CN102734184B - 估计泵的流速的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种在泵被频率转换器控制、所述频率转换器产生对于泵的旋转速度和扭矩的估值且泵的特性曲线是已知时确定由泵产生的流速(Q)的方法和设备。上述方法包括确定泵的QH曲线的形状，基于QH曲线的形状将QH曲线划分为两个或更多个区域，确定泵在QH曲线的哪个区域操作，以及使用确定的特性曲线的操作区域确定泵的流速(Q)。

Description

估计泵的流速的方法和装置

技术领域

本发明涉及估计泵或风机产生的流速，更具体地涉及估计由频率转换器控制的系统中的流速。

背景技术

泵广泛应用于工业应用中，并且它们消耗巨大量的能量。工业部门消耗的全部电的大约15％消耗在泵应用中。由于电的价格持续增长且出现了减少能量消耗的需要，监控泵系统的能量效率变得更加重要。为了监控能量效率或控制泵，应该确定操作点的位置。

有一些使用或不使用额外的传感器估计泵的操作点的方法。最常规和准确的方法是直接测量泵的流量和扬程，其需要两个或三个单独的传感器。另外，有可用的基于模型的方法，其是基于频率转换器的旋转速度和扭矩估计以及泵的特性曲线，但是所有这些模型具有它们的缺点。利用测量的泵的扬程估计泵操作点的方法，后面被称为基于QH曲线的方法，在较低流速情况下不准确，在较低流速情况下扬程曲线在一些情况中是平坦的或不是单调递减的，但该方法在高流速情况下的准确度会有所提高。另一种用于频率转换器的基于模型的方法是利用估计的功率消耗和旋转速度来估计泵的操作点的方法，这种方法后面被称为基于QP曲线的方法。在功率曲线为非单调时(通常出现在与泵的额定流速相比的高流速处)，这种方法不适用。然而，该估计在较低流速的情况下更准确。通常，可以说上述两种方法的准确度都受特性曲线的形状的影响。

以上提到的用在频率转换器中的两种方法均应用泵特性曲线作为泵的模型。这些曲线是泵的流速相对于扬程的曲线(QH曲线)以及流速相对于功率的曲线(QP曲线)。上述曲线由泵制造厂商提供，并且对所有泵都是可得到的。传统的离心泵的特性曲线的例子可见于图1中。特别地图1给出了针对比速(specific speed)n_q＝30的径流式离心泵的特性曲线。在左图上有扬程相对于流速(QH)的曲线和净正吸收扬程相对于流速的曲线，在右图上有功率相对于流速(QP)的曲线。在上面提到的特性曲线是非单调的情况中，泵的操作点的估计可能会有问题。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种用于解决上述问题的方法和用于实现该方法的设备。本发明的目的通过由独立权利要求中所阐述的内容限定的方法和设备实现。本发明的优选实施例在附属权利要求中被揭示。所提出的方法的思想是结合泵操作点估计的两个现有方法(基于QH曲线的方法和基于QP曲线的方法)以及尽可能准确地确定操作点位置。

当扬程单调递减且流速相对于扬程的曲线具有陡降时，基于QH曲线的计算方法在较高流速的情况下具有其最好的准确度。另一方面，在低流速的情况下，当在该区域中作为流速的函数所产生的扬程几乎没有改变或扬程曲线是非单调时，基于QH曲线的方法不准确或者不能使用。这种效果可从图3中看到。当在低流速区域(ΔH₁，ΔQ₁)中操作时，两个流速对应于一个扬程值。另外，当在曲线的扬程峰值附近操作时，扬程的小变化对应于流速的大变化。这也发生在扬程曲线是平坦的时候。另一方面，当在较大的流速(ΔH₂，ΔQ₂)处操作时，QH曲线陡峭且测量的扬程的小变化对估计的流速没有明显的影响，因此在该区域中基于QH曲线的方法更准确和可靠。

对应地，基于QP曲线的方法可能在高流速的情况下不能使用或者不准确，其中流速相对于功率的曲线趋向于非单调的或者平坦的，特别是在混流式离心泵的情况中。另一方面，如果泵QP特性曲线在低流速的情况下在该区域陡峭，基于QP曲线的方法在低流速的情况下可相当准确。这样的一个例子可从图4中看到。功率在小流速(ΔP₁，ΔQ₁)情况下的小变化对流速的估计没有明显影响。当功率曲线在高流速(ΔP₂，ΔQ₂)的情况下不是连续递增时，一个功率值对应于若干个流速，因此基于QP曲线的方法在高流速的情况下不能使用或者不准确。

通过结合这两种方法及在其准确的区域中使用它们，泵操作点估计的准确度和可靠度可被提升。本发明的方法主要利用基于QH曲线的估计，但是当基于QH曲线的估计方法不能使用时，使用基于QP曲线的方法作为辅助或者作为唯一的估计方法。

本发明的优点在于，在对于单个的估计方法特性曲线有问题的情况下增加了估计的准确度。

附图说明

下面通过优选实施例并对照附图来更详细地描述本发明，附图中：

图1示出了泵特性曲线的例子；

图2示出了比速对泵特性曲线形状的影响；

图3示出了QH曲线形状对估计准确度的影响；

图4示出了操作点和泵特性曲线对基于QP曲线的操作点估计方法

的准确度的影响；

图5示出了基于QP曲线的估计；以及

图6、7、8和9示出了本发明的操作。

具体实施方式

有若干类型的泵，所有类型的泵都具有其自身的典型的特性曲线形状。该曲线形状与泵的比速相关性较强，该无量纲的值可根据下式计算得出：

$n_q=n\frac{\sqrt{Q}}{H^{\frac{3}{4}}}---\left(1\right)$

所提出的用于计算流量的方法对于具有小的比速的泵特别有用。正如从图2中可看到的，当比速小时(例如n_q＝13)，扬程曲线平坦，但是功率曲线单调递增。当比速增加时，扬程曲线单调递减的程度加剧，具有很少的或没有平坦部分，因此QH曲线估计法在所有操作点都适用于它们。也可能存在具有S形QH曲线的泵，且所提出的方法也可能适用于它们。这在对QH曲线中出现S形的操作区域可得到单调的QP曲线的情况下也是可能的。这些类型的曲线主要出现在混合和轴流式设备中。

然而，如果在流速的一些范围内功率估计产生针对流速的若干估计，以及在同样的范围内测量的扬程对应于若干扬程，用于流速估计的该方法就不能使用。

离心泵的特性和一般性能可通过在恒定旋转速度的情况下作为流速Q的函数、用于扬程H、轴功率消耗P和效率η的特性曲线来可视化。由于由频率转换器驱动的泵可在各种旋转速度下运转，泵特性曲线需要被转换为瞬时旋转速度。这可利用以下的亲和定律(affinity law)来实现：

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

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

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

其中，Q是流速，H是泵扬程，P是泵轴功率消耗，n是旋转速度，以及下标₀代表例如在公开的特性曲线中给出的初始值。

如图5所示，泵特性曲线允许通过利用可从频率转换得到的旋转速度估计值和轴扭矩估计值(分别为n_est和T_est)来进行泵操作点位置和效率的无传感器估计。这个基于模型的泵操作位置估计方法是公知的，此文件中不再讨论。

可利用压力测量和泵特性曲线来估计泵输出。估计流程几乎和图5中的相同，但是流速是根据测量的扬程和QH曲线估计的。基于QH曲线的方法是公知的且已用在频率转换器中。

本发明的估计方法在任何可能的时候都利用基于QH曲线的计算方法，这是因为来自该过程的实际的扬程测量使得其本质上比基于QP曲线的方法更准确和可靠。当泵的扬程作为流速的函数不下降时，采用基于QP曲线的估计。当QH曲线具有两个或更多流速与单个扬程相对应时，基于QP曲线的方法用作额外的信息。在这个区域基于QP曲线的估计被用于确定操作点位置是位于QH曲线的上升部分还是下降部分。

根据本发明，QH曲线的形状首先被确定，然后QH曲线依据其形状被划分为两个或更多区域。

优选地，QH曲线被划分为具有相似的性质的区域。如果曲线具有单个的高峰，曲线被划分为位于高峰两侧的两个区域(参见以下的示例1)。如果QH曲线具有平坦区域，曲线在曲线开始变陡的点处被划分。曲线的变陡可基于曲线导数确定(示例2)。

在一些示例中QH曲线被划分为三个区域。正如以下结合示例3所述，QH曲线可以是S形。在这种情况下曲线的每个单调递减或递增部分形成区域。

如上所述，可以计算曲线的导数。当导数为零时，曲线的区域改变。换句话说，QH曲线的零导数点是其中区域改变的界限。由于QH曲线在可读存储器中，通过求得曲线的最高和最低值，或者，扬程值由上升变为下降或者扬程值由下降变为上升时的流的值，曲线可被轻易地划分成区域。

本发明的方法进一步包括确定泵在QH曲线哪个区域运行以及使用确定的特性曲线的运行区域确定泵的流速。根据QH曲线的形状以两种不同的方式来执行该确定。如果QH曲线具有其中曲线不下降或仅很少地下降的区域，则基于测量的扬程来确定该区域(示例2)。如果测量的扬程位于大体上平坦的区域上，QH曲线不能给出可靠的结果，则使用基于QP曲线的方法来确定流的值。另一方面，如果测量的扬程处于大体上平坦的区域以外，可使用测量的扬程通过基于QH曲线的计算来确定流。

如果QH曲线具有两个或更多个扬程作为流的函数而下降或上升的区域(示例1和3)，则通过以下方式确定流速。首先利用基于QP曲线的方法来确定泵在哪个区域运行。在基于QP曲线的方法中，首先使用从频率转换器获得的估值来确定泵消耗的功率。频率转换器产生泵的旋转速度和泵的扭矩的估值。该信息被用于计算泵所使用的功率P。当估计功率时，利用该功率使用QP曲线估计流速。然后估计的流速被用于确定泵操作在QH曲线的哪个区域。所讨论的区域然后被用于基于QH曲线的计算中以基于测量的扬程估计流速。因此使用基于QP曲线的方法估计的流速不用作代表泵的操作点，而仅用以确定泵操作在QH曲线的哪个区域。

泵的流速和效率被估计，但是从不用估计的扬程来代替测量的扬程。此外，在任何情况下都不从特性曲线估计使用的功率，而是使用由频率转换器给出的更准确的估计。

以下结合图6、7、8和9给出用于说明该方法的操作的一些例子。

示例1：非单调性的扬程相对于流速的曲线(图6)

当泵具有非单调性的扬程相对于流速的曲线时，该方法使用基于QP曲线的估计以确定(61)流速Q_QP的估值。该流速进一步用以确定(62)操作点是在高峰H值的左侧还是右侧。在确定后，使用测量的扬程来确定流速(63)。在示例1的例子中，估计的流Q_QP在高峰扬程的左侧，且QH曲线的左侧用于确定流速。

图6、7和8的流程图中还包括了QP曲线和QH曲线的图示，以更好地理解流程图和本发明。

示例2：QH曲线(图7)没有下降或者下降很少

如果在泵的QH曲线中没有下降或者下降很少，应当确定不使用基于QH曲线的估计方法的区域(71)。此区域可被限制至QH曲线导数的特定值，例如，0.1m·s/l，其表示测量的扬程的0.1米的变化对应于流速的1 I/s的变化。当不能使用的扬程区域被确定时，扬程被测量(72)以检查泵是否运行在该区域(73)。

如果泵在该不能使用的扬程区域之外(74)，则使用基于QH曲线的估计方法，否则使用基于QP曲线的方法(75)。流程图和曲线形状在图7中给出。

示例3：S形QH曲线(图8)

在一些情况中，QH曲线是S形的，特别是在轴流式设备中。该方法的操作基本上与结合以上示例1的相同。在这种情况下QH曲线被划分为曲线上升或下降的区域。在图8的例子中，使用基于QP曲线的估计方法(81)确定(82)QH曲线的单调递增部分。根据QH曲线的该单调部分，利用测量的扬程来估计流速(83)。

示例4：在相同流速区域的S形的QP和QH曲线

可能具有如下情况，其中在相同流速区域内，QH和QP曲线是S形的，如图9所示，流速在Q₁和Q₂之间。在这些情况下该方法不为泵流速估计提供额外的助益。

当使用两种估计方法时，基于QH曲线的方法给出基于QP曲线的流速估值应该存在于其中的可接受的流速范围。如果基于QP曲线的估值在该可接受的流速范围外，则不能使用所提出的方法，这是因为在QP模型中具有一些不准确性，使得估计有缺陷。可以例如通过使用等于H_meas+0.5m和H_meas-0.5m的扬程估计流速，来确定流速的可接受范围，其中H_meas是测量的扬程。

估计方法的差异可能有不同的原因。生产厂商提供的QP曲线可能不准确。这种情况下QP曲线应该被测量以增强QP曲线的准确性。

另外，估计中的差异的另一种可能的原因是泵中累积的磨损。这在泵被操作一段时间后开始出现差异时尤其如此。

风扇类似于泵，且因此该方法也适用于风扇。生产厂商提供总压力相对于流速的曲线和功率相对于流速的曲线。在风扇中，总压力类似于泵中的扬程。因此所提出的方法的使用也可稍加变化或不用变化地适用于风扇。当旋转速度变化时，公式(2)-(4)给出的亲和定律可适用于风扇。

由于静压力比总压力更易于测量且也更经常地被使用，如果需要，生产厂商提供的总压力曲线可被转换为静压力相对于流速的曲线。这可以通过去除总压力的动态部分来轻易地完成。

$p_{\mathrm{static}}=p_{\mathrm{total}}-\frac{1}{2}\mathrm{\ρ}{\left(\frac{Q_V}{A}\right)}^2---\left(5\right)$

其中ρ是流体密度，Q_V是容积流速，A是其中流被测量的横截面积。该横截面积通常为风扇入口面积，但是在风扇的数据表中可被定义为其他事物。

本领域的技术人员清楚的是，随着技术进步，本发明的概念可以以多种方式来完成。本发明及其实施例不限于以上描述的例子，而是可以在权利要求的范围内变化。

Claims (7)

1.一种在泵被频率转换器控制、所述频率转换器产生对于泵的旋转速度和扭矩的估值且泵的QH和QP曲线是已知的情况下确定由泵产生的流速(Q)的方法，所述方法包括：

确定所述泵的QH曲线的单调性，

基于所述QH曲线的导数将所述QH曲线划分为两个或更多个区域，

确定所述泵在所述QH曲线的哪个区域操作，以及

使用确定的所述QH曲线的操作区域确定所述泵的流速(Q)，其特征在于，确定所述操作区域包括如下步骤：

测量所述泵产生的扬程，

使用基于QP曲线的方法估计流速，以及

从所述估计的流速确定所述操作区域，以及

所述流速是使用所确定的所述QH曲线的区域和所测量的由所述泵产生的扬程来确定的。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过确定所述QH曲线的导数来确定所述QH曲线的形状，所述确定的导数用于将所述QH曲线划分为不同的区域。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，根据转换为所述泵的旋转速度的QH曲线，在所述频率转换器中确定所述QH曲线的形状。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述泵是风机，并且在所述方法中，所述QH曲线被代表所述风机的特性的压力相对于流速的曲线代替。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述泵是风机，并且在所述方法中，所述QH曲线被代表所述风机的特性的压力相对于流速的曲线代替。

6.一种在泵被频率转换器控制、所述频率转换器产生对于泵的旋转速度和扭矩的估值且所述泵的QH和QP曲线是已知的情况下确定由泵产生的流速(Q)的设备，所述设备包括：

用于确定所述泵的QH曲线的单调性的装置，

用于基于所述QH曲线的导数将所述QH曲线划分为两个或更多个区域的装置，

用于确定所述泵在所述QH曲线的哪个区域操作的装置，以及

用于使用确定的所述QH曲线的操作区域确定所述泵的流速(Q)的装置，其特征在于，用于确定所述操作区域的装置包括

用于测量所述泵产生的扬程的装置，

用于使用基于QP曲线的方法估计流速的装置，以及

用于从所述估计的流速确定所述操作区域的装置，以及

所述的用于确定所述流速的装置适于使用所确定的所述QH曲线的区域和所测量的由所述泵产生的扬程来确定所述流速。

7.根据权利要求6的设备，其特征在于，所述泵是风机，并且所述QH曲线被压力相对于流速的曲线代替，所述压力相对于流速的曲线代表所述风机的特性。