CN104632606A - 一种水泵机组在线能耗测试分析系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水泵机组在线能耗测试分析系统及方法。通过在安装头上安装压力传感器、热电极等测量水泵机组的运行参数，并传输至能耗评估分析系统。利用热力学方法，测量泵进、出口压力和温度即可求得泵的实际运行效率。再利用泵效率可反推出电机实际运行效率。系统可进一步对比最新的泵和电机运行数据库，得出各个工况点及该组工况下泵和电机可达到的最佳运行效率和平均运行效率，进一步得到泵和电机的节能空间。由此可知泵机组中能耗浪费较多的部分，再根据该处的能耗浪费情况，提出有针对性的节能方案供用户参考使用。

Description

一种水泵机组在线能耗测试分析系统及方法

技术领域

本发明涉及一种水泵机组在线能耗测试分析系统及方法。特别是涉及一种能够实现水泵机组能耗在线测试和分析的系统及方法。

背景技术

泵作为重要的能量转换装置和流体输送设备，是应用极其广泛的通用机械。据统计，泵的耗电量约占全国总发电量的20.9％。而目前我国泵的实际使用效率却比发达国家约低20％，节能形势十分严峻。《节能中长期专项规划》重点规划了到2010年节能的目标和发展重点，在其中18个重点领域和10大重点工程中，水泵都作为重要的耗能设备被列入其中。而造成水泵机组能耗高的原因，一方面是电动机及被拖动水泵效率低，设备陈旧落后，效率比国外先进水平低2－5个百分点；另一方面是电机或水泵匹配不合理，“大马拉小车”现象严重，电机或水泵处于“大流量、低效率、高功耗”的低负荷运行。因此通过对水泵机组的节能改造可以有效的降低能耗，实现节能与环保的双重要求，而对当前正在运行的水泵机组进行能耗测试和分析，则是水泵机组的节能改造的第一步。

目前对水泵性能测试系统主要是在试验室条件下，采用一些专用的检测试验台，监测参数包括流量、扬程、压力、扭矩、效率等，可以对水泵和电机产品进行全面的性能监测，但由于设备体积大，需要安装传感器的数量多，不适用于在线测试系统。为此，专利(ZL200620147373.2)公开了一种便携式的水泵机组效率和能耗在线检测装置，来解决设备体积大的问题，而专利(201110445150)公开了工业循环水系统的泵组运行能效分析方法，解决多变工况下水泵运行状态判定问题。但这些方法都是将泵和电机作为一个整体来进行能耗测试和评估，无法进一步的诊断出能耗产生的原因，得出电机和泵两部分的节能空间，并给出正确的节能建议，使泵机组平均运行效率提高。而另一方面目前的能耗测试系统针对变频调速泵，也主要依据相似定律，以水泵工频运行特性模型库为基础，确定出对应频率条件下的扬程、流量和轴功率的取值，进而构建出不同频率条件下扬程与流量、效率与流量以及轴功率与流量各自对应的显式模型来进行分析的，是通过理论换算实现的，具有一定的误差。因此也有必要解决变频泵机组的能耗在线测试问题，以保证其能耗精度。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种水泵机组在线能耗测试分析系统，主要由电机运行能耗监测及测试评估系统和泵运行能耗监测及测试评估系统组成，可用于工业现场，在不需搭建特定的实验台的情况下，可以准确对泵机组中的能耗进行测试和评估，得出电机和泵各自的能耗情况，并且该系统可用于变频驱动的水泵机组。

一种水泵机组在线能耗测试分析系统，包括电机电流电压采集单元，水泵运行测量单元，测试仪；所述电机电流电压采集单元包括霍尔电流传感器、霍尔电压传感器；所述水泵运行测量单元包括压力传感器、热电极、传感器安装头；所述传感器安装头内部是一个空心管，所述空心管上贯通有压力传感器安装口和热电极安装口，所述压力传感器安装在所述压力传感器安装口上，所述热电极安装在所述热电极安装口上，所述传感器安装头的空心管与水泵测压孔连通，水泵中的部分介质流入传感器安装头空心管中可传输温度和压力供传感器测量；所述测试平台包括触摸控制显示屏、测试箱、显示仪和传感器接口，所述传感器接口连接所述霍尔电流传感器、霍尔电压传感器、压力传感器和热电极，分别用于采集电机电流、电压、水泵进出口压力、温度。

上述方案中，所述传感器安装头还包括中空外壳，所述中空外壳内部安装有所述空心管和球阀，所述球阀将所述空心管分成上下两部分，所述球阀可控制中空管通断，所述压力传感器安装口和热电极安装口安装在中空外壳上端，并与所述空心管贯通，所述中空外壳下端设有螺纹孔，所述传感器安装头通过螺纹孔与水泵测压口连接，所述空心管下端与水泵测压孔连接。所述球阀上焊接有球阀调节杆，通过所述球阀调节杆可控制球阀垂直方向转动。所述球阀通过橡胶固定中空外壳内。

上述方案中，若水泵没有配备标准测压，则在泵进出口处各增加一个测试管段，所述测试管段端部设有安装活动法兰，所述测试管段管壁上设有测量孔，所述测试管段通过安装活动法兰安装在水泵进口或者出口处，所述测量孔与所述传感器安装头的空心管下端连接。

一种水泵机组在线能耗测试分析方法，包括以下步骤：

步骤一：通过热电偶和压力传感器获得泵进、出口截面温度和压力，即可计算泵的效率，泵的效率公式，

$\mathrm{\η}=\frac{\stackrel{\‾}{v}(p_2-p_1)}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\α}}(p_2-p_1)+\stackrel{\‾}{c_p}(T_2-T_1)}$

式中：p₁、p₂－泵进、出口截面压强，Pa；T₁、T₂－泵进、出口截面温度，℃；－水的平均比容；－平均等温系数；－水的平均比热，J·(kg·K)^-1；

步骤二：通过步骤一算出的泵效率反推出电机运行效率，电机的效率η_电为，

水泵运行能耗监测及测试评估系统主要包括泵运行监测系统和泵能耗测试评估软件，其中泵运行监测系统利用压力传感器测量泵进出口截面的压力，热电偶测量泵进出口的液体温度，泵能耗测试评估软件通过中央处理分析系统利用热力学方法，只需得到水泵进出口断面的压力差和温度差就可计算出水泵的实际运行效率，泵的效率公式。

$\mathrm{\η}=\frac{\stackrel{\‾}{v}(p_2-p_1)}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\α}}(p_2-p_1)+\stackrel{\‾}{c_p}(T_2-T_1)}$

式中：p₁、p₂－泵进、出口截面压强，Pa；T₁、T₂－泵进、出口截面温度，℃；－水的平均比容；－平均等温系数；－水的平均比热，J·(kg·K)^-1。

电机运行能耗监测及测试评估系统主要包括电机运行监测系统和电机能耗测试评估软件，其中电机运行监测系统利用霍尔电流、电压传感器采集电机的电流、电压信号，电机能耗测试评估软件通过中央处理分析系统利用泵的效率反推电机的效率，电机的输入功率公式为：

式中：I－电机的电流，A；U－电机的电压，V；－功率因数。

泵的输入功率P_泵输入与电机输出功率相等(针对直轴驱动，忽略传动损失)：

式中：ρ－水的密度，kg/m³；g－重力加速度，m/s²；Q－泵的流量，m³/h；H－泵的扬程，m。

因此，电机的效率η_电为

本发明的有益效果：

1.本发明采用水泵效率反推电机效率的方法，可提高计算结果的精确度。

2.本发明通过添加传感器安装头可解决工业现场不利于机组运行参数测量的问题，通过安装头构建测量条件，可对离心泵在线测量，无需搭建试验台且不影响水泵机组正常运行。

3.本发明可在线显示水泵机组能耗及效率，能够对水泵机组的能耗和效率做出分析，根据机组实际运行状况提出可靠的节能改造建议。

附图说明

图1是一种水泵机组在线能耗测试分析系统装置图；

图2是传感器安装头与水泵测压口连接示意图；

图3是传感器安装头示意图；

图4是水泵测压口示意图；

图5是测试管段示意图；

图6是水泵机组在线能耗测试分析系统电机转速计算流程图；

图7是水泵机组在线能耗测试分析系统泵机组运行效率计算流程图。

图中，1、霍尔电流传感器；2、霍尔电压传感器；3、电流传感器接口；4：测试仪；5：触摸控制显示屏；6：测试箱；7、压力传感器接口；8：温度传感器接口；9：显示仪；10：水泵进/出水管；11：螺纹孔；12：球阀调节杆；13：中空外壳；14：球阀；15：压力传感器安装口；16：热电极安装口；17：空心管；18：安装活动法兰；19：测试管段；20：测量孔；21：电压传感器接口；22、水泵测压口；23、水泵测压孔。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

一种水泵机组在线能耗测试分析系统，包括电机电流电压采集单元，水泵运行测量单元，测试仪4；所述电机电流电压采集单元包括霍尔电流传感器1、霍尔电压传感器2；所述水泵运行测量单元包括压力传感器、热电极、传感器安装头；所述传感器安装头内部是一个空心管17，所述空心管17上贯通连接有压力传感器安装口15和热电极安装口16，所述压力传感器安装在所述压力传感器安装口15上，所述热电极安装在所述热电极安装口16上，所述传感器安装头的空心管17与水泵测压孔23连通，水泵中的部分介质流入传感器安装头空心管17中可传输温度和压力供传感器测量。

所述测试仪4为BCY-2B便携式泵效测试仪，包括触摸控制显示屏5、测试箱6、显示仪9和传感器接口，霍尔电流传感器1一端安装在所述电流传感器接口3，另一端接三相电源，所述霍尔电压传感器2一端安装在所述电压传感器接口21，另一端连接水泵电机，测量水泵电机相电压或线电压，所述压力传感器接口7连接压力传感器，所述温度传感器接口8连接热电极，测量水泵进出口压力、温度。

上述方案中，所述传感器安装头还包括中空外壳13，所述中空外壳13内部安装有所述空心管17和球阀14，所述球阀14将所述空心管17分成上下两部分，所述球阀14可控制中空管17通断，所述压力传感器安装口15和热电极安装口16安装在中空外壳13上端，并与所述空心管17贯通，所述中空外壳13下端设有螺纹孔11，所述传感器安装头通过螺纹孔11与水泵测压口22连接，所述空心管17下端与水泵测压孔23连接，所述球阀14上焊接有球阀调节杆12，通过所述球阀调节杆12可控制球阀14垂直方向转动，方便控制球阀14的旋转，所述球阀14通过橡胶固定中空外壳13内。

通过添加传感器安装头可解决工业现场不利于机组运行参数测量的问题，通过安装头构建测量条件，可对离心泵在线测量，无需搭建试验台且不影响水泵机组正常运行。

上述方案中，若水泵没有配备标准测压口22，则在泵进出口处各增加一个测试管段19，所述测试管段19端部设有安装活动法兰18，所述测试管段19管壁上设有测量孔20，所述测试管段19通过安装活动法兰18安装在水泵进口或者出口处，所述测量孔20与所述传感器安装头的空心管17下端连接。

一种水泵机组在线能耗测试分析方法，包括以下步骤：

步骤一：通过热电偶和压力传感器获得泵进、出口截面温度和压力，即可计算泵的效率，泵的效率公式，

$\mathrm{\η}=\frac{\stackrel{\‾}{v}(p_2-p_1)}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\α}}(p_2-p_1)+\stackrel{\‾}{c_p}(T_2-T_1)}$

式中：p₁、p₂－泵进、出口截面压强，Pa；T₁、T₂－泵进、出口截面温度，℃；－水的平均比容；－平均等温系数；－水的平均比热，J·(kg·K)^-1；

步骤二：通过步骤一计算出的泵效率反推出电机运行效率，电机的效率η_电为，

如图1所示，四个霍尔电流传感器1分别与电机上的三相电源连接。三个霍尔电压传感器2测量电机三个相电压或线电压(具体情况依据电机星形或三角形连接方式而定)，两个压力传感器接口7为航天插头，分别连接测量泵进、出口压力的压力传感器，两个温度传感器接口8为快捷插头，分别连接测量泵进、出口温度的热电极，在触摸控制显示屏5上设置一系列工况后即可测得水泵机组的能耗情况，显示仪9可实时显示测得的电流、电压、温度、压力等水泵机组的运行参数。

如图2、图3、图4所示，可将压力传感器安装在压力传感器安装口15，热电极安装在温度传感器安装口16上，压力传感器安装口15和温度传感器安装口16均焊在传感器安装头上，传感器安装头配备有标准螺纹安装口，若工业现场在水泵进出口处配备有标准的测压口22，则在泵进出口处各安装一个传感器安装头，通过螺纹孔11直接在测压口22上安装并焊接固定，安装头外壁各部分之间通过焊接连成一体，水泵中的部分介质流入安装头中间空心管17中可传输温度和压力供传感器测量。空心管17与测压孔23通过标准螺纹口连接，为避免空心管17中出现气泡影响测量精度，可在传感器安装头一边凿孔置入球阀14并用橡胶固定，并在球阀14上焊一球阀调节杆12，使用前通过球阀调节杆12调节球阀将其旋转90度，使原先封闭状态变成开通状态，水经过空心管17即可排出管中气体。

如图4、图5所示，若水泵没有配备标准测压口22，则在泵进出口处各增加一个测试管段19，所述测试管段19端部设有安装活动法兰18，所述测试管段19管壁上设有测量孔20，所述测试管段19通过安装活动法兰18安装在水泵进口或者出口处，所述测量孔20与所述传感器安装头的空心管17下端连接。

传感器连接线将测得的泵机组运行参数传递至泵和电机能耗测试评估系统，计算出泵机组的转速和实际运行效率。如图6所示，泵机组的转速计算过程具体为：

首先将得到离散数字信号，然后对其分别进行FFT，考虑到做FFT时时域截断产生的频谱泄露以及栅栏效应，为获得更高的频率精度，采用加汉字窗得到电压谐波和电流谐波，再通过计算电压和电流谐波的比值，求得与各次谐波对应的阻抗和导纳，由获得的谐波阻抗和导纳，即可构造谐波阻抗谱和谐波导纳谱。

获得谐波阻抗谱后,偏心谐波频率在电源基波频率的两侧形成边带，其幅值与转子偏心程度成正比，如下式f_s为输入电源频率，f_r为电机转速频率。

$\left\{\begin{array}{c}{f}_{\mathrm{ecc}}^{-}=f_1-f_r\\ f_{\mathrm{ecc}}^{+}=f_1+f_r\end{array}\right.$

在3倍基波频率之外除去各奇次谐波，幅值最大的频率点即为1阶转子齿谐波的频率f_sh，如下式所示，其中Z为转子齿数，P为电机极对数，s转差率，f_s为输入电源频率。

$f_{\mathrm{sh}}=[\frac{z_2(1-s)}{P}+1]f_s$

则得到后代入下式，并取与结果最接近的偶数即得到转子齿数Z。当经过一定次数的计算且结果一致时，便可确定已经获得了转子齿数Z。

$Z=\frac{f_{\mathrm{sh}}-f_s}{f_r}$

则转速为：

$n=\frac{60(f_{\mathrm{sh}}-f_s)}{Z}$

如图7为泵和电机实际运行效率的计算流程，本发明采用热力学的方法求解泵效率，即只需测得泵进、出口温度和压力即可计算出泵实际运行效率

$\mathrm{\η}=\frac{\stackrel{\‾}{v}(p_2-p_1)}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\α}}(p_2-p_1)+\stackrel{\‾}{c_p}(T_2-T_1)}$

本发明针对电机实际运行效率不易求解的问题，提出了利用泵效率反推电机效率的方法，只要测得流量、泵进、出口压力差和温度差、电机电流和电压即可得到电机实际运行效率。

本发明通过以上方法求得泵和电机的转速、实际运行效率以及可达到的运行效率后，对比最新的泵和电机运行数据库，得出各个工况点及该组工况下泵和电机可达到的最佳运行效率和平均运行效率，从而得到泵和电机的节能空间。由此可知泵机组中能耗浪费较多的部分，再根据该处的能耗浪费情况，提出有针对性的节能方案。上述计算结果和节能方案均显示在测试系统的显示仪上，供用户参考使用。

所述实施例为本发明优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种水泵机组在线能耗测试分析系统，包括电机电流电压采集单元，水泵运行测量单元，测试仪(4)；

所述电机电流电压采集单元包括霍尔电流传感器(1)、霍尔电压传感器(2)；

所述水泵运行测量单元包括压力传感器、热电极、传感器安装头；

所述传感器安装头内部是一个空心管(17)，所述空心管(17)上贯通有压力传感器安装口(15)和热电极安装口(16)，所述压力传感器安装在所述压力传感器安装口(15)上，所述热电极安装在所述热电极安装口(16)上，所述传感器安装头的空心管(17)与水泵测压孔(23)连通，水泵中的部分介质流入传感器安装头空心管(17)中可传输温度和压力供传感器测量；

所述测试仪(4)包括触摸控制显示屏(5)、测试箱(6)、显示仪(9)和传感器接口，所述传感器接口连接所述霍尔电流传感器(1)、霍尔电压传感器(2)、压力传感器和热电极，分别用于采集电机电流、电压、水泵进出口压力、温度。

2.根据权利要求1所述的水泵机组在线能耗测试分析系统，其特征在于：所述传感器安装头还包括中空外壳(13)，所述中空外壳(13)内部安装有所述空心管(17)和球阀(14)，所述球阀(14)将所述空心管(17)分成上下两部分，所述球阀(14)可控制中空管(17)通断，所述压力传感器安装口(15)和热电极安装口(16)安装在中空外壳(13)上端，并与所述空心管(17)贯通，所述中空外壳(13)下端设有螺纹孔(11)，所述传感器安装头通过螺纹孔(11)与水泵测压口(22)连接，所述空心管(17)下端与水泵测压孔(23)连接；所述球阀(14)上焊接有球阀调节杆(12)，通过所述球阀调节杆(12)可控制球阀(14)垂直方向转动。

3.一种水泵机组在线能耗测试分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：通过热电偶和压力传感器获得泵进、出口截面温度和压力，即可计算泵的效率，泵的效率公式为：

$\mathrm{\η}=\frac{\stackrel{\‾}{v}(p_2-p_1)}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\α}}(p_2-p_1)+\stackrel{\‾}{c_p}(T_2-T_1)}$

式中：p₁、p₂－泵进、出口截面压强，Pa；T₁、T₂－泵进、出口截面温度，℃；－水的平均比容；－平均等温系数；－水的平均比热，J·(kg·K)^-1；

步骤二：根据步骤一计算出的泵效率反推出电机运行效率，电机的效率η_电为：

式中：ρ－水的密度，kg/m³；g－重力加速度，m/s²；Q－泵的流量，m³/h；H－泵的扬程，m。