水泵變速節(jié)能動態(tài)控制系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型水泵變速節(jié)能動態(tài)控制系統(tǒng)屬于水泵變速節(jié)能及相關(guān)控制技術(shù)，目的是根據(jù)水泵運(yùn)行的特點(diǎn)，研究開發(fā)與水泵運(yùn)行工況相適應(yīng)的控制策略，以實(shí)現(xiàn)水泵動態(tài)速度控制，要點(diǎn)是研究凈揚(yáng)程的變化對流量與轉(zhuǎn)速關(guān)系的影響，根據(jù)水泵變速運(yùn)行工況的物理特性構(gòu)建水泵通用速度特性曲線方程，采用以計算機(jī)工作站為基礎(chǔ)組成的數(shù)據(jù)信息處理及控制裝置，利用水泵系統(tǒng)變速動態(tài)控制器和調(diào)速裝置，構(gòu)成水泵變速節(jié)能動態(tài)控制系統(tǒng)，可廣泛應(yīng)用于新建或改造的各類水泵變速供水系統(tǒng)。
【專利說明】
水泵變速節(jié)能動態(tài)控制系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本實(shí)用新型屬于水栗變速節(jié)能及相關(guān)控制技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002] 水栗用電量占全國總用電量的20%左右，水栗系統(tǒng)的節(jié)能對國家的節(jié)能減排政策 的實(shí)施具有舉足輕重的作用，因而水栗的節(jié)能一直作為重點(diǎn)研究的對象。
[0003] 水栗與風(fēng)機(jī)均屬于平方轉(zhuǎn)矩負(fù)荷設(shè)備，但兩者也有某些不同，水栗系統(tǒng)通常存在 凈揚(yáng)程，先天條件更為不利，所以在變速節(jié)能控制方面比風(fēng)機(jī)系統(tǒng)更為復(fù)雜。
[0004] 水栗系統(tǒng)存在凈揚(yáng)程時，在變速過程中比例定律已不適用。如何進(jìn)行水栗變速控 制，現(xiàn)有技術(shù)還沒有理想答案。目前很多的水栗變速節(jié)能應(yīng)用中，人們還是習(xí)慣性地按照比 例定律來對變速節(jié)能系統(tǒng)進(jìn)行分析、計算、控制及評價，結(jié)果造成與實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)有較大差 異。
[0005] 由于沒有變速節(jié)能動態(tài)控制方法，現(xiàn)有技術(shù)在水栗變速節(jié)能應(yīng)用中更多的是依賴 經(jīng)驗(yàn)，多采用所謂變壓控制技術(shù)，結(jié)果是在變速節(jié)能的深度和廣度方面都損失了不少的空 間。
[0006] 關(guān)于水栗變速節(jié)能動態(tài)控制系統(tǒng)還未見到公開發(fā)表的出版物、文獻(xiàn)或資料。
[0007] 本實(shí)用新型所述水栗系指葉片栗及與葉片栗特性接近的栗。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本實(shí)用新型的目的是根據(jù)水栗運(yùn)行的特點(diǎn)，研究開發(fā)與水栗運(yùn)行工況相適應(yīng)的控 制策略，以實(shí)現(xiàn)水栗變速節(jié)能動態(tài)控制。
[0009] 本實(shí)用新型的特征是水栗變速數(shù)據(jù)信息處理及控制裝置[1]是水栗變速節(jié)能動態(tài) 控制系統(tǒng)的核心，是以計算機(jī)工作站為基礎(chǔ)組成的數(shù)字式裝置，本身建有與變速動態(tài)控制 有關(guān)的水栗特性曲線方程（1)式、管網(wǎng)特性曲線方程(2)式、通用速度特性曲線方程(7)式和 (8)式的數(shù)學(xué)模型，并且實(shí)時從生產(chǎn)工藝主控制系統(tǒng)[2]獲取生產(chǎn)運(yùn)行聯(lián)鎖信息、設(shè)備狀態(tài) 信息及有關(guān)系統(tǒng)參數(shù)，實(shí)時從水栗系統(tǒng)變速動態(tài)控制器[3]獲取各水栗系統(tǒng)的流量、壓力、 速度等信息，根據(jù)這些信息、有關(guān)系統(tǒng)參數(shù)及數(shù)學(xué)模型相關(guān)數(shù)據(jù)來確定各水栗的控制參數(shù) 并輸出給水栗系統(tǒng)變速動態(tài)控制器[3];水栗系統(tǒng)變速動態(tài)控制器[3]由PLC(可編程序控制 器)或其它數(shù)字式控制器組成，根據(jù)[1]的控制參數(shù)向1#~n#水栗調(diào)速裝置[11]~[nl]輸出 速度設(shè)定值，此外實(shí)時采集1#~n#水栗系統(tǒng)的壓力和流量信息，并傳送給[1]水栗變速數(shù)據(jù) 信息處理及控制裝置；1#~n#水栗調(diào)速裝置[11]~[nl]根據(jù)[3]的速度設(shè)定值對1#~n#水 栗電機(jī)[12]~[n2]進(jìn)行速度調(diào)節(jié)，對1#~n#水栗流量進(jìn)行動態(tài)控制；1#~n#水栗系統(tǒng)壓力 檢測器[13]~[n3]實(shí)時檢測主管路壓力，壓力值送至水栗系統(tǒng)變速動態(tài)控制器[3] ;1#~n# 水栗系統(tǒng)流量檢測器[14]~[n4]實(shí)時檢測主管路流量，流量值送至水栗系統(tǒng)變速動態(tài)控制 器[3]。
【附圖說明】
[0010] 附圖1中1是水栗變速數(shù)據(jù)信息處理及控制裝置，2是生產(chǎn)工藝主控制系統(tǒng)，3是水 栗系統(tǒng)變速動態(tài)控制器，11是1#水栗調(diào)速裝置，12是1#水栗電機(jī)，13是1#水栗系統(tǒng)壓力檢測 器，14是1#水栗系統(tǒng)流量檢測器，nl是n#水栗調(diào)速裝置，n2是n#水栗電機(jī)，n3是n#水栗系統(tǒng) 壓力檢測器，n4是n#水栗系統(tǒng)流量檢測器。
[0011] 附圖2中1是凈揚(yáng)程Hst為0時的流量-速度關(guān)系曲線，2是凈揚(yáng)程Hst不為0時，且沒有 考慮隨流量變化時水栗特性參數(shù)變化、管網(wǎng)特性參數(shù)變化影響時的流量-速度關(guān)系曲線，3 是凈揚(yáng)程影響曲線，4是凈揚(yáng)程H st不為0時，且考慮了隨流量變化時水栗特性參數(shù)變化、管網(wǎng) 特性參數(shù)變化影響時的流量-速度關(guān)系曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0012] 目前，在水栗的變速運(yùn)行應(yīng)用中，主要的理論依據(jù)是水栗特性曲線方程（1)式、管 網(wǎng)特性曲線方程(2)式以及比例定律(3)、（4)、（5)式。
[0013] Hi = aQi2+bQi+c (1)
[0014] Hi = Hst+SeQi2 (2)
[0018] 式中：
[0019] m:水系統(tǒng)當(dāng)前揚(yáng)程，m
[0020] a、b、c:常數(shù)
[0021] Se:額定流量時的管網(wǎng)摩阻
[0022] m:水栗當(dāng)前速度，rpm或Hz
[0023] Q1:水栗當(dāng)前流量，m3/s
[0024] Qe:水栗額定流量，m3/s
[0025] He:水系統(tǒng)額定揚(yáng)程，m [0026] ne:水栗額定轉(zhuǎn)速，rpm或Hz
[0027] Hst:水系統(tǒng)凈揚(yáng)程，m
[0028] N1:運(yùn)行功率，kW
[0029] Ne:額定功率，kW
[0030] 對于一臺特定的水栗，a、b、c是根據(jù)水栗制造廠提供的出廠實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)擬合后得 到的常數(shù)，其中c = Hm(水栗全揚(yáng)程，即流量Q = 0時的揚(yáng)程），所以（1)式是額定轉(zhuǎn)速時的水栗 特性曲線方程。當(dāng)水栗變速運(yùn)行時，根據(jù)相似定律，在速度為m時的水栗特性曲線方程為 (6)式。
[0032] (2)式為管網(wǎng)特性曲線方程，式中的凈揚(yáng)程Hst等于0時是水栗系統(tǒng)管網(wǎng)特性曲線方 程的特例。
[0033] 實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐表明，當(dāng)水栗系統(tǒng)的某些狀況發(fā)生變化時，（3)式比例定律會發(fā)生較大 變化。許多年來，國內(nèi)外的大量文獻(xiàn)對比例定律涉及的變化進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和分析，積累了許多 有益的技術(shù)數(shù)據(jù)，特別是獲得了普遍性的認(rèn)識，即由于水栗系統(tǒng)凈揚(yáng)程的存在，使比例定律 至少在低速范圍內(nèi)不再適用，水栗消耗功率與水栗運(yùn)行速度既不是(5)式的立方關(guān)系，也不 是一次方關(guān)系，而是一種非線性關(guān)系。遺憾的是到目前為止還沒有找到相應(yīng)的描述這種關(guān) 系的理論公式，目前的分析方法基本上是離線的圖解方法和基于統(tǒng)計數(shù)據(jù)的回歸方程計算 方法，從實(shí)用角度看，目前還沒有出現(xiàn)在線使用價值的計算方法。
[0034] 本實(shí)用新型從水栗系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行工況入手，詳細(xì)分析了（3)式比例定律發(fā)生變化 的原因，以及水栗運(yùn)行工況發(fā)生變化后速度與流量的關(guān)系，構(gòu)建了符合水栗變速運(yùn)行時的 通用速度特性曲線方程式(7)和式(8)，所謂通用速度特性曲線方程的含義是該方程不但適 合于比例定律不成立的時候，也適合比例定律成立的場合。
[0037] 式中：
[0038] 1^:工程系數(shù)，（0~1)
[0039] nc:水栗變速臨界轉(zhuǎn)速，rpm或Hz
[0040]臨界轉(zhuǎn)速nc由（2)式和(6)式聯(lián)立求解得出。
[0042]在水栗變速運(yùn)行時，臨界轉(zhuǎn)速η。發(fā)生在流量&等于0時，此時式(9)變?yōu)椋?br>[0044] 式中c是水栗特性曲線方程（1)式中的常數(shù)項，等于水栗系統(tǒng)全揚(yáng)程仏，故得到臨 界轉(zhuǎn)速η。方程式為式(8)。
[0045] 通用速度特性曲線方程式(7)構(gòu)建過程如下：
[0046] 根據(jù)比例定律式(3)，當(dāng)凈揚(yáng)程Hst存在時，速度與流量的關(guān)系變?yōu)橄率剑?br>[0048] 式（11)由兩部分組成，前一部分的曲線為附圖2中曲線[1]的情況，速度與流量成 正比，即凈揚(yáng)程Hst = 0的曲線，稱為比例定律曲線;后一部分的曲線為附圖2中曲線[3]，是一 條起始于(〇，nc)，終點(diǎn)為(Q e，0)的曲線，其物理意義是，當(dāng)系統(tǒng)存在凈揚(yáng)程Hst時，隨著流量Q 從0變到額定流量，凈揚(yáng)程的影響在流量Q = 〇時最大，隨著流量的增加而減小，當(dāng)流量達(dá) 到額定流量^時，其影響為〇,將其稱之為凈揚(yáng)程影響曲線。附圖2中曲線[1]和曲線[3]疊加 就得到曲線[2]，即式（11)所表達(dá)的曲線，該曲線說明了凈揚(yáng)程H st對流量與速度關(guān)系的影 響，此時的曲線是由比例定律曲線和凈揚(yáng)程影響曲線疊加而成的。這些曲線有助于直觀的 理解其物理意義，也有助于尋求修正這些曲線的方法，使之更接近實(shí)際的運(yùn)行曲線。曲線
[2]還不是真正意義上的流量與速度關(guān)系曲線，典型的流量與速度關(guān)系是由附圖2中曲線 [4]所表達(dá)的曲線，到目前為止的大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，流量與速度關(guān)系曲線是非線性曲線， 而不是直線，實(shí)際運(yùn)行的流量/速度點(diǎn)必然位于曲線[4]上或位于該曲線兩側(cè)附近的位置， 所有流量/速度點(diǎn)必然位于由坐標(biāo)(〇,〇)、（〇，n c)和(Qe，ne)所圍成的區(qū)域內(nèi)。理論上定性分 析的結(jié)果是，式（11)是在未考慮凈揚(yáng)程對水栗特性參數(shù)變化影響及對管網(wǎng)特性參數(shù)變化影 響時的情況，那么考慮這些影響后的速度特性方程應(yīng)該是什么樣的呢?這里引入工程系數(shù) k，采用一個含有工程系數(shù)k的因式（Ι-kQi/U)來對式(11)的后一部分公式進(jìn)行修正，構(gòu)建了 通用速度特性曲線方程式(7)。對于運(yùn)行在特定環(huán)境下的任何一臺水栗，因式（1-kQi/Qj綜 合考慮了在全流量范圍內(nèi)的凈揚(yáng)程對水栗特性參數(shù)變化影響及對管網(wǎng)特性參數(shù)變化影響 時的因素，由改變該因式中的工程系數(shù)k來擬合出所使用水栗的通用速度特性曲線方程。
[0049] 根據(jù)式(7)繪制的附圖2中曲線[4]稱為存在凈揚(yáng)程Hst時的典型的水栗流量與速度 關(guān)系曲線，所謂典型在于，雖然水栗的類型、規(guī)格的不同會存在某些參數(shù)的差異，以及管網(wǎng) 特性會存在某些差異，但栗的流量與速度特性曲線的變化范圍和區(qū)間必定位于附圖2中曲 線[1]和曲線[2]所圍定的范圍和區(qū)間內(nèi)，所不同的僅僅是不同水栗的特性曲線形狀及其代 表的量值會有些不同變化。
[0050] 從附圖2中曲線[4]可以看出，存在凈揚(yáng)程的系統(tǒng)，只要流量從額定流量減小，流量 與速度的關(guān)系就開始偏離比例定律，只不過是在初始階段偏離的比較小，然后隨著流量的 減少，曲線[4]和曲線[1]的距離逐漸加大。曲線變化說明，凈揚(yáng)程的大小直接影響全流量范 圍內(nèi)的流量與速度關(guān)系偏離比例定律的程度。
[0051] 水栗變速節(jié)能動態(tài)控制系統(tǒng)是通過附圖1所示系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的，附圖1中[1]是水栗 變速數(shù)據(jù)信息處理及控制裝置，是基于通用速度特性曲線方程的水栗變速動態(tài)節(jié)能控制系 統(tǒng)的核心，是以計算機(jī)工作站為基礎(chǔ)組成的數(shù)字式裝置，本身建有與水栗特性曲線方程(1) 式、管網(wǎng)特性曲線方程(2)式、通用速度特性曲線方程(7)式和(8)式有關(guān)的數(shù)學(xué)模型，并且 實(shí)時從生產(chǎn)工藝主控制系統(tǒng)[2]獲取生產(chǎn)運(yùn)行聯(lián)鎖信息、設(shè)備狀態(tài)信息及有關(guān)系統(tǒng)參數(shù)，實(shí) 時從水栗變速動態(tài)控制器[3]獲取各個水栗系統(tǒng)的流量、壓力、速度等信息，根據(jù)這些信息、 有關(guān)系統(tǒng)參數(shù)及數(shù)學(xué)模型相關(guān)數(shù)據(jù)來確定各水栗的控制參數(shù)并輸出給水栗系統(tǒng)變速動態(tài) 控制器[3];特別是通過通用速度特性曲線方程可以方便、準(zhǔn)確地計算出凈揚(yáng)程存在時對應(yīng) 已知流量的速度值，然后輸出給水栗系統(tǒng)變速動態(tài)控制器[3]，對水栗進(jìn)行變速動態(tài)控制； 水栗系統(tǒng)變速動態(tài)控制器[3]由PLC(可編程序控制器)或其它數(shù)字式控制器組成，根據(jù)[1] 的控制參數(shù)向1#~n#水栗調(diào)速裝置[11]~[nl]輸出速度設(shè)定值，此外實(shí)時采集1#~n#水栗 系統(tǒng)的壓力和流量信息，并傳送給[1]水栗變速數(shù)據(jù)信息處理及控制裝置;1#~n#水栗調(diào)速 裝置[11]~[nl]根據(jù)[3]的速度設(shè)定值對1#~n#水栗電動機(jī)[12]~[n2]進(jìn)行速度調(diào)節(jié)，對 1#~ n#水栗流量進(jìn)行動態(tài)控制；[13]~[n3]是1#~n#水栗系統(tǒng)壓力檢測器，壓力值送至水 栗系統(tǒng)變速動態(tài)控制器[3]; [14]~[n4]是1#~n#水栗系統(tǒng)流量檢測器，流量值送至水栗系 統(tǒng)變速動態(tài)控制器[3];采用這種系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了水栗系統(tǒng)的閉環(huán)動態(tài)連續(xù)控制。
[0052] 實(shí)際的工程應(yīng)用中，水栗變速節(jié)能動態(tài)控制系統(tǒng)也適用于進(jìn)水、出水水池液位變 化和向封閉容器給水等涉及凈揚(yáng)程變化的系統(tǒng)。這類系統(tǒng)的凈揚(yáng)程往往不是固定的常數(shù)， 水池液位變化，凈揚(yáng)程即變化;封閉容器中的壓力亦是凈揚(yáng)程的一部分，而封閉容器中的壓 力經(jīng)常在一定范圍內(nèi)波動。
[0053]水栗變速節(jié)能動態(tài)控制系統(tǒng)采用通用速度特性曲線方程進(jìn)行水栗變速速度計算， 使水栗變速動態(tài)控制得以實(shí)施，可實(shí)現(xiàn)水栗的節(jié)能優(yōu)化控制，將為水栗的變速節(jié)能應(yīng)用開 創(chuàng)全新的、廣泛的視野和空間，在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上節(jié)能量將提高15%~40%。
[0054]水栗變速節(jié)能動態(tài)控制系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于新建或改造的各類水栗變速供水系統(tǒng)。
【主權(quán)項】
1. 一種水栗變速節(jié)能動態(tài)控制系統(tǒng)，其特征是水栗變速數(shù)據(jù)信息處理及控制裝置（1) 是水栗變速節(jié)能動態(tài)控制系統(tǒng)的核心，與生產(chǎn)工藝主控制系統(tǒng)(2)連接，實(shí)時獲取生產(chǎn)運(yùn)行 聯(lián)鎖信息、設(shè)備狀態(tài)信息及有關(guān)系統(tǒng)參數(shù)，與水栗系統(tǒng)變速動態(tài)控制器(3)連接，輸出控制 參數(shù)以及實(shí)時獲取各水栗系統(tǒng)的流量、壓力、速度等信息，水栗系統(tǒng)變速動態(tài)控制器(3)由 PLC可編程序控制器或其它數(shù)字式控制器組成，輸出與1#~n#水栗調(diào)速裝置連接，輸出速度 設(shè)定值，此外與1#~n#水栗系統(tǒng)壓力檢測器和1#~n#水栗系統(tǒng)流量檢測器連接，實(shí)時采集 1 #~n#水栗系統(tǒng)的壓力和流量信息。
【文檔編號】F04B49/06GK205677813SQ201620250042
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年3月30日 公開號201620250042.5, CN 201620250042, CN 205677813 U, CN 205677813U, CN-U-205677813, CN201620250042, CN201620250042.5, CN205677813 U, CN205677813U
【發(fā)明人】高毅夫
【申請人】北京凱德中天科技發(fā)展有限公司