CN103821733A - 用于近似确定流体输送系统的静压头的方法 - Google Patents

Abstract

本公开内容公开了一种用于近似确定包括流体输送装置的流体输送系统的静压头的方法和实施该方法的设备。该方法包括：确定流体输送装置的转速和功耗；确定第一组数据点；基于第一组数据点计算第二组数据点；基于第二组数据点确定产生通过流体输送装置的流的最小转速；以及基于最小转速确定静压头。

Description

用于近似确定流体输送系统的静压头的方法

技术领域

本发明涉及流体输送系统，更具体地，涉及对流体输送系统的流体输送装置的系统静压头和相关的最小适用转速的确定。

背景技术

泵、风扇以及压缩机被广泛用于工业和市政应用中。虽然泵、风扇以及压缩机应用消耗大量电能，但是它们也具有很大的节能潜力。

可以对这些应用的节约潜力产生影响的变量是系统的静压头。静压头以竖直流体柱高度的形式表示压力差，流体输送装置要克服该压力差以产生流量。

例如在流体输送系统的能量审计和能效优化速度控制、以及装置的转速界限的确定方面，可能需要关于系统静压头方面的信息。

静压头可以是用于定义流体输送装置（如泵、风扇或者压缩机）的最小可能能耗的重要参数。例如，流体输送系统的系统特定能耗E_s（kWh/m³）可以如下定义：

$E_s=\frac{\mathrm{\ρg}(H_{\mathrm{st}}+H_{\mathrm{dyn}})}{{\mathrm{\η}}_{\mathrm{dt}}{\mathrm{\η}}_p}---\left(1\right)$

其中，ρ是流体密度，g是重力加速度，H_st是静压头，H_dyn是由流损失引起的系统动压头，η_dt是传动系效率，η_p是装置效率。等式1示出了H_st对系统特定能耗E_s的直接影响。

如果周边过程允许，那么流体输送系统工作的能效可以通过以下方式优化：在具有最小可能特定能耗的最佳转速下驱动流体输送系统的流体输送装置[1]。由于系统曲线中的静压头可以为最小适用转速设定实际界限，所以静压头可以影响流体输送装置的速度控制方法的可行性[2]。

可以通过附加的测量来确定流体输送系统的静压头[3]。然而，用于附加的测量的传感器可降低系统的成本效率。

也可以通过使用变频器确定系统曲线参数，在没有附加测量的情况下确定流体输送系统的静压头[4]。然而，由于该方法使用最小平方法来确定系统曲线参数，所以该方法的计算量相对高。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种方法以及用于实施该方法的设备，以减轻上述缺点。本发明的目的是通过以独立权利要求中所述的内容来表征的方法和设备来实现的。独立权利要求中公开了本发明的优选实施方式。

所公开方法允许自动确定流体输送系统中的流体输送装置的系统静压头和相关的最小适用转速。所公开方法基于对流体输送装置在不同转速下的轴转矩或功耗的分析，以及对流体输送装置开始向系统提供流量时的转速的确定。

因而，可以将流体输送装置开始提供流量时的转速与流体输送装置的特性曲线一起用来确定流体输送系统的静压头。可以在例如系统启动/关闭过程期间反复执行所公开方法。

所公开方法很好地适合于在变频器上实施。如果变频器提供例如对泵的转速和轴转矩或功耗的估计，则可以在没有附加的传感器的情况下对泵或其电动机轴实施所公开方法。也可以将变频器的可能的内部数据记录器和计算能力用于泵启动期间的数据收集和系统静压头的确定。此外，所公开的方法的计算需求相对低，这使得能够更具成本效率地实施。

附图说明

下面将参照附图通过优选实施方式更加详细地描述本发明，其中，

图1示出静压头的大小可以对泵的工作点具有的影响的示例；

图2示出通过泵的流对功耗的示例影响；

图3示出作为转速的函数的在某一静压头水平下的泵功耗；

图4示出所公开的方法的示例实施方式的基本流程图；

图5示出可以使用所公开的方法的示例泵浦系统；

图6示出收集流体输送系统启动时的特性数据的示例流程图；

图7示出用于测试所公开的方法的示例泵系统；

图8示出图7的系统中的作为转速的函数的轴转矩和所测量的实际流量；以及

图9示出作为转速的函数的泵轴转矩的变化率和该变化率的累积均值。

具体实施方式

静压头可以是用于定义流体输送系统的最小可能能耗的重要参数。装置的转速界限的确定也会需要关于系统静压头的信息。本公开内容公开了一种用于近似确定流体输送系统的流体输送装置的静压头的方法。本公开内容还公开了一种用于实施该方法的设备。

图1示出静压头可以对流体输送装置的工作点以及对用于产生通过流体输送装置的流的最小转速n_min具有的影响的示例。图1中，虚线表示流体输送装置在不同转速下的QH特性。实线表示当静压头H_st为5m和15m时的总系统压头。

系统的工作点在当前QH特性曲线和当前总系统压头曲线的交叉点上。图1中通过小圆圈示出了一些示例工作点。

图1中，当静压头H_st为5m时，最小转速n_min为700rpm左右。使用15米的静压头，产生的n_min为约1200rpm。

当最小转速n_min已知时，可以避免流体输送装置在对流体再循环和/或装置停顿具有较高风险的有害工作范围下工作。

流体输送装置的工作可以分为两个不同的范围：没有产生流的工作和产生流的工作。当系统具有静压头时，流体输送装置在流体输送装置产生的压头H克服流体输送系统的静压头H_st时开始提供流。

在图1的示例系统中，流体输送装置的转速n应为至少700rpm，以克服5m的静压头H_st。在较低的速度下（n＜n_min），流体输送装置实际上在关闭压头条件下工作，意味着虽然流体在流体输送装置中再循环，流体输送装置的流量保持为零。流体输送装置的功耗P应遵循在流体输送装置的特性曲线中获知的相关功耗。

如果仅已知流体输送装置在一种速度下的功耗，则其可以通过如下的通用相似律进行估算：

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

其中，P₀是已知转速n₀下的已知功耗。这些值可以例如由流体输送装置的制造商公布在流体输送装置的数据表中。

基于等式（2），可以计算导数

$\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{dn}}=\frac{3P_0}{n_0^3}{n}^2---\left(3\right)$

其中，流体输送装置的转速n在0rpm和n_min之间。

由于流体输送装置的功耗是流体输送装置的转速n和轴转矩T的产物，所以也可以将轴转矩用作功耗的指标。转矩的通用相似律和其导数为：

$T_n={\left(\frac{n}{n_0}\right)}^2{T}_0---\left(4\right)$

$\frac{\mathrm{dT}}{\mathrm{dn}}=\frac{2T_0}{n_0^2}n---\left(5\right)$

其中，T₀是流体输送装置在已知转速n₀下的已知轴转矩。

相似律基于欧拉等式，欧拉等式不考虑尤其在零流量下出现的流体再循环的影响。因此，当转速低于n_min时，

和

的实际特性可以近似地仅遵循等式（3）和等式（5）。然而，等式（3）和等式（5）可以提供

和

的适当估算。

当流体输送装置的转速高到足以克服静压头H_st时，流体输送装置开始产生流。流量取决于工作点，即流体输送装置QH特性曲线和总系统压头要求H_sys的交叉点的位置（图1中的圆圈）。总系统压头要求H_sys包括静压头H_st和系统中可以以摩擦损耗系数k量化的流量相关的动态损耗（即，动压头H_dyn）：

           H_sys＝H_st+H_dyn                   （6）

           H_dyn＝kQ²                   （7）

其中，Q是流量。

压头的通用相似律是：

$H_n={\left(\frac{n}{n_0}\right)}^2{H}_0---\left(8\right)$

当等式（8）中的转速关系被流量的通用相似律，即：

$\frac{n}{n_0}=\frac{Q_n}{Q_0}---\left(9\right)$

替代时，等式（8）变为：

$H_n=\frac{H_0}{Q_0^2}{Q}_n^2---\left(10\right)$

等式（7）和等式（10）具有相似的形式。因此，当系统压头要求H_sys仅包括动压头H_dyn时，相似律可以预测不同转速下的功耗和工作点位置。与零流量相比，非零流量减小流体再循环现象对相似律的准确度的影响。

然而，如果系统中存在静压头，则如等式（6）表示的系统压头要求不遵循等式（8）的通用相似律。当流体输送装置开始产生流时，流体输送装置的功耗也不再遵循等式（2）或等式（3）。由流引起的动压头H_dyn通常使流体输送装置的功耗增大到超过根据等式（2）或等式（3）的功耗。

图2示出了流量Q对功耗P的示例性影响。用实线示出5米的静压头下的工作点的曲线。用虚线示出不同转速下作为流量Q的函数的功耗P，即，QP特性。用小圆圈标记所示转速下的工作点。

图2中，当转速低于700rpm时，功耗近似遵循等式（2）或等式（3）。然而，当转速超过700rpm时，流体输送装置开始提供流。由转速产生的流造成功耗的增大。图2示出了当遵循工作点位置的实线曲线时功耗的陡峭的上升斜率。因此，功耗不再遵循等式（2）或等式（3）。

作为功耗增大的结果，可以观察到作为转速的函数的流体输送装置功耗的变化率的变化。该变化的位置可以用于指示流体输送装置的最小转速n_min。图3示出了图2中5m静压头水平下的作为转速的函数的功耗。可以看到在流体输送装置开始产生流的700rpm的转速下功耗的明显的斜率变化，即dP/dn。

然后，可以基于最小转速n_min确定静压头。例如，可以通过首先确定所选速度下的关闭压头来确定静压头。关闭压头可以例如由制造商在流体输送装置的数据表上给出。在确定了关闭压头后，可以基于关闭压头、最小转速以及相似律来计算静压头。

可以对流体输送装置在稳态时的轴转矩或功耗进行研究。以这种方式，它们没有受到流体加速度要求或其它瞬变的显著影响。这可以例如通过以低速斜坡来启动流体输送装置或者通过以小步长（例如，100rpm）增大转速而实现。之前介绍的原理在流体输送装置关闭期间也适用。因此，通过使用所公开方法，可以确定流体输送装置启动和/或关闭期间的系统静压头。

所公开方法可以分为四个阶段。图4示出了所公开方法的示例流程图。

在第一阶段41，可以收集流体输送系统的特性数据。这可以例如通过确定流体输送装置的转速和功耗并存储第一组数据点而完成。第一组数据点中的数据点表示某转速下的功耗。例如，可以收集启动和/或关闭期间的特性数据。

在第二阶段42，可以对所收集的数据进行预分析。例如，可以基于第一组数据点来计算第二组数据点。第二组数据点中的数据点可以表示某转速下功耗的变化率。

在第三阶段43，可以基于第二组数据点来确定产生通过流体输送装置的流的最小转速。

在第四阶段44，基于最小转速n_min确定系统静压头H_st。

图5以泵浦系统的形式示出了简化的示例流体输送系统，对于该泵浦系统可以使用所公开方法。泵浦系统50包括容器51、循环系统52、连接至循环系统52的泵53、使泵53旋转的电动机54以及对电动机54供电的变频器55。

在图5中，在所公开方法的第一阶段中通过变频器55来收集泵浦系统50的启动和/或关闭特性。在图5中，可以使用变频器55来确定泵53在启动期间的转速和功耗。变频器55可以例如估计泵53的转速和功耗。或者，可以使用泵53的转矩作为功耗的指标。基于所测量的转速和功耗，变频器55可以存储第一组数据点，其中，第一组的数据点中的数据点表示某转速下的功耗。

可以通过逐步增大泵53的转速来执行启动，使得在每个转速级别后的稳态期间可以进行对功耗的估计。例如，在图5中可以使用50rpm至100rpm的级别。为了根据所收集的数据准确地确定最小转速n_min，逐步增大可以覆盖这样的范围：可以假设最小转速n_min落在该范围中。

还可以通过以下方式进行启动：使用允许确定泵53在其稳态中的功耗的慢斜坡，然后存储作为转速的函数的功耗。

图6示出了收集图5中的系统启动时的特性数据的示例流程图。在图6中，基于速度基准n_ref控制泵53的转速。

在第一步骤61，在速度基准n_ref设为零的情况下启动泵53。

在第二步骤62，变频器55对泵53的转速n_est和功耗P_est进行估计。然后存储该估计值。

接着，在第三步骤63，增大转速基准n_ref。增大可以是逐步的，或者其可以以斜坡的形式。

在第四步骤64，将转速基准n_ref与所设定的界限n₀比较。可以将界限n₀设定为使得可以假设最小转速n_min低于所设定的界限n₀。

如果转速基准n_ref低于所设定的界限n₀，则从第二步骤62开始重复该过程。如果转速基准n_ref不低于所设定的界限n₀，则该过程结束。

在所公开方法的第一阶段中已经收集了足够量的特性数据之后，可以开始所公开方法的第二阶段。在第二阶段中，对所收集的数据进行预分析。例如，在图5的系统中，变频器55基于第一组数据点计算第二组数据点。第二组中的各个数据点表示第一组中的相应数据点的转速下的功耗的变化率。

所公开方法可以例如计算变化率，即功耗的导数，

在第二组数据中，可以计算第一组的每个转速的导数

例如，计算第二组数据点可以包括：选择第一数据点P_m、n_m和与第一组顺序相邻的第二数据点P_m-1、n_m-1；计算第一数据点和第二数据点的功耗之间的功耗差P_m-P_m-1；以及计算第一数据点和第二数据点的转速之间的转速差n_m-n_m-1。然后，可以通过将功耗差除以转速差来计算导数

$\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{dn}}=\frac{P_m-P_{m-1}}{n_m-n_{m-1}}---\left(11\right)$

其中，下标m表示所选数据点的索引。或者，可以以如下与等式11类似的方式计算转矩的变化率

$\frac{\mathrm{dT}}{\mathrm{dn}}=\frac{T_m-T_{m-1}}{n_m-n_{m-1}}---\left(12\right)$

在图5的系统中，当已经预分析了特性数据并且已经形成了第二组数据点时，可以开始第三阶段。在第三阶段中，基于第二组数据点确定产生通过泵53的流的最小转速n_min。

对于第二组中的每个数据点，可以基于先前数据点计算变化率的累积平均。可以根据变换器在不同转速下估计的

来确定最小转速n_min。

基于先前的说明和等式（5），当泵53的转速不足以产生流时，

应形成直线。因为相似律可能给予一定程度的不准确的预测，所以在低于n_min的转速下，

甚至可以保持为常量。然而，当泵53开始产生流时，的变化应是显著的。

可以例如通过计算

的累积均值（平均）以及通过对比每个数据点的变化率

与累积平均，来检测变化率的变化。

如果每个数据点的变化率与累积平均之间的差超过设置的界限，则可以将当前数据点的转速用作最小转速。例如，如果个别

是累积平均值的两倍，则相应转速表示泵53的n_min。

也可以基于所收集的泵功耗估计（即，通过寻找

显著变化的转速）来进行最小转速n_min的确定。

当已经确定了图5的示例系统中产生流的最小转速n_min时，可以在所公开方法的第四阶段中基于最小转速n_min计算相应的系统静压头H_st。

可以假设，由于所产生的流量Q为零（或非常接近零），所以泵53在最小转速n_min下的工作导致与系统静压头H_st对应的泵压头H。

在图5的示例系统中，基于QH特性曲线或制造商公布的关闭压头（即，零流量下的泵压头）来确定所选转速n₀下的关闭压头H_so。然后，将关闭压头H_so输入至变频器55。然后，可以例如基于关闭压头H_so、最小转速n_min、所选速度n₀以及如下相似律来计算系统静压头H_st：

$H_{\mathrm{st}}={\left(\frac{n_{\min }}{n_0}\right)}^2{H}_{\mathrm{so}}---\left(13\right)$

在图5的示例系统中，变频器55可以充当用于实施所公开方法的四个阶段的工具。然而，所公开的方法的实施不限于在变频器上的实施。变频器也可以仅用作测量信息源。例如，可以在单独的设备（如可以访问变频器55的估值（n_est和T_est/P_est）并且具有能力来控制泵53的工作的可编程逻辑控制器（PLC）、FPGA或者微处理器）上实施所公开方法。图5的示例系统包括作为用于产生流的工具的泵53，但是所公开方法相应地适用于鼓风机、风扇以及压缩机，因为其工作原理和系统特性与泵很相似。

所公开方法通过示例泵系统被测试。图7示出了泵系统的简化示意图。泵系统包括水容器71、水循环系统72、连接至水循环系统72的泵73、使泵73旋转的电动机74以及对电动机74供电的变频器75。

在图7的示例泵系统中，水循环系统72在测试期间产生约5.6米的静压头H_st。静压头H_st的准确大小受容器71中的水量影响。

泵73是转速n₀为1450rpm下关闭压头H_so为22m的Sulzer APP22-80离心泵。

电动机74是ABB11kW感应电动机，变频器75是ABB ACS800变频器。变频器75提供对泵转速n_est、轴转矩T_est以及功耗P_est的估值。

循环系统72装配有允许测量泵73的实际流量Q和压头H的传感器76。测量传感器76和变频器75连接至测量计算机77，测量计算机77允许读取和存储来自传感器76和变频器75的信号。

在测试的第一阶段中，确定泵73的转速和功耗，然后收集第一组数据点。第一组中的每个数据点表示某转速下的功耗。在0rpm至1100rpm范围内的所选转速下驱动泵73。在每个转速下，将由变频器75产生的转速、转矩以及功耗的估值存储在计算机77中。同时，将来自传感器76的读数存储在计算机77中。

在图8中，轴转矩T_est和测量的实际流量Q被示出为转速n_est的函数。当转速n_est在750rpm和800rpm之间时，泵73开始产生流。在该区域中，轴转矩T_est的斜率也变得更陡峭。

在第二阶段中，基于第一组数据点计算第二组数据点。第二组中的每个数据点表示第一组中的数据点的转速下的功耗的变化率。针对每个转速计算轴转矩的变化率

在第三阶段中，基于第二组数据点确定最小转速。计算

的累积均值（平均）。然后，通过对比

和其累积平均值来检测允许产生流的最小转速n_min。

图9示出了作为转速n_est的函数的泵轴转矩的变化率

和变化率

的累积均值。图9示出当泵开始产生流时，

与其累积均值（平均）相比显著增大。在这种情况下，假设n_min在750rpm和800rpm之间。

最后在测试的第四步骤中，基于最小转速确定静压头H_st。基于1450rpm下的已知关闭压头H_so和等式（13），估计的系统静压头近似在5.9米和6.7米之间。

H_st的估计准确度尤其受泵73的关闭压头H_so信息的准确度和用于收集启动特性或关闭特性的速度间距的影响。

虽然在实际的静压头H_st（5.6m）和估算的静压头H_st（5.9m-6.7m）之间存在细微差异，但是对于静压头和相关的最小适用转速n_min，所公开方法提供了可行的结果。

对于本领域的技术人员来说明显的是，可以以多种方式实施本发明构思。本发明和其实施方式不限于上述示例，而是可以在权利要求的范围内变化。

参考文献

[1]Jero Ahola,Tero Ahonen and Jussi Tamminen,Method and apparatusfor optimizing energy efficiency of pumping system,欧洲专利申请EP11195777.5.

[2]Europump and Hydraulic Institute,Variable speed pumping–A guideto successful applications,ISBN1-85617-449-2.

[3]Yasumoto Koji and Yoshida Satoshi,Measuring device of pumpdischarge flow,日本专利JP3168386(A).

[4]Tero Ahonen,Jero Ahola and Jussi Tamminen,Method in connectionwith a pump driven with a frequency converter and frequency converter,欧洲专利申请EP2354556(A1).

Claims (7)

1.一种用于近似确定流体输送系统的静压头的方法，所述流体输送系统包括流体输送装置，其中，所述方法包括：

确定所述流体输送装置的转速和功耗；

确定第一组数据点，其中所述第一组数据点中的数据点表示某转速下的功耗；

基于所述第一组数据点计算第二组数据点，其中所述第二组数据点中的数据点表示所述第一组数据点中的所述数据点的所述转速下的功耗的变化率；

基于所述第二组数据点确定产生通过所述流体输送装置的流的最小转速；以及

基于所述最小转速确定所述静压头。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述流体输送装置的转矩被用作所述功耗的指标。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，计算所述第二组数据点包括：

从所述第一组数据点选择第一数据点和顺序相邻的第二数据点；

计算所述第一数据点的功耗与所述第二数据点的功耗之间的功耗差；

计算所述第一数据点的转速与所述第二数据点的转速之间的转速差；

将所述功耗差除以所述转速差。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，确定最小转速包括，针对所述第二组数据点中的每个数据点：

基于先前数据点计算所述变化率的累积平均；

将所述每个数据点的所述变化率与所述累积平均进行比较；以及

如果所述每个数据点的所述变化率与所述累积平均之间的差超过设定的界限，则使用所述每个数据点的转速作为所述最小转速。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，确定所述静压头包括：

确定选择的速度下的关闭压头；以及

基于所述关闭压头、所述最小转速、所述选择的速度以及相似律来计算所述静压头。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，通过将所述关闭压头乘以所述最小转速与所述选择的转速之比的平方，来计算所述静压头。

7.一种用于近似确定流体输送系统的静压头的设备，所述流体输送系统包括流体输送装置，其中，所述设备包括被配置成进行以下操作的装置：

确定所述流体输送装置的转速和功耗；

确定第一组数据点，其中所述第一组数据点中的数据点表示某转速下的功耗；

基于所述第一组数据点计算第二组数据点，其中所述第二组数据点中的数据点表示所述第一组数据点中的所述数据点的所述转速下的功耗的变化率；

基于所述第二组数据点确定产生通过所述流体输送装置的流的最小转速；以及

基于所述最小转速确定所述静压头。

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