CN108916015A - 水泵节能控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明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，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。本比能最低水泵节能控制系统，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。

Description

水泵节能控制系统

技术领域

本发明涉及控制系统领域，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。

发明内容

本发明提供一种水泵节能控制系统，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。

本发明实施例提供的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，内部存储水泵的测试数据，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，用于根据液位传感器和水流量传感器采集的信息确认出工况需求流量。

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；

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。

本发明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，或者通过实施本发明而了解。本发明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，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

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

图1为本发明实施例中一种比能最低水泵节能控制系统的示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明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发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例提供了一种水泵节能控制系统，如图1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；内部预先存储水泵的测试数据，即所述水泵控制装置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。

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。

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，Qmin代表最小允许流量，Nmin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。

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

Claims (2)

1.一种水泵节能控制系统，其特征在于，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，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。

2.如权利要求1所述的比能最低水泵节能控制系统，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。