农业电排灌负荷特性的优化研究

1电排灌研究背景

机电灌溉排水是利用电能驱动水泵抽水进行排水灌溉的工程技术措施,适用于农田灌溉排水的机电灌溉排水工程称为农业电灌溉排水工程。近年来,机电灌溉排水技术在许多国家得到了广泛的应用,尤其是荷兰、日本、美国等发达国家,在机电排灌方面发展迅速。

近年来,为促进农业生产,提高抗旱防涝能力,我国的机电排灌事业迅速发展。截至20世纪末,国内已经建成的固定排灌站共有49.8万处,配套机电井更是多达332.5万多口。少数省份还针对电排灌应用设计了农业排灌电价,通过电价差异来引导排灌系统的推广应用。在电排灌区,主要通过新建台变来保障排灌区供电。在设计时,通常是根据最大容量来配置台变容量的,同时通过无功补偿等方式来保障电能质量。

2建模思路

计算方法关系到排灌耗电量的计算结果是否准确且符合实际,目前大致有以下三种计算方法:

(1)理论计算法:该法需要在掌握机泵技术参数的基础上,从植物生长的需水量出发,通过机泵的能耗关系进行计算。植物的需水量与品种的不同,种植地的降雨量、流失量及其他水源补充量有关。具体亩耗电定额计算公式如下:

亩耗电定额=([植物亩需水量-(生长季降雨量-流失降雨量+地下水补充量)]/机泵时抽水量)×机泵时耗电

(2)直接测定法:该方法顾名思义,便是需要我们进行实地测量,在收集各项数据之后,进行分析计算,得出电耗。优点是比较真实可靠,不会因为对影响因素考虑不全而导致结果不符合实际:缺点是不易操作,且需要消耗很大的人力、物力。

(3)预测法:这种方法需要有足够充实的历史数据作为基础,结合现今用电条件和以往的不同,来分析电耗的变化情况,在历史数据的基础上得出现今的电耗。

以上所述几种方法互有联系、互相依存,可单独采取其中一种方法,也可将两种、三种方法联合起来使用。本文选取方法(1)来计算电排灌负荷。

首先我们需要确定植物的种类,因为不同种类的植物,其生长需水量亦各不相同:其次我们要确定种植地所处的区域,探究当地的气候、地貌及地下水情况等可能对植物需水产生影响的因素:然后,再结合相关机泵的能耗效率,来计算出合理的排灌耗电定额。

为了方便确定种植地区域的气候条件,在分析农业电排灌负荷前,需要依据各地的气候、土地类型及耕种作物和排灌技术进行划分。

以400mm年降水线为界,中国的农业可根据地区差异性分为东部与西部:以温带、亚热带划分,则可以分为南方与北方。为了研究农业电排灌负荷在不同区域的情况,结合我国部分行政区划,在样本满足实证研究要求的基础上,详细总结了不同区域间农业电排灌的最优负荷情况。本文把中国分成北方、南方、西部三大农业区域,在同一农业区内,气候条件、干湿情况较为相似。划分结果如表1所示(未包含所有省级行政区划),虽然部分省份同属多个区域,但考虑到统计年鉴中数据均是分省数据,故同一省只能归属一个农业区。

排灌用水量的变化是引起电排灌负荷变化的主要原因。要建立电排灌负荷模型,首先要分析排灌用水量的变化情况。农业排灌主要是为了满足农作物生长对水的需求,在排除其他因素的基础上,本文只分析农作物生长对水的需求的变化规律。由于不同作物、不同地区的需求不同,为方便分析,本文以西南地区水稻种植为例[2]:

式中,IR为作物日净灌溉需水量(mm/d):ETe为作物日需水量(mm/d):Pe为日有效降水量(mm/d):IDI为作物灌溉需求指数。

取一亩为单位灌溉面积,则一亩所需日灌溉水量为L=0.667IRm3/d。电排灌日负荷计算如下:

式中,s为灌溉面积(亩):K为水泵效率,等于每小时功耗/每小时抽水量。

3模型优化

上文根据农作物所需的灌溉水量得出了大致的灌溉电耗,在实践中,农业电排灌负荷的大小不仅仅由植物生长需水决定,还与作物种植区域的自然条件及其种植体系有着巨大的关系。因此,在计算电排灌负荷时,必须考虑这些因素,尽可能使计算得出的结论与实际相符合。如若可以取得更多数据,就能对计算方法进行优化。根据当地相关部门对排灌站的布局以及对排灌站电气设备容量、排灌流量和扬程的规划来计算电力负荷,其计算公式如下:

式中,Q为水流量(m3/s):H为总扬程(m):7为水泵、电动机及传动装置的总效率,对单级水泵7可取0.7。

根据计算公式初步求得P的数值后,可以进一步完善计算结果。首先选择电动机的型号和容量,以此电动机的容量作为电气设备的容量P设备。总设备容量与受载系数及同时系数的乘积,即为计算负荷,即:

K受载值一般为0.8~0.95,对配套的设备K受载取较高的数值:K同时值一般为0.75~0.9,同时使用的概率大,K同时就应该选取较高的数值。

4结论

计算排灌电耗时,还有一个重要的影响因素,即非正常降水。当遇上影响降水的自然灾害时,排灌电耗就会随之增高。因此,在计算时应加入变化系数。该系数由所遇自然灾害的种类及其严重性来确定,同时也受排灌区的地势、地貌及水利设施影响。结合实际情况,给出了降水增加和降水减少两种情况下增耗电能的计算公式:

即当降水过多时,需要利用水泵将雨水排出直至年最低降水量限值,而该过程中所消耗的电量即为增耗电量。当降水不足时,则需利用水泵灌入水直至达到年平均降水量限值,该过程中所消耗的电量也为增耗电量。其中降水系数根据灾情严重与否分别取值为30%和15%(该系数根据不同地区的自然条件及水利设施可做修改)。