CN116378972A - 一种基于需求反馈的水泵运行方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于需求反馈的水泵智慧运行方法，提供一种能够根据水量、水压的需求随时调节，高效节能降碳的水泵智能控制方法。主要包括：工控主机、路由器、变频器、供水泵、可远程通信的流量计，用水管网。本发明的目的是解决供水管网系统流量、压力随机变化，所需水泵扬程和流量按需供给、没有超压供水造成能源浪费的技术难题。本发明同时也公开了基于需求反馈的水泵智慧运行方法在水泵供水按用水管网的需求实时调节、减少超量供应、节能降碳方面的应用。实验结果显示：按照此方法进行水泵控制和调节，可以在现有变频基础上，节能10%~30%，减少电量消费，减少耗电排碳。
Description
技术领域
本发明属于城市供水、建筑给水、供热、污水提升、农业灌溉、化工、冶金等技术领域，涉及离心式水泵智能控制的运行情况。特别是一种基于需求反馈的水泵智慧运行方法。
背景技术
水泵广泛应用于城市供水、建筑给水、供热、污水提升、农业灌溉、化工、冶金等生产、生活的各个方面，其排碳量及能耗占比在全社会也居于前列。因此水泵节能减排对我国全面实行绿色低碳发展战略具有非常重要的作用。
作为流体运送设备，水泵节能，一方面可以通过改进水泵结构，降低机械损失、泄露损失，提高轴功率的有效利用比率；另一方面，是利用变频器，通过调节水泵的运行状态，来实现节能，目前应用最广泛的是变频调速恒压供水技术。
变频调速恒压供水技术提出的原因是，水泵设计选型时的设计流量和设计扬程，往往根据最不利情况进行考虑。该技术的应用原理是：水泵投入运行前，首先根据满足最不利点的供水压力，设定水泵的工作压力及其他相关运行参数；水泵运行时，由压力传感器连续采集管网中的水压及水压变化率信号，并将传送至变频控制系统，控制系统将反馈回来的信号与设定压力进行比较和运算，如果实际压力比设定压力低，则发出指令控制水泵加速运行，如果实际压力比设定压力高，则控制水泵减速运行，当达到设定压力时，水泵就维持在该运行频率上。由于转速与水泵轴功率成3次方的关系，因此，减速运行后的水泵，节能效率非常明显。
现有变频调速恒压供水技术存在一定的技术缺陷，由于其未考虑由于流量减少和非不利点未过流时，管网系统实际所需供水扬程降低的情况，故系统不能实现变频变压调速供水。
发明内容
为解决上述问题本发明公开了一种基于需求反馈的水泵智慧运行方法，其特征在于按如下的步骤进行：
（1）收集供水系统的竣工图及其设计参数，每个用水点的标高、用水量及其最低工作压力，管道管材和管道长度；
（2）收集所选供水水泵的出厂性能试验检测数据，包括不同工况下的流量，扬程，水功率，输入功率，工作电压，工作电流，电流频率，电机转速，水泵效率参数；
（3）利用比例定律，计算水泵不同转速下对应的流量，扬程，绘制H-Q曲线；
（4）利用海曾-威廉公式
设计不同流量，不同管长、管径，不同管材，对应的管道沿程水头损失计算模型Mod/>
；
海曾-威廉公式中：q为设计流量，Ch为海曾-威廉系数，其与管道材质有关，dj为管道计算内径，l为计算管长；
（5）利用公式
设计不同管径、不同管件的局部水头损失计算模型Mod/>
；式中：/>
为管道沿程水头损失，/>
为管件局部损失系数之和，/>
为流速。
（6）在供水管网的主要分支节点1处，增加可远程通信的流量计，并对其编号为Q1，按照竣工图，对自水泵出口至流量计Q1处的不同管段分别编号，为1、2、……k，长度分别为L1、L2、……Lk，输入其管道内径分别为d1、d2、……dk，并对k个管段进行管材匹配，输入Q1处的标高及最低工作水头，输入连接L1、L2、……Lk管段的弯头管件参数及编号；
（7）在供水管网的主要分支节点2处，重复第（6）步，与（6）中相同管段和管件的编号必须唯一，不得重复和矛盾；
（8）按照第（7）的方法，对供水管网中的n个主要分支节点增设可以远程通信的流量计，其编号为Qi（其中：3≤i≤n），进行流量计、管段、管件的编号，建立输入数据库。
（9）当s个（0<s≤n）用水节点有出流量时，其对应x个流量计会有数据显示，并通过路由器传输至工控主机，工控主机中的Mod
和Mod/>
启动，开始模拟计算；计算时，相同编号的管段和管件，其流量进行叠加，最终计算出不同流量计节点处对应的沿程水头损失Hy和局部水头损失Hj；利用数据库中的对应数据，计算不同流量计节点处对应的静压水头Hz，并与其需要的工作水头Hx相匹配；不同流量计节点处，以上四个水头相加和Hy+Hj+Hz+Hx，即可得到输出数据库；选择计算结果最大水头Hmax，作为水泵的运行扬程；将X个流量计的流量进行加和，所得到的流量值Qmax作为水泵的运行流量；
（10）在工控主机的水泵H-Q图谱中，以Qmax为横坐标，以Hmax为纵坐标，精确查找Qmax，Hmax的坐标点，其对应的转速，利用
计算电流频率；工控主机将计算所得的电流频率数值通过路由器，传输给水泵的变频器，水泵电机按照变频器的指令进行运转，实现变频控制，满足管网系统的流量和水头需求，并达到节能降碳的运行目的；其中：/>
为电流频率，/>
为电机转速，/>
为电机旋转磁场的极对数。
本发明进一步公开了基于需求反馈的水泵智慧运行方法在水泵供水按用水管网的需求实时调节、减少超量供应、节能降碳方面的应用。实验结果显示：按照此方法进行水泵控制和调节，可以在现有变频基础上，节能10%~30%，减少电量消费，减少耗电排碳。
本发明主要考察了现有水泵变频调速恒压控制系统存在的技术缺陷，提供一种能够根据水量、水压的需求随时调节，高效节能降碳的水泵智能控制方法。主要包括：工控主机、路由器、变频器、供水泵、可远程通信的流量计，用水管网。
本发明的目的：是解决供水管网系统流量、压力随机变化，所需水泵扬程和流量按需供给、没有超压供水造成能源浪费的技术难题。难点在于：实现水泵随时按需供水，既满足供水需求，又不存在能源浪费。
离心水泵的扬程—流量曲线公式为：
是一条向下凹的递减曲线。而管网系统的水压—流量特性曲线为：/>
，是一条向上凹的递增曲线。其中：/>
为水泵扬程，/>
为管网系统的水压，a、b、c是不同水泵性能曲线的模拟参数；
为管网系统的静水压，Q为流量。
实际供水过程中，为了同时满足水量、水压的需求，往往是超量供水，见图2的水泵供水曲线1。现用的变频调速恒压供水技术，在满足恒定供水压力（见图2的5）的情况下，通过减小水泵转速（见图2的2，3），在满足恒定供水压力的情形下，利用比例定律
能耗与供水曲线1的相比已大幅下降。但是，由于无法满足设定的恒定供水压力，满足管网需求的图2中供水曲线6的低转速运行工况，是无法实现的。鉴于以上难点及原因，提出了本发明。其中：/>
为水泵的轴功率，/>
为水泵电机的转速。
本发明更加详细的技术内容与实施方法如下：
（1）收集供水系统（包括水泵及其管网）的竣工图及其设计参数，包括但不限于水泵参数，水泵安装高度、吸水池设计水位，水泵进出水管径、长度、弯头及三通等数量及其参数，每个用水点的标高、用水量及其最低工作压力，管道管材和管道长度等。
（2）收集所选供水水泵的出厂性能试验检测数据，包括但不限于不同工况下的流量，扬程，水功率，输入功率，工作电压，工作电流，电流频率，电机转速，水泵效率等参数。
（3）利用比例定律，计算水泵不同转速下对应的流量，扬程，绘制H-Q曲线；如下以多级离心泵为例，绘制如下扬程（H)-流量（Q)图谱，输入工控主机。
（4）利用海曾-威廉公式（
），设计不同流量，不同管长、管径，不同管材，对应的管道沿程水头损失计算模型Mod/>
。海曾-威廉公式中：q为设计流量，Ch为海曾-威廉系数，其与管道材质有关，dj 为管道计算内径，l为计算管长。
（5）利用公式
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；式中：/>
为管道沿程水头损失，/>
为管件局部损失系数之和，/>
为流速。
（6）在供水管网的主要分支节点1处，增加可远程通信的流量计，并对其编号为Q1，按照竣工图，对自水泵出口至流量计Q1处的不同管段分别编号，为1、2、……k，长度分别为L1、L2、……Lk，输入其管道内径分别为d1、d2、……dk，并对k个管段进行管材匹配，输入Q1处的标高及最低工作水头，输入连接L1、L2、……Lk管段的弯头管件参数及编号；
（7）在供水管网的主要分支节点2处，重复第（6）步，与（6）中相同管段和管件的编号必须唯一，不得重复和矛盾；
（8）按照第（7）的方法，对供水管网中的n个主要分支节点增设可以远程通信的流量计，其编号为Qi（其中：3≤i≤n），进行流量计、管段、管件的编号，建立输入数据库。
（9）当s个（0<s≤n）用水节点有出流量时，其对应x（x≤s）个流量计会有数据显示，并通过路由器传输至工控主机，工控主机中的Mod
和Mod/>
启动，开始模拟计算；计算时，相同编号的管段和管件，其流量进行叠加，最终计算出不同流量计节点处对应的沿程水头损失Hy和局部水头损失Hj；利用数据库中的对应数据，计算不同流量计节点处对应的静压水头Hz，并与其需要的工作水头Hx相匹配；不同流量计节点处，以上四个水头相加和Hy+Hj+Hz+Hx，即可得到输出数据库；选择计算结果最大水头Hmax，作为水泵的运行扬程；将X个流量计的流量进行加和，所得到的流量值Qmax作为水泵的运行流量；
（10）在工控主机的水泵H-Q图谱中，以Qmax为横坐标，以Hmax为纵坐标，精确查找Qmax，Hmax的坐标点，其对应的转速，利用
计算电流频率；工控主机将计算所得的电流频率数值通过路由器，传输给水泵的变频器，水泵电机按照变频器的指令进行运转，实现变频控制，满足管网系统的流量和水头需求，并达到节能降碳的运行目的；其中/>
为电流频率/>
为电机转速/>
为电机旋转磁场的极对数。
本发明公开的基于需求反馈的水泵智慧运行方法与现有恒压变频调节技术相比，所具有的积极效果在于：前者在后者的基础上，减少了预设超量压力导致的能源浪费，可以最大限度的实现节能降碳。水泵供能够按用水管网的需求，进行实时进行调节，减少了超量供应存在的能源浪费。
附图说明
图1为基于需求反馈的水泵智慧运行方法的流程图；
图2为离心水泵和供水管网的扬程（压力）-流量曲线图；其中1为离心水泵转速为n0时的扬程-流量曲线，2为离心水泵转速为n1（n0>n1）时的扬程-流量曲线，3为离心水泵转速为n2（n1>n2）时的扬程-流量曲线，4为供水管网系统压力流量需求关系曲线，5为变频离心水泵设置的恒定供水压力，压力-流量曲线，6为离心水泵转速为n3（n2>n3）时的扬程-流量曲线；
图3为工控主机中某水泵H-Q图谱；
图4为实施例2配水系统图。
具体实施方式
下面通过具体的实施方案叙述本发明。除非特别说明，本发明中所用的技术手段均为本领域技术人员所公知的方法。另外，实施方案应理解为说明性的，而非限制本发明的范围，本发明的实质和范围仅由权利要求书所限定。对于本领域技术人员而言，在不背离本发明实质和范围的前提下，对这些实施方案中的物料成分和用量进行的各种改变或改动也属于本发明的保护范围。本发明所用原料及试剂均有市售。
实施例1
一种基于需求反馈的水泵智慧运行方法：
（1）收集供水系统的竣工图及其设计参数，每个用水点的标高、用水量及其最低工作压力，管道管材和管道长度；
（2）收集所选供水水泵的出厂性能试验检测数据，包括不同工况下的流量，扬程，水功率，输入功率，工作电压，工作电流，电流频率，电机转速，水泵效率参数；
（3）利用比例定律，计算水泵不同转速下对应的流量，扬程，绘制H-Q曲线；
（4）利用海曾-威廉公式（
），设计不同流量，不同管长、管径，不同管材，对应的管道沿程水头损失计算模型Mod/>
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海曾-威廉公式中：q为设计流量，Ch为海曾-威廉系数，其与管道材质有关，dj为管道计算内径，l为计算管长；
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（6）在供水管网的主要分支节点1处，增加可远程通信的流量计，并对其编号为Q1，按照竣工图，对自水泵出口至流量计Q1处的不同管段分别编号，为1、2、……k，长度分别为L1、L2、……Lk，输入其管道内径分别为d1、d2、……dk，并对k个管段进行管材匹配，输入Q1处的标高及最低工作水头，输入连接L1、L2、……Lk管段的弯头管件参数及编号；
（7）在供水管网的主要分支节点2处，重复第（6）步，与（6）中相同管段和管件的编号必须唯一，不得重复和矛盾；
（8）按照第（7）的方法，对供水管网中的n个主要分支节点增设可以远程通信的流量计，其编号为Qi（其中：3≤i≤n），进行流量计、管段、管件的编号，建立输入数据库。
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（10）在工控主机的水泵H-Q图谱中，以Qmax为横坐标，以Hmax为纵坐标，精确查找Qmax，Hmax的坐标点，其对应的转速，利用
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为电机旋转磁场的极对数。
实施例2
实际应用例子
某21层办公楼，采用分区供水，13层到21层为高区，13层的地面标高为55.4m，以上每层的层高为4m，21楼的顶层有消防水箱，其有效水深为4m。所选供水泵为轻型立式多级离心泵，水泵额定流量Q=20m3/h，额定扬程为H=106m，额定功率P=11kW。水泵房位于地下一层，集水箱的最低运行水位为-4m，水泵出水管为DN100的薄壁不锈钢管，配水系统图见图4。智能控制实现方法：
（1）工控主机输入所选水泵的扬程（H)-流量（Q)图谱，沿程水头损失计算模型Mod
以及局部水头损失计算模型Mod/>
。
（2）根据竣工图，将13层至屋顶的所有支管的可远程通信流量计均进行编号（Q1~Q10），输入每个流量计对应的标高、最低工作水头。
（3）将自水泵至屋顶的所有给水干管均进行编号（L1~L10），13层至屋顶的所有分支节点至流量计的配水支管均进行编号（LZ1~LZ10），所有管段均对应输入管径，管长，材质，及其管件种类和数量。
（4）以上所有数据，形成对应的输入数据库，并存入工控主机。
（5）当管网系统中i个（0<i≤10）用水节点有出流量时，其对应i个流量计会有数据显示，并通过路由器传输至工控主机，工控主机中的Mod
和Mod/>
启动，开始模拟计算Hy和Hj；同时利用输入数据库中的对应数据，计算Hz和Hx相匹配，得到输出数据库。输出数据库中包含i个不同的扬程和i个流量数据，选择最大扬程的作为水泵的运行扬程Hmax，选择i个流量之和作为水泵的运行流量Qmax。
（6）情况1：当13层、15层、16层、屋顶均有流量出流时，Q1、Q3、Q4、Q10、显示数值分别为：0.7L/s、0.2L/s、0.2L/s、1L/s。以上流量数据通过路由器传输，工控主机计算最终确定Hmax=102.1m，Qmax=7.56m3/h。工控主机与所选水泵的H-Q图谱进行对比，最终确定水泵的运行频率f=47.25Hz，轴功率N=5.4kW。若采用恒压变频调节技术，满足屋顶供水的需求，水泵的运行功率为f=49Hz，轴功率N=6.0kW。可见，前者比后者节约能耗约10%。
（7）情况2：当13层、15层、16层均有流量出流时，Q1、Q3、Q4显示数值分别为：0.7L/s、0.2L/s、0.2L/s。以上流量数据通过路由器传输，工控主机计算最终确定Hmax=78.0m，Qmax=3.96m3/h。工控主机与所选水泵的H-Q图谱进行对比，最终确定水泵的运行频率f=41Hz，轴功率N=3.7kW。若采用恒压变频调节技术，满足屋顶供水的需求，水泵的运行功率为f=46.5Hz，轴功率N=4.7kW。可见，前者比后者节约能耗约21.3%。
Claims (2)
1.一种基于需求反馈的水泵智慧运行方法，其特征在于按如下的步骤进行：
（1）收集供水系统的竣工图及其设计参数，每个用水点的标高、用水量及其最低工作压力，管道管材和管道长度；
（2）收集所选供水水泵的出厂性能试验检测数据，包括不同工况下的流量，扬程，水功率，输入功率，工作电压，工作电流，电流频率，电机转速，水泵效率参数；
（3）利用比例定律，计算水泵不同转速下对应的流量，扬程，绘制H-Q曲线；
（4）利用海曾-威廉公式
设计不同流量，不同管长、管径，不同管材，对应的管道沿程水头损失计算模型Mod/>
；
海曾-威廉公式中：
为管道沿程水头损失，/>
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为管道计算内径，/>
为计算管长；
（5）利用公式
设计不同管径、不同管件的局部水头损失计算模型Mod/>
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为管道沿程水头损失，/>
为管件局部损失系数之和，/>
为流速；
（6）在供水管网的主要分支节点1处，增加可远程通信的流量计，并对其编号为Q1，按照竣工图，对自水泵出口至流量计Q1处的不同管段分别编号，为1、2、……k，长度分别为L1、L2、……Lk，输入其管道内径分别为d1、d2、……dk，并对k个管段进行管材匹配，输入Q1处的标高及最低工作水头，输入连接L1、L2、……Lk管段的弯头管件参数及编号；
（7）在供水管网的主要分支节点2处，重复第（6）步，与（6）中相同管段和管件的编号必须唯一，不得重复和矛盾；
（8）按照第（7）的方法，对供水管网中的n个主要分支节点增设可以远程通信的流量计，其编号为Qi，其中：3≤i≤n，进行流量计、管段、管件的编号，建立输入数据库；
（9）当s个（0<s≤n）用水节点有出流量时，其对应x（x≤s）个流量计会有数据显示，并通过路由器传输至工控主机，工控主机中的Mod
和Mod/>
启动，开始模拟计算；计算时，相同编号的管段和管件，其流量进行叠加，最终计算出不同流量计节点处对应的沿程水头损失Hy和局部水头损失Hj；利用数据库中的对应数据，计算不同流量计节点处对应的静压水头Hz，并与其需要的工作水头Hx相匹配；不同流量计节点处，以上四个水头相加和Hy+Hj+Hz+Hx，即可得到输出数据库；选择计算结果最大水头Hmax，作为水泵的运行扬程；将X个流量计的流量进行加和，所得到的流量值Qmax作为水泵的运行流量；
（10）在工控主机的水泵H-Q图谱中，以Qmax为横坐标，以Hmax为纵坐标，精确查找Qmax，Hmax的坐标点，其对应的转速，利用
计算电流频率；工控主机将计算所得的电流频率数值通过路由器，传输给水泵的变频器，水泵电机按照变频器的指令进行运转，实现变频控制，满足管网系统的流量和水头需求，并达到节能降碳的运行目的；其中：/>
为电流频率，/>
为电机转速，/>
为电机旋转磁场的极对数。
2.权利要求1所述基于需求反馈的水泵智慧运行方法在水泵供水按用水管网的需求实时调节、减少超量供应、节能降碳方面的应用。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310135013.9A CN116378972A (zh) | 2023-02-20 | 2023-02-20 | 一种基于需求反馈的水泵运行方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310135013.9A CN116378972A (zh) | 2023-02-20 | 2023-02-20 | 一种基于需求反馈的水泵运行方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116378972A true CN116378972A (zh) | 2023-07-04 |
Family
ID=86977726
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310135013.9A Pending CN116378972A (zh) | 2023-02-20 | 2023-02-20 | 一种基于需求反馈的水泵运行方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116378972A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116877405A (zh) * | 2023-09-08 | 2023-10-13 | 中国建筑设计研究院有限公司 | 基于阻力损失的多恒压变频供水控制方法、装置、设备及介质 |
-
2023
- 2023-02-20 CN CN202310135013.9A patent/CN116378972A/zh active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116877405A (zh) * | 2023-09-08 | 2023-10-13 | 中国建筑设计研究院有限公司 | 基于阻力损失的多恒压变频供水控制方法、装置、设备及介质 |
| CN116877405B (zh) * | 2023-09-08 | 2023-12-19 | 中国建筑设计研究院有限公司 | 基于阻力损失的多恒压变频供水控制方法、装置、设备及介质 |
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