CN104619991A - 用于操作并行离心泵的装置及方法 - Google Patents

用于操作并行离心泵的装置及方法 Download PDF

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Abstract

公开了一种用于操作多个离心泵的装置及方法，其中离心泵(4)为相同的类型和尺寸，并且装置包括通信接口(I/O)，其用于将横跨当前并行操作的离心泵的瞬时压降(H_i)和当前并行操作的离心泵的每个泵的瞬时流率(Q_i)或速度(n_i)接收为至少一个输入信息(2)，并且用于将至少一个输出信息(3)输出至离心泵的一个或多个驱动单元(DU)，其中所述至少一个输出信息反映待并行操作的离心泵的数量的基准值(m)。装置还包括数据储存单元(MEM)，用于将当前操作的离心泵的实际数量(m_a)和离心泵的额定速度(n_r)储存为至少一个附加信息；以及处理单元(PU)，其布置成从输入信息和附加信息确定瞬时效率(E_i)、在假定实际数量(m_a)减小一下的第一预计效率(E_e1)，以及在假定实际数量(m_a)增加一下的第二预计效率(E_e2)，并且取决于瞬时效率(E_i)或第一预计效率(E_e1)或第二预计效率(E_e2)中的哪个具有最高值来生成基准值(m)。

Description

用于操作并行离心泵的装置及方法
技术领域
本发明涉及一种用于驱动并行离心泵的装置及方法，其中装置包括用于接收关于离心泵的操作状态的至少一个输入信息和用于将至少一个输出信息传输至离心泵的一个或多个驱动单元的通信接口。至少一个输出信息反映待并行操作的离心泵的数量的基准值。此外，装置包括用于储存至少一个附加信息的数据储存单元，以及用于生成来自至少一个输入信息和附加信息的至少一个输出信息的处理单元。装置因此布置成执行如下文所述的方法。
背景技术
离心泵用于传送流体如水、油或化学制品，并且例如安装为饮用水传送或分配系统，或发电站中的区域加热分配系统或冷却系统的管路网络中的水泵。取决于管路网络内所需的流率，通常确定多少离心泵将并行操作。因此，活动的并行离心泵的数量随管路网络的变化状态变化。此外，流率还可通过经由变速控制器调整活动并行离心泵的速度来控制。替代水，呈流体或气体形式的任何其它可能的介质可由离心泵输送。
除流率外，可限定用于控制并行离心泵的操作的另外的控制目的。例如，在US 2003/0235492 A1中，描述了一种以如下方式控制成组的离心或轴向泵的方法，使得减小了任何泵在其中可能出现破坏或损坏的区域中操作的机会。这通过总是在它们的相应的最小流动极限以上操作泵来实现，该最小流动极限称为最小连续稳定流(MCSF)。
另一个控制目的为节能。在Li Jinguo的论文"Parallel pumping, IPC technology in parallel pump control"(ABB Review Special Report Dancing with the Dragon，2008年11月，77到81页)中，分析了在流率不经由如常规方法的阀设置而是经由独立地附接于各个泵的变速驱动件控制时，可实现显著的节能。在常规方法中，阀设置改变，以使整个系统(包括泵、阀和管)的操作点从一个所谓的系统曲线转移到另一个，其中系统曲线示为压降H与流率Q的从属性，并且在相同的图表中绘制为所谓的泵性能特征，其也作用为H=f(Q)。在论文中所述的变速控制方法中，除控制流率外，变速驱动件以预定效率速度操作它们的对应的泵，该预定效率速度确定为低于常规操作速度，同时将总体效率保持在大致相同水平处。当多个泵并行操作时，对应的驱动件中的一个指定为主驱动件，并且并行泵的所有其它驱动件遵循主驱动件的基准。
发明内容
本发明的目的在于提供备选方案，利用其，并行离心泵可在期望流率下且以减小的能量需求操作。
该目的通过根据独立权利要求的装置和方法来实现。
在根据本发明的装置中，首先假定离心泵为相同类型和尺寸，这意味着下文将更详细描述的它们的特征曲线不显著地偏离彼此。此外，离心泵以相同速度操作。甚至进一步，装置的通信接口适于将横跨当前并行操作的离心泵的瞬时压降和当前并行操作的离心泵的每个泵的瞬时流率或速度接收为输入信息，并且数据储存单元适于将当前操作的离心泵的实际数量和离心泵的额定速度储存为附加信息。
处理单元布置成从输入信息和附加信息确定瞬时效率、在假定实际数量减小一下的第一预计效率，以及在假定实际数量增大一下的第二预计效率，并且取决于瞬时效率或第一预计效率或第二预计效率中的哪个具有最高值来生成基准值。
因此，装置找到了如果包括多一个或少一个泵则电能的总体需求和因此电流的总体需求是否可针对并行运行的离心泵减小的问题的答案。这通过找到具有最高效率值的构象来完成，因为效率与泵的电流消耗成反比。当前操作的离心泵的数量接着通过相应的一个或多个驱动单元来改变。
根据本发明的方法包括由包含在装置中的元件和单元执行的所有步骤。
附图说明
本发明及其实施例将从结合附图在下面描述的实例变得显而易见，该附图示出了：
图1为用于操作多个离心泵的装置和第一系统，
图2为用于操作多个离心泵的装置和第二系统，
图3为泵性能特征和相似定律曲线，
图4为效率特征对流率。
具体实施方式
在图1中，示出了装置1，其包括处理单元PU、数据储存单元MEM和通信接口I/O。装置1与三个驱动单元DU通信，三个驱动单元DU均连接于电切换单元5。各个切换单元5连接于电动机M，电动机M适于驱动离心泵4，并且可在对应的切换单元5闭合时与其它电机M电性并行连接。右侧的两个离心泵4目前在它们的对应切换单元5闭合时并行操作。
可接收和传输模拟和/或数字数据的通信接口I/O适于将横跨当前并行操作的离心泵4的瞬时压降H_i接收为输入信息2，其中由于并行操作，故瞬时压降H_i对于所有相应的泵相同。此外，每个泵的瞬时流率Q_i或瞬时速度n_i也属于输入信息2。泵4操作成以使它们的瞬时速度n_i相同。因此，当泵4为相同类型和尺寸时，每个泵的瞬时流率Q_i应当对于所有当前运行的泵也相同。瞬时压降H_i、每个泵的瞬时流率Q_i和/或瞬时速度n_i可由所有运行的泵4处得到的测量数据的平均值代表，或仅由来自运行的泵中的一个的代表值代表。
可为永久存储器或仅为易失数据存储器的数据储存单元MEM适于将对于所有离心泵4都相同的额定速度n_r和当前并行操作的离心泵4的实际数量m_a储存为附加信息。在该实例中，实际数量m_a将为二。
处理单元PU适于从输入信息2确定，即，从以下：
·瞬时压降H_i，
·每个泵的瞬时流率Q_i或瞬时速度n_i，
·实际数量m_a，以及
·额定速度n_r，
瞬时效率E_i、在假定实际数量m_a减小一下的第一预计效率E_i1，以及在假定实际数量m_a增加一下的第二预计效率E_i2。
后来，处理单元PU生成待并行操作的离心泵4的数量的基准值m作为输出信息3，这取决于瞬时效率(E_i)或第一预计或第二预计效率(E_e1,E_e2)中的哪个具有最高值。换言之，如果瞬时效率E_i具有最高值，则基准值m确定为与实际值m_a相同，即，没有另外的泵4启用或停用。如果第一瞬时效率E_i1具有最高值，则基准值m为实际数量m_a减一，意思是当前运行的泵中的一个停用。如果第二瞬时效率E_i2具有最高值，则基准值m为实际数量m_a加一，导致又一个泵的启用。
为了执行又一个泵的启用或停用，基准值m通过至外部单元如驱动单元DU(图1)或转换单元6(图2)的通信接口I/O传递为输出信息3，其中基准值m可以以不同形式表示；例如，仅为一个数量，或呈指示哪个泵4将启用或停用的形式，或呈某个泵的二元开/关信号的形式。输出信息的形式主要取决于两个方面：首先，相应的驱动单元DU和切换单元5的实施的种类，以及第二，各个离心泵是否连接于其自身的驱动单元DU，如在图1的实例中，或装置1是否仅与一个中央单元通信，如图2中所示。驱动单元DU例如可实施为液压联接，也称为液压流体联接，或者实施为变速驱动件VSD，其中各个DU驱动对应的电机M,以使其输出连续变速和/或转矩。
图2示出了相比于图1的备选系统，其包括相同的装置1、电机M和离心泵4，但切换单元5和驱动单元DU设置不同。如ABB技术信息No. 30/72-2925-1 EN "Functional module : CA-Auto switchover"中公开的，切换单元5在这里实施为所谓的自动转换单元6。自动转换单元6为自动转换开关，其可根据给定优先权来触发两个到六个独立驱动单元DU。当使用此类自动转换单元6时，基准值m需要转换成所需的优先信息，以便启用或停用期望的泵，即，输出信息3包含优先信息。
根据优选实施例，数据储存单元MEM布置成将如图4中所示的离心泵4的效率特征对流率，以及如图3中所示的离心泵4的额定速度n_r下的泵性能特征储存为附加信息。效率E与流率Q的从属性E=f(Q)对于各个离心泵4再次大致相同，因为泵具有相同类型和尺寸，以使同一个特征曲线可用于所有泵。为了能够进行假定，峰值E_max应当不在不同离心泵4的效率特征之间偏离超过5%。
泵性能特征H=f(Q, n_r)示出了额定速度n_r下的压降H关于流率Q的从属性，其中泵性能特征假定对于各个离心泵4相同，假如泵4的实际真正泵性能特征的统计偏差小于20%。
在优选实施例中，处理单元PU布置成从输入信息2、附加信息和泵性能特征(图3，H=f(Q，n_r))、每个泵的比例瞬时流率Q_si、每个泵的比例第一预计流率Q_s1，以及每个泵的比例第二预计流率Q_s2确定，其中比例执行为如同离心泵4在额定速度n_r下操作，同时将效率保持在分别与瞬时效率E_i或第一预计效率E_i1或第二预计效率E_i1,E_i2相同的水平处。处理单元PU进一步布置成从效率特征对流率(图4，E=f(Q))、分别属于比例瞬时流率Q_si的第一预计效率E_e1和第二预计效率E_e2、相应的比例第一预计流率Q_s1和比例第二预计流率Q_s2确定。
在优选实施例的又一个实现中，在假定离心泵在额定速度n_r下操作下，处理单元PU布置成通过找到泵性能特征与离心泵的固定叶轮直径的相似定律之间的交叉点来分别确定每个泵Q_e1的第一预计流率和每个泵Q_e2的第二预计流率，压降在瞬时压降H_i的水平下保持恒定，并且每个泵的流率通过分别使实际数量m_a减小或增大一来从每个泵的瞬时流率Q_i的水平线性地增大或减小，从而分别导致每个泵的第一预计瞬时流率Q_i1或第二预计瞬时流率Q_i2。
第一相似定律在图3中绘制为曲线Aff(E1)、Aff(E)2和Aff(E3)，其中第一相似定律应用于呈形式H=(Q/Q_i)2·H_i的各个曲线，并且其中各个曲线对应于恒定的效率值E1,E2或E3。第一相似定律
H = (Q/Q_i)^2·H_i            [1]
从用于任一对不同压降H1和H2和对应速度n1和n2以及流率Q1和Q2的已知基本相似定律得到：
H_1/H_2=(n_1/n_2)^2   以及   Q_1/    Q_2=n_1/n_2。
如这些相似定律反映的，流率Q与速度n成比例，即，离心泵的转速和压降H，也称为升力，与速度n的平方成比例。
因此，优选实施例单独基于泵的相关变量和特征。这是与从上文引用的论文"Parallel pumping, IPC technology in parallel pump control"已知的常规方法相反的，其中包含泵、阀、管的总体管路系统的特征需要已知，以便确定泵的节能操作模式。总体管路系统的特征通常考虑了摩擦损失、阀位置和系统必须覆盖的高度差异，并且它们难以获得，特别是在系统的元件具有如控制阀的情况那样的变化特征时。在优选实施例中，泵性能特征和效率特征改为与具有固定叶轮直径的离心泵的公知相似定律一起使用。即使总体管路系统的特征变化，这些特征也保持相同，以使提出的用于操作多个离心泵的装置和方法可以可靠地应用，而不需要改变操作期间的任何特征。
在特定实施例中，处理单元PU布置成通过使每个泵的瞬时流率Q_i乘以实际数量m_a分别除以实际数量减一(m_a-1)或实际数量加一(m_a+1)来确定每个泵的第一预计瞬时流率Q_i1和第二预计瞬时流率Q_i2：
Q_il = Q_i ·m_a/(m_a- 1) 以及 Q_i2 = Q_i ·m_a/(m_a + 1)。
在每个泵的瞬时流率Q_i不可用的情况下，即，输入信息2改为包含瞬时速度n_i，处理单元PU布置成通过应用离心泵的固定叶轮直径的第二和第三相似定律和泵性能特征来从瞬时压降H_i、瞬时速度n_i和额定速度n_r确定每个泵的瞬时流率Q_i。第二相似定律源于基本相似定律
H_1/H_2=(n_1/n_2)^2
导致
H_si=(n_r/n_i)^2·H_i    [2]
其中H_si为比例瞬时压降。
从图3的泵性能特征，处理单元PU接着可找到对应于比例瞬时压降H_si的每个泵的比例瞬时流率Q_si。
利用Q_si，第三相似定律表达每个泵的瞬时流率Q_i：
Q_i = n_i/n_r ·Q_si          [3]
在输入信息2包含每个泵的瞬时流率Q_i，并且不包含瞬时速度n_i的情况下，处理单元PU可布置成通过在假定离心泵4在额定速度n_r下操作下找到在泵性能特征与离心泵的固定叶轮直径的第一相似定律之间的交叉点来确定每个泵的比例瞬时流率Q_si，其中第一相似定律应用于每个泵的瞬时压降H_i和瞬时流率Q_i。
泵性能特征H=f(Q, n_r)和第一相似定律H=(Q/Q_i)2-H_i之间的交叉点可由处理单元PU例如通过迭代来导出，直到以下关系适用：
H(Q_si, n_r ) = H_si = (Q_si/Q_i)^2 ·H_i 。
如图3中所示，这导致交叉点[H_si,Q_si]的确定。
以相同方式，每个泵的比例的第一预计流率Q_s1和第二预计流率Q_s2可从第一相似定律与泵性能特征的交叉点确定，其中第一相似定律分别应用于瞬时压降H_i和每个泵的比例的第一预计瞬时流率Q_s1和第二预计瞬时流率Q_s2：
H(Q_il, n_r ) = H_sl = (Q_sl/Q_i l ) ^2 ·H_i,
H(Q_i 2, n_r ) = H_s2 = (Q_s2/Q_i 2 ) ^2 ·H_i。
对于该特定实施例，方法步骤现在又将从开始归纳，因为它们由用于操作多个离心泵的装置1执行。
给定泵性能特征H=f(Q,n_r)、额定速度n_r和当前操作的泵的实际数量m_a。每个泵的瞬时压降H_i和瞬时流率Q_i作为输入信息接收到。
第一预计瞬时流率Q_i1和第二瞬时流率Q_i2从每个泵的瞬时流率Q_i和实际数量m_a确定：
Q_i l = Q_i· m_a/(m_a- l) 以及 Q_i 2 = Q_i·m_a/(m_a + l)。
从均代表并行操作的泵的不同数量的每个泵的三个瞬时流率Q_i,Q_i1和Q_i2，每个泵的对应比例流率Q_si,Q_s1和Q_s2通过反复找到上文所述的第一相似定律(1)与泵性能特征H=f(Q,n_r)的交叉点来获得。
以下关系在相应的交叉点中适用：
H_si=(Q_si/Q_i)^2·H_i，
H_s1=(Q_s1/Q_i1)^2·H_i，
H_s2=(Q_s2/Q_i2)^2·H_i，
其中H_si和Q_si分别为每个泵的比例瞬时压降和流率，H_s1,Q_s1分别为每个泵的比例第一预计压降和流率，并且H_s2,Q_s2分别为每个泵的比例第二预计压降和流率。
后来，如上文所述，分别对应于每个泵的比例瞬时流率Q_si和每个泵的比例的第一预计流率Q_s1和第二预计流率Q_s2的效率值E_i,E_e1和E_e2接着由处理单元PU从图4中示出的效率特征对流率导出；并且取决于三个效率值E_i,E_e1和E_e2中哪个最高，限定了当前运行的并行泵的数量应当增大或减小一或保持恒定，即，基准值m设置为m=m_a，或m=m_a-1，或m=m_a+1。后来，特别是在当前运行的泵的数量变化时，处理单元PU可重复上述步骤，以便进一步减小并行泵4的能量需求。因此，处理单元PU可布置成通过在将并行操作的离心泵的数量成功改变成基准值m之后重复上述确定来确定待并行操作的离心泵的数量的更新基准值m。
为了确保不违反管路系统的操作或物理约束，处理单元PU可进一步布置成检查每个泵的第一预计瞬时流率Q_i1和/或第二预计瞬时流率Q_i2是否超过最小阈值Q_min或最大阈值Q_max，并且如果如此，则在生成基准值m时不考虑对应的预计效率E_e1,E_e2。结果，当前操作的泵的数量将仅沿安全的方向变化。
在又一个实施例中，处理单元PU可布置成确定离心泵4中的哪个具有最少操作小时数，并且在基准值m指出实际数量将增大一的情况下，生成该特定离心泵的启用信息作为输出信息3。结果，离心泵均投入操作达可比的量的时间，以使它们尽可能均匀地磨损。

Claims (10)

1. 用于操作多个离心泵的装置，包括：
·用于接收关于所述离心泵的操作状态的至少一个输入信息(2)和用于将至少一个输出信息(3)传输至所述离心泵(4)的一个或多个驱动单元(DU)的通信接口(I/O)，其中所述至少一个输出信息反映待并行操作的离心泵(4)的数量的基准值(m)，
·用于储存至少一个附加信息的数据储存单元(MEM)，
·用于从所述至少一个输入信息(2)和所述附加信息生成所述至少一个输出信息(3)的处理单元(PU)，
其特征在于，
·所述离心泵(4)为相同类型和尺寸，并且在相同速度下操作，
·所述通信接口(I/O)适于接收横跨当前并行操作的所述离心泵的瞬时压降(H_i)和当前并行操作的所述离心泵的每个泵的瞬时流率(Q_i)或速度(n_i)作为输入信息(2)，
·所述数据储存单元(MEM)适于将当前操作的离心泵的实际数量(m_a)和所述离心泵的额定速度(n_r)储存为附加信息，
·所述处理单元(PU)布置为
从所述输入信息(2)和所述附加信息确定瞬时效率(E_i)、在假定所述实际数量(m_a)减小一下的第一预计效率(E_e1)，以及在假定所述实际数量(m_a)增大一下的第二预计效率(E_e2)，以及
取决于所述瞬时效率(E_i)或所述第一预计效率(E_e1)或第二预计效率(E_e2)中的哪个具有最高值来生成所述基准值(m)。
2. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，
·所述数据储存单元(MEM)布置成将额定速度(n_r)下的效率特征对流率和所述离心泵(4)的额定速度(n_r)下的泵性能特征储存为附加信息，以及
·所述处理单元(PU)布置成
从所述输入信息(2)、所述附加信息和所述泵性能特征确定每个泵的比例瞬时流率(Q_si)、每个泵的比例第一预计流率(Q_s1)，以及每个泵的比例第二预计流率(Q_s2)，其中所述比例执行为如同所述离心泵(4)在额定速度(n_r)下操作，同时将所述效率保持在分别与所述瞬时效率(E_i)或所述第一预计效率(E_i1)或所述第二预计效率(E_i2)的相同水平处，
从所述效率特征对流率、所述对应的瞬时效率(E_i)、分别属于所述每个泵的比例瞬时流率(Q_si)的第一预计效率(E_e1)和第二预计效率(E_e2)分别确定所述每个泵的比例第一预计流率(Q_s1)和所述每个泵的比例第二预计流率(Q_s2)。
3. 根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述处理单元(PU)布置成在假定所述离心泵在额定速度(n_r)下操作下，通过找到所述泵性能特征与所述离心泵的固定叶轮直径的第一相似定律([1])之间的交叉点来分别确定所述每个泵的比例第一预计流率(Q_s1)和所述每个泵的比例第二预计流率(Q_s2)，所述压降在所述瞬时压降(H_i)下保持恒定，并且所述每个泵的流率通过分别将所述实际数量(m_a)减小或增大一来从所述每个泵(Q_i)的瞬时流率的水平线性地增大或减小，从而分别导致每个泵的第一预计瞬时流率(Q_i1)或第二预计瞬时流率(Q_i2)。
4. 根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述处理单元(PU)布置成通过将所述每个泵的瞬时流率(Q_i)乘以所述实际数量(m_a)分别除以所述实际数量减一(m_a-1)或所述实际数量加一(m_a+1)来确定所述每个泵的第一预计瞬时流率(Q_i1)和第二预计瞬时流率(Q_i2)，并且在没有每个泵的瞬时流率(Q_i)可用的情况下，通过应用所述离心泵的固定叶轮直径的第二相似定律([2])和第三相似定律([3])和所述泵性能特征来从所述瞬时压降(H_i)、所述瞬时速度(n_i)和所述额定速度(n_r)确定所述每个泵的瞬时流率(Q_j)。
5. 根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述处理单元(PU)布置成通过以下来确定所述每个泵的瞬时流率(Q_i)：
·首先，从应用于所述瞬时压降(H_i)的所述第二相似定律确定额定瞬时压降(H_si)，
·第二，从所述比例瞬时压降(H_si)下的所述泵性能特征确定所述每个泵的比例瞬时流率(Q_si)，以及
·第三，从应用于所述每个泵的比例瞬时流率(Q_si)的所述第三相似定律确定所述每个泵的瞬时流率(Q_i)。
6. 根据权利要求2或权利要求3，其特征在于，所述处理单元(PU)布置成通过在假定所述离心泵(4)在额定速度(n_r)下操作下找到所述泵性能特征与所述离心泵的固定叶轮直径的所述第一相似定律([1])之间的交叉点来确定所述每个泵的比例瞬时流率(Q_si)，其中所述相似定律应用于所述每个泵的瞬时压降(H_i)和瞬时流率(Q_i)。
7. 根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述处理单元(PU)布置成通过在将并行操作的离心泵的数量成功地变为所述基准值(m)之后重复根据前述权利要求中任一项的确定来确定待并行操作的所述离心泵的数量的更新基准值(m_u)。
8. 根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述处理单元(PU)布置成检查所述每个泵的第一和/或第二预计瞬时流率(Q_i1,Q_i2)是否超过最小或最大阈值(Qmin,Qmax)，并且如果如此，则在生成所述基准值(m)时不考虑对应的预计效率(E_e1,E_e2)。
9. 根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述处理单元(PU)布置成确定所述离心泵(4)中的哪个具有最低的操作小时数，并且在所述基准值(m)指出所述实际数量将增大一的情况下，生成该特定离心泵的启用信息作为输出信息(3)。
10. 用于操作多个离心泵的方法，包括以下步骤：
·接收关于所述离心泵的操作状态的至少一个输入信息(2)和将至少一个输出信息(3)传输至所述离心泵的一个或多个驱动单元(DU)，其中所述至少一个输出信息(3)反映待并行操作的离心泵的数量的基准值(m)，
·储存至少一个附加信息，
·从所述至少一个输入信息(2)和所述附加信息生成所述至少一个输出信息(3)，
其特征在于另外的步骤：
·将横跨当前并行操作的所述离心泵(4)的瞬时压降(H_i)和当前并行操作的所述离心泵(4)的每个泵的瞬时流率(Q_i)或速度(n_i)接收为输入信息(2)，其中所述离心泵(4)为相同的类型和尺寸，
·将当前操作的离心泵的实际数量(m_a)和所述离心泵的额定速度(n_r)储存为附加信息，
·由以下：
所述瞬时压降(H_i)，
所述每个泵的瞬时流率(Q_i)或所述瞬时速度(n_i)，
所述实际数量(m_a)，以及
所述额定速度(n_r)，
确定瞬时效率(E_i)、在假定所述实际数量(m_a)减小一下的第一预计效率(E_e1)，以及在假定所述实际数量(m_a)增大一下的第二预计效率(E_e2)，以及
取决于所述瞬时效率(E_i)或所述第一预计效率(E_e1)或所述第二预计效率(E_e2)中的哪个具有最大值来生成所述基准值(m)。
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