[发明专利]山区斜坡茶园喷灌分级抽水变频节能方法

权利要求书

1.山区斜坡茶园喷灌分级抽水变频节能方法，其特征在于，包括茶园喷灌压力分区与抽水方法和茶园喷灌系统的节能方法，茶园喷灌压力分区与抽水方法包括茶园喷灌压力分区方法、茶园喷灌抽水方法；

茶园喷灌压力分区与抽水方法基于坡地喷灌的压力特性和压力分区，按地形高差对茶园喷灌区域进行压力分区，实行分区灌溉，在压力区实行支管轮灌，并提出分级抽水、分区灌溉的节能调压方法；分级抽水方法为在茶园坡地高程高的地方，通过多个水泵进行分级抽水，每个水泵负责一片区域，建立相应的中转水池进行蓄水，作为上一级区域的水源；分级抽水使泵站扬程和系统管网压力保持在相对适中的范围内；

茶园喷灌系统的节能方法在坡地上采用变频调速方式实现节能运行，喷灌变频水泵恒压变量运行，由管道压力检测值是否大于设定参数值决定是否调整电机的输入频率，加大或者降低管网的压力和流量，达到变速节能的目的，当茶园喷灌系统高程差较大时，同时工作的喷头数差异也大，在坡地喷灌应用变频器节能多；

茶园喷灌压力分区方法按照高程和灌溉面积将整个茶园喷灌系统分成若干个灌溉区，每个灌溉单元区内的任意支管上二个喷头的工作压力差在允许范围内，二个喷头之间的喷洒压差不超过喷头压力的20％，根据单元区确定压力区，确定灌溉分区后，再确定管网压力控制点；

d_imax-d_imin≤0.2d_p 式1

式中：d_imax为区域i内最大喷头压力值，d_imin为区域i内最小喷头压力值，d_p为喷头工作压力值；

在斜坡茶园顶端区域，将斜坡分为二个压力区，一区和二区，系统进行该区域喷洒作业时，水泵机组H工作，其最大工作水压要保证提供二区山顶最高处的工作水头，即其扬程为水源地至山顶高程差加上喷头工作压力加上管网水头损失，即式2：

D_二＝d₂+d_p+d_w二 式2

当喷灌作业区域处于区域的一区时，水泵H出口所需要的压力为：

D_一＝d₁+d_p+d_w一 式3

d_p为喷头工作压力值，d₁、d₂为水源地至对应地点的高程，d_w为管网水头损失，d_w一为一区管网水头损失，d_w二为二区管网水头损失，若水泵机组以工况频率进行一区喷洒作业，机组工作压力为D_二，实际上一区所需要的工作压力为D_一，由于d₂比d₁大，即D_二＞D_一，在灌溉一区时，管网产生富余水头，此时若通过安装变频调速器调整水泵转速，以降低工作水头，减少富余水头；

山区斜坡茶园喷灌变频调速异步电机转速表达式设置为：

m＝60a₀(1-p)/S 式4

式中：m为电动机转速，单位为r/min，m₀为异步电动机的同步转速，r/min，a₀为定子绕组供电电源频率，Hz，p为转差率，S为电动机磁极对数；

电机的极对数S与转差率p都为定值，电机的转速度m与输入电机电源的频率a₀成正比，改变电源频率即可改变电机的转速，变频调速装置通过连续改变输入电机电源的频率调整电机的转速，对水泵进行连续平滑调速，通过变频调速装置将水泵以恒压变量方式变频运行；

斜坡茶园喷灌变频水泵恒压变量运行方法：水泵以恒压变量进行变频调节时，传感器为压力传感器，根据高差对山区茶园的喷灌区域进行压力分区，设置二个压力参数值Q₁、Q₂,以参数值Q1为典型参数，对变频水泵的恒压变量运行方法进行分析，水泵在运行过程中，压力传感器将水泵出水管道口处的检测点的参数信号压力D传送给变频调速器，若参数检测点的压力值D_测低于管道的设定压力Q₁，中控室就给变频调速装置下达指令，加大水泵机组的输入电源频率a，水泵转速m与a成正比，随之增大，使整个管网的压力D得到相应提升，当D_测＝Q₁时，水泵以恒压Q₁运行，水泵出水量P相应增大，反之，当压力检测点的压力值D_测高于设定压力值Q₁时，变频调速装置降低输入水泵机组的电源频率a，调节水泵转速m，使之减小，降低整个管网的压力D，水泵出水量P也将得到相应减小；水泵转速的调整与否取决于水泵出水管口的压力D是否高于设定的水泵压力，通过中控室调整水泵转速保持压力检测点的压力D恒定，等于压力设定值Q₁，而水泵出水量P则发生相应变化，斜坡茶园喷灌变频水泵恒压变量运行，变频恒压控制系统是变频器、PID控制器、压力传感器的结合；

斜坡茶园喷灌变频水泵恒压变量的节能方法：水泵的出水口压力D与出水量P由水泵性能曲线与管道系统特性曲线S₁、S₂的交点工况点确定，当水泵在工况频率下运行级转速为m₀时，工况点为B点，对应的流量P与压力D分别为P₀与D₀；当喷灌系统的需水量P由P₀减小至P₁时，若水泵仍在工况频率下运行，流量调节就完全只能用阀门完成，此时水泵的性能曲线依然保持不变，管道特性曲线将由S₁转移至曲线S₂，系统工况点也从B点转移到A点，对应的流量为P₁，出口压力为D₁，此时水泵所提供的轴功率为：

式中：M为水泵提供的轴功率，单位为kw；γ为水的重度γ＝ρg；η为水泵效率，单位为％；

采用变频调速装置在工作的喷头数减少时，系统自动调节频率，使系统流量减小；同时管道特性曲线也随之变化，将由S₁向S₂方向移动；此时水泵出水口处对应的压力值D₁比设定压力值D₀大，压力传感器就自动的将检测点的压力值信号传递给控制室，再给变频调速装置下达指令；变频调速装置将会降低电机的输入电源频率，调控水泵转速，使转速降低，系统压力保持恒定D₀，当水泵转速m从m₀降至m₁时，系统流量P相应的从P₀减小至P₁，此时系统的工况点就顺利的从B点过度到C点，此时变频水泵对应的流量与压力分别为P₁与D₀，所提供的轴功率为：

根据水泵的相似定律，在通过改变电机的输入电源频率来改变水泵的转速时，其效率不变，相似律如下：

P_a、D_a、m_a、M_a分别是变频水泵a处对应的流量、压力、水泵转速和轴功率，P_b、D_b、m_b、M_b分别是变频水泵b处对应的流量、压力、水泵转速和轴功率，恒压变量调速运行下水泵的节能能力：

由式12得，通过变频调速装置，降低水泵的转速所节约的能量取决于D₀/D₁的取值，各个压力区的压差越大，节能越明显，山区斜坡茶园自然落差的存在，D₀、D₁相差大，同时工作的喷头数相差也大，每个喷灌区域的下部分与上部分所需要的压力值也不同，安装变频器节省能源消耗；

在斜坡茶园喷灌工程中选择变频调速装置时，采用式13计算变频装置所节约的运行费用：

式中：ΔA为节约的年运行费用，单位为元/年；I为单位电价，单位为元/(kw·h)；T为水泵年运行小时数，单位为h；m为喷灌系统的轮灌组数；M_i、M_i'为调频前、后电机的输入功率，单位为kw；山区斜坡茶园上喷灌作业时，喷头数目随灌溉区域的不同而不同，高程越高，茶叶种植面积越小，所需要的喷灌个数也相应减少；

茶园喷灌抽水方法是将山区斜坡茶园喷灌系统通过多级水泵，水泵A、水泵B、水泵C、水泵D抽水，其中，水泵A负责向中转水池一送水，并负责灌溉区域F₀；水泵B负责向中转水池二送水，并负责灌溉区域F₁；水泵C负责向中转水池三送水，并负责灌溉区域F₂；水泵D负责灌溉区域F₃，系统中的中转水池作为上一级系统的抽水前池，并且中转水池一号、二号、三号的容积依次减小，在山区充分利用项目区内的塘堰，塘堰经清淤和加固后可充当中转水池；

上部喷灌区管道的主管流量比下部的管道流量小，采用变径管道，同一管段中，变化的管径在二个相邻的标准直径之间转化；灌溉区域F₀、F₁、F₂、F₃从下往上依次排列，中转水池一号、二号、三号从下往上依次排列。