CN107143001B - 一种变频变压智能供水设备及供水控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种变频变压智能供水设备及供水控制方法，主要包括进水管路、出水管路、多级离心泵组、变频器和控制器，所述的多级离心泵组并联连接在进水管路和出水管路之间，所述的进水管路上设置有低水位开关和进口压力传感器，出水管路上设置有出口压力传感器、隔膜式压力罐和压力开关，低水位开关、进口压力传感器、出口压力传感器和压力开关分别与所述控制器相连接。本发明的有益效果为：从水泵运行原理出发，兼顾用水需求及管路系统特性，建立一种可靠性高并且在节能效果上明显好于变频恒压供水模式的变频变压智能供水设备，可避免最不利点信息不能直接或及时反馈到水泵控制中心的问题。
Description
技术领域
本发明涉及供水技术领域，主要是一种变频变压智能供水设备及供水控制方法。
背景技术
在供水设备设计时，由于无法预估楼宇供水系统的管路流动损失及用户用水需求的波动性等因素，泵的选型常留有较大余量，另外生活供水需求在各个季节以及每天不同时段都不尽相同，这些常使得泵组运行偏离最佳运行工况点，效率较低。因此，供水设备存在较大的节能空间，在满足用水需求的前提下，降低能耗是供水系统发展的必然趋势。
目前，供水设备普遍采用恒压控制模式，通过调整水泵转速来维持供水压力的不变，满足系统运行过程中用户用水量的变化，从而起到节能效果。虽然恒压供水系统考虑了用户需求，但未兼顾管路系统阻力的变化。在用水高峰时段，管路水流量大，管阻较大；用水低谷时，管路水流量小，管阻较小，使得末端用户侧水压偏高，一方面造成了过余，另外增加了管网渗漏及故障率。
变压供水系统运行时，同样需要保证最不利点处的供水压力恒定。传统设计方法，是通过在最不利点处设置压力变送器，并将采集数据通过无线网络传输至控制中兴，进而实现供水系统节能运行的变频变压供水，然而采用无线数据远程方式，不但增加系统成本和维护费用，而且当供水设备置于地下室时，数据信号远传的稳定性和可靠性有待考究。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种变频变压智能供水设备及供水控制方法，建立一种简易实现供水设备变频变压并且稳定可靠运行的实施方案及控制方法。
本发明的目的是通过如下技术方案来完成的。这种变频变压智能供水设备，主要包括进水管路、出水管路、多级离心泵组、变频器和控制器，所述的多级离心泵组并联连接在进水管路和出水管路之间，所述的进水管路上设置有低水位开关和进口压力传感器，出水管路上设置有出口压力传感器、隔膜式压力罐和压力开关，低水位开关、进口压力传感器、出口压力传感器和压力开关分别与所述控制器相连接；多级离心泵组中每一级供水支路采用球阀A4、离心泵、止回阀和球阀B依次连接的结构；每一个离心泵与变频器采用一对一配置连接，变频器和控制器相连；供水设备运行过程中，传感器信号传入控制器，经过控制算法计算并配合变频器对多级离心泵组进行调节控制实现变频变压供水模式运行。
所述的进水管路上游连接蓄水池或者稳流罐，出水管路下游连接楼宇供水管网。
这种变频变压智能供水控制方法，具有无流量计智能管网流量需求判断功能，通过进口压力传感器和出口压力传感器，并结合变频器输出的转速信号，根据泵特性曲线和相似换算计算得到当前管路系统流量；将实际的控压点放置到了离心泵出口，结合离心泵运行原理和管路损失与流量之间的关系，通过出口压力传感器的压力数据预测最不利点处的用水信息，进而建立一种实施简单的变频变压节能运行方式；运行过程中，供水设备根据用户需求自动调整控压点目标压力，实现最不利点供水压力不小于最低供水压力。
更进一步的，根据管网不同流量需求，自动调整泵出口压力，流量大，出口压力越大；流量小，出口压力越小；出口压力随流量变化关系设定为阶梯线性模式和抛物线模式，任何一种模式下均保证最不利点的供水需求；基于当前控压点目标压力，通过与所述出口压力传感器实测出口压力建立差值信号，通过PID生成变频器的控制信号，并通过变频器调节水泵转速实现出口压力传感器的压力数据与控压点目标压力相同。
更进一步的，基于用水需求判断，自动调整水泵数量和运行转速，运行过程中，每台水泵均处于高效运行区域；偏离高效区域时，增加水泵或减少水泵。
更进一步的，控制系统程序的通用性在于采用参数自适应的PID控制算法实现快速稳压，控制系统程序的通用性还在于能够自动适应不同数量的离心泵。
本发明提供两种控压点变化规律，线性控制规律和抛物线控制规律。所述两种控制规律均在在阀门全开时的整个泵系统的特性曲线的上方。每个控压点均具有稳压过程，故所述控压点变化规律成阶梯状跳跃。基于当前控压点目标压力，通过与所述出口压力传感器实测出口压力建立差值信号，通过PID生成变频器的控制信号，并通过变频器调节水泵转速实现出口压力传感器的压力数据与控压点目标压力相同。
本发明提供两种无流量计管网用水需求预测方法，包括扬程流量预测方法和功率流量预测方法。所述扬程流量预测方法，是通过进口压力传感器和出口压力传感器并结合供水设备结构参数，获得供水设备扬程。进一步通过提前输入控制器的泵性能曲线和相似换算规律，并结合变频器输出的转速信号，可得到当前管网用水流量。所述功率流量预测方法，是通过变频器输出的当前水泵功率和转速数据，并结合泵性能曲线和相似换算规律，进而得到当前管网用水流量。
本发明提供一种以能效为判据的增泵和减泵控制方法。所述增泵控制方法，结合泵功率流量性能曲线和运行转速数据，在保证管路流量需求和供水设备出口压力不变的前提，计算当前供水设备能耗和增加一台泵后供水设备的总能耗，如果当前供水设备能耗大于增加一台泵后供水设备的能耗，则增加一台泵，否则保持不变。选择新启动的泵是正在运行泵中运行时间最短的那台。所述减泵控制方法，类似所述增泵控制方法，当实际供水设备能耗大于减少一台泵后的供水设备能耗，则减少一台泵，否则保持不变。选择停止的泵是正在运行泵中运行时间最长的那台。
本发明的有益效果为：从水泵运行原理出发，兼顾用水需求及管路系统特性，建立一种可靠性高并且在节能效果上明显好于变频恒压供水模式的变频变压智能供水设备。本发明提供一种供水控制方法，可避免最不利点信息不能直接或及时反馈到水泵控制中心的问题。
附图说明
图1变频变压供水设备示意图。
图2变频变压控制流程示意图。
图3控压点变化规律示意图。
标记说明：进水管路1、低水位开关2、进口压力传感器3、球阀A4、多级离心泵组5、控制器6、变频器7、止回阀8、球阀B9、出口压力传感器10、压力开关11、隔膜式压力罐12、出水管路13。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做详细的介绍：
如图1所示，这种变频变压智能供水设备，以4泵组为例，主要包括进水管路1、出水管路13、多级离心泵组5、变频器7和控制器6，所述的多级离心泵组5并联连接在进水管路1和出水管路13之间，所述的进水管路1上设置有低水位开关2和进口压力传感器3，出水管路13上设置有出口压力传感器10、隔膜式压力罐12和压力开关11，低水位开关2、进口压力传感器3、出口压力传感器10和压力开关11分别与所述控制器6相连接；多级离心泵组5中每一级供水支路采用球阀A4、离心泵、止回阀8和球阀B9依次连接的结构；每一个离心泵与变频器7采用一对一配置连接，变频器7和控制器6相连，所述控制器自动适应1～6台多级离心泵。供水设备运行过程中，传感器信号传入控制器6，经过控制算法计算并配合变频器7对多级离心泵组5进行调节控制实现变频变压供水模式运行。所述的进水管路1上游连接蓄水池或者稳流罐，出水管路13下游连接楼宇供水管网。控制系统程序的通用性在于采用参数自适应的PID控制算法实现快速稳压，控制系统程序的通用性还在于能够自动适应不同数量的离心泵。具有低水位、高压、电机过载保护功能。
这种变频变压智能供水控制方法，具有无流量计智能管网流量需求判断功能，通过进口压力传感器3和出口压力传感器10，并结合变频器输出的转速信号，根据泵特性曲线和相似换算计算得到当前管路系统流量；将实际的控压点放置到了离心泵出口，结合离心泵运行原理和管路损失与流量之间的关系，通过出口压力传感器10的压力数据预测最不利点处的用水信息，实现变频变压节能运行；运行过程中，供水设备根据用户需求自动调整控压点目标压力，实现最不利点供水压力不小于最低供水压力。
根据管网不同流量需求，自动调整泵出口压力，流量大，出口压力越大；流量小，出口压力越小；出口压力随流量变化关系设定为阶梯线性模式和抛物线模式，任何一种模式下均保证最不利点的供水需求；基于当前控压点目标压力，通过与所述出口压力传感器实测出口压力建立差值信号，通过PID生成变频器的控制信号，并通过变频器调节水泵转速实现出口压力传感器的压力数据与控压点目标压力相同。基于用水需求判断，自动调整水泵数量和运行转速，运行过程中，每台水泵均处于高效运行区域；偏离高效区域时，增加水泵或减少水泵。
变频变压供水模式具体实现方式，如图2所示。供水设备启动后，首先给定供水设备出口压力的设定值Pset，运行中实时采集供水设备出口压力传感器10数据Pm，考虑到用水波动性，判断实时压力Pm是否在设定压力Pset容差范围内δ1＝2％～5％。如果在此范围内，继续保存现状。若超出此范围，说明当前供水模式不满足当前系统需求，进入调整控制阶段。通过调整泵的转速和泵的运行数量，实现实时压力Pm在设定压力Pset容差范围内。此时通过管路用水流量并结合图3中理想变压运行曲线，得到当前流量下的最优设定压力Pbest。将最优设定压力Pbest与当前设定Pset进行比较，如果超出容差范围δ2＝5％～10％，将最优设定压力Pbest赋值给当前设定Pset，否则不予调整。
用水需求预测模型主要通过泵的运行特性和相似变化规律实现，具体实现如下。
流量扬程预测模型，其中H0＝aQ0 2+bQ0+c其中a，b，c为泵特性参数，另外结合泵的相似变化：可得：
由于泵特性参数为已知参数，供水设备进出总管直径相同，所以通过采集供水设备进口压力传感器3和出口压力传感器10，获得进口压力Pin和出口压力Pout，可以计算得到扬程
其中ρ为流体密度，g为重力加速度。两式相结合，并通过测定的转速数据就可以求解得到单泵流量。将供水设备所有泵的流量叠加，并乘以一定的安全系数，即可得当前管网用水需求流量。
注：文中Pset为设备出口设定压力，Pm为设备出口实际压力，Pbest为设备最优设定压力，δ1为设备出口设定压力与出口实际压力容差系数，δ2为设备出口设定压力与出口最优设定压力容差系数，为水泵额定扬程，为水泵额定流量，为水泵额定转速，H为运行水泵实际扬程，Q为运行水泵实际流量，n为变频水泵实际转速，a、b、c为水泵特性参数，Pin为设备进口压力，Pout为设备出口压力，ρ为流体密度，g为重力加速度。
可以理解的是，对本领域技术人员来说，对本发明的技术方案及发明构思加以等同替换或改变都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (3)
1.一种变频变压智能供水控制方法，其特征在于：采用变频变压智能供水设备，主要包括进水管路(1)、出水管路(13)、多级离心泵组(5)、变频器(7)和控制器(6)，其特征在于：所述的多级离心泵组(5)并联连接在进水管路(1)和出水管路(13)之间，所述的进水管路(1)上设置有低水位开关(2)和进口压力传感器(3)，出水管路(13)上设置有出口压力传感器(10)、隔膜式压力罐(12)和压力开关(11)，低水位开关(2)、进口压力传感器(3)、出口压力传感器(10)和压力开关(11)分别与所述控制器(6)相连接；多级离心泵组(5)中每一级供水支路采用球阀A(4)、离心泵、止回阀(8)和球阀B(9)依次连接的结构；每一个离心泵与变频器(7)采用一对一配置连接，变频器(7)和控制器(6)相连；供水设备运行过程中，传感器信号传入控制器(6)，经过控制算法计算并配合变频器(7)对多级离心泵组(5)进行调节控制实现变频变压供水模式运行；
该方法具有无流量计智能管网流量需求判断功能，通过进口压力传感器(3)和出口压力传感器(10)，并结合变频器输出的转速信号，根据泵特性曲线和相似换算计算得到当前管路系统流量；将实际的控压点放置到了离心泵出口，结合离心泵运行原理和管路损失与流量之间的关系，通过出口压力传感器(10)的压力数据预测最不利点处的用水信息，实现变频变压节能运行；运行过程中，供水设备根据用户需求自动调整控压点目标压力，实现最不利点供水压力不小于最低供水压力；
根据管网不同流量需求，自动调整泵出口压力，流量大，出口压力越大；流量小，出口压力越小；出口压力随流量变化关系设定为阶梯线性模式和抛物线模式，任何一种模式下均保证最不利点的供水需求；基于当前控压点目标压力，通过与所述出口压力传感器(10)实测出口压力建立差值信号，通过PID生成变频器的控制信号，并通过变频器调节水泵转速实现出口压力传感器(10)的压力数据与控压点目标压力相同；
根据泵特性曲线和相似换算计算得到当前管路系统流量方法为：
扬程其中ρ为流体密度，g为重力加速度，Pin为设备进口压力，Pout为设备出口压力；
上述两式相结合，并通过测定的转速数据求解得到单泵流量，将供水设备所有泵的流量叠加，并乘以一定的安全系数，即可得当前管网用水需求流量。
2.根据权利要求1所述的变频变压智能供水控制方法，其特征在于：基于用水需求判断，自动调整水泵数量和运行转速，运行过程中，每台水泵均处于高效运行区域；偏离高效区域时，增加水泵或减少水泵。
3.根据权利要求1所述的变频变压智能供水控制方法，其特征在于：控制系统程序的通用性在于采用参数自适应的PID控制算法实现快速稳压，控制系统程序的通用性还在于能够自动适应不同数量的离心泵。
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Legal Events
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20171206 Address after: 311107 Renhe street, Yuhang District, Hangzhou, Zhejiang Province, Renhe Avenue 46 (Southern Research Institute) Applicant after: Southern Gold environment Limited by Share Ltd Applicant after: Zhejiang University Address before: 311107 Renhe street, Yuhang District, Hangzhou, Zhejiang Province, Renhe Avenue 46 (Southern Research Institute) Applicant before: Southern Gold environment Limited by Share Ltd |
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| GR01 | Patent grant | ||
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| TA01 | Transfer of patent application right | ||
| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20190920 Address after: 311107 No. 20 Hengyi Road, Yuhang Economic and Technological Development Zone, Hangzhou City, Zhejiang Province Applicant after: Southern pump industry Zhi Shui (Hangzhou) Technology Co., Ltd. Applicant after: Zhejiang University Address before: 311107, Zhejiang, Yuhang, Hangzhou Renhe Road, Renhe Road, No. 46 (Southern Research Institute) Applicant before: Southern Gold environment Limited by Share Ltd Applicant before: Zhejiang University |
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| CP03 | Change of name, title or address | ||
| CP03 | Change of name, title or address |
Address after: 310000 Building 2, No.20 Hengyi Road, Yuhang Economic and Technological Development Zone, Hangzhou City, Zhejiang Province Patentee after: Nanfang Zhishui Technology Co.,Ltd. Patentee after: ZHEJIANG University Address before: 311107 Building 2, No.20 Hengyi Road, Yuhang Economic and Technological Development Zone, Yuhang District, Hangzhou City, Zhejiang Province Patentee before: NANFANG PUMP ZHISHUI (HANGZHOU) TECHNOLOGY Co.,Ltd. Patentee before: ZHEJIANG University |