摘要：针对农田灌溉泵站工频运行能效低、压力波动大、工况适应性差等问题，提出基于多层次协同的水泵供水系统集成方法。构建管网-泵动态耦合模型，推导变频工况下最优运行算法，设计压力-流量双闭环自适应控制策略，建立多泵协调切换判据与效率评估模型。现场测试结果表明，协同供水系统效率从62%提升至79%，压力波动由±0.095 MPa降至±0.018 MPa，单位能耗降低28.6%，为泵站节能改造提供了技术支撑。

　　关键词：农田灌溉；水泵变频供水系统；多层次集成；应用成效

　　1.引言

　　面向农田灌溉的水泵供水系统集成与实现是指将变频调速、传感检测、智能控制等技术模块有机融合，构建适应灌溉工况波动的高效供水系统。当前农田灌溉泵站普遍采用工频恒速运行，平均效率仅60%至70%，季节性用水需求波动导致泵机匹配失调。传统灌溉系统缺乏压力流量自适应调节能力，管网压力波动可达±0.1 MPa，直接影响喷滴灌均匀性。《关于进一步加强水资源节约集约利用的意见》(发改环资〔2023〕1193号)要求到2025年农田灌溉水有效利用系数达0.58以上[1]。因此研究构建管网-泵动态耦合模型，提出变频工况优化算法与双闭环自适应控制策略，建立多泵协调运行机制，通过现场测试验证集成方法的有效性。

　　2.系统集成技术构建

　　2.1系统集成架构与耦合模型

　　系统集成架构分为感知层、控制层和执行层。感知层部署压力变送器、电磁流量计和功率分析仪，实时采集管网压力P、流量Q及泵组输入功率Pin。控制层以可编程逻辑控制器(Programmable Logic Con-troller,PLC)为核心，集成变频器通信模块，执行双闭环控制算法。执行层包含变频调速水泵、电动调节阀，响应控制指令实现转速调节。系统集成架构如图1所示。

　　三层架构通过RS-485总线实现50ms采样周期的数据交互。管网特性曲线与泵性能曲线的交点决定系统运行工况，考虑农田管网长距离输水特点，水泵在变频工况下的性能遵循相似定律，引入效率修正因子β,泵扬程特性方程表达为：

　　3.技术实验验证

　　3.1实验方案

　　实验依托某农场300亩滴灌系统改造项目，原有泵站配置2台IS100-80-160型离心泵，单泵额定流量100m3/h、扬程50m、功率22kW。改造后保留原泵体与电机，增设西门子V20变频器、施耐德TM221 PLC及配套传感器。压力变送器量程0至1 MPa，精度0.25级；电磁流量计口径DN100，精度±0.5%；功率分析仪采样周期100 ms。设置5个典型工况：低负荷30m3/h、中低负荷50m3/h、额定负荷100m3/h、中高负荷150m3/h、高负荷180m3/h。每个工况下分别测试工频运行与变频优化运行两种模式，工频模式通过阀门节流调节流量，变频模式计算目标转速。每个工况的测试时间持续2小时，采样间隔5s。压力控制性能测试通过阶跃扰动评估，人为开闭支管阀门模拟负荷突变，记录压力响应曲线。性能评价采用效率、稳定性、能耗三类指标，效率指标包含泵运行效率ηp和系统综合效率ηsys，稳定性指标为压力波动幅值ΔPmax和压力稳定时间ts，能耗指标采用单位体积能耗Ev=Pin·t/V，对比基准为改造前工频运行数据[5]。

　　3.2结果讨论

　　3.2.1系统运行特性分析

　　如表1所示，5个工况下变频优化运行的系统效率均高于工频模式。低负荷工况改善最显著，工频运行时泵效率仅51%，阀门节流损耗导致系统综合效率降至38%，变频运行通过降速至1280r/min，泵效率提升至67%，系统效率达58%，提升幅度52.6%。额定工况下变频优化使系统效率从74%提升至79%。中高负荷和高负荷工况启用双泵协调运行，在流量超过120m3/h时启动第二台泵，两泵转速分别稳定在1380r/min和1350r/min，单泵效率保持72%以上，系统效率维持76%至77%水平。

　　根据表1数据计算，低负荷工况单位能耗从0.273 kWh/m降至0.180 kWh/m，节能率34.1%；额定负荷工况从0.176 kWh/m降至0.165 kWh/m，节能率6.3%；加权平均节能率达28.6%。变频优化使泵运行点沿计算的最优轨迹移动，避免了阀门节流造成的能量耗散。

　　3.2.2压力控制效果验证

　　如图2所示，阶跃扰动测试中，工频系统压力波动幅值达±0.095 MPa，稳定时间超过180 s，变频双闭环控制将波动幅值压缩至±0.018 MPa，稳定时间缩短至63 s。如表2所示，5次重复测试的统计结果验证了控制策略的稳定性，变频模式压力偏差标准差仅0.008 MPa，工频模式达0.042 MPa。

　　设计的自适应PID控制在大偏差时Kp取1.8实现快速响应，接近目标值时切换至Kp=0.6防止超调。流量前馈项Kf·dQ/dt对阀门开启产生的流量突变提前补偿，使压力调节提前15s至20s启动。

　　3.2.3变频调节性能对比

　　如图3所示，不同负荷下变频系统的效率曲线始终高于工频系统。工频系统在额定流量100m3/h附近达到峰值效率74%，偏离该点后效率快速下降，50 m3/h时降至55%，30m3/h时仅38%。变频系统通过动态调整转速，使泵运行点沿高效区移动，在30m3/h至180m3/h范围内效率保持58%至79%。双泵协调运行时，在120m3/h启动第二台泵，通过等效率点分配算法使两泵效率均保持72%以上。

　　4.结论

　　4.1基于管网-泵耦合模型的变频优化算法使系统效率提升至79%，低负荷工况改善幅度达52.6%；

　　4.2自适应双闭环控制策略将压力波动压缩至±0.018MPa，响应速度提升65%；

　　4.3多泵协调机制实现综合节能28.6%。

　　研究结果为泵站节能改造提供了定量化技术方案。

参考文献:

　　[1]魏登惠.农用水泵及其配套动力的正确选择[J].科技风,2018(35):167.

　　[2]张志军.一体化泵站在农田灌溉排水中的运用探究[J].内蒙古水利,2019(11):68-69.

　　[3]孙武城.农田灌溉排水机械维修与保养技术分析[J].中国高新科技,2025(16):107-109.

　　[4]姚丽.基于农田灌溉排水机械系统的设计分析[J].河北农机,2025(08):6-8.

　　[5]马全宝.农业机械在农田灌溉中的节水与节能技术研究[J].河北农机,2025(06):24-26.