BR112019018578B1 - Método para operar uma bomba de circulação, unidade de controle,bomba de circulação e instalação hidráulica - Google Patents

Abstract

A invenção refere-se a um método para operar uma bomba de circulação em uma construção de bomba dupla, em que a bomba de circulação compreende pelo menos duas bombas individuais separadas, cujas portas de pressão convergem para formar uma porta de pressão de saída comum e em que pelo menos uma aba de comutação disposta na porta de pressão é fornecida para alternar entre operação de bomba única e bomba múltipla, em que uma unidade de regulação para a bomba de circulação determina variáveis manipuladas individuais para os acionamentos da bomba de pelo menos duas bombas individuais na operação de bomba múltipla, a fim de estabilizar a posição da aba.

Description

CAMPO DA INVENÇÃO

[001] A invenção refere-se a um método para operar uma bomba de circulação com um estilo de construção duplo.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

[002] Uma bomba dupla, ou uma bomba de circulação com um estilo de construção duplo, consiste em pelo menos duas bombas individuais - em particular bombas centrífugas - separadas umas das outras, que são acomodadas em um invólucro comum. Os bocais de descarga das bombas individuais convergem para formar um bocal de descarga de saída comum da bomba dupla. Essa forma estrutural oferece, por um lado, um modo de redundância no qual a bomba redundante assume se a bomba ativa falhar devido a um defeito (modo de bomba única). Por outro lado, ambas as bombas podem ser operadas de forma síncrona no modo de duas bombas, permitindo, sob certas premissas, uma operação mais eficiente em termos de energia e também uma maior capacidade de entrega de ambas as bombas individuais.

[003] Para evitar um fluxo reverso através da bomba inativa no modo de bomba única, uma chamada aba de comutação é instalada no local do bocal de descarga, no qual os bocais individuais das duas bombas convergem. No modo de bomba única, essa aba de comutação fecha, devido à pressão, o bocal de saída da bomba que foi desligada. No modo de duas bombas, a aba de comutação deve ser idealmente colocada centralmente, de modo que o meio transportado de ambas as bombas possa fluir para o bocal de descarga comum da maneira mais desimpedida possível.

[004] O funcionamento da aba de comutação é indicado esquematicamente na Figura 1, em que a representação esquerda 1a mostra um modo de bomba única, no qual o bocal de descarga da bomba estacionária (2) foi fechado por meio da aba (3), e a representação 1b reproduz o modo de duas bombas com, na medida do possível, uma posição central exata da aba de comutação (3).

[005] O controle convencional de circuito fechado da bomba dupla é realizado pelo controlador da instalação - no caso de uma bomba de circulação de aquecimento, pelo controlador da instalação da instalação de aquecimento. O referido controlador regula ambas as bombas em função de uma pressão definida (altura manométrica (delivery head) definida) da bomba dupla, que deve ser alcançada. Para atingir essa altura manométrica definida, ambas as bombas recebem uma variável de acionamento comum na forma da velocidade de rotação definida de suas unidades de acionamento. O diagrama de blocos associado pode ser obtido a partir da Figura 2.

[006] O controle convencional de circuito fechado pressupõe que as duas bombas individuais entregam, na mesma velocidade de rotação definida, a mesma pressão de saída que corresponde à altura manométrica total do sistema. De fato, devido a diferentes tipos de orientação do fluxo, devido ao espaço de construção, as duas bombas individuais fornecem uma pressão de saída ligeiramente diferente na mesma velocidade definida. Devido às direções de rotação idênticas das duas bombas, o fluxo de apenas uma bomba, por exemplo, pode ter sido orientado idealmente. A segunda bomba possui então uma orientação de fluxo mais longa, em particular com uma porção curva maior. As tolerâncias de fabricação também podem amplificar essas diferenças. Essa divergência das alturas manométricas resulta no carregamento da aba de comutação com vetores de força diferentes, como resultado do qual a aba é girada para fora de sua posição central. Sob certas circunstâncias, a posição da aba se torna instável, semelhante a um pêndulo inverso. Deflexões muito pequenas da aba a partir da posição central, que, por exemplo, podem ser causadas por bolsas de turbulência, resultam no movimento brusco da aba para um lado.

[007] Sem contramedidas adequadas, neste caso, uma das duas bombas é sempre bloqueada hidraulicamente e uma entrega paralela com ambas as bombas não é mais possível. Soluções mecânicas são conhecidas a partir do estado da técnica. Uma abordagem fornece uma modificação da aba com um inversor (spoiler) que, em virtude da contrapressão que surge no mesmo, se destina a estabilizar a posição da aba. Uma abordagem alternativa para encontrar uma solução é baseada em uma aba de comutação projetada como uma aba de borboleta, que inclui um elemento de mola entre as duas asas.

[008] No entanto, essas soluções exigem medidas construtivas em relação à aba de comutação, como resultado das quais, não apenas os custos de produção mais altos devem ser atendidos, mas também podem surgir desvantagens em relação ao desgaste da aba.

[009] Portanto, busca-se uma solução que seja capaz de superar os problemas acima mencionados.

DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO

[010] Este objetivo é alcançado por um método de acordo com as características da reivindicação 1. Realizações vantajosas do método são a matéria-objeto das reivindicações dependentes.

[011] De acordo com a invenção, é proposto um método para operar uma bomba de circulação com um estilo de construção duplo. A base do método é uma bomba de circulação com pelo menos duas bombas individuais separadas, cujos bocais de descarga convergem para formar um bocal de descarga de saída comum. Mesmo quando a invenção fala expressamente de um estilo de construção duplo, teoricamente também mais de duas bombas individuais podem interagir dentro da bomba. A seguir, por uma questão de simplicidade, será mencionado um estilo de construção duplo ou duas bombas individuais. No entanto, as afirmações de acordo com a invenção também se aplicam sem restrição a uma realização com mais de duas bombas individuais.

[012] As bombas individuais que são empregadas podem ter sido configuradas como uma bomba centrífuga e dispostas dentro de um invólucro comum da bomba de circulação. Cada bomba individual inclui sua própria unidade de acionamento de velocidade variável, preferencialmente na forma de um motor elétrico.

[013] Além disso, é fornecida pelo menos uma aba de comutação giratória disposta no bocal de descarga, o que permite uma comutação entre um modo de bomba única e um modo de bomba múltipla. No modo de bomba única, a aba foi girada para fora de sua posição central, de modo que um bocal de saída de pressão de uma bomba individual foi fechado. No modo de duas bombas, a aba deve idealmente estar localizada em uma posição central na qual os bocais de descarga de cada bomba estejam abertos e o diâmetro da abertura dos bocais de descarga de ambas as bombas individuais seja influenciado pela aba de forma alguma ou pelo menos da mesma maneira.

[014] Diferentemente da prática do estado da técnica, a presente invenção propõe gerar, por meio de um controle de circuito fechado para a bomba de circulação, variáveis de acionamento individuais para os acionamentos da bomba das pelo menos duas bombas individuais da bomba de circulação e ativar o último correspondentemente. Nesse caso, as variáveis de acionamento individuais devem ser estabelecidas de tal maneira que, no modo de duas bombas, uma aba de comutação seja estabilizada, preferencialmente em sua posição central. Em particular, o desvio problemático entre as alturas manométricas resultantes na velocidade de rotação idêntica das bombas individuais deve ser regulado para zero por meio de um controle de circuito fechado individual dos acionamentos individuais, como resultado do qual, a posição da aba pode ser efetivamente estabilizada.

[015] Uma primeira maneira de encontrar uma solução consiste, de acordo com uma forma prática vantajosa, em ativar as bombas individuais no chamado modo mestre/escravo. Nesse caso, uma bomba individual operada como escravo é regulada para a taxa de entrega real de uma bomba individual operada como mestre. Por exemplo, um regulador da taxa de entrega pode ser empregado para essa finalidade, para a qual a taxa de entrega real da bomba individual mestre é fornecida como valor de ajuste e para a qual a taxa de entrega atual da bomba individual operada como escravo é fornecida como valor real. Com base nas variáveis de entrada indicadas, o regulador da taxa de entrega gera, como valor de acionamento, um valor de correção para a velocidade de rotação definida da bomba operada como escravo. Consequentemente, a bomba operada como escravo pode ser operada a uma velocidade de rotação definida, divergindo em relação à bomba individual mestre. Em virtude desta medida, as diferenças, devido ao projeto estrutural, na configuração geométrica das bombas individuais podem ser compensadas e uma posição suficientemente estável da aba de comutação pode ser assegurada.

[016] Uma abordagem para encontrar uma solução que seja uma alternativa ao conceito mestre / escravo consiste, de acordo com uma forma prática preferida, em considerar a bomba dupla como um sistema multivariável com pelo menos duas entradas e saídas. As variáveis de entrada neste exemplo são as respectivas velocidades de rotação das bombas individuais, enquanto as variáveis controladas do mesmo são as alturas manométricas individuais e/ ou taxas de entrega das bombas individuais. Também aqui é realizado um controle de circuito fechado separado das alturas manométricas e/ ou taxas de entrega de ambas as bombas individuais e, portanto, uma geração individual de variáveis de acionamento apropriadas.

[017] Por causa do acoplamento hidráulico entre as bombas individuais, a velocidade de rotação ajustada de uma bomba individual também afeta a outra bomba individual. Matematicamente, o sistema controlado da bomba de circulação pode ser descrito com a ajuda dos chamados elementos de transferência e elementos de acoplamento, nos quais a conexão de um elemento de transferência caracteriza a influência da variável de acionamento na bomba individual atribuída e um elemento de acoplamento descreve a influência da variável de acionamento na outra bomba individual. O acoplamento hidráulico pode, consequentemente, levar a interações entre as pelo menos duas bombas individuais, as quais, em determinadas circunstâncias, podem provocar um aumento de sinais de interferência. As possíveis consequências são o aumento do consumo de energia, o aumento da geração de ruído, o aumento do desgaste ou até possíveis subidas bruscas de pressão dentro do sistema de tubulação.

[018] Com o objetivo de evitar essas interações, de acordo com uma realização preferida, é proposto um controle de circuito fechado do desacoplamento entre as bombas individuais. Aqui, a chamada estrutura p- canônica é considerada uma realização adequada. Com a introdução de blocos de desacoplamento, que se comportam inversamente aos blocos de acoplamento previamente elucidados, a influência recíproca das bombas individuais pode ser compensada. No caso ideal, as variáveis controladas individuais podem então ser estabilizadas com reguladores de variável única independentes. Cada bomba individual da bomba de circulação pode ser ativada por meio de um regulador de variável única independente, e este recebe a altura manométrica definida como variável definida e a altura manométrica real da bomba individual correspondente como variável controlada. Com base nisso, uma velocidade de rotação apropriada é produzida.

[019] Além do método de acordo com a invenção, a presente invenção refere-se, além disso, a uma unidade de controle - em particular, um controlador de instalação para um sistema de aquecimento - para regular pelo menos uma bomba de circulação com um estilo de construção duplo, de acordo com o método de acordo com a invenção ou uma realização vantajosa do método. Consequentemente, para a unidade de controle resultam as mesmas vantagens e propriedades como já foram discutidas em detalhes anteriormente com referência ao método de acordo com a invenção. Por esse motivo, uma descrição repetida será dispensada.

[020] A invenção fornece, além disso, uma bomba de circulação - em particular, uma bomba de circulação de aquecimento - com um estilo de construção duplo. A bomba de circulação é adequada para a recepção de variáveis de acionamento individuais através de uma interface externa para a ativação de seus pelo menos dois acionamentos de bomba elétrica.

[021] Por fim, a presente invenção refere-se a uma instalação hidráulica - em particular, uma instalação de aquecimento - com pelo menos uma unidade de controle de acordo com a invenção.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[022] Outras vantagens e características da invenção serão elucidadas com mais detalhes a seguir, com referência às formas de realização representadas nas figuras. São mostrados: Figura 1: um esboço para ilustrar a posição da aba no modo de bomba única e no modo de duas bombas; Figura 2: um diagrama de blocos de uma instalação de aquecimento convencional no modo de duas bombas; Figura 3: um diagrama de blocos de uma primeira forma de realização da invenção; e Figura 4: um diagrama de blocos de uma forma de realização alternativa da invenção.

DESCRIÇÃO DE REALIZAÇÕES DA INVENÇÃO

[023] Como já descrito em detalhes na parte introdutória da descrição, os acionamentos individuais de bombas duplas convencionais têm sido, até então, ativados a uma velocidade de rotação idêntica, que é determinada por um regulador adequado em função da altura manométrica definida (ver Figura 2).

[024] A abordagem para encontrar uma solução, de acordo com a invenção, se desvia dessa prática e, em vez disso, fornece um controle de circuito fechado individual das bombas individuais, como resultado das quais variáveis de acionamento diferentes - ou seja, velocidades de rotação definidas - também pode ser geradas para essas bombas como uma função da altura manométrica definida da bomba de circulação. Dessa forma, as diferenças, devido ao projeto estrutural, na orientação do fluxo e também quaisquer possíveis tolerâncias de fabricação entre as bombas individuais de uma bomba dupla podem ser compensadas, de modo que, no caso ideal, ambas possam ser operadas com altura manométrica idêntica. Dessa maneira, a aba de comutação pode ser estabilizada em sua posição central.

[025] Para a realização concreta do controle de circuito fechado das bombas individuais, apresentam-se duas formas diferentes de proceder, a saber, por um lado, um controle de circuito fechado de acordo com o princípio mestre / escravo e, por outro lado, um controle de circuito fechado de acordo com um sistema multivariável.

[026] Para começar, a primeira realização será considerada. A Figura 3 mostra um diagrama de blocos correspondente. O controlador da instalação (10) regula a altura manométrica definida para todo o sistema. No exemplo mostrado, a bomba (1) atua como mestre, enquanto a bomba (2) é operada como escravo. A velocidade de rotação definida gerada pelo controlador da instalação (10) é fornecida à bomba (1) (bomba mestre) como variável de acionamento e ao mesmo tempo à bomba (2) para controle piloto desta última. A bomba (2) é adicionalmente regulada para a taxa de entrega real da bomba (1). Isso é realizado com a ajuda do regulador da taxa de entrega (20), cujo valor de ajuste é a taxa de entrega (Q1) gerada da bomba (1) e o valor real do qual é a taxa de entrega (Q2) resultante da bomba (2). Como valor de acionamento, o regulador da taxa de entrega (20) gera um valor de correção de velocidade para a bomba (2), cuja velocidade de rotação adaptada e, quando apropriado, pode se desviar da velocidade de rotação da bomba (1).

[027] Em virtude do controle de circuito fechado da bomba (1), é garantido que a altura manométrica definida do sistema seja atingida. Em virtude do controle de circuito fechado da bomba (2), é garantido que taxas de entrega idênticas sejam obtidas nos bocais de saída das bombas (1, 2), como resultado do qual a aba de comutação é mantida na posição central.

[028] Como alternativa ao controle de circuito fechado mestre / escravo de acordo com a Figura 3, a bomba dupla pode ser considerada como um sistema multivariável (30) com duas entradas e duas saídas. As quantidades de entrada são as duas velocidades de rotação (n1) e (n2). As variáveis controladas são as alturas manométricas (H1) e (H2). O diagrama de blocos é representado na Figura 4.

[029] Por causa do acoplamento hidráulico, as duas velocidades de rotação (n1) e (n2) influenciam não apenas a bomba ativada na respectiva velocidade de rotação, mas também a bomba individual adjacente da configuração dupla. Os elementos de transferência (G11) e (G22) descrevem a influência da respectiva velocidade de rotação (n1) e (n2) na bomba específica. Os elementos de acoplamento (G12) e (G21) descrevem a influência da velocidade de rotação (n1) na altura manométrica (H2) e, respectivamente, de (n2) em (H1) da respectiva outra bomba. A descrição matemática do sistema é não linear.

[030] Para desacoplar o sistema, os blocos de desacoplamento (R11, R21, R12, R22) são introduzidos. Esses blocos de desacoplamento se comportam inversamente aos blocos de acoplamento (G12) e (G21) do sistema controlado (30). Dessa maneira, os acoplamentos cruzados se cancelam, e o sistema multivariável (30) pode ser descrito como um sistema com duas variáveis únicas independentes que, cada uma, pode ser estabilizada independentemente com um regulador de variável única (40a, 40b).

[031] A vantagem desta solução em comparação com a abordagem mestre/escravo da Figura 3 consiste na possibilidade de desacoplar as duas bombas individuais (1, 2). Como resultado do acoplamento das duas bombas (1, 2), surgem interações que podem levar a um aumento de sinais interferentes. As possíveis consequências podem ser um aumento no consumo de energia, aumento na geração de ruído, aumento no desgaste ou, sob certas circunstâncias, subidas bruscas de pressão induzidas no sistema de tubulação. Esse aumento é evitado pela abordagem multivariável da Figura 4.

Claims (9)

1. MÉTODO PARA OPERAR UMA BOMBA DE CIRCULAÇÃO com um estilo de construção duplo, em que a bomba de circulação compreende pelo menos duas bombas individuais (1, 2) separadas, cujos bocais de descarga convergem para formar um bocal de descarga de saída comum e pelo menos uma aba de comutação (3) disposta no bocal de descarga é fornecida para alternar entre um modo de bomba única e um modo de bomba múltipla, em que um controle de circuito fechado para a bomba de circulação gerar variáveis de acionamento individuais para os acionamentos de bombas da pelo menos duas bombas (1, 2) individuais, a fim de estabilizar a posição da aba (3) no modo de bomba múltipla, caracterizado pelas bombas (1, 2) individuais serem reguladas para taxas de entrega (20) e/ou alturas manométricas (H1, H2) idênticas pelo controle de circuito fechado individual no modo duplo, a fim de estabilizar a aba de comutação (3) em sua posição central.

2. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo controle de circuito fechado aplicar um princípio mestre/escravo e, portanto, a bomba individual (1, 2) operada como escravo ser regulada para a taxa de entrega real de uma bomba individual operada como mestre.

3. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado por um regulador da taxa de entrega (20) ser utilizado, para o qual a taxa de entrega real (Q1) da bomba individual operada como mestre é fornecida como valor de ajuste e para o qual a taxa de entrega real (Q2) da bomba individual (2) operada como escravo é fornecida como valor real, o regulador da taxa de entrega (20) emitindo como valor de acionamento um valor de correção para a velocidade de rotação da bomba (2) operada como escravo.

4. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo controle de circuito fechado regular a bomba de circulação com pelo menos duas bombas (1, 2) individuais como um sistema multivariável, com as respectivas velocidades (n1, n2) da bomba (1, 2) como variáveis de acionamento e com as alturas manométricas (H1, H2) ou suas taxas de entrega (Q1, Q2) como variáveis controladas.

5. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado por um controle de circuito fechado do desacoplamento entre as respectivas variáveis de acionamento e/ou variáveis controladas ser realizado, preferencialmente com base em uma estrutura p-canônica.

6. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 4 a 5, caracterizado pelas variáveis controladas individuais do sistema multivariável (30) serem estabilizadas por meio de reguladores individuais e de variável única (40a, 40b) mutuamente independentes.

7. UNIDADE DE CONTROLE, em particular, um controlador de instalação (10) para um sistema de aquecimento, caracterizada por ser para regular pelo menos uma bomba de circulação com um estilo de construção duplo, de acordo com o método conforme definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 6.

8. BOMBA DE CIRCULAÇÃO, em particular, uma bomba de circulação de aquecimento, caracterizada por possuir um estilo de construção duplo, sendo a bomba de circulação adequada para receber variáveis de acionamento individuais por meio de uma interface externa para a ativação de seus pelo menos dois acionamentos de bomba elétrica, de acordo com a unidade de controle conforme definida na reivindicação 7.

9. INSTALAÇÃO HIDRÁULICA, em particular um sistema de aquecimento, caracterizada por ter pelo menos uma unidade de controle, conforme definida na reivindicação 7 e/ou uma bomba de circulação, conforme definida na reivindicação 8.