CN101896871A - 多泵系统中的同步转矩平衡 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于以基本同步转矩一起操作和运行系统中的多个泵以获得期望设定点的新颖、独特的方法和设备。该多个泵其中每一个可以使用变速驱动装置操作。本发明还可以采取具有多个泵的系统的形式，该系统具有用于操作和运行该多个泵的系统控制器；用于在这种系统中操作和运行的泵；用于这种系统控制器的系统控制模块以及用于运行和操作这种泵的泵控制模块。

Description

多泵系统中的同步转矩平衡
相关领域交叉引用
本申请要求于2007年12月14日提交的临时专利申请No.61/013,685的优先权，此处引用其全部内容以作参考。
技术领域
本发明涉及用于在具有多个泵的系统中的控制的方法和设备。
背景技术
存在很多协调多泵系统的控制的已知装置或控制器，包括但不限于可编程逻辑控制器(PLC)、分布式控制系统(DCS)、监视控制与数据采集(SCADA)系统或变速驱动宏指令(Macro)。这些控制器典型地使用能消极地影响整体泵性能和效率的如下两种控制方法：
具有变速纵倾泵(trim pump)的定速泵，以及
多泵同步速度。
这些已知装置或控制器的缺点包括如下：
具有变速纵倾泵的定速泵
在多泵系统中的这种控制方法中，从泵(或多个)以固定最大速度操作且一个主纵倾泵由变速驱动装置操作，该变速驱动装置改变该泵的速度以用于修整或补偿差异以满足期望设定点；典型地是水平、压力或流量控制。主泵判断多少个定速从泵应参与或离台(destage)。
该控制方法的缺点在于，通过基本泵系统液压装置，变速纵倾泵必须产生足够的扬程(head pressure)以克服定速泵提供到排出总管的压力。为了使得纵倾泵以减小的速度产生期望的压力，变速纵倾泵将被迫在泵性能曲线上回调，这可能导致较低的操作效率和减小的可靠性。这类控制导致定速泵和变速纵倾泵之间的流量不平衡。在最差情况，变速纵倾泵可以在关断或零流量(deadhead)条件操作。
图1示出了在1500gpm的需求下维持200ft的恒定扬程的理想泵的双泵并联系统。泵2以1780rpm的最大固定速度操作且产生1000gpm。泵1用作纵倾泵以补偿在500gpm处以1641rpm操作的流量中的差异。这代表泵之间的2∶1的流量不平衡。这种流量不平衡的结果是泵1以最佳效率点(BEP)的54％运行，这是与泵1相比较低的泵效率。这两个因素可以导致较高的操作成本和减小的泵可靠性。
最后，该方法导致流量死区，其中在该死区区域内操作的唯一可能是在制造商推荐的最小流量之下操作该纵倾泵。
图2示出了与图1所示相同的泵系统，只不过流量需求变为1200gpm。泵2以固定最大速度运行且仅可以产生1000gpm。在该系统中，泵1必须补偿另外的200gpm。这导致泵1在该泵的推荐最小流量之下在流量死区区域中操作。
因此，这种形式的多泵控制可能导致定速和变速纵倾泵之间的流量不平衡。这种不平衡导致纵倾泵被迫在泵性能曲线上回调，这导致较低的泵效率、减小的泵可靠性以及泵之间的不均匀磨损。
包含这类控制的已知装置的示例包括：用于ACS800变速驱动装置的ABB泵控制程序以及用于ACH 550变速驱动装置的ABB泵和风扇应用。
多泵同步速度
在多泵系统中的这种控制方法中，所有泵使用变速驱动装置操作，且在同步速度运行以获得期望的设定点。同步速度控制的目标是通过使得所有泵以相同速度运行来同等地平衡所有泵的流量。然而，实际上，这也未必导致平衡流量。
如图3所示，泵是相同的且在1200gpm的需求下维持200ft的恒定扬程。为了满足系统的需求，两个泵以相同的速度运行，同等地平衡泵之间的流量且共享负载。另外，避免了操作流量死区。
该方法的缺点在于，为了实现泵之间的流量平衡，泵的扬程曲线(head curve)必须相同或者紧密匹配。理论上，假设泵是相同的且液压地和机械地均匀磨损，该方法应总是维持泵之间的平衡流量。然而，实际上，这种情形是十分难以维持的，因为泵可能不均匀磨损或者具有稍微不同液压特性的泵可能在不同时间添加到泵系统中。这些因素可以导致泵之间的流量不平衡且在严重情况导致泵不产生任何流量。
图4示出与图3的相同系统，只不过泵2示为具有7％的磨损。当泵1和泵2具有相同的液压时，流量平衡为1∶1。在该示例中，以同步速度一起运行泵导致2∶1的流量不平衡。因为泵2不能够产生与泵1的相同扬程，它被迫在泵性能曲线上回调以进行补偿，这降低了泵效率且减小了泵可靠性。
在严重情况(图5)，其中泵2示为在扬程能力方面具有20％的损耗，则泵1将完全压制泵2。在这种情形中，泵2将不能克服泵1产生的压力，因而将不产生流量，导致零流量情形。
因此，尽管本领域中已知的同步速度控制旨在平衡并联泵之间的流量，但它依赖于泵具有相同的扬程能力曲线。与此的任意偏离，诸如泵磨损或使用不同液压的泵，将导致流量不平衡且在极端情况导致无流量情形。
包含这类控制的装置的示例包括：MULTITRODE MultiSmart泵控制器/RTU、ITT PS200变速驱动装置以及ITT Aquavar CPC变速驱动装置。
鉴于此，在该产业中存在对于平衡系统中多个泵之间的流量的技术或装置的需要。
发明内容
本发明提供一种用于以基本同步转矩一起操作和运行系统中的多个泵以获得期望设定点的新颖独特的方法和设备。该多个泵其中每一个可以使用变速驱动装置操作。
本发明的设备可以采用具有多个泵的系统的形式，该系统具有用于操作和运行多个泵的系统控制器；用于在这种系统中操作和运行的泵；用于这种系统控制器的系统控制模块以及用于运行和操作这种泵的泵控制模块。
根据本发明，即使当泵具有不同液压扬程曲线时，多个泵的流量也基本均匀平衡，包括使得多个泵具有接近1∶1的流量平衡。
每个相应泵可以由相应变速装置控制，该变速装置配置成计算相应泵的相应负载的相应转矩，或者每个泵可以由能够改变泵的速度的任意合适的相应装置控制。
该方法还包括提供过程变量和设定点作为系统控制器的输入，其中系统控制器包括PLC、DCS系统、SCADA系统或变速驱动装置。系统控制器可以配置有如下逻辑，该逻辑识别从过程变量到设定点的误差且指示相应泵增加或减小转矩和/或速度以维持期望设定点，该系统控制器可以配置成识别何时应使附加泵在线或离线以匹配系统需求。
系统控制器可以配置成指示前导泵(lead pump)增加或减小转矩/速度以满足设定点，和/或滞后泵(lag pump)将转矩匹配到前导泵且当多个泵运行时以同步转矩模式一起操作。
操作中，根据本发明的技术或装置提供系统中多个泵之间的流量平衡。
附图说明
附图包括以下图示：
图1包括图1a和图1b，是本领域已知的相同泵的双泵并联系统的图示和图表，其中一个泵以固定最大速度运行，且另一泵以变速模式运行，在1500gpm的需求下维持200ft的恒定扬程。
图2包括图2a和图2b，是与图1所示相同的泵系统的图示和图表，只不过流量需求变为1200gpm。
图3包括图3a和图3b，是与在同步变速模式运行的两个泵相同的泵的图示和图表，在1200gpm的需求下维持200ft的恒定扬程。
图4包括图4a和图4b，是与图3所示相同的系统的图示和图表，只不过泵2具有7％的磨损。
图5包括图5a和图5b，是与图4所示相同的系统的图示，只不过泵2具有20％的磨损。
图6是用于读取过程变量且判断期望的泵的数目以及在什么转矩运行泵以维持期望设定点的控制器的功能框图，该控制器的形式为但不限于VFD、PLC、DCS系统、SCADA系统。
图7包括图7a和图7b，是与图4所示相同的系统的图，只不过两个泵以同步转矩模式运行。
具体实施方式
同步转矩控制
图6是根据本发明且一般由10表示的系统的功能框图，该系统具有控制器12，该控制器12在形式上包括但不限于VFD、PLC、DCS系统、SCADA系统，其读取过程变量且判断需要的泵的数目以及在什么转矩运行泵以维持期望设定点。控制器12耦合到4个变速驱动装置(VSD)14a、14b、14c、14d；4个电机16a、16b、16c、16d；以及4个泵18a、18b、18c、18d。如图所示，变速驱动装置14a是前导VSD。通过具有4个变速驱动装置(VSD)、电机和泵的示例描述了该系统，不过并非旨在使本发明的范围限制于变速驱动装置(VSD)、电机和泵的数目。可以预想各实施例，且本发明的范围旨在包括具有不同数目变速驱动装置(VSD)、电机和泵的系统，包括的数目诸如是2、3、5、6等。而且，变速驱动装置(VSD)、电机和泵在本领域中全都已知，且并非旨在使本发明的范围限制于现在已知或以后未来发展的任意特定类型或种类。
操作中，如图所示，控制器12配置成接收包含关于设定点和/或一个或更多个过程变量的信息的信令，且向前导VSD 14a提供控制器输出。相应地，前导VSD 14a配置成向其他三个变速驱动装置(VSD)14b、14c、14d提供一个或更多个转矩信号。如图所示，控制器12和4个VSD 14a、14b、14c、14d还配置成交换驱动可用/开关信令。通过配置成接收包含关于设定点和/或一个或更多个过程变量的信息的信令的控制器12的示例描述该系统；不过，并非旨在使本发明的范围限制于控制器12接收的这类或这种信息。例如，可以预想本发明的范围内的其他实施例，其中控制器配置成接收包含现在已知或以后在未来发展的其他类型或种类的信息的信令。
前导VSD 14a配置成响应于控制器输出，且其他三个VSD 14b、14c、14d配置成响应于一个或更多个转矩信号，且4个VSD 14a、14b、14c、14d配置成提供包含关于用于驱动4个电机16a、16b、16c、16d的可变速度的信息的相应VSD信令。4个电机16a、16b、16c、16d配置成响应于相应VSD信令且驱动4个泵18a、18b、18c、18d。
如图所示，且如圆形阴影线所指出，控制器12可以位于前导VDS14a的内部或外部。另外，本发明的范围并不旨在限制多泵控制器12实施在整个系统10的位置。
在根据本发明的这种多泵系统中的控制方法中，所有4个泵18a、18b、18c、18d可以使用变速驱动装置(VSD)操作且以基本同步转矩一起运行以获得期望设定点。同步速度转矩的目标是即使在4个泵18a、18b、18c、18d具有不同的液压扬程曲线时仍平衡4个泵18a、18b、18c、18d的流量。
在一个特定应用中，术语基本同步转矩应理解为诸如泵这样的被驱动装置以如下方式操作：被驱动装置的操作转矩例如在被驱动装置之间约95％的真实操作转矩的最小范围内基本平衡。为了实现基本同步转矩控制，控制器12在确定需要维持泵系统的期望反馈时，将不断更新理想转矩设定点且向每个被驱动装置通信传送该理想转矩设定点。被驱动设备然后将真实操作转矩反馈到控制器以确认每一个被驱动装置在所需的约95％的操作窗口内操作。然而，值得注意，本发明的范围并不旨在限制为任意特定百分比，以获得根据本发明的基本同步转矩。例如，本领域技术人员应当意识到，依赖于应用的类型或种类，包括现在已知或以后在未来发展的应用，本发明的实施例可以包括使用高于或低于95％的另一百分比且仍然在本发明的精神内操作。
通过平衡4个泵18a、18b、18c、18d之间的转矩，工作负载将在泵18a、18b、18c、18d之间分割，这将得出更好的流量平衡。通过检查如图4所示的相同泵系统，其中，同步速度控制中的两个泵并行泵浦且泵2由于磨损在扬程方面具有7％的劣化，发生约为2∶1的流量不平衡。如果该相同系统置于根据本发明的基本同步转矩中，结果将是接近1∶1的流量平衡。如图7所示，泵以146ft-lbs的相同转矩运行，因此，泵以不同的104rpm运行且产生接近1∶1的流量平衡。
这种形式的控制允许经历机械和液压磨损、具有不同叶轮纵倾(impeller trim)、具有不同扬程性能曲线或者甚至由不同泵制造商制造的泵以并联方式操作。
每个泵由变速驱动装置控制，该变速驱动装置具有计算驱动的负载(在这种情况下是泵)的转矩的能力。典型地，可变频率驱动装置用作变速装置，不过这种控制方法可应用于能够改变泵速度的任意装置。在该系统中，转矩以诸如ft-lbs、in-lbs或N-m的实际单位表示。转矩不应表示为电机满载电机转矩的百分比，因为这将限制功能性为仅使用相同电机或产生相同满载转矩电机。然而，如果电机是理想的，将转矩表达为满载的百分比对于使用而言也是可以接受的。
系统进行操作，其中过程变量和设定点被输入到系统控制器。该系统控制器在形式上包括但不限于PLC、DCS系统、SCADA系统或变速驱动装置。系统控制器可以配置成包含某种形式的逻辑，该逻辑识别从过程变量到设定点的误差且指示泵增加或减小转矩和/或速度以维持期望设定点。该系统控制器还配置成包含识别何时应使附加泵在线或离线以匹配系统需求的能力。
当多个泵在运行时，系统控制器应指示前导泵增加或减小转矩/速度以满足设定点。滞后泵将把转矩匹配到前导泵，且以同步转矩模式一起操作。图G示出了用于4个泵系统的控制布局。
例外
在该模式中，泵将总是基本维持相同的转矩水平，唯一的例外是下面被同步速度控制将超越同步转矩模式的情形：
1.所有可用泵运行且设定点不能被满足且至少一个滞后单元并未处于最大速度。
2.滞后泵单元处于最大速度且不能获得同步转矩。
如果所有这些条件发生，则滞后泵将与前导泵同步速度以允许滞后泵达到最大速度。这种超越允许泵在牺牲泵的流量平衡的同时产生最大输出。这种超越功能将是用户可选的。
多泵控制器12的一种实施方式
与上面所述的相一致，多泵控制器12的功能性可以使用硬件、软件、固件或其组合利用一个或更多模块实施。在典型的软件实施中，形成多泵控制器12的一部分的一个或更多模块将包括一个或更多基于微处理器的体系结构，包括微处理器、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、输入/输出装置以及连接这些器件的控制总线、数据总线和地址总线。本领域技术人员将意识到且能够编写这种基于微处理器的实施方式，以执行此处描述的功能性而无需过度的实验。本发明的范围并不旨在限制为使用现在已知或以后在未来发展的硬件、软件或固件技术的一些组合的任何特定实施。
作为芯片集的多泵控制器12
在根据本发明的一些实施例中，控制器的一个或更多模块还可以形成基本芯片集实施方式的一部分。本发明还可以采用芯片集的形式，该芯片集包括设计成执行一个或更多相关功能的很多集成电路，包括芯片集或形成为一组集成电路的芯片或者设计为一起工作的多个芯片。例如，一个芯片集可以包括整个控制器的基本功能，而另一芯片集可以提供用于整个控制器中的处理器或计算机的控制处理单元(CPU)功能。较新的芯片集一般包括由两个或更多个较老芯片集提供的功能。在一些情况下，需要两个或更多物理芯片的较老芯片集可以使用一个芯片上的芯片集代替。术语“芯片集”还旨在包括这种控制器中的主板的核心功能性。
可能的应用
其他可能应用至少包括：同步转矩控制可应用于并联或串联的多泵系统。另外，这种逻辑可应用于多风扇/鼓风机系统。
发明范围
应当理解，除非此处特别声明，此处参考特定实施例描述的任意特征、特性、备选或修改也可以应用、使用于此处描述的任意其他实施例或与此处描述的任意其他实施例相结合。而且，此处的附图并没有按比例绘制。
尽管参考其示例性实施例描述和说明了本发明，此处可以做出上述和各种其他添加和省略而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (38)

1.一种在具有多个泵的系统中的控制的方法，其中该多个泵以基本同步转矩一起操作和运行以获得期望设定点。
2.根据权利要求1所述的方法，其中该多个泵其中每一个使用变速驱动装置操作。
3.根据权利要求1所述的方法，其中该多个泵的流量即使在泵具有不同液压扬程曲线时仍基本平衡。
4.根据权利要求1所述的方法，其中该多个泵具有接近1∶1的流量平衡。
5.根据权利要求1所述的方法，其中每个相应泵由相应变速装置控制，该相应变速装置配置成计算该相应泵的相应负载的相应转矩。
6.根据权利要求1所述的方法，其中每个泵通过能够改变泵的速度的相应合适装置控制。
7.根据权利要求1所述的方法，其中该方法包括提供过程变量和设定点作为系统控制器的输入。
8.根据权利要求7所述的方法，其中该系统控制器包括PLC、DCS系统、SCADA系统或变速驱动装置。
9.根据权利要求7所述的方法，其中该系统控制器包含识别从过程变量到设定点的误差且指示相应泵增加或减小转矩和/或速度以维持期望设定点的逻辑。
10.根据权利要求7所述的方法，其中该系统控制器配置成识别何时应使附加泵在线或离线以匹配系统需求。
11.根据权利要求7所述的方法，其中该系统控制器配置成在多个泵运行时指示前导泵增加或减小转矩/速度以满足设定点。
12.根据权利要求11所述的方法，其中当多个泵运行时，滞后泵将把转矩匹配到该前导泵且一起以同步转矩模式操作。
13.一种具有多个泵的系统，其中该多个泵以基本同步转矩一起操作和运行以获得期望设定点。
14.根据权利要求13所述的系统，其中该多个泵其中每一个使用变速驱动装置操作。
15.根据权利要求13所述的系统，其中该多个泵的流量即使在泵具有不同液压扬程曲线时仍基本平衡。
16.根据权利要求13所述的系统，其中该多个泵具有接近1∶1的流量平衡。
17.根据权利要求13所述的系统，其中每个泵由相应变速装置控制，该相应变速装置配置成计算该相应泵的相应负载的相应转矩。
18.根据权利要求13所述的系统，其中每个泵通过能够改变泵的速度的相应装置控制。
19.根据权利要求13所述的系统，其中该系统具有接收作为输入的过程变量和设定点的系统控制器。
20.根据权利要求19所述的系统，其中该系统控制器包括PLC、DCS系统、SCADA系统或变速驱动装置。
21.根据权利要求19所述的系统，其中该系统控制器包含识别从过程变量到设定点的误差且指示相应泵增加或减小转矩和/或速度以维持期望设定点的逻辑。
22.根据权利要求19所述的系统，其中该系统控制器配置成识别何时应使附加泵在线或离线以匹配系统需求。
23.根据权利要求19所述的系统，其中该系统控制器配置成在多个泵运行时指示前导泵增加或减小转矩/速度以满足设定点。
24.根据权利要求23所述的系统，其中当多个泵运行时，滞后泵将把转矩匹配到该前导泵且一起以同步转矩模式操作。
25.一种泵，用于形成具有多个泵的系统的一部分，其中该泵包含模块，该模块配置成以基本同步转矩与该系统中的一个或更多个其他泵一起操作和运行该泵以实现期望设定点。
26.根据权利要求25所述的泵，其中该泵使用变速驱动装置操作。
27.根据权利要求25所述的泵，其中该泵的流量即使在多个泵具有不同液压扬程曲线时仍与该一个或更多个其他泵的流量基本平衡。
28.根据权利要求25所述的泵，其中该泵的流量基本与该一个或更多个其他泵的流量平衡，使得该多个泵具有接近1∶1的流量平衡。
29.根据权利要求25所述的泵，其中该模块包括变速装置，该变速装置配置成计算该相应泵的相应负载的相应转矩。
30.根据权利要求25所述的泵，其中该模块包括能够改变泵的速度的相应装置。
31.根据权利要求25所述的泵，其中该模块接收来自接收过程变量和设定点的系统控制器的信号。
32.根据权利要求31所述的泵，其中该系统控制器包括PLC、DCS系统、SCADA系统或变速驱动装置。
33.根据权利要求31所述的泵，其中该系统控制器包含识别从过程变量到设定点的误差且指示该泵增加或减小转矩和/或速度以维持期望设定点的逻辑。
34.根据权利要求31所述的泵，其中该系统控制器配置成识别何时应使附加泵在线或离线以匹配系统需求。
35.根据权利要求31所述的泵，其中如果该泵是前导泵，则该系统控制器配置成在多个泵运行时指示该前导泵增加或减小转矩/速度以满足设定点，且该模块配置成响应于该指令。
36.根据权利要求35所述的泵，其中如果该泵是滞后泵，则当多个泵运行时，该系统中的一个或多个滞后泵将把转矩匹配到该前导泵且一起以同步转矩模式操作。
37.一种系统控制模块，用于控制具有多个泵的系统，其中该系统控制模块配置成以基本同步转矩一起操作和运行多个泵以获得期望的设定点。
38.一种用于泵的泵控制模块，该泵用于形成具有多个泵的系统的一部分，其中该泵控制模块配置成响应于来自系统控制器的控制信号，且配置成与该系统中的一个或更多个其他泵一起以基本同步转矩操作和运行该泵以获得期望的设定点。
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