CN104595222A

CN104595222A - 一种流体控制系统

Info

Publication number: CN104595222A
Application number: CN201410640741.6A
Authority: CN
Inventors: 张肃宇; 张宁裕
Original assignee: Nanchang University
Current assignee: Nanchang University
Priority date: 2014-11-13
Filing date: 2014-11-13
Publication date: 2015-05-06

Abstract

一种流体控制系统，包括大流量离心泵、小流量离心泵、止回阀、流量计、变频器和控制器；大流量离心泵与小流量离心泵并联，小流量离心泵出口端管路上串接一止回阀；系统主管道上连接流量计，大流量离心泵由电网供电，按工频运行；控制器连接流量计，得到主管道中的实际流量，控制器另与变频器连接，向变频器发送频率调整量指令，小流量离心泵连接到变频器由变频器供电，运行于调速状态。本发明可使用价格低、频率分辨率又高的变频器节约费用，且控制精度很高；小流量离心泵的惯性小，可大幅提高流体控制系统的动态性能；在防止水锤方面无额外约束条件；管道不很长时，小流量离心泵可由单独管道接入容器，控制算法更简单；系统具有很强的鲁棒性。

Description

一种流体控制系统

技术领域

本发明属于流体控制技术领域。

技术背景

在流程工业中，流体控制系统主要由各种泵(通常是离心泵)、变频器和控制器等构成。但在流量控制精度要求较高时，都是采用计量泵，而不是离心泵。主要原因是计量泵的出口流量可精确控制，而离心泵就很难做到这一点。特别是在大流量场合下，变频器输出变化零点几赫兹时，离心泵的出口流量变化也是一个不小的量，很难达到计量泵的控制精度，而且大功率变频器也不便宜。但计量泵也有几个的缺点：

1)成本远高于离心泵。特别是大流量计量泵的售价是离心泵的十几倍到几十倍；

2)因计量泵的输出是脉动性的，所以出口处必须安装缓冲装置，增加了系统费用；

3)计量泵的隔膜和进出口阀属于易损件，要定期更换，维护成本高(若干年后的累计费用就接近购买新泵的费用)。

计量泵的上述缺点恰恰是离心泵的优点，即价格低，没有需要更换的易损件，也不需要安装缓冲装置。但离心泵的缺点也是致命的，很难满足高精度流量控制要求，尤其在大流量场合。

发明内容

本发明的目的旨在提出一种流体控制系统，既可大幅降低成本和维护费用，又具有很高的控制精度，特别适用于大流量高精度的流体控制场合。

本发明是通过以下技术方案实现的。

本发明所述的流体控制系统包括流量不同的两台并联运行的离心泵、止回阀、流量计、小功率变频器和控制器。

更具体地说，本发明所述的流体控制系统包括大流量离心泵(E1)、小流量离心泵(E2)、止回阀(V)、流量计(Q)、变频器和控制器。大流量离心泵(E1)与小流量离心泵(E2)并联，小流量离心泵(E2)出口端管路上串接可防止倒灌的止回阀(V)；系统主管道上连接流量计(Q)，大流量离心泵(E1)直接由电网供电，按工频运行，不做控制。控制器连接流量计(Q)，得到主管道中的实际流量，控制器另与变频器连接，向变频器发送频率调整量指令，小流量离心泵(E2)连接到变频器，由变频器供电，运行于调速状态。

本发明的流体控制过程是：所需要的流体物料主要由大流量离心泵(E1)供给，其余部分由小流量离心泵(E2)供给。控制器由流量计(Q)得到主管道中的实际流量，与设定值比较后得到当前流量误差，经控制算法运算后得到频率调整量，控制器将频率调整量指令传递给变频器，变频器根据接收到的指令改变输出电压频率，使小流量离心泵(E2)的转速改变，其输出流量也跟随改变，进而使系统流量变化，最后使得流量误差小于容许误差。

本发明所述的流体控制系统还可以在以上技术方案，在小流量离心泵(E2)管路上串接一台与小流量离心泵(E2)同型号的小流量离心泵(E3)。可以更好地解决单台小流量离心泵在扬程上与大流量离心泵不匹配的情况。

本发明的设计思想是：大、小流量离心泵的出口流量跟随转速变化的百分比是一样的，这是由离心泵的物理结构决定的，不是控制方法能够改变的。但只要选择合适的小流量离心泵，当变频器输出变化一个最小量时，其出口流量的变化量能够保持在系统误差范围内就可以实现所要求的控制精度。那么，将常规流体控制系统拆分成两个部分。系统所要求的流量大部分由大流量离心泵来提供，不足的部分由小流量离心泵来提供。对大流量离心泵不做控制，任其自由运行。通过控制小流量离心泵来满足系统流量控制精度要求。即“一分为二、放大管小”是本发明的设计思想。

本发明所述的流体控制系统的理论证明如下。

利用泵行业通用的最小二乘法拟合可得到大流量离心泵(E1)和小流量离心泵(E2)的H-Q特性曲线方程

H_{1} = A_{1} Q_{1}^{2} + B_{1} Q_{1} + C_{1} - - - (1)

H_{2} = A_{2} Q_{2}^{2} + B_{2} Q_{2} + C_{2} - - - (2)

于是系统总流量为

\begin{matrix} Q = Q_{1} + Q_{2} \\ = \frac{- B_{1} - \sqrt{{B_{1}}^{2} - 4 A_{1} (C_{1} - H_{1})}}{2 A_{1}} + \frac{- B_{2} - \sqrt{{B_{2}}^{2} - 4 A_{2} (C_{2} - H_{2})}}{{2 A}_{2}} \end{matrix}

扬程H、流量Q及转速n有以下关系

\frac{H_{2}^{*}}{H_{2}} = \frac{n_{2}^{2}}{n_{0}^{2}} = k^{2} - - - (4)

\frac{Q_{2}^{*}}{Q_{2}} = \frac{n_{2}}{n_{0}} = k - - - (5)

式(4)和(5)中的n₀是小流量离心泵(E2)的额定转速，n₂是小流量离心泵(E2)调速后的转速，和分别是小流量离心泵E2转速为n₂时的扬程和流量。利用式(4)和(5)，可得到

H_{2}^{*} = A_{2} Q_{2}^{* 2} + k B_{2} Q_{2}^{*} + k^{2} C_{2} - - - (6)

与(3)同理，小流量离心泵(E2)调速后的系统总流量为

\begin{matrix} Q = Q_{1} + Q_{2}^{*} \\ = \frac{- B_{1} - \sqrt{{B_{1}}^{2} - 4 A_{1} (C_{1} - H_{1})}}{{2 A}_{1}} + \frac{{- rn}_{2} B_{2} - \sqrt{r^{2} n_{2}^{2} {B_{2}}^{2} - 4 A_{2} (r^{2} n_{2}^{2} C_{2} - H_{2})}}{2 A_{2}} \end{matrix} - - - (7)

式中r＝1/n₀，引入它仅是为了公式书写方便。显然，离心泵在运转时不会有负流量和虚流量。根据H-Q方程的参数特征，在(3)、(7)式中根号前应该取负号。

由(7)式可以看到，当只控制小流量离心泵(E2)时，系统总流量Q是小流量离心泵(E2)转速的函数。当变频器输出变化一个微小量时，小流量离心泵泵(E2)的转速也跟随变化，其流量输出也同时变化，但这一变化量小于系统容许的控制误差。如前所述，如果对大流量离心泵(E1)也进行控制的话，(7)式中的第一项会产生较大的变化，并且远大于系统容许的控制误差。

本发明提出的流体控制系统还具有以下几个优点：

1)因只对小流量离心泵进行控制，可使用价格低、频率分辨率又高的变频器。相对常规流体控制系统使用大功率变频器节约不少费用，而且控制精度很高。

2)相对大流量离心泵，小流量离心泵的惯性要小很多，因此可以使控制系统的过渡时间和超调量相对于控制大流量离心泵要小很多，可以大幅提高流体控制系统的动态性能。

3)在防止水锤方面与常规流体控制系统相同，没有增加额外的约束条件。

4)如果管道不是很长，小流量离心泵可通过单独管道接入容器，但要增加一台流量计。此时流体控制系统在物理上实现解耦，可使控制算法更简单些。

5)由下面的实施例可以看到，只要小流量离心泵选择得当，本发明所述的流体控制系统具有很强的鲁棒性。这点在实际工业应用上有很大意义，它可给系统带来良好的抗干扰能力和稳定性。

附图说明

图1为本发明系统结构示意图。图中，E1为大流量离心泵，E2为小流量离心泵，V为止回阀，Q为流量计。

图2为本发明在图1的技术方案中，在小流量离心泵管路上串接一同型号小流量离心泵的系统结构示意图。图中，E1为大流量离心泵，E2和E3为同型号的小流量离心泵，V为止回阀，Q为流量计。

图3为本发明大流量离心泵E1和小流量离心泵E2都运行与标准工频状态时的H-Q特性曲线。

图4为本发明小流量离心泵E2调速为2741r/min时的系统H-Q特性曲线。

图5为本发明小流量离心泵E2调速为2726r/min时的系统H-Q特性曲线。

图6为本发明小流量离心泵E2调速为2757r/min时的系统H-Q特性曲线。

图7为ISG100—125A型号离心泵的H-Q特性曲线图。

图8为ISG50—125A型号离心泵的H-Q特性曲线图。

具体实施方式

本发明将通过以下实施例作进一步说明。

实施例。

大流量离心泵E1和小流量离心泵E2的型号分别是ISG100—125A和ISG50—125A。厂家提供的H-Q特性图如图7、图8所示。通过最小二乘法拟合可得到它们的特性方程为：

H_{1} = - 0.0008 Q_{1}^{2} - 0.008 Q_{1} + 22.96

H_{2} = - 0.021 Q_{2}^{2} - 0.287 Q_{2} + 18.886

图3中，a1、a2分别是小流量离心泵E2和大流量离心泵E1的H-Q特性曲线，a3是并联后的H-Q特性曲线，a4是管道特性曲线。曲线a3和a4的交点为工况点，即离心泵并联工作时输出的流量。由图3可知，工况点并不是目标流量100m³/h。这时候我们就需要通过变频控制技术调节小流量离心泵E2的转速，使工况点沿a4向下滑动到达流量为100m³/h处，同时保证系统流量控制误差小于容许误差0.2m³/h(这个控制精度已高于计量泵)。

根据大流量离心泵E1和小流量离心泵E2的特性方程，将参数带入公式(7)可解得小流量离心泵E2的转速。由异步电机的转速与频率的关系

n = \frac{60 f}{p} (1 - s)

可以知道，当异步电机的额定转速为2900r/min时，每变频±0.2Hz时，转速变化为Δn＝±11.69r/min。那么，控制小流量离心泵E2的转速为n2＝2741r/min时，总流量Q＝100.0037m³/h，流量误差为

ΔQ_n2＝2741＝|100-100.0037|＝0.0037m³/h＜0.2m³/h

上式说明系统流量误差远小于容许误差。此时的系统特性曲线状态图4所示。图中，a11和a13分别是小流量离心泵E2转速调节后的特性曲线。

当控制小流量离心泵E2的转速分别为n2＝2726r/min和n2＝2757r/min时，其总流量分别是Q＝99.81m³/h和100.199m³/h，则系统流量误差分别为

ΔQ_n2＝2726＝|100-99.81|＝0.19m³/h＜0.2m³/h

和

ΔQ_n2＝2757＝|100-100.199|＝0.199m³/h＜0.2m³/h。

显然，它们均处于容许误差之内。对应上面两个转速的系统特性曲线如图5和6所示。

由上面的实施例可以看到，只要小流量离心泵E2的转速处于2726-2757r/min之间即可满足系统控制误差要求。对应的转速调节范围为31r/min，对通常的工业控制系统来说，把电机转速误差控制在几转之内是很容易做到的。这个事实说明本发明所述的流体控制系统具有很强的鲁棒性，系统的抗干扰能力和稳定性都是非常优异的。这一特点在工业应用上具有很大的实用价值。

Claims

1.一种流体控制系统，其特征是包括大流量离心泵、小流量离心泵、止回阀、流量计、变频器和控制器；大流量离心泵与小流量离心泵并联，小流量离心泵出口端管路上串接一止回阀；系统主管道上连接流量计，大流量离心泵由电网供电，按工频运行；控制器连接流量计，得到主管道中的实际流量，控制器另与变频器连接，向变频器发送频率调整量指令，小流量离心泵连接到变频器由变频器供电，运行于调速状态。

2.根据权利要求1所述的流体控制系统，其特征是在小流量离心泵管路上串接一台与小流量离心泵同型号的小流量离心泵。