TW201928203A

TW201928203A - 泵送系統與其控制方法

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Publication number: TW201928203A
Application number: TW106144928A
Authority: TW
Inventors: 吳建興; 王彚喬
Original assignee: 吳建興
Priority date: 2017-12-20
Filing date: 2017-12-20
Publication date: 2019-07-16
Also published as: TWI657199B

Abstract

一種泵送系統，包含有一離心泵、一吸口壓力計、一出口閥以及一控制器。離心泵用以抽取一儲液槽之液體。吸口壓力計連接於該離心泵之一吸水口，用以測量該吸水口的吸口壓力值。出口閥連通於該離心泵之一出水口，用以控制該離心泵之出水量。控制器電性連接該吸口壓力計以及用以控制該出口閥，該控制器用以依據該吸口壓力值與一預設壓力值的關係來調整該出口閥的開度，進而連帶改變該離心泵的負載曲線。

Description

泵送系統與其控制方法

本發明係有關於一種泵送系統與控制方法，尤指一種具有離心泵的泵送系統與其控制方法。

壓艙水(Ballast water)，是現代船艦(貨輪、客船)等為了增加船體的重量以維持空載運時船體重心的穩定度而涉取的海水。因此，船上會配有抽水泵，以於船體需要增重時用來涉取海水，以及船體需要空間裝貨時用來將海水排放出去。傳統上，船艦上常見的抽水泵有離心泵(Centrifugal pump)、蒸氣驅動往復泵(steam drive reciprocating pump)、齒輪泵(Gear pump)、螺旋泵(Spiral pump)等。由於離心泵的成本較低且流量大，故一般大型的船艦多採用離心泵，以減少抽取作業的時間。

但離心泵在抽水的過程中，壓艙水不斷地被抽取會讓液面高度逐漸下降，這會使得液體的飽和蒸汽壓上升而增加發生氣蝕現象(Cavitation)的機率。在於，抽水時液體的速度和壓力是隨時間變化的，通常在離心泵之吸水口的壓力最低，壓力越低越容易吸液，但當該處壓力小於或等於輸送溫度下液體的飽和蒸汽壓時，液體將部分汽化，形成大量的蒸汽泡。這些氣泡會隨著管路進入離心泵中，由於氣泡進入離心泵時會因壓力的升高而產生破裂而急劇凝結，氣泡消失所產生的局部真空會使周圍的液體以極高的速度湧向原氣泡處，產生相當大的衝擊力，致使離心泵內的金屬表面腐蝕疲勞而受到破壞。

當氣蝕現象發生時，離心泵會產生噪音與震動，且材質損壞加速而縮短使用壽命，且離心泵的流量、揚程下降，嚴重者還會出現斷流無法正常運作的情況發生。

為了避免氣蝕的發生，船員需於抽水的過程中隨時監控離心泵。但人力監測難免產生疏漏，使得離心泵常因產生氣蝕而無法繼續抽水，不僅會對離心泵造成損傷，還會拖延排水的作業。並且，離心泵因氣蝕停止運轉時，壓艙水仍尚剩一定液位高度的水量，此時，則需再指派船員將離心泵關閉然後改以其他類型的泵，如齒輪泵或螺旋泵來繼續抽取剩下的壓艙水。但，齒輪泵與螺旋泵的設備成本較高，且流量遠不如離心泵，導致抽水的進度大幅落後。

由前述可知，目前船艦上在排放壓艙水的作業是非常耗費人力、設備與時間成本的一項作業。

緣是，創作人有鑑於此，秉持多年於相關行業之實際經驗，針對現有的缺失予以研究改良，提出一種泵送系統與其控制方法，以期能達到節省人力、設備與時間成本，實現更佳實用價值性之目的者。

本發明之主要目的在於提供一種泵送系統與其控制方法，尤指一種離心泵的泵送系統與其控制方法。

本發明提出一種泵送系統，其主要包含有一離心泵、一吸口壓力計、一出口閥以及一控制器。離心泵用以抽取一儲液槽之液體。吸口壓力計連接於該離心泵之一吸水口，用以測量該吸水口的吸口壓力值。出口閥連通於該離心泵之一出水口，用以控制該離心泵之出水量。控制器電性連接該吸口壓力計以及用以控制該出口閥。該控制器用以依據該吸口壓力值與一預設壓力值的關係來調整該出口閥的開度，進而連帶改變該離心泵的負載曲線。

本發明還提出一種泵送系統的控制方法，包含以下步驟：透過一控制器令一吸口壓力計量測該泵送系統之一離心泵的一吸水口的一吸口壓力值；以及透過該控制器依據該吸口壓力值與一預設壓力值的關係判斷是否調整連接該離心泵之一出水口的一出口閥的開度，以連帶調整該離心泵的負載曲線。

藉由本發明前述所提出的泵送系統與其之控制方法，由於控制器可依據離心泵之吸口壓力值與預設壓力值的關係來調整其出口閥的開度，藉此，可於抽取作業進行時動態地調整吸口壓力值進而連帶改變泵送系統的負載曲線，以讓離心泵得以持續運轉而不會發生氣蝕現象。因此，可避免傳統上離心泵容易產生氣蝕現象而損壞，以及需要改以其他成本較高且流量小的泵繼續抽水所產生的問題。也就是說，本發明的泵送系統與其之控制方法，可同時節省人力、設備與作業時間等成本。

以上之關於本揭露內容之說明及以下之實施方式之說明，係用以示範與解釋本發明之精神與原理，並且提供本發明之專利申請範圍更進一步之解釋。

以下在實施方式中詳細敘述本發明之詳細特徵以及優點，其內容足以使任何熟習相關技藝者，瞭解本發明之技術內容並據以實施，且根據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖式，任何熟習相關技藝者可輕易地理解本發明相關之目的及優點。以下之實施例係進一步詳細說明本發明之觀點，但非以任何觀點限制本發明之範疇。

為令本發明所運用之技術內容、創作目的及其達成之功效有更完整且清楚的揭露，茲於下詳細說明之，並請一併參閱所揭之圖式及圖號。如請參閱圖1，圖1係為本發明之泵送系統1的示意圖，其主要包含有一離心泵10、一進口閥20、一出口閥30、一開度偵測器40、一吸口壓力計50、一出口壓力計60與一控制器70。

離心泵10(Centrifugal pump)，具有一吸水口11與一出水口12，吸水口11可經由一管路連接到一儲液槽2內所儲存的液體(如油、壓艙水等)，但提醒的是，本發明並非以泵送系統1可連接之儲液槽的數量為限，實際上可依據需求經由管路連接至多個儲液槽，以同時對多個儲液槽進行抽液的作業。

離心泵10，其內部設置有葉輪(未繪示)可做高速轉動，以產生離心力，將儲液槽2的液體經由管路、吸水口11吸入葉輪之中央部位，葉輪的旋轉使得液體在流動過程中獲得動能而壓力上升且速度增加，最後高速的液體會由葉輪之外緣甩出進入逐漸向外擴展的蝸形外殼，最後經由出水口12排出，以達到輸送液體之目的。

進口閥20設置於離心泵10之吸水口11，可例如透過一閥門調整器調整其開度，管路經由進口閥20連通吸水口11，進口閥20可用以控制通過吸水口11的液體流量。但提醒的是，本發明並非以進口閥20的種類為限，只要是開度可被調整而得以控制通過離心泵10之吸水口11的流量的閥門均屬於本發明之範疇。

出口閥30設置於離心泵10之出水口12，可例如透過一閥門調整器(未繪示)調整其開度，進而控制通過出水口12的液體流量。但提醒的是，本發明並非以出口閥30的種類為限，只要是開度可被調整而得以控制通過離心泵10之出水口12的流量的閥門均屬於本發明之範疇。

開度偵測器40設置於出口閥30，可用以偵測該出口閥30的開度。但提醒的是，本發明並非以開度偵測器40的設計為限，只要是可量測出口閥30的開度的偵測器，均屬於本發明之範疇。

吸口壓力計50連接於離心泵10之吸水口11，用以測量該吸水口11處的吸口壓力值。但提醒的是，本發明並非以吸口壓力計50的設計為限，只要是可量測離心泵10之吸水口11的壓力計，均屬於本發明之範疇。

出口壓力計60連接於離心泵10之出水口12，用以測量該出水口12處的出口壓力值。但提醒的是，本發明並非以出口壓力計60的設計為限，只要是可量測離心泵10之出水口12的壓力計，均屬於本發明之範疇。

控制器70，電性連接前述的開度偵測器40、吸口壓力計50與出口壓力計60，以及電性連接前述出口閥30上的閥門調整器。控制器70內包含微處理器、軟體程式等，其可執行演繹，控制該閥門調整器，以及完成與該開度偵測器40、吸口壓力計50與出口壓力計60以及與泵送系統1相關之計算，且可用以控制、確認以及傳達這些參數。

控制器70可用以依據吸口壓力計50所量測吸水口11的吸口壓力值與離心泵10之一預設壓力值之間的關係來調整出口閥30的開度，進而連帶改變離心泵10的負載曲線，避免離心泵10產生氣蝕現象。

詳細來說，如圖2，為泵送系統1之性能曲線圖。當離心泵10安裝於泵送系統1時，泵送系統1的負載曲線與離心泵的揚程曲線的交點為離心泵的工作點，如圖2中的點A。然而，隨著儲液槽2的液體逐漸被抽取而使其水位逐漸下降，離心泵10的吸上高度L逐漸增加，這會使得泵送系統1的有效淨正吸水頭(Net Positive Suction Head Available，NPSHa)逐漸下降，若NPSHa下降至低於離心泵10之所需淨正吸水頭(Net Positive Suction Head Required，HPSHr)(即離心泵10本身設計時規定在當下輸送溫度下的飽和蒸汽揚程的最小允許值)，則會產生氣蝕現象。也就是說，當離心泵10之吸水口11的吸口壓力值下降至離心泵10的NPSHr(定義為一預設門檻值)時會產生氣蝕現象。

因此，當吸口壓力計50所量測之吸水口11的吸口壓力值下降時，控制器70則會令閥門調整器來調整出口閥30的開度，例如將出口閥30的開度調小，使得離心泵10的出口流量下降，由圖2可知，當出口流量下降時，排出壓力則上升，使得吸口壓力值再度上升，工作點會從前述點A轉為點B，以讓離心泵10仍可維持於穩定運轉而不會產生氣蝕現象。但提醒的是，為了避免控制器70於吸口壓力值下降時即調整出口閥30的開度，於此定義一預設壓力值，該預設壓力值大於前述的預設門檻值(即NPSHr)，且約為預設門檻值的1.25倍。舉例來說，當預設門檻值約為-0.5kg/cm² 時，預設壓力值則相應設定約為-0.6kg/cm² 。因此，當吸口壓力計50所量測之吸水口11的吸口壓力值達該預設壓力值時，控制器70才會開始令閥門調整器來調整出口閥30的開度。

請參閱下表，為發明人針對排量約為250m³ 的離心泵且搭配出口閥為蝶閥(Butterfly valve)的情況所做的實際量測數據。如表一，若在抽水的過程中都不調整出口閥30的開度，離心泵10會將儲液槽2之液體抽至液位高度約為0.29公尺(約為29公分)時產生氣蝕現象而停止運轉或空轉。相較於表二，本案的控制器70會根據吸口壓力值的下降而透過閥門調整器調整出口閥30的開度，或者說，控制器70會配合液位高度L的變化來調整出口閥30的開度，可將吸口壓力值提升而讓離心泵10持續維持於工作點而得以持續運轉，藉此，可進一步將液體抽至僅剩約9公分之液位高度。

由此可知，藉由本案前述的泵送系統，能避免離心泵常因發生氣蝕現象而停擺而造成設備損傷以及延長排水時間等的問題，還能省去人力持續監視離心泵是否產生氣蝕現象的不必要成本，以及避免人力操作所導致工作時間延長的問題發生。

此外，請復參圖1，本發明之泵送系統1還包含一使用者介面80，可用以與控制器70連線，以供使用者可於遠端隨時監控泵送系統1的情況。

另外，由於出口閥30的開度不能調節至完全關閉，這會造成排水堵塞的問題。因此，於本發明中，泵送系統1還包含一警報器90，電性連接控制器70。當開度偵測器40偵測出口閥30的開度達一開度底限值時，如出口閥30全開時的10%~15%時，控制器70則不再令閥門調整器調整出口閥30。此時，控制器70會令警報器90發出警示訊號，所述警示訊號可以為聲音或光，並可經由使用者介面80通知使用者。於另一種情況，當出口壓力計60偵測到出水口12的出口壓力值達一出口壓力底限值時(例如趨近於零)時，則代表儲液槽2內的液體近乎被抽空，此時控制器70則會令警報器90發出抽取完成訊號，所述抽取完成訊號可以為聲音或光，也可經由使用者介面80通知使用者。此時，使用者則可透過使用者介面80令控制器70來停止離心泵10的運轉。

以上為泵送系統1的介紹，接著，請接續參閱圖3，係為圖1之泵送系統的控制方法的示意圖，藉此將可更理解如何控制前述的泵送系統1。

首先，先提供如前述的泵送系統1，並開啟離心泵10以開始抽取儲液槽2的液體。在通常情況下，在開始抽取作業時，泵送系統的進口閥與出口閥的開度會調成全開，即泵送系統1的進口閥20與出口閥30的開度會於開始抽取作業時調成全開。

接著，執行步驟S100，透過控制器70令吸口壓力計50量測泵送系統1中離心泵10的吸水口11的吸口壓力值。

接著，將透過控制器70依據該吸口壓力值與預設壓力值的關係判斷是否調整連接該離心泵10的出水口12的出口閥30的開度，以連帶調整該離心泵10的負載曲線。詳細來說，於前述量測吸口壓力值的步驟(S100)後會接著執行步驟S200，透過控制器70判斷吸口壓力值是否小於等於預設壓力值，如前所述，預設壓力值設定上約為預設門檻值(即離心泵10之NPSHr)的1.25倍的數值。因此，若控制器70判斷吸口壓力值未達預設壓力值，代表吸口壓力值仍大於預設壓力值，即吸口壓力值尚未接近離心泵10之NPSHr且仍在可接受的程度。在此情況下，吸口壓力值尚不需要被調升，離心泵10仍可保持正常運轉，因此會透過控制器70繼續執行前述的步驟S100以持續量測吸口壓力值。

但隨著抽水的進行，液位高度L的下降會逐漸讓吸口壓力值下降，因此，另一方面，若控制器70判斷吸口壓力值小於或等於預設壓力值，代表吸口壓力值達到接近離心泵10之NPSHr的程度而有必要被調升。

在此情況下，會緊接著執行步驟S300，透過控制器70判斷連接於該出口閥30之開度偵測器40所偵測的出口閥30的開度是否小於等於開度底限值(如前述為出口閥30全開時的10%~15%)，這個步驟是為了確保在調小出口閥30的開度之前確認出口閥30是否仍有被調小的空間，以避免出口閥30的開度過小而對排水造成過大阻力而導致閥門壞損甚或爆裂的意外。

因此，若控制器70判斷開度偵測器40所偵測的出口閥30的開度尚未達開度底限值，代表出口閥30的開度具有可被調小的空間，此時則可進一步執行步驟S400，透過控制器70令閥門調整器來調小出口閥30的開度，其中，每次調整出口閥30的程度可依據實際需求而定，本發明並非以此為限。

另一方面，若控制器70判斷開度偵測器40所偵測的出口閥30的開度已達開度底限值，這時，控制器70則不會再令閥門調整器來調小出口閥30且會令警報器90發出警示訊號來通知使用者。在此情況下，將接著執行步驟S500，透過控制器70判斷連接於出口閥30之出口壓力計60所偵測的出口閥30的出口壓力值是否小於等於出口壓力底限值。若是，則代表儲液槽2的液體近乎被抽空，則執行步驟S600，透過控制器70來停止離心泵10，或令警報器90發出抽取完成訊號來通知使用者抽取作業已完成，至於執行控制器70在此步驟中執行停止離心泵10或令警報器90發出抽取完成訊號則可依據使用者需求調整，可同時執行也可僅僅執行其中一者。若否，則代表離心泵10仍在排水且儲液槽2的液體尚未被抽完，在此情況下，離心泵10可繼續運轉以抽水，且會透過控制器70再次執行步驟S100以繼續量測吸口壓力值，直到後續當控制器70判斷出口壓力值小於或等於出口壓力底限值。

且可理解的是，前述將出口閥30調小的步驟S400執行後，亦會接著執行步驟S500，以便判斷儲液槽2的液體是否被抽完。

簡言之，當開始抽取作業之後，泵送系統1會藉由離心泵10的吸口壓力值與其預設壓力值的關係作為依據來調小出口閥30的開度，但出口閥30的開度會於達到開度底限值時不再調整。且藉此調整，將連帶改變泵送系統1的負載曲線以達維持離心泵10運轉的目的，直到出口壓力值達出口壓力底限值時停止，而不會讓離心泵10於途中因發生氣蝕現象而停止抽取作業。

綜上所述之泵送系統與其之控制方法，由於控制器可依據離心泵之吸口壓力值與預設壓力值的關係來調整其出口閥的開度，藉此，可於抽取作業進行時動態地調整吸口壓力值進而連帶改變泵送系統的負載曲線，以讓離心泵得以持續運轉而不會發生氣蝕現象。因此，可避免傳統上離心泵容易產生氣蝕現象而損壞，以及需要改以其他流量小且耗時的泵繼續抽水所產生的問題。也就是說，本發明的泵送系統與其之控制方法，可同時節省人力、設備與作業時間等成本。

雖然本發明以前述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。在不脫離本發明之精神和範圍內，所為之更動與潤飾，均屬本發明之專利保護範圍。關於本發明所界定之保護範圍請參考所附之申請專利範圍。

1‧‧‧泵送系統

2‧‧‧儲液槽

10‧‧‧離心泵

11‧‧‧吸水口

12‧‧‧出水口

20‧‧‧進口閥

30‧‧‧出口閥

40‧‧‧開度偵測器

50‧‧‧吸口壓力計

60‧‧‧出口壓力計

70‧‧‧控制器

80‧‧‧使用者介面

90‧‧‧警報器

L‧‧‧吸上高度

S100~S600‧‧‧步驟

圖1係為本發明之泵送系統的示意圖。圖2係為圖1之泵送系統的性能曲線圖。圖3係為圖1之泵送系統的控制方法的示意圖。

Claims

一種泵送系統，包含有：一離心泵，用以抽取一儲液槽之液體；一吸口壓力計，連接於該離心泵之一吸水口，用以測量該吸水口的一吸口壓力值；一出口閥，連通於該離心泵之一出水口，用以控制該離心泵之出水量；以及一控制器，電性連接該吸口壓力計以及控制該出口閥，該控制器用以依據該吸口壓力值與一預設壓力值的關係來調整該出口閥的開度，進而連帶改變該離心泵的負載曲線。
如請求項1所述之泵送系統，其中該預設壓力值為該離心泵之所需淨正吸水頭的1.25倍。
如請求項1所述之泵送系統，其中當該吸口壓力值小於等於該預設壓力值時，該控制器令一閥門調整器調小該出口閥的開度，以連帶改變該離心泵的負載曲線的方式提升該吸口壓力值。
如請求項1所述之泵送系統，更包含一出口壓力計，連接於該離心泵之該出水口，用以測量該出水口的一出口壓力值。
如請求項1所述之泵送系統，更包含一使用者介面，電性連接該控制器，用以供使用者控制該控制器。
如請求項4所述之泵送系統，更包含一警報器，電性連接該控制器；當該出口壓力計量測到該出水口之一出口壓力值小於等於一出口壓力底限值時，該控制器令該警報器發出一抽取完成訊號或令該離心泵停止運轉。
如請求項1所述之泵送系統，更包含一警報器與一開度偵測器，該警報器電性連接該控制器，該開度偵測器用以偵測該出口閥的開度；當該開度偵測器偵測該出口閥的開度小於等於一開度底限值時，該控制器令該警報器發出一警示訊號；其中該開度底限值為10%~15%。
一種泵送系統的控制方法，包含：透過一控制器令一吸口壓力計量測該泵送系統之一離心泵的一吸水口的一吸口壓力值；以及透過該控制器依據該吸口壓力值與一預設壓力值的關係判斷是否調整連接該離心泵之一出水口的一出口閥的開度，以連帶調整該離心泵的負載曲線。
如請求項8所述之控制方法，其中該預設壓力值為該離心泵之所需淨正吸水頭的1.25倍。
如請求項8所述之控制方法，其中於透過該控制器依據該吸口壓力值與該預設壓力值的關係判斷是否調整連接該離心泵之該出水口的該出口閥的開度，以連帶調整該離心泵的負載曲線的步驟包含：透過該控制器判斷該吸口壓力值是否小於等於該預設壓力值；若是，透過該控制器調小該出口閥的開度；若否，透過該控制器執行量測該吸口壓力值的步驟。
如請求項10述之控制方法，其中於透過該控制器調小該出口閥的開度的步驟之前包含：透過該控制器判斷連接於該出口閥之一開度偵測器所偵測的該出口閥的開度是否小於等於一開度底限值；若是，透過該控制器判斷連接於該出口閥之一出口壓力計所量測的該出口閥的一出口壓力值是否小於等於一出口壓力底限值；若是，透過該控制器停止該離心泵或令一警報器發出一警示訊號；若否，透過該控制器執行量測該吸口壓力值的步驟；若否，透過該控制器執行調小該出口閥的開度的步驟。
如請求項10所述之控制方法，其中於透過該控制器調小該出口閥的開度的步驟之後包含：透過該控制器判斷連接於該出口閥之一出口壓力計所量測的該出口閥的一出口壓力值是否小於等於一出口壓力底限值；若是，透過該控制器停止該離心泵或令一警報器發出一抽取完成訊號；若否，透過該控制器執行量測該吸口壓力值的步驟。