CN102109823A - 用于电机驱动的流体输送设备能效计算的建模方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于电机驱动的流体输送设备能效计算的建模方法和系统，该方法先根据流体输送设备特性选择进行能效计算的算法，建立输入参数表和输出参数表；再根据选择的能效计算的算法，利用输入参数表的参数进行能效计算建模，从而建立能效计算模型，并将能效计算的结果返回给输出参数表；然后采用一个或多个函数将建立的能效计算模型与所述流体输送设备相对应。该方法利用能效计算模型进行计算，提高了能效计算的效率，为流体输送设备能效管理提供了重要手段。

Description

用于电机驱动的流体输送设备能效计算的建模方法和系统

技术领域

本发明涉及工业自动化领域，特别是一种用于电机驱动的流体输送设备能效计算的建模方法和系统。

背景技术

在流程工业生产中，流体输送设备一般包含离心泵、混流泵、轴流泵和漩涡泵等液体输送设备，鼓风机、通风机、压缩机等气体输送设备，以及皮带运输机等固体输送设备。流体输送设备能效计算部分引用了GB/T 13470-2008通风机系统经济运行、GB/T 13469-2008离心泵、混流泵、轴流泵和漩涡泵系统经济运行、GB/T 13466-2006交流电气传动风机经济运行通则国家标准。这样可以使得设计标准化，应用范围宽广。但国家标准只规定原则性问题，对于如何建立设备模型没有规定。目前对生产企业设备能效较常采用的办法是能源的合同管理模式，即委托节能服务公司提供能源审计、项目设计、节能量确认和保证等节能服务，在一定的周期进行计算和评估，这种模式存在针对性强、范围窄，周期性过长的特点，需要专业的人员实施，不能实时指导生产计划和设备维修计划的制定，故无法进行流体输送设备能效的实时分析。

发明内容

本发明针对现有的国家标准没有规定如何建立设备模型，而能源的合同管理模式周期性长，无法进行流体输送设备能效的实时分析的问题，在国家标准基础上设计一种电机驱动的流体输送设备能效计算模型的建立方法，利用能效计算模型进行计算，为流体输送设备能效管理提供了重要手段。本发明还涉及一种用于电机驱动的流体输送设备能效计算的建模系统。

本发明的技术方案如下：

一种用于电机驱动的流体输送设备能效计算的建模方法，其特征在于，先根据流体输送设备特性选择进行能效计算的算法，建立输入参数表和输出参数表，所述输入参数表存储该算法下用于能效计算的参数，包括电机驱动的流体输送设备的静态参数和生产过程参数，所述输出参数表用于存储能效计算的结果；再根据选择的能效计算的算法，利用输入参数表的参数进行能效计算建模，从而建立能效计算模型，并将能效计算的结果返回给输出参数表；然后采用一个或多个函数将建立的能效计算模型与所述流体输送设备相对应。

将流体输送设备用于能效计算的参数数据进行预处理后再存储至输入参数表；当所述流体输送设备并联或串联成流体输送设备组使用并且只在总管道进行计量时，所述预处理包括将各流体输送设备用于能效计算的参数数据进行加和处理后存储至输入参数表，从而将所述流体输送设备组整体作为一个设备进行能效计算。

利用建立的能效计算模型进行电机驱动的流体输送设备的计算，实时运行流体输送设备，并通过计算机或网络技术对流体输送设备进行实时监控；和/或对电机驱动的流体输送设备进行周期性运算，对运算结果进行查看和能效分析，获得所述流体输送设备的经济运行情况，确定流体输送设备的经济运行条件和不利因素。

建立的输入参数表和输出参数表均采用固定格式并包括电机驱动的流体输送设备能效计算的参数名称、参数单位、数据类型信息；所述函数的形式参数为根据输入参数表和输出参数表形成的结构变量。

所述进行能效计算的算法包括流体输送设备运行效率计算和流体输送设备输入比功率计算，所述流体输送设备运行效率计算是用周期内流体输送设备的总的有效能量与周期内输入的总能量的比值，其计算公式为所述流体输送设备输入比功率计算是用单位质量流量对应的系统所消耗功率来表征流体输送设备的能效，其计算公式为 $P_r=\frac{\left(\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{W}_i\right)/T}{Q_T/T}\×100\%;$

η_j为运算周期内流体输送设备总的平均运行效率，

P_Yi为第i个运算周期内流体输送设备输出的有效功率，

t_i为第i个运算周期，

W_i为第i个运算周期内，电源输入流体输送设备的电能量，

n为运算周期次数；

P_r为流体输送设备输入比功率，

Q_T为T周期内累积质量，

W_i为第i个计算周期内流体输送设备消耗的电量，

T为计算周期。

所述能效计算的算法具体是指：当所述流体输送设备为泵组时，首先根据流量计算泵组入口和出口液体平均流速，然后再计算泵扬程从而得出泵组有效功率；当所述流体输送设备为通风机组或鼓风机组时，根据计算的通风机组或鼓风机组进风和出风总管测量流量横截面气体密度得到进风和出风总管静压测点风速，并进一步得到通风机组或鼓风机组全压，从而得到通风机组或鼓风机组有效功率；当流体输送设备为空气压缩机时，根据在计算周期内换算到与输入容积流量相同状态下的累积流量进行空气压缩机机组输入比功率计算。

当所述流体输送设备为泵组时，所述输入参数表中的输入参数包括液体密度、周期内机组输出的流量、机组入口和出口的压力、泵组入口和出口分别与测量压力参照基准面的垂直高度差、机组入口和出口的总管直径以及周期内电源输入泵组的电量，所述输出参数表中的输出参数包括泵组入口和出口总管液体平均流速、泵扬程以及泵组有效功率；当所述流体输送设备为通风机组或鼓风机组时，所述输入参数表中的输入参数包括周期内通风机组或鼓风机组输出的流量、通风机组或鼓风机组进风和出风口侧静压测量点静压、通风机组或鼓风进风口和出风口侧静压测量风速横截面积以及周期内电源输入通风机组或鼓风机组的电量，所述输出参数表中的输出参数包括通风机组或鼓风进风口和出风口总管静压测点风速、通风机组或鼓风机组进风口和出风口总管测量流量横截面气体密度、通风机组或鼓风机组全压以及通风机或鼓风机组运行有效功率。

一种用于电机驱动的流体输送设备能效计算的建模系统，其特征在于，包括依次连接的算法选择模块、参数表模块、能效计算建模模块和能效计算模型处理模块，还包括与参数表模块相连的数据库，所述参数表模块包括输入参数表和输出参数表，所述输入参数表和输出参数表均与算法选择模块以及能效计算建模模块相连；所述算法选择模块用于根据流体输送设备特性从自身存储的算法中选择进行能效计算的算法；所述输入参数表根据选择的算法从数据库中提取并存储用于该能效计算的参数，包括电机驱动的流体输送设备的静态参数和生产过程参数；所述输出参数表用于存储能效计算的结果；所述能效计算建模模块根据选择的能效计算的算法，利用输入参数表的参数进行能效计算建模，从而建立能效计算模型，并将能效计算的结果返回给输出参数表；所述能效计算模型处理模块采用一个或多个函数将建立的能效计算模型与所述流体输送设备相对应。

还包括预处理模块，所述预处理模块与输入参数表相连，所述预处理模块用于在所述流体输送设备并联或串联成流体输送设备组使用并且只在总管道进行计量时，将各流体输送设备用于能效计算的参数数据进行加和处理后存储至输入参数表，从而将所述流体输送设备组整体作为一个设备进行能效计算。

还包括与能效计算模型处理模块相连的流体输送设备运行监控模块，所述流体输送设备运行监控模块用于电机驱动的流体输送设备的计算和实时运行，并通过计算机或网络技术对流体输送设备进行实时监控；还包括与流体输送设备运行监控模块相连的流体输送设备分析模块，所述流体输送设备分析模块用于对电机驱动的流体输送设备进行周期性运算，对运算结果进行查看和能效分析，获得所述流体输送设备的经济运行情况，确定流体输送设备的经济运行条件和不利因素。

所述输入参数表和输出参数表均采用固定格式并包括电机驱动的流体输送设备能效计算的参数名称、参数单位、数据类型信息；所述函数的形式参数为根据输入参数表和输出参数表形成的结构变量。

所述能效计算的算法包括流体输送设备运行效率计算和流体输送设备输入比功率计算，所述流体输送设备运行效率计算是用周期内流体输送设备的总的有效能量与周期内输入的总能量的比值，其计算公式为

所述流体输送设备输入比功率计算是用单位质量流量对应的系统所消耗功率来表征流体输送设备的能效，其计算公式为 $P_r=\frac{\left(\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{W}_i\right)/T}{Q_T/T}\×100\%;$

η_j为运算周期内流体输送设备总的平均运行效率，

P_Yi为第i个运算周期内流体输送设备输出的有效功率，

t_i为第i个运算周期，

W_i为第i个运算周期内，电源输入流体输送设备的电能量，

n为运算周期次数；

P_r为流体输送设备输入比功率，

Q_T为T周期内累积质量，

W_i为第i个计算周期内流体输送设备消耗的电量，

T为计算周期。

当所述流体输送设备为泵组时，能效计算建模模块首先根据流量计算泵组入口和出口液体平均流速，然后再计算泵扬程从而得出泵组有效功率；当所述流体输送设备为通风机组或鼓风机组时，能效计算建模模块根据计算的通风机组或鼓风机组进风和出风总管测量流量横截面气体密度得到进风和出风总管静压测点风速，并进一步得到通风机组或鼓风机组全压，从而得到通风机组或鼓风机组有效功率；当流体输送设备为空气压缩机时，能效计算建模模块根据在计算周期内换算到与输入容积流量相同状态下的累积流量进行空气压缩机机组输入比功率计算。

当所述流体输送设备为泵组时，所述输入参数表中的输入参数包括液体密度、周期内机组输出的流量、机组入口和出口的压力、泵组入口和出口分别与测量压力参照基准面的垂直高度差、机组入口和出口的总管直径以及周期内电源输入泵组的电量，所述输出参数表中的输出参数包括泵组入口和出口总管液体平均流速、泵扬程以及泵组有效功率；当所述流体输送设备为通风机组或鼓风机组时，所述输入参数表中的输入参数包括周期内通风机组或鼓风机组输出的流量、通风机组或鼓风机组进风和出风口侧静压测量点静压、通风机组或鼓风进风口和出风口侧静压测量风速横截面积以及周期内电源输入通风机组或鼓风机组的电量，所述输出参数表中的输出参数包括通风机组或鼓风进风口和出风口总管静压测点风速、通风机组或鼓风机组进风口和出风口总管测量流量横截面气体密度、通风机组或鼓风机组全压以及通风机或鼓风机组运行有效功率。

本发明的技术效果如下：

本发明提供的用于电机驱动的流体输送设备能效计算的建模方法，根据流体输送设备特性选择进行能效计算的算法，建立输入参数表和输出参数表，然后根据选择的能效计算的算法，利用输入参数表的参数进行能效计算建模，从而建立能效计算模型，并将能效计算的结果返回给输出参数表，再采用一个或多个函数将建立的能效计算模型与所述流体输送设备相对应。该方法利用流体输送设备能效计算的输入参数和输出参数进行能效计算建模，解决了目前的国家标准没有规定如何建立设备模型的问题，能够实现动态变化数据的建模，能效计算的结果返回给输出参数表，这样输入参数表和输出参数表的数据均可作为流体输送设备能效记录属性存在，用户通过检索能效输送设备就可以获取能效记录。还能够利用能效计算模型进行计算，配置生成能效对象，流体输送设备对应的该能效对象可以实时运行，解决了采用能源的合同管理模式周期性长，无法进行流体输送设备能效的实时分析的问题，提高了能效计算的效率，还可以通过计算机或网络技术对能效对象的数据进行实时监控，利于及时发现问题，为设备能效管理提供了重要手段。

本发明涉及的电机驱动的流体输送设备能效计算模型的建立系统，包括依次连接的算法选择模块、参数表模块、能效计算建模模块和能效计算模型处理模块，还包括数据库，参数表模块包括输入参数表和输出参数表，通过能效计算建模模块根据算法选择模块选择的能效计算的算法，利用输入参数表的参数进行能效计算建模，从而建立能效计算模型，并将能效计算的结果返回给输出参数表，能效计算结果是能效计算模型的一部分，实现动态变化数据的建模，能效计算模型处理模块采用一个或多个函数将建立的能效计算模型与所述流体输送设备相对应。故还能够利用生成的能效计算模型进行计算，流体输送设备可以实时运行。该系统可以有效地对企业电机驱动的流体输送设备的效率进行实时监控和分析，对其设备性能进行评估，从而指导生产计划和设备维修计划的制定。流体输送设备能效数据还可以通过网络通讯技术发布给有权限的用户查看和使用，同时有权限的用户可以根据企业流体输送设备的维修或更换随时更改配置，快速方便地完成新的流体输送设备的监控和分析。

附图说明

图1为本发明用于电机驱动的流体输送设备能效计算的优选建模方法流程图。

图2为电机驱动的流体输送设备的能效计算原理图。

图3为电机驱动的流体输送设备电量和流量的周期计算示意图。

图4为流体输送设备成组时流量和电量的计算示意图。

图5为电机驱动的流体输送设备的能效计算的建模的计算机及网络结构示意图。

图6为流体输送设备能效曲线的查看和分析示意图。

图7为本发明用于电机驱动的流体输送设备能效计算的建模系统结构示意图。

图8为本发明用于电机驱动的流体输送设备能效计算的优选建模系统结构示意图。

图中各标号列示如下：

1-泵组入口流量表、压力仪表；2-泵组出口的压力仪表；3-1#泵；4-2#泵；5-3#泵；6-客户端；7-数据处理服务器；8-WEB服务器；A-效率曲线；B-流量曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行说明。

图1为本发明用于电机驱动的流体输送设备能效计算的优选建模方法流程图，该建模方法的步骤为：

A、根据流体输送设备特性选择进行能效计算的算法。

B、建立输入参数表和输出参数表，其中，输入参数表存储该算法下用于能效计算的参数，包括电机驱动的流体输送设备的静态参数和生产过程参数，所述输出参数表用于存储能效计算的结果，每类流体输送设备建立的输入参数表和输出参数表均采用固定格式，如输入参数表定义了电机驱动的流体输送设备能效计算的参数名称、参数单位、数据类型、参数来源等信息，输出参数表定义了电机驱动的流体输送设备能效计算的参数名称、参数单位、数据类型等信息。

C、将流体输送设备用于能效计算的参数数据进行预处理后再存储至输入参数表。

D、根据选择的能效计算的算法，利用输入参数表的参数进行能效计算建模，从而建立能效计算模型，并将能效计算的结果返回给输出参数表。能效计算的结果返回给输出参数表，这样输入参数表和输出参数表的数据可作为流体输送设备能效记录属性存在，用户通过检索流体输送设备就可以获取能效记录。

E、采用一个或多个函数将建立的能效计算模型与所述流体输送设备相对应。所述函数的形式参数为根据输入参数表和输出参数表形成的结构变量，将能效计算模型用于流体输送设备的计算。

对上述建模方法的步骤A进行具体描述，电机驱动的流体输送设备的能效计算原理图如图2所示，图中符号说明如下：

W_SR——平衡测算周期内输入的总电能，kW·h；

W_SD——平衡测算周期内电动机损失的总能量，kW·h；

W_ST——平衡测算周期内调速装置损失的总能量，kW·h；

W_SC——平衡测算周期内机械传动机构损失的总能量，kW·h；

W_SZ——平衡测算周期内做功机械损失的总能量，kW·h；

W_Y——平衡测算周期设备总的有效能量，kW·h。

根据能量守恒定律，显然有：W_SR＝W_SD+W_ST+W_SC+W_SZ+W_Y

则电机驱动的流体输送设备效率计算为：

$\mathrm{\η}=\frac{W_Y}{W_{\mathrm{SD}}+W_{\mathrm{ST}}+W_{\mathrm{SC}}+W_{\mathrm{SZ}}+W_Y}=\frac{W_Y}{W_{\mathrm{SR}}}\×100\%$

此外，还可以根据流体输送设备出厂参数可以计算流体输送设备额定效率，用于流体输送设备经济运行的效率判断：

η_Je≈η_De×η_Ce×η_T×η_Fe

η_De——电动机额定效率，％；

η_Ce——传动机构效率，％；

η_Te——调速装置额定效率，％；

η_Fe——各风机(或泵类)额定效率，％

额定效率一般由厂家给出，根据电动机额定效率、传动机构效率、调速装置额定效率和作为负载机的流体输送设备的效率计算流体输送设备额定效率。当然，也可以由厂家直接给出流体输送设备的额定效率，此时就不需要计算了。

通用的流体输送设备能效计算算法通常采用以下两种：流体输送设备运行效率计算(如公式1所示)和流体输送设备输入比功率计算(如公式2所示)。流体输送设备运行效率计算是用周期内流体输送设备的总的有效能量与周期内输入的总能量的比值，适用于能够明确计算出流体输送设备输出有效能的场合，如流体输送设备为泵机组、通风机组、鼓风机组等液体输送设备或气体输送设备时的能效计算；流体输送设备输入比功率是用单位质量流量对应的系统所消耗功率来表征流体输送设备的能效，适用于流体输送设备输出有效能不能明确计算的场合，如流体输送设备为皮带运输机等固体输送设备时的能效计算，另外，压缩机因为存在等温压缩和绝热压缩情况，为了增强实用性，也可采用输入比功率来表征效率。

流体输送设备运行效率计算： ${\mathrm{\η}}_j=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{Yi}}\×t_i}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{W}_i}\×100\%...1$

η_j——运算周期内流体输送设备总的平均运行效率，％；

P_Yi——第i个运算周期内流体输送设备输出的有效功率，kW；

t_i——第i个运算周期，h；

W_i——第i个运算周期内，电源输入流体输送设备的电能量，kW·h；

n——运算周期次数。

流体输送设备输入比功率计算： $P_r=\frac{\left(\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{W}_i\right)/T}{Q_T/T}\×100\%...2$

P_r——流体输送设备输入比功率，kW/(kg/h)；

Q_T——T周期内累积质量，kg；

W_i——第i个计算周期内流体输送设备消耗的电量，kW·h；

T——计算周期，h。

可见，对于计算流体输送设备效率，关键是计算各流体输送设备输出的有效能量或有效功率。

关于电机驱动的流体输送设备电量和流量的周期计算示意图见图3。图中的Q指在生产过程获取的运算周期内的累积流量，每个运算周期T内的累积流量等于周期终止时刻的流量累积值减去周期初始时刻的流量累积值，如W1-W0、W2-W1......，气体累积流量要求是经过补偿的值，补偿可以在基础自动化平台完成。

下面分别说明当流体输送设备分别为泵类、通风机鼓风机类和压缩机时的流体输送设备能效计算的建模方法，当然，本发明的该建模方法不限于上述所列设备。

一、泵机组能效计算的建模方法

首先根据泵机组的特性选择能效计算算法，泵机组为液体输送设备，其能效计算算法适用于流体输送设备运行效率计算的公式，再建立输入参数表和输出参数表，分别如表11和1.2所示，还可以建立泵机组的经济运行判断见表1.3。

表1.1泵组输入参数表

表1.2泵组输出参数表

参数名称	符号	参数单位
			泵组运行效率	ηj	％
泵组输出的有效功率	PYB	kW
			泵组扬程	H	m水柱
输送单位流量电耗	ε	kW h/m3
			泵组入口总管液体平均流速	V1	m/s
泵组出口总管液体平均流速	V2	m/s

表1.3泵组经济运行判断

表1.1～1.3中，泵机组额定效率可以由单台电机额定效率、传动机构效率、调速装置额定效率、单台泵额定效率计算获得，所以要么给出四个分项参数，要么给出单台机组额定效率。在进行计算前，可以先将泵组用于能效计算的参数数据进行预处理：每块配置好的累积流量、电能表在定义的每个运算周期的结束处记录仪表的读数，减去上次运算周期结束处的读数，获得本运算周期内的电量和流量，然后分别将电量和流量加和，获得本运算周期内的平均消耗电量和平均流量，再存储入输入参数表，并引入到能效计算建模的计算。泵组指多台同型号的泵机组的组合；泵机组指电机、传动机构、调速装置以及泵的组合。经济运行判断可引用GB/T 13469-2008离心泵、混流泵、轴流泵和漩涡泵系统经济运行。

能效计算建模步骤如下：

1)、泵有效功率计算：P_YB＝ρgQ_iH×10^-3        …………1.1

2)、泵扬程计算

$H=(\frac{p^2\×{10}^6}{\mathrm{\ρg}}+Z_2+\frac{V_2^2}{2g})-(\frac{{\mathrm{\ρ}}_1\×{10}^6}{\mathrm{\ρg}}+Z_1+\frac{V_1^2}{2g})...1.2$

3)、流速计算

$V_1=\frac{Q_i}{900t_i\mathrm{\π}{D}_1^2},V_2=\frac{Q_i}{900t_i\mathrm{\π}{D}_2^2}...1$

根据式1.3计算得到V₁和V₂，进而计算得到式1.2中的H，从而得到式1.1中的P_YB，即首先根据流量计算泵组入口和出口液体平均流速，然后再计算泵扬程从而得出泵组有效功率。此外，应用户的要求，还可以进一步额外计算输送单位流量电耗；当输送的流体是粘性液体时，还可以进行输送粘性液体时性能参数的换算。

4)、输送单位流量电耗计算： $\mathrm{\ϵ}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{W}_i}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_i}...1.4$

5)、输送粘性液体时性能参数的换算：离心泵用于输送粘性液体时，性能参数应换算到输送清水时相应的参数值：

Q＝Q_V/K_Q，H＝H_V/K_H，η＝η_V/K_η    …………1.5

其中，Q_V、H_V、η_V分别为输送粘性液体时实测的流量、扬程和效率。

二、通风机组、鼓风机组能效计算的建模方法

首先根据通风机组、鼓风机组的特性选择能效计算算法，通风机组、鼓风机组为气体输送设备，其能效计算算法适用于流体输送设备运行效率计算的公式，再建立输入参数表和输出参数表，分别如表2.1和2.2所示，还可以建立通风机组、鼓风机组的经济运行判断见表2.3。表2.1～2.3以通风机组为例。

表2.1机组输入参数表

表2.2机组输出参数表

参数名称	符号	参数单位
			通风机组运行效率	ηj	％
通风机组输出的有效功率	PYF	kW
			通风机组全压	p	Pa
输送单位流量电耗	ε	kW h/m3
			通风机组进风总管静压测点风速	V1p	m/s
通风机组出风总管静压测点风速	V2p	m/s

通风机组进风总管测量流量横截面气体密度	ρ1p	kg/m3
			通风机组出风总管测量流量横截面气体密度	ρ2p	kg/m3

表2.3机组经济运行判断

表2.1～2.3中，机组额定效率可以由单台电机额定效率、传动机构效率、调速装置额定效率、单台通风机额定效率计算获得，所以要么给出四个分项参数，要么给出单台机组额定效率。在进行计算前，可以先将通风机组用于能效计算的参数数据进行预处理：每块配置好的累积流量、电能表在定义的每个运算周期的结束处记录仪表的读数，减去上次运算周期结束处的读数，获得本运算周期内的电量和流量，然后分别将电量和流量加和，获得本运算周期内的平均消耗电量和平均流量，再存储入输入参数表，并引入到能效计算建模的计算。机组指多台同型号的通风机机组的组合；通风机机组指电机、传动机构、调速装置以及通风机的组合。机组经济运行引用GB/T 13466-2006交流电气传动风机(泵类、空气压缩机)经济运行通则。

能效计算建模步骤如下：

1)、通风机有效功率按式计算：P_YF＝Q_ipK_P×10^-3    …………2.1

2)、通风机全压计算： $p=(p_{2P}+\frac{{\mathrm{\ρ}}_{2P}}{2}{V}_{2P}^2)-(p_{1P}+\frac{{\mathrm{\ρ}}_{1P}}{2}{V}_{1P}^2)...2.2$

3)、V_1p计算： $V_{1p}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_{2p}{Q}_i}{3600{\mathrm{\ρ}}_{1p}{A}_{1P}}...2.3$

4)、V_2p计算： $V_{2p}=\frac{Q_i}{3600A_{2P}}...2.4$

5)、通风机进口侧流量测点气体密度计算： ${\mathrm{\ρ}}_{1P}=\frac{P_a+p_{1p}}{{\mathrm{RT}}_{1p}}...2.5$

R为气体常数(空气：R＝288.5J/(kg·K)，其它气体应根据系统工艺人员提供的有关数据确定R值)。

6)、通风机出风口侧流量测点气体密度计算： ${\mathrm{\ρ}}_{2p}=\frac{P_a+p_{2p}}{{\mathrm{RT}}_{2p}}...2.6$

7)、压缩性修正系数计算： $K_P=\frac{{\mathrm{kP}}_{1P}}{(k-1)p}[{(1+\frac{p}{P_{1P}})}^{\frac{k-1}{k}}-1]...2.7$

根据式2.5和2.6计算得到ρ_1p和ρ_2p，进而计算得到式2.3和2.4中的V_1p和V_2p，进一步计算出2.2中的p，从而得到式2.1中的P_YF，即先计算的通风机组或鼓风机组进风和出风总管测量流量横截面气体密度得到进风和出风总管静压测点风速，并进一步得到通风机组或鼓风机组全压，从而得到通风机组或鼓风机组有效功率。其中，压缩性修正系数K_P通过式2.7计算得出。此外，应用户的要求，还可以进一步额外计算输送单位容积介质电耗。

8)、输送单位容积介质电耗计算： $\mathrm{\ϵ}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{W}_i}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_i}...2.8$

三、压缩机组能效计算的建模方法

首先根据压缩机的特性选择能效计算算法，压缩机为气体输送设备，为了增强实用性，可不区分等温压缩还是绝热压缩，其能效计算算法采用流体输送设备输入比功率的公式，并建立输入参数表和输出参数表，分别如表3.1和3.2所示，还可以建立压缩机组的经济运行判断见表3.3。另外需要说明的是固体输送设备如皮带运输机同样采用输入比功率来表征设备的效率，此时的流量为皮带秤的读数，由于不需要补偿，因此也就不需要温度压力等参数了，运算更为简单。本发明仅以压缩机来说明，皮带运输机建模与之类似。

表3.1压缩机组输入参数表

表3.2压缩机组输出参数表

参数名称	符号	参数单位	计算公式	说明
					空气压缩机组输入比功率	Pr	kW/(m3/min)	7.67	显示、存储

表3.3压缩机组经济运行判断

压缩机组运行经济状态	压缩机组运行经济判定
		运行合理	Pr≤GB/T19153规定的能效限定值

运行不经济

Pr＞GB/T19153规定的能效限定值

表3.1～3.3中，压缩机并列运行作为一个设备对象来分析，要求对并列运行的压缩机的电能表读数和流量表读数进行预处理，处理后的数据作为压缩机并列运行的设备对象流量和电量参数。对于流量的计算，要求对各流量点的流量补偿到压缩机出口处的条件下的流量，然后求和作为压缩机对象的流量参数引入到能效计算建模的计算。压缩机组经济运行引用GB/T13466-2006交流电气传动风机(泵类、空气压缩机)经济运行通则。

空气压缩机机组输入比功率计算：

$P_r=\frac{\left(\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{W}_i\right)/T}{Q_T^{\′}/T}\×100\%...3.1$

Q′_T——在计算周期T内换算到与输入容积流量相同状态下的累积流量，单位为m³。

有了以上流体输送设备的能效计算建模，从而建立了能效计算模型，再采用一个或多个函数将建立的能效计算模型与所述流体输送设备相对应。每一类设备可以对应采用一个或多个函数实现。函数的形参是根据输入参数表和输出参数表形成的结构变量。例如可以采用下面的函数定义形式：

void pumpUnitEfficiency(struct pumpUnit)；

void ventilatorUnitEfficiency(struct ventilatorUnit)；

void compressorEfficiency(struct compressorUnit)；

因为流体输送设备的能效计算是实时进行的，因此可以周期性地对流体输送设备进行能效计算，产生的能效记录可以周期性地存入历史数据库，其计算周期如图3所示。这样能效参数就可以形成曲线，通过对能效曲线的分析找到节能方法，同时可以进行流体输送设备的效率诊断。

在流程工业中，为了生产安全和满足生产工艺要求，流体输送设备会成组使用，如图4所示，例如泵组、压缩机组、通风机组等，根据工艺要求，可以将流体输送设备并联或串联使用，同时会存在备用设备的投入与停用。对于这种流体输送设备成组使用的情况，视工业现场仪表安装的条件而定，仪表安装齐备，可以对每台设备进行能效计算和分析，对于只在总管进行计量的情况，则要把各流体输送设备用于能效计算的参数数据进行加和处理后存储至输入参数表，将设备组抽象成一个设备进行能效计算，例如图4的情况，标示1是泵组入口流量表、压力仪表，标示2是泵组出口的压力仪表，此时的能效计算是将标示3、4、5所示的1#、2#、3#泵视为一个泵进行能效计算。但为了分析方便，必须对能效记录对应的运行设备一并记录，即在存储能效曲线时，要对每一段能效曲线记录泵组中运行的泵的设备编号。又例如，流体输送设备机组的出口和入口有分管道和合并管道的现象，流量仪表可能会安装在管道的不同位置，这样在配置流量仪表时也需要将多块仪表的数据进行加和处理，然后再存储至输入参数表，进行能效计算建模。电能表数据也可以采用与流量表数据相同的预处理步骤进行处理。

通过本发明的建模方法建立能效计算模型，并通过建立的能效计算模型进行电机驱动的流体输送设备的计算，可以实时运行流体输送设备，还能通过计算机或网络技术对流体输送设备进行实时监控。例如，通过一系统数据平台实现流体输送设备能效计算模型的管理和能效的计算、分析。为了实现对电机驱动的流体输送设备能效计算模型管理，利用该模型进行实时的设备能效计算，需要必要的计算机网络、数据库的支持。电机驱动的流体输送设备的能效计算的建模的计算机及网络结构示意图见图5。流体输送设备能效参数信息(输入参数表和输出参数表中的参数信息)来自系统数据平台，系统数据平台的作用是将能量数据、生产过程数据以及设备数据进行统一管理，这些数据包括生产过程实时数据、定期采集或录入的批量数据以及其它特定功能的子系统的结果记录数据，这些数据分类存入实时数据库和历史数据库。数据处理服务器7用于进行计算、分析、优化目的的数据处理，处理结果可以为WEB服务器8使用；WEB服务器8用于提供WEB服务；客户端6对用户提供人机界面，用户可根据系统权限查看WEB服务器8发布的网页，实现对该流体输送设备的监控和分析。

具备了硬件系统和通讯网络，就可以在此基础上构建生产、能源、设备管理系统。电机驱动的流体输送设备能效分析是其中的一个子系统。利用能效计算模型可以生成能效对象，能效对象是一个或一组具有相同能效特征的设备，可以采用一个能效计算模型进行计算。在生成能效对象的过程中，需要采用计算机、网络、数据库所构建的系统配置能效参数表中的数据，即在建模后再对象化，同时需要记录能效对象名称、能效对象包含的设备、能效对象参数的存储等内容。生成能效对象后就可以利用能效计算模型的计算方法进行能效计算和分析，即在客户端中操作实际看到的泵。

根据能效计算模型配置设备参数和仪表的界面由图5的WEB服务器8发布，用户可在客户端6配置完成；根据能效参数模型进行计算的任务由数据处理服务器7完成，计算结果返回给WEB服务器8，返回方式可以通过定义数据库的存储方式来完成，即数据处理服务器7和WEB服务器8会到同一个地址查询能效数据。这样利于提高网络的效率。WEB服务器8和数据处理服务器7之间的通讯可以通过负责服务器之间通讯的通讯软件完成。该通讯软件还负责前面所述的能效数据的预处理以及管理能效计算建模的启停。利用能效计算模型可以生成多个能效对象，这些能效对象的运算周期会根据用户的配置不同而不同，而且能效对象的启动和停止要求可控，这样就需要该通讯软件对这些情况进行管理。

本发明的建模方法建立的能效计算模型，能够对电机驱动的流体输送设备进行周期性运算，运算结果可以记录在历史数据库中，用户可以随时进行曲线查看和分析，如图6所示的流体输送设备能效曲线的查看和分析示意图，图中标示A所示曲线为效率曲线，标示B所示曲线为流量曲线。经济运行段、运行合理段和非经济运行段可以采用一种明显的方式加以区别，如高亮显示。显示效率曲线可以与负荷曲线同时显示并分析，以获得设备使用的经济运行情况，进行技术改造。曲线分析的方法有斜率分析法、绝对值分析法等；还可以针对某一效率值对负荷分布及设备组中运行的设备进行统计，根据统计学的概率分布情况，找出最佳的运行条件和不利的运行因素。

本发明还涉及一种用于电机驱动的流体输送设备能效计算的建模系统，其结构示意图如图7所示，包括依次连接的算法选择模块、参数表模块、能效计算建模模块和能效计算模型处理模块，还包括数据库，参数表模块包括输入参数表和输出参数表，输入参数表和输出参数表均与算法选择模块以及能效计算建模模块相连，输入参数表还与数据库相连。

上述系统中，算法选择模块用于根据流体特性从自身存储的算法中选择进行能效计算的算法，该能效计算的算法包括流体输送设备运行效率计算和流体输送设备输入比功率计算，所述流体输送设备运行效率计算是用周期内流体输送设备的总的有效能量与周期内输入的总能量的比值，其计算公式为

适用于流体输送设备为液体输送设备和气体输送设备时的计算；所述流体输送设备输入比功率计算是用单位质量流量对应的系统所消耗功率来表征流体输送设备的能效，其计算公式为

适用于流体输送设备为固体输送设备时的计算；

η_j为运算周期内流体输送设备总的平均运行效率，

P_Yi为第i个运算周期内流体输送设备输出的有效功率，

t_i为第i个运算周期，

W_i为第i个运算周期内，电源输入流体输送设备的电能量，

n为运算周期次数；

P_r为流体输送设备输入比功率，

Q_T为T周期内累积质量，

W_i为第i个计算周期内流体输送设备消耗的电量，

T为计算周期。

所述输入参数表根据选择的算法从数据库中提取并存储用于该能效计算的参数，包括电机驱动的流体输送设备的静态参数和生产过程参数；输出参数表用于存储能效计算的结果；输入参数表和输出参数表均采用固定格式并包括电机驱动的流体输送设备能效计算的参数名称、参数单位、数据类型等信息。例如，当所述流体输送设备为泵组时，所述输入参数表中的输入参数包括液体密度、周期内机组输出的流量、机组入口和出口的压力、泵组入口和出口分别与测量压力参照基准面的垂直高度差、机组入口和出口的总管直径以及周期内电源输入泵组的电量等参数，所述输出参数表中的输出参数包括泵组入口和出口总管液体平均流速、泵扬程以及泵组有效功率等参数；当所述流体输送设备为通风机组或鼓风机组时，所述输入参数表中的输入参数包括周期内通风机组或鼓风机组输出的流量、通风机组或鼓风机组进风和出风口侧静压测量点静压、通风机组或鼓风进风口和出风口侧静压测量风速横截面积以及周期内电源输入通风机组或鼓风机组的电量等参数，所述输出参数表中的输出参数包括通风机组或鼓风进风口和出风口总管静压测点风速、通风机组或鼓风机组进风口和出风口总管测量流量横截面气体密度、通风机组或鼓风机组全压以及通风机或鼓风机组运行有效功率等参数。

所述能效计算建模模块根据选择的能效计算的算法，利用输入参数表的参数进行能效计算建模，从而建立能效计算模型，并将能效计算的结果返回给输出参数表。例如，当所述流体输送设备为泵组时，能效计算建模模块首先根据流量计算泵组入口和出口液体平均流速，然后再计算泵扬程从而得出泵组有效功率，还可以计算输送单位流量电耗计算；当所述流体输送设备为通风机组或鼓风机组时，能效计算建模模块根据计算的通风机组或鼓风机组进风和出风总管测量流量横截面气体密度得到进风和出风总管静压测点风速，并进一步得到通风机组或鼓风机组全压，从而得到通风机组或鼓风机组有效功率；当流体输送设备为空气压缩机时，能效计算建模模块根据在计算周期内换算到与输入容积流量相同状态下的累积流量进行空气压缩机机组输入比功率计算。

所述能效计算模型处理模块采用一个或多个函数将建立的能效计算模型与所述流体输送设备相对应，其中，函数的形式参数为根据输入参数表和输出参数表形成的结构变量。利用生成的能效计算模型进行计算，配置生成能效对象。

本发明所涉及的该建模系统可以利用计算机技术，网络技术和数据库技术，实现基于能效计算模型的流体设备能效计算。计算结果是能效计算模型的一部分。如图8所示的优选建模系统结构示意图。除图7所示结构外，还包括预处理模块、与能效计算模型处理模块依次连接的流体输送设备运行监控模块和流体输送设备分析模块。

所述预处理模块与输入参数表相连，预处理模块将流体输送设备用于能效计算的参数数据进行预处理后再存储至输入参数表。优选地，当所述流体输送设备并联或串联成流体输送设备组使用并且只在总管道进行计量时，所述预处理模块将各流体输送设备用于能效计算的参数数据进行加和处理后存储至输入参数表，从而将所述流体输送设备组整体作为一个设备进行能效计算。

所述流体输送设备运行监控模块用于电机驱动的流体输送设备的计算和实时运行，并通过计算机或网络技术对流体输送设备进行实时监控；所述流体输送设备分析模块用于对电机驱动的流体输送设备进行周期性运算，对运算结果进行查看和能效分析，获得所述流体输送设备的经济运行情况，确定流体输送设备的经济运行条件和不利因素。

此外，流体输送设备能效信息可以在系统中以一定的方式向用户提供，用户也可以通过能效对象名称或能效对象所包含的设备编号检索能效信息。同时为了系统安全，本发明所涉及的输入参数表可以保存在相应的数据库中，不允许用户修改。

应当指出，以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明创造，但不以任何方式限制本发明创造。因此，尽管本说明书参照附图和实施例对本发明创造已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明创造进行修改或者等同替换，总之，一切不脱离本发明创造的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明创造专利的保护范围当中。

Claims (14)

1.一种用于电机驱动的流体输送设备能效计算的建模方法，其特征在于，先根据流体输送设备特性选择进行能效计算的算法，建立输入参数表和输出参数表，所述输入参数表存储该算法下用于能效计算的参数，包括电机驱动的流体输送设备的静态参数和生产过程参数，所述输出参数表用于存储能效计算的结果；再根据选择的能效计算的算法，利用输入参数表的参数进行能效计算建模，从而建立能效计算模型，并将能效计算的结果返回给输出参数表；然后采用一个或多个函数将建立的能效计算模型与所述流体输送设备相对应。

2.根据权利要求1所述的建模方法，其特征在于，将流体输送设备用于能效计算的参数数据进行预处理后再存储至输入参数表；当所述流体输送设备并联或串联成流体输送设备组使用并且只在总管道进行计量时，所述预处理包括将各流体输送设备用于能效计算的参数数据进行加和处理后存储至输入参数表，从而将所述流体输送设备组整体作为一个设备进行能效计算。

3.根据权利要求1或2所述的建模方法，其特征在于，利用建立的能效计算模型进行电机驱动的流体输送设备的计算，实时运行流体输送设备，并通过计算机或网络技术对流体输送设备进行实时监控；和/或对电机驱动的流体输送设备进行周期性运算，对运算结果进行查看和能效分析，获得所述流体输送设备的经济运行情况，确定流体输送设备的经济运行条件和不利因素。

4.根据权利要求1所述的建模方法，其特征在于，建立的输入参数表和输出参数表均采用固定格式并包括电机驱动的流体输送设备能效计算的参数名称、参数单位、数据类型信息；所述函数的形式参数为根据输入参数表和输出参数表形成的结构变量。

5.根据权利要求1所述的建模方法，其特征在于，所述进行能效计算的算法包括流体输送设备运行效率计算和流体输送设备输入比功率计算，所述流体输送设备运行效率计算是用周期内流体输送设备的总的有效能量与周期内输入的总能量的比值，其计算公式为

所述流体输送设备输入比功率计算是用单位质量流量对应的系统所消耗功率来表征流体输送设备的能效，其计算公式为

η_j为运算周期内流体输送设备总的平均运行效率，

P_Yi为第i个运算周期内流体输送设备输出的有效功率，

t_i为第i个运算周期，

W_i为第i个运算周期内，电源输入流体输送设备的电能量，

n为运算周期次数；

P_r为流体输送设备输入比功率，

Q_T为T周期内累积质量，

W_i为第i个计算周期内流体输送设备消耗的电量，

T为计算周期。

6.根据权利要求5所述的建模方法，其特征在于，所述能效计算的算法具体是指：当所述流体输送设备为泵组时，首先根据流量计算泵组入口和出口液体平均流速，然后再计算泵扬程从而得出泵组有效功率；当所述流体输送设备为通风机组或鼓风机组时，根据计算的通风机组或鼓风机组进风和出风总管测量流量横截面气体密度得到进风和出风总管静压测点风速，并进一步得到通风机组或鼓风机组全压，从而得到通风机组或鼓风机组有效功率；当流体输送设备为空气压缩机时，根据在计算周期内换算到与输入容积流量相同状态下的累积流量进行空气压缩机机组输入比功率计算。

7.根据权利要求6所述的建模方法，其特征在于，当所述流体输送设备为泵组时，所述输入参数表中的输入参数包括液体密度、周期内机组输出的流量、机组入口和出口的压力、泵组入口和出口分别与测量压力参照基准面的垂直高度差、机组入口和出口的总管直径以及周期内电源输入泵组的电量，所述输出参数表中的输出参数包括泵组入口和出口总管液体平均流速、泵扬程以及泵组有效功率；当所述流体输送设备为通风机组或鼓风机组时，所述输入参数表中的输入参数包括周期内通风机组或鼓风机组输出的流量、通风机组或鼓风机组进风和出风口侧静压测量点静压、通风机组或鼓风进风口和出风口侧静压测量风速横截面积以及周期内电源输入通风机组或鼓风机组的电量，所述输出参数表中的输出参数包括通风机组或鼓风进风口和出风口总管静压测点风速、通风机组或鼓风机组进风口和出风口总管测量流量横截面气体密度、通风机组或鼓风机组全压以及通风机或鼓风机组运行有效功率。

8.一种用于电机驱动的流体输送设备能效计算的建模系统，其特征在于，包括依次连接的算法选择模块、参数表模块、能效计算建模模块和能效计算模型处理模块，还包括与参数表模块相连的数据库，所述参数表模块包括输入参数表和输出参数表，所述输入参数表和输出参数表均与算法选择模块以及能效计算建模模块相连；所述算法选择模块用于根据流体输送设备特性从自身存储的算法中选择进行能效计算的算法；所述输入参数表根据选择的算法从数据库中提取并存储用于该能效计算的参数，包括电机驱动的流体输送设备的静态参数和生产过程参数；所述输出参数表用于存储能效计算的结果；所述能效计算建模模块根据选择的能效计算的算法，利用输入参数表的参数进行能效计算建模，从而建立能效计算模型，并将能效计算的结果返回给输出参数表；所述能效计算模型处理模块采用一个或多个函数将建立的能效计算模型与所述流体输送设备相对应。

9.根据权利要求8所述的建模系统，其特征在于，还包括预处理模块，所述预处理模块与输入参数表相连，所述预处理模块用于在所述流体输送设备并联或串联成流体输送设备组使用并且只在总管道进行计量时，将各流体输送设备用于能效计算的参数数据进行加和处理后存储至输入参数表，从而将所述流体输送设备组整体作为一个设备进行能效计算。

10.根据权利要求8或9所述的建模系统，其特征在于，还包括与能效计算模型处理模块相连的流体输送设备运行监控模块，所述流体输送设备运行监控模块用于电机驱动的流体输送设备的计算和实时运行，并通过计算机或网络技术对流体输送设备进行实时监控；还包括与流体输送设备运行监控模块相连的流体输送设备分析模块，所述流体输送设备分析模块用于对电机驱动的流体输送设备进行周期性运算，对运算结果进行查看和能效分析，获得所述流体输送设备的经济运行情况，确定流体输送设备的经济运行条件和不利因素。

11.根据权利要求8所述的建模系统，其特征在于，所述输入参数表和输出参数表均采用固定格式并包括电机驱动的流体输送设备能效计算的参数名称、参数单位、数据类型信息；所述函数的形式参数为根据输入参数表和输出参数表形成的结构变量。

12.根据权利要求8所述的建模系统，其特征在于，所述能效计算的算法包括流体输送设备运行效率计算和流体输送设备输入比功率计算，所述流体输送设备运行效率计算是用周期内流体输送设备的总的有效能量与周期内输入的总能量的比值，其计算公式为所述流体输送设备输入比功率计算是用单位质量流量对应的系统所消耗功率来表征流体输送设备的能效，其计算公式为

η_j为运算周期内流体输送设备总的平均运行效率，

P_Yi为第i个运算周期内流体输送设备输出的有效功率，

t_i为第i个运算周期，

W_i为第i个运算周期内，电源输入流体输送设备的电能量，

n为运算周期次数；

P_r为流体输送设备输入比功率，

Q_T为T周期内累积质量，

W_i为第i个计算周期内流体输送设备消耗的电量，

T为计算周期。

13.根据权利要求12所述的建模系统，其特征在于，当所述流体输送设备为泵组时，能效计算建模模块首先根据流量计算泵组入口和出口液体平均流速，然后再计算泵扬程从而得出泵组有效功率；当所述流体输送设备为通风机组或鼓风机组时，能效计算建模模块根据计算的通风机组或鼓风机组进风和出风总管测量流量横截面气体密度得到进风和出风总管静压测点风速，并进一步得到通风机组或鼓风机组全压，从而得到通风机组或鼓风机组有效功率；当流体输送设备为空气压缩机时，能效计算建模模块根据在计算周期内换算到与输入容积流量相同状态下的累积流量进行空气压缩机机组输入比功率计算。

14.根据权利要求13所述的建模系统，其特征在于，当所述流体输送设备为泵组时，所述输入参数表中的输入参数包括液体密度、周期内机组输出的流量、机组入口和出口的压力、泵组入口和出口分别与测量压力参照基准面的垂直高度差、机组入口和出口的总管直径以及周期内电源输入泵组的电量，所述输出参数表中的输出参数包括泵组入口和出口总管液体平均流速、泵扬程以及泵组有效功率；当所述流体输送设备为通风机组或鼓风机组时，所述输入参数表中的输入参数包括周期内通风机组或鼓风机组输出的流量、通风机组或鼓风机组进风和出风口侧静压测量点静压、通风机组或鼓风进风口和出风口侧静压测量风速横截面积以及周期内电源输入通风机组或鼓风机组的电量，所述输出参数表中的输出参数包括通风机组或鼓风进风口和出风口总管静压测点风速、通风机组或鼓风机组进风口和出风口总管测量流量横截面气体密度、通风机组或鼓风机组全压以及通风机或鼓风机组运行有效功率。

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