CN103104509A - 变频水泵全工况运行状态获取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变频水泵全工况运行状态获取方法，根据管网阻抗，确定构成水系统的管网特性曲线；确定水泵额定频率工况下的H-Q和η-Q曲线，将额定频率下扬程和效率随流量的变化参数利用最小二乘法进行多项式拟合，得到扬程和水杯运行效率；结合闭式循环泵变频工况下的H-Q曲线，得到额定频率下的水泵流量和水泵运行频率；结合开式水泵变频工况下的H-Q曲线，得到B点所对应流量、水泵变频后的管网等效曲线所对应的等效阻抗、A点对应的流量及效率；本发明能够根据水泵变频工况下的状态参数，通过分析整个系统变水流量下的运行能耗和运行费用等指标，获得所对应的水泵最佳运行工况，从而为优化变频水泵系统运行控制策略的制定起到重要作用。

Description

变频水泵全工况运行状态获取方法

技术领域

本发明涉及水泵工况运行控制技术领域，特别是涉及一种水泵全工况运行状态的准确获取方法。

背景技术

现有的下水泵运行状态监测设备精度较差，运行管理人员很难通过该监测设备获得水泵变频工况下的状态参数。另外，在下水泵实际运行中，因缺乏准确的变频水泵全工况运行状态获取方法，管理人员为保证系统安全运行，很少对安装变频器的水泵进行变频运行，如此一来，会导致系统输配能耗较高、能源浪费严重。

变频水泵工况下运行状态参数的确定方法是指导运行人员对系统进行科学管理的充分条件。

传统条件下，科研和设计人员根据厂家提供的水泵特性参数和管网特性曲线方程，通过查询图表的方式来获取水泵变频工况下的运行状态参数。上述数据处理方法较为繁琐，对人员专业素质要求较高，而且该方法难以对大量数据进行快速准确的处理，有着巨大的局限性。

发明内容

基于上述现有技术及其缺陷，本发明提出一种变频水泵全工况运行状态获取方法，针对变频水泵实际运行中监测设备无法准确获取水泵运行状态参数的缺点，利用水泵特性曲线和管网特性曲线来分析水泵变频工况下实际运行状态、求解水泵变频工况下实际运行状态参数，从而为水泵变流量调节提供技术支持。

本发明采用如下的技术方案具体实现：

本发明提出一种变频水泵全工况运行状态获取方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、根据管网阻抗，确定闭式水系统管网和开式水系统管网的压降：

H_闭式＝S₁G²

H_开式＝H₀+S₂G²

式中，H_闭式、H_开式分别是闭式水系统管网、开式水系统管网的压降；S₁、S₂分别为闭式水系统、开式水系统的管网阻抗；G为水流量；H₀为水泵吸上高度。

步骤二、确定水泵额定频率工况下的H-Q和η-Q曲线，将额定频率下扬程和效率随流量的变化参数利用最小二乘法进行多项式拟合，得到：

H＝a₀+a₁G+a₂G²

η_p＝b₀+b₁G+b₂G²

式中，H为水泵额定工况下的扬程；a₀、a₁、a₂、b₀、b₁、b₂为拟合公式中对应项的系数；η_p为水泵的效率。

基于水泵相似定律，变频工况下水泵扬程随流量的变化曲线入下：

H_变频＝a₀k²+a₁kG+a₂G²

$k=\frac{n_c}{n_r}$

式中，H_变频为水泵变频工况下的扬程；k为水泵转速比；n_c、n_r为变频工况和额定工况下水泵运行频率；

步骤三、结合闭式循环泵变频工况下的H-Q曲线，变频工况下水泵工作状态点A、额定工况下水泵工作状态点B为相似工况点，B点对应的水泵效率即为A点的水泵效率。

额定工况下的水泵流量和水泵运行效率的数学表达式如下：

$G_B=\frac{-a_1\±\sqrt{a_1^2-4a_0(a_2-S_1)}}{2(a_2-S_1)}$

${\mathrm{\η}}_{p,B}=b_0+b_1{G}_B+b_2{G}_B^2$

式中，G_B-水泵工频工况点A对应的流量；m³/h；η_p,B-工频工况下的水泵效率；

变频工况的下水泵流量、扬程和功率数学表达式如下：

$G_A=\frac{-a_{1}k\±\sqrt{a_1^2{k}^2-4a_0{k}_2(a_2-S_1)}}{2(a_2-S_1)}$

$H_A=S_1{G}_A^2$

$E_{p,c}=\frac{{\mathrm{HG}}_A}{367{\mathrm{\η}}_{p,A}{\mathrm{\η}}_m{\mathrm{\η}}_v}$

式中，G_A—水泵变频工况B点对应的流量；η_m、η_v—分别为电机效率和变频器效率；

不同转速比下，电机效率和变频器效率的数学表达式可以表述如下：

η_m＝0.941(817-e^-9.04k)

η_v＝0.5087+1.283k-1.42k²+0.5834k³

步骤四、结合开式水泵变频工况下的H-Q曲线，额定工况下水泵的工况点A是变频后水泵的工况点B的相似工况点，A点对应的水泵效率即为点B实际运行效率。分别得到B点所对应流量、水泵变频后的管网等效曲线所对应的等效阻抗、A点对应的流量及效率：

$G_B=\frac{-a_{1}k\±\sqrt{a_1^2{k}^2-4(a_2-S_2)(a_0{k}^2-H_0)}}{2(a_2-S_2)}$

$S_e=\frac{a_0{k}^2+a_{1}k{G}_B+a_2{G}_B^2}{G_B^2}$

$G_A=\frac{-a_1\±\sqrt{a_1^2-4(a_2-S_e)a_0}}{2(a_2-S_e)}$

${\mathrm{\η}}_{p,A}={\mathrm{\η}}_{p,B}=b_0+b_1{G}_A+b_2{G}_A^2$

式中，S_e-开式管网系统变频工况对应的等效特性曲线的管网阻抗；

基于B点所对应的流量、效率即可获取水泵变频工况下的瞬时输入功率：

$E_{B,p,o}=\frac{G_B(H_0+S_e{G}_B^2)}{367{\mathrm{\η}}_{p,A}{\mathrm{\η}}_m{\mathrm{\η}}_v}$

该方法还包括获得系统所对应的水泵最佳运行工况的流程，该流程包括以下步骤：

步骤一、根据水泵状态参数，利用最小二乘法拟合水泵的H-Q和η-Q曲线，然后根据额定频率下的H-Q曲线和水泵相似定律，得到水泵变频工况下的H-Q曲线；

步骤二、投入运行的水系统，通过流量和扬程测试来分析水系统的管网特性曲线；未投入运行的水系统则利用流体力学的理论方法来分析管网特性曲线；

步骤二、联立水泵额定工况下的H-Q、η-Q曲线方程、水泵变频工况下的H-Q曲线方程以及管网特性曲线方程，获得水泵额定工况和变频工况下的状态参数；

步骤四、基于水泵运行中的状态参数，获得水泵该工况下的瞬时输入功率。

所述步骤一还包括对投入运行的水系统，通过流量和扬程测试来分析水系统的管网特性曲线；对未投入运行的水系统则利用流体力学的理论方法来分析管网特性曲线，从而来获得系统所对应的水泵最佳运行工况。

与现有技术相比，本发明能够根据水泵变频工况下的状态参数，通过分析整个系统变水流量下的运行能耗和运行费用等指标，获得系统所对应的水泵最佳运行工况，从而为优化变频水泵系统运行控制策略的制定起到重要作用。

附图说明

图1是本发明的闭式变频水泵变频工况下的H-Q曲线；

图2是本发明的开式变频水泵变频工况下的H-Q曲线；

图3是本发明的变频水泵变频工况下状态参数分析流程图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的具体实施方式进行详细描述，这些实施方式若存在示例性的内容，不应解释成对本发明的限制。

步骤一、确定水系统的管网特性曲线；其确定方法有两种：利用流体力学的理论方法来分析计算管网阻抗或者通过现场实测数据分析计算管网阻抗。系统优化设计阶段采用第一种方法，实际运行中采用第二种方法来保证系统控制精度。闭式管网和开式管网所对应管网特性曲线的数学表达式如下：

H＝S₁G²

H＝H₀+S₂G²

式中，H-水系统管网的压降，单位：m；S₁、S₂-分别为闭式水系统、开式水系统的管网阻抗，单位：s²·m^-5；G—水流量，单位：m³/h；H₀—水泵吸上高度，单位：m。

步骤二、确定水泵额定频率工况下的H-Q和η-Q曲线。要求厂家提供额定频率下扬程和效率随流量的变化参数，将上述数据利用最小二乘法进行多项式拟合，其数学表达式如下：

H＝a₀+a₁G+a₂G²

η_p＝b₀+b₁G+b₂G²

式中，H—水泵额定工况下和变频工况下的扬程，单位：m；η_p—水泵的效率；a₀、a₁、a₂、b₀、b₁、b₂—拟合公式中对应项的系数，拟合系数是通过对水泵厂家提供的特性曲线进行回归分析得到。

根据水泵相似定律，水泵变频工况下的H-Q曲线可以表述如下：

H_变频＝a₀k²+a₁kG+a₂G²

$k=\frac{n_c}{n_r}$

式中，H_变频—水泵变频工况下的扬程，单位：m；k—水泵转速比；n_c、n_r—变频工况和额定工况下水泵运行频率，单位：Hz。

步骤三、针对闭式水泵，根据水泵的相似定理，变频工况下水泵工作状态点A、额定工况下水泵工作状态点B为相似工况点，B点对应的水泵效率即为A点的水泵效率：其中，额定频率下的水泵流量、效率的数学表达式如下：

$G_B=\frac{-a_1\±\sqrt{a_1^2-4a_0(a_2-S_1)}}{2(a_2-S_1)}$

${\mathrm{\η}}_{p,B}=b_0+b_1{G}_B+b_2{G}_B^2$

式中，G_B-水泵工频工况点B对应的流量，单位：m³/h；η_p,B-工频工况下的水泵效率。

变频工况的下水泵流量、扬程和功率的数学表达式如下：

$G_A=\frac{-a_{1}k\±\sqrt{a_1^2{k}^2-4a_0{k}_2(a_2-S_1)}}{2(a_2-S_1)}$

$H_A=S_1{G}_B^2$

$E_{A,p,c}=\frac{{\mathrm{HG}}_B}{367{\mathrm{\η}}_{p,A}{\mathrm{\η}}_m{\mathrm{\η}}_v}$

式中，G_A—水泵变频工况A点对应的流量，单位：m³/h；η_m、η_v—分别为电机效率和变频器效率。

不同转速比下，电机效率和变频器效率可以通过下述数学表达式计算：

η_m＝0.941(817-e^-9.04k)

η_v＝0.5087+1.283k-1.42k²+0.5834k³

步骤四、针对开式水泵，根据水泵的相似定律，额定工况下水泵的工况点A是变频后水泵的工况点B的相似工况点，A点对应的水泵效率即为点B实际运行效率，其中：点B所对应流量、水泵变频后的管网等效曲线所对应的等效阻抗、点A对应的流量及效率的数学表达式如下：

$G_B=\frac{-a_{1}k\±\sqrt{a_1^2{k}^2-4(a_2-S_2)(a_0{k}^2-H_0)}}{2(a_2-S_2)}$

$S_e=\frac{a_0{k}^2+a_{1}k{G}_B+a_2{G}_B^2}{G_B^2}$

$G_A=\frac{-a_1\±\sqrt{a_1^2-4(a_2-S_e)a_0}}{2(a_2-S_e)}$

${\mathrm{\η}}_{p,A}={\mathrm{\η}}_{p,B}=b_0+b_1{G}_A+b_2{G}_A^2$

式中，S_e-开式管网变频工况下对应的等效特性曲线的管网阻抗，单位：s²·m^-5。

基于B点所对应的流量、效率可以求解水泵变频工况下的瞬时输入功率，其数学表达式如下：

$E_{B,p,o}=\frac{G_B(H_0+S_e{G}_B^2)}{367{\mathrm{\η}}_{p,A}{\mathrm{\η}}_m{\mathrm{\η}}_v};$

步骤五：根据水泵变频工况下的状态参数，通过分析整个系统变水流量下的运行能耗和运行费用等指标，可以获得系统所对应的水泵最佳运行工况，从而该方法起到优化系统运行控制策略的作用。

如图1所示，曲线1为水泵额定频率工况下所对应的H-Q曲线，图中曲线2为水泵变频工况下的H-Q曲线，曲线3为水系统的管网特性曲线。点B为额定工况下水泵工作状态点，点A为变频工况下水泵工作状态点。闭式循环泵变频工况下运行状态参数的确定方法包括以下步骤：额定工况下，联立曲线1方程和曲线3方程，即可得到水泵状态点B所对应的流量和扬程，根据水泵的流量即可得到水泵效率，根据水泵的流量、扬程和效率可以计算额定工况下水泵瞬时输入功率。变频工况下，联立曲线2方程和曲线3方程，即可得到水泵状态点A对应的流量和扬程；根据水泵相似定律，A点水泵效率等于B点水泵效率，根据A点对应的流量、扬程以及B点对应的水泵效率即可计算水泵变频工况下的瞬时输入功率。

如图2所示，曲线1为开式水系统的管网特性曲线，曲线2为管网的等效特性曲线，曲线3为水泵额定工况下的H-Q曲线，曲线4为水泵变频工况下所对应的H-Q曲线。式中，H_B为变频工况下水泵扬程；H_C为额定工况下水泵扬程；C点为水泵额定频率下的工况点；B点是变频后水泵的工况点。开式水泵变频工况下运行状态参数的确定方法包括以下步骤：额定工况下，联立曲线1方程和曲线3方程，即可得到水泵状态点C对应的流量和扬程，根据水泵的流量即可得到水泵效率，根据水泵的流量、扬程和效率可以计算额定工况下水泵瞬时输入功率。变频工况下，联立曲线1方程和曲线4方程，即可得到水泵状态点B对应的流量和扬程；根据B点流量和扬程，可以得到管网等效曲线2的方程表达式；联立曲线2方程和曲线3方程，即可得到水泵状态点A对应的下的流量和扬程，根据A点的流量即可得到A点所对应的水泵效率；根据水泵相似定律，A点水泵效率等于B点水泵效率，根据B点对应的流量、扬程以及A点对应的水泵效率即可计算水泵变频工况下的瞬时输入功率。

如图3所示，为本发明的水泵最佳运行状态参数确定的流程图，其确定步骤如下：

（一）根据厂家提供的水泵状态参数，利用最小二乘法拟合水泵的H-Q和η-Q曲线，然后根据额定频率下的H-Q曲线和水泵相似定律，得到水泵变频工况下的H-Q曲线；

（二）投入运行的水系统，通过流量和扬程测试来分析水系统的管网特性曲线；未投入运行的水系统则利用流体力学的理论方法来分析管网特性曲线；

（三）联立水泵额定工况下的H-Q、η-Q曲线方程、水泵变频工况下的H-Q曲线方程以及管网特性曲线方程，即可获得水泵额定工况和变频工况下的状态参数；

（四）基于水泵运行中的状态参数，即可获得水泵该工况下的瞬时输入功率。

Claims (2)

1.一种变频水泵全工况运行状态获取方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、根据管网阻抗，确定闭式水系统管网和开式水系统管网的压降：

H_闭式=S₁G²

H_开式=H₀+S₂G²

式中，H_闭式、H_开式分别是闭式水系统管网、开式水系统管网的压降；S₁、S₂分别为闭式水系统、开式水系统的管网阻抗；G为水流量；H₀为水泵吸上高度;

步骤二、确定水泵额定频率工况下的H-Q和η-Q曲线，将额定频率下扬程和效率随流量的变化参数利用最小二乘法进行多项式拟合，得到：

H=a₀+a₁G+a₂G²

η_p=b₀+b₁G+b₂G²

式中，H为水泵额定工况下的扬程；a₀、a₁、a₂、b₀、b₁、b₂为拟合公式中对应项的系数；η_p为水泵的效率。

基于水泵相似定律，变频工况下水泵扬程随流量的变化曲线入下：

H_变频=a₀k²+a₁kG+a₂G²

$k=\frac{n_c}{n_r}$

式中，H_变频为水泵变频工况下的扬程；k为水泵转速比；n_c、n_r为变频工况和额定工况下水泵运行频率；

步骤三、结合闭式循环泵变频工况下的H-Q曲线，变频工况下水泵工作状态点A、额定工况下水泵工作状态点B为相似工况点，B点对应的水泵效率即为A点的水泵效率。

额定工况下的水泵流量和水泵运行效率的数学表达式如下：

$G_B=\frac{-a_1\±\sqrt{a_1^2-4a_0(a_2-S_1)}}{2(a_2-S_1)}$

${\mathrm{\η}}_{p,B}=b_0+b_1{G}_B+b_2{G}_B^2$

式中，G_B—水泵工频工况点A对应的流量；η_p，B—工频工况下的水泵效率；

变频工况的下水泵流量、扬程和功率数学表达式如下：

$G_A=\frac{-a_{1}k\±\sqrt{a_1^2{k}^2-4a_0{k}_2(a_2-S_1)}}{2(a_2-S_1)}$

$H_A=S_1{G}_A^2$

$E_{p,c}=\frac{{\mathrm{HG}}_A}{367{\mathrm{\η}}_{p,A}{\mathrm{\η}}_m{\mathrm{\η}}_v}$

式中，G_A—水泵变频工况B点对应的流量；η_m、η_v—分别为电机效率和变频器效率；

不同转速比下，电机效率和变频器效率的数学表达式可以表述如下：

η_m=0.94187(1-e^-9.04k)

η_v=0.5087+1.283k-1.42k²+0.5834k³

步骤四、结合开式水泵变频工况下的H-Q曲线（图2），额定工况下水泵的工况点A是变频后水泵的工况点B的相似工况点，A点对应的水泵效率即为点B实际运行效率。分别得到B点所对应流量、水泵变频后的管网等效曲线所对应的等效阻抗、A点对应的流量及效率：

$G_B=\frac{-a_{1}k\±\sqrt{a_1^2{k}^2-4(a_2-S_2)(a_0{k}^2-H_0)}}{2(a_2-S_2)}$

$S_e=\frac{a_0{k}^2+a_{1}k{G}_B+a_2{G}_B^2}{G_B^2}$

$G_A=\frac{-a_1\±\sqrt{a_1^2-4(a_2-S_e)a_0}}{2(a_2-S_e)}$

${\mathrm{\η}}_{p,A}={\mathrm{\η}}_{p,B}=b_0+b_1{G}_A+b_2{G}_A^2$

式中，S_e—开式管网系统变频工况对应的等效特性曲线的管网阻抗；

基于B点所对应的流量、效率即可获取水泵变频工况下的瞬时输入功率：

$E_{B,p,o}=\frac{G_B(H_0+S_e{G}_B^2)}{367{\mathrm{\η}}_{p,A}{\mathrm{\η}}_m{\mathrm{\η}}_v}.$

2.如权利要求1所述的变频水泵全工况运行状态获取方法，其特征在于，所述步骤一还包括对投入运行的水系统通过流量和扬程测试来分析水系统的管网特性曲线；对未投入运行的水系统则利用流体力学的理论方法来分析管网特性曲线，获得系统所对应的水泵最佳运行工况。

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