CN114320984B - 基于非接触式传感器的海水淡化增压泵运行控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于非接触式传感器的海水淡化增压泵运行控制方法，其解决了现有海水淡化增压泵市场运动在非设计工况下造成叶轮进出口回流、气蚀、伴有噪声、振动、能耗高的技术问题，其通过对所提出的增压泵进行建模，以非接触式传感器采集增压泵电动机电流信号，泵模型模块是依据泵电动机电流特性与泵外特性之间建立函数关系，以此作为增压泵调节的模型，之后依据实际需求工况作为条件，运用求解模块对其求解，获得调节方案，再经控制模块输出控制信号，对泵的工况进行调节，实现非接触式下传感的优化调节。

Description

基于非接触式传感器的海水淡化增压泵运行控制方法

技术领域

本发明涉及泵节能运行技术领域，具体而言，涉及一种基于非接触式传感器的海水淡化增压泵运行控制方法。

背景技术

海水淡化是减缓和解决淡水资源匮乏问题的有效途径，几十年来海水淡化技术蓬勃发展，其中反渗透海水淡化技术由于其技术成熟、稳定可靠、产水能耗低等优势，在海水淡化工程中得到了广泛的应用，而海水淡化增压泵是反渗透海水淡化系统的核心动力部件，用于将海水加压到需要的工况下，使得海水能够达到反渗透的条件。增压泵由于选型和设计工况与实际运行工况常出现偏差以及运行调节等方面的原因，时常在非设计工况下运行。在非设计工况下不合理的调节，就会伴随有叶轮进出口回流、气蚀、伴有噪声、振动、能耗高等问题。

为使海水淡化增压泵能够改善工作条件，更加高效节能的运行，传统的一些需要基于外加传感器在泵或管路上的优化调节，并不能够很好的适用在工作环境恶劣的海水中。其次各类传感器高昂的成本，也限制了其在实际工程的应用。

发明内容

本发明为了解决现有海水淡化增压泵市场运动在非设计工况下造成叶轮进出口回流、气蚀、伴有噪声、振动、能耗高的技术问题，提供一种基于非接触式传感器的海水淡化增压泵节能运行方法，通过非接触式传感器对增压泵的一些特性进行监测，以此作为增压泵调节的依据。

本发明以非接触式传感器传输的电流信号为建模条件，以此来识别泵的运行特性，并以泵功耗最小作为目标函数，使得增压泵在最小功耗下运行在高效区。

本发明提供一种基于非接触式传感器的海水淡化增压泵运行控制方法，包括以下步骤：

第一步，建立数学模型：

S1、增压泵的轴功率表达式由下式(1)求得：

S2、增压泵的电机输出功率表达式由下式(2)求得：

S3、电机输出功率P₂与轴功率P₁之间的传动效率由下式(3)表达：

P₁＝η₃P₂ (3)

S4、将式(1)(2)代入(3)式，计算得到增压泵中电机的线电流与泵特性之间的关系式为：

公式(4)中，I为电机的线电流，H为扬程，Q为流量，ρ为流体密度，U为电机的线电压，cosφ为功率因素，η₁为泵的效率，η₂为电机效率，η₃传动效率；将合并以C_h表示，最终得到电机线电流与泵特性之间的关系式以下公式：

I＝C_hHQ/η₁ (5)

依据变频器的频率Fq得到拟合函数关系式：

I＝F(Q,Fq) (6)

S5、采用功耗最小化作为目标函数，如下式：

MinP＝P(Q,Fq) (7)；

第二步，采用智能优化算法对公式(7)进行求解：

(1)确定参数及搜索空间：在确定好寻优的参数后，划定其每个参数的搜索空间，以流量Q、频率Fq作为寻优参数，并为流量Q划定范围，为频率Fq划定范围；

(2)初始化代理：为最初计算随机在解空间内生成的一组解；可以设置多个代理，每个代理Xn都是一组随机Q和Fq的值，用数组表示可以是：

(3)计算每个代理的适应度：根据适应度函数，计算每个代理的适应度，即增压泵系统功耗最小的函数值；

(4)更新代理的速度和位置：根据智能优化算法更新解的规则，更新代理的速度和位置，为下次计算提供新的一组解集；

(5)判断满足算法终止条件：判断是否达到最大迭代次数或全局最优代理满足最小界限，如不满足条件则继续迭代寻优，直到满足判断条件输出最优值，即某流量下对应的泵的频率，从而得到了为满足需求流量下泵对应的一组频率值，再通过变频器调节泵转速后，再根据泵的电流判断是否流量达到满足条件，如不满足条件则可以对转速进行微调，增大泵的转速或重新计算一组新的解，直到满足条件；

调节变频器的频率，进而控制增压泵的转速。

优选地，增压泵中电机的线电流通过非接触式传感器采集。

本发明的有益效果是：使用非接触式传感器可以节省传感器成本，运行控制方法可准确反映增压泵的特性，以此调节增压泵的运行工况，降低增压泵的运行能耗。通过对增压泵进行建模，以非接触式传感器采集增压泵电动机电流信号，泵模型模块是依据泵电动机电流特性与泵外特性之间建立函数关系，以此作为增压泵调节的模型，之后依据实际需求工况作为条件，运用求解模块对其求解，获得调节方案，再经控制模块输出控制信号，对泵的工况进行调节，实现非接触式下传感的优化调节。

附图说明

图1是基于非接触式传感器的海水淡化增压泵节能运行方法原理图。

具体实施方式

如图1所示，非接触式传感器用于采集增压泵中电动机线电流信号，非接触式传感器具体可以选择霍尔电流传感器，将三相电的火线从霍尔电流传感器的检测孔穿过，通过采集泵的电流信号来判断泵当前的出水流量，从而代替在管路上安装流量计的工作，实现非接触式传感；泵模型模块是依据泵电动机电流特性与泵外特性之间建立函数关系，以此作为增压泵调节的模型，之后依据实际需求工况作为条件，运用求解模块对其求解，获得调节方案，再经控制模块输出控制信号，对泵的工况进行调节。变频器对泵的转速进行调节。

泵模型模块将线电流与增压泵的流量、扬程、效率等建立数学关系式，以此来推断和预测泵的运行工况，过程如下：

S1、增压泵的轴功率表达式通常可由下式(1)求得：

S2、增压泵的电机输出功率表达式通常可由下式(2)求得：

S3、考虑到电机输出功率P₂与轴功率P₁之间的传动效率由下式(3)表达：

P₁＝η₃P₂ (3)

S4、将式(1)(2)两式代入(3)式，计算得到电机的线电流与泵特性之间的关系式为：

公式(4)中，I为电机的线电流，H为扬程，Q为流量，ρ为流体密度，U为电机的线电压，cosφ为功率因素，η₁为泵的效率，η₂为电机效率，η₃传动效率。为简化公式，将合并以C_h表示，最终得到电机线电流与泵特性之间的关系式以下公式：

I＝C_hHQ/η₁ (5)

因为扬程、效率也是随流量变化的关系，由此可知电机线电流是流量的函数式，再依据变频器的频率Fq得到拟合函数关系式：

I＝F(Q,Fq) (6)

S5、为使得增压泵功耗最小，采用功耗最小化作为目标函数，如下式：

MinP＝P(Q,Fq) (7)

接下来，求解模块工作，采用智能优化算法对优化模型公式(7)进行求解：

(1)确定参数及搜索空间：在确定好寻优的参数后，划定其每个参数的搜索空间，以流量Q、频率Fq作为寻优参数，并为流量Q划定范围，为频率Fq划定范围；

(2)初始化代理：为最初计算随机在解空间内生成的一组解；可以设置多个代理，每个代理Xn都是一组随机Q和Fq的值，用数组表示可以是：

(3)计算每个代理的适应度：根据适应度函数，计算每个代理的适应度，即增压泵系统功耗最小的函数值；

(4)更新代理的速度和位置：根据智能优化算法更新解的规则，更新代理的速度和位置，为下次计算提供新的一组解集；

(5)判断满足算法终止条件：判断是否达到最大迭代次数或全局最优代理满足最小界限，如不满足条件则继续迭代寻优，直到满足判断条件输出最优值，即某流量下对应的泵的频率。至此，就得到了为满足需求流量下泵对应的一组频率值，再通过变频器调节泵转速后，再根据泵的电流判断是否流量达到满足条件，如不满足条件则可以对转速进行微调，适当增大泵的转速或重新计算一组新的解，直到满足条件。

接下来，控制模块工作：调节变频器的频率，进而控制增压泵的转速，使增压泵符合当前需求条件下泵的功耗最小，以达到节省泵的功耗的目的。

以上所述仅对本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。

Claims (2)

1.一种基于非接触式传感器的海水淡化增压泵运行控制方法，其特征是，包括以下步骤：

第一步，建立数学模型：

S1、增压泵的轴功率表达式由下式(1)求得：

S2、增压泵的电机输出功率表达式由下式(2)求得：

S3、电机输出功率P₂与轴功率P₁之间的传动效率由下式(3)表达：

P₁＝η₃P₂ (3)

S4、将式(1)(2)代入(3)式，计算得到增压泵中电机的线电流与泵特性之间的关系式为：

公式(4)中，I为电机的线电流，H为扬程，Q为流量，ρ为流体密度，U为电机的线电压，cosφ为功率因素，η₁为泵的效率，η₂为电机效率，η₃传动效率；将合并以C_h表示，最终得到电机线电流与泵特性之间的关系式以下公式：

I＝C_hHQ/η₁ (5)

依据变频器的频率Fq得到拟合函数关系式：

I＝F(Q,Fq) (6)

S5、采用功耗最小化作为目标函数，如下式：

MinP＝P(Q,Fq) (7)；

第二步，采用智能优化算法对公式(7)进行求解：

(1)确定参数及搜索空间：在确定好寻优的参数后，划定其每个参数的搜索空间，以流量Q、频率Fq作为寻优参数，并为流量Q划定范围，为频率Fq划定范围；

(2)初始化代理：为最初计算随机在解空间内生成的一组解；可以设置多个代理，每个代理Xn都是一组随机Q和Fq的值，用数组表示可以是：

(3)计算每个代理的适应度：根据适应度函数，计算每个代理的适应度，即增压泵系统功耗最小的函数值；

(4)更新代理的速度和位置：根据智能优化算法更新解的规则，更新代理的速度和位置，为下次计算提供新的一组解集；

(5)判断满足算法终止条件：判断是否达到最大迭代次数或全局最优代理满足最小界限，如不满足条件则继续迭代寻优，直到满足判断条件输出最优值，即某流量下对应的泵的频率，从而得到了为满足需求流量下泵对应的一组频率值，再通过变频器调节泵转速后，再根据泵的电流判断是否流量达到满足条件，如不满足条件则可以对转速进行微调，增大泵的转速或重新计算一组新的解，直到满足条件；

调节变频器的频率，进而控制增压泵的转速。

2.根据权利要求1所述的基于非接触式传感器的海水淡化增压泵运行控制方法，其特征是，所述增压泵中电机的线电流通过非接触式传感器采集。