CN108490987A - 一种流量控制系统泵运行区间预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种流量控制系统泵运行区间预测方法。首先，基于小信号扰动建模原理，在流量控制系统任意相对稳态时刻对泵运行频率施加小信号扰动ΔF，得到对应的流量变化值Δq₁(t)与相对稳态压力值P的关系式。基于一阶RC电路时间常数的定义，获取Δq₁(t)的时间常数，进而得到压力P；其次，依据计算出的压力P、测量到的流量Q和频率为F泵的Q‑H扬程特性曲线，得到泵在Q‑H特性曲线的工作点；最后，依据泵的Q‑H扬程特性与相似工况抛物围成高效运行区域，对泵的运行区间准确、可靠预测。在本发明无需压力检测传感器及辅助电路即可实现泵运行区间的预测，省去了压力传感器及辅助处理电路的安装调试所需时间和成本，使得系统结构更加简单，系统成本更低。

Description

一种流量控制系统泵运行区间预测方法

技术领域

本发明属于过程控制领域，具体涉及一种流量控制系统泵运行区间预测方法，用于准确、快速预测泵是否处于高效区间运行。

背景技术

流量调节控制在化工、食品、医药、供水等领域具有广泛的应用。早期流量调节主要通过调节控制阀门的开度开对输出流量进行调节，但存在能耗高、调节范围不大等不足。当前主要采用变频调速的方案实现输出流量的调节，其原理主要通过检测输出流量与设定流量之间的偏差，并对该偏差进行反馈补偿控制算法，进而调节变频器的输出频率，改变泵的转速，实现输出流量的稳定控制。然而，由张承慧等在控制理论与应用期刊中发表的《变频调速给水泵站效率最优控制策略》一文可知，泵存在一个由扬程特性曲线、相似工况抛物线组成的高效运行区间。泵运行于此区间，能实现高效运行；否则，泵运行效率和寿命将大大降低。一方面，在化工，食品，医药、供水等领域，由于输送的液体长时间在管道中运行，可能会存在污垢沉积，致使整个管路有效截面积变小，管阻特性变差，在设定流量情况下，泵出口和管网压力急剧增大，致使泵运行状态发生变化，偏离高效区间；另一方面，泵长时间处于非高效区间运行会导致变频流量控制系统的效率降低，甚至导致变频器及泵的过载/低频运行，增加了变频流量控制系统的故障风险。为了确保泵的高效运行和防范变频器故障风险，就必须获取泵的转速、流量和扬程(或压力)等状态数据，确定其是否处于高效区间运行。由于采用变频控制，所以通过获取泵的运行频率即可得到泵的转速。因而，只需要获取流量控制系统泵的运行频率、输出流量和扬程(或压力)即可确定泵的运行状态。现有方案是在泵出口处或者管网关键节点处增加压力传感器，用于实时检测管网中的压力，进而得到泵的Q-H扬程特性曲线工作点，从而判别泵是否运行于高效区间。但该方案由于需要增加压力检测传感器，一方面增加了管网的复杂性和硬件成本，另一方面变频流量控制系统需要在软硬件方面增加相应的功能模块，比如信号调理电路、采样电路、软件处理程序等。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足之处，提出一种结构简单、适用性好的流量控制系统泵运行区间预测方法。

本发明提供一种流量控制系统泵运行区间预测方法，其步骤如下：

1)以采样周期T_s为间隔对流量控制系统流量值和变频器输出频率进行采样，并获取流量值q(k)和输出频率f(k)，其中k为采样次数；

2)并根据采样到的流量值q(k)和输出频率f(k)，建立由N个元素构成的流量值数组{q(i)}，以及变频器输出频率数组{f(i)}，其中 i＝{k-N+1,k-N+2,...k}，N为预先设定的大于1的正整数，q(i)|_i＜＝0＝0， f(i)|_i＜＝0＝0；

3)判断流量控制系统是否处于稳定状态，并在确定其处于稳定状态时，获取变频器输出频率数组{f(i)}的平均值并将该时刻标记为t＝0时刻，给输出频率一个固定的扰动量ΔF₁， f(mT_s)＝F+ΔF₁；

4)在t＝mT_s时刻，采样流量值q(m)；得到Δq(m)＝q(m)-Q；

5)判断α为设定正值，若不成立，则更新变量m＝m+1，重复步骤4，若成立，则获取时间常数τ＝mT_s，并得到压力

6)依据泵的运行数据(Q，P)和泵的Q-H扬程特性具有平移特性，得出频率为F的泵的Q-H扬程特性曲线H_F；

7)判断H_F上的运行点r(Q，P)是否处于高效区域ABCD内，若处于高效区域ABCD内，则得到曲线H_F与相似工况抛物线l_i1、l_i2的交点 a、b，及其对应的流量Q_min、Q_max；

8)判断min{Q-Q_min,Q_max-Q}≥λ(Q_max-Q_min)是否成立，若成立，则确定流量控制系统泵处于高效运行状态，若不成立，则更新k+1；在本次采样周期结束后，进行下一次采样，并标记流量值和变频器输出频率的采样值为q(k)和f(k)，重复以上步骤。

步骤3)中，先获取流量值数组{q(i)}的平均值

并求解判断是否满足：σ_q≤ε_q，其中：ε_q为设定正值，若满足，则认为流量控制系统处于相对稳定状态。

所述高效区域ABCD为额定频率f_N的扬程特性曲线H_N、最低频率 f_min的扬程特性曲线H_min、相似工况抛物线l_i1、相似工况抛物线l_i2围成的扇环形区域。

本发明具有如下有益效果：

一、本发明无需压力检测传感器及辅助电路即可实现压力在线检测，进而实时获取泵的运行频率F、流量Q和压力P等状态信息，确定泵的Q-H扬程特性曲线工作点，省去了压力传感器及辅助处理电路的安装调试所需时间和成本，使得系统结构更加简单，系统成本更低；

二、本发明在实时获取泵Q-H扬程特性曲线工作点和泵Q-H扬程特性与相似工况抛物围成高效运行区域基础上，对泵的运行区间准确、可靠预测，为泵的高效控制提供依据；

三、本发明所述的流量控制系统泵运行区间预测方法具有方法简单，可靠性高，实用性强等特点，为流量系统中泵的安全、高效运行提供可靠保证。

附图说明

图1为流量控制系统的结构简图；

图2为流量控制系统扬程-管阻特性图。

图3为调速泵高效运行区示意图。

图4为泵运行区间示意图

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例作进一步说明：

本发明提供了一种流量控制系统泵运行区间预测方法，主要建立了流量控制系统的数学模型，并依据建立的数学模型和Q-H扬程特性与相似工况抛物围成高效运行区域给出了泵运行区间预测方法。流量控制系统数学模型的建立过程如下：

流量控制系统简图如图1所示，主要包括液体源、单向阀2、泵 M、流量检测装置3、气压罐4、控制器5和变频器6等。液体源主要为需要进行流量控制的液体介质，可以是水、油或其他液体；单向阀2主要功能是防止液体倒流；泵M通过叶轮片高速旋转将液体源中的液体输送到管道；流量检测装置3用于检测出口流量；气压罐4 主要是稳定管网压力的功能；控制器5主要实现相关参数的输入、运行状态的显示及系统控制程序的运行；变频器6主要通过接收控制器发出的控制量，调节泵转速，实现泵输出流量控制。

变量说明如下：q₁(t)为泵出口流量；q₂(t)为气压罐出口流量；p(t) 为管网的压力值；f(t)为变频器输出频率；气压罐气室体积为v₁(t)；气压罐气室压力p_a(t)，气压罐液室体积为v₂(t)，气压罐截面积为S，气压罐总体积为V_z，气压罐额定压力值P_b,气压罐气室额定体积V_b,气压罐额定温度T_b，环境温度为T(t)，t为时间变量,ρ为液体密度,g 为重力加速度。

流量控制系统相对稳态时：管网压力值为P，变频器输出频率为 F，进出液体流量为Q，环境温度为T，气压罐气室体积为V₁，液室体积为V₂，上述所有量的单位均为国际单位。定义t＝0时刻为系统以频率F稳定运行的最后时刻，即存在：

假设在[0,T_d]时间内泵的运行频率为：f(t)＝F+ΔF，ΔF为频率扰动增量，通常情况下|ΔF|＜＜F；T_d为预先定义的观测时间长度，为大于0的时间值，依据流量控制系统性能指标不同而人为确定；则压力值为p(t)＝P+Δp(t)，Δp(t)为ΔF引起的压力波动值；泵出口流量为 q₁(t)＝Q+Δq₁(t)，Δq₁(t)为ΔF引起的泵出口流量波动值；气压罐出口流量为q₂(t)＝Q+Δq₂(t)，Δq₂(t)为ΔF引起的气压罐出口流量波动值；由电机变频控制可知，泵的输出功率的关系为：

其中：方程左边的ρ×q₁(t)×p(t)为泵的轴功率；η为泵的效率；

为电机的输出功率；s为转差率； R₁,R₂,X_1σ,X_2σ,m₁,为泵电机的固有参数；

由于泵电机采用变频调速控制，所以s基本保持不变。令：

k只与电机本身结构参数有关，与流量、压力无关。所以公式(1) 可简化为：

q₁(t)p(t)＝kηf(t)²/ρ (3)

令k'＝ηk/ρ。则在t＝0时，有：

QP＝k'F² (4)

在t∈[0,T_d]，将q₁(t)＝Q+Δq₁(t)，f(t)＝F+ΔF和p(t)＝P+Δp(t)代入公式(4)：

(Q+Δq₁(t))(P+Δp(t))＝k'(F+ΔF)² (5)

展开(5),并整理得：

PQ+QΔp(t)+PΔq₁(t)+Δq₁(t)Δp(t)＝k'(F²+2FΔF+ΔF²) (6)

将(4)代入(6)可得：

QΔp(t)+PΔq₁(t)+Δq₁(t)Δp(t)＝k'(2FΔF+ΔF²) (7)

由于存在气压罐大惯性阻尼环节，则在t∈[0,T_d]短时间内流量变化量Δq₁(t)引起的压力变化量Δp(t)很小，满足：

|Δp(t)|＜＜P (8)

所以整理(7)得：

QΔp(t)+PΔq₁(t)＝k'(2FΔF+ΔF²) (9)

将公式(9)除以(4)并考虑|ΔF|＜＜F，可得：

由于在t∈[0,T_d]有|Δp(t)|＜＜P，即管网压力几乎保持不变，在管阻特性没有改变情况下，气压罐的出口流量变化量Δq₂(t)≈0，即q₂(t)≈Q。依据气压罐动力学方程有：在t∈[0,T_d]，气压罐液室的体积变化量为：

所以，t∈[0,T_d]液室体积为：

因为V保持不变，因而气室体积为：

在t∈[0,T_d]时间内，环境温度保持不变，则由理想气体方程可知：

将(13)代入(14)并整理得：

令Δp_a(t)＝p_a(t)-p_a(0)为气压罐气室压力变化量，则：

根据液压原理可知，管网压力变化量为：

将p_a(0)＝P代入公式(17),可得：

联立(18)和(10)并整理得：

令：则有：y'(t)＝Δq₁(t)，因而有：y(0)＝y'(0)＝0，对公式(19)整理可得：

对微分方程(20)整理并考虑ΔF＜＜F,2×ΔF＜＜F,可得：

求解(21)可得：

将代入公式(22)并整理得：

在t∈[0,T_d]，由于|ΔF|＜＜F及|Δp(t)|＜＜P，根据(5)可知，Δq₁(t)＜＜Q，所以有：

下面针对ΔF与的符号关系进行讨论分析：当ΔF＞0时，由于f(t)＝F+ΔF＞F，因而q₁(t)＝Q+Δq₁(t)＞Q，所以有Δq₁(t)＞0；同理，当ΔF＜0时，由于f(t)＝F+ΔF＜F，因而q₁(t)＝Q+Δq₁(t)＜Q，所以有Δq₁(t)＜0；所以：ΔF与Δq₁(t)同号,亦即ΔF 与y(t)同号。所以有：

又由于在t∈[0,T_d]，公式(24)的右端满足：Qt＞0，所以有：

所以，公式(24)可整理得：

解方程(27)得：

又因为Δq₁(t)＝y'(t)，所以有：

因气压罐无泄漏，则由理想气体方程可知：

联立公式(29)和(30)，并整理得：

由于并且|ΔF|＜＜F，所以：\Δq₁(t)\＜＜Q，即公式 (31)满足前面的\Δq₁(t)\＜＜Q的假设。令：则(31)整理得：

由《电工学简明教程》可知，当t＝τ时，因而可以利用时间常数τ的值来计算压力P。

P为管网压力值，F为变频器输出频率，Q为进出液体流量，T为环境温度，T_b为气压罐额定温度，也可是标定温度，V_b为气压罐气室额定体积，也可是标定体积，P_b为气压罐气室额定压力，也可是标定压力，t为时间变量，T_d为预先定义的观测时间长度，ΔF为频率扰动增量。

由于参数Δq₁(t)、Q、F，ΔF、P_b、V_b、T_b、T及t均为可观测量和已知量，因而通过获取Δq₁(t)的时间常数值τ就可以在线测量出流量控制系统在稳态时的压力P值的大小。

依据公式(32)可求出流量控制系统任意相对稳态时刻的压力P。与此同时，流量控制系统输出流量值Q和泵的运行频率F的值可通过流量传感器和读取变频器的输出频率获得，进而获取到流量控制系统泵在Q-H特性曲线的工作点。

图3所示为调速泵高效运行区示意图，泵的高效运行区间为额定频率f_N的扬程特性曲线H_N、最低频率f_min的扬程特性曲线H_min、相似工况抛物线l_i1、相似工况抛物线l_i2围成的扇环形区域ABCD。如果泵在Q-H特性曲线的工作点处于区域ABCD，则泵处于高效运行；反之，泵处于非高效运行状态。

由于流量控制系统采用变频调速实现流量调节控制方式，因而不同运行频率情况下泵的扬程特性曲线具有平移特性。下面结合图3详细说明泵运行区间分布情况。

(1)流量控制系统输出流量为Q₁：

假设当前泵的运行频率为f₁，则泵的扬程特性曲线为H₁，流量为 Q₁对应的运行点的压力值为P₁。由图3可知，当前泵处于高效区域 ABCD中。如果某时刻流量控制系统因其他因素导致压力减小时(譬如，液体管道改变导致管阻减小，液体进入低扬程的反应槽罐等)，则在维持输出流量Q₁不变的情况下，必然要降低泵的运行频率，假定泵的运行频率此时为f₂，其扬程特性曲线切换到H₂。由图3可知，特性曲线H₂中流量为Q₁对应的运行点的压力值为P₂，此时泵运行点不处于高效区域ABCD中，泵的效率低下，发热严重。

(2)流量控制系统输出流量由Q₁调节为Q₂

假设当前泵的运行频率为f₁，则泵的扬程特性曲线为H₁，流量为 Q₁对应的运行点的压力值为P₁。如果某时刻流量控制系统设定输出流量增加到Q₂，则由于系统的管阻特性不变，增加输出流量必然导致管阻增加，必然要提高泵的运行频率，假定泵的运行频率此时为f₃，其扬程特性曲线切换到H₃。由图3可知，特性曲线H₃中流量为Q₂对应的运行点的压力值为P₃，此时泵运行点不处于高效区域ABCD中，泵的效率低下，发热严重。

通过上述分析可知，流量控制系统泵的运行区间并不是一直处于高效区，其随着输出流量和系统管阻及扬程的变化而变化，为了实现流量控制系统的高效、安全、可靠运行，则必须要对泵的运行区间进行预测。

本发明提供了一种流量控制系统泵运行区间预测方法，包括如下步骤：

(1)以采样周期T_s为间隔对流量控制系统流量值和变频器输出频率进行采样，将第一次采样值标记为q(1)和f(1)；当前采样次数为k，令k＝1；

(2)建立由N个元素构成的流量值数组{q(i)}，以及变频器输出频率数组{f(i)}，其中i＝{k-N+1,k-N+2,...k}，N为预先设定的大于1 的正整数，k为当前采样次数；q(i)\_i＜＝0＝0，f(i)\_i＜＝0＝0；

(3)判断流量控制系统是否处于相对稳定状态，相对稳定状态的定义为：计算{q(i)}的平均值并求解判断是否满足：σ_q≤ε_q，其中：ε_q为设定正值，可根据实际系统进行设定，比如可以取0.05或者0.1。如果满足，则认为流量控制系统处于相对稳定状态，进入步骤(4)；否则，流量控制系统处于不稳定状态，转入步骤(16)。

(4)求解变频器输出频率的平均值

(5)以此时刻标记为t＝0，给输出频率一个较小的扰动量ΔF，即f(mT_s)＝F+ΔF；

(6)令m＝1；

(7)在t＝mT_s时刻，采样流量值记为q(m)；得到Δq(m)＝q(m)-Q；

(8)判断(α为设定正值，可根据实际系统进行设定，比如可以取0.01或者0.1)是否成立。不成立，转入步骤(16)；否则，进入步骤(9)；

(9)判断(δ为设定正值，可根据实际系统进行设定，比如可以取0.01或者0.1)是否成立。不成立，则更新变量：令m＝m+1；返回步骤(7)。否则，进入步骤(10)。

(10)计算时间常数τ＝mT_s

(11)计算压力

(12)依据泵的运行数据(Q，P)和泵的Q-H扬程特性具有平移特性，得出频率为F的泵的Q-H扬程特性曲线，记为H_F。

(13)判断H_F上的运行点r(Q，P)是否处于高效区域ABCD内。成立，则进入步骤(14)；否则，进入步骤(16)。

(14)计算曲线H_F与相似工况抛物线l_i1、l_i2的交点，记为点a， b，及其对应的流量Q_min、Q_max。

(15)判断min{Q-Q_min,Q_max-Q}≥λ(Q_max-Q_min)是否成立(其中：λ是处于0到0.5之间的数，由高效运行区间判别可靠性性能决定)。成立，则说明流量控制系统泵处于高效运行，并进入步骤(16)；否则，进入步骤(16)。

(16)令k＝k+1；在本次采样周期结束后，进行下一次采样，并标记流量值和变频器输出频率的采样值为q(k)和f(k)；返回步骤(2)。

实施例不应视为对本发明的限制，任何基于本发明的精神所作的改进，都应在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种流量控制系统泵运行区间预测方法，其特征在于：其步骤如下：

1)以采样周期T_s为间隔对流量控制系统流量值和变频器输出频率进行采样，并获取流量值q(k)和输出频率f(k)，其中k为采样次数；

2)并根据采样到的流量值q(k)和输出频率f(k)，建立由N个元素构成的流量值数组{q(i)}，以及变频器输出频率数组{f(i)}，其中i＝{k-N+1,k-N+2,...k}，N为预先设定的大于1的正整数，q(i)|_i＜＝0＝0，f(i)|_i＜＝0＝0；

3)判断流量控制系统是否处于稳定状态，并在确定其处于稳定状态时，获取变频器输出频率数组{f(i)}的平均值并将该时刻标记为t＝0时刻，给输出频率一个固定的扰动量ΔF₁，f(mT_s)＝F+ΔF₁；

4)在t＝mT_s时刻，采样流量值q(m)；得到Δq(m)＝q(m)-Q；

5)判断α为设定正值，若不成立，则更新变量m＝m+1，重复步骤4，若成立，则获取时间常数τ＝mT_s，并得到压力

6)依据泵的运行数据(Q，P)和泵的Q-H扬程特性具有平移特性，得出频率为F的泵的Q-H扬程特性曲线H_F；

7)判断H_F上的运行点r(Q，P)是否处于高效区域ABCD内，若处于高效区域ABCD内，则得到曲线H_F与相似工况抛物线l_i1、l_i2的交点a、b，及其对应的流量Q_min、Q_max；

8)判断min{Q-Q_min,Q_max-Q}≥λ(Q_max-Q_min)是否成立，若成立，则确定流量控制系统泵处于高效运行状态，若不成立，则更新k+1；在本次采样周期结束后，进行下一次采样，并标记流量值和变频器输出频率的采样值为q(k)和f(k)，重复以上步骤。

2.根据权利要求1所述的一种流量控制系统泵运行区间预测方法，其特征在于：步骤3)中，先获取流量值数组{q(i)}的平均值并求解判断是否满足：σ_q≤ε_q，其中：ε_q为设定正值，若满足，则认为流量控制系统处于相对稳定状态。

3.根据权利要求1所述的一种流量控制系统泵运行区间预测方法，其特征在于：所述高效区域ABCD为额定频率f_N的扬程特性曲线H_N、最低频率f_min的扬程特性曲线H_min、相似工况抛物线l_i1、相似工况抛物线l_i2围成的扇环形区域。