CN101705935B - 水泵并联机组运行机理与控制策略模拟试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种用于研究水泵并联机组的运行机理和控制策略的模拟试验装置。主要有水池、潜水泵、流量计、进水箱、并联水泵机组、阀门、管路、自动调节阀和高位水箱等构成水循环回路，装置上安装有压力变送器、扭矩-转速传感器、变频器、虚拟仪器和电气控制回路等测控仪表。其特征是：在一大的水池和水泵并联机组之间设置了一进水箱，通过控制水池中潜水泵的转速来模拟向进水箱进水的水量，通过自动调节阀和变频器提供节流和变速两种调节方式来模拟用水规律，采用虚拟仪器技术测量水泵机组的组合特性，泵特性、装置特性以及不同转速的轴功率特性等，并对不同调度模型和运行控制策略进行模拟试验，以检验和对比不同模型的性能和节能效果。
Description
技术领域
本发明是一种水力机械模拟试验装置，特指水泵并联机组运行机理与控制策略模拟试验装置，用于研究水泵并联机组的运行机理和节能策略。
背景技术
我国水泵的用电量占全国用电量的20.9％，而工业循环水及城市排水泵站多数采用并联机组运行，当来水量或用水需求发生变化时，需要投入不同的水泵数量或改变水泵运行工况来满足需求变化，如果组合或配置不合理，或运行方式不当会使水泵机组浪费的能耗超过20％以上，因此，有必要对水泵并联机组的运行机理和节能策略开展研究。
现有国家标准GB/T 3216-2005《回转动力泵水力性能验收试验1级和2级》规定的开式或闭式标准试验装置只是针对获得单台水泵特性的试验，不便于进行水泵并联机组的运行机理和控制策略的试验。
专利号为03251616.9的实用新型专利设计了离心泵多功能试验装置，其由一个高位水箱、两个低位水箱、四台水泵、压力表、流量计、切换阀门和管路等组成，通过阀门切换，解决了水泵机组的串联或并联运行的试验问题，可以开展水泵或水泵机组的特性试验。但高位水箱至低位水箱之间未设置调节阀门，试验时不能模拟来水量的不同变化规律。可以通过手动调节阀门来简单地模拟节流运行方式的用水需求变化，但由于所使用的阀门不是自动调节装置和没有模拟信号发生器，对复杂连续的变化规律不能模拟；而用调速运行方式模拟用水规律，说明书和权利要求书都没有进行详细的描述。
因此，现有装置只能简单地进行水泵或水泵机组本身的性能或调速性能试验，不能模拟来水量或用水需求复杂变化时水泵或水泵机组的运行状态，不能对优化调度模型、控制模型和节能策略开展试验研究。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够模拟来水量或用水需求复杂变化规律的，并对水泵并联机组在不同运行方式下适应不同变化规律的运行机理、优化调度模型、控制模型和节能策略开展试验研究的装置和方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：整个试验装置有水池、潜水泵、流量计、进水箱、并联水泵机组、阀门、管路、自动调节阀和高位水箱等构成水循环回路，装置上安装有压力变送器、扭矩-转速传感器、变频器、虚拟仪器和电气控制回路等测量与控制仪表设备，装置的布置如图所示。水池为整个试验提供足够的水源，潜水泵潜入水池中，并通过管道与进水流量计连接，该流量计的下游通过一段管道及阀门与进水箱窄的一端连接，潜水泵的转速由一台变频器控制，用来模拟进水箱的进水量。进水箱宽的一端连接并联的三台水泵机组，进水箱使水泵并联机组处于倒灌状态，有利于水泵的快速启动，进水箱装有水位变送器。每台水泵的入口和出口装有压力变送器，用于测量水泵的扬程，每台水泵与电机中间连接有扭矩-转速传感器，用于测量水泵轴功率，水泵机组的电能采用电参数测量仪进行测量。每台水泵的出口安装阀门和逆止阀，并通过管路并联连接后与自动调节阀连接，再与出水总管连接，出水总管安装有流量计，其下游经一段管路然后垂直向上升至一定的高度后用阀门与高位水箱连接，高位水箱的出口通过阀门和管路使水流回到水池。在水平总管与垂直管路交接处和高位水箱入口阀门前安装压力变送器，用于测量控压点上游管路特性在不同运行方式下的变化规律。
水泵并联机组模拟排水作用的试验过程：使潜水泵向进水箱源源不断地输水，进水箱的水位将随着进水量的不同而发生变化，通过虚拟仪器产生进水量的变化规律信号Qm＝Q(t)与进水流量计反馈的信号比较产生偏差信号，利用虚拟仪器的软件PID模块控制潜水泵的转速，使进水流量按预先由虚拟仪器设定规律改变。并联机组中投入哪台水泵和投入的台数则可以采用简单地根据不同水位投入不同水泵台数，也可根据进水流量或进水箱水位的变化率建立不同的优化模型来调度。水泵运行工况可用出口自动调节阀调节，也可用一台变频器调节机组中任意一台水泵的转速来调节，以达到满足一定排水量的目的。通过虚拟仪器采集的各路数据，可以得到水泵及水泵机组在一定进水量变化规律下的装置特性、水泵机组组合特性、轴功率特性和机组所消耗的电能。通过模拟试验可以比较不同调度方法和运行调节方式的能耗，研究不同调度模型和控制模型的性能和节能效果，并可以与仿真计算结果进行比较，进而修正模型。
水泵并联机组模拟供水作用的试验过程：首先将进水箱水位变送器的信号反馈至控制潜水泵的变频器，使进水箱的水位恒定，以保证足够的供水量。由虚拟仪器产生供水量的变化规律信号Qout＝Q(t)与出水总管流量计反馈的信号比较产生偏差信号，利用虚拟仪器的软件PID模块控制自动调节阀的开度，也可将产生的偏差信号和虚拟仪器的软件PID模块控制变频器来调节水泵的转速，使供水流量满足不同时段的用水需求。并联机组中投入哪台水泵和投入的台数则可以建立不同的调度模型来调度。同样，通过虚拟仪器采集的各路数据，可以得到水泵及水泵机组在一定供水量变化规律下的装置特性、水泵机组组合特性、轴功率特性和机组所消耗的电能。通过模拟试验可以比较不同调度方法和运行调节方式的能耗，研究不同调度模型和控制模型的性能和节能效果，并可以与仿真计算结果进行比较，进而修正模型。
附图说明
图1为水泵并联机组运行机理与控制策略模拟试验装置示意图。
图中：1-水池，2-潜水泵，3-进水流量计，4-阀门，5-进水箱，6-水泵并联机组，7-泵入口蝶阀，8-泵出口蝶阀，9-逆止阀，10-自动调节阀，11-出口流量计，12-阀门，13-高位水箱，14-阀门，15-水位变速器，16-泵入口压力变速器，17-泵出口压力变速器，18-扭矩-转速传感器，19-控制进水量的变频器，20-调度与切换控制，21-控制水泵机组的变频器，22-虚拟仪器，23-管路升高前的压力变送器，24-管路升高后的压力变送器
具体实施方式
将潜水泵(2)潜入水池(1)中，潜水泵(2)出口经管道、进水流量计(3)及进水箱入口阀门(4)与进水箱(5)窄的一端连接，三台并联水泵机组(6)中，采用两台一样大小的水泵和一台较小的水泵，小泵的流量为大泵流量的一半，三台泵的杨程一样，小泵安装在两台大泵之间，各水泵入口与进水箱(5)宽的一侧之间安装蝶阀(7)，各水泵出口安装蝶阀(8)和逆止阀(9)，并通过管路并联连接后与自动调节阀(10)连接，再与出水总管道连接，总管道中间安装出口流量计(11)，并在其下游垂直向上升至一定高度后用阀门(12)与高位水箱(13)连接，高位水箱的出口通过阀门(14)和管路使水流回到水池(1)。
进水箱(5)靠近宽的一侧安装水位变速器(15)，每台水泵的入口安装正-负量程压力变速器(16)，每台水泵的出口安装压力变送器(17)，扭矩-转速传感器(18)安装在水泵与电机之间。潜水泵(2)的电机与电源之间连接变频器(19)，三台水泵机组(6)的调度与切换由电气系统(20)控制，变频器(21)可对三台水泵机组(6)中任意一台进行调速控制。其中，进水流量计(3)、虚拟仪器(22)、变频器(19)和潜水泵(2)构成进水流量的闭环控制回路，用以模拟进水变化规律；水位变速器(15)、虚拟仪器(22)、变频器(19)和潜水泵(2)构成进水箱的恒水位控制回路；出口流量计(11)、虚拟仪器(22)、自动调节阀(10)构成供水量的闭环控制回路，用节流运行方式模拟用水变化规律；出口流量计(11)、虚拟仪器(22)、变频器(21)构成供水量的闭环控制回路，用节调速运行方式模拟用水变化规律。在水平总管与垂直管路交接处和高位水箱入口阀门前安装压力变送器(23)和(24)，用于测量控压点上游管路特性在不同运行方式下的变化规律。
水泵并联机组模拟排水作用的试验过程：使潜水泵(2)向进水箱(5)源源不断地输水，进水箱(5)的水位将随着进水量的不同而发生变化，通过虚拟仪器(22)产生进水量的变化规律Qin＝Q(t)信号与进水流量计(3)反馈的信号比较产生偏差信号，利用虚拟仪器(22)的软件PID模块控制潜水泵(2)的转速，使进水流量按预先由虚拟仪器(22)设定规律改变。并联机组(6)中投入哪台水泵和投入的台数则可以采用简单地根据不同水位投入不同水泵台数，也可根据进水流量或进水箱(5)水位的变化率建立不同的优化模型来调度。水泵运行工况可用出口自动调节阀(10)调节，也可用一台变频器(21)调节机组中任意一台水泵的转速来调节，以达到满足一定排水量的目的。通过虚拟仪器(22)采集的各路数据，可以得到水泵及水泵机组在一定进水量变化规律下的装置特性、水泵机组组合特性、轴功率特性和机组所消耗的电能。通过模拟试验可以比较不同调度方法和运行调节方式的能耗，研究不同调度模型和控制模型的性能和节能效果，并可以与仿真计算结果进行比较，进而修正模型。
水泵并联机组模拟供水作用的试验过程：首先将进水箱水位变送器(15)的信号反馈至控制潜水泵(2)的变频器(19)，使进水箱(5)的水位恒定，以保证足够的供水量。由虚拟仪器(22)产生供水量的变化规律Qout＝Q(t)信号与出水总管流量计(11)反馈的信号比较产生偏差信号，利用虚拟仪器(22)的软件PID模块控制自动调节阀(10)的开度，也可将产生的偏差信号和虚拟仪器(22)的软件PID模块控制变频器(21)来调节水泵的转速，使供水流量满足不同时段的用水需求。并联机组中投入哪台水泵和投入的台数则可以建立不同的调度模型来调度。同样，通过虚拟仪器(22)采集的各路数据，可以得到水泵及水泵机组在一定供水量变化规律下的装置特性、水泵机组组合特性、轴功率特性和机组所消耗的电能。通过模拟试验可以比较不同调度方法和运行调节方式的能耗，研究不同调度模型和控制模型的性能和节能效果，并可以与仿真计算结果进行比较，进而修正模型。
Claims (3)
1.水泵并联机组运行机理与控制策略模拟试验装置，主要有水池(1)、潜水泵(2)、进水流量计(3)和出口流量计(11)、进水箱(5)、并联水泵机组(6)、阀门、管路、自动调节阀(10)和高位水箱(13)等构成水循环回路，装置上安装有压力变送器、扭矩-转速传感器(18)、控制进水量的变频器(19)和控制水泵机组的变频器(21)、虚拟仪器(22)和电气控制回路(20)等测控仪表，其特征是：在一大的水池(1)和水泵并联机组(6)之间设置了一进水箱(5)，通过控制水池(1)中潜水泵(2)的转速来模拟向进水箱(5)进水的水量，通过自动调节阀(10)和控制水泵机组的变频器(21)提供节流和变速两种调节方式来模拟用水规律，采用虚拟仪器技术测量水泵机组的组合特性、泵特性、装置特性以及不同转速的轴功率特性等，并对不同调度模型和运行控制策略进行模拟试验，以检验和对比不同模型的性能和节能效果，潜水泵(2)潜入水池(1)中，潜水泵(2)出口经管道、进水流量计(3)及进水箱入口阀门(4)与进水箱(5)窄的一端连接，通过控制水池(1)中潜水泵(2)的转速来模拟向进水箱(5)进水的水量，进水量的变化规律由虚拟仪器(22)通过编程产生，通过自动调节阀(10)和变频器(21)提供节流和变速两种调节方式来模拟用水规律，用水规律由虚拟仪器(22)通过编程产生，每台水泵的入口安装正-负量程压力变速器(16)，每台水泵的出口安装压力变送器(17)，三台水泵与电机之间分别安装三台扭矩-转速传感器(18)，并通过虚拟仪器(22)测量水泵机组的组合特性，不同转速的泵特性及轴功率特性，各水泵出口安装蝶阀(8)和逆止阀(9)，并通过管路并联连接后与自动调节阀(10)连接，再与出水总管道连接，总管道中间安装出口流量计(11)，并在其下游垂直向上升至一定高度后用阀门(12)与高位水箱(13)连接，高位水箱的出口通过阀门(14)和管路使水流回到水池(1)。
2.根据权利要求1所述的水泵并联机组运行机理与控制策略模拟试验装置，其特征是：三台并联水泵机组(6)中，采用两台一样大小的水泵和一台较小的水泵，小泵的流量为大泵流量的一半，三台泵的扬程一样，小泵安装在两台大泵之间。
3.根据权利要求1所述的水泵并联机组运行机理与控制策略模拟试验装置，其特征是：三台水泵机组(6)的调度与切换由不同的调度模型和电气回路(20)控制，控制水泵机组的变频器(21)可对三台水泵机组(6)中任意一台进行调速控制，控制模型选用虚拟仪器(22)内部的多种先进PID。
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