CN217582461U - 一种水泵节能控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种水泵节能控制系统，包括：水泵；液位传感器，设置于所述水泵抽水的水池和/或出水的水池；水流量传感器，设置于所述水泵的进水口和/或出水口；变频变压装置，用于调节所述水泵的工作电压的幅值和频率改变所述水泵的转速；水泵控制装置，内部存储水泵的性能测试数据，用于根据液位传感器及流量传感器采集的信息控制所述变频变压装置改变所述水泵的转速。本实用新型的水泵节能控制系统，通过实时监测工况需求，控制水泵在最低的能耗状态下运转，达到节能的目的，通过出水口位置调节装置更进一步地解决出水水池内水位的上升对水泵的出水口的水压的增加，而造成能耗增加的技术问题。

Description

一种水泵节能控制系统

技术领域

本实用新型涉及控制系统技术领域，特别涉及一种水泵节能控制系统。

背景技术

目前，水泵一般是按供水系统设计时最大工况需求来考虑，而用水系统实际使用中有很多时间不一定能达到用水最大量，在泵站或泵组的运行状态情况下，由于水泵的安全余量设置，使水泵不能在最佳的运行能效点上运行，达不到节能的目的。

现有已授权专利CN208669564U公开了一种水泵节能控制系统，包括：水泵；液位传感器，设置于所述水泵抽水的水池和/或出水的水池；水流量传感器，设置于所述水泵的进水口和/或出水口；变频变压装置，用于调节所述水泵的工作电压的幅值和频率改变所述水泵的转速；水泵控制装置，与所述变频变压装置、水流量传感器和液位传感器连接，用于根据所述液位传感器及水流量传感器采集的信息控制所述变频变压装置改变所述水泵的转速。但是其并未考虑出水水池内水位的上升对水泵的出水口的水压的增加对能耗增加的问题。

实用新型内容

本实用新型提供一种水泵节能控制系统，用以解决出水水池内水位的上升对水泵的出水口的水压的增加，而造成能耗增加的技术问题。

本实用新型提供的水泵节能控制系统，包括：水泵、液位传感器、变频变压装置和水泵控制装置；

液位传感器设置于水泵抽水的水池和/或出水的水池；

水流量传感器设置于水泵的进水口和/或出水口；

变频变压装置用于调节水泵的工作电压的幅值和频率改变水泵的转速；

水泵控制装置分别与变频变压装置、水流量传感器和液位传感器连接，内部存储水泵的性能测试数据，用于根据液位传感器及流量传感器采集的信息控制变频变压装置改变水泵的转速，还包括：

出水口位置调节装置，用于调节水泵的出水口在出水的水池内的位置。

可选的，水泵控制装置包括：

转速校核模块，用于确定水泵的转速允许范围；

比能最低时转速确认模块，用于计算在水泵的转速允许范围内比能的最小值及此时的水泵转速；

功率校核模块，用于核校最小比能时水泵的功率是否在水泵的最大允许功率和最小允许功率之间，若功率超过水泵的最大允许功率，则降低转速，直至功率不超过水泵的最大允许功率；

流量范围校核模块，用于核校最小比能时水泵流量是否在水泵最大允许流量和水泵最小允许流量之间，若流量超出水泵的最大允许流量，则调节转速，直至流量不超出水泵的最大允许流量；

工艺校核模块，用于核校最小比能时水泵流量是否满足工艺需求，若流量低于工艺需求，则增加转速，直至满足工艺需求。

可选的，出水口位置调节装置包括：

至少一个竖直设置的导柱，导柱一端与出水的水池的池底固定连接；

出水设置平台，滑动设置在导柱上；

出水管路，一端与设置在出水的水池的进水口连通，一端与设置在出水设置平台的底端面的进水口连通；

其中，出水设置平台为具有浮力的材料制成且出水设置平台表面设置有多个与出水管路连通的出水口。

本实用新型提供的水泵节能控制系统，采用具有浮力的出水设置平台，实现了根据出水的水池中的液位的高度调节实际出水位置，以解决出水水池内水位的上升对水泵的出水口的水压的增加，而造成能耗增加的技术问题。

本实用新型的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中：

图1为本实用新型实施例中一种水泵节能控制系统的示意图；

图2为本实用新型实施例中一种出水口位置调节装置的示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

本实用新型实施例提供了一种水泵节能控制系统，如图1和图2所示，包括：水泵10；

液位传感器20，设置于水泵10抽水的水池和/或出水的水池；

水流量传感器30，设置于水泵10的进水口和/或出水口；

变频变压装置40，用于调节水泵10的工作电压的幅值和频率改变水泵的转速；变频变压装置包括变频器和变压器。

水泵控制装置50，与变频变压装置40、水流量传感器30和液位传感器20连接，水泵控制装置50包括存储器，存储器内部预先存储水泵的测试数据，用于根据液位传感器20及水流量传感器30采集的信息控制变频变压装置40改变水泵10的转速，用于根据液位传感器20和水流量传感器30采集的信息确认出工况需求流量，还包括：

出水口位置调节装置，用于调节水泵的出水口在出水的水池内的位置。

上述水泵节能控制系统节能系统的工作原理：

当水泵作为排水泵时，它的作用是抽去上游水池中的水，保证上游水池的水位高度不超过目标高度，可定义为“高”水位设定值。水泵控制装置通过安装在上游水池的液位传感器监测上游水池的水位高度。当上游水池的水位不超过“高”水位设定值时，水泵控制装置在水泵的允许工作流量范围(通常是不使水泵产生损坏的流量范围)内，通过本专利所描述的方法，找到使水泵的传输效率最高的流量，并通过变频变压装置改变水泵的转速，使水泵工作在这个传输效率最高的流量上，从而达到节能的目的。当上游水池的水位超过“高”水位设定值时，就表明水泵的流量已低于工艺需求流量，水泵控制装置通过变频变压装置提高水泵转速，提高水泵的工作流量，使上游水池的水位保持在不超过“高”水位设定值。虽然此时水泵的传输效率已偏离最高效率，但工艺需求优先于节能需求。

当水泵作为给水泵时，它的作用是补充下游水池中的水，保证下游水池的水位高度不低于目标高度，可定义为“低”水位设定值。水泵控制装置通过安装在下游水池的液位传感器监测下游水池的水位高度。当下游水池的水位不低于“低”水位设定值时，水泵控制装置在水泵的允许工作流量范围(通常是不使水泵产生损坏的流量范围)内，通过本专利所描述的方法，找到使水泵的传输效率最高的流量，并通过变频变压装置改变水泵的转速，使水泵工作在这个传输效率最高的流量上，从而达到节能的目的。当下游水池的水位低于“低”水位设定值时，就表明水泵的流量已低于工艺需求流量，水泵控制装置通过变频变压装置提高水泵转速，提高水泵的工作流量，使下游水池的水位保持在不低于“低”水位设定值。虽然此时水泵的传输效率已偏离最高效率，但工艺需求优先于节能需求。

本水泵节能控制系统，通过实时监测工况需求，控制水泵在最低的能耗状态下运转，达到节能的目的。

在此基础上，出水口的位置在出水水池内的设置也是影响水泵能耗的因数，例如：将出水口设置在出水的水池的水底，具有保证出水的势能的最低，但是其出水时容易随着水位升高，水的压力具有反推作用，提高了水泵的能耗，通过出水口位置调节装置，调节水泵的出水口在出水的水池内的位置，使出水口一直在出水的水池的液位面附近，避免了固定的出水口设置时出水的水池内水体对出水口的压力，进一步降低了水泵的能耗。

水泵的单位输送水能耗，即比能(E_s)的定义如下：

E：系统总能耗

V：总输送水体积

P：水泵平均功率

Q：水泵平均流量

T：总输送时间

由上式可得到瞬时比能公式：

p：水泵功率

q：水泵流量

水泵控制装置通过检测水泵的瞬时电流得出水泵功率p，通过水流量传感器检测水泵流量q，即可得出瞬时比能e_s。

对于一台已确定的水泵，我们通过测试额定转速下的水泵性能，得到额定转速下水泵性能关系式：

h＝f₁(q),n＝N时 式1

p＝f₂(q),n＝N时 式2

q：水泵流量

h：水泵扬程

p：水泵功率

n：水泵转速

N：水泵额定转速

当水泵的转速变化时，我们通过测试不同转速下的水泵性能，得到变转速下的水泵性能关系式：

h＝f₃(q,n),0<n<N 式3

p＝f₄(q,n),0<n<N 式4

对于一个实际的水泵输送系统，水泵的实际扬程取决于管路系统特性，即

h＝H₀+Kq² 式5

H₀：静扬程，即水位差。

K：决定水头损失(即局部水头损失和沿程水头损失)的常数，是与管道特性有关的静态参数。

H₀和K的值可以通过以下方法得到：

在80％的转速下运行水泵(即n＝0.8N)，得到水泵的流量q_0.8和扬程h_0.8。

在100％的转速下运行水泵(即n＝N)，得到水泵的流量q₁和扬程h₁。

根据式5，列方程组：

解如上方程组，得到H₀和K。

由式3和式5，得等式：

f₃(q,n)＝H₀+Kq² 式6

根据式6，可以得到q与n的关系式：

q＝f₅(n) 式7

将式7代入式4，可得到p与n的关系式：

p＝f₄[f₅(n),n] 式8

将式8和式7代入式0，可得到比能与n的关系式：

由式9可知，最低比能控制即寻找使比能最低的水泵转速的过程。

式0至式9中，f₁()～f₆()是利用最小二乘法，

如{h,q}＝{{1,2},{2,4},{3,7}…}进行拟合，生成一个n次多项式(我们通常取n＝5)。因此，f₁()～f₆()其实就是5次多项式。

可选的，水泵控制装置包括：

转速校核模块，用于确定水泵的转速允许范围；水泵转速应满足：

N_min≤n≤N_max

其中，n代表水泵转速，N_min及N_max分别代表水泵最小转速和水泵最大转速；

比能最低时转速确认模块，用于计算在水泵的转速允许范围内比能的最小值及此时的水泵转速；

e_s0＝min(e_s)

其中e_s0表示最小比能，n₀表示最小比能时的水泵转速，e_s为水泵的瞬时比能，f₆ ^-1为式9的反函数；

功率校核模块，用于核校最小比能时水泵功率是否在水泵的最大允许功率和最小允许功率之间，水泵允许功率范围即水泵的最小允许功率至水泵的最大允许功率之间；若功率超过水泵的最大允许功率，则降低转速，直至功率不超过水泵的最大允许功率；算法如下：

While(p＝f₄(q,n₀)>P_max AND n₀>N_min)Do

{n₀＝n₀-1；}

其中，p表示功率，P_max代表最大功率，n₀代表最小比能时水泵转速，N_min代表水泵最小转速；

流量范围校核模块，用于核校最小比能时水泵流量是否在水泵的最大允许流量和最小允许流量之间，若流量超出水泵的最大允许流量，则调节转速，直至流量不超出水泵的最大允许流量；若流量低于最小允许流量，则调节转速，直至流量高于或等于最小允许流量；算法如下：

While(q＝f₅(n₀)＞Q_maxANDn₀＞N_min)Do

{n₀＝n₀-1；}

While(q＝f₅(n₀)＜Q_minANDn₀＜N_max)Do

{n₀＝n₀+1；}

其中，q代表最小比能时水泵流量，Q_max代表最大允许流量，n₀代表最小比能时水泵转速，Q_min代表最小允许流量，N_min代表水泵最小转速，N_max代表水泵最大转速；

工艺校核模块，用于核校最小比能时水泵流量是否满足工艺需求，若流量低于工艺必需流量，则增加转速，直至流量满足工艺需求；算法如下：

While(q＝f₅(n₀)＜q_rANDn₀＜N_max)Do

{n₀＝n₀+1；}

其中，q代表最小比能时水泵流量，q_r代表工艺必需流量，n₀代表最小比能时水泵转速，N_max代表水泵最大转速。

对于排水泵，工艺必需流量通常是上游来水流量，反映在上游水箱或水池的液位变化上，若液位上升超过目标水位，表明排水流量低于工艺必需流量；若液位下降或不变，表明排水流量满足工艺必需流量。对于给水泵，工艺必需流量通常是下游用水流量，反映在下游水箱或水池的液位变化上，若液位上升或不变，表明给水流量满足最低工艺必需流量，满足工艺需求；若液位下降低于目标水位，表明给水流量低于工艺必需流量，工艺必需流量等同于工况需求流量。

通过水泵控制装置的比能最低时转速确认模块确定出在转速允许范围内的比能最低转速，通过功率校核模块、流量范围校核模块和工艺校核模块对比能最低转速进行调校，使其符合实际情况，通过变频变压装置改变水泵的转速，使水泵转速等于调校后的比能最低转速。这样就实现通过实时监测工况需求，使水泵在最佳的运行能效点上运行，达到节能的目的。另外，当水泵工作时，其参数在功率允许范围、流量允许范围和转速允许范围内时，但无法满足工艺需求时，此时需更换性能更好的水泵；功率校核正确后，因为流量范围校核又提高了转速，导致功率超出最大允许功率，此时需更换性能更好的水泵。

多台水泵并联运行时，可将多台水泵视作一台相当于多台水泵流量叠加、扬程不变的水泵，同样可以适用本水泵节能控制系统。

在一个实施例中，水泵控制装置包括：

转速校核模块，用于确定水泵的转速允许范围；

比能最低时转速确认模块，用于计算在水泵的转速允许范围内比能的最小值及此时的水泵转速；

功率校核模块，用于核校最小比能时水泵的功率是否在水泵的最大允许功率和最小允许功率之间，若功率超过水泵的最大允许功率，则降低转速，直至功率不超过水泵的最大允许功率；

流量范围校核模块，用于核校最小比能时水泵流量是否在水泵最大允许流量和水泵最小允许流量之间，若流量超出水泵的最大允许流量，则调节转速，直至流量不超出水泵的最大允许流量；

工艺校核模块，用于核校最小比能时水泵流量是否满足工艺需求，若流量低于工艺需求，则增加转速，直至满足工艺需求。

在一个实施例中，如图2所示，出水口位置调节装置包括：

至少一个竖直设置的导柱1，导柱1一端与出水的水池的池底固定连接；

出水设置平台2，滑动设置在导柱1上；

出水管路3，一端与设置在出水的水池的进水口连通，一端与设置在出水设置平台2的底端面的进水口连通；

其中，出水设置平台2为具有浮力的材料制成且出水设置平台2表面设置有多个与出水管路3连通的出水口4。

上述技术方案的工作原理及有益效果为：

出水设置平台2为具有浮力的材料制成，例如：轻质塑料内填充泡沫材料；出水设置平台2在导柱1上可以上下滑动，实现出水设置平台2一直漂浮与水池的水体表面，通过出水管路3将底端面的出水引导到水体表面。

显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (3)

1.一种水泵节能控制系统，包括：水泵、水流量传感器、液位传感器、变频变压装置和水泵控制装置；

所述液位传感器设置于所述水泵抽水的水池和/或出水的水池；

所述水流量传感器设置于所述水泵的进水口和/或出水口；

所述变频变压装置用于调节所述水泵的工作电压的幅值和频率改变所述水泵的转速；

所述水泵控制装置分别与所述变频变压装置、水流量传感器和液位传感器连接，内部存储水泵的性能测试数据，用于根据所述液位传感器及流量传感器采集的信息控制所述变频变压装置改变所述水泵的转速，其特征在于，

还包括：

出水口位置调节装置，用于调节所述水泵的出水口在所述出水的水池内的位置。

2.如权利要求1所述的水泵节能控制系统，其特征在于，所述水泵控制装置包括：

转速校核模块，用于确定水泵的转速允许范围；

比能最低时转速确认模块，用于计算在水泵的转速允许范围内比能的最小值及此时的水泵转速；

功率校核模块，用于核校最小比能时水泵的功率是否在水泵的最大允许功率和最小允许功率之间，若功率超过水泵的最大允许功率，则降低转速，直至功率不超过水泵的最大允许功率；

流量范围校核模块，用于核校最小比能时水泵流量是否在水泵最大允许流量和水泵最小允许流量之间，若流量超出水泵的最大允许流量，则调节转速，直至流量不超出水泵的最大允许流量；

工艺校核模块，用于核校最小比能时水泵流量是否满足工艺需求，若流量低于工艺需求，则增加转速，直至满足工艺需求；

其中，比能为单位输送水能耗，所述比能的数值为系统总能耗与总输送水体积的比值。

3.如权利要求1所述的水泵节能控制系统，其特征在于，所述出水口位置调节装置包括：

至少一个竖直设置的导柱，所述导柱一端与所述出水的水池的池底固定连接；

出水设置平台，滑动设置在所述导柱上；

出水管路，一端与设置在所述出水的水池的进水口连通，一端与设置在所述出水设置平台的底端面的进水口连通；

其中，所述出水设置平台为具有浮力的材料制成且所述出水设置平台表面设置有多个与所述出水管路连通的出水口。

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