CN205677813U - 水泵变速节能动态控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型水泵变速节能动态控制系统属于水泵变速节能及相关控制技术，目的是根据水泵运行的特点，研究开发与水泵运行工况相适应的控制策略，以实现水泵动态速度控制，要点是研究净扬程的变化对流量与转速关系的影响，根据水泵变速运行工况的物理特性构建水泵通用速度特性曲线方程，采用以计算机工作站为基础组成的数据信息处理及控制装置，利用水泵系统变速动态控制器和调速装置，构成水泵变速节能动态控制系统，可广泛应用于新建或改造的各类水泵变速供水系统。

Description

水泵变速节能动态控制系统

技术领域

本实用新型属于水泵变速节能及相关控制技术。

背景技术

水泵用电量占全国总用电量的20％左右，水泵系统的节能对国家的节能减排政策的实施具有举足轻重的作用，因而水泵的节能一直作为重点研究的对象。

水泵与风机均属于平方转矩负荷设备，但两者也有某些不同，水泵系统通常存在净扬程，先天条件更为不利，所以在变速节能控制方面比风机系统更为复杂。

水泵系统存在净扬程时，在变速过程中比例定律已不适用。如何进行水泵变速控制，现有技术还没有理想答案。目前很多的水泵变速节能应用中，人们还是习惯性地按照比例定律来对变速节能系统进行分析、计算、控制及评价，结果造成与实际运行数据有较大差异。

由于没有变速节能动态控制方法，现有技术在水泵变速节能应用中更多的是依赖经验，多采用所谓变压控制技术，结果是在变速节能的深度和广度方面都损失了不少的空间。

关于水泵变速节能动态控制系统还未见到公开发表的出版物、文献或资料。

本实用新型所述水泵系指叶片泵及与叶片泵特性接近的泵。

发明内容

本实用新型的目的是根据水泵运行的特点，研究开发与水泵运行工况相适应的控制策略，以实现水泵变速节能动态控制。

本实用新型的特征是水泵变速数据信息处理及控制装置[1]是水泵变速节能动态控制系统的核心，是以计算机工作站为基础组成的数字式装置，本身建有与变速动态控制有关的水泵特性曲线方程(1)式、管网特性曲线方程(2)式、通用速度特性曲线方程(7)式和(8)式的数学模型，并且实时从生产工艺主控制系统[2]获取生产运行联锁信息、设备状态信息及有关系统参数，实时从水泵系统变速动态控制器[3]获取各水泵系统的流量、压力、速度等信息，根据这些信息、有关系统参数及数学模型相关数据来确定各水泵的控制参数并输出给水泵系统变速动态控制器[3]；水泵系统变速动态控制器[3]由PLC(可编程序控制器)或其它数字式控制器组成，根据[1]的控制参数向1#～n#水泵调速装置[11]～[n1]输出速度设定值，此外实时采集1#～n#水泵系统的压力和流量信息，并传送给[1]水泵变速数据信息处理及控制装置；1#～n#水泵调速装置[11]～[n1]根据[3]的速度设定值对1#～n#水泵电机[12]～[n2]进行速度调节，对1#～n#水泵流量进行动态控制；1#～n#水泵系统压力检测器[13]～[n3]实时检测主管路压力，压力值送至水泵系统变速动态控制器[3]；1#～n#水泵系统流量检测器[14]～[n4]实时检测主管路流量，流量值送至水泵系统变速动态控制器[3]。

附图说明

附图1中1是水泵变速数据信息处理及控制装置，2是生产工艺主控制系统，3是水泵系统变速动态控制器，11是1#水泵调速装置，12是1#水泵电机，13是1#水泵系统压力检测器，14是1#水泵系统流量检测器，n1是n#水泵调速装置，n2是n#水泵电机，n3是n#水泵系统压力检测器，n4是n#水泵系统流量检测器。

附图2中1是净扬程H_st为0时的流量-速度关系曲线，2是净扬程H_st不为0时，且没有考虑随流量变化时水泵特性参数变化、管网特性参数变化影响时的流量-速度关系曲线，3是净扬程影响曲线，4是净扬程H_st不为0时，且考虑了随流量变化时水泵特性参数变化、管网特性参数变化影响时的流量-速度关系曲线。

具体实施方式

目前，在水泵的变速运行应用中，主要的理论依据是水泵特性曲线方程(1)式、管网特性曲线方程(2)式以及比例定律(3)、(4)、(5)式。

H₁＝aQ₁ ²+bQ₁+c (1)

H₁＝H_st+S_eQ₁ ² (2)

$\frac{Q_1}{Q_e}=\frac{n_1}{n_e}---\left(3\right)$

$\frac{H_1}{H_e}={\left(\frac{n_1}{n_e}\right)}^2---\left(4\right)$

$\frac{N_1}{N_e}={\left(\frac{n_1}{n_e}\right)}^3---\left(5\right)$

式中：

H₁：水系统当前扬程，m

a、b、c：常数

S_e：额定流量时的管网摩阻

n₁：水泵当前速度，rpm或Hz

Q₁：水泵当前流量，m³/s

Q_e：水泵额定流量，m³/s

H_e：水系统额定扬程，m

n_e：水泵额定转速，rpm或Hz

H_st：水系统净扬程，m

N₁：运行功率，kW

N_e：额定功率，kW

对于一台特定的水泵，a、b、c是根据水泵制造厂提供的出厂实验数据经拟合后得到的常数，其中c＝H_m(水泵全扬程，即流量Q＝0时的扬程)，所以(1)式是额定转速时的水泵特性曲线方程。当水泵变速运行时，根据相似定律，在速度为n₁时的水泵特性曲线方程为(6)式。

$H_1={{\mathrm{aQ}}_1}^2+b\left(\frac{n_1}{n_e}\right)Q_1+c{\left(\frac{n_1}{n_e}\right)}^2---\left(6\right)$

(2)式为管网特性曲线方程，式中的净扬程H_st等于0时是水泵系统管网特性曲线方程的特例。

实验和实践表明，当水泵系统的某些状况发生变化时，(3)式比例定律会发生较大变化。许多年来，国内外的大量文献对比例定律涉及的变化进行了实验和分析，积累了许多有益的技术数据，特别是获得了普遍性的认识，即由于水泵系统净扬程的存在，使比例定律至少在低速范围内不再适用，水泵消耗功率与水泵运行速度既不是(5)式的立方关系，也不是一次方关系，而是一种非线性关系。遗憾的是到目前为止还没有找到相应的描述这种关系的理论公式，目前的分析方法基本上是离线的图解方法和基于统计数据的回归方程计算方法，从实用角度看，目前还没有出现在线使用价值的计算方法。

本实用新型从水泵系统实际运行工况入手，详细分析了(3)式比例定律发生变化的原因，以及水泵运行工况发生变化后速度与流量的关系，构建了符合水泵变速运行时的通用速度特性曲线方程式(7)和式(8)，所谓通用速度特性曲线方程的含义是该方程不但适合于比例定律不成立的时候，也适合比例定律成立的场合。

$n_1=\left(\frac{Q_1}{Q_e}\right)n_e+n_c(1-\frac{Q_1}{Q_e})(1-k\frac{Q_1}{Q_e})---\left(7\right)$

$n_c=n_e\sqrt{\frac{H_{st}}{H_m}}---\left(8\right)$

式中：

k：工程系数，(0～1)

n_c：水泵变速临界转速，rpm或Hz

临界转速n_c由(2)式和(6)式联立求解得出。

$H_{st}+S_e{Q_1}^2={{\mathrm{aQ}}_1}^2+b\left(\frac{n_c}{n_e}\right)Q_1+c{\left(\frac{n_c}{n_e}\right)}^2---\left(9\right)$

在水泵变速运行时，临界转速n_c发生在流量Q₁等于0时，此时式(9)变为：

$\begin{array}{c}{H}_{st}=c{\left(\frac{n_c}{n_e}\right)}^2\\ n_c=n_e\sqrt{\frac{H_{st}}{c}}\end{array}---\left(10\right)$

式中c是水泵特性曲线方程(1)式中的常数项，等于水泵系统全扬程H_m，故得到临界转速n_c方程式为式(8)。

通用速度特性曲线方程式(7)构建过程如下：

根据比例定律式(3)，当净扬程H_st存在时，速度与流量的关系变为下式：

$\begin{array}{c}\frac{Q_1}{Q_e}=\frac{n_1-n_c}{n_e-n_c}\\ n_1=n_e\frac{Q_1}{Q_e}+n_c(1-\frac{Q_1}{Q_e})\end{array}---\left(11\right)$

式(11)由两部分组成，前一部分的曲线为附图2中曲线[1]的情况，速度与流量成正比，即净扬程H_st＝0的曲线，称为比例定律曲线；后一部分的曲线为附图2中曲线[3]，是一条起始于(0，n_c)，终点为(Q_e，0)的曲线，其物理意义是，当系统存在净扬程H_st时，随着流量Q从0变到额定流量Q_e，净扬程的影响在流量Q＝0时最大，随着流量的增加而减小，当流量达到额定流量Q_e时，其影响为0，将其称之为净扬程影响曲线。附图2中曲线[1]和曲线[3]叠加就得到曲线[2]，即式(11)所表达的曲线，该曲线说明了净扬程H_st对流量与速度关系的影响，此时的曲线是由比例定律曲线和净扬程影响曲线叠加而成的。这些曲线有助于直观的理解其物理意义，也有助于寻求修正这些曲线的方法，使之更接近实际的运行曲线。曲线[2]还不是真正意义上的流量与速度关系曲线，典型的流量与速度关系是由附图2中曲线[4]所表达的曲线，到目前为止的大量实验数据表明，流量与速度关系曲线是非线性曲线，而不是直线，实际运行的流量/速度点必然位于曲线[4]上或位于该曲线两侧附近的位置，所有流量/速度点必然位于由坐标(0，0)、(0，n_c)和(Q_e，n_e)所围成的区域内。理论上定性分析的结果是，式(11)是在未考虑净扬程对水泵特性参数变化影响及对管网特性参数变化影响时的情况，那么考虑这些影响后的速度特性方程应该是什么样的呢？这里引入工程系数k，采用一个含有工程系数k的因式(1-kQ₁/Q_e)来对式(11)的后一部分公式进行修正，构建了通用速度特性曲线方程式(7)。对于运行在特定环境下的任何一台水泵，因式(1-kQ₁/Q_e)综合考虑了在全流量范围内的净扬程对水泵特性参数变化影响及对管网特性参数变化影响时的因素，由改变该因式中的工程系数k来拟合出所使用水泵的通用速度特性曲线方程。

根据式(7)绘制的附图2中曲线[4]称为存在净扬程H_st时的典型的水泵流量与速度关系曲线，所谓典型在于，虽然水泵的类型、规格的不同会存在某些参数的差异，以及管网特性会存在某些差异，但泵的流量与速度特性曲线的变化范围和区间必定位于附图2中曲线[1]和曲线[2]所围定的范围和区间内，所不同的仅仅是不同水泵的特性曲线形状及其代表的量值会有些不同变化。

从附图2中曲线[4]可以看出，存在净扬程的系统，只要流量从额定流量减小，流量与速度的关系就开始偏离比例定律，只不过是在初始阶段偏离的比较小，然后随着流量的减少，曲线[4]和曲线[1]的距离逐渐加大。曲线变化说明，净扬程的大小直接影响全流量范围内的流量与速度关系偏离比例定律的程度。

水泵变速节能动态控制系统是通过附图1所示系统来实现的，附图1中[1]是水泵变速数据信息处理及控制装置，是基于通用速度特性曲线方程的水泵变速动态节能控制系统的核心，是以计算机工作站为基础组成的数字式装置，本身建有与水泵特性曲线方程(1)式、管网特性曲线方程(2)式、通用速度特性曲线方程(7)式和(8)式有关的数学模型，并且实时从生产工艺主控制系统[2]获取生产运行联锁信息、设备状态信息及有关系统参数，实时从水泵变速动态控制器[3]获取各个水泵系统的流量、压力、速度等信息，根据这些信息、有关系统参数及数学模型相关数据来确定各水泵的控制参数并输出给水泵系统变速动态控制器[3]；特别是通过通用速度特性曲线方程可以方便、准确地计算出净扬程存在时对应已知流量的速度值，然后输出给水泵系统变速动态控制器[3]，对水泵进行变速动态控制；水泵系统变速动态控制器[3]由PLC(可编程序控制器)或其它数字式控制器组成，根据[1]的控制参数向1#～n#水泵调速装置[11]～[n1]输出速度设定值，此外实时采集1#～n#水泵系统的压力和流量信息，并传送给[1]水泵变速数据信息处理及控制装置；1#～n#水泵调速装置[11]～[n1]根据[3]的速度设定值对1#～n#水泵电动机[12]～[n2]进行速度调节，对1#～n#水泵流量进行动态控制；[13]～[n3]是1#～n#水泵系统压力检测器，压力值送至水泵系统变速动态控制器[3]；[14]～[n4]是1#～n#水泵系统流量检测器，流量值送至水泵系统变速动态控制器[3]；采用这种系统实现了水泵系统的闭环动态连续控制。

实际的工程应用中，水泵变速节能动态控制系统也适用于进水、出水水池液位变化和向封闭容器给水等涉及净扬程变化的系统。这类系统的净扬程往往不是固定的常数，水池液位变化，净扬程即变化；封闭容器中的压力亦是净扬程的一部分，而封闭容器中的压力经常在一定范围内波动。

水泵变速节能动态控制系统采用通用速度特性曲线方程进行水泵变速速度计算，使水泵变速动态控制得以实施，可实现水泵的节能优化控制，将为水泵的变速节能应用开创全新的、广泛的视野和空间，在现有技术的基础上节能量将提高15％～40％。

水泵变速节能动态控制系统可广泛应用于新建或改造的各类水泵变速供水系统。

Claims (1)

1.一种水泵变速节能动态控制系统，其特征是水泵变速数据信息处理及控制装置(1)是水泵变速节能动态控制系统的核心，与生产工艺主控制系统(2)连接，实时获取生产运行联锁信息、设备状态信息及有关系统参数，与水泵系统变速动态控制器(3)连接，输出控制参数以及实时获取各水泵系统的流量、压力、速度等信息，水泵系统变速动态控制器(3)由PLC可编程序控制器或其它数字式控制器组成，输出与1#～n#水泵调速装置连接，输出速度设定值，此外与1#～n#水泵系统压力检测器和1#～n#水泵系统流量检测器连接，实时采集1#～n#水泵系统的压力和流量信息。