I. Forschungsziele Um die traditionelle Flutbewässerung in offenen Gerinnen und die bisherige Einzelbrunnenbewässerung zu verändern, wassersparende Rohrleitungsbewässerungstechnologien zu verbreiten und zu fördern, die intensive landwirtschaftliche Produktion zu steigern, Wasser und Energie zu sparen und Produktion und Einkommen zu erhöhen, hat Harbin Rifeng Electronics Co., Ltd. ein neuartiges Mehrbrunnen-Konstantdruck-Regelgerät entwickelt. Dieses ermöglicht die Steuerung der Bewässerung mehrerer Brunnen mit einem einzigen Konstantdruck-Regelgerät. II. Funktionsmerkmale (I) Funktionen 1. Automatische Konstantdruckregelung im Rohrleitungssystem; 2. Betriebsmodi 1:1, 1:2, 1:3 oder 1:N am selben Gerät einstellbar; 3. Bewässerungsdruck innerhalb des Betriebsdruckbereichs des Rohrleitungssystems an die tatsächlichen Anforderungen anpassbar; 4. Automatischer Schutz der Motorpumpe vor Überstrom, Überlast, Überdruck, Unterdruck, Phasenausfall und Überhitzung im Frequenzumrichterbetrieb; 5. Wahlweise Betrieb mit Netzfrequenz oder Frequenzumrichter möglich. (II) Merkmale 1. Einfache Bedienung und komfortable Nutzung; 2. Bewässerung mit konstantem Rohrleitungsdruck, wodurch die Kanalwartung entfällt und Arbeitsaufwand gespart wird; 3. Schonung von Wasser- und Energieressourcen und damit der Umwelt; 4. Senkung der landwirtschaftlichen Produktionskosten und Steigerung von Ertrag und Einkommen. III. Funktionsprinzip (I) Systemaufbau Das automatische Konstantdruck-Regelsystem besteht im Wesentlichen aus einem frequenzvariablen Konstantdruckregler (im gestrichelten Kasten), einem Motor, einer Wasserpumpe, einem Drucksensor, einem Rohrleitungsnetz und einer Sprinkleranlage. Der frequenzvariable Konstantdruckregler besteht im Wesentlichen aus einem Frequenzumrichter, einem Regler und einer Steuerschaltung. Der Arbeitsablauf ist in Abbildung 1 dargestellt. (II) Funktionsprinzip Der Mikrocomputer-Controller erfasst das vom Drucksensor ausgegebene Rohrleitungsdrucksignal in Echtzeit und sendet dieses Signal zum Vergleich mit dem Sollwert an den PID-Regler. Nach der Verarbeitung werden verschiedene Regelungsanforderungen gemäß dem Mikrocomputer-Programm umgesetzt, wodurch eine konstante Druck- und variable Durchflussversorgung erreicht wird. (III) Bedienungshinweise 1. Schalten Sie den Hauptschalter und den Steuerschalter ein. 2. Wählen Sie die Anzahl der Betriebspumpen anhand der Wasserdurchflussmenge, des Systemdrucks und der Dichtheit der Rohrleitungen und stellen Sie diese am Controller ein. 3. Drehen Sie den Drehknopf Q2 auf die gewünschte Pumpenposition. 4. Drehen Sie den Drehknopf Q1 auf die Position „Installationsfrequenz“ oder „Variable Frequenz“. Bei Auswahl von „Installationsfrequenz“ drücken Sie die entsprechende Pumpentaste, um die Pumpe zu starten. In diesem Fall handelt es sich nicht um eine Bewässerung mit konstantem Druck, sondern um eine Notbewässerung. Zum Stoppen drücken Sie die entsprechende Stopptaste. Befindet sich Q1 in der Position „Variable Frequenz“, startet die Pumpe automatisch. Stellen Sie anschließend den gewünschten Druck am Controller ein. Das Gerät hält den Systemdruck automatisch auf dem eingestellten Wert. Zum Stoppen drehen Sie Q1 in die Stoppposition und schalten Sie den Hauptschalter und den Steuerschalter aus. (IV) Arbeitsablauf Der Arbeitsablauf der Konstantdruckbewässerung ist in Abbildung 2 dargestellt. In der Abbildung sind „1# Variable Frequenz“, „1# Netzfrequenz“, „2# Variable Frequenz“, „2# Netzfrequenz“, „3# Variable Frequenz“ und „3# Netzfrequenz“ Reglerkontakte. Nach dem Start ist der Systemdruck niedriger als der Sollwert. Das Ausgangssignal des Drucksensors wird dem Regler zugeführt. Nach dem Vergleich mit dem Sollwertsignal des Reglers wird das Reglerausgangssignal an den Frequenzumrichter weitergeleitet. Gleichzeitig schließt der Reglerkontakt „1# Variable Frequenz“, und die Wasserpumpe „1#“ wird an den Ausgang des Frequenzumrichters angeschlossen und arbeitet im Frequenzumrichterbetrieb. Die Frequenz des Frequenzumrichters steigt schrittweise von „0“ an, und der Systemdruck steigt mit der Frequenz. Sobald die Frequenz einen bestimmten Wert erreicht hat, ist der Systemdruck auf den Sollwert eingestellt. Ab diesem Zeitpunkt steigt die Frequenz nicht weiter an, und der Systemdruck bleibt konstant. Bei sinkendem Wasserverbrauch steigt der Systemdruck wieder über den Sollwert. Das Ausgangssignal des Reglers bewirkt eine Frequenzabsenkung, wodurch auch der Systemdruck sinkt. Sobald der Systemdruck den Sollwert erreicht hat, bleibt die Frequenz konstant, und der Systemdruck wird auf dem Sollwert gehalten. Steigt der Wasserverbrauch deutlich an, sinkt der Systemdruck unter den Sollwert. Das Ausgangssignal des Reglers bewirkt daraufhin eine Frequenzerhöhung, und der Systemdruck steigt ebenfalls. Sobald die Frequenz 50 Hz erreicht hat … Liegt der Systemdruck zum Zeitpunkt Z immer noch unter dem Sollwert, öffnet der Kontakt „1# Inverter“ des Reglers, und die Ausgangsfrequenz des Wechselrichters sinkt auf „0“. Anschließend schließt der Kontakt „1# Netzfrequenz“ und verbindet die Wasserpumpe „1#“ mit der Netzfrequenzversorgung. Nach einer kurzen Verzögerung schließt der Kontakt „2# Inverter“ und verbindet die Wasserpumpe „2#“ mit dem Wechselrichterausgang. Der Wechselrichterbetrieb wird nun aufgenommen. Da der Systemdruck den Sollwert noch nicht erreicht hat, steigt die Wechselrichterfrequenz unter der Steuerung des Reglers allmählich von „0“ an, und der Systemdruck steigt mit der Frequenz. Sobald die Frequenz 50 Hz erreicht und der Systemdruck noch unter dem Sollwert liegt, öffnet der Wechselrichterkontakt „2#“. Die Frequenz sinkt auf „0“, und der Netzfrequenzkontakt „2#“ schließt, wodurch die Wasserpumpe „2#“ an die Netzfrequenzversorgung angeschlossen wird. Nach einer kurzen Verzögerung schließt der Wechselrichterkontakt „3#“, sodass die Wasserpumpe „3#“ im Wechselrichterbetrieb arbeitet, bis das System den Sollwert erreicht. Ab diesem Zeitpunkt bleibt die Frequenz konstant. Sinkt der Wasserverbrauch im System und überschreitet der Systemdruck den Sollwert, beginnt die Wechselrichterfrequenz zu sinken, bis sie „0“ erreicht. Ist der Systemdruck weiterhin höher als der Sollwert, öffnet der Netzfrequenzkontakt „1#“ des Reglers, und die Wasserpumpe „1#“ schaltet sich ab. Fällt der Systemdruck anschließend unter den Sollwert, steigt die Wechselrichterfrequenz wieder an, um den Systemdruck auf dem Sollwert zu halten. Bleibt der Systemdruck nach dem Abschalten von Pumpe 1 über dem Sollwert, öffnet der Netzfrequenzkontakt „2#“, sobald die Wechselrichterfrequenz 0 erreicht, und Pumpe 2 schaltet sich ab. In diesem Fall arbeitet nur Pumpe Nr. 3 im Inverterbetrieb und hält den Systemdruck auf dem Sollwert. Steigt der Wasserverbrauch erneut, erhöht sich die Frequenz, bis der Systemdruck bei 50 Hz immer noch unter dem Sollwert liegt. Dann schaltet sich der Inverter Nr. 3 ab, und die Frequenz sinkt auf 0. Der Netzfrequenzkontakt von Pumpe Nr. 3 schließt, und nach einer kurzen Verzögerung schaltet sich der Inverter Nr. 1 wieder ein, wodurch die Frequenz von 0 ansteigt. Dieser Zyklus wiederholt sich kontinuierlich und gewährleistet so eine Bewässerung mit konstantem Druck. IV. Fallstudie: Im Bezirk Fengtai in Peking wird die Technologie zur Steuerung mehrerer Brunnen mit einer einzigen Pumpe seit Anfang der 1990er-Jahre eingesetzt. Bis 1994 wurde das Projekt auf über 100 Standorte ausgeweitet und bewässerte effektiv über 30.000 Mu (ca. 2.000 Hektar). Nach der Einführung der japanischen Technologie zur frequenz- und druckvariablen Wasserversorgung im Jahr 1996 wurden die bestehenden Anlagen technologisch modernisiert und die Ausrüstung entsprechend aufgerüstet. Dadurch wurde das Problem des Wasserschlags im bisherigen Rohrleitungssystem grundlegend gelöst (Wasserschlag führte häufig zu Rohrbrüchen, erhöhte die Instandhaltungskosten und beeinträchtigte die Bewässerung landwirtschaftlicher Flächen). Die neue Ausrüstung zeichnet sich durch stabile Leistung, konstanten Druck, gleichmäßige Durchflussverteilung sowie Wasser- und Energieeinsparung aus. Das 1996 von Harbin Rifeng Electronics Co., Ltd. entwickelte automatische Mehrbrunnen-Druckregelsystem wird mittlerweile in der gesamten Provinz eingesetzt. Zahlreiche Industrie- und Bergbauunternehmen, Projekte zur Heizung und Wasserversorgung von Wohnhäusern, Wasserquellen und zentrale Wasserversorgungsanlagen in Harbin nutzen die leistungsstarken frequenz- und druckvariablen Wasserversorgungssysteme der BT-Serie von Harbin Rifeng Electronics Co., Ltd. Bei der Versorgung mehrerer Pumpen steuert ein einziges Druckregelsystem alle Pumpen. Drei Versorgungsarten stehen zur Verfügung: 1. Zwei Pumpen mit fester Frequenz; 2. Wechselstrombetrieb von Pumpe mit variabler und fester Frequenz; 3. Zirkulation von Pumpe mit variabler und fester Frequenz. In China blickt die Technologie der frequenzvariablen, druckkonstanten Wasserversorgung auf eine über zehnjährige Entwicklungsgeschichte zurück. Nach jahrelanger Forschung und Anwendung ist die Technologie ausgereift und hat große wirtschaftliche und soziale Vorteile gebracht. V. Technische Analyse und Wirtschaftlichkeitsbewertung (I) Technische Analyse: Hinsichtlich der technischen Leistung und des Betriebs sind frequenzvariable Wasserversorgungsanlagen Druckbehälter-Wasserversorgungsanlagen überlegen. Erstens ist der Leitungsdruck konstant, die Wasserverteilung stabil und der Druckstoß in der Leitung nahezu null, wodurch Wartungskosten eingespart werden. Zweitens kann die Anlage rund um die Uhr betrieben werden und schaltet sich je nach Bedarf automatisch zu festgelegten Zeiten ein. Drittens ist die Gesamtleistung stabil, die Lebensdauer lang und es bestehen automatische Schutzfunktionen gegen Überstrom, Überlast, Überdruck, Unterdruck und Phasenausfall. Die Anlage ist einfach zu bedienen, sicher und zuverlässig und weist geringe mechanische Verluste auf. (II) Wirtschaftlichkeitsbewertung: Das Pumpenhaus benötigt wenig Platz. Wird der Wasserverteiler im Arbeitsschacht unterhalb der Frostgrenze installiert, entfallen die Baukosten für das Pumpenhaus sowie die Kosten für Winterheizung und Personal, und es entstehen keine Umweltbelastungen. Das Gerät kann in jedem Raum innerhalb eines Radius von 200 Metern um den Brunnen aufgestellt werden. Die Wasserpumpe verfügt über eine stufenlose Drehzahlregelung, wobei die Motordrehzahl dem Wasserverbrauch angepasst wird. Mit der Änderung der Motordrehzahl ändert sich auch der Stromverbrauch, wodurch ein energiesparender Betrieb mit einer typischen Energieeinsparung von 30–70 % erreicht wird. Das Gerät benötigt keine manuelle Überwachung und spart somit Personalkosten. Durch die Verwendung fortschrittlicher elektronischer Komponenten und elektrischer Geräte in Konstruktion und Montage zeichnet sich die Maschine durch stabile Leistung, lange Lebensdauer, einfache Bedienung, Sicherheit, Zuverlässigkeit und minimale mechanische Verluste aus, was die Wartungs- und Betriebskosten reduziert. (Siehe beigefügte Tabelle – Technische Analyse und Wirtschaftlichkeitsbewertung). VI. Anwendungsbereich: 1. Zentrale Heizungs- und Wasserversorgungsprojekte in Wohngebieten; 2. Mikro-, Sprinkler- und Springbrunnenprojekte; 3. Zentrale Wasserversorgungsprojekte für Industrie- und Bergbaubetriebe; 4. Steuerung von Kesselspeisewasser und Zirkulationssystemen; 5. Konstantdruck- und Konstantdurchflussregelung in Wasserwerken und Pumpstationen. Die Entwicklung des automatischen Mehrbrunnen-Konstantdruckreglers stellt eine technologische Revolution in der Modernisierung von Wasserversorgungsanlagen in zentralen Wasserversorgungsprojekten dar. Dieses Gerät bietet breite Anwendungsmöglichkeiten und Entwicklungspotenzial im Bereich der wassersparenden Bewässerung in landwirtschaftlichen Rohrleitungen.