專利名稱：基于變頻恒壓控制下的噴微灌單元設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于節(jié)水灌溉工程設(shè)計領(lǐng)域，涉及一種噴灌單元設(shè)計方法，特別涉及一種基于變頻恒壓控制下的噴微灌單元設(shè)計方法。
背景技術(shù)：
隨著全球水資源供需矛盾的日益加劇，充分利用水資源，提高水的利用率越來越成為重要而迫切的問題。世界各國，特別是發(fā)達國家十分重視對節(jié)水灌溉新技術(shù)的研究和應用，從1981年至2000年的19年間，世界微灌面積增加了633％，噴灌面積已達4億多畝。我國是一個水資源嚴重短缺的國家，人均水資源量不足世界平均水平的1/4，同時，我國水資源時空分布極不均衡，年際年內(nèi)變化大，更加重了水資源的供需矛盾。據(jù)預測，到2030年我國人口增長到16億時，人均水資源將降到1760m3，接近國際上公認的人均1700m3的缺水警戒線，未來的水資源形勢將十分嚴峻。農(nóng)業(yè)灌溉是我國的用水大戶，目前占全國總用水量的70％左右，同時，農(nóng)業(yè)灌溉用水浪費也十分嚴重，因此，近年來我國政府非常重視并積極發(fā)展節(jié)水灌溉新技術(shù)，噴微灌技術(shù)得到迅速發(fā)展和應用。
由于我國農(nóng)村土地承包責任制和農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)多樣化的特點，決定了我國農(nóng)業(yè)灌溉的隨機性和分散性很大，而傳統(tǒng)的利用水泵加壓條件下的噴微灌技術(shù)應用中存在支管及輪灌組要嚴格按照水泵流量的要求進行劃分，不能適應農(nóng)村土地承包責任制和農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)多樣化條件下的農(nóng)民灌溉用水的要求，同時，也很難滿足系統(tǒng)設(shè)計允許壓力變幅和灌水均勻度的要求。利用機電泵加壓條件下的噴微灌系統(tǒng)，田間用水通常處于一種隨機變化狀態(tài)，其用水的不確定性經(jīng)常造成管網(wǎng)系統(tǒng)的壓力和流量的變化，為了適應田間用水量的變化，保證供給所需要的水量，供水系統(tǒng)及水泵工況也處于經(jīng)常性的變化中，但是，機電泵通常是利用工頻電源(50Hz)作恒速運行，無法調(diào)節(jié)泵的運行特性與管網(wǎng)實際變化的運行狀況相適應，因此，不能滿足噴微灌恒壓供水的要求。噴微灌系統(tǒng)以前廣泛采用水塔、高位水箱、調(diào)壓罐、減壓閥等調(diào)節(jié)控制設(shè)施，能夠起到控制壓力及流量變化的作用，但均具有一定的局限性，如利用水塔供水，管網(wǎng)壓力比較恒定，但投資較大，控制面積較?。焕谜{(diào)壓罐供水，其優(yōu)點是靈活性大，建設(shè)快，但壓力罐的體積大、投資高，壓力變化大，運行效率低，電能消耗大，運行費用高；利用調(diào)節(jié)閥或分流閥等調(diào)節(jié)流量和壓力，投資較小，但管理麻煩，調(diào)節(jié)范圍小，電能和水量浪費大，并且，一旦調(diào)節(jié)不及時，就會造成水泵或管網(wǎng)的損壞。同時，噴微灌均勻度是衡量灌水質(zhì)量的主要指標之一，其對作物的增產(chǎn)有決定性的影響，但是，對于大面積的噴微灌系統(tǒng)，工作壓力是影響灌水均勻度的最大因素，目前工程設(shè)計中僅要求同一條支管上任意兩個灌水器之間的工作壓力應在設(shè)計工作壓力的20％以內(nèi)，而整個系統(tǒng)的壓力是通過控制閥或減壓閥等進行調(diào)節(jié)控制，實際應用中很難達到設(shè)計灌溉均勻度的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種將變頻技術(shù)和自動化技術(shù)應用于噴微灌設(shè)計中，能夠?qū)崿F(xiàn)自動檢測管網(wǎng)壓力并進行調(diào)節(jié)，并具有節(jié)水、節(jié)能、保證管網(wǎng)及水泵安全運行的基于變頻恒壓控制下的噴微灌單元設(shè)計方法。
為達到上述目的，本發(fā)明所采用的設(shè)計原理和技術(shù)方案是本發(fā)明的基于變頻恒壓控制下的噴微灌單元設(shè)計方法是在變頻恒壓控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，根據(jù)整個系統(tǒng)允許的壓力變幅要求，將系統(tǒng)劃分成兩個以上的單元，每個單元的任意兩個灌水器的工作壓力差均在允許壓力變幅內(nèi)，再進行分單元、壓力分級控制，從而實現(xiàn)整個系統(tǒng)的任意兩個灌水器的工作壓力差均在允許壓力變幅內(nèi)，保證整個系統(tǒng)的灌水均勻度要求，所說的變頻恒壓控制系統(tǒng)包括設(shè)置在網(wǎng)管系統(tǒng)6的壓力控制點4上的電機5及壓力傳感器3，壓力傳感器3的信號輸出與PID控制器2的信號輸入相連接，PID控制器2的信號輸出與變頻器1的信號輸入相連接，變頻器1的信號輸出與水泵電機5相連接，其具體步驟如下1、壓力單元的劃分根據(jù)系統(tǒng)要求，確定系統(tǒng)設(shè)計壓力變幅，劃分壓力單元及每一壓力單元內(nèi)的支管條數(shù)，要求每一壓力單元內(nèi)任意兩個灌水器的工作壓力差必須在系統(tǒng)設(shè)計壓力變幅內(nèi)，即滿足下式要求Himax-Himin≤ΔHy其中Himax-第i單元灌水器最大工作壓力，m，i＝1，2，…，n；Himin-第i單元灌水器最小工作壓力，m，i＝1，2，…，n；ΔHy-系統(tǒng)設(shè)計壓力變幅，m。噴灌系統(tǒng)ΔHy＝Hs×20％，Hs為噴頭設(shè)計工作壓力，m；微灌系統(tǒng)ΔHy＝hv×hd，hy為設(shè)計允許水頭偏差率，hd為灌水器設(shè)計水頭，m。
2、確定壓力控制點及控制壓力值壓力控制點一般均選在管網(wǎng)樞紐處，但當噴微灌面積大于1000畝時，也可將壓力控制點選在各個壓力單元管網(wǎng)入口處。
根據(jù)以下公式確定設(shè)計控制壓力值Hic＝Hid+ΔHi+ΔZi
其中Hic---第i單元的設(shè)計控制壓力值，m，i＝1，2，…，n；Hid---第i單元入口的設(shè)計工作壓力，m，i＝1，2，…，n；ΔHi---第i單元入口至壓力控制點的水頭損失，m，i＝1，2，…，n；ΔZi---第i單元入口與壓力控制點之間的地形高差，m，i＝1，2，…，n。
3、根據(jù)前兩步計算結(jié)果確定加壓泵和變頻恒壓控制系統(tǒng)。
(1)加壓泵的確定在前面計算的基礎(chǔ)上，計算系統(tǒng)所需總揚程和流量，進行加壓泵選型。
①系統(tǒng)所需總揚程H＝Hicm+h+h0+zH---系統(tǒng)所需總揚程；Hicm單元設(shè)計控制壓力值的最大值。如果有兩個以上單元，必須分單元進行計算，取其中的最大值；h---從壓力控制點到管網(wǎng)首部樞紐處的管道沿程水頭損失和局部水頭損失之和；h0---首部樞紐需要的總水頭；Z---壓力控制點與管網(wǎng)首部樞紐處的地形高差。
②系統(tǒng)流量Q0=αmAηTt]]>Q0---系統(tǒng)設(shè)計流量，m3/h；α---作物種植比例；A---系統(tǒng)設(shè)計灌溉面積，m2；
η---灌溉水利用系數(shù)；T---一次灌水延續(xù)時間，d；t---系統(tǒng)每天工作時間，h。
根據(jù)以上計算的系統(tǒng)總揚程和流量，確定加壓泵型號。
(2)變頻恒壓控制系統(tǒng)的確定根據(jù)加壓泵的功率確定變頻器的功率，一般變頻器的功率比加壓泵的功率大一個型號，如加壓泵的功率為5.5KW，則選取變頻器的功率為7.5KW。同時，根據(jù)劃分的壓力單元、壓力控制點及控制壓力值確定變頻恒壓控制系統(tǒng)的壓力分級及控制壓力值，系統(tǒng)劃分為幾個壓力單元，變頻恒壓控制系統(tǒng)壓力分級就分為幾級，每一級的控制壓力值為相應單元的控制壓力值。
傳統(tǒng)的噴微灌設(shè)計及運行管理中存在支管及輪灌組要嚴格按照水泵流量的要求進行劃分，不能適應農(nóng)村土地承包責任制和農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)多樣化的要求。采用單元設(shè)計法，支管及輪灌單元可根據(jù)用水戶和田塊進行靈活劃分，解決了傳統(tǒng)微灌技術(shù)與農(nóng)戶灌溉用水之間的矛盾，特別是微灌設(shè)計中，可根據(jù)群眾各家田塊進行設(shè)計，每一用水戶均為獨立的支管單元，輪灌組可以隨意組合，能夠滿足各用水戶適時適量的科學灌水要求，運行管理方便。
應用實例某綠地面積2000平方米，地形坡度較大，最大相對高差13.3米，計劃利用已有水源(蓄水池)采用加壓噴灌進行灌溉。噴頭選用美國雨鳥公司1800系列埋藏式散射噴頭。全圓噴嘴選用15SQ矩形噴嘴，設(shè)計壓力0.2MPa時流量為0.85m3/h，射程為6.4×6.4m；其余噴嘴選用15VAN可調(diào)角度噴嘴，設(shè)計壓力0.2MPa時，流量(半圓)為0.48m3/h，射程為4.6m；管道采用UPVC塑料管。
利用傳統(tǒng)設(shè)計方法，經(jīng)計算該噴灌工程最大噴頭工作壓力和最小噴頭工作壓力差為10.58米，不能滿足《噴灌工程技術(shù)規(guī)范》(GBJ85-85)規(guī)定的噴灌系統(tǒng)任意兩個灌水器之間的工作壓力應在設(shè)計工作壓力的20％以內(nèi)，本噴灌工程噴頭設(shè)計工作壓力為0.2Mpa，按照規(guī)范要求允許壓力變幅為4米，而利用傳統(tǒng)設(shè)計方法，本噴灌工程實際壓力變幅為10.58米，不能滿足規(guī)范要求。
利用基于變頻恒壓控制下的噴微灌單元設(shè)計方法進行設(shè)計(1)管網(wǎng)水力計算水力計算中管道沿程水頭損失按公式hf=0.948×105×Q1.77d4.77×L,]]>局部水頭損失按沿程水頭損失的10％計算，計算結(jié)果見表1。
表1 各區(qū)管道水力計算結(jié)果

(2)壓力單元的劃分按照壓力單元的劃分要求，本噴灌系統(tǒng)要求每一壓力單元內(nèi)任意兩個噴頭的工作壓力差必須在系統(tǒng)設(shè)計壓力變幅內(nèi)(≤4米)，同時，根據(jù)管網(wǎng)水力計算結(jié)果(見表1)，本噴灌系統(tǒng)劃分為3個壓力單元，即I、II、III區(qū)為第1壓力單元，IV區(qū)為第2壓力單元，V、VI為第3壓力單元。
(3)確定壓力控制點及控制壓力值本噴灌工程面積較小，水源(蓄水池)距離近，因此壓力控制點選在管網(wǎng)首部樞紐處。
根據(jù)公式Hic＝Hid+ΔHi+ΔZi確定設(shè)計控制壓力值。經(jīng)計算第1壓力單元設(shè)計控制壓力值為0.44MPa(44米)，第2壓力單元設(shè)計控制壓力值為0.39MPa(39米)，第3壓力單元設(shè)計控制壓力值為0.34MPa(34米)。
根據(jù)以上計算，考慮蓄水池水位變化，設(shè)計選用QS15-50型潛水泵，采用變頻恒壓控制系統(tǒng)分3級壓力單元進行控制，噴灌系統(tǒng)實際最大壓力差為11.35％。工程應用證明采用變頻恒壓控制系統(tǒng)下的噴微灌單元設(shè)計法能夠達到整個系統(tǒng)工作壓力差小于規(guī)范要求，保證整個系統(tǒng)的灌水均勻度要求。


圖1為水泵流量Q與揚程H的關(guān)系曲線圖；圖2為變頻恒壓控制系統(tǒng)工作原理框圖；圖3為變頻恒壓控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)程序框圖；圖4為本發(fā)明系統(tǒng)設(shè)計原理框圖。
具體實施例方式
圖1為水泵流量Q與揚程H的關(guān)系曲線，N1、N2、N3…是不同轉(zhuǎn)速n1、n2、n3…下的流量一壓力特性曲線。可見，在n1轉(zhuǎn)速下，如果通過控制閥門調(diào)節(jié)將流量從Q0減小到Q1，壓力將沿N1曲線由O點升高到A點，很顯然，在減少流量的同時提高了壓力(HA-H0)。如果采用變頻恒壓控制系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)流量時，轉(zhuǎn)速由n1減少到n2，則流量從Q0減小到Q1，而壓力恒定不變，這種特性表明，調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速，改變出水流量，能夠?qū)崿F(xiàn)恒壓供水。另外，圖1中，R1是水泵流量為Q0揚程為H0時的管路阻力損失曲線，R2是水泵流量為Q1揚程為HA時的管路阻力損失曲線。
圖2為變頻恒壓控制系統(tǒng)工作原理框圖，變頻恒壓控制系統(tǒng)由變頻器1、PID控制器2、壓力傳感器3、壓力控制點4、電機水泵5、網(wǎng)管系統(tǒng)6組成，其之間的連接關(guān)系是壓力傳感器3將檢測到的壓力信號傳給PID控制器2，經(jīng)PID控制器2轉(zhuǎn)換為電信號傳給變頻器1，變頻器1接收到的電信號控制水泵電機5轉(zhuǎn)速。變頻恒壓控制系統(tǒng)總的工作原理是利用壓力傳感器3對管網(wǎng)壓力控制點4的壓力進行檢測，通過變頻器1調(diào)節(jié)供電頻率，達到調(diào)節(jié)水泵電機5的轉(zhuǎn)速，使得管網(wǎng)流量變化時壓力控制點的壓力恒定不變，從而實現(xiàn)恒壓供水灌溉。
圖3為變頻恒壓控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)程序框圖，根據(jù)噴微灌系統(tǒng)要求，確定管網(wǎng)壓力控制點和控制點的設(shè)計壓力。變頻恒壓控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)分兩種情況①當檢測壓力H檢大于壓力控制點設(shè)計壓力H設(shè)時，變頻恒壓控制系統(tǒng)將電源頻率f下調(diào)減小，則水泵轉(zhuǎn)速降低，出水流量減小，管網(wǎng)壓力下降；②當檢測壓力H檢小于壓力控制點設(shè)計壓力H設(shè)時，變頻恒壓控制系統(tǒng)將電源頻率f上調(diào)增大，則水泵轉(zhuǎn)速提高，出水流量增大，管網(wǎng)壓力升高。通過以上兩種調(diào)節(jié)使H檢＝H設(shè)，即達到管網(wǎng)系統(tǒng)恒壓運行。
圖4為本發(fā)明系統(tǒng)設(shè)計原理框圖，設(shè)計中采用從下向上的原則，第一步首先要根據(jù)管網(wǎng)水力計算確定劃分幾個壓力單元(圖中I部分)，第二步是確定壓力控制點，并根據(jù)壓力單元劃分情況確定不同單元控制點的壓力控制值(圖中II部分)，第三步是根據(jù)前兩步計算結(jié)果確定加壓泵和變頻恒壓控制系統(tǒng)(圖中III部分)。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，明顯具有以下優(yōu)點(1)將變頻技術(shù)和自動化技術(shù)應用于噴微灌設(shè)計中，能夠?qū)崿F(xiàn)自動檢測管網(wǎng)壓力并進行調(diào)節(jié)，并具有節(jié)水、節(jié)能、保證管網(wǎng)及水泵安全運行等功能；(2)能夠自動調(diào)節(jié)泵的運行特性與管網(wǎng)實際變化的運行狀況相適應，根據(jù)田間用水量的變化，自動調(diào)節(jié)電流頻率，改變水泵轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)管網(wǎng)流量變化時系統(tǒng)壓力恒定不變的要求；(3)對噴微灌系統(tǒng)進行壓力分單元、分級控制，使整個系統(tǒng)任意兩個灌水器的壓力差均在設(shè)計允許壓力變幅內(nèi)，極大地提高了系統(tǒng)灌水均勻度；(4)能夠適應我國農(nóng)村土地承包責任制和農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)多樣化條件下的農(nóng)民灌溉用水的要求，實現(xiàn)適時適量的科學灌水；(5)系統(tǒng)自動化程度較高，運行管理方便。
權(quán)利要求
1.一種基于變頻恒壓控制下的噴微灌單元設(shè)計方法，所述的變頻恒壓控制系統(tǒng)是系統(tǒng)包括設(shè)置在網(wǎng)管系統(tǒng)6的壓力控制點4上的電機5及壓力傳感器3，壓力傳感器3的信號輸出與PID控制器2的信號輸入相連接，PID控制器2的信號輸出與變頻器1的信號輸入相連接，變頻器1的信號輸出與水泵電機5相連接，其特征在于，所述的噴微灌單元設(shè)計方法包括以下步驟1)、壓力單元的劃分根據(jù)系統(tǒng)要求，確定系統(tǒng)設(shè)計壓力變幅，劃分壓力單元及每一壓力單元內(nèi)的支管條數(shù)，要求每一壓力單元內(nèi)任意兩個灌水器的工作壓力差必須在系統(tǒng)設(shè)計壓力變幅內(nèi)，即滿足下式要求Himax-Himin≤ΔHy其中Himax-第i單元灌水器最大工作壓力，m，i＝1，2，…，n；Himin-第i單元灌水器最小工作壓力，m，i＝1，2，…，n；ΔHy-系統(tǒng)設(shè)計壓力變幅，m。噴灌系統(tǒng)ΔHy＝Hs×20％，Hs為噴頭設(shè)計工作壓力，m；微灌系統(tǒng)ΔHy＝hv×hd，hv為設(shè)計允許水頭偏差率，hd為灌水器設(shè)計水頭，m。2)、確定壓力控制點及控制壓力值壓力控制點一般選在管網(wǎng)樞紐處，當噴微灌面積大于1000畝時，也可將壓力控制點選在各個壓力單元管網(wǎng)入口處。根據(jù)以下公式確定設(shè)計控制壓力值Hic＝Hid+ΔHi+ΔZi其中Hic---第i單元的設(shè)計控制壓力值，m，i＝1，2，…，n；Hid---第i單元入口的設(shè)計工作壓力，m，i＝1，2，…，n；ΔHi---第i單元入口至壓力控制點的水頭損失，m，i＝1，2，…，n；ΔZi---第i單元入口與壓力控制點之間的地形高差，m，i＝1，2，…，n。3)、根據(jù)前兩步計算結(jié)果確定加壓泵和變頻恒壓控制系統(tǒng)(1)加壓泵的確定在前面計算的基礎(chǔ)上，計算系統(tǒng)所需總揚程和流量，進行加壓泵選型。①系統(tǒng)所需總揚程H＝Hicm+h+h0+zH---系統(tǒng)所需總揚程；Hicm---單元設(shè)計控制壓力值的最大值。如果有兩個以上單元，必須分單元進行計算，取其中的最大值；h---從壓力控制點到管網(wǎng)首部樞紐處的管道沿程水頭損失和局部水頭損失之和；h0---首部樞紐需要的總水頭；Z---壓力控制點與管網(wǎng)首部樞紐處的地形高差。②系統(tǒng)流量Q0=αmAηTt]]>Q0---系統(tǒng)設(shè)計流量，m3/h；α---作物種植比例；A---系統(tǒng)設(shè)計灌溉面積，m2；η---灌溉水利用系數(shù)；T---一次灌水延續(xù)時間，d；t---系統(tǒng)每天工作時間，h。根據(jù)以上計算的系統(tǒng)總揚程和流量，確定加壓泵型號。(2)變頻恒壓控制系統(tǒng)的確定根據(jù)加壓泵的功率確定變頻器的功率，一般變頻器的功率比加壓泵的功率大一個型號，如加壓泵的功率為5.5KW，則選取變頻器的功率為7.5KW，同時，根據(jù)劃分的壓力單元、壓力控制點及控制壓力值確定變頻恒壓控制系統(tǒng)的壓力分級及控制壓力值，系統(tǒng)劃分為幾個壓力單元，變頻恒壓控制系統(tǒng)壓力分級就分為幾級，每一級的控制壓力值為相應單元的控制壓力值。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于變頻恒壓控制下的噴微灌單元設(shè)計方法，將變頻技術(shù)和自動化技術(shù)應用于噴微灌設(shè)計中，能夠自動調(diào)節(jié)泵的運行特性與管網(wǎng)實際變化的運行狀況相適應，根據(jù)田間用水量的變化，自動調(diào)節(jié)電流頻率，改變水泵轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)管網(wǎng)流量變化時系統(tǒng)壓力恒定不變的要求。采用本發(fā)明的單元設(shè)計法，對噴微灌系統(tǒng)進行壓力分單元、分級控制，使整個系統(tǒng)任意兩個灌水器的壓力差均在設(shè)計允許壓力變幅內(nèi)，極大地提高了系統(tǒng)灌水均勻度，適應我國農(nóng)村土地承包責任制和農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)多樣化條件下的農(nóng)民灌溉用水的要求，實現(xiàn)適時適量的科學灌水，并具有節(jié)水、節(jié)能、系統(tǒng)自動化程度較高，運行管理方便的特點。
文檔編號A01G25/00GK1774994SQ20051012455
公開日2006年5月24日 申請日期2005年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月15日
發(fā)明者何武全, 王玉寶, 蔡明科 申請人:西北農(nóng)林科技大學