CN105425836A - 一种宽实际可调比高精度流量定量控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽实际可调比高精度流量定量控制系统。它包括用于检测离心泵的输送流量并反馈检测信号至流量控制器的流量传感器；用于根据流量传感器反馈的检测信号分别向变频调速器和定量调节阀的输出控制信号的流量控制器；用于根据流量控制器的控制信号对离心泵的频率进行粗条的变频调速器；用于根据变频调速器的控制频率输出可控流量的离心泵；用于根据流量控制器的控制信号完成流量的定量调节和控制的定量调节阀。本发明具有很小流量起点、能够从很小流量到较大流量宽范围流量调节、实际可调比大、流量控制分辨率高、使用寿命长、运行稳定可靠、设备投入和维修费用低等多种优点，能够完全替代传统的加药输送设备——进口计量泵。

Description

一种宽实际可调比高精度流量定量控制系统

技术领域

本发明属于自来水生产工艺技术领域，具体涉及一种宽实际可调比高精度流量定量控制系统。

背景技术

自来水制水工业加药净化工艺，需要根据源水参数的变化，定量向源水投入液体絮凝剂，通过混凝反应、沉淀和过滤，使水质浊度指标达到国家标准。全国大中城市90％以上的水厂加药都采用计量泵作为定量输送机构。计量泵是一种往复式运转的容积泵，能够定量输送液体的设备，它主要通过对其冲程(改变容积大小)和频率(改变往复运转速度)的调节来改变输送液体的量。其频率的调节范围为20Hz-50Hz，冲程的调整范围为10％-100％。

理论上计量泵的流量计算公式为：Q_i＝Q_S(F×X)/(50×100)

式中，Q_i为实际流量，Q_S为计量泵的最大量程，F为计量泵实际运行频率，X为计量泵实际运行冲程。

从长期运行实践看，计量泵存在下列问题：

1、计量泵尤其是国产计量泵实际输送流量与其理论计算值比较，存在比较严重的非线性，计量泵长时间运行，隔膜劣化也导致流量特性畸变。但操作人员一般认为计量泵是一种容积式定量输送设备，可以在没有流量监测的条件下使用，按照理论值现场人工操作计量泵，手工改变计量泵的行程和通过变频调速器改变计量泵的频率，但计量泵究竟输送了多少絮凝剂，并不清楚，是一种开环运行模式，存在严重的生产安全的隐患；为了保证出厂水达标，操作人员往往多加絮凝剂，过度加药(好比一个弹簧，本来用力使弹簧压到下限即可，而过度用力会使弹簧产生永久变形)，这样会使出厂水很清，但过度加药(聚合氯化铝)存在出厂水铝离子超标的潜在饮用水安全风险。

2、计量泵是一个不间断往复运行的容积泵，随着计量泵的运行时间不断增加，机械磨损会增加，隔膜劣化程度也增加(一般两年要更换一次隔膜)，因此维修成本高，使用寿命有限。

3、不少水厂使用的源水，平时水很清，加药量很小(有时加药量小到20-30l/h)，而暴雨来后加药流量也会增加到很大(有时达到700-800l/h)。用户在购买计量泵时往往根据最大流量采购，而这些大量程的计量泵在小流量时运行十分困难，为了降低计量泵的输送流量，当采用变频调速器把计量泵的频率调到20Hz以下时，由于电机转速降低导致电机散热不好，容易烧毁计量泵的电机。

4、计量泵，尤其是进口计量泵，价格较贵，加上配套的变频调速器和其他附件，是整个加药设备中投入较大的部分。维修和几年后全部更换又是一笔较大的开支。

因此，需寻找一种能够代替计量泵从很小流量(30l/h)到很大流量(1000l/h)超大范围流量调节、调节分辨率高(±1l/h)、性能价格比高和使用寿命长的流量调节装置。

一般工业控制通用调节阀作为自动化控制的最终执行部分，一般阀门开度从25％到80％即可满足控制要求，阀门在开度为25％以下时阀门基本关闭，但阀门一开启，在管路压力的推动下，即使是小口径的精小型单座直通阀(DN10口径的调节阀的流量系数KV＝1.6)，通过阀门的流量起点就可以达到几百升/时；一般调节阀理论设计的可调比为30:1，但在串联管路运行环境条件下实际可调比只能够到5:1左右，这个可调比基本可以满足在工业定值控制的需要；由于通过调节阀的流量较大，阀门的开度范围有限，因此调节的分辨率较粗。显然，一般调节阀无法满足自来水加药需要的具有超小流量起点、较大的实际可调比和精细的控制流量分辨率的要求，即直接采用一般工业调节阀来代替计量泵无法实现大范围的流量精密控制。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述背景技术存在的不足，提供一种宽实际可调比高精度流量定量控制系统。

本发明采用的技术方案是：一种宽实际可调比高精度流量定量控制系统，包括流量传感器，安装于定量调节阀的输出管道上，输出端连接流量控制器的输入端，用于检测离心泵的输送流量并反馈检测信号至流量控制器；

流量控制器，输出端连接变频调速器和定量调节阀，用于根据流量传感器反馈的检测信号分别向变频调速器和定量调节阀输出控制信号；

变频调速器，输出端连接离心泵的频率控制端，用于根据流量控制器的控制信号对离心泵的频率进行粗条；

离心泵，用于根据变频调速器的控制频率输出可控流量；

定量调节阀，安装于离心泵的输出管道上，用于根据流量控制器的控制信号完成流量的定量调节和控制；

定量调节阀包括直行程电子执行机构、阀杆、阀芯、阀座和阀体，阀杆顶端通过连接件安装于直行程电子执行机构底部，阀芯固定于阀杆底部，阀座安装于阀体内部将流通通道隔开，阀芯与阀座上的阀孔相配合，阀芯的锥度小于等于0.122。

进一步地，所述阀孔为圆柱孔。

进一步地，所述定量调节阀还包括阀盖，所述阀盖套在阀杆表面，阀盖上端与直行程电子执行机构底部固定连接、底部压紧阀体。

进一步地，所述离心泵包括第一离心泵和第二离心泵，所述第一离心泵的第一输出管道上安装第一定量调节阀，第二离心泵的第二输出管道上安装第二定量调节阀，第一输出管道与第二输出管道之间设有连通管道。

更进一步地，所述第一定量调节阀和第二定量调节阀的输出管道上分别安装第一流量传感器和第二流量传感器。

本发明由带变频调速器的离心泵作为液体输送机构，高精度直行程电子调节阀作为液体流量调节机构，以流量传感器作为反馈机构，以流量控制器作为流量控制单元，组成的一个宽实际可调比的高精度流量定量闭环控制系统。该系统有很小流量起点、能够从很小流量到较大流量(30l/h-1000l/h，适当改变阀芯和阀座的尺寸，流量的控制范围还可以减小或加大)，宽范围流量调节、实际可调比大、流量控制分辨率高(±1l/h)、使用寿命长、运行稳定可靠、设备投入和维修费用低等多种优点，能够完全替代传统的加药输送设备——进口计量泵。

该系统的核心部件高精度电子调节阀中阀芯为特别设计，具有缓角度，长行程，等百分比特性，阀门的阀门开度从5％到95％可用，具有较宽的可调比和较高的控制精度。

本发明具有满足自来水加药需要的宽可调范围、低流量控制起点、高流量分辨率和控制精度、性能价格比优越等特点，是对现有全国多数水厂加药净化生产过程采用的加药模式的重大创新。它将加药工艺从人工手动、开环、间接、模糊和粗犷的方式一跃为远程自动、闭环、直接、精确和精细的输送方式，节能降耗、减员增效、保证生产安全，具有显著的社会和经济效益。

附图说明

图1为本发明控制系统的一种示意图。

图2为本发明控制系统的另一种示意图。

图3为本发明定量调节阀的结构示意图。

图中：1-流量传感器；2-流量控制器；3-变频调速器；4-离心泵；5-定量调节阀；6-第一变频调速器；7-第二变频调速器；8-第一离心泵；9-第二离心泵；10-第一输出管道；11-第二输出管道；12-连接管道；13-第一开关阀；14-第二开关阀；15-第一定量调节阀；16-第二定量调节阀；17-第一流量传感器；18-第二流量传感器；19-直行程电子执行机构；20-连接件；21-阀杆；22-阀芯；23-阀座；24-阀孔；25-阀盖；26-阀体；27-流通通道。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。

如图1所示，本发明包括流量传感器1、流量控制器2、变频调速器3、离心泵4和定量调节阀5，其中：

流量传感器1安装于定量调节阀5的输出管道上，输出端连接流量控制器2的输入端，用于检测离心泵4的输送流量并反馈检测信号至流量控制器2；

流量控制器2输出端连接变频调速器3和定量调节阀5，用于根据流量传感器1反馈的检测信号分别向变频调速器3和定量调节阀5输出控制信号；

变频调速器3，输出端连接离心泵4的频率控制端，用于根据流量控制器2的控制信号对离心泵4的频率进行粗调；

离心泵4，用于根据变频调速器3的控制频率输出可控流量；

定量调节阀5，安装于离心泵4的输出管道上，用于根据流量控制器2的控制信号完成流量的定量调节和控制，同时将其阀门的开度信息发送给流量控制器。

流量控制器2根据给定流量的大小，将流量分成多个区域，每个区域对应一个特定的频率值。流量控制器2在就地或远程接受流量定量控制命令后，流量控制器根据给定值的区域，首先根据给定流量的大小通过控制变频调速器3对离心泵4的频率进行粗调，使离心泵4的频率到特定值，再将流量给定值与流量传感器1的反馈信号比较，采用PID、模糊控制或其他控制算法，对定量调节阀5进行控制，控制定量调节阀5的阀芯22上下移动时节流面积的改变来完成流量的定量调节和控制，使流量达到给定值，这个过程称为细调。流量控制器协调离心泵频率和定量调节阀阀门开度的控制量，达到扩展流量控制范围实际可调比和流量闭环控制的目的。流量的设定，既可以远程设定，也可以现场设定。

扩展定量流量控制系统实际可调比的原理，可采用其他电子式调节阀，在流量控制器的指挥下，以流量传感器为反馈机构，采用离心泵变频粗调，采用调节阀细调的方法，扩展流量控制范围，增加设计可调比。

在流量控制器2的协调下，定量调节阀5的流量控制范围从30l/h到1000l/h(根据需要，阀门的流通范围可适当增加或减少)，流量控制分辨率±1l/h，控制精度0.2％，阀门动作频率很低，运行平稳，性能大大优于计量泵。采用这种宽范围高精度的定量调节阀的流量控制系统构成成本只有进口计量泵的三分之二，如果多条投加管路，采用一泵多阀的模式，设备投入成本更低。

图1所示的控制系统为每个加药点采用一台离心泵作为流量输送机构，采用一台定量调节阀作为流量控制机构。为保证系统的完好性、生产更安全，也可以在每个加药点采用两台离心泵，一用一热备份，作为流量输送机构；采用两台定量调节阀，一用一热备份，作为流量控制机构。或者也可以采用一台备用的调节阀作为两个或多个加药点的备用阀门构建安全系统。

如图2所示，即为设有热备用离心泵和定量调节阀的示意图，离心泵设有两台，分别为第一离心泵8和第二离心泵9，变频调速器也设置两台，为第一变频调速器7和第二变频调速器8，对两台离心泵频率进行粗条，第一离心泵8的第一输出管道10上安装第一定量调节阀15，第二离心泵9的第二输出管道11上安装第二定量调节阀16，第一定量调节阀15和第二定量调节阀16的的输出管道上分别安装第一流量传感器17和第二流量传感器18。第一输出管道10与第二输出管道11之间设有连通管道12。在第一输出管道10和第二输出管道11上位于连通管道的输出侧还分别安装有第一开关阀13和第二开关阀14。

一般源水加药后的反应效果都要到很长滞后时间才能够检测到(经过反应沉淀后检测沉淀水的浊度，一般滞后时间1-2个小时)，如出现断药1个小时后检测到沉淀水浊度超标，整个生产过程已经不可逆，会导致水厂水库的成品水全部被污染超标，整个水厂只有降压停产，将成品水库的水全部排掉重新生产，造成极坏的社会影响和很大的经济损失。本发明这种闭环流量控制系统为加药生产更安全的自动保障体系，能够避免出现上述问题。

在图2中，如第一离心泵8的频率和第一定量调节阀15的阀门开度都已经达到最大，实际流量仍然严重偏离给定值，就会自动启动热备用第二离心泵9，如果问题仍然存在，则关闭第一开关阀13，打开第二开关阀14，自动启动另一条加药管线及备用第二定量调节阀16，利用第二流量传感器18构成闭环回路，按照给定流量进行控制并报警，从而彻底杜绝断药现象发生，保证生产安全。两套管阀系统平时定时切换使用，保证系统的完好性。两套液体输送管路也可以共用一个流量传感器，如图2中的虚线所示。

如图3所示，定量调节阀5包括直行程电子执行机构19、阀杆21、阀芯22、阀座23、阀盖25和阀体26，阀杆21顶端通过连接件20安装于直行程电子执行机构19底部，阀芯22固定于阀杆21底部，阀座23安装于阀体26内部将流通通道27隔开，阀芯22与阀座23上的阀孔24相配合。阀盖25套在阀杆21表面，阀盖25上端与直行程电子执行机构19底部固定连接、底部压紧阀体26。阀芯22为椎体结构，阀芯22端部为半球形结构，阀芯22的锥度锥度小于等于0.122，阀孔24为圆柱孔，对阀芯22参数特性设计，使其与阀孔24配合，从而达到较大的阀门开度运行空间。

定量调节阀5中阀芯22的设计是本发明的核心技术，对定量调节阀的阀芯22(阀芯上下移动，通过改变节流面积改变流量)进行专门设计，将阀芯设计成一个与垂直线收缩角度很小、行程较长的椎体结构，椎体的尾部为半球形。当定量调节阀微开时，阀芯22和阀座23之间的缝隙很小，节流大，只让极微小的流体通过，保证阀门具有很小流量的起点；随着阀杆21上移，由于阀芯22的收缩角度很小，阀芯22与阀座23之间的缝隙缓慢增加，流道面积的增加使得阀阻减少，流量缓慢增加，达到精密进行流量调节的目的；为了使阀门的流量能够从最小起点到较高的流量，阀芯22的动作行程要设计得比较长(≥20mm)，阀门的开度从5％到95％可用，以增加流量的可调比和控制精度。

如此特别设计的一种阀芯在阀座的配合下，在流量控制系统的总体协调控制下，能够十分稳定地大范围调节和控制阀门的流量(从30l/h到1000l/h)，控制精度达到±1l/h，成为一种完全可以替代计量泵的定量调节阀。在阀芯和阀座的共同作用下，能够保证流通特性为等百分比(或称对数特性)，即单位位移变化引起的流量变化与此点的原有流量成正比，而流量相对变化的百分比总是相等的，故又称等百分比特性。这样，在小开度时，流量小，流量的变化也小，调节阀放大系数小，调节效果平稳缓和；在大开度时，流量大，流量的变化也大，调节阀放大系数大，调节灵敏有效。

阀芯和阀座的设计只是满足阀门超宽范围调节流量的必要条件，定量调节阀的流量计算公式为式中，Q-流量；△P-阀门节流前后压阻；A-节流面积；ξ-阻力系数；γ重度；g加速度。

当需要调节阀调节很小的流量时，节流面积A要变小，而此时△P会增加，如果流量的推动压力是恒定的，当△P增加到一定程度时，会破坏调节阀动作的平稳度；而当需要调节阀调节较大的流量时，节流面积要加大，而此时△P会减少，在一个恒定的流体推动力的条件下，当△P减少到一定程度时，阀门调节的稳定性将会变得很差。

如果在小流量调节时适当减少流体的推动力，而在大流量调节时适当增加流体的推动力，而不仅仅是靠改变节流面积的方法来调节流量，则将大大增加调节的稳定性和调节范围，因此，一个完整的流量定量调节控制系统，还应该包括变流体推动力系统，在本系统中则由离心泵来完成，在加上上述的变频调速器、流量传感器和流量控制器，共同构成一个流量定量闭环控制系统。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (5)

1.一种宽实际可调比高精度流量定量控制系统，其特征在于：包括

流量传感器(1)，安装于定量调节阀的输出管道上，输出端连接流量控制器的输入端，用于检测离心泵的输送流量并反馈检测信号至流量控制器；

流量控制器(2)，输出端连接变频调速器和定量调节阀，用于根据流量传感器反馈的检测信号分别向变频调速器和定量调节阀输出控制信号；

变频调速器(3)，输出端连接离心泵的频率控制端，用于根据流量控制器的控制信号对离心泵的频率进行粗条；

离心泵(4)，用于根据变频调速器的控制频率输出可控流量；

定量调节阀(5)，安装于离心泵的输出管道上，用于根据流量控制器的控制信号完成流量的定量调节和控制；

定量调节阀(5)包括直行程电子执行机构(19)、阀杆(21)、阀芯(22)、阀座(23)和阀体(26)，阀杆(21)顶端通过连接件安装于直行程电子执行机构(19)底部，阀芯(22)固定于阀杆(21)底部，阀座(23)安装于阀体(26)内部将流通通道隔开，阀芯(22)与阀座(23)上的阀孔(24)相配合，阀芯(22)的锥度小于等于0.122。

2.根据权利要求1所述的一种宽实际可调比高精度流量定量控制系统，其特征在于：所述阀孔(24)为圆柱孔。

3.根据权利要求1所述的一种宽实际可调比高精度流量定量控制系统，其特征在于：所述定量调节阀(5)还包括阀盖(25)，所述阀盖(25)套在阀杆(21)表面，阀盖(25)上端与直行程电子执行机构(19)底部固定连接、底部压紧阀体(26)。

4.根据权利要求1所述的一种宽实际可调比高精度流量定量控制系统，其特征在于：所述离心泵包括第一离心泵(8)和第二离心泵(9)，所述第一离心泵(8)的第一输出管道(10)上安装第一定量调节阀(15)，第二离心泵(9)的第二输出管道(11)上安装第二定量调节阀(16)，第一输出管道(10)与第二输出管道(11)之间设有连通管道(12)。

5.根据权利要求4所述的一种宽实际可调比高精度流量定量控制系统，其特征在于：所述第一定量调节阀(15)和第二定量调节阀(16)的输出管道上分别安装第一流量传感器(17)和第二流量传感器(18)。