浅析变频技术对景电工程和灌区三农的影响

张林虎，张全礼

（甘肃省景泰川电力提灌水资源利用中心，甘肃 景泰 730400）

1 景电工程概况

景泰川电力提灌工程（以下简称景电工程）属于甘肃省大型水利提灌工程项目，自身带有高扬程、多梯级、大流量等特征，地处甘肃省的中部地区，河西走廊的东部位置；北边与腾格里沙漠相接，东边与黄河相毗邻，是接连石羊河以及黄河流域的重要水利工程，由景电一期工程、二期工程以及二期延伸向民勤调水工程三大组成部分构成，其中景电一期是一个独立的供水系统，景电二期和民勤调水工程共用一个提水系统[1]。本工程的设计提水流量是28.56 m3/s，泵站的建设数量是43座，实现270 000 kW的装机容量，全长2 422 km，能够实现1 496 km2的土地灌溉，是一项极为重要的水利工程项目，具有突出的建设意义与实际价值。

由于景电工程覆盖的地理范围较广，各梯级泵站水流量存在不同程度的差异，平均达到了0.5 m3/s，导致各泵站为了能够实现水流控制目的不得不采取了各种技术手段，比如叶轮车削等，但是实际的应用效果并不理想，仍然需要经常性地对机组进行开关机操作才能让水流控制状况得以有效改善。频繁开关机组导致景电工程运行成本居高不下，电力消耗也比较严重，严重影响了该工程的可持续发展。

根据操作日志记录显示，景电工程各泵站机组开停次数达到了800～900次/年，如果平均计算的话，该工程每天的机组启停次数都超过十台次。机组频繁启停对设备损害比较严重，最明显的就是容易造成电极绝缘受到严重影响，造成故障隐患，导致故障发生几率大增，同时也极大降低了机组使用寿命，会造成大量的能源消耗和成本投入。在这种状况的影响下，景电工程每年都要对机组设备进行大量的检修，投入的成本和费用呈现不断增长的趋势。虽然在理论研究和实践应用上已经取得了大量成果，整个体系也日趋成熟。特别是高压变频设备的应用越来越广泛，从原理和技术角度都具备了控制水泵出水量有效调控的条件，但是由于受到多种因素影响，黄河流域的大量类似泵站建设时都没有应用高压变频设备，导致重要的基础技术数据缺乏，相应参数体系不完备，对后续引入高压变频设备带来了不利影响。

近年来景电工程结合自身需求并考虑黄河泥沙水质的影响，积极在实践中安装应用变频设备，极大地提高了工程的运作效率、降低了成本，并且很大程度让机组安全运行有了保障。

2 变频技术对景电工程的贡献

景电工程科学引入变频技术以后，解决了工程中存在的诸多实际问题。现阶段，景电工程进行项目的更新改造，采购了一批高压变频器运用于二期工程项目中，从实际看，该类高压变频器在景电工程中发挥了许多优点，为工程的运行做出了较大的贡献。

2.1 调节各阶段流量，优化调度控制

水资源的合理利用、合理分配，泵站安全运行是泵站调度管理的核心内容，而泵站各方流量的平衡是调度工作的重中之重。高压变频技术的应用，配合近年来泵站综合自动化操作系统，调度员通过实时的水位监测，远程根据运行实际对高压变频机组进行频率调节，让运行水位保持在合理区间，高压变频器的调频精度一般设定为0.01Hz，其可以在规定范围内通过平滑方式进行调整，有效调节泵站之间的流量不平衡问题，确保各级流量可以达到相互匹配的要求，也同样改善了以往泵站水位调节的盲目性，高压变频技术的应用是对泵站综合自动化系统的一个有力补充，对优化调度操作和控制起到了积极的作用。泵站在设计阶段由于对水位数据掌握不可能完全准确，就会导致扬程、机组运行模式等的设计出现偏差，进而会影响变频范围和流量控制范围之间的契合度。所以，应该在保证高效运行的前提下，对频率调整范围进行科学合理的设置，既要保证与泵站流量要求匹配，又能够保证水泵始终工作在高效区。

2.2 减少资源浪费、提高效率

变频技术与高压变频器在水流调整阶段内广泛应用，其有助于实现最大化节能目标。对比安装前后数据，开停机频率大幅度降低，系统总耗电量也出现大幅度下降，此外，在变频设备器内部滤波电容影响下，无功损耗得到了有效控制，这些都能够促进电网有功功率全面增长。

变频技术不仅可以改善泵站存在的资源利用率低等问题，同时还能够提升整体运行效益，合理控制物资损耗，避免产生严重噪声，更为关键的是调水质量、调水效率均得到不同程度地改善，而且年度调水量节能方面也有更为突出地表现。

2.3 提高运行的安全性、可靠性

电动机工频全压启动，感应电动势和感应电流都很大，其定子电流可达额定电流的5～7倍，电动机在启动过程中动态转矩很大，拖动系统的加速过程很快，频繁启动电动机，对电动机和水泵的机械部分冲击很大，严重影响了电动机和水泵的机械寿命及维修周期，在低频环境下启动电机，不仅不会产生巨大热量，而且绝缘老化速率也会全面下滑。高压变频调速启动，电机在启动过程中，高压变频器所输出的频率和电压逐步增大，频率和电压上升到额定值的过程中，电动机的转速缓慢上升，启动电流也限定在一定的范围内，同时减小了启动过程中的动态扭矩，启动平稳，大大增加了电动机和水泵的机械寿命，延长了维修周期。另外在出水管道处，由于变频机组的使用能够有效降低水压，减轻对管道的冲击，避免了管道破裂。通过进行数据对比，可以发现在应用了变频调速技术后，泵站机组在高压变频器的控制下调水控制更加精准，有效提高了机组运行的安全性。

2.4 为实现“少人值守、无人值班”提供有力依据

在确定了变频范围并对相关参数进行严格设置后，调水变频调速系统就能够在设定变频范围内进入自动化工作状态，能够始终保持标准的出水压力，准确控制水量，自动实现水流量管理，而且可以实现24 h不间断地连续工作。在其运作期间无需过多操作，只有在调度指令下达后对其相关参数值进行相应调整就能保证调水精确性。从景电工程的实际应用效果来看，经过较长时间的使用，其变频调速系统的应用效果已经得到明显体现，能耗有了大幅度地降低，每年能够减少超过百万度的电能消耗。并且明显减少了工频电机的频繁启停，极大地降低了安全故障发生的概率，使得整个工程的调水效率得到了全面提升，推动了工程节能目标的实现。

2.5 是泵站现代化、自动化控制的重要环节

在泵站深入推广变频技术和高压变频器应用的同时，计算机技术也不断地被应用到该领域，这就使得在变速调速技术基础上进一步应用PLC控制，提高自动化水平有了技术支持和现实需求，使泵站作用得以充分发挥。从变频调速系统本身来看已经具备了大量优点，比如操作简单、性能可靠、抗干扰能力强、控制精准等，同时也能够实现同时控制多台水泵的目标，基本上能够完全解决传统操作模式下无法避免的管网水锤效应。另外在网络通信技术的支持下还可以利用该系统远程进行水泵机房的数据维护和控制，极大地增强了系统的灵活性，让整个系统的运行可靠性得到明显提升[2]。

3 景电工程应用变频技术对灌区三农的影响

“风沙不断头，十种九不收。”[3]形象地道出了数十年前景泰川人的辛酸和无奈，他们日夜与黄河相望，却受着干旱的煎熬。“水在低处流，人在川上愁”，滚滚黄河奔流而去的壮观景象相对比的是干涸枯死的庄稼。而到了今天，景泰川绿意盎然，一片片的庄稼长势喜人，鸟鸣蝉唱。把洪荒世界变成了希望田园，汇聚了很多人的努力，其中，景电工程在更新改造中应用了高新技术起到了至关重要的作用。

3.1 增加农民收入

水利灌溉工程为农作物的生长提供着必不可少的水分，是保证其健康生长的必然要素，它不仅能够促进农作物产量和质量的提高，同时也给农民增加经济收入提供了重要保障。景电工程的建设，为灌区带来充沛的水源供给，推动农业实现可持续发展与进步，农民的生活水平显著提升。

六七十年代，景泰县地区的农民在一般年景，亩产多则百斤，少则几十斤，遇到大旱，颗粒无收，或靠救济艰难度日，或流落他乡。景电工程兴建后，工程效益显著，使景泰川发生了翻天覆地的变化，截至目前，景电灌区能够实现的灌溉面积多达120万亩，带来245.99亿元的直接经济效益，农民持续创收，生活水平显著提高。2018年,全县农民实现人均纯收入9 100元，使灌区群众致富奔小康。

3.2 提高农业综合生产力、维护农业生态平衡

节水灌溉项目可以缓解洪水、干旱和其他自然条件，有效降低恶劣天气对农业发展的影响；水利灌溉工程也在生活饮水安全、水土保持等方面发挥着重要作用；它可以调节土壤的温度和湿度，也可以疏松土地、增加养分，改善水质状况，减少干旱、洪涝和水土流失给环境带来的破坏。

景电工程建成后，除了提水灌溉直接作用，还逐渐对灌区内的生态平衡起到良好的改善以及维持作用，对比工程建设之前的气象情况来看，工程建设后，年均降水量提升201.6 mm，相对湿度升高是47%，风速平均值减少2.4 m/s，年蒸发量水平下降是2 361 mm，整体灌区的小气候水平显著优化[4]。

总之，景电工程建立后，严格治理土地盐碱化、优化用水空间格局、改善区域生态环境，彻底改变了灌区农业生产的基本条件，为灌区的农业生产创造良好的条件，有效提高了农业综合生产能力和农业可持续发展，取得了显著的经济、社会和生态效益，百万亩灌区与十余万亩三北防护林带连成一片，成为省城兰州最大的生态屏障，也是腾格里沙漠南缘的一道绿色屏障。

3.3 助推美丽乡村建设，服务乡村振兴战略

党的十八大以来，景电人按照甘肃省委省政府的布署，持续推动生态文明的发展与建设，构建更加完善的防洪减灾体系，积极开展精准扶贫帮扶，先后结对帮扶白银、武威、天水市的11个村，派驻驻村工作队队长6人、驻村第一书记9人、驻村干部21人，参与帮扶工作人员280多人，争取和筹措各类资金500多万元，用于帮扶村基础设施建设、生态环境改善、美丽乡村建设、经济林建设等。实施乡村振兴以来，景电人更是牢记初心使命，积极响应号召，精心组织，全力以赴，提升供水保障体系，发挥水利行业优势，完成项目更新改造资金16.58亿元，改造泵站39座，改造机组221台（套），改造干、支渠道176 km，进一步改善了灌区供水条件，提升了供水保障水平，保证了农作物适时适量灌溉，保障了灌区的生态平衡，为乡村振兴奠定良好的水利条件基础。

实施乡村振兴战略,产业兴旺是基础，质量兴农是关键,科技助力是保障[5]。在景电不懈的支持和帮助下，灌区最大的收益地区——景泰县，推动“丝路杞园·渔农小镇”的田园综合体实现良好的发展与进步，持续推动农家乐以及农产品深加工等相关产业的发展与建设，实现立体式、多方位的综合性发展模式。为更好地利用水资源，全面推动稻下经济以及有机水稻的发展与进步，基于稻蟹综合的产业优势，持续推动稻米加工厂等相关基础设施的建设步伐，建设具有多产业优势的生态农业基地，实现新型农业产业化的发展目标。

4 结束语

从实践结果看出，高压变频技术在景电工程中的选用，对景电工程节能降耗起到了积极的作用，也对长期存在的不同泵站水量不均衡问题得到了妥善解决，使工程处于稳定运作的同时也使整个运行方式得到全面改善。综上所述，景电工程广泛应用变频调速技术，使调水技术和能力得到显著提升，让原本贫瘠的不毛之地浇灌上了更多的黄河甘露，让无边的戈壁荒原蜕变为林茂粮丰的山川美景，为灌区的农业发展、农民创收以及乡村振兴提供了有效支撑。