估計泵的流速的方法和裝置的製作方法

2023-11-01 20:01:17

專利名稱：估計泵的流速的方法和裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及估計泵或風機產生的流速，更具體地涉及估計由頻率轉換器控制的系統中的流速。
背景技術：
泵廣泛應用於工業應用中，並且它們消耗巨大量的能量。工業部門消耗的全部電的大約15%消耗在泵應用中。由於電的價格持續增長且出現了減少能量消耗的需要，監控泵系統的能量效率變得更加重要。為了監控能量效率或控制泵，應該確定操作點的位置。有一些使用或不使用額外的傳感器估計泵的操作點的方法。最常規和準確的方法是直接測量泵的流量和揚程，其需要兩個或三個單獨的傳感器。另外，有可用的基於模型的方法，其是基於頻率轉換器的旋轉速度和扭矩估計以及泵的特性曲線，但是所有這些模型 具有它們的缺點。利用測量的泵的揚程估計泵操作點的方法，後面被稱為基於QH曲線的方法，在較低流速情況下不準確，在較低流速情況下揚程曲線在一些情況中是平坦的或不是單調遞減的，但該方法在高流速情況下的準確度會有所提高。另一種用於頻率轉換器的基於模型的方法是利用估計的功率消耗和旋轉速度來估計泵的操作點的方法，這種方法後面被稱為基於QP曲線的方法。在功率曲線為非單調時(通常出現在與泵的額定流速相比的高流速處)，這種方法不適用。然而，該估計在較低流速的情況下更準確。通常，可以說上述兩種方法的準確度都受特性曲線的形狀的影響。以上提到的用在頻率轉換器中的兩種方法均應用泵特性曲線作為泵的模型。這些曲線是泵的流速相對於揚程的曲線(QH曲線)以及流速相對於功率的曲線(QP曲線)。上述曲線由泵製造廠商提供，並且對所有泵都是可得到的。傳統的離心泵的特性曲線的例子可見於圖I中。特別地圖I給出了針對比速(specific speed)nq = 30的徑流式離心泵的特性曲線。在左圖上有揚程相對於流速(QH)的曲線和淨正吸收揚程相對於流速的曲線，在右圖上有功率相對於流速(QP)的曲線。在上面提到的特性曲線是非單調的情況中，泵的操作點的估計可能會有問題。

發明內容
本發明的一個目的是提供一種用於解決上述問題的方法和用於實現該方法的設備。本發明的目的通過由獨立權利要求中所闡述的內容限定的方法和設備實現。本發明的優選實施例在附屬權利要求中被揭示。所提出的方法的思想是結合泵操作點估計的兩個現有方法(基於QH曲線的方法和基於QP曲線的方法)以及儘可能準確地確定操作點位置。當揚程單調遞減且流速相對於揚程的曲線具有陡降時，基於QH曲線的計算方法在較高流速的情況下具有其最好的準確度。另一方面，在低流速的情況下，當在該區域中作為流速的函數所產生的揚程幾乎沒有改變或揚程曲線是非單調時，基於QH曲線的方法不準確或者不能使用。這種效果可從圖3中看到。當在低流速區域(AH1, AQ1)中操作時，兩個流速對應於一個揚程值。另外，當在曲線的揚程峰值附近操作時，揚程的小變化對應於流速的大變化。這也發生在揚程曲線是平坦的時候。另一方面，當在較大的流速(Λ H2, AQ2)處操作時，QH曲線陡峭且測量的揚程的小變化對估計的流速沒有明顯的影響，因此在該區域中基於QH曲線的方法更準確和可靠。對應地，基於QP曲線的方法可能在高流速的情況下不能使用或者不準確，其中流速相對於功率的曲線趨向於非單調的或者平坦的，特別是在混流式離心泵的情況中。另一方面，如果泵QP特性曲線在低流速的情況下在該區域陡峭，基於QP曲線的方法在低流速的情況下可相當準確。這樣的一個例子可從圖4中看到。功率在小流速(AP1, AQ1)情況下的小變化對流速的估計沒有明顯影響。當功率曲線在高流速(ΛΡ2，AQ2)的情況下不是連續遞增時，一個功率值對應於若干個流速，因此基於QP曲線的方法在高流速的情況下不能使用或者不準確。通過結合這兩種方法及在其準確的區域中使用它們，泵操作點估計的準確度和可靠度可被提升。本發明的方法主要利用基於QH曲線的估計，但是當基於QH曲線的估計方
法不能使用時，使用基於QP曲線的方法作為輔助或者作為唯一的估計方法。本發明的優點在於，在對於單個的估計方法特性曲線有問題的情況下增加了估計的準確度。


下面通過優選實施例並對照附圖來更詳細地描述本發明，附圖中圖I示出了泵特性曲線的例子；圖2示出了比速對泵特性曲線形狀的影響；圖3示出了 QH曲線形狀對估計準確度的影響；圖4示出了操作點和泵特性曲線對基於QP曲線的操作點估計方法的準確度的影響；圖5示出了基於QP曲線的估計；以及圖6、7、8和9示出了本發明的操作。
具體實施例方式有若干類型的泵，所有類型的泵都具有其自身的典型的特性曲線形狀。該曲線形狀與泵的比速相關性較強，該無量綱的值可根據下式計算得出
_ Ve— yi ~
H_4 (I)所提出的用於計算流量的方法對於具有小的比速的泵特別有用。正如從圖2中可看到的，當比速小時(例如η, = 13)，揚程曲線平坦，但是功率曲線單調遞增。當比速增加時，揚程曲線單調遞減的程度加劇，具有很少的或沒有平坦部分，因此QH曲線估計法在所有操作點都適用於它們。也可能存在具有S形QH曲線的泵，且所提出的方法也可能適用於它們。這在對QH曲線中出現S形的操作區域可得到單調的QP曲線的情況下也是可能的。這些類型的曲線主要出現在混合和軸流式設備中。然而，如果在流速的一些範圍內功率估計產生針對流速的若干估計，以及在同樣的範圍內測量的揚程對應於若干揚程，用於流速估計的該方法就不能使用。離心泵的特性和一般性能可通過在恆定旋轉速度的情況下作為流速Q的函數、用於揚程H、軸功率消耗P和效率η的特性曲線來可視化。由於由頻率轉換器驅動的泵可在各種旋轉速度下運轉，泵特性曲線需要被轉換為瞬時旋轉速度。這可利用以下的親和定律(affinity law)來實現
權利要求
1.一種在泵被頻率轉換器控制、所述頻率轉換器產生對於泵的旋轉速度和扭矩的估值且泵的特性曲線是已知的情況下確定由泵產生的流速(Q)的方法，其特徵在於 確定所述泵的QH曲線的形狀， 基於所述QH曲線的形狀將所述QH曲線劃分為兩個或更多個區域， 確定所述泵在所述QH曲線的哪個區域操作，以及 使用確定的所述特性曲線的操作區域確定所述泵的流速(Q)。
2.根據權利要求I的方法，其特徵在於，當所述QH曲線中的所述區域中的一個基本平坦時，所述方法包括 測量所述泵產生的揚程，以及 如果測量的揚程處於所述QH曲線的基本平坦的區域中，則使用基於QP曲線的方法來確定流速，否則使用所述QH曲線和測量的由所述泵產生的揚程來確定流速。
3.根據權利要求I的方法，其特徵在於，所述確定操作區域包括以下步驟 使用所述基於QP曲線的方法估計流，以及 從所述估計的流確定所述操作區域，以及 所述流速是使用確定的所述QH曲線的區域和測量的由所述泵產生的揚程來確定的。
4.根據前述權利要求1-3中的任一項的方法，其特徵在於，通過確定所述QH曲線的導數來確定所述QH曲線的形狀，所述確定的導數用於將所述QH曲線劃分為不同的區域。
5.根據前述權利要求I至4中的任一項的方法，其特徵在於，根據轉換為所述泵的旋轉速度的QH曲線，在所述頻率轉換器中確定所述QH曲線的形狀。
6.根據前述權利要求1-5中的任一項的方法，其特徵在於，所述泵是風機，並且在所述方法中，所述QH曲線被代表所述風機的特性的壓力相對於流速的曲線代替。
7.—種在泵被頻率轉換器控制、所述頻率轉換器產生對於泵的旋轉速度和扭矩的估值且所述泵的特性曲線是已知的情況下確定由泵產生的流速(Q)的設備，其特徵在於，所述設備包括 用於確定所述泵的QH曲線的形狀的裝置， 用於基於所述QH曲線的形狀將所述QH曲線劃分為兩個或更多個區域的裝置， 用於確定所述泵在所述QH曲線的哪個區域操作的裝置，以及 用於使用確定的所述特性曲線的操作區域確定所述泵的流速(Q)的裝置。
8.根據權利要求7的設備，其特徵在於，所述泵是風機，並且所述QH曲線被壓力相對於流速的曲線代替，所述壓力相對於流速的曲線代表所述風機的特性。
全文摘要
一種在泵被頻率轉換器控制、所述頻率轉換器產生對於泵的旋轉速度和扭矩的估值且泵的特性曲線是已知時確定由泵產生的流速(Q)的方法和設備。上述方法包括確定泵的QH曲線的形狀，基於QH曲線的形狀將QH曲線劃分為兩個或更多個區域，確定泵在QH曲線的哪個區域操作，以及使用確定的特性曲線的操作區域確定泵的流速(Q)。
文檔編號F04D15/00GK102734184SQ20121009376
公開日2012年10月17日 申請日期2012年3月31日 優先權日2011年3月31日
發明者尤西·塔米寧, 泰羅·阿霍寧, 耶羅·阿霍拉 申請人:Abb公司