CN102536849B - 风能离心泵模拟试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明风能离心泵模拟试验系统，属于节水灌溉和新能源利用领域。它包括风力模拟电机、风力模拟控制器、发电机、变频控制器、出口压力变送器、流量计、深井水泵、出口流量调节阀、泵出水管、水池，其中用风力模拟控制器根据不同风速条件下风力机的特性曲线驱动风力模拟电机模拟风能，带动发电机，通过变频控制器对水泵实施变频调速控制，驱动深井水泵在变工况下工作，最后利用数据采集仪通过出口压力变送器、流量计测得所需的压力、流量等试验参数，测试深井水泵的性能及运行特性。试验系统结构简单，操作方便，完全模拟风能离心泵的实际工作状态，试验不受天气、风速等的气候条件影响，成本低，完善了风能泵试验装置。

Description

风能离心泵模拟试验系统

技术领域

本发明属于节水灌溉和新能源利用领域，特指风能离心泵模拟试验系统。

背景技术

我国偏远落后的西部地区由于电网不易到达，地下水资源利用率极低，导致土地沙化，生态环境日益恶化，农作物减产，甚至很多无电人口连生活用水都没有彻底解决，这些问题严重阻碍了我国西部地区经济社会的发展。然而在这些地区风能资源丰富，开发潜力大，利用风能驱动水泵提取地下水将能大大缓解我国西部无电贫困地区百姓饮水和农牧业用水问题。风能泵系统是快速发展起来的一种绿色新能源利用技术，其关键设备深井泵的水力性能与风电动力系统匹配问题直接影响系统的效率与稳定性。长期以来，风电提水系统中水泵一般都是直接从现有产品中进行选型，其设计与试验多是在额定工况下进行，导致深井泵与风电系统的性能匹配常常达不到最佳。然而，由于风速、方向和能量随季节、海拔高度、地域、地表粗糙度不同而变化，风能泵工作时，它的运行工况是不断变化的，对深井泵工作的效率、稳定与可靠性影响很大。当在室内进行试验时，多数试验所测量的设计工况下的性能参数不能真正反映风能泵实际应用中的性能，因此，考虑试验的成本与操作方便，有必要设计一种能够模拟风能离心泵工作状态的试验装置。经检索，目前还没有相关的申报专利。

发明内容

本发明的目的是模拟风能泵系统实际工作状态，在变工况下对风能用深井水泵进行试验，解决风能泵实验时风能条件难以满足试验要求等在室内试验所不能考虑到的实际应用问题，方便地为风能泵的多工况设计与运行可靠性研究提供试验条件。

风能离心泵模拟试验系统，包括测量控制系统、风力模拟驱动系统和水力循环管路系统；风力模拟驱动系统与水力循环管路系统连接，又分别与测量控制系统连接，通过测量控制系统进行试验过程中的压力、流量等的控制与数据采集、分析；

其中测量控制系统包括计算机、数据采集仪、配电柜、出口压力变送器、流量计、出口流量调节阀，计算机、数据采集仪与配电柜串联在一起，数据采集仪分别与出口压力变送器、流量计相连，用来采集试验中的压力与流量数据。

其中风力模拟驱动系统包括风力模拟电机、风力模拟控制器、发电机、变频控制器，数据采集仪与风力模拟电机连接，用风力模拟控制器调节风力模拟电机模拟风能，进而带动发电机，发电机与深井水泵相连，并通过变频控制器对深井水泵实施变频调速控制，驱动深井水泵工作。

其中水力循环管路系统包括深井水泵、泵出水管、水池，深井水泵放置于水池中，上端接泵出水管，泵出水管上依次设有出口压力变送器、流量计、出口流量调节阀，泵出水管终端接入水池中构成循环回路。

本发明的原理与使用方法为：搭建水泵测试试验台，用风力模拟控制器根据不同风速条件下风力机的特性曲线驱动风力模拟电机模拟风能，通过变频控制器对水泵实施变频调速控制，驱动深井水泵在变工况下工作，最后利用数据采集仪通过出口压力变送器、流量计测得所需的压力、流量等试验参数，测试深井水泵的性能及运行特性。

本发明的优点在于：试验系统结构简单，操作方便，完全模拟风能离心泵的实际工作状态，试验不受天气、风速等的气候条件影响，成本低，完善了风能泵试验装置。

附图说明

图1为风能离心泵模拟试验系统示意图；图中，1.计算机，2.数据采集仪，3.风力模拟电机，4.风力模拟控制器，5.发电机，6.变频控制器，7.配电柜，8.出口压力变送器，9.流量计，10.深井水泵，11.出口流量调节阀，12.泵出水管，13.水池。

具体实施方式

如图1所示，本发明包括计算机1，数据采集仪2，风力模拟电机3，风力模拟控制器4，发电机5，变频控制器6，配电柜7，出口压力变送器8，流量计9，深井水泵10，出口流量调节阀11，泵出水管12，水池13等部分。风能离心泵模拟试验系统由测量控制系统、风力模拟驱动系统、水力循环管路系统组成，风力模拟驱动系统与水力循环管路系统连接，又分别与测量控制系统连接，通过测量控制系统进行试验过程中的压力、流量等的控制与数据采集、分析。测量控制系统包括计算机1、数据采集仪2、配电柜7、出口压力变送器8、流量计9、出口流量调节阀11，计算机1、数据采集仪2与配电柜7串联在一起，数据采集仪2分别与出口压力变送器8、流量计9相连，分别用于测试深井水泵10的出口压力、流量，出口流量调节阀11用于调节深井水泵10的流量；风力模拟驱动系统包括风力模拟电机3、风力模拟控制器4、发电机5、变频控制器6，风力模拟电机3左边与数据采集仪2连接，用风力模拟控制器4根据不同风速条件下风力机的特性曲线驱动风力模拟电机3模拟风能，进而带动右边的发电机5，发电机5右边与深井水泵10相连，并通过变频控制器6对深井水泵10实施变频调速控制，驱动深井水泵10工作；水力循环管路系统包括深井水泵10、泵出水管12、水池13，深井水泵10放置于水池13中，上端接泵出水管12，泵出水管12上依次设有出口压力变送器8、流量计9、出口流量调节阀11，泵出水管12终端接入水池13中构成循环回路。

工作过程为：根据不同风速条件下风力机的特性曲线，由风力模拟控制器4驱动风力模拟电机3工作，风力模拟电机3带动发电机5，通过变频控制器6对深井水泵10实施变频调速控制，驱动深井水泵10变工况工作；水由水池13被泵入深井水泵10，被测深井水泵10的出水经出口压力变送器8、流量计9及出口流量调节阀11流回水池，形成一个回路。压力变送器8完成出口压力的测量，流量计9则完成流量的测量。改变不同工况，并通过出口流量调节阀11调节深井水泵10的流量，由数据采集仪2对上述参数进行实时测量，然后通过计算软件对深井水泵的压力、流量、效率等性能参数进行计算，生成相应的试验性能曲线。

实施例：本发明的风能离心泵模拟试验系统在江苏大学流体机械多功能水泵试验台上进行了试验研究，首先搭建如图1所示的试验台，试验用泵为本单位自主设计开发的深井离心泵，性能参数为：额定转速为600r/min，额定扬程H=15m，额定流量Q=20m³/h；通过风力模拟控制器设置模拟风机参数为：风能利用系数0.40；叶尖速比4.2；额定风速为8m/s。试验初始风速为6m/s，4s后风速增加到8m/s，10s后迅速降到4m/s，试验结果如下：

风速稳定期，系统运行稳定，机组达到较高效率，在额定风速8m/s下，发电效率达到45%，实测水泵流量为Q=18m³/h，扬程为H=10m。在低风速区（4m/s～6m/s），虽然泵的流量和扬程均有所下降，但机组最高效率仍高于全国平均水平，说明该系统具有较宽的高效运行区间，水泵与模拟风机匹配良好。

实践表明，本发明的风能离心泵模拟试验系统能完全模拟风能离心泵的实际工作状态，试验效果好，成本低，不受天气、风速等的气候条件影响，为日常风能离心泵的试验研究提供了便利条件。

Claims (1)

1.风能离心泵模拟试验系统，其特征在于包括计算机，数据采集仪，风力模拟电机，风力模拟控制器，发电机，变频控制器，配电柜，出口压力变送器，流量计，深井水泵，出口流量调节阀，泵出水管，水池部分；风能离心泵模拟试验系统由测量控制系统、风力模拟驱动系统、水力循环管路系统组成，风力模拟驱动系统与水力循环管路系统连接，又分别与测量控制系统连接，通过测量控制系统进行试验过程中的压力、流量的控制与数据采集、分析；测量控制系统包括计算机、数据采集仪、配电柜、出口压力变送器、流量计、出口流量调节阀，计算机、数据采集仪与配电柜串联在一起，数据采集仪分别与出口压力变送器、流量计相连，分别用于测试深井水泵的出口压力、流量，出口流量调节阀用于调节深井水泵的流量；风力模拟驱动系统包括风力模拟电机、风力模拟控制器、发电机、变频控制器，风力模拟电机左边与数据采集仪连接，用风力模拟控制器根据不同风速条件下风力机的特性曲线驱动风力模拟电机模拟风能，进而带动右边的发电机，发电机右边与深井水泵相连，并通过变频控制器对深井水泵实施变频调速控制，驱动深井水泵工作；水力循环管路系统包括深井水泵、泵出水管、水池，深井水泵放置于水池中，上端接泵出水管，泵出水管上依次设有出口压力变送器、流量计、出口流量调节阀，泵出水管终端接入水池中构成循环回路；

其工作过程为：根据不同风速条件下风力机的特性曲线，由风力模拟控制器驱动风力模拟电机工作，风力模拟电机带动发电机，通过变频控制器对深井水泵实施变频调速控制，驱动深井水泵变工况工作；水由水池被泵入深井水泵，被测深井水泵的出水经出口压力变送器、流量计及出口流量调节阀流回水池，形成一个回路；压力变送器完成出口压力的测量，流量计则完成流量的测量；改变不同工况，并通过出口流量调节阀调节深井水泵的流量，由数据采集仪对出口压力和流量进行实时测量，然后通过计算软件对深井水泵的压力、流量、效率性能参数进行计算，生成相应的试验性能曲线。