CN102367793A - 水泵的高效化方法及泵阀集成节能装置 - Google Patents

水泵的高效化方法及泵阀集成节能装置 Download PDF

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杨春节
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麻剑锋
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徐海敏
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本发明涉及一种水泵的节能方法和泵阀一体化集成节能装置。本发明发明了一种应用于循环水系统的水泵单机运行能效优化方法，及实现该优化方法的泵阀一体集成节能装置，达到更优化的节能效果。本发明主要技术方案为：（Ⅰ）泵的进出口处安装压力传感器，分别测量泵进口处的压力、泵出口处的压力，计算水泵进出口处的压力水头；（Ⅱ）利用皮尺或者直尺测量水泵进出口处的位置水头；（Ⅲ）计算出水泵扬程；（Ⅳ）利用给定水泵的性能曲线图、NPSHC图，计算出水泵运行点的流量、轴功率和内效率；（Ⅴ）利用多功能电量参数表测量水泵电机的电压、电流、输入功率；（Ⅵ）利用平台软件实现水泵单机运行能效最优化计算。

Description

水泵的高效化方法及泵阀集成节能装置
技术领域
本发明涉及一种水泵的节能方法，特别涉及一种应用于循环水系统的水泵单机运行能效优化方法。本发明还涉及实现该节能优化方法的泵阀一体化集成节能装置。 
背景技术
在中央空调水系统、区域供热水系统、工业循环水系统的输配管网中普遍存在着水泵机组要求连续工作、系统运行能耗偏高、自动化程度低、节能空间大等特定，水泵的单机高效化及泵阀一体化集成节能装置，是循环水系统输配管网中实现水泵单机运行能效最优的节能方法。 
目前普遍用于水泵的节能技术，大多是应用简单的变频调速装置，结合单回路控制方法，确实具有一定的节能效果。但这种节能方法并不能保证水泵的单机运行能效最优，因为原有的水泵设计选型，在工频运行工况下本身就存在大量的裕量，简单的变频调速不能保证水泵一定在高效区运行。 
目前公知的还没有发现水泵的高效化方法及泵阀集成节能装置。水泵单机运行能效最优、及泵阀一体化集成节能装置，是本发明所要解决的技术问题。 
发明内容
本发明主要针对现有技术中简单的变频调速装置和单回路控制方法节能效果不理想等缺点，发明了一种应用于循环水系统的水泵单机运行能效优化方法，及实现该优化方法的泵阀一体集成节能装置，达到更优化的节能效果。 
本发明的上述技术问题是通过以下技术方案得以实施的：本发明提供了应用于循环水系统的水泵单机运行能效优化方法，包括以下步骤： 
（Ⅰ）泵的进出口处安装压力传感器，分别测量泵进口处的压力、泵出口处的压力，计算水泵进出口处的压力水头；
（Ⅱ）利用皮尺或者直尺测量水泵进出口处的位置水头；
（Ⅲ）忽略水泵进出口处的速度水头差值情况下，直接计算出水泵扬程；
（Ⅳ）利用给定水泵的性能曲线图、NPSHC图,计算出水泵运行点的流量、轴功率和内效率；
（Ⅴ）利用多功能电量参数表测量水泵电机的电压、电流、输入功率；
（Ⅵ）利用平台软件实现水泵单机运行能效最优化计算，并进行具体实施。方法包括：
（ⅰ）对泵的型谱图进行再优化选型，包括适当改变泵出口或者泵进口处阀体调节组件的调节，结合原水泵的叶轮外径切割或者直接改变水泵的水力模型（更换水泵）；
（ⅱ）水泵变频调速结合泵的出口或者泵进口处阀体调节组件的调节，实现水泵单机运行能效最优化；
（ⅲ）可以把（ⅰ）与（ⅱ）组合使用，找到单机运行能效最优目标值；
（Ⅶ）如果必要，利用外夹式高精度超声波流量测量仪，测量管道的流量，计算出水泵进出口处的速度水头，进一步修正水泵扬程的计算值。
所述的水泵单机运行能效优化方法中，水泵扬程计算公式： 
Figure 426387DEST_PATH_IMAGE012
                    （1）
Figure 246576DEST_PATH_IMAGE013
               （2）
Figure 599060DEST_PATH_IMAGE014
                  （3）
其中 
Figure 479291DEST_PATH_IMAGE015
：泵出口处单位重量液体的能量，单位M；
Figure 917226DEST_PATH_IMAGE016
：泵出口处单位重量液体的能量，单位M；
Figure 275526DEST_PATH_IMAGE017
、
Figure 748095DEST_PATH_IMAGE018
、
Figure 530719DEST_PATH_IMAGE019
分别表示水泵出口处的压力水头、速度水头、位置水头计算公式；
Figure 393633DEST_PATH_IMAGE020
、、
Figure 882700DEST_PATH_IMAGE022
分别表示水泵入口处的压力水头、速度水头、位置水头计算公式。
本发明进一步的目的在于提供一种用于水泵单机运行能效优化方法的泵阀一体集成节能装置，包括设于水泵进口或者水泵出口出处的阀体调节组件、变频器、DCS/PLC、运行优化软件平台装置。阀体调节组件可以是电动调节阀、气动调节阀、液压调节阀或者手动调节阀。阀门调节组件通过接线端子直接连接到DCS/PLC。 
作为本发明的一种改进，所述水泵进出口处的压力传感器通过电缆线和接线端子接入到DCS/PLC的模拟量输入端。 
作为本发明的一种改进，DCS/PLC的模拟量输出端直接连接变频调速装置。 
作为本发明的一种改进，DCS/PLC也可以应用数字量输出端直接连接变频调速装置。 
作为本发明的一种改进，DCS/PLC也可以应用总线方式直接连接变频调速装置。 
作为本发明的一种改进，运行优化软件平台装置可以在线实时输出水泵单机运行能效优化目标值，结果直接传输DCS/PLC。 
作为本发明的一种改进，运行优化软件平台装置也可以利用笔记本电脑离线计算出水泵单机运行能效优化目标值, 决定阀体调节组件的调节开度、原水泵的叶轮外径切割、或者改变原水泵的水力模型（更换水泵）。 
DCS为分散控制系统缩写，PLC为可编程逻辑控制器缩写。 
本发明的有益效果在于水泵单机运行能效优化方法及实现该优化方法的泵阀一体集成节能装置，能显著提高循环水水系统的主机能效，节能效益十分明显。 
附图说明
图1为泵阀一体化节能集成装置示意图。 
图2为水泵特性曲线。 
图中：1水泵、2水泵进出口的压力传感器、3阀体调节组件、4变频器、5 DCS/PLC装置、6接线端子与连接电缆、7运行优化软件平台装置。 
具体实施方式
下面通过实施例，结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明： 
实施例1：图中给出了泵阀集成联合调节技术流程示意图。所述水泵进出口的压力传感器通过电缆线和通过电缆线接线端子6依次接入到DCS/PLC。
运行优化平台软件7内嵌入或者下载一种“水泵单机运行能效优化程序”，利用该程序的运行结果传输给DCS/PLC装置，做如下最优化的工作： 
（A）通过变频与阀体调节组件联合调节，使水泵单机运行能效最优化；
（B）阀体调节组件的开度调节结合原水泵的叶轮外径切割；
（C）阀体调节组件的开度调节结合改变原水泵的水力模型（更换水泵）；
（D）按（A）+（B）的组合；
（E）按（A）+（C）的组合；
水泵的高效化方法及泵阀集成节能装置的节能分析如下：
（一）、阀体调节组件单独调节的节能分析
针对某水泵，利用阀体调节组件调节后，水泵运行内效率由上升到
Figure 517261DEST_PATH_IMAGE024
。水泵轴功率按计算公式：
Figure 279680DEST_PATH_IMAGE025
                           （4）
利用阀体调节组件进行运行工况点强化偏移，尽管
Figure 398946DEST_PATH_IMAGE026
值增加了10%左右，但电机功率反而下降到93%。具体计算公式：
Figure 854198DEST_PATH_IMAGE027
                               （5）
（二）、单一变频调速技术的节能分析
同样针对该水泵，如果采用传统的变频调速技术将运行点从
Figure 691704DEST_PATH_IMAGE028
变到
Figure 195498DEST_PATH_IMAGE029
，而水泵的内效率基本维持在
Figure 231587DEST_PATH_IMAGE023
，此时的电机功率：
=            （6）
假设没有应用变频器，我们恢复到正常工频运行，仅仅利用阀体调节组件将水泵运行点从优化到
Figure 377693DEST_PATH_IMAGE032
，此时水泵实际运行的内效率提高到了
Figure 112431DEST_PATH_IMAGE033
，而电机功率：
Figure 658950DEST_PATH_IMAGE034
=
Figure 832442DEST_PATH_IMAGE035
         （7）
显然，此时的水泵不变频运行比传统的简单单回路变频调速运行反而更节电。
（三）、变频运行结合阀体调节组件的优化节能
如果采取两种方案的组合优化，即首先利用变频器技术将运行点从低效区的
Figure 718490DEST_PATH_IMAGE028
变频到，但水泵内效率基本不变
Figure 720261DEST_PATH_IMAGE023
；然后利用阀体调节组件将运行点从低效区
Figure 166286DEST_PATH_IMAGE029
强制优化到高效区
Figure 234736DEST_PATH_IMAGE036
，此时水泵内效率提高到
Figure 373593DEST_PATH_IMAGE024
，电机功率：
=
Figure 79174DEST_PATH_IMAGE038
                     （6）
而节能优化前工频运行：
Figure 64447DEST_PATH_IMAGE039
=
Figure 311889DEST_PATH_IMAGE040
                       （7）
（四）、泵阀一体化的集成节能
如果采取变频运行、阀体调节组件调节、更换高效泵的三种方案集成优化，即首先利用变频器技术将已经更换过的高效泵运行点从高效区的
Figure 382613DEST_PATH_IMAGE028
变频到
Figure 373703DEST_PATH_IMAGE029
，内效率基本不变维持
Figure 151166DEST_PATH_IMAGE041
；然后利用阀体调节组件将运行点从高效区
Figure 631826DEST_PATH_IMAGE029
强制优化到更高效区
Figure 861950DEST_PATH_IMAGE042
，此时水泵内效率提高到，电机功率：
Figure 351017DEST_PATH_IMAGE044
=
Figure 2578DEST_PATH_IMAGE045
                      （8）
而泵阀一体化的集成节能改造前：
Figure 985578DEST_PATH_IMAGE039
=
Figure 318470DEST_PATH_IMAGE040
                       （7）
各个工况的通过优化后相对节电率比较结果如下：
Figure 867263DEST_PATH_IMAGE046
本发明所述的叶轮切割，对于一般离心泵，切割前后的流量、扬程、轴功率之比，等于切割前后叶轮外径的一次方、二次方、三次方之比，水泵内效率基本维持不变；对于低比转速的离心泵，切割前后的流量、扬程、轴功率之比，近似等于切割前后叶轮外径的二次方、三次方、四次方之比，但谁不的内效率会下降。

Claims (10)

1.一种水泵的高效化方法，包括以下步骤：
（ 
Figure 758772DEST_PATH_IMAGE001
）泵的进出口处安装压力传感器，分别测量泵进口处的压力、泵出口处的压力，计算水泵进出口处的压力水头；
（
Figure 25805DEST_PATH_IMAGE002
）利用皮尺或者直尺测量水泵进出口处的位置水头；
（
Figure 896809DEST_PATH_IMAGE003
）计算出水泵扬程；
（
Figure 503371DEST_PATH_IMAGE004
）利用给定水泵的性能曲线图、NPSHC图,计算出水泵运行点的流量、轴功率和内效率；
（
Figure 699997DEST_PATH_IMAGE005
）利用多功能电量参数表测量水泵电机的电压、电流、输入功率；
（
Figure 188747DEST_PATH_IMAGE006
）利用平台软件实现水泵单机运行能效最优化计算，方法包括：
（
Figure 129021DEST_PATH_IMAGE007
）对泵的型谱图进行再优化选型，包括适当改变泵出口或者泵进口处阀体调节组件的调节，结合原水泵的叶轮外径切割或者直接改变水泵的水力模型，
（
Figure 587160DEST_PATH_IMAGE008
）水泵变频调速结合泵的出口或者泵进口处阀体调节组件的调节，实现水泵单机运行能效最优化。
2.根据权利要求1所述的水泵的高效化方法，其特征在于，利用外夹式高精度超声波流量测量仪，测量管道的流量，计算出水泵进出口处的速度水头，进一步修正水泵扬程的计算值；水泵扬程计算公式：
Figure 751425DEST_PATH_IMAGE009
                          
Figure 930734DEST_PATH_IMAGE010
                   
Figure 409120DEST_PATH_IMAGE011
                       
其中   
Figure 724694DEST_PATH_IMAGE012
：泵出口处单位重量液体的能量，单位M；
Figure 263123DEST_PATH_IMAGE013
：泵出口处单位重量液体的能量，单位M；
Figure 726466DEST_PATH_IMAGE014
、、
Figure 506520DEST_PATH_IMAGE016
分别表示水泵出口处的压力水头、速度水头、位置水头计算公式；
、
Figure 166488DEST_PATH_IMAGE018
、分别表示水泵入口处的压力水头、速度水头、位置水头计算公式。
3.一种泵阀集成节能装置，其特征在于，包括设于水泵进口或者水泵出口出处的阀体调节组件、变频器、分散控制系统和可编程逻辑控制器、运行优化软件平台装置；阀体调节组件通过接线端子直接连接到分散控制系统和可编程逻辑控制器。
4.根据权利要求3所述的泵阀集成节能装置，其特征在于，阀体调节组件为电动调节阀、气动调节阀、液压调节阀或者手动调节阀。
5.根据权利要求3所述的泵阀集成节能装置，其特征在于，所述水泵进出口处的压力传感器通过电缆线和接线端子接入到分散控制系统和可编程逻辑控制器的模拟量输入端。
6.根据权利要求3所述的泵阀集成节能装置，其特征在于，分散控制系统和可编程逻辑控制器的模拟量输出端直接连接变频调速装置。
7.根据权利要求3所述的泵阀集成节能装置，其特征在于，分散控制系统和可编程逻辑控制器应用数字量输出端直接连接变频调速装置。
8.根据权利要求3所述的泵阀集成节能装置，其特征在于，分散控制系统和可编程逻辑控制器应用总线方式直接连接变频调速装置。
9.根据权利要求3所述的泵阀集成节能装置，其特征在于，运行优化软件平台装置在线实时输出水泵单机运行能效优化目标值，结果直接传输分散控制系统和可编程逻辑控制器。
10.根据权利要求3所述的泵阀集成节能装置，其特征在于，运行优化软件平台装置连接笔记本电脑，离线计算出水泵单机运行能效优化目标值, 决定阀体调节组件的调节开度、原水泵的叶轮外径切割、或者改变原水泵的水力模型。
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