CN102536774A - 工业循环水泵组运行特性及运行能效分析装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种工业循环水泵组运行特性及运行能效分析装置，以解决现有的工业循环水系统对于水泵的运行无法进行运行特性和能效的持续监测和分析的问题。它包括水泵特性分析水泵特性服务器（计算机）、基本数据采集系统（传感器、A/D转换器）、通信系统（远程服务）及辅助设施（线缆、数据线接头等）、水泵运行特性数据库、数据交互系统及数据接口。在数据接入的基础上，可完全独立运行。根据实际流程的状况，该装置也可以作为在原有监控系统上，衍生出的独立功能模块。这种方法的开展既保证工艺流程的顺行，又使水泵运行点最大程度贴近实际的运行工况，是一种快速构建水泵高效运行机制的方法。

Description

工业循环水泵组运行特性及运行能效分析装置

技术领域

本发明涉及一种用于分析多变工况下工业循环水系统水泵及泵组运行特性和运行能效的分析装置。

背景技术

水泵作为流程工艺系统输配的动力装置，必须能够保证对应工艺流程，能够在多变的工况条件下正常运行。在既有的流程输配管控系统中，输配系统的设计，均根据多年一遇的不利工况，以保证同一流程中水力特征最不利用户的需求为前提，来开展的。为使系统安全顺行，设计时一般都保有10~20%的设计安全余量。另一方面，在用户提出设计的要求时，一般又会根据对应工艺流程的特征，预留出相当的发展空间。这两种理念，都直接造成水泵和输配系统的设计余量较大，这也是流程输配过程中出现大马拉小车的一个重要原因。

随着国家可持续性发展国策的严格执行，如何使流程系统能够实现按需供给，已成为决定企业生存和发展的重要环节。因此，给定的动力系统，需要根据流程荷载强度和环境工况的变化，对水泵的运行，进行高效的控制。对于给定的动力系统，水泵变频及泵组优化群控，成为企业流程优化运行的基本控制策略。这就直接导致水泵及泵组，需要实现不同工况下的匹配运行。对于企业和现场运行方而言，如何直观客观地掌控，多变工况下水泵的运行特性和运行能效，已成为亟待解决的重要问题。

关于水泵及泵组运行的已知参数，无非是额定工况下，水泵的工频运行特性：水泵扬程随流量的变化、水泵运行效率随流量的变化，以及水泵轴功率随流量的变化。这种变化曲线一般都采用，基于系列实验室实验的离散数据点的连接。而实际运行过程中，其运行特性和运行能效的变化的分析，即便是对于单泵的工频及额定工况条件下，也往往并不存在直观分析的模型。更无法提及对整个泵组，在复杂多变流程荷载、环境工况，以及复杂的组合形式下，运行特性和运行能效的实时监测和连续分析。

实际运行过程中，为了保证主体工艺流程的安全顺行，运行方则一般采用工频运转加出口阀门调节，总管恒压的运行策略。一旦泵组投入运行，一般不再进行匹配工况的优化运行调节。这种传统粗放的运行管理方式，从使用的角度，造成优化开展后，水泵及泵组运行特性难以分析的问题。或者说，现有的工业循环水系统，对于水泵的运行不进行也无法进行运行特性和能效的持续监测和分析。

即便是在水泵变频技术日渐成熟的大环境下，关于变频后水泵的运行特性和运行能效的分析，也往往只是根据，变频相似定律粗略的、基于离散设计特性的人为简单的判定，而根本无法连续地、直观地开展对水泵运行特性和运行能效的实时监测和连续分析。多变工况下，泵组中，不同水泵的并联及变频并联运行，大大增加了泵组并联运行特性分析的难度。而对于整个工艺流程而言，多变工况下，对水泵及泵组运行特性，实时直观客观地监测和连续地分析，是系统运行管理以及运行优化的基础环节，是减少系统运行管理和优化对人为经验依赖性的根本途径。

发明内容

本发明的目的是提供一种工业循环水泵组运行特性及运行能效分析装置，以解决现有的工业循环水系统对于水泵的运行无法进行运行特性和能效的持续监测和分析的问题。

本发明技术方案如下：

水泵及泵组运行特性和运行能效的变化状况，可以根据对应的后台数据库来开展。包括水泵特性分析水泵特性服务器（计算机）、基本数据采集系统（传感器、A/D转换器）、通信系统（远程服务）及辅助设施（线缆、数据线接头等）、水泵运行特性数据库、数据交互系统及数据接口。在数据接入的基础上，可完全独立运行。根据实际流程的状况，该装置也可以作为在原有监控系统上，衍生出的独立功能模块。

本发明一种工业循环水泵组运行特性及运行能效分析装置包括水泵特性模型库（A）和水泵及泵组运行能效模型库（B），

所述水泵特性模型库（A）包括工频水泵运行特性模型库（A1）、水泵变频运行特性模型库（A2）、泵组并联及并联变频特性模型库（A3），所述水泵及泵组运行能效模型库（B）包括泵组能效单元（B1）、水泵单机运行能效模型库（B2）和水泵泵组运行能效模型库（B3），在多变工况下进行运行能效变化的监测和分析；过程如下：

1.水泵及泵组基本特性数据的输入

2.各传感器模块读取水泵运行的基本参数

传感器集合包括流量传感器、阀位传感器、压力传感器、水泵频率传感器、电机电流读取装置、主流程监控传感器、环境工况传感器、水泵特性服务器，流量传感器、阀位传感器、压力传感器、水泵频率传感器、电机电流读取装置、主流程监控传感器和环境工况传感器分别与水泵特性服务器相连。

3. 模型库建立

本发明中，所述工频水泵运行特性模型库（A1）的建立，包括工频条件下扬程与流量显示模型、效率与轴功率随流量变化的显式模型的建立；所述工频条件下扬程与流量显示模型的建立的过程包括：根据给定的水泵工频特性系列离散的参数取值，所述参数包括对应工况点上的扬程和流量，然后基于最小二乘法运用数值拟合技术将原有的离散特性曲线通过具有足够高精度的插值多项式进行显式地描述。

所述工频水泵运行特性模型库（A1）建立，包括步骤1）单泵工频运行特性的实时监测和分析单元，基于指定水泵给出的工频特性参数，基于最小二乘法，自主构建水泵工频运转的显示连续近似模型，使用户可以直接根据所读取的流量，判定其对应扬程、效率和轴功率的取值，并利用图形界面技术，将其实时直观显示在水泵特性服务器（9）对应的运行界面上，通过该界面实时监测运行工况点的变动。

本发明中，所述水泵变频运行特性模型库（A2）的建立是根据变频相似定理，以所述工频水泵运行特性模型库（A1）为基础，确定出对应频率条件下的扬程、流量和轴功率的取值，进而构建出不同频率条件下扬程与流量、效率与流量以及轴功率与流量各自对应的显式模型。

依据不同频率条件下，指定水泵运行特性的相似定律，在合理的变频范围内，直接给定不同运转频率下，水泵运行特性的连续分析模型。

本发明中，所述多变工况相下，管网实际运行工况点所对应的相似工况点的确定，是根据非线性方程求根的方法，以所构建的水泵（泵组）工频特性模型为基础，结合相似工况点的定义，构造出变频相似工况点区间分半逼近的方法。

本发明中，所述泵组并联及并联变频特性模型库（A3）的建立是将所对应的单泵工频水泵运行特性模型库（A1）及水泵变频运行特性模型按照叠加的原则，构建出指定水泵在不同组合条件下扬程与流量的显式模型；而效率和轴功率则进行单机的分析。

在单台水泵工频和变频特性分析的基础上，根据泵组一般均采用并联运行的特征，根据水泵并联扬程和流量之间的关系，建立水泵并联及并联变频的实时监测分析界面，将泵组组合运行方式对应特性参数的变化，实时直观地以图形界面和数据表格的形式，记录和显示。

所述水泵及泵组运行能效模型库（B）的建立：针对指定型号的水泵和泵组，按照对应的运行能效模型，构建运行能效数据表项和表页，对于不同型号水泵及其对应的组合及变频形式，不同的表页可形成水泵及泵组运行能效模型库，应用模型库的图标工具，可形成对应状态水泵和泵组运行能效的图形界面，该界面形式可采用坐标图形的方式，将对应工况点的运行能效直观显示出来；

所述泵组能效单元（B1）的确立：整个水泵泵组当作一个完整的能效单元，进行运行能效的确立；

所述水泵单机运行能效模型库（B2）的建立：电机在不同的转速下，从输入端输入的总电能，作为该能效单元的总能量，水泵出口动静压头以及提升的初级水位势能之和，作为系统的有效输出能量；一般而言，对于给定管网系统，初级水位基本上是个定值，流量的变化直接引起初始水位势能的变化；

所述水泵泵组运行能效模型库（B3）的建立：将整个水泵泵组考虑为一个能效单元，进行运行能效的分析。

所述水泵单机运行能效模型库（B2）的建立中，

本发明在自主建立的水泵及泵组运行能效分析模型的基础上，水泵特性服务器中，应用数据库技术，建立工业循环水水泵和泵组运行能效数据库，并通过图形界面，在对运行能效实时监测和记录的基础上，进行循环水泵和泵组的运行能效的连续分析。

以水泵和泵组运行特性数据库，所采集到的运行工艺参数为基础，根据下述模型，在水泵特性服务器的运行能效数据库中，进行运行能效的分析。

对应转速下的功率因素为cosΦ，电机输入功率为

式中，

为对应频率下，电机的电压和电流，这两个参数一般都具有直观的监测数据，则为电机的输入功率；

    水泵的有效输出功率为

         

式中，为循环工质的密度，

；

为重力加速度，

；

为测定的流量，

；管网所需水头，

；

管网特征静压头，水泵压头，

；

水泵出口管道截面积，；

则定义运行过程中水泵的运行能效为

上面所构建的关于水泵运行能效的分析体系中，不同转速性电机的功率因素则需要根据对应的相偏差随转速变化的关系来确定，这也可以从给定的离散数据出发，给出连续的近似显式功率因素的变化模型，从而对应水泵的运行能效可以显式地给出。

多变工况下，单泵运行能效变化监测数据，实时记录在上位水泵特性服务器的相应表项中，并以图表的形式显式，作为循环水泵运行能效连续分析的基础。

将整个水泵泵组考虑为一个能效单元，采用总管的运行压力和流量作为分子，而将参与运行水泵的轴功率进行叠加作为分母计算出整个泵组的运行能效；

 电机在不同的转速下，从输入端输入的总电能，作为该能效单元的总能量，水泵出口动静压头以及提升的初级水位势能之和，作为系统的有效输出能量；一般而言，对于给定管网系统，初级水位基本上是个定值，流量的变化直接引起初始水位势能的变化。

该概念的引入是将整个水泵泵组考虑为一个能效单元，而不区分电机效率、泵效率和传动效率，是水泵整体运行能效的直接体现。

对应的参数，在水泵特性服务器中均可通过采集或显式模型的方法提供，这使水泵运行能效可以在水泵特性服务器中，通过上位界面直观动态地显示处理。指定循环水系统泵组运行能效的相关数据，实时记录入水泵特性服务器泵组运行能效数据库的相应表项中，并以图表的形式，予以直观显式，作为泵组运行能效连续分析的基础。

由此水泵和泵组，在复杂多变工况及多变运行方式下的，运行能效可以得到实时监测和记录。并依据运行能效数据库，对水泵泵组的运行能效特性进行相关连续的分析。

本发明开发的多变工况及运行方式条件下，水泵及泵组运行特性和运行能效监测分析装置，可以通过控制系统界面，以图表的形式，直观、可视和实时地给出，水泵及泵组运行特性和运行能效参数，并进行连续性分析。

1）单泵工频运行特性的实时监测和分析

基于指定水泵给出的工频特性参数，基于最小二乘法，自主构建水泵工频运转的显示连续近似模型，使用户可以直接根据所读取的流量，判定其对应扬程、效率和轴功率的取值，并利用图形界面技术，将其实时直观显示在水泵特性服务器（9）对应的运行界面上，通过该界面实时监测运行工况点的变动。

对应的近似工频特性模型是以下述形式存在的，通过流量的变化可以直接给出水泵运行特性参数的取值。

该模型和方法的好处在于可以使工频条件下，流量变化引起的水泵运行特性的变化得到一目了然地监控，使其记录在相应的数据库项中，并可连续地通过图形界面得到表达，实现了水泵工频运行特性的可视化监控。

作为本发明的进一步改进，所述工频水泵运行特性模型库（A1）建立中，对应的近似工频特性模型是以下述形式存在的，通过流量的变化可以直接给出水泵运行特性参数的取值；

 

其中Q、H、η和N分别为水泵的流量、扬程、效率和轴功率，

为所建立各模型中对应的数值待定系数。

作为本发明的进一步改进，所述水泵变频运行特性模型库（A2）建立中，变频特性的分析，一般根据变频的相似关系，以工频运行特性为基础并按照下述关系式来展开： 

 

其中：N代表水泵的轴功率，kW，下标e和s分别对应表示运行工况和设计工况下的参数；n代表不同频率下水泵的转速。

第一种方式，是直接将对应频率即转速的比值，按照上述关系，基于工频特性的显式近似模型中，分析出变频条件下，单泵变频的运行特性参数。使其记录在相应的数据库项中，并可连续地通过图形界面得到表达，实现了水泵运行特性的可视化监控。

第二种方法则是基于额定工况的离散工况点，并应用上述关系，找出变频后相应的运行工况点，然后采用工频水泵运行特性模型库（A1）建立中的相同步骤，建立对应变频条件下的连续运行模型，然后再根据该模型，应用图表技术，给出适当参数间隔下，运行参数变化的坐标图，从图中反读出对应的其它运行特性参数，并进行记录和分析。

从建立的工频水泵运行特性模型库（A1）的出发，首先分别计算出，与工频特性分析中，各给定离散工况点，所对应的频率条件下的扬程、流量和轴功率的取值，然后依次按照与工频水泵运行特性模型库（A1）建立中完全相同的办法，构建出所有频率条件下，扬程与流量、效率与流量以及轴功率与流量各自对应的显式模型，记录和分析水泵在不同频率下的运行特性。

4.泵组并联运行特性的实时监测、记录和分析

复杂工艺流程，不同工况下，水泵需要进行群控和变频的双重优化，才能真正意义上实现流程的按需供给，不同形式的水泵组合运行方案，对应泵组特性的变化就会非常复杂。传统的水泵特性监控系统无法连续分析这些复杂变化时，水泵的运行特性，更无法提及其变化的连续跟踪和监测。这也是本发明区别于传统水泵特性监控体系的根本所在。

在单台水泵工频和变频特性分析的基础上，根据泵组一般均采用并联运行的特征（分析来讲，串联无本质差别，只是与并联特性不同），根据水泵并联扬程和流量之间的关系，建立水泵并联及并联变频的实时监测分析界面，将泵组组合运行方式对应特性参数的变化，实时直观地以图形界面和数据表格的形式，记录和显示。

 并联运行的实际运行过程，都满足对应出口节点压头相同，而水泵流量的叠加原理，在上述单泵及单泵变频模型的基础上，应用该并联法则，很容易读取相应流量条件下，不同并联方式对应的运行参数，并进行记录和显示。也可在该法则条件下，基于系列离散点和最小二乘法，构建任意运行模式的特性方程组。

根据上述各项分析，同行业工作人员，可以很方便地构建复杂多变工况下，工业循环水水泵和泵组运行特性分析系统。

 附图说明

图1为本发明中传感器联接示意图；

图2为单台泵变频及工频并联特性模型曲线图；

图3为图2中的单台泵在90%频率时并联特性模型曲线图；

图4为图2中的单台泵在为80%频率时并联特性模型曲线图；

图5为图2中的单台泵在为70%频率时并联特性模型曲线图；

图6为本发明中区间分半法确定变频相似工况点算法流程图；

图7是本发明的模型库组成示意图。

具体实施方式

水泵及泵组运行特性和运行能效的变化状况，可以根据对应的后台数据库来开展。包括水泵特性分析水泵特性服务器（计算机）、基本数据采集系统（传感器、A/D转换器）、通信系统（远程服务）及辅助设施（线缆、数据线接头等）、水泵运行特性数据库、数据交互系统及数据接口。在数据接入的基础上，可完全独立运行。根据实际流程的状况，该装置也可以作为在原有监控系统上，衍生出的独立功能模块。

如图1所示，本发明模型库组成包括水泵特性模型库（A）和水泵及泵组运行能效模型库（B），所述水泵特性模型库（A）包括工频水泵运行特性模型库（A1）、水泵变频运行特性模型库（A2）、泵组并联及并联变频特性模型库（A3），所述水泵及泵组运行能效模型库（B）包括泵组能效单元（B1）、水泵单机运行能效模型库（B2）和水泵泵组运行能效模型库（B3），在多变工况下进行运行能效变化的监测和分析。

本发明装置的功能及实际运行中执行过程如下：

1.水泵及泵组基本特性数据的输入

对于给定的工业循环水输配系统，一般都会给出额定工况下，水泵及泵组的基本运行特征数据，将这些数据按照对应的表项，记录在水泵特性服务器9的数据库相应的水泵及泵组基本特性参数表项中，便于读取和参考。

 同时，针对具体流程泵组所设定的基本控制模式，建立对应的特性分析表项，以备具体运行分析时采用。泵组的基本控制模式主要是指水泵泵组群控技术中，水泵运行台数选择的基本模式。不同的组合模式，确定了泵组和单泵运行的基本参数变化范围，所以运行模式项，是实际具体分析，需要进行选择的。

2.各传感器模块读取水泵运行的基本参数

如图7所示，传感器包括流量传感器1、阀位传感器2、压力传感器3、水泵频率传感器4、电机电流读取装置5、主流程监控传感器6、环境工况传感器7、水泵特性服务器9，流量传感器1、阀位传感器2、压力传感器3、水泵频率传感器4、电机电流读取装置5、主流程监控传感器6和环境工况传感器7分别与水泵特性服务器9相连。

实际运行过程中，通过装在水泵相应位置的传感器，来读取水泵运行的基本参数。

1）水泵流量的读取和记录

通过装在水泵出口位置的流量传感器1，读取运行工况，水泵流量的取值。对于大多数工艺流程而言，流量是整个输配流程的衡量指标（当然，也有部分流程，更注重扬程的要求）。也是对于给定的水泵，确定其运行工况点的基本量。如果是模拟信号值，则需通过对应的A/D转换器8， 模拟信号以数字的形式传递给水泵特性服务器9。并将记录在特性数据库中，相应的表项中。

 2）水泵进出口阀门阀位的读取和记录

对于指定的水泵，一般需要通过进行出口阀门（部分为进口阀门）的调节，以配合工频和变频运转的水泵，使其输出参数达到终端用户的需求。从另一个角度来分析，进出口阀门的调节，将直接改变水泵的运行工况。将其作为水泵变工况运行的调节因素之一，水泵进出口阀位信号，也通过相应的阀位传感器2和线路读入水泵特性服务器9，并将记录在特性数据库中，相应的表项中。

3）水泵前后压力及压差的读取和记录

在指定的输配系统中，对于水泵而言，第二项可以直观测定的运行参数，为水泵的压头项。需测量水泵进口压力、出口压力和前后压差，这些数据则通过设定的压力传感器3，配合辅助装置，读入水泵特性服务器9，并将记录在特性数据库中，相应的表项中。

4）水泵运转频率的读取和记录

水泵如果采用了变频运行优化策略，对应不同荷载及环境工况，调控的参数首先就是电机的运转频率。同时，电机的频率也是计算电机输入功率的基本要素之一。所以需要通过设定的水泵频率传感器4，将水泵运转的频率，配合辅助装置，读入水泵特性服务器9，并将记录在特性数据库中，相应的表项中。

5）水泵运转电流的读取和记录

对于不同工况对应频率条件下，水泵能耗的绝对参数指标，将是电机的电流，所以为了掌控不同工况下，水泵的运行参数，必须对相应水泵电机的电流，进行实时监测。这项功能通过设定的电机电流读取装置5，配合辅助装置，读入水泵特性服务器9，并将记录在特性数据库中，相应的表项中。

6）流程荷载强度变化的读取和记录

从主观角度来分析，多变工况的主要体现为流程的荷载强度的变化，和环境工况得改变。为了分析不同工况下，水泵的连续运行特性的变化，需要对多变工况本身的改变，进行记录。对于给定的工艺流程而言，其荷载强度信息的变化，受到市场因素的影响，变化具有一定的随机性，对于长期运转的工艺，其变化又具有一定的周期特性。在实际的变化过程中，流程荷载强度的变化，具体体现为主体工艺运行参数的变化，直接对水泵的运行造成影响，需要将其参数的变化，基于现有主流程监控传感器6，配合辅助装置，读入水泵特性服务器9，并将记录在特性数据库中，相应的表项中。

7）环境工况变化的读取和记录

对于水泵而言，环境工况尤其是环境温度和湿度的变化，对于水泵运行具有相当程度的影响，如上述也是造成工况多变的因素之一，为了分析不同工况下，水泵的连续运行特性的变化，需要对环境工况本身的改变，进行记录。基于现场设定的环境工况传感器7，配合辅助装置，读入水泵特性服务器9，并将记录在特性数据库中，相应的表项中。

上述各项参数的读取，可以采用新添加的传感器，也可根据实际情况，为减少浪费，采用既有监控系统的传感器。对应数据均为连续读入，并可通过相应的界面，动态的显示在图表中，以方便用户的直观监测。也可以通过历史记录，直接分析对应流程指定特性参数的变化，进行相关的特性分析。

 实施例：水泵特性模型库和水泵运行特性模型库建立的基本过程如下：

A1．水泵特性模型库建立；

步骤1：工频水泵运行特性模型库（A1）的建立；

       工频运行特性分析模型和对应表项的建立是多变工况条件下，水泵单机运行以及水泵组运行特性分析的基础。信息系统中，水泵运行特性模型库的建立，是建立在水泵运行特性模型的基础上的。所以首先需要建立，水泵工频运行特性分析的显式模型。实际运行过程中，水泵运行特性的分析，是通过某些已知的参数，来根据所建立的模型，直接显式给出相应其它特性参数，并连续记录和动态显示，这是原有水泵监控系统不具备的功能。

①工频条件下扬程与流量显示模型的建立

首先根据给定的水泵工频特性系列离散的参数——对应工况点上的扬程、流量的取值，基于最小二乘法运用数值拟合技术将原有的离散特性曲线通过具有足够高精度的插值多项式进行显式地描述，多项式的阶数选择为三次，即通过三次插值多项式在足够高的精度下显性给出系列系统的特性，以流量和扬程的变化为例，有三次插值多项式的近似模型公式如公式（1）：

        （1）

其中：    H为水泵扬程，m；

Q为体积流量，m³/s；

a、b、c、d为采用最小二乘方法拟合时，对应近似多项拟合公式的待定系数。这样单台水泵的运行特性就可以得到显式形式的实时监控。水泵工频运转特性模型的建立可以使用户对连续运行过程中，一经测定流量后，就可以直接从上述模型确定出该工况下水泵的扬程。

特性模型中的离散工况点，一般制造厂家会提供，如图2单机工频离散工况所示。图2中给出了某型水泵单机工频运转时，扬程-流量特性模型对应的曲线，以及两台和三台同型水泵并联运行时，对应的显式模型的曲线，从图中可以看出，拟合模型曲线，具有很高的精度，组合刻画水泵的运行特性。

②效率随流量变化的显式模型的建立；

采用与扬程流量关系模型建立的相同步骤，根据对应离散工况的取值，也可以直观给出工频运转条件下，水泵效率随水泵流量变化的近似多项式模型，从而直观分析出对应流量和扬程条件下，水泵的效率如公式（2）；

 

   （2）

式中：

为工频运转时，对应流量条件下，水泵的运行效率；

则为对应显式模型的待定系数。对于该模型，可直观显示不同流量条件下，水泵运行效率的变化。

③水泵轴功率随流量变化的显式模型的建立；

采用与扬程流量关系模型建立的相同步骤，根据对应离散工况的取值，也可以直观给出工频运转条件下，水泵轴功率随水泵流量变化的近似多项式模型，从而直观分析出对应流量和扬程条件下，水泵的轴功率如公式（3）。

（3）

式中：

为工频运转时，对应流量条件下，水泵的运行轴功率；则为对应显式模型的待定系数。对于该模型，可直观显示不同流量条件下，水泵运行轴功率的变化。

上述过程中，对于那个模型输入模型库对应的表项中，可以根据实际运行过程中，流量和扬程的变化，直观给出水泵的其它运行参数，并以图表的形式，实时并连续地得到分析。

步骤2：水泵变频运行特性模型库（A2）的建立；

随着变频技术的不断发展，采用变频节能的方式运行，已成为水泵实际运行的根本选择。而频率变化，必然造成水泵运行特性的随动，这种特性变化的分析和显示，对于整个循环水流程特性的掌控，其意义是非常明显的。所以，本发明提出的水泵运行特性模型库概念中，不同频率条件下，水泵运行特性是模型库重要的表项数据。期分析也是建立在显式模型的基础上的。

实际运行过程中，变频特性的分析，一般根据变频的相似关系，以工频运行特性为基础并按照下述关系式（4）来展开：

 

                      （4）

其中：N代表水泵的轴功率，kW，下标e和s分别对应表示运行工况和设计工况下的参数；n代表不同频率下水泵的转速。

①水泵变频特性分析

根据上述变频相似定理，从第一步所建立的水泵工频特性模型出发，按照关系式（4），首先分别计算出，与工频特性分析中，各给定离散工况点，所对应的频率条件下的扬程、流量和轴功率的取值。

然后依次按照与步骤1中，完全相同的办法，构建出所有频率条件下，扬程与流量、效率与流量以及轴功率与流量各自对应的显式模型，从而直观客观的分析水泵在不同频率下的运行特性。与步骤1中显式模型建立过程的差别，只是在于电机运转频率发生变化后，对应离散数据点按照关系式（4）对应关系所产生的变化。

实际分析过程中，在上述模型的基础上，可以进行适当的简化，如可以给出频率（转速），按照某种固定规律变化时，对应模型的坐标图，应用图表处理功能，使用户能够快速估算出对应工况下，水泵的运行特性。

变频的离散工况点和拟合模型曲线，以及两台和三台并联泵变频特性，分别在图2到图4中，给出了直观的显示。

以此为例，在合理的变频范围内，任意频率下的水泵及泵组的复杂变频运行特性，均可以高精度直观客观地给出。

②管网阻尼变化时水泵相似工况点流量的确定

实际运行过程中，由于主流程荷载强度和环境工况的改变，用户所需水量必然发生变化，从而对于给定的管网系统而言，其沿程和局部阻力都会发生改变，循环水泵系统对应管网系统的水力状态发生改变，从而给定管网所需压头必然发生改变。在合理的范围内，为使循环水流程高效运行，变频是首选的方法。

这种情况往往是已知管网的扬程和流量，需要确定变频对应的相似工况点。

变频是以相似关系式（4），在以建立的水泵工频运转显式模型基础上，需要确定与管网实际工况点相应的相似工况点，该工况点必须满足两个条件其一，必须在所建立的水泵工频流量-扬程模型曲线上，即必须满足公式（1）；其二，必须与管网工况点之间存在相似关系式（4），本发明为相似工况点的确定，建立了区间分半逼近的方法。

首先通过给定的管网工况点信息，所需扬程和流量，构建理想管网曲线，方式见关系式（5）：

                 （5）

其中K为理想管网阻尼系数，关系式（5）确保了变频相似性的成立，该曲线与所建立的工频水泵流量-扬程模型曲线的交点，即为通过变频实现管网工况对应的相似工况点。

相似工况点为两条非线性曲线的交点，为了能够在分析过程中，编程确定该相似点，本发明设计了区间分半逼近法，首先构建非线性方程（6）

（6）

当然，在实际过程中，其变化是针对并联泵组开展的，对应的水泵模型为泵组模型，也可以直接拆解为单泵相似工况点的确定。在合理确定初值的条件下，按照图6中的逻辑框图流程，来确定对应扬程下水泵流量的取值，这是传统水泵特性分析中，所不具备的功能。图6中，区间分半算法的收敛原则是，相邻两次流量的尝试运算过程中，对应两次流量的取值之差值，应该低于认为设定的某种精度取值

（为某大于零的小正实数）。

对应图6中，确定变频相似工况点流程的基本过程如下：

在确定开展前，确定已知的数据包括，所建立的水泵工频运行特性模型曲线，实际运行工况点和从实际运行工况点出发，得到的管网理想特性曲线，要确定量调曲线的交点，对应的是非线性方程（6）的求根过程。

如框图所示，首先在合理的初值范围内，读入一个选定尝试的流量数据，

将

的取值带入到非线性方程（6）中，判定

的取值，如果该取值在一定精度范围内趋近于零，则代表所取尝试流量值，为欲找寻的特性点，输出其取值，否则进行下一步；

采用设定的第二个尝试流量

条件下，

的取值，如果有

，则代表所要查询的相似点，不在

区间上，需要重新设定

的取值和区间的范围，否则，相似点在区间

上；

在此前提下，令

，取代原有的

取值，此时新的查询区间，大小为上一尝试取值区间大小的一半，即区间分半；

再次判定

的符号，如果该值小于零，则区间进一步缩半，否则令

，进行区间分半的操作；

如此持续进行尝试区间的分半查询，直到

，设定收敛精度为止，最终令所欲查询相似点的流量为

，查询停止，输出相似点的流量信息。

该方法的变形还包括根据其它类型的非线性方程寻根的方法，来确定循环水泵实际运行工况。

对于依据水泵出口阀门调控的水泵工频运行特性的分析，均可采用上述两个基本的步骤，进行水泵单机工频运行的特性分析。

步骤3：泵组并联及并联变频特性模型库（A3）的建立；

与前述步骤1和步骤2相同，该表项也是建立在对应的显式模型基础上的。实际运行过程中，对应不同工艺流程，水泵的运行一般均采用多台水泵并联的，泵组群控运行方法。这种方法的复杂性在于，具有不同的组合方式，如一变频多工频、多台同时变频，甚至不同型号的水泵并联和变频并联等。不同并联条件下，水泵运行特性相差甚远，直观客观地给出不同组合方式下，泵组运行特性分析的模型，也具有非常重要的意义。

水泵并联体现的特性在于，对应管网节点处，水泵所提供的压力（扬程）取值相同，而流量采用叠加的方法。

水泵不同组合方式的运行特性，则是在这一叠加的原则下，根据步骤1和步骤2中，所建立的水泵单机工频和变频运行模型，来逐项展开分析，即分别建立并联条件下，泵组扬程、效率和轴功率，随流量变化的显示模型。

对应模型的建立，采用与步骤1完全相同的算法开展，可直观构建出指定水泵，在不同组合条件下扬程与流量的显式模型。只是对应的离散点，是由单机运行的工况点，按照对应节点压头相同，流量相互叠加而形成的离散点。这在图2到图5中都直观的得到了显示。

对于指定的工艺流程，其水泵泵组的组合运行策略，变化的形式就非常有限了，只是数据的变化较为繁杂，可采用上述3个步骤，构建其对应的运行特性分析模型，并采用现代模型库技术，产生对应的表项和图形，以展开直观分析。

步骤4：水泵运行特性模型库的建立；

为了水泵运行分析的快速准确开展，显然可建立针对所有类型水泵的，从而本发明提出了建立水泵运行特性模型库的概念。

这是本发明提出的一个全新概念，可将不同类型水泵运行特性的显式模型，依托现代模型库技术，建成具有不同表页的水泵运行特性模型库，根据用户所提供的工艺流程图，直接选择并展开分析。

图2示出了单台泵变频及工频并联特性模型曲线图，图3为图2中的单台泵在90%频率时并联特性模型曲线图；图4为图2中的单台泵在为80%频率时并联特性模型曲线图；图5为图2中的单台泵在为70%频率时并联特性模型曲线图；给出了某型水泵的流量扬程的工频特性、单机变频特性、工频并联特性、变频并联特性的部分显式分析结果，图中的曲线，全都是具有显式多项式的模型对应的曲线。其它特性，如功率随流量、效率随流量的变化特性，也可通过上述的方式，构建出对应的显式模型，方便各方用户根据实际需求，来动态分析水泵本身运行的特性。

对于同一类型水泵运行特性的分析，可形成不同的数据表项、数据页和数据册，而不同类型的水泵有各自成册。对于不同水泵的并联组合，无非是根据并联法则和上述各步骤，逐一开展而以。

在相应的运行模式下，用户可以根据自己的水泵型号、泵组特征和运行特性（如几台并联、频率取值）可以快速得到所需要的水泵运行参数的取值，并可以在对应的图形界面上，得到直观动态的显示，并可以采用现代物联网技术，进行数据的远传。

整个模型库的建设，是将所有类型水泵的分析都显式地设计，然后通过现代模型库技术，完成对不同类型水泵特性的分析记录，以对应的表页形式来进行存储。运行时，用户可通过对应的交互界面，使用户根据自己的需求来恰当选择，实时直观客观的，以离散的数据、连续的图表等方式，监控对应水泵及泵组的运行特性。这一点，直接改变了传统监控模式，无法直观客观分析不同运行方式和工况下，水泵及泵组运行特性的局面，并为后续的水泵运行优化，奠定了基本层面的数据基础。

B、多变工况下水泵及泵组运行能效模型库的建立；

水泵的运行能效如何判定？水泵运行本身是通过旋转机械将电能转化为推进流体工作的能量，其运行能效的监测是判断在实际的工况条件下有多少电能被有效的转化为有用能的直观显示，对于多变工况下水泵运行状态的分析具有至关重要的作用。对于水泵而言，其传统意义的运行效率需要跟踪电机本身效率和泵效率以及其间传动效率的综合参数，但是这些基本的组成因素在实际过程中由于工况的多变性往往无法给出直观的分析结果。这也就是说，即使通过显式特性模型搞清楚了水泵的基本运行特性，但仍无法给出对应工况下水泵运行能效的直观分析。

步骤5：泵组能效单元的整合；

本发明打破传统的分析方法，提出将所研究的对应工艺流程的，整个水泵泵组（电机和泵体）当作一个完整的能效单元，进行运行能效的分析。当然，对于任何一个单泵，也可进行直观的单泵运行能效分析。

步骤6：水泵单机运行能效模型库（B2）的建立；

电机在不同的转速下，从输入端输入的总电能，作为该能效单元的总能量，水泵出口动静压头以及提升的初级水位势能之和，作为系统的有效输出能量。一般而言，对于给定管网系统，初级水位基本上是个定值，流量的变化直接引起初始水位势能的变化。

对应转速下的功率因素为cosΦ，电机输入功率为

               (7)

式中，

为对应频率下，电机的电压和电流，这两个参数一般都具有直观的监测数据。

则为电机的输入功率。

水泵的有效输出功率为

             （8）

 式中，

为循环工质的密度，；

为重力加速度，

；为测定的流量，

；

管网所需水头，

；

管网特征静压头，水泵压头，

；

水泵出口管道截面积，；

则定义运行过程中水泵的运行能效为

                      (9)

 上面所构建的关于水泵运行能效的分析体系中，不同转速性电机的功率因素则需要根据对应的相偏差随转速变化的关系来确定，这也可以从给定的离散数据出发，给出连续的近似显式功率因素的变化模型，从而对应水泵的运行能效可以显式地给出。

该模型的重要特征在于，多变工况下，单泵运行能效变化的监测和分析 

步骤7：水泵泵组运行能效模型库（B3）的建立

采用总管的运行压力和流量作为分子，而将参与运行水泵的轴功率进行叠加作为分母计算出整个泵组的运行能效。

                       (10)

该概念的引入是将整个水泵泵组考虑为一个能效单元，而不区分电机效率、泵效率和传动效率，是水泵整体运行效率的直接体现。

对应的参数都直接可测或者可直接给出，这使水泵运行能效的直观显示成为可能。在同样的频率条件下，水泵运行能效的变化，可以作为水泵运行状态诊断和评价的有机组成。

步骤8：水泵及泵组运行能效模型库的建立

针对指定型号的水泵和泵组，按照对应的运行能效模型，构建运行能效数据表项和表页，对于不同型号水泵及其对应的组合及变频形式，不同的表页可形成水泵及泵组运行能效模型库，应用模型库的图标工具，可形成对应状态水泵和泵组运行能效的图形界面，该界面形式可采用坐标图形的方式，将对应工况点的运行能效直观显示出来。

C、水泵及泵组运行及运行能效特性分析应用

步骤9：水泵运行能效诊断

配合对应运行特性参数的取值，可以共同用于判定水泵是否需要检修。如果对应的特性参数和运行能效均在对应工况下持续低于上述理论分析的取值，并呈现继续偏离的趋势时，水泵自身需要得到维护，具体的阈值则需要根据水泵的类型来确定。上述两个分析数据的直观、客观显示，为用户掌控水泵运行状态提供了有力的数据支撑。

D、基于水泵运行能效分析的水泵高效复位运行机制；

实际运行过程中，由于对应工艺流程荷载强度和环境工况的多变性，为了提高水泵的运行效率，很多水泵运行优化工艺采用了水泵泵组的群控技术，根据流程荷载强度和环境工况的改变，来进行水泵运行台数和频率的控制。但是由于缺乏对水泵运行特性和能效分析的直观掌控，这种调节往往都对人为经验具有强烈的依赖性。如何使水泵在多变的工况下，快速选择高效运行参数（频率、台数、流量、扬程），高效地运行，显然具有非常重要的意义。在水泵运行特性和运行能效历史分析数据的基础上，为系统的高效复位运行开辟了一条全新的道路。

步骤10：高效复位基准点的选择；

对于不同的工艺流程而言，流程荷载强度和环境工况，是根据市场和地域特征发生变化的。一般而言，这种变化过程虽然不能完全周期性的重复，但也具有一定的拟周期特性，这为水泵运行策略拟周期运转时，水泵参数的快速复位奠定了一定的基础；

传统调控中，这种基础体现为人为的经验，在什么荷载强度和环境工况下，开启多少台水泵，并在何种频率下运行，完全依赖于人为经验。不同的经验，表现出水泵运行效率的差别，造成系统效率和能耗差异巨大；

而本发明所建立的水泵运行特性模型库和运行能效模型库，能够将水泵运行对应的各种条件参数记录在模型库中；

实际运行时，根据水泵运行的历史数据和现在的需求，以荷载强度和环境工况为参照，采用数据排序技术，来选取四个复位的基准点，使现在运行的工况点，处于所选四个复位基准点的区间内，并读取对应基准点，水泵的运行方式和对应的特性参数。

步骤11：水泵运转实际工况点的确定；

一般而言，实际运行工况点很难与历史工况完全重合，所以在基准点选择完毕后，需要根据所建立的特性分析模型和运行能效模型，将拟运行频率下，水泵的运行参数；

以四个运行基准点中，处于运行工况点右上方（流量和扬程均大于所需值）基准定为基础，采用该工况点的运行参数为基准，这一基准的确定，目的是在保证流程安全顺行的基础上，快速确定实际工况对应水泵运行条件的初始取值，该取值在设定的基准条件下，水泵运行工况，已经与所需工况点相当接近。

当运行工况发生改变，使水泵的进行优化调整时的初始运行频率，从基准工况点对应的频率开始，按照一定的频率变化幅度，先逐步降低水泵的频率，同时根据所建立的水泵（泵组）运行特型模型，实时监测水泵运行特性的变化，一旦发现变频工况点处于所需工况点的左下方，即流量和扬程均低于所需工况点取之时，则按照设定频率变化幅度的一半取值，进行升频操作，如果操作后，水泵运行工况点，又处于所需工况点的右上方时，则按当前频率变化幅度的一半，反向变频，如此可以逐步逼近所需的实际运行工况，最终，当水泵运行工况点，在右上方，以一定的精度，充分接近管网所需工况点时，停止频率的变化。

这种方法的开展既保证工艺流程的顺行，又使水泵运行点最大程度贴近实际的运行工况，是一种快速构建水泵高效运行机制的方法，当然，其运行的开展，必须依赖于对优化运行历史数据，这又要依赖于本发明所建立的泵组水泵运行特性模型库和运行能小模型库，在此过程中，最终水泵的运行方式也以右上方基准点对应的运行方式为准。

Claims (5)

1.一种工业循环水泵组运行特性及运行能效分析装置，其特征在于：该装置包括水泵特性模型库（A）和水泵及泵组运行能效模型库（B），所述水泵特性模型库（A）包括工频水泵运行特性模型库（A1）、水泵变频运行特性模型库（A2）、泵组并联及并联变频特性模型库（A3），所述水泵及泵组运行能效模型库（B）包括泵组能效单元（B1）、水泵单机运行能效模型库（B2）和水泵泵组运行能效模型库（B3），在多变工况下进行运行能效变化的监测和分析。

2.根据权利要求1所述的一种工业循环水泵组运行特性及运行能效分析装置，其特征在于：所述工频水泵运行特性模型库（A1）的建立，包括工频条件下扬程与流量显示模型、效率与轴功率随流量变化的显式模型的建立；所述水泵变频运行特性模型库（A2）的建立是根据变频相似定理，以所述工频水泵运行特性模型库（A1）为基础，确定出对应频率条件下的扬程、流量和轴功率的取值，进而构建出不同频率条件下扬程与流量、效率与流量以及轴功率与流量各自对应的显式模型；所述泵组并联及并联变频特性模型库（A3）的建立是将所对应的单泵工频水泵运行特性模型库（A1）及水泵变频运行特性模型按照叠加的原则，构建出指定水泵在不同组合条件下扬程与流量的显式模型；而效率和轴功率则进行单机的分析；所述水泵及泵组运行能效模型库（B）的建立：针对指定型号的水泵和泵组，按照对应的运行能效模型，构建运行能效数据表项和表页，对于不同型号水泵及其对应的组合及变频形式，不同的表页可形成水泵及泵组运行能效模型库，应用模型库的图标工具，可形成对应状态水泵和泵组运行能效的图形界面，该界面形式可采用坐标图形的方式，将对应工况点的运行能效直观显示出来；所述泵组能效单元（B1）的确立：整个水泵泵组当作一个完整的能效单元，进行运行能效的确立；所述水泵单机运行能效模型库（B2）的建立：电机在不同的转速下，从输入端输入的总电能，作为该能效单元的总能量，水泵出口动静压头以及提升的初级水位势能之和，作为系统的有效输出能量；一般而言，对于给定管网系统，初级水位基本上是个定值，流量的变化直接引起初始水位势能的变化；所述水泵泵组运行能效模型库（B3）的建立：将整个水泵泵组考虑为一个能效单元，进行运行能效的分析。

3.根据权利要求2所述的一种工业循环水泵组运行特性及运行能效分析装置，其特征在于：所述水泵单机运行能效模型库（B2）的建立中，对应转速下的功率因素为cosΦ，电机输入功率为

式中，

为对应频率下，电机的电压和电流，这两个参数一般都具有直观的监测数据，

则为电机的输入功率；

水泵的有效输出功率为

式中，

为循环工质的密度；为重力加速度；为测定的流量；

管网所需水头；

管网特征静压头；

水泵出口管道截面积；

则定义运行过程中水泵的运行能效为

                           

将整个水泵泵组考虑为一个能效单元，采用总管的运行压力和流量作为分子，而将参与运行水泵的轴功率进行叠加作为分母计算出整个泵组的运行能效；

。

4.根据权利要求2或3所述的一种工业循环水泵组运行特性及运行能效分析装置，其特征在于：所述工频水泵运行特性模型库（A1）建立中，对应的近似工频特性模型是以下述形式存在的，通过流量的变化可以直接给出水泵运行特性参数的取值；

                   

其中Q、H、η和N分别为水泵的流量、扬程、效率和轴功率，

为所建立。

5.根据权利要求4所述的工业循环水泵组运行特性及运行能效分析装置，其特征在于：所述水泵变频运行特性模型库（A2）建立中，变频特性的分析，一般根据变频的相似关系，以工频运行特性为基础并按照下述关系式来展开： 

其中：N代表水泵的轴功率，kW，下标e和s分别对应表示运行工况和设计工况下的参数；n代表不同频率下水泵的转速。

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