CN106014999B - 一种水环真空泵机组高效运行控制方法和控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水环真空泵机组高效运行控制方法和控制系统，涉及流体机械节能降耗领域。所述控制方法包括：基于水环真空泵机组的工作特性，建立水环真空泵机组高效运行控制模型；针对具体应用工况，输入水环真空泵机组额定参数及用户要求参数；通过测量仪表获取水环真空泵机组的实时工作参数，经过控制箱的运算反馈，实时调整水环真空泵机组的转速、补充工作液调节阀开度等参数；通过预抽真空、选择最佳转速、选择最佳补液量、稳压运行、停机判断等步骤，使水环真空泵在最大综合效率和较低功率消耗条件下工作。本发明解决了水环真空泵机组由于粗放式操作造成的能耗过高问题，达到了节电和节水的效果。

Description

一种水环真空泵机组高效运行控制方法和控制系统

技术领域

本发明涉及流体机械节能降耗领域，具体而言，涉及一种水环真空泵机组高效运行控制方法和控制系统。

背景技术

水环真空泵是一种粗真空泵，在石油、化工、机械、矿山、轻工、食品及医药等相关工业部门得到广泛应用，如真空引水、真空过滤、真空蒸馏、真空消毒和脱水脱气等。由于水环真空泵特有的运行原理，使其在造纸行业真空脱水、煤矿瓦斯抽放中的应用越来越居于突出的地位，水环真空泵正向大型化、成套化等方向发展。但是国内外对水环真空泵的研究仍然不够充分，多集中于叶轮等部件的结构优化方面，对机组的精细操作研究较少。专利ZL201520861562.5、ZL201120260488.3等提出了结构优化的节能型水环真空泵。专利ZL201310521032.1提出了用换热器和热泵提高水环真空泵效率的机组，降低系统循环水温度，提高水环真空泵效率，由于水环真空泵的效率较低，降低循环水温度，需增加换热器和热泵装置，整体效益较低。专利ZL201520072683.1提出了一种基于PLC实现水环真空泵节能控制的装置，通过电磁流量计和真空度传感器实时监测并调控水环真空泵内的水流量和真空度，降低水环真空泵的功耗。但专利ZL201520072683.1根据电磁流量计测得的水流量数据与预设的流量标准值之间的差值控制供水管道内水的流量优化水环真空的运行，并不能很好地实现工作效率的优化，一是因为最佳补水量随水环真空泵机组的运行转速、吸气压力、吸气量、工作液的性质而有较大变化，难于对所有工况设置合适的标准值，所谓标准值是在厂内测定的额定转速下几个工况的补水量；二是水力损失在水环真空泵功耗组成中占很大比例，理论上来说，补水量越小，总功耗最低，然而补水量与吸气量又相互影响，最佳水量不容易预先确定。专利ZL201520072683.1应用了改变转速调节水环真空泵功耗的方法，但专利所述的调节方法稳定速度较慢，容易造成水环真空泵转速较长时间波动，不利于水环真空泵的稳定工作。

发明内容

本发明的目的在于针对目前水环真空泵机组粗放式操作的不足，提供一种水环真空泵机组高效运行控制方法和控制系统，以功耗和综合效率为评价目标，对水环真空泵机组进行实时监测和控制，实现水环真空泵机组的优化控制，达到节电和节水的目的。

为达到以上技术目的，本发明提供以下技术方案：

一种水环真空泵机组高效运行控制方法，包括以下步骤：基于水环真空泵机组的工作特性，建立水环真空泵机组高效运行控制模型，以节能降耗为优化目标，确定转速与功耗的关系，以及补充工作液流量与综合效率的关系；针对具体应用工况，输入水环真空泵机组额定参数及用户要求参数，给出工作的基本要求，为高效运行控制确定目标值；通过测量仪表获取水环真空泵机组的实时工作参数，传输到控制箱，控制箱进行运算，确定工作状态；控制箱给出反馈指令，确定调节措施和调节方向，通过预抽真空、选择最佳转速、选择最佳补液量、稳压运行、停机判断等步骤，保证水环真空泵机组在较低功率和最大综合效率下工作。

所述补充工作液流量与补充工作液调节阀开度成比例，随着补充工作液调节阀开度增大，补充工作液流量增加，用补充工作液调节阀开度表征补充工作液流量。

所述水环真空泵机组高效运行控制模型包括：消耗电功率与水环真空泵机组转速的关系，以及综合效率与工作参数的关系，随着水环真空泵机组转速增加，消耗电功率也增加；补充工作液调节阀开度从最大减小到最小值的过程中，综合效率先增加再减小，补充工作液调节阀某一开度对应综合效率最大工况。

所述水环真空泵机组额定参数及用户要求参数包括：水环真空泵机组的额定转速、补充工作液调节阀开度最大额定值、用户要求绝对压力、转速优化判断工作时间间隔、补液量选择工作时间间隔、稳压运转时间间隔、压力控制容差。

所述通过测量仪表获取水环真空泵机组的实时工作参数包括消耗电功率、排气压力、排气流量、吸气温度、排气温度、吸气气压力，依据实时参数可以确定实际抽气量大小、消耗电功率及综合效率值。综合效率η与工作参数(P₂，V₂，T₁，N_D，T₂，P₁，)的关系，

其中，P₂为排气压力，V₂为排气流量，T₁为吸气温度，N_D为消耗电功率，T₂为排气温度，P₁为吸气压力，各个参数的单位均采用国际单位制。

所述调节措施和调节方向包括调整水环真空机组的转速和补充工作液调节阀开度；绝对压力过低需降低转速，减小抽气量；绝对压力过高，需增加转速，增加抽气量；补充工作液调节阀开度从最大减小到最小值的过程中，综合效率先增加再减小，存在一补充工作液调节阀开度最佳值。

所述调整水环真空泵机组的转速和补充工作液调节阀开度，其特征在于，采用变步长逐步探索法。

基于所述控制方法的控制系统，其特征在于，包括控制箱、吸气压力变送器、吸气温度变送器、变频器、开关、功率变送器、主电缆、水环真空泵机组、进液管路、补充工作液调节阀、气液分离器、排气温度变送器、排气压力变送器、排气流量计等部件，吸气压力变送器、吸气温度变送器安装于水环真空泵机组的吸气口，气液分离器、排气温度变送器、排气压力变送器、排气流量计依次安装于水环真空泵机组的排气口，水环真空泵机组的进液管路上安装补充工作液调节阀，水环真空泵机组接入的主电缆上依次连接开关、变频器、功率变送器，吸气压力变送器、吸气温度变送器、开关、变频器、功率变送器、补充工作液调节阀、排气流量计、排气温度变送器、排气压力变送器与控制箱通过通信电缆连接，开关、变频器、补充工作液调节阀与控制箱之间用双向通信电缆连接。

水环真空泵机组往往依据用户提出的最大抽气量和功率要求的1.1倍以上进行选型。工作时，控制箱接到启动指令，发出指令到开关，水环真空泵机组加电，逐渐加速到额定转速，水环真空泵机组保持补充工作液调节阀开度最大额定值、额定转速运行，进行预抽真空，直到真空度高于要求真空度，即绝对压力降低到低于用户要求绝对压力。此时，抽气量大于漏入气量，水环真空泵机组吸入压力会继续降低，需要降低转速，以选择最佳转速。随着转速的降低，抽气量逐渐减小，如果抽气量仍然大于漏入气量，水环真空泵机组吸入压力会继续降低；只有到抽气量小于漏入气量，吸入压力才能回升，此时即跨越了最佳转速，即当前转速小于最佳转速，抽气量小于漏入气量，转速继续减小一步，运转一段时间，恢复水环真空泵机组吸入压力，直至水环真空泵机组吸入压力高于用户要求绝对压力，再减小步长逐渐增加转速，探索最佳转速；随着转速的增加，抽气量逐渐增大，如果抽气量仍然小于漏入气量，水环真空泵机组吸入压力会继续升高，只有到抽气量大于漏入气量，吸入压力才能降低，此时又跨越了最佳转速，即当前转速大于最佳转速，抽气量大于漏入气量，转速继续增加一步，运转一段时间，恢复水环真空泵机组吸入压力，直至水环真空泵机组吸入压力低于用户要求绝对压力，再减小步长逐渐降低转速，探索最佳转速；如此往复探索，逐步缩小误差，得出最佳转速。转速稳定后，此时补充工作液调节阀开度为最大额定值，应逐步减少开度，获取实时工作参数，通过控制箱求得综合效率，如果综合效率增加，则继续减少阀门开度，如果求得综合效率降低，则表示跨越了最佳补充工作液调节阀开度对应的最大综合效率，应减小步长逐步加大补充工作液调节阀开度，探索最佳补充工作液调节阀开度；逐步加大补充工作液调节阀开度，获取实时工作参数，通过控制箱求得综合效率，如果综合效率增加，则继续加大阀门开度，如果求得综合效率降低，则表示跨越了最佳补充工作液调节阀开度对应的最大综合效率，应减小步长逐步减小补充工作液调节阀开度，探索最佳补充工作液调节阀开度；如此往复探索，逐步缩小补充工作液调节阀开度误差，得到最佳补充工作液调节阀开度。此时，水环真空泵机组在最佳转速和最佳补充工作液流量下工作，但是由于误差的存在，水环真空泵机组吸入压力会发生变化，因此需要不断地对真空压力进行监测和调控。以固定的较小步长调节转速，使水环真空泵机组吸入压力保持稳定。一段时间后，如果水环真空泵机组吸入压力高于要求用户要求绝对压力，表示水环真空泵机组转速小于要求转速，抽气量小于漏入气量，应逐步增加转速；如果水环真空泵机组吸入压力低于用户要求绝对压力，表示水环真空泵机组转速大于要求转速，抽气量大于漏入气量，应逐步减小转速。微调后，判断压力控制容差是否满足，如果不满足则继续调整；如果满足，则停止调整，保持稳定运行一段时间。然后判断是否有停机指令，未接到停机指令，保持稳压运转；接到停机指令，则关闭补充工作液调节阀，停机。

本发明具有以下的优点：不改变原有水环真空泵机组的结构与安装基础，只需增装部分仪表，更换补充工作液调节阀，安装方便，适应性强，既可用于旧水环真空泵机组改造，也可直接配装于新出厂水环真空泵机组；而且调控稳定性好，可以实时监测并调控水环真空泵内的工作状态，保持水环真空泵的最佳工作状态，将水环真空泵机组功耗降低到最小，从而实现水环真空泵机组的节能控制，达到节电和节水的目的，节能率可达9％～15％。

附图说明

图1是依据本发明所提出的水环真空泵机组高效运行控制方法流程示意图。

图2是依据本发明所提出基于水环真空泵机组高效运行控制方法的控制系统示意图。

图3是依据本发明所提出的水环真空泵机组吸气量与转速及吸气压力的关系图。

图4是依据本发明所提出的水环真空泵机组功率与转速及吸气压力的关系图。

图5是依据本发明所提出的水环真空泵机组综合效率与补充工作液调节阀开度的关系图。

图6是依据本发明所提出的水环真空泵高效运行控制方法的程序框图。

图7是依据本发明所提出的水环真空泵机组最佳转速调控原理示意图。

图8是依据本发明所提出的水环真空泵机组稳压运行调控原理示意图。

具体实施方式

下面参照附图，作进一步说描述：

如图1所示，依据本专利提供的一种水环真空泵机组高效运行控制方法包括预抽真空、选择最佳转速、选择最佳补液量、稳压运行、停机判断等步骤。

参照图2，依据本发明基于一种水环真空泵机组高效运行控制方法的控制系统，其中1是控制箱、2是吸气压力变送器、3是吸气温度变送器、4是变频器、5是开关、6是功率变送器、7是主电缆，8是水环真空泵机组、9是进液管路，10是补充工作液调节阀、11是气液分离器、12是排气温度变送器、13是排气压力变送器、14是排气流量计。

吸气压力变送器2、吸气温度变送器3安装于水环真空泵机组8的吸气口，气液分离器11、排气温度变送器12、排气压力变送器13、排气流量计14依次安装于水环真空泵机组8的排气口，水环真空泵机组8的进液管路9上安装补充工作液调节阀10，水环真空泵机组8接入的主电缆7上依次连接开关5、变频器4、功率变送器6，吸气压力变送器2、吸气温度变送器3、开关5、变频器4、功率变送器6、补充工作液调节阀10、排气流量计14、排气压力变送器13、排气温度变送器12与控制箱1通过通信电缆连接，开关5、变频器4、补充工作液调节阀10与控制箱1之间用双向通信电缆连接。

针对2BEC-60型水环真空泵机组8用于造纸行业真空脱水的具体工况，建立控制模型，如图3、图4、图5所示，随着水环真空泵机组8转速增加，水环真空泵机组8吸气量增加，消耗电功率也增加；补充工作液调节阀10开度从最大减小到最小值，综合效率先增加再减小，某一开度对应综合效率最大工况。

具体控制程序框图如图6所示，启动前通过控制箱1输入基本参数。其中，水环真空泵机组8的额定转速n₀、补充工作液调节阀开度最大额定值φ_max为水环真空泵机组8样本给定值；用户要求绝对压力P₀、压力控制容差ε_P为用户生产工艺要求值；转速优化判断工作时间间隔T₁₀、补液量选择工作时间间隔T₂₀、稳压运转时间间隔T₃₀根据吸入管路系统确定，吸入管路系统体积较大取较大值，吸入管路系统体积较小取较小值；转速优化判断工作时间间隔T₁₀＝30～300s，补液量选择工作时间间隔T₂₀＝30～200s，稳压运转时间间隔T₃₀＝60～300s。针对本实施例，水环真空泵机组8的额定转速n₀＝400rpm，补充工作液调节阀10开度最大额定值φ_max＝70％，用户要求绝对压力P₀＝40000Pa，转速优化判断工作时间间隔T₁₀＝50s，补液量选择工作时间间隔T₂₀＝50s，稳压运转时间间隔T₃₀＝120s，压力控制容差ε_P＝10Pa。

通过控制箱1发出启动指令，开关5接通，水环真空泵机组8逐渐增速，直至额定转速n₀运行，水环真空泵机组8不断抽气，形成真空，直至水环真空泵机组8吸入压力变送器2反馈值吸气压力P₁低于用户要求绝对压力P₀。

控制箱1判断水环真空泵机组8吸气压力变送器2的反馈值吸气压力P₁低于用户要求绝对压力P₀后，进入选择最佳转速程序，原理如图7所示。由于水环真空泵机组8往往依据用户提出的最大抽气量和功率要求的1.1倍以上进行选型，故继续以额定转速n₀运行，水环真空泵机组8的吸气压力P₁将继续降低，直至达到水环真空泵机组8的极限真空，这既不利于节能降耗，也会使水环真空泵机组8工作环境恶劣。于是逐步降低水环真空泵机组8转速，降低抽气量，减少功率。控制箱1给变频器4信号，变频器4动作，水环真空泵机组8转速n减小一个步长nt，步长nt初设为额定转速n₀的1/10，此时水环真空泵机组8抽气量可能仍然大于漏入气量，经过转速优化判断工作时间间隔T₁₀后，吸气压力P₁会继续降低，吸气压力变送器2把吸气压力P₁反馈控制箱1，经过控制箱1判断，如果在某步降速一个步长nt之后，运行一段时间T₁₀，吸气压力变送器2反馈吸气压力P₁回升，即此时吸气压力P₁大于前一个吸气压力变送器2反馈值，表示转速n低于最佳转速n_ε；继续降低转速n一个步长nt，减小抽气量，运行一段时间T₁₀，保证压力恢复，经过控制箱1判断，直至吸入压力变送器2反馈值高于用户要求绝对压力P₀。此时，转速n低于最佳转速n_ε，继续下去，漏入气量大于水环真空泵机组8抽出气量，水环真空泵机组8吸气压力P₁会继续增大，因此应逐步增加水环真空泵机组8转速。控制箱1发出指令给变频器4，减小步长nt，步长nt变为前一步长的1/10，转速按新步长nt逐步增大转速n，水环真空泵机组8吸气压力变送器2反馈吸气压力P₁，如果水环真空泵机组8转速仍然小于最佳转速n_ε，吸气压力变送器2反馈吸气压力P₁增加，则继续逐步增加转速n；如果吸气压力变送器2反馈吸气压力P₁低于前一个反馈值，表示此时已经跨越最佳转速n_ε；继续增加转速n一个步长nt，增大抽气量，保证压力恢复，运行一段时间T₁₀，经过控制箱1判断，直至吸入压力变送器2反馈值低于用户要求绝对压力P₀。此时，转速n高于最佳转速n_ε，应逐步减小转速。控制箱1发出指令给变频器4，再次减小步长nt，步长nt变为前一步长的1/10，逐步减小转速n。如此往复，逐步减小步长nt探索，当步长nt小于0.1rpm时即得到最佳转速。

转速n基本稳定后，吸入压力P₁基本稳定。此时补充工作液调节阀10开度φ为最大额定值φ_max，即补充工作液流量最大。控制箱1给出指令，补充工作液调节阀10的开度φ按步长ST减小，初设步长为0.1，减小一步后，水环真空泵机组8稳定运行补液量选择工作时间间隔T₂₀，控制箱1获取实时工作参数，包括功率变送器6反馈的电功率N_D、排气压力变送器13反馈的排气压力P₂，排气流量计14反馈的经过汽液分离器11的排气流量V₂，吸气温度变送器3反馈的吸气温度T₁，排气温度变送器12反馈的排气温度T₂，吸气压力变送器2反馈的吸气压力P₁，计算所说的水环真空泵机组8综合效率η值，与水环真空泵机组8的前一综合效率η比较，如果综合效率η增加，则继续减小补充工作液调节阀10的开度φ，步长为ST；如果实时综合效率η值比前一值降低，说明补充工作液调节阀10的开度跨越最佳值，此时应减小步长ST值，步长ST变为原来步长的1/10，然后逐步增加补充工作液调节阀10的开度φ；补充工作液调节阀10的开度φ增加一步，经过补液量选择工作时间间隔T₂₀，控制箱1获取实时参数计算实时综合效率η，并与前一综合效率η比较，如果综合效率η增加，则补充工作液调节阀10的开度φ继续增加一步长ST，如果实时综合效率η值比前一值降低，说明补充工作液调节阀10的开度跨越最佳值，此时应减小步长ST值，再变为前一步长的1/10，然后逐步减小补充工作液调节阀10的开度φ；如此，通过变步长往复搜索，逐步接近补充工作液调节阀10的最佳开度，当步长ST小于0.001时，即到达补充工作液调节阀10的最佳开度。

补充工作液调节阀10的开度稳定后，吸气压力变送器2反馈的吸气压力P₁基本稳定于用户要求绝对压力P₀，但是由于误差总是存在的，随着水环真空泵机组8的运行，误差会逐渐累积，吸气压力P₁有可能发生较大的变化，或者高于用户要求绝对压力P₀，或者低于用户要求绝对压力P₀。补充工作液调节阀10的开度稳定后，控制箱1发出指令，进入稳压运行程序，调控原理如图8所示。控制箱1首先比较吸气压力P₁与用户要求绝对压力P₀，如果吸气压力P₁大于用户要求绝对压力P₀，说明水环真空泵机组8的抽气量不够，则应稍微调高水环真空泵机组8的转速n，按0.1rpm的步长逐步增加，每增加一步，运行一段时间，即稳压运转时间间隔T₃₀，控制箱1比较吸气压力P₁与用户要求绝对压力P₀，如果吸气压力P₁小于用户要求绝对压力P₀，则判断吸气压力P₁与用户要求绝对压力P₀的差值(P₁-P₀)的绝对值是否小于压力控制容差ε_P，小于则稳定运行一段时间，即稳压运转时间间隔T₃₀；不满足要求，则需逐步减小水环真空泵机组8的转速n，步长仍然为0.1rpm，每减小一步，运行一段时间T₃₀后，控制箱1比较吸气压力P₁与用户要求绝对压力P₀，如果吸气压力P₁大于用户要求绝对压力P₀，则判断吸气压力P₁与用户要求绝对压力P₀的差值(P₁-P₀)的绝对值是否小于压力控制容差ε_P；如果不满足，则反向探索，如此往复修正，逐步达到要求的控制精度，保持水环真空泵机组8吸气压力P₁稳定，即保持吸气压力P₁相对于用户要求绝对压力P₀的波动不超过压力控制容差ε_P。

水环真空泵机组8每次稳压运行一段时间T₃₀后，控制箱1判断是否有停机指令。如果没有，则继续稳压运行；如果接到停机指令，则进入停机程序，先关闭补充工作液调节阀10，然后关闭开关5，完成停机。

本发明在不改变原有水环真空泵机组8结构的条件下，增装部分仪表，更换补充工作液调节阀10，实现水环真空泵机组8的高效运行控制，解决了粗放式操作造成的水环真空泵机组8能耗过高的问题，达到节电和节水的目的，而且结构简单、适应性强、稳定性好。

Claims (9)

1.一种水环真空泵机组高效运行控制方法，其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：

a、基于水环真空泵机组的工作特性，建立水环真空泵机组高效运行控制模型，以节能降耗为优化目标，确定转速与功耗的关系，以及补充工作液流量与综合效率的关系；

b、输入水环真空泵机组额定参数及用户要求参数，给出工作的基本要求，为高效运行控制确定目标值；

c、通过测量仪表获取水环真空泵机组的实时工作参数，传输到控制箱，进行运算，确定工作状态；

d、控制箱反馈指令，确定调节措施和调节方向，通过预抽真空、选择最佳转速、选择最佳补液量、稳压运行、停机判断，保证水环真空泵机组在较低功率和最大综合效率下工作。

2.根据权利要求1所述的水环真空泵机组高效运行控制方法，其特征在于，步骤a中所述补充工作液流量与补充工作液调节阀开度成比例，随着补充工作液调节阀开度增大，补充工作液流量增加，用补充工作液调节阀开度表征补充工作液流量。

3.根据权利要求1所述的水环真空泵机组高效运行控制方法，其特征在于，步骤a中所述水环真空泵机组高效运行控制模型包括：

消耗电功率N_D与水环真空泵转速n的关系，随着n增加，N_D增加；以及综合效率η与工作参数(P₂，V₂，T₁，N_D，T₂，P₁，)的关系，

其中，P₂为排气压力，V₂为排气流量，T₁为吸气温度，N_D为消耗电功率，T₂为排气温度，P₁为吸气压力，各个参数的单位均采用国际单位制。

4.根据权利要求1所述的水环真空泵机组高效运行控制方法，其特征在于，步骤b中所述水环真空泵机组额定参数及用户要求参数包括：水环真空泵的额定转速n₀、补充工作液调节阀开度最大额定值φ_max、用户要求绝对压力P₀、转速优化判断工作时间间隔T₁₀、补液量选择工作时间间隔T₂₀、稳压运转时间间隔T₃₀、压力控制容差ε_P，各个参数的单位均采用国际单位制。

5.根据权利要求1所述的水环真空泵机组高效运行控制方法，其特征在于，步骤c中所述通过测量仪表获取水环真空泵的实时工作参数包括消耗电功率N_D、排气压力P₂，排气流量V₂，吸气温度T₁，排气温度T₂，吸气气压力P₁；所说确定工作状态包括综合效率值及抽气量大小。

6.根据权利要求1所述水环真空泵机组高效运行控制方法，其特征在于，步骤d中所述确定调节措施和调节方向包括调整水环真空的转速和补充工作液调节阀开度，绝对压力过低时需降低转速，减小抽气量；绝对压力过高，需增加转速，增加抽气量；补充工作液调节阀开度从最大减小到最小值过程中，综合效率先增加再减小，某一补充工作液调节阀开度对应综合效率最大工况。

7.根据权利要求6所述水环真空泵机组高效运行控制方法，其特征在于，调整水环真空机组的转速和补充工作液调节阀开度采用变步长逐步探索法。

8.应用如权利要求1所述控制方法的控制系统，其特征在于，包括控制箱、吸气压力变送器、吸气温度变送器、变频器、开关、功率变送器、主电缆、水环真空泵机组、进液管路、补充工作液调节阀、气液分离器、排气温度变送器、排气压力变送器和排气流量计，吸气压力变送器、吸气温度变送器安装于水环真空泵机组的吸气口，气液分离器、排气温度变送器、排气压力变送器、排气流量计依次安装于水环真空泵机组的排气口，水环真空泵机组的进液管路上安装补充工作液调节阀，水环真空泵机组接入的主电缆上依次连接开关、变频器、功率变送器，吸气压力变送器、吸气温度变送器、开关、变频器、功率变送器、补充工作液调节阀、排气流量计、排气温度变送器、排气压力变送器与控制箱通过通信电缆连接。

9.根据权利要求8所述的控制系统，其特征在于，开关、变频器、补充工作液调节阀与控制箱之间用双向通信电缆连接。