農(nóng)業(yè)電排灌負(fù)荷特性的優(yōu)化研究

1電排灌研究背景

機(jī)電灌溉排水是利用電能驅(qū)動(dòng)水泵抽水進(jìn)行排水灌溉的工程技術(shù)措施,適用于農(nóng)田灌溉排水的機(jī)電灌溉排水工程稱為農(nóng)業(yè)電灌溉排水工程。近年來(lái),機(jī)電灌溉排水技術(shù)在許多國(guó)家得到了廣泛的應(yīng)用,尤其是荷蘭、日本、美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家,在機(jī)電排灌方面發(fā)展迅速。

近年來(lái),為促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn),提高抗旱防澇能力,我國(guó)的機(jī)電排灌事業(yè)迅速發(fā)展。截至20世紀(jì)末,國(guó)內(nèi)已經(jīng)建成的固定排灌站共有49.8萬(wàn)處,配套機(jī)電井更是多達(dá)332.5萬(wàn)多口。少數(shù)省份還針對(duì)電排灌應(yīng)用設(shè)計(jì)了農(nóng)業(yè)排灌電價(jià),通過(guò)電價(jià)差異來(lái)引導(dǎo)排灌系統(tǒng)的推廣應(yīng)用。在電排灌區(qū),主要通過(guò)新建臺(tái)變來(lái)保障排灌區(qū)供電。在設(shè)計(jì)時(shí),通常是根據(jù)最大容量來(lái)配置臺(tái)變?nèi)萘康?同時(shí)通過(guò)無(wú)功補(bǔ)償?shù)确绞絹?lái)保障電能質(zhì)量。

2建模思路

計(jì)算方法關(guān)系到排灌耗電量的計(jì)算結(jié)果是否準(zhǔn)確且符合實(shí)際,目前大致有以下三種計(jì)算方法:

(1)理論計(jì)算法:該法需要在掌握機(jī)泵技術(shù)參數(shù)的基礎(chǔ)上,從植物生長(zhǎng)的需水量出發(fā),通過(guò)機(jī)泵的能耗關(guān)系進(jìn)行計(jì)算。植物的需水量與品種的不同,種植地的降雨量、流失量及其他水源補(bǔ)充量有關(guān)。具體畝耗電定額計(jì)算公式如下:

畝耗電定額=([植物畝需水量-(生長(zhǎng)季降雨量-流失降雨量+地下水補(bǔ)充量)]/機(jī)泵時(shí)抽水量)×機(jī)泵時(shí)耗電

(2)直接測(cè)定法:該方法顧名思義,便是需要我們進(jìn)行實(shí)地測(cè)量,在收集各項(xiàng)數(shù)據(jù)之后,進(jìn)行分析計(jì)算,得出電耗。優(yōu)點(diǎn)是比較真實(shí)可靠,不會(huì)因?yàn)閷?duì)影響因素考慮不全而導(dǎo)致結(jié)果不符合實(shí)際:缺點(diǎn)是不易操作,且需要消耗很大的人力、物力。

(3)預(yù)測(cè)法:這種方法需要有足夠充實(shí)的歷史數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ),結(jié)合現(xiàn)今用電條件和以往的不同,來(lái)分析電耗的變化情況,在歷史數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上得出現(xiàn)今的電耗。

以上所述幾種方法互有聯(lián)系、互相依存,可單獨(dú)采取其中一種方法,也可將兩種、三種方法聯(lián)合起來(lái)使用。本文選取方法(1)來(lái)計(jì)算電排灌負(fù)荷。

首先我們需要確定植物的種類,因?yàn)椴煌N類的植物,其生長(zhǎng)需水量亦各不相同:其次我們要確定種植地所處的區(qū)域,探究當(dāng)?shù)氐臍夂?、地貌及地下水情況等可能對(duì)植物需水產(chǎn)生影響的因素:然后,再結(jié)合相關(guān)機(jī)泵的能耗效率,來(lái)計(jì)算出合理的排灌耗電定額。

為了方便確定種植地區(qū)域的氣候條件,在分析農(nóng)業(yè)電排灌負(fù)荷前,需要依據(jù)各地的氣候、土地類型及耕種作物和排灌技術(shù)進(jìn)行劃分。

以400mm年降水線為界,中國(guó)的農(nóng)業(yè)可根據(jù)地區(qū)差異性分為東部與西部:以溫帶、亞熱帶劃分,則可以分為南方與北方。為了研究農(nóng)業(yè)電排灌負(fù)荷在不同區(qū)域的情況,結(jié)合我國(guó)部分行政區(qū)劃,在樣本滿足實(shí)證研究要求的基礎(chǔ)上,詳細(xì)總結(jié)了不同區(qū)域間農(nóng)業(yè)電排灌的最優(yōu)負(fù)荷情況。本文把中國(guó)分成北方、南方、西部三大農(nóng)業(yè)區(qū)域,在同一農(nóng)業(yè)區(qū)內(nèi),氣候條件、干濕情況較為相似。劃分結(jié)果如表1所示(未包含所有省級(jí)行政區(qū)劃),雖然部分省份同屬多個(gè)區(qū)域,但考慮到統(tǒng)計(jì)年鑒中數(shù)據(jù)均是分省數(shù)據(jù),故同一省只能歸屬一個(gè)農(nóng)業(yè)區(qū)。

排灌用水量的變化是引起電排灌負(fù)荷變化的主要原因。要建立電排灌負(fù)荷模型,首先要分析排灌用水量的變化情況。農(nóng)業(yè)排灌主要是為了滿足農(nóng)作物生長(zhǎng)對(duì)水的需求,在排除其他因素的基礎(chǔ)上,本文只分析農(nóng)作物生長(zhǎng)對(duì)水的需求的變化規(guī)律。由于不同作物、不同地區(qū)的需求不同,為方便分析,本文以西南地區(qū)水稻種植為例[2]:

式中,IR為作物日凈灌溉需水量(mm/d):ETe為作物日需水量(mm/d):Pe為日有效降水量(mm/d):IDI為作物灌溉需求指數(shù)。

取一畝為單位灌溉面積,則一畝所需日灌溉水量為L(zhǎng)=0.667IRm3/d。電排灌日負(fù)荷計(jì)算如下:

式中,s為灌溉面積(畝):K為水泵效率,等于每小時(shí)功耗/每小時(shí)抽水量。

3模型優(yōu)化

上文根據(jù)農(nóng)作物所需的灌溉水量得出了大致的灌溉電耗,在實(shí)踐中,農(nóng)業(yè)電排灌負(fù)荷的大小不僅僅由植物生長(zhǎng)需水決定,還與作物種植區(qū)域的自然條件及其種植體系有著巨大的關(guān)系。因此,在計(jì)算電排灌負(fù)荷時(shí),必須考慮這些因素,盡可能使計(jì)算得出的結(jié)論與實(shí)際相符合。如若可以取得更多數(shù)據(jù),就能對(duì)計(jì)算方法進(jìn)行優(yōu)化。根據(jù)當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)部門(mén)對(duì)排灌站的布局以及對(duì)排灌站電氣設(shè)備容量、排灌流量和揚(yáng)程的規(guī)劃來(lái)計(jì)算電力負(fù)荷,其計(jì)算公式如下:

式中,Q為水流量(m3/s):H為總揚(yáng)程(m):7為水泵、電動(dòng)機(jī)及傳動(dòng)裝置的總效率,對(duì)單級(jí)水泵7可取0.7。

根據(jù)計(jì)算公式初步求得P的數(shù)值后,可以進(jìn)一步完善計(jì)算結(jié)果。首先選擇電動(dòng)機(jī)的型號(hào)和容量,以此電動(dòng)機(jī)的容量作為電氣設(shè)備的容量P設(shè)備?？傇O(shè)備容量與受載系數(shù)及同時(shí)系數(shù)的乘積,即為計(jì)算負(fù)荷,即:

K受載值一般為0.8~0.95,對(duì)配套的設(shè)備K受載取較高的數(shù)值:K同時(shí)值一般為0.75~0.9,同時(shí)使用的概率大,K同時(shí)就應(yīng)該選取較高的數(shù)值。

4結(jié)論

計(jì)算排灌電耗時(shí),還有一個(gè)重要的影響因素,即非正常降水。當(dāng)遇上影響降水的自然災(zāi)害時(shí),排灌電耗就會(huì)隨之增高。因此,在計(jì)算時(shí)應(yīng)加入變化系數(shù)。該系數(shù)由所遇自然災(zāi)害的種類及其嚴(yán)重性來(lái)確定,同時(shí)也受排灌區(qū)的地勢(shì)、地貌及水利設(shè)施影響。結(jié)合實(shí)際情況,給出了降水增加和降水減少兩種情況下增耗電能的計(jì)算公式:

即當(dāng)降水過(guò)多時(shí),需要利用水泵將雨水排出直至年最低降水量限值,而該過(guò)程中所消耗的電量即為增耗電量。當(dāng)降水不足時(shí),則需利用水泵灌入水直至達(dá)到年平均降水量限值,該過(guò)程中所消耗的電量也為增耗電量。其中降水系數(shù)根據(jù)災(zāi)情嚴(yán)重與否分別取值為30%和15%(該系數(shù)根據(jù)不同地區(qū)的自然條件及水利設(shè)施可做修改)。