CN102734183B - 用于检测受控于变频器的泵的磨损的方法和机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于检测由变频器驱动的泵的磨损的方法。所述变频器提供转速和转矩估计，所述泵的特性曲线已知。所述方法包括：通过测量所述泵产生的流量(Q_act)或扬程(H_act)来获得表示所述泵的操作点的值；通过使用基于所述泵的特性曲线和所述泵的估计转速(n_est)以及所述泵的估计转矩(T_est)的计算来估计所述泵的操作点；根据表示所述操作点的值和根据所估计的操作点来计算估计误差；在所述泵的使用期间重复上述步骤；以及根据所述估计误差的大小来检测所述泵的磨损。

Description

用于检测受控于变频器的泵的磨损的方法和机构

技术领域

本发明涉及检测泵的磨损，特别地涉及检测由变频器控制的泵的磨损。

背景技术

离心泵的效率影响了因而获得的能量和泵送系统的寿命周期成本。出于该原因，泵送系统的节能操作的解决方案之一是保持泵处于良好的机械状态，使得它可以以它最大的可能效率进行操作。这还应当确保泵的性能(即，所产生的作为流量(flowrate)Q的函数的扬程H曲线)保持恒定。

随着时间的增加，例如由于叶轮的机械磨损和在泵内部(例如，在外壳和叶轮之间)的增加的间隙，泵的效率会降低。实际上，离心泵的机械磨损对于泵在恒定转速和恒定过程条件下能够产生的扬程H和流量Q具有渐减的影响(即，泵的操作位置只是因为改变了的泵特性而发生改变)。因此，可以通过监测在恒定过程条件下的这些变量中的至少一个来检测离心泵的与磨损相关的效率降低。如果过程条件不保持恒定，则泵的操作点位置会具有若干个位置，这就是为什么通常要知道至少两个变量来检测泵的性能降低的原因。在变速驱动泵的情况下，通常通过增加泵转速来补偿离心泵的扬程或流量降低，这也可以被利用来作为离心泵的性能下降的特征。

用于确定泵的磨损的已知系统包括：泵的热力学效率测量；以及扬程、流量和轴功耗的直接测量以用于确定泵的效率。这些已知系统需要关闭泵并因此需要关闭处理和/或额外传感器的永久性安装。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够克服上述问题的方法以及实施所述方法的机构。本发明的目的通过独立权利要求中所陈述的特征来表征的方法和机构来实现。本发明的优选实施例在从属权利要求中公开。

本发明基于如下构思：使用基于由控制泵的变频器所提供的估计和由泵制造商所提供的特性曲线两者的计算，以估计由所述泵产生的流量。一旦该流量值与通过测量所获得的流量值进行比较，估计误差的大小和符号给出泵的磨损的指示。

因为离心泵的操作点位置(Q，H)可以通过变频器进行估计，并且该变频器还提供关于电动泵组合轴转矩T和转速N的估计，所以变频器可以用作为监测设备或用作为用于检测离心泵的性能下降的信息源。与用于泵的流速V、流量Q或扬程H的外部测量设备一起，所提出的方法能够检测泵的性能降低。

本发明的方法的优点在于：所述方法产生关于泵的磨损的可靠信息而不需要改变或中断泵所处于的过程。另外，所述方法不需要任何额外的永久性安装的传感器，因此所述方法易于在现有过程中实施。

附图说明

在下文中，将会借助于优选实施例并参照附图对本发明进行详细的描述，在附图中：

图1是本发明的实施例的流程图；

图2是苏尔寿(Sulzer)APP22-80离心泵的公布的特性曲线；

图3示例了泵操作点估计；

图4和图5示出了在泵特性曲线上的与间隙相关的扬程降低的示例；

图6和图7示出了间隙对流量的估计精确度的影响；

图8示出了具有磨损的叶轮片的泵的特性曲线与具有未磨损的叶轮的泵的参考情况的特性曲线之间的比对；

图9、图10和图11示出了在磨损叶轮片测试中的结果；

图12示出了磨损在泵PH曲线中的影响的示例；

图13示出了磨损在泵QH曲线中的影响的示例；

图14示出了磨损在泵QP曲线中的影响的示例；以及

图15、图16和图17示出了在三种不同转速下的估计误差。

具体实施方式

本发明的方法基于如下假设：离心泵的与磨损相关的性能降低影响泵的QP特性曲线。与正常情况相比，这导致了在应用基于QP曲线的估计方法时对于流量和扬程的错误估计结果。

在渐增的QP曲线形状(即，dP/dQ>0)和磨损的泵的情况下，QP估计方法导致了在特定转速和轴功耗下比实际上的(Q_act)要低的流量值(Q_est,QP)。出于该原因，估计误差的符号sgn(Q_est,QP－Q_act)表示泵的性能降低，该符号对于具有渐增QP曲线形状的磨损泵为负。这被用作为离心泵的性能降低的第一特征(特征1)。

此外，估计误差△Q_est,QP的大小与磨损度成比例，这被用作性能降低检测的第二特征(特征2)。估计误差的值可以例如使用下式进行计算： $\mathrm{\Δ}{Q}_{\mathrm{est},\mathrm{QP}}=\left|\frac{Q_{\mathrm{est},\mathrm{QP}}-Q_{\mathrm{act}}}{Q_{\mathrm{act}}}\right|\·100\%---\left(1\right)$

考虑上述，必须注意的是，绝对估计误差∣Q_est,QP－Q_act∣随着渐增的流量而变高，因此，估计误差的量还受实际流量Q_act的数量的影响。出于以上原因，并且根据本发明的实施例，相对估计误差被用于检测泵的磨损。

为了检测离心泵的性能的降低，如果没有可用的现有流量测量机构，则需要安装用于泵流量的独立参考测量机构。在该方法中，优选地应用非介入式的、便携式超声波流量或流速计，使得可以精确地检测泵流量而无需费用大的传感器安装。

当在充分的时间段内使用测量计对实际流量值进行了测量时，这些值可以与估计值进行比较以确定基于QP曲线的估计的精确度，从而确定泵的可能的性能下降。在图1中示出了该方法的实施例的流程图。

在图1中示出的实施例中，使用流量计和变频器对数据进行采集。流量计用于测量流量值Q_act(11)，而变频器提供对于泵的转速和转矩的估计。转速和转矩被用于计算功率P，该功率P用于与QP曲线一起使用以获得流量Q_est,QP的估计(12)。在特征提取块13中，确定误差的符号并计算相对估计误差。这些指标在决策块14中被使用，以用于确定泵是否已磨损。相对估计误差可以与参考值进行比较，或者可以跟踪估计误差的趋势。如果估计误差随时间而增长，则可以被认为泵已明确磨损。

在径向泵和混流泵中，渐增的QP曲线形状是常见的。如果泵QP曲线是单调递减的(即，dP/dQ<0)，则估计的流量Q_est,QP归因于泵特性曲线的变化而变得高于Q_act。

上述测量应当被定期执行以观察泵性能的可能的变化。还推荐在实际使用该方法之前校准测量序列，这是因为全新的离心泵的实际特性曲线可能会明显不同于公布的特性曲线。

为了简便起见，应存在在变频器与流量计之间的测量流量值和估计流量值的自动同步，例如时间戳。相应地，在变频器和测量计之间使用无线通信链接可以使该方法变得更为实际。

在下面的部分中，将更详细地描述本发明的方法部分。还给出了径流式离心泵在具有下降的性能的两种不同情况下的测试结果。

离心泵的特性和一般性能可以通过用于在恒定转速下的、作为流量Q的函数的扬程H、轴功耗P和效率η的特性曲线显示出来。它们还告知了离心泵的最佳效率点(BEP)，而所述泵通常应当被驱动在该最佳高效率点处。在图2中，给出了苏尔寿APP22-80径流式离心泵的公布特性曲线的示例。

由于变频器驱动的泵可以以不同的转速进行操作，所以泵特性曲线需要被转换到当前转速。这可以利用如下相似定律来执行：

$Q=\frac{n}{n_0}{Q}_0---\left(2\right)$

$H={\left(\frac{n}{n_0}\right)}^2{H}_0---\left(3\right)$

$P={\left(\frac{n}{n_0}\right)}^3{P}_0---\left(4\right)$

其中Q是流量，H是泵扬程，P是泵轴功耗，n是转速，下标0表示例如在公布的特性曲线中给出的初始值。

泵特性曲线允许通过利用由变频器提供的转速、轴转矩和因而获得的轴功率估计(分别为n_est、T_est和P_est)来进行泵操作点位置和效率的无传感器估计，如图3所示。该用于泵操作位置的基于模型的估计方法是公知的并且在本文中以后称为基于QP曲线的估计。

可以使用便携式且非介入式的流量计来测量由泵产生的流量。这可以使用如下超声波流量计来实现，该超声波流量计基于利用运动流体的多普勒效应或通过确定在两个测量点之间的经过时间的传播来测量流速。该经过时间计提供了最佳精确度，但是它们还是比多普勒效应昂贵的多，并且通常需要使用若干线路在管道周围安装传感器。

在离心泵中有两个基本磨损机制：1)叶轮片端部会发生磨损，这减小了有效泵直径；2)在泵的叶轮与抽吸侧之间的内部间隙s会从它的原始值增加。在直径减小的磨损的情况下，因而获得的泵性能可以部分地用针对若干不同的叶轮直径的特性曲线近似。作为举例，图2示出了在恒定的流量下泵扬程和功耗如何由于较小的叶轮直径而降低。

如果泵设置有开式叶轮，内部间隙s的变化对于泵扬程的影响可以由如下方程近似：

$\frac{H_{(s=0)}-H_{\left(s\right)}}{H_{(s=0)}}=f\&CenterDot;s---\left(5\right)$

其中f是描述间隙对发展的(developed)泵扬程的影响的特定情况梯度值。扬程损失还对泵功耗P和效率具有渐降的影响，如以下方程所示：

$\frac{P_{(s=0)}-P_{\left(s\right)}}{P_{(s=0)}}=\frac{1}{3}\frac{H_{(s=0)}-H_{\left(s\right)}}{H_{(s=0)}}---\left(6\right)$

$\frac{{\mathrm{\&eta;}}_{(s=0)}-{\mathrm{\&eta;}}_{\left(s\right)}}{{\mathrm{\&eta;}}_{(s=0)}}=\frac{2}{3}\frac{H_{(s=0)}-H_{\left(s\right)}}{H_{(s=0)}}---\left(7\right)$

此外，已知的是泵扬程的相对减损与流量成比例。出于该原因，关闭扬程(shut-offhead)近似降低了在最佳效率点处的扬程的一半。因此，对于渐增的间隙，最佳效率点朝向较低流量移动。在图4中，示出了泵特性曲线会如何由于增加的间隙s而变化的示例，当泵关闭扬程(即，在零流量处的扬程)存在1米的下降并且在泵BEP处流量为2米而扬程下降线性地增加。

实际中，泵的性能降低还会在泵的典型转速中见到。如果泵是闭环系统的一部分，闭环系统中过程QH曲线保持恒定，则泵的内部磨损降低在恒定转速下的泵流量。例如在图4中，流量可以在1450rpm处从25I/s降低至23.79I/s。如果已知泵系统具有恒定的过程特性，长期(统计)监测转速也是一种检测泵的性能降低的适用方法。

所提出的泵磨损检测方法通过使用实验室测量所采集的数据进行评估。实验室测量使用苏尔寿APP22-80离心泵、11kW的ABB感应电动机以及ABBACS800系列的变频器来进行。该泵具有255mm叶轮的径流式叶轮，并且不需要打开泵就可以调节泵的叶轮与抽吸侧之间的内部间隙。电动机和泵通过具有1Nm的转矩测量精确度的Dataflex22/100速度和转矩测量轴彼此连接。泵操作点位置由用于扬程的威卡(Wika)绝对压力传感器以及文氏管(venturetube)上的压差传感器确定，其等于泵流量。此外，在测量中使用便携式超声波流量计(OmegaFD613)，并且它的精确度受到验证以适用于实际流量的测量。

泵位于过程中，其包括两个水容器、阀以及可替换的管线。可以通过调节管线中的阀来修改过程特性曲线的形状和因而产生的操作点位置。

在第一测试序列中，泵的间隙从标称间隙0.5mm增加到1.5mm(间隙1)至1.9mm(间隙2)的间隙。在图5中可以看到间隙的变化的影响。

可以针对不同的间隙执行测量系列，从而检查该方法的功能性。在图6中，针对1.5mm的间隙来检查所提出的方法。基于QP曲线的估计方法估计所述流量小于测量流量10％以上，这将表示泵的磨损影响了之前所建议的估计方法的精确度。如预期的，从-15％至-26％的估计误差范围和误差的相对大小随着渐增的流量而增加。

在图7中示出了针对1.9mm间隙的测量系列。流量的相对估计误差的范围为从-16％至-28％，并且误差作为流量的函数增加。在图6和图7的结果之间不存在显著的差异，但是在两种情况中，泵的性能降低导致了错误的估计结果。

在第二测试序列中，泵叶轮的出口叶片将会逐渐地研磨(ground)，以类似于通过降低有效叶轮直径来降低泵性能。在每个磨削阶段之后，执行若干测量序列。最终，使用研磨叶轮执行测量序列，获得了与原始情况相比泵性能的下降可以被可靠地检测的结果。应当注意的是，该测试效仿叶片的初期磨损，这是因为所述有效直径只是在出口叶片的顶部处被减小。此外，实际上磨削可以提高叶轮面的质量(即，使表面的粗糙变平滑)，从而部分地补偿磨损对叶片边的影响。

首先，在1450rpm的转速测量泵特性曲线，并且可以将这些特性曲线与之前测量(参考)的特性曲线在图8中一起示出。在图8中可以看到：初期磨损降低了泵输出和泵轴功率，如图2中所示出的。

以四个特定阀设置和三个转速(1380、1452和1500rpm)来测量具有磨损的叶轮的泵的操作。在图9中给出了在针对具有1380rpm转速的系列的基于QP曲线的估计方法中产生的误差。相对误差的范围为从-22％至-28％。

还可以使用相同的阀设置来执行具有1452rpm的转速的测量系列。在图10中示出了估计结果，并且所述估计结果类似于之前示出的结果。

在图11中的1500rpm的转速给出了与先前介绍的在较低转速下的测量系列相同的结果。基于QP曲线的估计方法产生了比测量的流量低了超过20％的估计。相对估计误差为从-24％至-32％。

如果存在跨(across)泵可用的压力差测量，则可以精确地确定泵扬程。这还使得能够使用基于QH曲线的计算方法来进行泵流量估计。此外，扬程测量还使得能够通过若干可替代装置来检测泵磨损。所有的这些依赖于磨损的发展影响泵的特性曲线(即，QP和QH曲线)的事实。在下面的部分中，给出了可以如何在磨损检测中利用扬程测量的示例。

众所周知的、可能的最可靠的用于检测泵磨损的方法是针对关闭的阀运行泵。在该情况下，泵产生等于它的关闭扬程的扬程。如果与在泵部署期间执行的控制测量相比，泵的关闭扬程及时下降，则泵可以被称为是磨损的。该方法需要针对关闭的阀来使用泵，这不是泵的正常操作点并且通常需要检修人员的一些额外操作，例如关闭阀之类。

泵功率-扬程曲线(PH曲线)可以根据已知的泵特性曲线点来形成。PH曲线还可以根据在一些时间段上的扬程测量和功率估计来形成。当泵被磨损时，扬程-功率曲线开始降低，使得在原始和当前PH曲线之间将会存在差异。在图12中给出了这种情况的示例情况，其中使用了来自增加的间隙的情况的测量数据。如在图12中看到的，功率-扬程曲线与参考情况相比具有静态下降。取决于静态下降的量和它的时间趋势，可以确定泵是否已磨损以及是否应当进行维修。在图12中，6.06kW的功率给出了16.3m的测量扬程H_act，但是该参考曲线表示产生的扬程应当为18.9m(在图中以H_ref表示)。因此，如果测量的扬程小于从PH曲线估计的扬程，则泵被称为已磨损。

存在有两种公知的用于泵操作点位置(Q和H)的估计方法：基于QP曲线的方法和基于QH曲线的估计方法，其中使用测量的扬程和泵QH特性曲线来估计泵操作点。在两种估计方法中，磨损的泵都产生与原始“健康”状况相比增加的估计误差。对于QP曲线估计方法，如之前所述的，流量估计给出了低于真实流量的流量。相应地，基于QH曲线的方法给出了与真实流量相比较高的流量。因此，可以通过监测如下特征来检测泵的磨损：

1)由QP和QH估计方法产生的流量差的符号sgn(Q_est,QP－Q_est,QH)应该为负；

2)相对估计误差的大小(例如时间系列行为或趋势)描述了磨损度或磨损的发展。相对估计误差的大小可以例如使用下式来计算：

$\left|\frac{Q_{\mathrm{est},\mathrm{QP}}-Q_{\mathrm{est},\mathrm{QH}}}{Q_{\mathrm{act}}}\right|\&CenterDot;100\%---\left(8\right)$

当实际流量已知时，在图13和图14中给出了这种情况的示例。在图13中，在磨损的泵中的真实流量Q_act为19.8I/s，并且泵产生17.6m的扬程。对于该扬程，QH估计方法将流量Q_est,QH估计为24.1I/s，其明显地高于真实流量值19.8I/s。

图14示出了对于为19.8I/s的相同真实流量Q_act，磨损的泵的估计功耗P_est为5.7kW。在基于QP曲线的估计中，估计的功率和给出的参考曲线针对流量Q_est,QP给出了16.9I/s的估计，其明显地低于19.8I/s的真实流量Q_act。

因此，假定两种估计结果在泵的寿命周期的开始对应于彼此，并且随着时间的变化，所述估计开始逐渐远离，可以说泵逐渐变得磨损。该示例示出了针对增加的间隙，所述估计方法的差异应当变得明显，如Q_est,QH为24.1I/s，而Q_est,QP为16.9I/s。

所提出的求差方法以与之前提出的方法相同的测量方式进行评估。在图15中给出了在1380rpm的转速下具有不同的阀设置的估计误差。参考测量的流量估计(参见子图参考)在真实流量的±1I/s范围内，但除了估计误差为4I/s的一个情况的例外，该情况可能由测量误差引起。在该情况下，其中泵的间隙是增加的(子图间隙)，基于QH曲线的估计方法的流量估计误差明显地增加至6-8I/s，并且基于QP曲线的估计误差在-1I/s和-7I/s之间。分别地，在叶轮被研磨的情况下(子图磨损)，基于QH曲线的估计误差在3I/s与4.5I/s之间，而对于基于QP曲线的方法，估计误差在-2I/s与-8I/s之间。

在图16中给出了在1450rpm的转速下、具有不同阀设置的测量系列的估计误差。再一次，参考测量系列的流量估计误差在-1…1I/s范围内。在基于QH曲线的估计中的流量误差针对间隙和磨损测量系列分别在5I/s至8I/s之间和3I/s至5I/s之间。对于基于QP曲线的估计方法，估计误差对于间隙和磨损测量系列分别在-2I/s…-7I/s之间和-2I/s…-8I/s之间。

对于在1500rpm处的测量，参考测量系列的估计误差全部在-1…1I/s内。在增加的间隙的情况下，基于QH曲线的估计方法的流量误差是6I/s至9I/s，而基于QP曲线的估计方法的估计误差为-2…-8I/s。在该情况下，其中叶轮逐渐研磨，分别地，基于QH曲线的估计误差为3I/s至4I/s，而基于QP曲线的估计误差为-3I/s…-9I/s。

测量结果示出了对于每个阀设置和每个转速，基于QH曲线的流量估计给出了高于真实流量的流量值。

相应地，根据预期，基于QP曲线的方法给出了特别低的流量估计。因此，在估计上的差异和随时间的漂移指示了泵磨损。

所呈现的每个实施例可以用于特定类型的泵操作情况中。在下面的情况中给出了一些示例。

当没有额外的测量附连到泵送系统时，则泵磨损检测应当使用基于QP曲线的估计方法和便携式流量测量传感器例如超声波流量计来执行。应当在一些时间段内多次执行流量测量。当估计误差的绝对值随着时间增加且误差的误差符号为负时，观察到磨损的指示。因此，通过监测估计误差的大小和方向来执行所述检测。

如果泵送系统具有扬程测量，则采用将基于QH曲线和基于QP曲线相结合的方法。当所述测量是流量测量时，使用基于QP曲线的方法。再一次，利用了误差在估计中的时域行为，即，误差的大小和它的方向。

当扬程被测量时，则基于QP曲线的方法应当估计低于在基于QH曲线的方法中的流量。因为该差异的绝对值随着时间在先前所示出的方向上增加，所以它可以被解释成磨损的符号。

当使用了永久流量测量时，磨损检测以与便携式测量设备相同的方式来执行，但是是连续地执行。在基于QP曲线的方法中的估计误差的方向和大小被监测并且根据该误差来检测磨损。

所执行的测量表明用于泵流量的基于模型的估计误差可以被用于检测离心泵的磨损。本发明的方法可以检测间隙的增加和叶片磨损两者。取决于可用的测量，性能降低的磨损可以使用基于QP曲线的估计方法和流量测量、使用扬程测量和轴功率估计的组合或使用基于QH和QP曲线的估计方法的组合来检测。

对于本领域的普通技术人员来说，随着技术的进步，可以以各种方式来实现本发明的构思。本发明和本发明的实施例不局限于文中描述的示例，而是可以在所附权利要求的范围内进行变化。

Claims (8)

1.一种检测受控于变频器的泵的磨损的方法，所述变频器提供转速和转矩估计，并且所述泵的特性曲线已知，其特征在于，所述方法包括：

通过测量所述泵产生的流量Q_act或扬程H_act来获得表示所述泵的操作点的值的步骤；

通过使用基于所述泵的特性曲线、所述泵的估计转速n_est以及所述泵的估计转矩T_est的计算来估计表示所述泵的操作点的值的步骤；

根据所获得的表示所述泵的操作点的值和根据所估计的表示所述泵的操作点的值来计算估计误差的步骤；

在所述泵的使用期间重复上述步骤；以及

根据所述估计误差的大小来检测所述泵的磨损的步骤。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获得表示所述泵的操作点的值的步骤包括当由所述泵产生的扬程被测量时使用所述泵的QH曲线来获得表示流量Q_est,QH的值的步骤。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获得表示所述泵的操作点的值的步骤包括使用测量到的流量作为表示所述泵的操作点的值的步骤。

4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

通过使用利用由所述变频器提供的转速和转矩估计的基于QP曲线的估计来估计由所述泵产生的流量Q_est,QP，并且所述计算估计误差的步骤包括：

计算所述流量的相对估计误差和所述估计误差的符号，并且所述检测所述泵的磨损的步骤包括：

根据所述相对估计误差的大小和根据所述估计误差的符号来检测所述泵的磨损。

5.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述检测所述泵的磨损的步骤包括：当所述估计误差的符号在重复测量中保持相同并且所述流量的相对估计误差的大小在所述重复测量中逐渐增加时检测所述泵的磨损。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获得表示所述泵的操作点的值的步骤包括使用测量到的扬程作为表示所述泵的操作点的值的步骤，并且所述估计表示所述泵的操作点的值的步骤包括：

通过使用根据所述泵的估计转速、估计转矩以及PH曲线计算的估计功率来估计所述泵的扬程，并且所述计算估计误差的步骤包括：

计算所估计的扬程和所测量的扬程之间的估计误差。

7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，由所述泵产生的流量通过使用便携式测量设备来测量。

8.一种用于检测受控于变频器的泵的磨损的机构，所述变频器提供转速和转矩估计，所述泵的特性曲线已知，其特征在于，所述机构包括：

用于通过测量由所述泵产生的流量Q_act或扬程H_act来获得表示所述泵的操作点的值的装置；

用于通过使用基于所述泵的特性曲线、所述泵的估计转速n_est和所述泵的估计转矩T_est的计算来估计表示所述泵的操作点的值的装置；

用于根据所获得的表示所述泵的操作点的值和根据所估计的表示所述泵的操作点的值来计算估计误差的装置；

用于在所述泵的使用期间重复上述装置的操作的装置；以及

用于根据所述估计误差的大小来检测所述泵的磨损的装置。