水泵转速，进而对滴灌系统的入口压力进行调节，使灌溉单元满足水头偏差率要求。

近年来，一些学者对变频灌溉技术进行了研究，李治勤[3]等分析了变频调速技术对微喷灌均匀度的影响，结果表明，变频调速技术对微喷灌灌水均匀度具有显著的改善作用。杜军顺[4]在分析了水泵和电动机基本原理的基础上，比较了几种变频调速方式，并提出了交口灌区的变频调速节能运行方案。何武全[5]等提出了一种变频调速分级灌溉自动控制系统，可以根据灌溉分区进行分级自动调压供水灌溉，满足灌水均匀度要求。上述研究在一定程度上解决了平地灌溉系统变频调控的问题，但如何在坡耕地灌溉系统中应用仍须进一步研究。本研究分析了水泵变频调速原理，采用变频灌溉技术对不同高程的灌溉分区进行压力控制灌溉，以提高梯田灌水质量。

1 水泵变频调速原理

水泵扬程和流量的调节可分两种，即非变速调节和变速调节。非变速调节一般是通过节流，增大水泵运行的阻力，进而调节水泵运行的扬程和流量，但这种调节方式的缺点是能耗较高。变速调节通常比较方便及节能，主要方法是改变电机转速、采用液力联轴器或调换皮带轮等。其中，改变电机转速(即变频调速)是被广泛运用的调节方法。水泵的变频调速，主要是通过调节与水泵连接的电动机的电源频率来调节转速，若水泵电机的转速为n，电源频率为f，则符合关系式(1)：

n=60f(1-s)/p

(1)

式中：n为电机转速， r/min；f为交流电源的频率，Hz；p为电机的磁极对数；s为电机的转差率，%。

从式(1)中可以看出，若电机的磁极对数和转差率保持不变，连续改变交流电源的频率就可以连续改变电机转速。

在水泵变频调速运行中，水泵转速n与流量Q、扬程H及功率N之间存在着如下关系：

(2)

(3)

(4)

式中：n、n′为水泵变频调速前后转速，r/min；Q、Q′为水泵变频调速前后流量，m3/h；H、H′为水泵变频调速前后扬程，m；N、N′为水泵变频调速前后功率，kW。式(2)～(4)反映了水泵在不同转速条件下，当工况相同或相似时各工作参数之间的变化关系，它是相似特性公式的特例，常称之为比例率。可以看出，若改变电机转速，能够调节水泵的扬程和流量。

2 变频调控及分级压力等级的确定方法

确定滴灌系统分级压力等级时，首先要确定系统设计允许水头偏差率，在传统滴灌系统设计方法的基础上，将灌溉系统划分成若干个灌溉分区，要求每一灌溉分区内任意2个灌水器的工作水头差必须在系统设计允许水头偏差率范围内，即

(5)

式中：hmax为灌水器最大工作水头，m；hmin为灌水器最小工作水头，m；hd为灌水器设计工作水头，m；hv为灌水器水头偏差率，%。

根据《微灌工程技术规范》[6]，微灌系统灌水小区灌水器设计允许水头偏差率可按下式计算：

[qv]≤20%

(6)

(7)

式中：qv为灌水器流量偏差率，%；x为灌水器流态指数。当x取0.5，qv取20%时，灌水器水头偏差率hv=41.2%

灌溉分区确定后，需要确定滴灌系统的压力控制点，为了管理方便，选择系统首部枢纽处为压力控制点，根据滴灌系统布置方式和灌水器的设计水头及设计流量，按照式(8)、(9)可以计算出各灌溉分区在压力控制点的压力等级值，即

Hi=hd+hik+Zi

(8)

(9)

式中：Hi为第i个灌水小区压力控制点的压力值，m；hik为第i个灌水小区灌水时最不利灌水器到压力控制点处的水头损失，m；Zi为第i个灌水小区灌水时最不利灌水器与压力控制点的高程差，m；K为考虑局部水头损失的扩大系数，取1.1；fi为第j管段的摩阻系数；Li为第j管段的长度，m；Qij为第i个灌水小区第j管段的流量，m3/s；Dj为第i个灌水小区第j管段的管径，m；m为流量指数；b为管径指数。

各灌水小区分级工作压力等级值确定后，通过机井变频调控技术调节水泵扬程和流量，使分布在垂直方向的各轮灌组满足水头偏差率的要求，提高坡耕地灌水均匀度，同时降低超压隐患，减少能耗。

3 工程实例

某梯田滴灌区形状如图1所示，每一级梯田宽约10 m，长度约80 m，相邻两块梯田高差约1 m，每块梯田均设置梯田梗和沟坎，水源控制面积自上而下共设梯田36层，高差约36 m。滴灌系统干管位于作业路下，浅埋40 cm；干管长度为396 m，管径为110 mm；支管为地面管，长度为10 m，管径为63 mm；滴灌带长度为80 m，间距为1 m，管径为16 mm；灌水器设计流量为1.38 L/h，间距0.3 m，管网布置如图2所示。梯田灌区分为9个灌水小区，各小区控制高度范围见表1。

图1 梯田地形示意图

图2 滴灌区灌溉管网布置图

灌水小区编号123456789控制高度范围/m1～45～89～1213～1617～2021～2425～2829～3233～36

采用工频控制灌溉时，由于坡耕地高程变化较大，高程较低处容易造成管网超压，而工程较高处则容易出现压力不足，很难满足灌溉均匀度的要求。表2为工频运行时的压差计算结果，从表2中可以看出，由于灌水小区1高程位置最低，工频灌溉时灌水器工作水头最大，远远超过设计工作水头，超压严重；而灌水小区9高程位置最高，工频灌溉时灌水器工作水头达不到设计工作水头，压力不足。虽然各小区压差满足允许压差要求，但整个系统压差达到38.85 m，灌溉均匀度较差。

表2 工频运行时的压差计算结果 m

采用变频控制灌溉，根据灌溉分区不同高程范围控制水泵流量和扬程，使各分区满足系统允许压差要求。经计算，变频运行时各灌溉分区压差见表3。从表3中可以看出，9个灌水小区中，灌水小区2压差最大为4.02 m，满足允许压差要求，整个滴灌系统压差为4.10 m，也满足允许压差要求。

表3 变频运行时的压差计算结果 m

4 结 论

(1)坡耕地滴灌系统运行时，由于灌区高程变化较大，采用工频运行恒压灌溉不能满足整个灌区灌溉均匀度的要求。

(2)以传统滴灌系统的设计方法为基础，将灌区按照高程进行分区，并计算不同分区的压力等级，采用变频调控技术实现变压分区灌溉，使系统满足灌水均匀度的要求。

(3)由实例分析可知，工频和变频两种工况下小区压差可以满足设计要求，但工频工况下系统压差不能满足设计要求，而变频工况下系统压差仍然满足设计要求。

[1] 窦超银,孟维忠.膜下滴灌在辽西半干旱区不同地形条件下的应用研究[J].节水灌溉,2014(8):19-21.

[2] 窦超银,孟维忠.控制灌溉在玉米大垄双行膜下滴灌种植中的应用研究[J].吉林农业科学,2014,39(1):16-19.

[3] 李治勤,袁聆钊,李国元.变频调速技术在微喷灌中的应用[J].节水灌溉,2005(1):21-23.

[4] 杜军顺.变频器在交口灌区泵站的应用与节能研究[D].西安：西安理工大学,2007.

[5] 何武全,张华,何欣烨,等.变频调速分级恒压灌溉自动控制系统及应用[J].灌排机械工程学报,2016,34(11):1003-1007.

[6] 中华人民共和国住房和城乡建设部.微灌工程技术规范：GB/T 50485-2009 [S]. 北京：中国计划出版社，2009.

Application of the pump frequency control technique on the terrace drip irrigation system

Guo Ming

(Liaoning River Water Conservancy and Hydropower Design and Research Institute of New Technology, Shenyang 110003, China)

Due to the large variation of slope land height difference, the problems of local overpressure and poor irrigation uniformity always exist in the constant pressure drip irrigation system of the terraced fields on sloping land.To solve this problem, grading frequency control technique is used to control the pump pressure and the flow by adjusting the motor speed of the pump. So the whole drip irrigation system can meet the design requirements in different elevation ranges.The engineering example shows that the frequency control irrigation improves the irrigation quality and can satisfy the irrigation uniformity requirements compared with the power frequency control irrigation.

sloping farmland; drip irrigation; irrigation uniformity; variable frequency control irrigation

国家“十二五”科技支撑计划项目(2014BAD12B04)；辽宁省农业科技创新团队项目(2014212003)

郭 铭(1983-)，男，辽宁鞍山人，工程师，主要从事灌溉排水理论与技术研究工作。E-mail:guoming27@163.com。

S275.6

A

2096-0506(2017)07-0013-04