CN107178514B - 风机机组非侵入式能效诊断方法与系统 - Google Patents

风机机组非侵入式能效诊断方法与系统 Download PDF

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    • F04D27/001—Testing thereof; Determination or simulation of flow characteristics; Stall or surge detection, e.g. condition monitoring

Abstract

本发明公开了一种风机机组非侵入式能效诊断方法和系统，旨在帮助用户在不拆卸风机机组的情况下诊断机组能耗。该方法通过建立等效电路，对电机等效电路参数非侵入式辨识，风机机组各部分效率和能效项计算，选用国家标准中风机、电机的能效标准与计算值进行能效对标诊断，风机机组运行工况能效诊断。应用本发明在诊断过程中不会造成风机机组的拆卸甚至停产，对工业生产的影响较少，能够方便用户进行风机机组节能改造。

Description

风机机组非侵入式能效诊断方法与系统
技术领域
本发明涉及一种风机机组非侵入式能效诊断方法与系统。
背景技术
风机机组在各行业中应用广泛，耗电量巨大。然而由于风机本身陈旧、选型不当以及调速方式不合理等原因，使得现阶段很多的风机效率低下，大多在40％―60％，低于70％的国家标准，节能潜力巨大。
风机机组节能改造的推广问题在工业现场中遇到了困难，传统的能耗测试需要停机甚至拆机测量，造成工业停产，降低了用户能效诊断的积极性。能够开发一套无需停机的非侵入式诊断风机能效问题的方法和系统对节能改造的推广具有重要的意义。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种风机机组非侵入式能效诊断方法与系统，本发明能够对工业现场中的风机机组进行非侵入式的能效诊断，找出其运行中存在的一些能耗问题，同时，在诊断过程中不会造成风机机组的拆卸甚至停产，对工业生产的影响较少，能够方便用户进行风机机组节能改造。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种风机机组非侵入式能效诊断方法，包括以下步骤：
(1)读取现场测量的基本参数，基本参数包括风机机组的电压、电流、功率因数和输入功率、电机的转速以及风机的风量和风压；
(2)构建电机等效电路，利用优化算法对读取的基本参数进行非侵入式辨识；
(3)利用等效电路基本参数计算电机的各部分损耗，利用损耗隔离法求出电机的输出功率，计算出电机、风机和机组的效率；
(4)根据测量的功率因数和得到的效率，对电机、风机能效进行对标诊断，得到能效对标诊断结果；
(5)将风机的效率、风压性能曲线采用曲线拟合算法进行拟合，根据设定的高效区、低效区、喘振区和超出安全裕量区的要求计算对应的风量；将现场测量的恒转速下风量数据分组绘制成频率分布图与效率性能曲线图绘制在同一坐标图中，进行能效工况诊断。
所述步骤(2)中，以引力搜索算法进行电机参数非侵入式辨识，输入功率、定子电压，定子电流和转速数据；初始化搜索空间向量D的维度，设定GSA基本参数包括种群规模N和迭代次数T，在空间中随机初始化粒子的位置X，对位置进行约束，约束范围为五个基本参数的经验取值范围，速度初始化为零，计算适应度函数，根据引力搜索算法公式求出惯性质量、粒子加速度和粒子速度，最后得到最优解，求出基本参数值。
所述步骤(2)中，以粒子群优化算法进行电机参数非侵入式辨识。
当然，本领域技术人员能够在本发明的工作原理的基础上，选择其他优化算法，属于简单替换。
所述步骤(3)中，根据求解的等效电路基本参数计算电机的定转子铜耗、铁耗，采用损耗隔离法计算电机的输出功率，利用输入功率与输出功率比值求出电机效率，利用风量风压乘积求出风机输出功率与电机输出功率比值求出电机效率，最后求出整个机组效率。
所述步骤(4)中，能效对标诊断诊断风机机组运行过程中测量的电机、风机寿命、功率因数、电压波动参数以及计算得到的风机机组各部分效率与GBT 12497-2006三相异步电动机经济运行、GBT 13470 2008通风机系统经济运行、GBT 26921 2011电机系统优化设计指南等国家能效标准进行能效对标诊断，诊断风机机组是否存在不符合国家规定的能效问题。
所述步骤(5)中，高效区、低效区、喘振区和超出安全裕量区的划分方法为：在拟合的风机特性曲线表达式中求出效率为设定值a时对应的风机流量，记为qu，最高风压为设定值b对应的风量记为qd，且b＞a，风压最高点对应的流量记为qmax，流量小于qmax的区域为危险工况点；流量位于qmax和qd之间为超出风机安全裕量区域；流量位于qd和qu之间为高效区；流量大于qu的区域为风机低效率工况点。
所述步骤(5)中，根据流量点所在区域，确定各工况。
一种风机机组非侵入式能效诊断系统，包括数据采集设备、能效诊断服务器和数据库，其中：
数据采集装置，被配置为能够非侵入式的现场测量风机机组运行中的电压、电流、功率因数、输入功率、转速、风量和风压参数，采集设备支持RS485通信协议，能够完成与上位机通信；
风机机组能效诊断服务器，与数据采集设备进行通讯，处理存储采集数据，根据采集数据进行参数辨识和能效计算，根据能效标准和采集数据进行能效诊断，得到能效诊断报告；
数据库，被配置为存储采集和处理过程中的数据，生成的能效诊断报告。
进一步的，所述风机机组能效诊断服务器，包括数据通信模块、数据管理模块、参数辨识模块、能效计算模块和能效诊断模块，其中：
数据通信模块被配置为实现PC端与下位从机的通信功能，以及客户端与数据库间的通信，自动采集存储的输入数据从底层传来，包括测点编码、测点采集时间和测点值，由底层的数据通过解析后转存到数据库中，用来等待用户确认和处理；
数据管理模块被配置为实现设备管理数据的查询、添加和修改以及能效标准数据的查询功能；
参数辨识模块被配置为实现电机的等效电路参数辨识，通过读取基础数据库中的现场采集数据使用辨识方法辨识电机的参数；
能效计算模块被配置为非侵入式计算风机、电机以及整个系统的效率和能耗项，输出为风机机组各项的效率和能耗项值；
能效诊断模块被配置为根据风机机组各项的效率和能耗项值进行标准诊断和工况诊断。
所述数据库包括基础数据库和功能数据库，在基础数据库中，存放了经过采集的能耗数据，功能数据库主要有设备管理数据库和能效标准数据库，设备管理数据库主要包括电机和风机的型号以及额定参数，能效标准数据库主要包括风机和电机的能效对标诊断中所需要的能效标准。
本发明的有益效果为：
采用本发明所提供的风机机组非侵入式能效诊断方法能够在不拆卸风机机组的情况下较准确地获得风机机组的各部分能效情况。
采用本发明所提供的风机机组非侵入式能效诊断方法能够非侵入式诊断风机运行中存在的能耗问题，尤其在用挡风板等手段调节工况时，能够直观地诊断工况的能耗情况，方法简便。
采用本发明所提供的风机机组非侵入式能效诊断系统能够便捷地诊断工业现场中风机机组能耗问题，为现场操作人员提供帮助。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为本发明实施例的风机机组非侵入式能效诊断方法流程示意图。
图2为本发明实施例中电机参数辨识流程示意图。
图3为本发明实施例中风机机组运行工况能效诊断示意图。
图4为本发明实施例的风机机组非侵入式能效诊断系统的系统架构图。
图5为本发明实施例的风机机组非侵入式能效诊断服务器的流程图。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术所介绍的，现有技术中存在的传统的能耗测试需要停机甚至拆机测量，造成工业停产，降低了用户能效诊断的积极性的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种风机机组非侵入式能效诊断的方法及系统。
本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，一种风机机组非侵入式能效诊断方法，包括如下步骤:
S101:读取现场测量的基本参数。具体地，数据采集设备可以完成测量参数的采集，例如可以利用电机功率测试仪测量风机机组的电压、电流、功率因数和输入功率，利用转速测试仪测量电机的转速，利用风量风压测试仪测量风机的风量和风压，设备仪器均要求支持RS485通信。
S102：电机参数非侵入式辨识。电机参数辨识采用智能算法进行实现，以引力搜索算法为例具体流程如图2所示。读入输入功率、定子电压，定子电流和转速数据；初始化搜索空间向量D的维度，设定GSA基本参数包括种群规模N和迭代次数T，在空间中随机初始化粒子的位置X，对位置进行约束，约束范围为五个基本参数的经验取值范围，速度初始化为零。根据公式(1)计算适应度函数。根据引力搜索算法公式求出惯性质量、粒子加速度和粒子速度，最后得到最优解，求出基本参数值。
其中I1(si)和Pin(si)为电机在不同转差率si下实测定子电流和输入功率的值，I1est(si)和Pinest(si)为按照电机等效电路中Rs、xσ1、Rm、xm、Rr五个基本参数计算得到的定子电流和输入功率的值，I1avj和Pinavj为实测值的平均值。
S103:电机、风机能效项计算。利用S102中求解的等效电路基本参数计算电机的定转子铜耗、铁耗，采用损耗隔离法按照公式(2)计算电机的输出功率。利用输入功率与输出功率比值求出电机效率，利用风量风压乘积求出风机输出功率与电机输出功率比值求出电机效率，最后求出整个机组效率。
P2＝P1-pCu1-pFe-pCu2-pFw-pad (2)
式中，P2为电机输出功率，P1为电机的输入功率，pcu1是定子铜耗，pcu2是转子铜耗，pFe是铁耗，pad是杂散损耗，pFw是风摩损耗。
S104:电机、风机能效对标诊断。具体地，能效对标诊断诊断风机机组运行过程中测量的电机、风机寿命、功率因数、电压波动参数以及计算得到的风机机组各部分效率与GBT 12497-2006三相异步电动机经济运行、GBT 134702008通风机系统经济运行、GBT26921 2011电机系统(风机、泵、空气压缩机)优化设计指南等国家能效标准进行能效对标诊断，诊断风机机组是否存在不符合国家规定的能效问题。
S105:工况诊断。工况诊断示意如图2所示，将风机的效率、风压性能曲线采用最小二乘法进行拟合得到数学表达式，根据高效区、低效区、喘振区和超出安全裕量区的要求计算对应的风量；将现场测量的恒转速下风量数据分组绘制成频率分布图与效率性能曲线图绘制在同一坐标图中，进行能效工况诊断。
其中，高效区、低效区、喘振区和超出安全裕量区的划分方法为：在拟合的风机特性曲线表达式中求出效率为60％时对应的风机流量，记为qu，最高风压90％对应的风量记为qd，风压最高点对应的流量记为qmax。流量小于qmax的区域为危险工况点，图中A区；流量位于qmax和qd之间为超出风机安全裕量区域，图中B区；流量位于qd和qu之间为高效区，图中C区；流量大于qu的区域为风机低效率工况点，图中D区。
工况诊断的结果为：当有流量点小于qmax时诊断风机存在危险工况点；当有流量点位于qmax和qd之间时诊断风机存在工况点工作于超出风机安全裕量区域；当有流量点位于大于qu时诊断为风机存在低效率工况点，并且求出超出的工况点频率之和，可以看出低效区间占整个工作周期的比重。
基于上述风机机组非侵入式能效诊断方法，本发明还提供了一种风机机组非侵入式能效诊断系统，系统架构如图3所示，具体包括数据采集设备、能效诊断服务器和数据存储的数据库。
数据采集装置，在具体实施中，数据采集装置可以选用功率测试仪、转速仪、风速风压测试仪设备，能够非侵入式的现场测量风机机组运行中的电压、电流、功率因数、输入功率、转速、风量和风压参数，采集设备支持RS485通信协议，能够完成与上位机通信；
风机机组能效诊断服务器，主要包括数据通信模块、数据管理模块、参数辨识模块、能效计算模块和能效诊断模块。诊断服务器主要负责与数据采集设备进行通讯，处理存储采集数据。并且能够根据采集数据进行参数辨识和能效计算，最后根据能效标准和采集数据进行能效诊断，得到能效诊断报告；
软件具体业务流程如图5所示，数据通信模块主要实现PC端与下位从机的通信功能，以及客户端与数据库间的通信。自动采集存储的输入数据从底层传来，分为：测点编码，测点采集时间，测点值，由底层的数据通过解析后转存到数据库中，用来等待用户确认和处理。通信设置模块界面主要包括仪器通讯设置：通信速率、从机号和采样时间。
数据管理模块主要实现设备管理数据的查询、添加和修改以及能效标准数据的查询功能。该模块能够读取功能数据库中的设备管理数据库信息，按照用户要求添加、修改数据库内容，并选定诊断设备。同时也能够查询能效标准数据库中内容。
参数辨识模块主要实现电机的等效电路参数辨识，通过读取基础数据库中的现场采集数据使用S102所述辨识方法辨识电机的参数。读入参数包括基础数据表中的输入电压、输入电流、功率因数和转速。输出则为六项基本参数：定子电阻、转子电阻、励磁电阻、定子电感、励磁电感和转子电感。
效率计算模块主要用于非侵入式计算风机、电机以及整个系统的效率和能耗项，该页面主要为显示页面，功能有页面加载实现，无需用户操作。读入参数包括基础数据表中的输入电压、输入电流、功率因数、转速、风压和风量以及参数识别模块的定子电阻、转子电阻、励磁电阻、定子电感、励磁电感和转子电感。模块计算方法为S103中所述计算方法。输出为风机机组各项的效率和能耗项值。
能效诊断模块主要分为标准诊断和工况诊断两大功能。能效标准诊断对风机系统的电机效率、功率因数，电压波动、三相不平衡度、电源频率、风机效率等能效指标进行对比诊断，得到能效对标诊断结果。工况诊断则按照S105所述方法得到工况能耗情况。
基础数据库和功能数据库：数据库主要是对系统诊断过程中的数据进行存储。主要包含两大类。一类是基础数据库，在基础数据库中，存放了经过采集的能耗数据。主要是是对功率测试仪、转速仪和风速风压仪采集的数据进行汇总和存储。功能数据库主要有设备管理数据库和能效标准数据库。设备管理数据库主要包括电机和风机的型号以及额定参数。能效标准数据库主要包括风机和电机的能效对标诊断中所需要的能效标准。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种风机机组非侵入式能效诊断方法，其特征是：包括以下步骤：
(1)读取现场测量的风机机组基本参数，风机机组基本参数包括电机的定子电压、定子电流、功率因数、输入功率和转速以及风机的风量和风压；
(2)构建电机等效电路，利用优化算法和读取的风机机组基本参数，对电机等效电路基本参数进行非侵入式辨识；
(3)利用电机等效电路基本参数计算电机的各部分损耗，利用损耗隔离法求出电机的输出功率，计算出电机、风机和风机机组的效率；
(4)根据现场测量的电机功率因数和计算得到的电机和风机的效率，对电机、风机能效进行对标诊断，得到能效对标诊断结果；
(5)将风机的效率、风压性能曲线进行拟合得到性能曲线表达式，根据设定的高效区、低效区、喘振区和超出安全裕量区的要求计算对应的风量值；将现场测量的恒转速下风量数据分组绘制成频率分布图与效率性能曲线绘制在同一坐标图中，进行能效工况诊断。
2.如权利要求1所述的一种风机机组非侵入式能效诊断方法，其特征是：所述步骤(2)中，以引力搜索算法进行电机等效电路基本参数的非侵入式辨识，算法需要的输入参数包括电机的输入功率、定子电压，定子电流和转速；输出电机等效电路的五个基本参数：定子电阻、转子电阻、励磁电阻、定子漏电抗和励磁电抗；初始化搜索空间向量D的维度，设定引力搜索算法的基本参数包括种群规模N和迭代次数T，在空间中随机初始化粒子的位置X，对位置进行约束，约束范围为电机等效电路的五个基本参数的经验取值范围，粒子的初始速度设为零，计算适应度函数，根据引力搜索算法公式求出惯性质量、粒子加速度和粒子速度，最后得到最优解，求出电机等效电路的五个基本参数值。
3.如权利要求1所述的一种风机机组非侵入式能效诊断方法，其特征是：所述步骤(2)中，以引力搜索算法进行电机参数非侵入式辨识。
4.如权利要求1所述的一种风机机组非侵入式能效诊断方法，其特征是：所述步骤(3)中，根据求解的电机等效电路基本参数计算电机的定子与转子的铜耗、铁耗，采用损耗隔离法计算电机的输出功率，利用电机的输入功率与输出功率比值求出电机效率，利用风机的风量与风压乘积求出风机输出功率与电机输出功率比值，从而求出风机效率，最后求出整个机组效率。
5.如权利要求1所述的一种风机机组非侵入式能效诊断方法，其特征是：所述步骤(4)中，利用能效对标诊断，诊断风机机组运行过程中现场测量的电机、风机寿命和电机的功率因数、电压波动参数以及步骤(3)中计算得到的风机机组各部分效率是否存在不符合国家能效标准的能效问题；参考的能效标准包括：GBT 12497-2006三相异步电动机经济运行、GBT 13470 2008通风机系统经济运行和GBT 26921 2011电机系统优化设计指南。
6.如权利要求1所述的一种风机机组非侵入式能效诊断方法，其特征是：所述步骤(5)中，将风机的效率、风压性能曲线采用最小二乘法进行拟合得到数学表达式；风机的高效区、低效区、喘振区和超出安全裕量区的具体划分方法为：在拟合的风机特性曲线中利用风机效率表达式求出效率为a％时对应的风机风量，记为qu，利用风机风压表达式求出风压最高点对应的风量，记为qmax，最高风压b％对应的风量记为qd，qu>qd，风量小于qmax的区域为危险工况点；风量位于qmax和qd之间为超出风机安全裕量区域；风量位于qd和qu之间为高效区；风量大于qu的区域为风机低效率工况点。
7.如权利要求1所述的一种风机机组非侵入式能效诊断方法，其特征是：
所述步骤(5)中，根据风量点所在区域，确定各工况。
8.一种风机机组非侵入式能效诊断系统，其特征是：包括数据采集设备、能效诊断服务器和数据库，其中：
数据采集设备，被配置为能够非侵入式的现场测量风机机组运行中电机的定子电压、定子电流、功率因数、输入功率、转速以及风机的风量和风压参数，数据采集设备支持RS485通信协议，能够完成与能效诊断服务器通信；
能效诊断服务器，与数据采集设备进行通讯，存储并处理来自数据采集设备的采集数据，根据采集数据进行参数辨识和能效计算，根据能效标准和能效计算数据进行能效诊断，得到能效诊断报告；
数据库，被配置为存储采集和处理过程中的数据以及生成的能效诊断报告。
9.如权利要求8所述的一种风机机组非侵入式能效诊断系统，其特征是：所述能效诊断服务器，包括数据通信模块、数据管理模块、参数辨识模块、能效计算模块和能效诊断模块，其中：
数据通信模块被配置为实现能效诊断服务器与数据采集设备的通信功能，以及能效诊断服务器与数据库间的通信，自动采集并存储从数据采集设备传来的风机机组基本参数数据，包括测点编码、测点采集时间和测点值，通过解析后转存到数据库中，用来等待用户确认和处理；
数据管理模块被配置为实现设备管理数据的查询、添加和修改以及能效标准数据的查询功能；
参数辨识模块被配置为实现电机的等效电路参数辨识，通过读取数据库中的的风机机组基本参数数据，使用引力搜索算法辨识电机的参数；
能效计算模块被配置为计算电机、风机以及整个系统的效率和能耗项，输出为风机机组各项的效率和能耗项值；
能效诊断模块被配置为根据风机机组各项的效率和能耗项值进行标准诊断和工况诊断。
10.如权利要求8所述的一种风机机组非侵入式能效诊断系统，其特征是：所述数据库包括基础数据库和功能数据库，在基础数据库中，存储了现场采集的风机机组基本参数数据，功能数据库包括设备管理数据库和能效标准数据库，设备管理数据库主要存储电机和风机的型号以及额定参数，能效标准数据库主要存储风机和电机的能效对标诊断中所需要的能效标准。
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