CN105556127B - 离心泵的综合特征曲线调节 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于在泵抽吸液体期间调节泵、特别是离心泵的方法，具有下述步骤：确定泵的流量率的额定值；测量在泵上游液体的入口压力和在泵下游液体的出口压力；由泵的综合特征曲线确定泵的转速的额定值，其中，流量率的被确定的额定值和出口压力与入口压力之差作为输入值并入综合特征曲线；以及将泵的转速设置到转速的额定值。此外，本发明涉及用于调节泵的相应的设备。

Description

离心泵的综合特征曲线调节

技术领域

本发明涉及一种用于在泵抽吸液体期间调节泵、特别是离心泵的方法以及相应的设备。

背景技术

离心泵具有对施加的压力差和转速的输送量的强烈依赖性。更确切地说，泵出口侧的液体压力和泵入口侧的液体压力之差确定流量(质量流量或体积流量)。每个泵具有针对其标记的泵综合特征曲线，其限定三个参数(泵出口侧的液体压力和泵入口侧的液体压力之差、流量、转速)之间的关系。通过该方式可由综合特征曲线在知道两个参数的情况下算出第三个参数。综合特征曲线可通过凭经验的、半凭经验的或理论的模型方程的方式存在。在凭经验的模型方程中，凭经验获取的值可与补偿函数结合。该凭经验的补偿函数也可作为插图被保存在表中。在半凭经验的模型方程的情况下，凭经验算出的值和物理方程并入，其例如描述了物理参数的关系。在理论的模型方程的情况下，参数的关系完全通过物理方程描述。

不利的是，在介质压力中的波动在高压和/或低压侧导致不均匀的流量(在给定的转速的情况下)，这在临界质量流量的过程中可导致损伤流程。此外，综合特征曲线减小泵的运行区域，这在超过界限时可能导致过程干扰和部件损伤。

图1示出这样的综合特征曲线的示例。在此，通过体积流量Q根据转速n绘制扬程H。通过综合特征曲线的最小和最大值限制体积流量。此外，存在最大扬程，其仅可在最高转速和最小流量时达到。示出，在固定的转速的情况下强烈根据高度改变流量。因为扬程正比于紧贴在泵处的压力差，在高压侧或低压侧上的压力中的波动影响泵流量的变化。体积流量向下的界限不必如附图中是恒定的，而可取决于转速。

图2中的示例示出在恒定的转速n的情况下扬程从H₁向H₂的减小。通过综合特征曲线状态，流量从Q₁向Q₂显著提高。这样的改变可能导致过程运行中的问题，其可能导致干扰、停机时间和故障。此外，在多个过程中，期望流量的变化独立于当前的扬程。该功能通过综合特征曲线的影响同样被损害。若例如应提高流量且对此提高转速，则在多个过程中的提高的输送量可能导致在高压侧的压力升高，其由于综合特征曲线影响部分地再次补偿流量升高。

此外，综合特征曲线也示出存在针对泵运行的典型机器方面的限制(如例如最小体积流量)，其必须保持持续确保机器功能。

在文献DE 10 2011 115 244 A1中仅已知对泵的运行状态的监控，其包括比较实际-特征曲线与额定-特征曲线，从而由此预测泵的维修需求和更换需求。

在其中可靠输送流体流的应用领域具有特别的意义，在图3中示意性地示出对ORC-发电站过程(有机朗肯循环)的进料泵的泵调节。在其中以下述方式调节泵(P)，即，可在泵下游的导热体(V)的出口处可靠地设置所期望的新蒸汽参数。对此，泵的转速通过调节被影响，使得汽化条件通过由此改变的流量而这样地改变，即，达到新蒸汽的所期望的压力和温度，且对于稳定的过程运行稳定地控制。

在该示例中，泵的扬程一方面取决于新蒸汽压力(P_FD)，另一方面取决于泵之前的压力水平(P_KOND)。该压力取决于前置于泵的冷凝器(K)的当前的冷凝压力。该冷凝器通过将热量排放给冷却介质而在ORC过程中冷却和液化工作介质。该冷却介质(例如，供热网络的水或环境空气)可受到量和温度波动(在供热网络中的温度波动、风或其他环境影响)。该波动影响冷凝器中的热传递，这影响冷凝条件且由此影响冷凝压力。由此外部干扰可影响泵的扬程，且因此引起质量流量和新蒸汽压力的波动。该可能的波动幅度必须在安全性考虑和可用性分析中得到考虑。此外ORC过程涉及封闭的系统，且由此不排除波动的新蒸汽压力通过膨胀机(E)反作用于冷凝压力。因此导致自增强的效果，其进一步负面地影响过程稳定性。

应付该影响的可能性在于，使用根据图4的串级调节。其中，内调节回路根据质量或体积流量的当前的实际值与额定值的比较而调节流量，而外调节回路给内回路预定用于调节到泵的真实调节量的流量额定值(例如，过程压力)。由此可补偿流量偏差，且同时调节到所期望的过程值。

在串级调节器(Kaskadenregler)中，(内)部分过程I可以是泵抽吸过程。其中有将质量流量-调节(m-调节)的信号转换成输送介质的所有的部件。这可包括泵的控制/转速调节，泵马达和泵自身。外部分过程II可以例如是汽化过程，且过程值s可以是汽化之后的介质压力p。由此，汽化过程可包括所有必要的部件，如一个或多个导热体、容器、配件等。

该解决方案允许出现流量偏差时探测和对此反应，然而对此流量必须已经偏离其额定值S_Soll。由此在出现波动之前不能前瞻性地补偿。由此需要额外的干扰量接入(未示出)。此外，根据现有技术的该解决方案需要对质量或体积流量进行昂贵的且通常成本高的测量。避免该测量具有显著的成本优势。

发明内容

本发明的目的在于，至少部分地克服上述缺点。

该目的通过根据权利要求1的方法实现。

用于在泵抽吸液体期间调节泵、特别是离心泵的根据本发明的方法包括下述步骤：确定泵的流量率的额定值；测量在泵上游液体的入口压力和在泵下游液体的出口压力；由泵的综合特征曲线确定泵的转速的额定值或确定转速的调整信号中的一个，其中，流量率的被确定的额定值和出口压力与入口压力之差作为输入值并入综合特征曲线；以及将泵的转速设置到转速的额定值，或将确定转速的调整信号提供至泵。

在此有利的是，通过考虑综合特征曲线而不需要测量质量或体积流量从而调节或补偿。此外，在流量波动的影响出现之前，已经可在压力波动出现时进行调节(预期的调节行为)，由此改进调节质量。

在此可通过常见的方式应用泵的综合特征曲线，其中，即，在不同的然而分别恒定的转速的情况下给出流量率和压差或扬程之间的关系。

替选地或额外地，综合特征曲线可通过“逆的”形式(下文中也称为逆综合特征曲线)被应用，其中，在不同的然而分别恒定的流量的情况下给出压差或扬程与转速之间的关系。

在每种情况下这样地实现对综合特征曲线的应用，即，通过转速改变相反调节由压差改变而引起的流量率变化，从而尽可能恒定地保持流量率，这通过在其综合特征曲线或逆综合特征曲线中找到相应的泵运行点而实现。

在此，可再次通过调节而确定流量率的额定值，例如基于被确定的泵的出口压力，或基于另一合适的过程值。另一方面，流量率的额定值可被用户确定。在这两种情况下，这可通过直接预定流量率或可间接通过预定转速而出现，由此可算出待保持恒定的流量率。

优选地，在确定流量率的额定值之后连续实施下述步骤：测量液体的入口压力和液体的出口压力，确定泵的转速的额定值以及设置泵的转速。

根据一个扩展方案，确定流量率的额定值包括下述步骤：确定出口压力与入口压力的差的时间上的平均值；以及由泵的综合特征曲线确定流量率的额定值，其中，出口压力与入口压力的差的时间上的平均值以及泵的当前的转速作为输入值并入综合特征曲线。通过该方式，可在泵运行中确定流量率的待尽可能保持的额定值。在该情况下也可连续完成确定流量率的额定值。

另一个扩展方案在于，可由第一入口压力的时间上的平均值和第二出口压力的时间上的平均值确定出口压力与入口压力的差的时间上的平均值。由此可行的是，在需要时针对入口压力和出口压力的平均使用不同的时间常数。

根据另一个扩展方案，确定泵的转速的额定值可包括下述步骤：检查由泵的转速、流量率的被确定的额定值以及出口压力与入口压力的差构成的组合是否在综合特征曲线界限之内；当该组合在综合特征曲线之内时，将泵的转速设置到转速的额定值；以及当该组合在综合特征曲线之外时，将泵的转速设置到安全值，其中，安全值优选被选择成使得与流量率的额定值的偏差尽可能小。

根据另一个扩展方案，将泵的转速设置到转速的额定值可包括将修正信号输出到被输送给泵的调整信号。通过该方式，修正信号可被连通到调整信号上。特别地，最小调整信号可作为修正信号被输出，从而避免运行状态被设置在综合特征曲线之外。

另一个扩展方案在于，综合特征曲线在不同转速情况下限定泵的流量率与扬程之间的关系，且由测得的出口压力与测得的入口压力之间的压力差确定扬程。特别地，扬程h可通过h＝(p₂-p₁)/(ρ·g)确定，其中，p₁为测得的入口压力，p₂为测得的出口压力，ρ为液体的密度，且g为标准重力加速度。

根据另一个扩展方案，液体的密度作为恒定的预定值被使用，或该方法可包括测量液体的温度的另一步骤，且可以由密度与温度的函数相关性或由表算出液体的密度，其中，测量温度特别可包括在预定的时间间隔上对温度进行平均。

另一个扩展方案在于，连续完成对液体的入口压力和出口压力的测量。通过该方式在压力波动时能够持续修正转速。

流量率可被定义为通过泵的液体的体积流量或质量流量。

此外，上述目的通过根据权利要求10的设备实现。

用于在泵抽吸液体期间调节泵、特别是离心泵的根据本发明的设备包括：第一压力测量仪，用于测量在泵上游液体的入口压力；第二压力测量仪，用于测量在泵下游液体的出口压力；以及控制装置，用于确定泵的流量率的额定值，用于由泵的被存储在存储器中的综合特征曲线确定泵的转速的额定值，其中，流量率的被确定的额定值和出口压力与入口压力之差作为输入值并入综合特征曲线，以及用于将泵的转速设置到转速的额定值。优点对应于结合根据本发明的方法所述的优点。此外，根据本发明的设备可被构建成使得由此可实施根据本发明的方法或其扩展方案。

根据一个扩展方案，控制装置此外可适用于确定出口压力与入口压力的差的时间上的平均值，以及用于由泵的综合特征曲线确定流量率的额定值，其中，出口压力与入口压力的差的时间上的平均值以及泵的当前转速作为输入值并入综合特征曲线。

另一个扩展方案在于，控制装置可被构建成用于将调整信号输出到泵，且将泵的转速设置到转速的额定值可包括将修正信号输出到被输送给泵的调整信号。

根据一个扩展方案，综合特征曲线可在不同转速情况下限定泵的流量率与扬程之间的关系，其中，控制装置此外可被构建成用于通过H＝(p₂-p₁)/(ρ·g)确定扬程H，其中，p₁为测得的入口压力，p₂为测得的出口压力，ρ为液体的密度，且g为标准重力加速度。

另一个扩展方案在于，该设备此外可包括：温度测量仪，用于测量液体的温度，且用于将温度测量信号传送到控制装置；其中，控制装置此外可被构建成，由温度测量信号确定液体的密度，且由密度与温度的函数相关性或由存储在存储器中的表算出液体的密度。

根据本发明的设备或扩展方案中的一个可以是ORC(有机朗肯循环)系统的部分，具有用于泵抽吸ORC系统的工作介质的泵。

根据本发明的设备的扩展方案和其优点对应于结合根据本发明的方法所述的那些。

附图说明

下文中结合附图更加详细地说明本发明的其他特征和示例性实施方式以及优点。应理解，实施方式并非穷举本发明的范围。此外应理解，此外描述的特征的一些或全部可通过其他方式相互组合。附图中：

图1示意性地示出泵的综合特征曲线；

图2示出在压力改变和图1的综合特征曲线中的恒定转速情况下的流量的改变；

图3示出ORC系统的基本部件；

图4示出串级调节器(Kaskadenregler)；

图5以工作原理示出根据本发明的综合特征曲线调节的一个实施方式；

图6示出在泵的综合特征曲线中的压力差波动时对流量的补偿；

图7示出根据本发明的综合特征曲线调节的另一实施方式；

图8示例性地示出在ORC系统中的压差和相应的质量流量；

图9示出在ORC系统中的根据图8的质量流量和相应的蒸汽温度。

具体实施方式

图5说明根据实施方式的根据本发明的方法。对机器的综合特征曲线的了解允许实施关于过程参数的限制(泵出口侧的液体压力与泵入口侧的液体压力之差、流量率、转速)以及实施其在调节中的相互依赖性(综合特征曲线调节)。在此，调节算法监控当前的扬程(例如，压差)以及转速，且由此计算当前的流量率。对此，在算法中数字地存储综合特征曲线。

为了计算针对调节的扬程，必须了解在低压侧和高压侧(p_n,p_h)上的当前压力(相应地：泵进入侧和泵排出侧，或在泵的上游和下游，或所测量的入口压力p₁和所测量的出口压力p₂)。扬程H可通过所述压力的差Δp＝(p_h-p_n)和介质的密度ρ计算：

H＝Δp/(ρ·g)

其中，g为标准重力加速度。

当前的密度可通过额外测量介质的温度被精确计算出，或可通过在使用的运行区域中的近似被认识是恒定的。后者的简化对于液态的多种介质和受限制的运行区域(压力和/或温度区域)在对于调节足够好的近似中是可靠的。

实现确定泵的流量率的额定值作为当前被计算的流量率；在泵的上游测量液体的入口压力，且在泵的下游测量液体的出口压力；由泵的综合特征曲线确定泵的转速的额定值，其中，流量率的被确定的额定值和出口压力与入口压力之差作为输入值并入综合特征曲线；且最后实现将泵的转速设置成转速的额定值。当压差改变时，则由此实现转速的改变，从而抵抗否则将会出现的流量率的改变。至少可减小流量率的改变。

另外，在算法中考虑对限制综合特征曲线的限制(例如，最小流量)。由此既可确保均匀的过程运行也可确保保持泵的运行限制。

图6示出综合特征曲线调节的补偿影响的工作原理，即，在压差改变时对转速的修正，从而以该方式修正流量率。在泵的综合特征曲线中示出根据本发明的综合特征曲线调节的根据该实施方式的方法的工作原理。若在恒定的转速n₁的情况下，压力差或相应的扬程从点1下降至点2，则流量Q增大。现在，通过将转速降低到n₂，初始流量在新的压力差或扬程的情况下在点3再次产生。

若再次观察ORC过程的上述示例，则测量值p_FD和p_KOND(作为高压或低压)流入根据本发明的调节(参见图7)。为了抑制对周期性波动的测量，测量信号首先穿过在合适的平均间隔中的平均值组成(滑移的平均值)。新蒸汽压力的平均值p_{FD_M}通过针对调节偏移的新蒸汽额定值被用作为调节器(例如PID调节器)的输入信号。输出信号和平均值的差作为输入值流入综合特征曲线KF¹。在此，计算当前预期的质量流量。该值以及非平均的当前测量值流入逆综合特征曲线KF^-1。其提供泵的当前必要的调整信号。该值和调节器的当前调整信号的差是所寻求的待补偿的偏移。通过该偏移叠加到调整信号上，产生对干扰补偿的接入。通过增强K，该接入的影响可匹配过程。

在该示例中，综合特征曲线KF¹同样将当前必要的最小调整信号s_min提供至调节器。由此，通过调节器可防止向下超过综合特征曲线界限。

预期的作用原理给该调节提供该方法的显著优点。在下游的测量系统或在下游的过程可探测偏移或察觉到其作用效果之前，已经在压力波动出现时(质量流量改变的原因和由此产生的干扰)补偿流量波动。通过测量压力而不是流量，综合特征曲线调节隐含地同样实现干扰量接入的功能。

图8通过在ORC系统上的测量示例性地示出在大致15分钟的时间上的压差(p_FD-p_KOND)的变化(在图8中的上部曲线)和质量流量的变化(在图8中的下部曲线)。看到压力波动如何影响流量。在压差降低时可直接测量更高的流量，反之亦然。

此外，也可测量对汽化过程的影响(参见图9)。在此，在质量流量升高时(在图9中的下部曲线)蒸汽的温度下降(在图9中的上部曲线)，因为在可导热体中传递的功率现在必须汽化和过度加热更大的质量流量。由此蒸汽温度下降。在流量下降时温度再次升高。由此示出，流量波动的减少可导致稳定过程参数。

通过综合特征曲线调节可转换稳定性。对设计和过程的稳定化的结果可表示更高的过程质量和可用性，然而也表示防止过程极限值损伤的更高的安全性。因此，例如在更低的待期待的温度震荡的情况下，根据现在更低的峰值降低安全性界限，或以更高的温度(接近安全性界限)运行该过程，而不降低可用性。

此外，该调节仅需要两个相对有利的压力测量点，其已经存在于多个过程中，代替对质量或体积流量的昂贵的测量。由此相对于传统的解决方案产生综合特征曲线调节的明显的成本优势。

所示的实施方式仅是示例性的，且通过权利要求限定本发明的全部范围。

Claims (15)

1.一种用于在泵抽吸液体期间调节泵的方法，所述方法具有下述步骤：

确定泵的流量率的额定值；

测量在泵上游液体的入口压力和在泵下游液体的出口压力；

由泵的综合特征曲线确定泵的转速的额定值，其中，流量率的被确定的额定值和出口压力与入口压力之差作为输入值并入综合特征曲线；以及

将泵的转速设置到转速的额定值；

其中，确定流量率的额定值包括下述步骤：

确定出口压力与入口压力的差的时间上的平均值；以及

由泵的综合特征曲线确定流量率的额定值，其中，出口压力与入口压力的差的时间上的平均值以及泵的当前转速作为输入值并入综合特征曲线。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，由入口压力的第一时间上的平均值和出口压力的第二时间上的平均值确定出口压力与入口压力的差的时间上的平均值。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，确定泵的转速的额定值包括以下其他步骤：

检查由泵的转速、流量率的被确定的额定值以及出口压力与入口压力之差构成的组合是否在综合特征曲线界限之内；

当该组合在综合特征曲线之内时，将泵的转速设置到转速的额定值；以及

当该组合在综合特征曲线之外时，将泵的转速设置到安全值，其中，安全值被选择成使得与流量率的额定值的偏差尽可能小。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，将泵的转速设置到转速的额定值包括将修正信号输出到被输送给泵的调整信号，且其中，所述修正信号为最小调整信号。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其中，综合特征曲线在不同转速情况下限定泵的流量率与扬程之间的关系，且由测得的出口压力与测得的入口压力之间的压力差确定扬程，其中，扬程H通过H＝(p₂-p₁)/(ρ·g)确定，其中，p₁为测得的入口压力，p₂为测得的出口压力，ρ为液体的密度，且g为标准重力加速度。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，液体的密度作为恒定的预定值被使用，或其中，该方法包括测量液体的温度的另一步骤，且由密度与温度的函数相关性或由表算出液体的密度，其中，测量温度为在预定的时间间隔上对温度进行平均。

7.根据权利要求1或2所述的方法，其中，连续完成对液体的入口压力和出口压力的测量。

8.根据权利要求1或2所述的方法，其中，流量率被定义为通过泵的液体的体积流量或质量流量。

9.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述泵是离心泵。

10.一种用于在泵抽吸液体期间调节泵的设备，其中，该设备包括：

第一压力测量仪，用于测量在泵上游液体的入口压力；

第二压力测量仪，用于测量在泵下游液体的出口压力；以及

控制装置，用于确定泵的流量率的额定值，用于由泵的被存储在存储器中的综合特征曲线确定泵的转速的额定值，其中，流量率的被确定的额定值和出口压力与入口压力之差作为输入值并入综合特征曲线，以及用于将泵的转速设置到转速的额定值；

其中，控制装置此外适合：用于确定出口压力与入口压力的差的时间上的平均值，和用于由泵的综合特征曲线确定流量率的额定值，其中，出口压力与入口压力的差的时间上的平均值以及泵的当前转速作为输入值并入综合特征曲线。

11.根据权利要求10所述的设备，其中，控制装置被构建成用于将调整信号输出到泵，且将泵的转速设置到转速的额定值包括将修正信号输出到被输送给泵的调整信号。

12.根据权利要求10或11所述的设备，其中，综合特征曲线在不同转速情况下限定泵的流量率与扬程之间的关系，且其中，控制装置此外被构建成用于通过h＝(p₂-p₁)/(ρ·g)确定扬程h，其中，p₁为测得的入口压力，p₂为测得的出口压力，ρ为液体的密度，且g为标准重力加速度。

13.根据权利要求12所述的设备，此外包括：

温度测量仪，用于测量液体的温度，且用于将温度测量信号传送到控制装置；

其中，控制装置此外被构建成，由温度测量信号确定液体的密度，且由密度与温度的函数相关性或由存储在存储器中的表算出液体的密度。

14.根据权利要求10或11所述的设备，所述泵是离心泵。

15.一种有机朗肯循环系统，包括：

用于泵抽吸工作介质的泵；以及

根据权利要求10至14中任一项所述的用于调节泵的设备。