CN104141603A - 具有节能作用的水泵控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水泵控制系统，其包括：水泵、水泵变频装置和水泵控制装置；所述水泵控制装置包括：水泵扬程获取模块，根据水泵的流量、功率以及效率获取水泵的扬程；泵站/泵组扬程获取模块，根据泵站/泵组静扬程、已知工作点泵站/泵组静扬程、已知工作点水泵流量、已知工作点水泵扬程、水泵实时流量获取泵站/泵组扬程；以及所述水泵控制装置控制所述水泵变频装置，以使得水泵扬程获取模块获取的水泵扬程大于所述泵站/泵组扬程获取模块获取的泵站/泵组扬程。
Description
技术领域
本发明涉及一种水泵控制系统，尤其涉及一种具有节能作用的水泵控制系统。
背景技术
水泵在出厂时只有水泵额定转速下运行时的性能曲线，一般是按供水系统设计时最大工况需求来考虑，而用水系统实际使用中有很多时间不一定能达到用水最大量，在泵站或泵组的运行状态情况下，由于水泵的安全余量设置，使水泵不能在最佳的运行能效点上运行，达不到节能的目的。
首先，对本发明中所使用的术语的含义进行解释。
“比能(Es)”是指水泵输送每一立方水所消耗的电能，单位：kWh/m3。
“最大静扬程”是指从水泵进口至泵站出水口水所需要的势能，单位：m。
“水泵流量(Q)”是指单位时间内从泵出口排出并进入管路系统的液体体积，单位：m3/h。
“水泵扬程(H)”是指液体经泵后所获得的机械能(势能)，单位：m。
“水泵效率(η)”是指水泵的输出功率(有效功率)Pu与输入功率(轴功率)P之比。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种水泵控制系统，其包括：水泵、水泵变频装置和水泵控制装置；
所述水泵控制装置包括：
水泵扬程获取模块，根据水泵的流量、功率以及效率获取水泵的扬程；
泵站/泵组扬程获取模块，根据泵站/泵组静扬程、已知工作点泵站/泵组静扬程、已知工作点水泵流量、已知工作点水泵扬程、水泵实时流量获取泵站/泵组扬程；以及
所述水泵控制装置控制所述水泵变频装置，以使得水泵扬程获取模块获取的水泵扬程大于所述泵站/泵组扬程获取模块获取的泵站/泵组扬程。
进一步地，其中，所述水泵扬程获取模块进一步获取水泵的流量-扬程曲线，所述泵站/泵组扬程获取模块进一步获取泵站/泵组的流量-扬程曲线；所述水泵控制装置进一步包括泵站/泵组更新扬程获取模块，所述泵站/泵组更新扬程获取模块根据水泵的流量-扬程曲线以及泵站/泵组的流量-扬程曲线获取泵站/泵组更新的流量-扬程曲线；所述水泵控制装置根据泵站/泵组更新的流量-扬程曲线，控制水泵变频装置。
进一步地，其中，所述泵站/泵组更新扬程获取模块根据水泵的流量-扬程曲线以及泵站/泵组的流量-扬程曲线获取泵站/泵组更新的流量-扬程曲线，通过以下方式获取，
根据水泵的流量-扬程曲线与泵站/泵组的流量-扬程曲线的交点拟合得到泵站/泵组更新的流量-扬程曲线。
进一步地，其中，所述水泵控制装置还包括：水泵变频流量获取模块，根据水泵的流量、功率、效率、转速比以及所述水泵的扬程，获取水泵变频流量。
进一步地，其中，所述水泵变频流量获取模块进一步根据获取的水泵变频流量获取水泵的比能值。
进一步地，其中，所述水泵控制装置控制所述水泵变频装置，对每一频点上水泵的比能值进行比较，比能值最小时对应的频点为水泵运行的频点。
进一步地，其中，当液位波动超过设定范围时，重新搜索水泵的最小比能值。
进一步地，其中，当液位上升速度大于阈值时，水泵控制装置控制水泵变频装置全速运行。
进一步地，其中，所述水泵控制装置还包括疏堵控制模块，所述疏堵控制模块能够对水泵进行疏堵控制。
进一步地，其中，所述疏堵控制模块通过电流判断水泵是否堵转，对水泵进行反转与正转操作进行排堵。
进一步地，其中，所述疏堵控制模块根据水泵实时电流与水泵正常运行时电流的差值，判断水泵是否异常；以及根据水泵异常的持续时间，判断水泵是否堵转。
进一步地，其中，对水泵进行反转与正转操作进行排堵时，反转持续时间和正转持续时间相同。
进一步地，其中，对水泵进行反转与正转操作进行排堵时，反转的转速和正转的转速大于水泵正常运行时的转速。
进一步地，其中，对水泵进行反转与正转操作进行排堵时，反转的转速为正转的转速的80％。
附图说明
图1为根据本发明的水泵控制系统的模块图；
图2为额定转速下的水泵性能曲线；
图3为从水泵性能曲线上截取的10个工作点的图表；
图4为获取的水泵性能曲线；
图5为获取的全新的泵站或泵组的性能曲线；
图6为堵转门限电流曲线；
图7为堵转判断图；
图8为自动疏堵时序图。
具体实施方式
以下详细介绍根据本发明的水泵控制系统的运行模式。
水泵的主要性能参数有流量、扬程、功率、效率等，这些参数之间的关系通常用性能曲线来表示。
图1描述了根据本发明的水泵控制系统的示意图，水泵控制系统包括水泵、水泵变频装置和水泵控制装置。
根据本发明的水泵控制系统可为包括多个水泵的泵站或泵组。
根据本发明的水泵控制装置包括水泵扬程获取模块，根据水泵的流量、功率以及效率获取水泵的扬程。
水泵的性能曲线是表示该水泵特性的曲线，上面绘有扬程-流量曲线、效率-流量曲线、功率-流量曲线、水泵的气蚀-流量曲线等。
获取水泵的性能曲线。
本发明的水泵控制系统通过以下公式拟合水泵的性能曲线。
水泵Q-H/Q-P/Q-η曲线方程拟合。
离心水泵高效区进行10点数据拟合，这10个数据点为生产水泵时测试所得。
a)流量-扬程/Q-H：
H＝a0+a1*Q+a2*Q^2+a3*Q^3
b)流量-功率/Q-P：
P＝α+β*Qγ
c)流量-效率/Q-η
η＝b0+b1*Q+b2*Q^2+b3*Q^3
通过Matlab或VB，确定所有方程系数(a0，a1，a2，a3)，(b0，b1，b2，b3)，(α，β，γ)，根据在额定转速下的水泵性能曲线上截取的10个工作点获得。
通过水泵扬程获取模块获取水泵的扬程。
根据本发明的水泵控制装置包括泵站/泵组扬程获取模块。
获取泵站/泵组给排水管网的性能曲线。
泵站/泵组给排水管网的性能曲线是指该泵站/泵组给排水管网的扬程-流量曲线，具体地，当水管一定后，流量小，水在管内流速慢，水管对水的阻力就小；反之阻力就大，这样就形成了一条曲线。
所使用的公式为：
H＝Hs+[(H1-Hs1)/Q1^2]*Q^2
其中，
Hs：泵站/泵组静扬程(泵坑液面到泵站排水口的高度)
Hs1：已知工作点泵站/泵组静扬程
Q1：已知工作点水泵流量
H1：已知工作点水泵扬程
Q：为水泵实时流量
H：为水泵实时扬程
通过以上公式可以实时知道泵站所需的扬程，从而指导控制系统，保证水泵扬程获取模块获取的水泵扬程大于所述泵站/泵组扬程获取模块获取的泵站/泵组扬程。
根据本发明的水泵控制装置进一步包括泵站/泵组更新扬程获取模块，所述泵站/泵组更新扬程获取模块根据水泵的流量-扬程曲线以及泵站/泵组的流量-扬程曲线获取泵站/泵组更新的流量-扬程曲线；所述水泵控制装置根据泵站/泵组更新的流量-扬程曲线，控制水泵变频装置。
更新的泵站/泵组的性能曲线，就是将泵站/泵组给排水管网的流量扬程曲线与水泵的流量扬程曲线相交，求到的交点绘成的新的曲线，在这个曲线的指导下就能保证水泵打出水的扬程都大于泵站管网阻力，从而保证水能排出去。
根据本发明的水泵控制装置包括水泵变频流量获取模块，根据水泵的流量、功率、效率、转速比以及所述水泵的扬程，获取水泵变频流量。
获取水泵的变频流量。
(1)获取单泵流量
水泵Q-H/Q-P/Q-η曲线方程拟合。
离心水泵高效区进行10点数据拟合，这10个数据点为生产水泵时测试所得。
a)流量-扬程/Q-H：
H＝a0+a1*Q+a2*Q^2+a3*Q^3
b)流量-功率/Q-P：
P＝α+β*Qγ
c)流量-效率/Q-η
η＝b0+b1*Q+b2*Q^2+b3*Q^3
通过Matlab或VB，确定所有方程系数(a0，a1，a2，a3)，(b0，b1，b2，b3)，(α，β，γ)，根据在额定转速下的水泵性能曲线上截取的10个工作点获得。
(2)获取水泵在变频运行时流量
变频曲线I’方程：
H＝λ^2*a0+λ*a1*Q+a2*Q^2+a3*Q^3/λ
λ为转速比，即目前转速与非变频条件下转速的一个比值。
然后，将H＝Hs+[(H1-Hs1)/Q1^2]*Q^2与H＝λ^2*a0+λ*a1*Q+a2*Q^2+a3*Q^3/λ合并，再用二分法迭代求到Q，得到变频运行时的流量。
根据常规上对于水泵的理解，当水泵运行在效率最高点时即为最节能状态，这是因为水泵效率的定义为：水泵的输出功率(水获得的机械能)Pu与输入功率P之比，也就是电能转换为水的机械能之比，这个比值当然是越高越好。
但是水的机械能由两个因数的乘积构成：流量(Q)*扬程(H)。
而且在提升泵站应用领域，当泵站管网设计好以后，理论上可以说泵站的扬程需求已经确定，即最大静扬程。这时只要水泵的扬程大于这个最大静扬程就可以把水排走，所以在这个前提下我们就更关心每排一个单位的水所需要多少电能了。这时候我们就引入比能这个概念，即，水泵输送每一立方水所消耗的电能，单位：kWh/m3。
用公式表述为：
Es＝P*t/V
＝P/(V/t)
＝P/Q
其中，
Es：比能
P：输入水泵驱动装置的功率(变频装置)
t：运行时间
V：t时间内总泵送量(Q*t)
Q：流量(水泵流量)
所以根据本发明的水泵控制系统实时采集以下两个数据：
水泵的输入功率P
水泵的流量Q
同时控制装置对水泵进行变速运行，对每一个频率点上的Es值进行比较，当找到了最小的一个Es值时这个转速即为这个泵站的最佳节能点，这时水泵以这个速度运行即可获得最节能的效果。
根据本发明的水泵控制系统在实际运行时的工作模式：
(1)先获取系统性能曲线；
(2)通过水泵性能曲线与系统曲线比对获取在不同流量下水泵所要满足的杨程要求；
(3)实时获取比能值，将最小比能值的水泵频率下发给水泵，让水泵运行在该速度下；
(4)当液位波动超过设定范围时重新搜索最小比能值(因为液位波动导致系统静扬程的变化)；
(5)当进水量很大时液位会快速上升到大进水量设定值，此时控制装置会向变频装置发全速运行指令，保证安全排水的要求。
作为一个实施例，图2示出了在生产水泵时测出来的性能曲线，包括扬程-流量曲线、效率-流量曲线、功率-流量曲线，水泵的气蚀-流量曲线。
图3给出了从水泵性能曲线上截取的10个工作点的图表，这10个数据点是在生产水泵时测试得到，从而确定所有方程系数(a0，a1，a2，a3)，(b0，b1，b2，b3)，(α，β，γ)。
图4为获取的水泵性能曲线。图5为获取的更新的泵站或泵组的性能曲线。
此外，由于根据本发明的水泵控制系统具有流量获取的能力，使得水泵控制系统在硬件仪表上不再需要在泵出水口安装流量计。
这可以使给排水管网的设计更加简洁，因为流量计的安装要求非常苛刻，如果要准确的测量出管道内的流量必须让管网有很长的直线管以使管内的流体流速均匀，否则测量出的流量将会有很大的误差。
同时，根据本发明的水泵控制装置还包括疏堵控制模块，能够自动对水泵进行疏堵，保证污水泵的可靠运行。
具体疏堵功能描述如下：
(1)通过电流判断水泵是否堵转
(2)对水泵进行反转与正转操作进行排堵
在步骤(1)中，当水泵运行的电流大于正常运行时的1.2倍，并持续10秒以上时，就认为水泵已经堵转。
在步骤(2)中，正转与反转交替进行，且可以进行多次正转与反转操作。正转与反转的时间可以分别为5至15秒，例如，正转与反转的时间分别为10秒。
正转可以为全速，反转可以为全速的70至100％，例如反转转速为全速转速的80％。
图6为堵转门限电流曲线。图7为堵转判断图。图8为自动疏堵时序图。
根据本发明的水泵控制系统，不但对泵站与泵组运行时有明显的节能效果，而且使用该水泵控制系统对泵站与泵组的初期设计过程中的硬件需求以及管网的铺设也有节约的指导作用。
Claims (14)
1.一种水泵控制系统，其包括：水泵、水泵变频装置和水泵控制装置；其特征在于，所述水泵控制装置包括：
水泵扬程获取模块，根据水泵的流量、功率以及效率获取水泵的扬程；
泵站/泵组扬程获取模块，根据泵站/泵组静扬程、已知工作点泵站/泵组静扬程、已知工作点水泵流量、已知工作点水泵扬程、水泵实时流量获取泵站/泵组扬程；以及
所述水泵控制装置控制所述水泵变频装置，以使得水泵扬程获取模块获取的水泵扬程大于所述泵站/泵组扬程获取模块获取的泵站/泵组扬程。
2.根据权利要求1所述的水泵控制系统，其中，所述水泵扬程获取模块进一步获取水泵的流量-扬程曲线，所述泵站/泵组扬程获取模块进一步获取泵站/泵组的流量-扬程曲线；
所述水泵控制装置进一步包括泵站/泵组更新扬程获取模块，所述泵站/泵组更新扬程获取模块根据水泵的流量-扬程曲线以及泵站/泵组的流量-扬程曲线获取泵站/泵组更新的流量-扬程曲线；所述水泵控制装置根据泵站/泵组更新的流量-扬程曲线，控制水泵变频装置。
3.根据权利要求2所述的水泵控制系统，其中，所述泵站/泵组更新扬程获取模块根据水泵的流量-扬程曲线以及泵站/泵组的流量-扬程曲线获取泵站/泵组更新的流量-扬程曲线，通过以下方式获取，
根据水泵的流量-扬程曲线与泵站/泵组的流量-扬程曲线的交点拟合得到泵站/泵组更新的流量-扬程曲线。
4.根据权利要求1所述的水泵控制系统，其中，所述水泵控制装置还包括：水泵变频流量获取模块，根据水泵的流量、功率、效率、转速比以及所述水泵的扬程，获取水泵变频流量。
5.根据权利要求4所述的水泵控制系统，其中，所述水泵变频流量获取模块进一步根据获取的水泵变频流量获取水泵的比能值。
6.根据权利要求5所述的水泵控制系统，其中，所述水泵控制装置控制所述水泵变频装置，对每一频点上水泵的比能值进行比较，比能值最小时对应的频点为水泵运行的频点。
7.根据权利要求6所述的水泵控制系统，其中，当液位波动超过设定范围时，重新搜索水泵的最小比能值。
8.根据权利要求7所述的水泵控制系统，其中，当液位上升速度大于阈值时，水泵控制装置控制水泵变频装置全速运行。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的水泵控制系统，其中，所述水泵控制装置还包括疏堵控制模块，所述疏堵控制模块能够对水泵进行疏堵控制。
10.根据权利要求9所述的水泵控制系统，其中，所述疏堵控制模块通过电流判断水泵是否堵转，对水泵进行反转与正转操作进行排堵。
11.根据权利要求10所述的水泵控制系统，其中，所述疏堵控制模块根据水泵实时电流与水泵正常运行时电流的差值，判断水泵是否异常；以及根据水泵异常的持续时间，判断水泵是否堵转。
12.根据权利要求11所述的水泵控制系统，其中，对水泵进行反转与正转操作进行排堵时，反转持续时间和正转持续时间相同。
13.根据权利要求12所述的水泵控制系统，其中，对水泵进行反转与正转操作进行排堵时，反转的转速和正转的转速大于水泵正常运行时的转速。
14.根据权利要求12所述的水泵控制系统，其中，对水泵进行反转与正转操作进行排堵时，反转的转速为正转的转速的80％。
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