Energy saving with variable speed pumps in on-demand irrigation systems

The present work analyzes energy saving in on-demand irrigation systems served by an upstream pumping station. The objective of this work is to identify the best pumping station operating mode to optimize energy consumption. This objective can be achieved by matching the discharge and the pressure head required by the network (characteristic curve of the network) during the whole irrigation season with the pumping station characteristic curves. The characteristic curve of the network can be obtained using an appropriate stochastic generation modeling, and COPAM software was used in the present work. The characteristic curves of the pumps can be adapted to the network characteristic curve by equipping the pumping station with variable speed devices. Several types of regulation based on variable speed techniques were identified and analyzed. The differences in energy consumption for each technique were quantified for two on-demand irrigation districts in Southern Italy and managed by the Water Users Organization “Consortium of Capitanata”. It was demonstrated that in comparison with the current pumping station regulation, energy savings of about 27 and 35% may be achieved for the two districts.     

Design of water distribution networks for on-demand irrigation

Three fundamental aspects are studied in the design and operating process of a water distribution network for on-demand irrigation. The first determines plot discharge as a function of the average application rate of system, A_rs, in sprinkler irrigation or of the equivalent discharge per unit of area in drip/micro irrigation, and according to plot size. The second determines the maximum and minimum demand curves, aspects which have not yet been published. These constitute the possible operating points of the surrounding irrigation network. The third is the dimensioning and regulation of the pumping plant that minimises the investment and operating costs according to usage conditions in the irrigated area, with operation in different hourly periods with different energy costs. The results show that the use of hydraulic valves with limiting flow controllers makes the design of the network easier. Moreover, the installation cost decreases when adjusting the hydrant discharge to the exact size of each plot, thus eliminating excess discharge. The determination of the maximum demand curve allows dimensioning of the pumping plant, as well as its regulation and control in real time after including it into the PID (proportional, integral and derivative) logic of a programmable controller. Moreover, a simplified method for evaluating the energy consumption during the irrigation season is presented, valid for electricity tariffs with different hourly costs.     

滴灌泵站调速工况等效性理论分析

为了探明滴灌加压泵站调速运行条件,分析了滴灌泵站运行特点,并在叶片泵基本方程基础上分析了滴灌泵站装置运行工况与离心泵调速运行工况之间的关系,以及影响调速工况等效性的因素。结果表明,虽然在理论上滴灌泵站调速运行中离心泵运行工况可以无条件等效,但是,实践中滴灌系统过滤装置水头损失升高,使系统装置特性曲线斜率增大,并且还随着水泵调速幅度的增加而增大,不仅使得水泵调速前、后工况效率不相等,还将导致滴灌系统不能正常工作。所以滴灌泵站的调速范围应小于允许的单泵调速运行范围。另外,水泵降速超过一定范围后造成叶轮内速度三角形夹角α2（叶轮出口处叶片的牵连速度与流体绝对速度之间的夹角）增大,叶轮水力条件不再相似,水泵调速前、后的运行工况的效率不再相等。本研究对完善滴灌泵站管理理论有帮助。     

Low energy consumption seasonal calendar for sectoring operation in pressurized irrigation networks

Pressurized irrigation networks and organized on-demand are usually constrained by the high amounts of energy required for their operation. In this line, sectoring, where farmers are organized in turns, is one of the most efficient measures to reduce their energy consumption. In this work, a methodology for optimal sectoring is developed. Initially it groups similar hydrants in homogeneous groups according to the distance to the pumping station and their elevation, using cluster analysis techniques and certain dimensionless coordinates. Second, an algorithm based on the EPANET engine is implemented to search for the best monthly sectoring strategy that accomplish supplying the actual irrigation demand under minimum energy consumption conditions. This methodology is applied to two Spanish irrigation districts (Fuente Palmera and El Villar). Results showed that organizing the networks in sectors, annual energy savings of 8 and 5% were achieved for Fuente Palmera and El Villar when the theoretic irrigation needs were considered. However, these savings rose up to 27 and 9%, respectively when the local practices, deficit irrigation, were taken into account. Thus, they confirm that water and energy efficiency cannot be optimized independently and need to be considered together.     

水泵变速调节简易计算方法及节能分析

对于已建成的泵站，在运行过程中，可采用变速调节的简便计算方法。在不同的净扬程时，可求得最佳转速，使泵站在最优工况下运行，泵站装置效率提高，对设计中的泵站也有参考应用价值。     

多泵并联供水系统水泵变速调节计算

在多泵并联的供水系统中，为了进行泵站供水流量调节，减少弃水，可采用调整开机台数与部分水泵变速调节的方式进行流量调节，文章结合典型工程研究了复杂系统水泵变速调节的计算方法。     

基于粒子群算法的低压管灌系统水力计算方法

为了应对水资源危机,中国大力推广低压管灌技术用于粮食作物的灌溉.基于水量平衡和能量守恒原理,以系统的水量偏差最小为目标函数,支管的能量守恒和水量平衡作为约束条件,支管进口流量为决策变量,建立了低压管道输水灌溉系统的一维恒定流水力模拟模型,并相应地提出了试算-粒子群算法(TPSA)进行求解,可以获得系统实际运行时水泵的工况点以及各级管道和出水口的实际流量.将该方法应用于上海市一灌区的低压管灌系统,对比了TPSA与梯度法的求解结果,证明在同时工作的支管数较多的情况下TPSA可以获得更佳的求解结果,误差最多可减小12.3%,耗时最多可减少16.3%.应用该方法可以对管灌系统的初步设计成果进行校核和调整,对提高设计可靠性具有一定作用.     

基于CFD的泵安装位置对一体化泵站水力特性影响研究

【目的】探究一体化泵站不同水泵安装位置对其内部流动特性以及水力性能的影响。【方法】以2个左右对称安置的潜水轴流泵为研究对象,在流速为198 m^3/h条件下,基于CFD分析泵安装中心距L、2台泵间距S等关键位置参数对一体化泵站流动特性影响。【结果】由于集水池内水流不对称和泵吸水影响,泵I与泵II的水力效率、泵进口流速均匀度有一定差异,其中泵I水力效率较泵II高4%左右,泵I进口流速均匀度较泵II高1%~4%。一体化泵站2台泵中心距的改变对水泵水力效率影响较小,而对泵吸水均匀性影响较大。一体化泵站2台泵间距的改变对水泵的水力效率影响较大,而当泵间距达到一定值后对泵吸入均匀影响较小,但集水池内流态随之更加恶化。【结论】在该一体化泵站背景下,建议安装2台泵的一体化泵站中心距L推荐值0.4 R,泵间距S推荐值0.6 R。     

双向流道立轴潜水泵系统流动特性研究

为探索将潜水电泵和双向流道泵装置结合在一起的双向流道潜水电泵系统,通过CFX软件对该系统进行全流道数值模拟,获得了系统内的流动特性,并预测了泵装置的水力性能。对进水流道内加设不同导流措施的水流特性进行了分析,结果表明,加设椭圆线导流锥的进水流道出口流速分布均匀度效果最好,能够防止有害旋涡,保证水泵运行的进水条件。应用特别设计的、单边18°的大扩散角出水室,有效地抑制了脱流和水力损失,确保水泵系统整体效率水平。在高精度水力机械试验台进行了模型试验。试验结果表明,泵装置扬程为3.11 m,流量为256 L/s,泵装置效率达到71.9%,正、反向分别高于可逆式双向潜水泵装置7和13个百分点。说明双向流道配立轴潜水泵装置具有良好的工程应用价值。模型试验结果和性能预测结果在高效区范围内吻合,数值计算得到较好的验证。     

动态规划在小型灌溉泵站群布局优化与调整中的应用

机电泵站的改造与建设规划，必须随着灌区内用地布局的大面积调整而进行优化与调整．采用动态规划法，以泵站为阶段变量，水量为决策变量，泵站群灌溉净效益最大为目标函数，对区域灌溉泵站群进行优化，并根据优化结果提出泵站建设和改造的调整方案，对当前提高农村水利建设资金使用率和水资源利用率具有很重要的意义．通过对淮安市淮涟灌区的优化规划改造，提高了灌区工程的效益，保证了灌溉需求．     

中小型灌区排涝泵站优化运行模式探讨

以靖江市孤山灌区为例,依据中小型提水灌区排涝泵站的特点,分别以排涝泵站开机机组总耗能最少、能耗率最低为目标函数,采用按开机机组装置效率最大和动态规划的方法,探讨了在满足特定排涝设计标准下孤山灌区内自成排水体系的竖河大港排水片排涝泵站最优运行方式,对提高中小型提排灌区泵站管理水平,减少能源浪费有一定的指导作用。     

灯泡贯流泵装置的三维流动数值模拟

为了配合南水北调东线工程淮阴三站灯泡贯流泵装置的优化水力设计研究工作,对该站前、后置灯泡贯流泵装置内部流动的数值计算方法进行了初步研究;参照该站初步设计阶段初步拟定的机组结构形式,建立了前置灯泡和后置灯泡贯流泵装置几何型体数学模型;分别对两种装置内部的流动进行三维湍流数值模拟,得到了前置灯泡和后置灯泡贯流泵装置的内、外水力特性;讨论了两种灯泡贯流泵装置进、出水流态的主要特征.计算结果表明：采用数值计算的方法研究灯泡贯流泵装置内部的三维流动及贯流泵装置的水力性能是可行的;淮阴三站前置灯泡和后置灯泡贯流泵装置初步设计方案的能量性能尚不能满足南水北调工程的要求,需通过进一步的优化计算,争取实现可能的最高装置效率.     

特低扬程竖井贯流泵装置水力特性试验研究

结合江苏省常州市大运河东枢纽泵站工程,对设计净扬程(1.0m)的特低扬程前置竖井式贯流泵装置特性进行了试验研究。试验测试了模型泵在不同叶片角度下运行的能量特性、汽蚀性能和飞逸转速特性,在此基础上换算得出原型泵的水力特性,绘制了模型以及原型泵装置的综合特性曲线和单位飞逸转速曲线。试验结果表明,泵装置最优工况点的模型装置效率为78.83%,对应的扬程和流量分别为1.70m和22.66m3/s;在设计扬程1.0m、流量25.35m3/s时的模型装置效率为67.5%。对于特低扬程泵站,竖井贯流式水泵具备能量特性好,装置效率高,且运行和维护方便等优点,特别适用于平原水网地区的防洪排涝工程。     

考虑峰谷电价及清水池调节容积的取水泵站优化调度

取水泵站优化运行调度研究对泵站节能具有较好的指导意义。针对取水泵站的工作特点,以取水泵站日运行耗电费最小为目标,考虑峰谷电价及清水池调节容积对取水泵站日运行耗电费的影响,建立了含定速泵或双速泵的取水泵站优化运行调度数学模型,并利用基于动态规划法的求解策略对该数学模型进行了求解。最后通过实例计算结果表明：在原有泵型不变且同等满足供水要求的情况下,该取水泵站采用本文优化后的运行方案较目前实际的运行方案,可有效地实现充分利用清水池调节容积应对峰谷电价进行错峰运行,泵站运行耗电费可明显降低,这验证了本文所建立的优化调度数学模型是合理、有效的,对类似的取水泵站节能运行具有良好的指导意义。     

离心泵调速运行试验与节能效果分析

为了节约能源,提高水泵及泵站的运行效率,以喷灌泵BX50-31( =192.36)为研究对象,进行了恒定扬程和变装置扬程(假设H=KQ2)不同工况下的变速调节试验;对试验结果进行节能效果分析,得到了在相对流量为50%的调节流量下,较节流调节高达87.52%的相对节能效果.所得结论对研究离心泵的节能、离心泵设计的改进具有一定的参考价值.     

水泵全特性曲线的预测及对数值分析的影响

为了准确评估泵系统水力过渡过程特性并实施合理有效水的锤防护的重要边界条件,基于水泵全特性曲线的Suter曲线表达形式,提出基于牛顿插值算法的水泵全特性曲线预测方法,进一步给出一种利用水泵基本特性曲线来修正水泵全特性曲线的数值变换方法.通过与常用的水泵全特性曲线预测拟合方法的比较,以及在泵站系统过渡过程计算中的应用分析,结果表明:基于牛顿插值算法的水泵全特性曲线预测方法应用方便,相比于常用的基于拉格朗日插值算法的曲线拟合方法,牛顿插值预测方法能灵活适应基础拟合数据的扩充,而且预测得到的水泵全特性Suter曲线是合理可靠的.经过水泵基本特性曲线修正后的Suter曲线,在提高泵系统水泵稳态计算工作点精度的同时,能较准确地反映水泵全工况的流量特性和能量特性,满足泵系统过渡过程计算分析的精度要求.     

泵及装置原型与模型水力特性换算方法

对国内外多种泵及装置原型、模型水力特性换算方法研究所取得的进展进行了回顾,主要内容包括具有奠基意义的Moody效率换算公式,考虑比尺效应的原型、模型泵及装置效率的换算方法,以及原型、模型泵能量性能参数的换算方法。详细介绍了我国学者在这方面的研究成果,并对现有不同换算方法进行了简要的评述,指出缺乏高精度完整可靠的水泵装置原型测试数据,是目前制约水力特性换算方法深入研究的重要原因,将数值模拟与理论分析和试验研究相结合,可望取得突破性的进展。     

滴灌区加压泵站设计问题探讨

从滴灌工程设计原理和运行制度出发,分析了大型滴灌区首部加压泵站的流量变化特点和扬程构成因素,指出了该泵站扬程设计的复杂性,提出了加压泵站设计流量和扬程的计算方法以及选泵原则和泵站进水池设计要求。     

基于遗传算法和神经网络的泵站经济运行研究

以泵站总耗能最小为目标，建立了叶片可调节泵站站间和站内经济运行优化数学模型，采用遗传算法应用Matlab语言实现优化计算。对江都第4站1999年实际运行资料进行优化计算，总消耗功率比经验操作可减小3．39％左右。针对泵站的流量和扬程变化频繁而一般的优化计算方法速度较慢的问题，以仿真优化结果为样本，利用人工神经网络对相似工况进行预测，预测结果平均误差为1．99％。遗传算法和神经网络联合应用，求解精度和可靠性较高，是解决泵站优化运行问题的有效方法。     

装备封闭式吸水罐的泵站水力学特性

针对吉林省某高扬程调水泵站进行了CFD数值计算.在网格无关性检查的基础上,采用RNG k-ε湍流模型和SIMPLEC算法,对单泵运行、2台泵和3台泵同时运行的不同工况进行计算.从水力损失、流线图、流速分布均匀度和速度加权平均角度等方面对比分析了这些工况的水力损失和内部流场的差异.研究结果表明,边机组在吸水罐内没有正对喇叭管的旋涡,对应的吸水管内流线较为光顺,未发生“S”型扭曲.对于单泵或多泵组合运行,边机组和边机组组合运行时的流速分布均匀度和速度加权平均角度最高,比中间机组和中间机组组合运行时的分别平均高1.8%,5.602°.因此,装备封闭式吸水罐的泵站,中间机组的流态较边机组恶劣,而边机组的流态反而较好.这一结论与常规开敞式泵站恰好相反.针对这类泵站,若需要单泵或者是2台泵运行时,建议优先考虑1台边机组或2台边机组组合的运行方式.