CN112664464B - 一种水泵智慧高效优化控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及水泵运行优化技术，旨在提供一种水泵智慧高效优化控制方法。包括：构建水泵运行监控系统，在水泵的进出口管路上设置压差传感器、流量计和多个压力表，以实时获取水泵的运行数据并传送至上位工控机；通过对水泵的选型设计，实现对水泵汽蚀余量可资用压头的控制：实时监控水泵进口压力，并对其进行控制。本发明能实现对不同工况下水泵进出口压力、扬程、流量、效率、汽蚀特征的一体监控和分析，为水泵的高效运行和控制奠定基础，同时也可作为水泵整个生命周期中健康诊断的基础数据。能使给定泵组本身在对应的运行工况下，安全工作在能耗极小化的运行状态。其数据可以作为水泵智慧高效管控的数据来源和基础，为循环水系统节能奠定基础。

Description

一种水泵智慧高效优化控制方法

技术领域

本发明是关于水泵运行优化技术领域，特别涉及一种水泵智慧高效优化控制方法。

背景技术

水泵是水系统中确保系统用水参数达标的核心装置，同时又是流程系统中能耗集中的一个重要环节。随着流动控制技术、流体数值仿真技术、数控机床技术、材料技术和装配技术的发展，单就水泵本体而言，三元流等先进技术和理念的引进，蜗壳、叶轮以及蜗壳和叶轮匹配优化设计制造技术不断更新，使水泵本身效率提升向更深入的方向发展。但也正是由于上述技术的不断发展，在原理不变的大前提下，水泵本身效率提升的空间及幅度却越来越有限。同时实际运行过程中，水泵的运行能耗不止取决于水泵自身，所处管网的水力特性是否能使水泵运行点落在合理高效区间内，以及对应电机特性和效率取值，都是决定水泵能耗的关键所在。另外，由于实际生产过程中环境工况及生产荷载强度的多变性，水泵的运行状态会发生相应的调整和变化，水泵优化运行则需要较宽的调节范围和自适应调节能力。

传统针对多变工况而言，高效的控制方式多采用变频技术。但是匹配输配管网如果不能良好地实现输配系统的动态水力平衡，应用了变频的水泵也只能实现部分节能。水泵一旦接入给定形式的管网体系中，其性能(包括气蚀特性)尤其是输出能力还取决于水泵进口段水力特性。当前减少水泵进口管段阻力损失的手法多采用进口管道管径适当扩大的方式，甚至加设对应的进口导流段。

随着物联网技术和智慧制造技术的发展，水泵的用户、运行管理方、运行维护方都需要了解水泵在多变工况下、整个生命周期中运行状态变化情况及规律。传统的水泵运行监控的参数主要包括：泵端参数(水泵出口压力、水泵流量)、电机端参数(运行电压、运行电流、运行功率、功率因数)。这些数据很多只有就地数据和实时数据，无法进行生命周期内参数变化规律分析，而且很多现场甚至连水泵流量的监测都不开展，评价水泵运行状态的数据往往较为有限。从另一个角度来看，针对泵端而言，传统水泵特性分析中，流量是自变量，杨程、轴功率和效率都是变量。水泵出口压力并不是杨程，不能做为评价水泵运行状态的参数。对于给定的水泵，当杨程(设法测定)和流量已知时，用户越来越关心水泵运行效率和用能情况。但效率是无法通过测量直接获取的，测定的用电量是在当时当地条件下，指定水泵的绝对功耗，是否与特性匹配，在当前的评价体系中，无法获取和确定。或者说在当前的设计、运行和维护体系中，一个给定水泵在生命周期中的运行状态，没有明确的定义可以客观表明其取值，做为运行判定的基础。

对于当今的用户而言，水泵在多变工况下运行，应具有极大发挥其能量转化能力，使对应功耗极小化的能力和特征。根据现有的技术体系，对于指定水泵，调整其运行功耗的方法分为：进口阀门调节、进口导流段调节、出口阀门调节、变频调节以及变频和出口阀门一体的调节方式。这些方式基本相互独立，存在各自的问题。

进口阀门调节是调节方式中最不利的方式，表现为节能率最低，且有可能导致汽蚀产生。

进口导流段调节是借鉴了风机进口导叶预旋的方式，对水泵进口流动进行二次流动优化和预旋的控制，降低进口阻力消耗，稳定流场，是一种有效的调控方式。但缺少整体调节控制的方法，加上对汽蚀特性监控的缺失，目前还难以适应多变工况的自适应调节。

变频调节本身是现有较为成熟的一种节能控制方式，但是单一变频所实现的节能量是有限的，甚至是完全被动的，往往只能按照一个或几个给定的频率状态运行，失去了变频自适应调节的能力。

现有的变频和出口阀门一体的调节方式，目标是在节流损失和水泵效率提升之间，寻找优化运行节点，降低水泵运行功耗。其目标虽然也针对智能平衡高效输配体系的主机侧改进工作，但存在的问题是没有考虑进口段优化的问题。

当然，对于泵组运行而言，另一种直接降低运行功耗的方式是优化配套电机，如采用高效异步电机或者永磁同步电机配合变频的方式进行。但是单独进行电机更换带来的效果有限，且依赖于电机特征，不与其它方式配合，应用也必然受到多变工况条件的限制。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种水泵智慧高效优化控制方法。

为解决上述技术问题，本发明的解决方案是：

提供一种水泵智慧高效优化控制方法，包括下述步骤：

(1)构建水泵运行监控系统

在水泵的进口管路上设置进口蝶阀，出口管路上设置电控阀门，进口蝶阀和水泵之间设置带可调节开度导叶的进口导流段，导叶开度的调节范围[-10°,90°]；

在进口蝶阀前的管路上设置压力测点P₁，在进口蝶阀和进口导流段之间的管路上设置压力测点P₂，在电控阀门之后的管路上设置压力测点P₄，三个压力测点处分别设置压力表；在进口导流段之前和电控阀门之前的管路上分别设压力测点，并通过引压管接至压差传感器的两端；电控阀门之后的管路上还设置流量计；压差传感器、电控阀门、流量计和各压力表分别通过信号线连接至上位工控机；

(2)实时获取水泵的运行数据并传送至上位工控机，包括：压力测点P₁处的水泵进口段压强；压力测点P₂处的水泵出口段压强；压力测点P₄处的水泵阀后官网压力；水泵的进出口压差，即实际运行杨程H；水泵阀后的流量；

基于压差传感器测得的水泵进出口压差和水泵进口表压对应的水头H_P2，获得水泵出口压力取值对应的水头H_P3，H_P3＝H_P2+H；

(3)通过对水泵的选型设计，实现对水泵汽蚀余量可资用压头的控制：

将水泵吸程高度取值设计为：

H_s＝H_z-H_f+H_a-(NPSH_r+H_es)

设置无量纲准则：

ε＝(NPSH_r+H_es)/(H_z-H_f+H_a)＝(NPSH_r+H_es)/(H_P2+H_a)

实际用户的吸程取值为H_s’，其与设计吸程之间有差值为：

ΔH_s＝H_s-H_s’

式中：H_s为水泵设计吸程高度；H_z为水池液面到水泵进口轴线的净高度；H_f为水泵进口段的局部阻力损失，对于给定的循环水系统而言，H_z-H_f在进口开度全开条件下，忽略动压即为H_P2；H_a为一个大气压对应的水头高度；NPSH_r为水泵的必须汽蚀余量；H_es为设计安全余量，取值为0.5；ε为准则数，在水池液面高度不超出设计取值的条件下，准则数ε取值上限为1；

以安全余量H_es为指标，控制资用压头ΔH_s+H_a-NPSH_r>H_es，则不出现汽蚀；若水泵进口阀门全开，则H_es取值为0.5，即允许资用压头ΔH_s+H_a-NPSH_r≧0.5则不出现汽蚀；如果进口开度有变化，需考虑进口开度变化带来的局部阻力损失，进行相应的修正；

(4)实时监控水泵进口压力H_P2，并对其进行控制：

H_P2>NPSH_r+0.5+ΔH-H_a

μ＝H_P2实际/H_P2初始

式中：ΔH为给定阻力特性下对应流量时导流段的阻力损失；

μ为无量纲数，μ小于1；

H_P2实际是指实际运行工况下，水泵进口表压对应的水头；

H_P2初始是指系统初始工况下，水泵进口表压对应的水头。

本发明中，在出口阀门开度和阀后压力恒定的前提下，进一步对进口导流段的进口导叶开度和频率进行优化调节，以获得更低的水泵运行功耗；具体包括：

设定进口导叶的调节范围为[a,a₀]，即下限对应开度a在[a,a₀]寻优，并设定进口导叶开度对应的水泵功率为N_a，且进口导叶全开时a₀＝1，水泵的运行功率为N₀；

所述寻优是指利用分半模式寻优，具体包括下述步骤：

(2.1)在进口导叶优化开度a的基础上，若下限对应的功率N_a增加，即N_a-N₀>0，则进行步骤(2.2)的处理；

(2.2)将(1+a)/2的值赋值给新的开度a(即控制和数值分析中的赋值方法)，进口导叶相应调整开度，对应功率实测后赋值给新的N_a；

(2.3)计算N_a-N₀：

若N_a-N₀>0，则重复步骤(2.2)；

若N_a-N₀<0，则将当前开度值赋值给开度a₀，相应的功率赋值给N₀，将相邻上次测试取得的开度赋值给a，功率赋值给N_a，获得新的开度区间[a,a₀]；

(2.4)：计算上下限开度区间是否在开度测量有效数字范围：

若abs(a₀-a)＞K，则跳到步骤(2.2)重新执行；

若abs(a₀-a)≤K，即开度区间[a,a₀]在开度测量有效数字范围，则确定最优开度为(a₀+a)/2；

其中，abs是指取绝对值；K是指开度精确度，取值范围0.5～2％；如开度精确到1％，即abs(a₀-a)≤1％，令最优开度为(a₀+a)/2。

本发明中，还针对不设进口导流段的运行系统提供了一种水泵智慧高效优化控制方法，包括下述步骤：

(1)构建水泵运行监控系统

在水泵的进口管路上设置进口蝶阀，出口管路上设置电控阀门；

在进口蝶阀前的管路上设置压力测点P₁，在水泵前后的管路上设置压力测点P₂和P₄，三个压力测点处分别设置压力表；在水泵前后的管路设置引压管并接至压差传感器的两端；电控阀门之后的管路上还设置流量计；压差传感器、电控阀门、流量计和各压力表分别通过信号线连接至上位工控机；

(2)实时获取水泵的运行数据并传送至上位工控机，包括：压力测点P₁处的水泵进口段压强；压力测点P₂处的水泵出口段压强；压力测点P₄处的水泵阀后官网压力；水泵的进出口压差，即实际运行杨程H；水泵阀后的流量；

基于压差传感器测得的水泵进出口压差和水泵进口表压对应的水头H_P2，获得水泵出口压力取值对应的水头H_P3，H_P3＝H_P2+H；

(3)通过针对水泵的选型设计，实现对水泵汽蚀余量可资用压头的控制：

将水泵吸程高度取值设计为：

H_s＝H_z-H_f+H_a-(NPSH_r+H_es)

设置无量纲准则：

ε＝(NPSH_r+H_es)/(H_z-H_f+H_a)＝(NPSH_r+H_es)/(H_P2+H_a)

实际用户的吸程取值为H_s’，其与设计吸程之间有差值为：

ΔH_s＝H_s-H_s’

式中：H_s为水泵设计吸程高度；H_z为水池液面到水泵进口轴线的净高度；H_f为水泵进口段的局部阻力损失，对于给定的循环水系统而言，H_z-H_f在进口开度全开条件下，忽略动压即为H_P2；H_a为一个大气压对应的水头高度；NPSH_r为水泵的必须汽蚀余量；H_es为设计安全余量，取值为0.5；ε为准则数，在水池液面高度不超出设计取值的条件下，准则数ε取值上限为1；

以安全余量H_es为指标，控制资用压头ΔH_s+H_a-NPSH_r>H_es，则不出现汽蚀；若水泵进口阀门全开，则H_es取值为0.5，即允许资用压头ΔH_s+H_a-NPSH_r≧0.5则不出现汽蚀；如果进口开度有变化，需考虑进口开度变化带来的局部阻力损失，进行相应的修正；

(4)实时监控水泵进口压力H_P2，并对其进行控制：

H_P2>NPSH_r+0.5-H_a

μ＝H_P2实际/H_P2初始

式中：μ为无量纲数，μ小于1；

H_P2实际是指实际运行工况下，水泵进口表压对应的水头；

H_P2初始是指系统初始工况下，水泵进口表压对应的水头。

本发明中，所述水泵是下述任意一种：永磁同步变频调速水泵、永磁调速水泵、磁悬浮水泵或空气悬浮水泵。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明构建的水泵运行监控系统，能高精度实现对不同工况下水泵进出口压力、扬程、流量、效率、汽蚀特征的一体监控和分析，为水泵的高效运行和控制奠定基础，同时也可作为水泵整个生命周期中健康诊断的基础数据。

2、本发明是在对水泵传统特征及汽蚀特性高精度监控分析的基础上，构建的进出口及泵组本身(包括电机和调速)一体化的优化方式，能使给定泵组本身在对应的运行工况下，安全工作在能耗极小化的优化运行状态。其数据可以作为水泵智慧高效管控的数据来源和基础，为循环水系统节能奠定动力侧的基础。

附图说明

图1为本发明中的水泵运行监控系统示意图。

图中的附图标记为：1永磁同步变频电机；2水泵；3进口导流段；4进口蝶阀；5电控阀门；6压力表；7流量计；8压差传感器。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：下面的实施例可以使本专业的专业技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。

本发明水泵运行系统中各部件或设备均为现有市售产品，不涉及特别功能限定。

本发明的实现原理：

首先构建高精度测量体系，传统的水泵检测方式基本只检测水泵出口压力、流量，对于水泵进口压力、对应的气蚀资用压头特征变化，以及实际运行工况下水泵运行杨程的变化，以及水泵运行偏离设计工况点的情况都没有或者难以进行直观的监测和分析。

本发明针对现有技术中的既定问题，从监测方法上对系统进行重新构建：

如图1所示，在水泵1的进口管路上设置进口蝶阀4，出口管路上设置电控阀门5，进口蝶阀4和水泵1之间设置带可调节开度导叶的进口导流段3，导叶开度的调节范围[-10°,90°]；在进口蝶阀4前的管路上设置压力测点P₁，在进口蝶阀4和进口导流段3之间的管路上设置压力测点P₂，在电控阀门5之后的管路上设置压力测点P₄，三个压力测点处分别设置压力表6；在进口导流段3之前和电控阀门5之前的管路上分别设压力测点，并通过引压管接至压差传感器8的两端；电控阀门5之后的管路上还设置流量计7；压差传感器8、电控阀门5、流量计7和各压力表6分别通过信号线连接至上位工控机；水泵运行监控系统实时获取水泵的运行数据并传送至上位工控机，包括：压力测点P₁处的水泵进口段压强；压力测点P₂处的水泵出口段压强；压力测点P₄处的水泵阀后官网压力；水泵的进出口压差，即实际运行杨程H；水泵阀后的流量。

即，通过增加压力测点P₂实现进口段压强P₂的监测，配合出口段压力测点，基于压差传感器8测量进出口压差——即实际运行杨程H，并基于这一压差，提供水泵出口压力的取值对应的水头H_P3＝H_P2+H(H_P2、H_P3分别为水泵进口和出口表压对应的水头)。由于采用压差传感器，就可以获取杨程在多变工况下的准确取值，出口段压力也可得到相应的监测。这是传统测量方式中欠缺的内容，对于精确分析水泵的实际运行状态具有基础作用。

针对给定的水泵而言，其对应汽蚀余量可资用压头的分析，是水泵和相应泵组进行变频的直观依据。实际在设计水泵泵组时，水泵吸程高度取值的设计公式为：

H_s＝H_z-H_f+H_a-(NPSH_r+H_es)

式中：

H_s——水泵设计吸程高度

H_z——水池液面到水泵进口轴线的净高度

H_f——水泵进口段的局部阻力损失

H_a——一个大气压对应的水头高度

NPSH_r——水泵的必须汽蚀余量

H_es——设计安全余量，一般取值为0.5

上式中各种水头高度的取值，基准面均以水泵的轴线高度为基准(卧式，立式泵按照对应规范确定基准高度)。当地大气压取值及其变化情况，依据是相应的气压计(传统水泵监控流程中缺乏对当地气压的实时监测)。对于给定的循环水系统而言，H_z-H_f在进口开度全开条件下，忽略动压即为H_P2。正常情况下H_s的取值应该大于零。在本质上就是水泵进口压力，该取值会随着水池水位高度、进口段阻力阻力状态发生动态变化，从而会导致不同工况下，水泵运行状态是否存在气蚀风险需要进行判定。本发明设计了一种判定气蚀状态的无量纲模型，同时设定判定准则，做为高精度测量体系的有机组成，这是不同于现有其它测试系统和方法的重要内容。

无量纲准则：

ε＝(NPSH_r+H_es)/(H_z-H_f+H_a)＝(NPSH_r+H_es)/(H_P2+H_a)

在水池液面高度不超出设计取值的条件下，该准则数取值应该上限为1。但在实际运行工况中，因水池液位下降和进口段阻力(结垢、堵塞、流量偏大等原因)增加,该无量纲准则数的取值会出现高于1的情况，或者说一旦该取值高于1，就出现汽蚀,自用安全水头H_es被彻底消耗。

实际用户的吸程取值为H_s’，其与设计吸程之间有差值为：

ΔH_s＝H_s-H_s’

以安全余量H_es为指标，即允许资用压头ΔH_s+H_a-NPSH_r>0.5则不出现汽蚀，这是本发明提出的一项准则，可以通过进口压强地测量，转化为准则数，通讯至相应的上位界面，这是其它传统方式所不具备的内容。水泵进口阀门一般应该全开，如果进口开度有变化，需考虑进口开度变化带来的局部阻力损失，进行相应的修正。

另外一个问题是，如果水泵采用了变频运行的模式，对于给定水泵，必须汽蚀特性随转速的变化特征是可以进行相应调整的，但对于每一个运行转速上述分析过程是完全相同的，差别在于不同转速条件下，允许和运行资用压头数据相应的调整。对于允许资用压头可以建立随转速不同的模型库，进行对位分析。

本发明是在对水泵传统特征及汽蚀特性高精度监控分析的基础上，构建的进出口及泵组本身(包括电机和调速)一体化的优化方式，可使给定泵组本身在对应的运行工况下，安全工作在能耗极小化的优化运行状态。其数据可以作为水泵智慧高效管控的数据来源和基础。

本发明另一点在于实时监控水泵进口阀后压力P₂，以及当地大气压的变化，提出要求准则：H_P2>NPSH_r+0.5-H_a，提出这一准则的目标是对由于水质、堵塞、同组管路其它水泵进口阀门关闭不严导致的回流、当地大气压变化、水池液面等因素，导致的水泵进口压力有个下限要求。如果采用了进口导流段，则根据其阻力特性要求在对应的流量条件下H_P2>NPSH_r+0.5+ΔH-H_a，其中ΔH为给定阻力特性下对应流量时，导流段的阻力损失。传统的水泵运行控制过程中，进口压力的监测要么不开展，要么只是显示，难以作为准则制约进行的方式。对于给定的系统，按照本发明的要求，在实际运行开始时，需要测定一个进口压力基准，作为评定的基础，提出另一个无量纲数μ，令：

μ＝H_P2实际/H_P2初始

有了该准则数，通常来讲，进口阀门前系统阻力、液位变化导致的问题就有了基本的判断依据，正常情况该准则数应该小于1，出现大于1的情况，就要分析进口的问题了。两个准则数和一个压力准则，配合泵阀一体、进口导叶开度分半优化准则，可以确保在没有气蚀的条件下，随着工况的变动，水泵运行功率极小化有了基本保证。

实际运行过程中，配合流量的实际测量(水泵出口直管段长度合理条件下，流量测量技术相对比较成熟)，整个生命周期中，水泵在相应转速下的运行工况点，及水泵效率变化的分析可以基于相应的数值模型(不同转速下，功率、扬程随流量的变化特征，以及效率随流量的变化特征均可以基于相似定律，用数值及程序的形式表达)。本发明构建的测量系统，可以高精度实现对不同工况下水泵进出口压力、扬程、流量、效率、汽蚀特征的一体监控和分析。为水泵的高效运行和控制奠定基础，同时也可作为水泵整个生命周期中健康诊断的基础数据。对于电机侧参数如，功率、电压、电流、功率因数的监测，都是成熟的技术，可选择带有远程通讯功能的多功能电表，实现就地及远程对电机运行功耗变化的实时及连续监测和分析。

在上述水泵运行监控系统拓展构建的基础上，为提高泵组实际运行效率，本发明提出一种从水泵进口段、电机、调速和出口段一体的智慧高效泵组体系，甚至包括选择更为高效的水泵配套进一步提升运行效率降低运行功耗的方式，来推进泵及泵组的运行优化控制。硬件体系上，本发明整合现有技术：可调节进口导流段+永磁同步变频调速电机+水泵+出口电控阀门，作为一体化控制的基本硬件构成。未来在此体系中，还可以接入永磁调速、磁悬浮水泵和空气悬浮水泵的方式，来进一步拓展内容。对控制方法进行如下的创新研发：

进口导流段优化控制方面，在现有进口导叶预旋的方式上，应用本发明的汽蚀监测机制，在导流段阻力特性已知的基础上，确保调节可以安全开展。设导流段的阻力损失为ΔH，监控无量纲数ε＝(NPSH_r+H_es)/(H_P2+H_a)的变化，并要求ΔH_s+H_a-NPSH_r>0.5。在此要求下，以水泵出口阀后压力P₄取值恒定为目标(对于阀后给定的管网，P₄取值在本质上代表的就是流量)利用分办法或者黄金分割法等非线性方程寻根方法，构建进口导流段控制法则。

在泵阀一体控制的基础上，在进口段导叶全开的前提下，假设已经找好了指定工况P₄取值下，泵阀一体控制的永磁同步电机频率和出口阀门开度。此时水泵运行的效率点已达到相应的优化阶段，参数也基本满足了管网需求。此时通过进一步调节进口导叶开度和频率(出口阀门开度和阀后压力恒定)，使泵运行功耗进一步下降。

保持上位系统对水泵运行特征的监控，进行进口导叶开度的寻优。根据水泵出口允许波动的上下限(泵阀一体寻优的水泵参数基础上确定进口导叶开度限制，工艺用水需求满足)，先确定进口导叶在此条件的一个调节范围，即下限对应开度a，需要在[a,a₀]快速寻优。由于进口导叶开度的阻力特性一般均为非线性特征，所以本发明提出分半快速寻优模式。全开时a₀＝1，水泵在泵阀一体化调整规律下，配合永磁同步变频，运行功率为N₀。

分半模式具体过程为：如果下限开度a已经在满足需求的条件下，水泵能耗进一步下降，且满足汽蚀条件要求，则a为优化开度。如下限对应的功率N_a有所增加，即N_a-N₀>0，则输入新的开度，将开度(1+a)/2赋值给开度a(即控制和数值分析中的赋值方法)。进口导叶自动调整开度，对应功率实测后付给N_a。如果此时仍然有N_a-N₀>0，则重复上述步骤，直到出现新开度取值a使N_a-N₀<0。此时将当前开度值赋值给开度a₀，相应的功率赋值给N₀。将相邻上次测试取得的开度赋值给a，功率赋值给N_a。再次在全新开度区间[a,a₀]利用上述区间分半的方法寻优，直到上下限开度最后开度区间到开度测量有效数字范围，如开度精确到1％，则如果abs(a₀-a)≤1％，令最优开度为(a₀+a)/2。

根据分办法或黄金分割法，在满足汽蚀条件和管网需求的基础上，最终确定出进口导叶优化开度、水泵优化频率和水泵出口阀门优化开度，配合电机本身效率的提升，可做到多变工况下，水泵本身效率的极大发挥，为系统能耗极小化奠定基础。电机之所以选择永磁同步电机的目的是回收转速差浪费的能量，确保在多种频率下调解时，电机均能实现高效运转。当然对于电机而言选择基于高效异步电机，并不改变控制的思路和原理，差别仅在于节约能量大小的不同。对于本发明而言，基于其它非线性方程寻根的方法，均可用于上述思路，如黄金分割法等。

最后，需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种水泵智慧高效优化控制方法，其特征在于，包括下述步骤：

(1)构建水泵运行监控系统

在水泵的进口管路上设置进口蝶阀，出口管路上设置电控阀门，进口蝶阀和水泵之间设置带可调节开度导叶的进口导流段，导叶开度的调节范围[-10°,90°]；

在进口蝶阀前的管路上设置压力测点P₁，在进口蝶阀和进口导流段之间的管路上设置压力测点P₂，在电控阀门之后的管路上设置压力测点P₄，三个压力测点处分别设置压力表；在进口蝶阀与进口导流段之间的管路上和水泵与电控阀门之间的管路上分别设压力测点，并通过引压管接至压差传感器的两端；电控阀门之后的管路上还设置流量计；压差传感器、电控阀门、流量计和各压力表分别通过信号线连接至上位工控机；

(2)实时获取水泵的运行数据并传送至上位工控机，包括：压力测点P₁处的水泵进口段压强；压力测点P₂处的水泵出口段压强；压力测点P₄处的水泵阀后管网压力；水泵的进出口压差，即实际运行杨程H；水泵阀后的流量；

基于压差传感器测得的水泵进出口压差和水泵进口表压对应的水头H_P2，获得水泵出口压力取值对应的水头H_P3，H_P3＝H_P2+H；

(3)通过对水泵的选型设计，实现对水泵汽蚀余量可资用压头的控制：

将水泵吸程高度取值设计为：

H_s＝H_z-H_f+H_a-(NPSH_r+H_es)

设置无量纲准则：

ε＝(NPSH_r+H_es)/(H_z-H_f+H_a)＝(NPSH_r+H_es)/(H_P2+H_a)

实际用户的吸程取值为H_s’，其与设计吸程之间有差值为：

ΔH_s＝H_s-H_s’

式中：H_s为水泵设计吸程高度；H_z为水池液面到水泵进口轴线的净高度；H_f为水泵进口段的局部阻力损失，对于给定的循环水系统而言，H_z-H_f在进口开度全开条件下，忽略动压即为H_P2；H_a为一个大气压对应的水头高度；NPSH_r为水泵的必须汽蚀余量；H_es为设计安全余量，取值为0.5；ε为准则数，在水池液面高度不超出设计取值的条件下，准则数ε取值上限为1；

以安全余量H_es为指标，控制资用压头ΔH_s+H_a-NPSH_r>H_es，则不出现汽蚀；若水泵进口阀门全开，则H_es取值为0.5，即允许资用压头ΔH_s+H_a-NPSH_r≧0.5则不出现汽蚀；如果进口开度有变化，需考虑进口开度变化带来的局部阻力损失，进行相应的修正；

(4)实时监控水泵进口压力H_P2，并对其进行控制：

H_P2>NPSH_r+0.5+ΔH-H_a

μ＝H_P2实际/H_P2初始

式中：ΔH为给定阻力特性下对应流量时导流段的阻力损失；

μ为无量纲数，μ小于1；

H_P2实际是指实际运行工况下，水泵进口表压对应的水头；

H_P2初始是指系统初始工况下，水泵进口表压对应的水头。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在出口阀门开度和阀后压力恒定的前提下，进一步对进口导流段的进口导叶开度和频率进行优化调节，以获得更低的水泵运行功耗；具体包括：

设定进口导叶的调节范围为[a,a₀]，即下限对应开度a在[a,a₀]寻优，并设定进口导叶开度对应的水泵功率为N_a，且进口导叶全开时a₀＝1，水泵的运行功率为N₀；

所述寻优是指利用分半模式寻优，具体包括下述步骤：

(2.1)在进口导叶优化开度a的基础上，若下限对应的功率N_a增加，即N_a-N₀>0，则进行步骤(2.2)的处理；

(2.2)将(1+a)/2的值赋值给新的开度a，进口导叶相应调整开度，对应功率实测后赋值给新的N_a；

(2.3)计算N_a-N₀：

若N_a-N₀>0，则重复步骤(2.2)；

若N_a-N₀<0，则将当前开度值赋值给开度a₀，相应的功率赋值给N₀，将相邻上次测试取得的开度赋值给a，功率赋值给N_a，获得新的开度区间[a,a₀]；

(2.4)：计算上下限开度区间是否在开度测量有效数字范围：

若abs(a₀-a)＞K，则跳到步骤(2.2)重新执行；

若abs(a₀-a)≤K，即开度区间[a,a₀]在开度测量有效数字范围，则确定最优开度为(a₀+a)/2；

其中，abs是指取绝对值；K是指开度精确度，取值范围0.5～2％。

3.一种水泵智慧高效优化控制方法，其特征在于，包括下述步骤：

(1)构建水泵运行监控系统

在水泵的进口管路上设置进口蝶阀，出口管路上设置电控阀门；

在进口蝶阀前的管路上设置压力测点P₁，在水泵前后的管路上设置压力测点P₂和P₄，三个压力测点处分别设置压力表；在水泵前后的管路设置引压管并接至压差传感器的两端；电控阀门之后的管路上还设置流量计；压差传感器、电控阀门、流量计和各压力表分别通过信号线连接至上位工控机；

(2)实时获取水泵的运行数据并传送至上位工控机，包括：压力测点P₁处的水泵进口段压强；压力测点P₂处的水泵出口段压强；压力测点P₄处的水泵阀后管网压力；水泵的进出口压差，即实际运行杨程H；水泵阀后的流量；

基于压差传感器测得的水泵进出口压差和水泵进口表压对应的水头H_P2，获得水泵出口压力取值对应的水头H_P3，H_P3＝H_P2+H；

(3)通过针对水泵的选型设计，实现对水泵汽蚀余量可资用压头的控制：

将水泵吸程高度取值设计为：

H_s＝H_z-H_f+H_a-(NPSH_r+H_es)

设置无量纲准则：

ε＝(NPSH_r+H_es)/(H_z-H_f+H_a)＝(NPSH_r+H_es)/(H_P2+H_a)

实际用户的吸程取值为H_s’，其与设计吸程之间有差值为：

ΔH_s＝H_s-H_s’

式中：H_s为水泵设计吸程高度；H_z为水池液面到水泵进口轴线的净高度；H_f为水泵进口段的局部阻力损失，对于给定的循环水系统而言，H_z-H_f在进口开度全开条件下，忽略动压即为H_P2；H_a为一个大气压对应的水头高度；NPSH_r为水泵的必须汽蚀余量；H_es为设计安全余量，取值为0.5；ε为准则数，在水池液面高度不超出设计取值的条件下，准则数ε取值上限为1；

以安全余量H_es为指标，控制资用压头ΔH_s+H_a-NPSH_r>H_es，则不出现汽蚀；若水泵进口阀门全开，则H_es取值为0.5，即允许资用压头ΔH_s+H_a-NPSH_r≧0.5则不出现汽蚀；如果进口开度有变化，需考虑进口开度变化带来的局部阻力损失，进行相应的修正；

(4)实时监控水泵进口压力H_P2，并对其进行控制：

H_P2>NPSH_r+0.5-H_a

μ＝H_P2实际/H_P2初始

式中：μ为无量纲数，μ小于1；

H_P2实际是指实际运行工况下，水泵进口表压对应的水头；

H_P2初始是指系统初始工况下，水泵进口表压对应的水头。

4.根据权利要求1或3所述的方法，其特征在于，所述水泵是下述任意一种：永磁调速水泵、磁悬浮水泵或空气悬浮水泵。

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