專利名稱：工業循環水泵組運行特性及運行能效分析裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于分析多變工況下工業循環水系統水泵及泵組運行特性和運行能效的分析裝置。
背景技術：
水泵作為流程工藝系統輸配的動力裝置，必須能夠保證對應工藝流程，能夠在多變的工況條件下正常運行。在既有的流程輸配管控系統中，輸配系統的設計，均根據多年一遇的不利工況，以保證同一流程中水力特征最不利用戶的需求為前提，來開展的。為使系統安全順行，設計時一般都保有1(Γ20%的設計安全余量。另一方面，在用戶提出設計的要求時，一般又會根據對應工藝流程的特征，預留出相當的發展空間。這兩種理念，都直接造成水泵和輸配系統的設計余量較大，這也是流程輸配過程中出現大馬拉小車的一個重要原因。隨著國家可持續性發展國策的嚴格執行，如何使流程系統能夠實現按需供給，已成為決定企業生存和發展的重要環節。因此，給定的動力系統，需要根據流程荷載強度和環境工況的變化，對水泵的運行，進行高效的控制。對于給定的動力系統，水泵變頻及泵組優化群控，成為企業流程優化運行的基本控制策略。這就直接導致水泵及泵組，需要實現不同工況下的匹配運行。對于企業和現場運行方而言，如何直觀客觀地掌控，多變工況下水泵的運行特性和運行能效，已成為亟待解決的重要問題。關于水泵及泵組運行的已知參數，無非是額定工況下，水泵的工頻運行特性水泵揚程隨流量的變化、水泵運行效率隨流量的變化，以及水泵軸功率隨流量的變化。這種變化曲線一般都采用，基于系列實驗室實驗的離散數據點的連接。而實際運行過程中，其運行特性和運行能效的變化的分析，即便是對于單泵的工頻及額定工況條件下，也往往并不存在直觀分析的模型。更無法提及對整個泵組，在復雜多變流程荷載、環境工況，以及復雜的組合形式下，運行特性和運行能效的實時監測和連續分析。實際運行過程中，為了保證主體工藝流程的安全順行，運行方則一般采用工頻運轉加出口閥門調節，總管恒壓的運行策略。一旦泵組投入運行，一般不再進行匹配工況的優化運行調節。這種傳統粗放的運行管理方式，從使用的角度，造成優化開展后，水泵及泵組運行特性難以分析的問題。或者說，現有的工業循環水系統，對于水泵的運行不進行也無法進行運行特性和能效的持續監測和分析。即便是在水泵變頻技術日漸成熟的大環境下，關于變頻后水泵的運行特性和運行能效的分析，也往往只是根據，變頻相似定律粗略的、基于離散設計特性的人為簡單的判定，而根本無法連續地、直觀地開展對水泵運行特性和運行能效的實時監測和連續分析。多變工況下，泵組中，不同水泵的并聯及變頻并聯運行，大大增加了泵組并聯運行特性分析的難度。而對于整個工藝流程而言，多變工況下，對水泵及泵組運行特性，實時直觀客觀地監測和連續地分析，是系統運行管理以及運行優化的基礎環節，是減少系統運行管理和優化對人為經驗依賴性的根本途徑。
發明內容
本發明的目的是提供一種工業循環水泵組運行特性及運行能效分析裝置，以解決現有的工業循環水系統對于水泵的運行無法進行運行特性和能效的持續監測和分析的問題。本發明技術方案如下
水泵及泵組運行特性和運行能效的變化狀況，可以根據對應的后臺數據庫來開展。包括水泵特性分析水泵特性服務器(計算機)、基本數據采集系統(傳感器、A/D轉換器)、通信系統(遠程服務)及輔助設施(線纜、數據線接頭等)、水泵運行特性數據庫、數據交互系統及數據接口。在數據接入的基礎上，可完全獨立運行。根據實際流程的狀況，該裝置也可以作為在原有監控系統上，衍生出的獨立功能模塊。本發明一種工業循環水泵組運行特性及運行能效分析裝置包括水泵特性模型庫 (A)和水泵及泵組運行能效模型庫(B)，
所述水泵特性模型庫(A)包括工頻水泵運行特性模型庫(Al )、水泵變頻運行特性模型庫(A2)、泵組并聯及并聯變頻特性模型庫(A3)，所述水泵及泵組運行能效模型庫(B)包括泵組能效單元(Bi)、水泵單機運行能效模型庫(B2)和水泵泵組運行能效模型庫(B3)，在多變工況下進行運行能效變化的監測和分析；過程如下
1.水泵及泵組基本特性數據的輸入
2.各傳感器模塊讀取水泵運行的基本參數
傳感器集合包括流量傳感器、閥位傳感器、壓力傳感器、水泵頻率傳感器、電機電流讀取裝置、主流程監控傳感器、環境工況傳感器、水泵特性服務器，流量傳感器、閥位傳感器、 壓力傳感器、水泵頻率傳感器、電機電流讀取裝置、主流程監控傳感器和環境工況傳感器分別與水泵特性服務器相連。3.模型庫建立
本發明中，所述工頻水泵運行特性模型庫(Al)的建立，包括工頻條件下揚程與流量顯示模型、效率與軸功率隨流量變化的顯式模型的建立；所述工頻條件下揚程與流量顯示模型的建立的過程包括根據給定的水泵工頻特性系列離散的參數取值，所述參數包括對應工況點上的揚程和流量，然后基于最小二乘法運用數值擬合技術將原有的離散特性曲線通過具有足夠高精度的插值多項式進行顯式地描述。所述工頻水泵運行特性模型庫(Al)建立，包括步驟1)單泵工頻運行特性的實時監測和分析單元，基于指定水泵給出的工頻特性參數，基于最小二乘法，自主構建水泵工頻運轉的顯示連續近似模型，使用戶可以直接根據所讀取的流量，判定其對應揚程、效率和軸功率的取值，并利用圖形界面技術，將其實時直觀顯示在水泵特性服務器(9)對應的運行界面上，通過該界面實時監測運行工況點的變動。本發明中，所述水泵變頻運行特性模型庫(A2)的建立是根據變頻相似定理，以所述工頻水泵運行特性模型庫(Al)為基礎，確定出對應頻率條件下的揚程、流量和軸功率的取值，進而構建出不同頻率條件下揚程與流量、效率與流量以及軸功率與流量各自對應的顯式模型。依據不同頻率條件下，指定水泵運行特性的相似定律，在合理的變頻范圍內，直接給定不同運轉頻率下，水泵運行特性的連續分析模型。本發明中，所述多變工況相下，管網實際運行工況點所對應的相似工況點的確定， 是根據非線性方程求根的方法，以所構建的水泵(泵組)工頻特性模型為基礎，結合相似工況點的定義，構造出變頻相似工況點區間分半逼近的方法。本發明中，所述泵組并聯及并聯變頻特性模型庫(A3)的建立是將所對應的單泵工頻水泵運行特性模型庫(Al)及水泵變頻運行特性模型按照疊加的原則，構建出指定水泵在不同組合條件下揚程與流量的顯式模型；而效率和軸功率則進行單機的分析。在單臺水泵工頻和變頻特性分析的基礎上，根據泵組一般均采用并聯運行的特征，根據水泵并聯揚程和流量之間的關系，建立水泵并聯及并聯變頻的實時監測分析界面， 將泵組組合運行方式對應特性參數的變化，實時直觀地以圖形界面和數據表格的形式，記錄禾口顯不。所述水泵及泵組運行能效模型庫(B)的建立針對指定型號的水泵和泵組，按照對應的運行能效模型，構建運行能效數據表項和表頁，對于不同型號水泵及其對應的組合及變頻形式，不同的表頁可形成水泵及泵組運行能效模型庫，應用模型庫的圖標工具，可形成對應狀態水泵和泵組運行能效的圖形界面，該界面形式可采用坐標圖形的方式，將對應工況點的運行能效直觀顯示出來；
所述泵組能效單元(Bi)的確立整個水泵泵組當作一個完整的能效單元，進行運行能效的確立；
所述水泵單機運行能效模型庫(B2)的建立電機在不同的轉速下，從輸入端輸入的總電能，作為該能效單元的總能量，水泵出口動靜壓頭以及提升的初級水位勢能之和，作為系統的有效輸出能量；一般而言，對于給定管網系統，初級水位基本上是個定值，流量的變化直接引起初始水位勢能的變化；
所述水泵泵組運行能效模型庫(B3)的建立將整個水泵泵組考慮為一個能效單元，進行運行能效的分析。所述水泵單機運行能效模型庫(B2)的建立中，
本發明在自主建立的水泵及泵組運行能效分析模型的基礎上，水泵特性服務器中，應用數據庫技術，建立工業循環水水泵和泵組運行能效數據庫，并通過圖形界面，在對運行能效實時監測和記錄的基礎上，進行循環水泵和泵組的運行能效的連續分析。以水泵和泵組運行特性數據庫，所采集到的運行工藝參數為基礎，根據下述模型， 在水泵特性服務器的運行能效數據庫中，進行運行能效的分析。對應轉速下的功率因素為cosO，電機輸入功率為
N1 = V3 - U. I -cosφ
式中，U 、 I為對應頻率下，電機的電壓和電流，這兩個參數一般都具有直觀的監
測數據，N1則為電機的輸入功率； 水泵的有效輸出功率為
權利要求
1.一種工業循環水泵組運行特性及運行能效分析裝置，其特征在于該裝置包括水泵特性模型庫(A)和水泵及泵組運行能效模型庫(B)，所述水泵特性模型庫(A)包括工頻水泵運行特性模型庫(Al)、水泵變頻運行特性模型庫(A2)、泵組并聯及并聯變頻特性模型庫 (A3)，所述水泵及泵組運行能效模型庫(B)包括泵組能效單元(Bi)、水泵單機運行能效模型庫(B2)和水泵泵組運行能效模型庫(B3)，在多變工況下進行運行能效變化的監測和分析。
2.根據權利要求1所述的一種工業循環水泵組運行特性及運行能效分析裝置，其特征在于所述工頻水泵運行特性模型庫(Al)的建立，包括工頻條件下揚程與流量顯示模型、 效率與軸功率隨流量變化的顯式模型的建立；所述水泵變頻運行特性模型庫(A2)的建立是根據變頻相似定理，以所述工頻水泵運行特性模型庫(Al)為基礎，確定出對應頻率條件下的揚程、流量和軸功率的取值，進而構建出不同頻率條件下揚程與流量、效率與流量以及軸功率與流量各自對應的顯式模型；所述泵組并聯及并聯變頻特性模型庫(A3)的建立是將所對應的單泵工頻水泵運行特性模型庫(Al)及水泵變頻運行特性模型按照疊加的原則， 構建出指定水泵在不同組合條件下揚程與流量的顯式模型；而效率和軸功率則進行單機的分析；所述水泵及泵組運行能效模型庫(B)的建立針對指定型號的水泵和泵組，按照對應的運行能效模型，構建運行能效數據表項和表頁，對于不同型號水泵及其對應的組合及變頻形式，不同的表頁可形成水泵及泵組運行能效模型庫，應用模型庫的圖標工具，可形成對應狀態水泵和泵組運行能效的圖形界面，該界面形式可采用坐標圖形的方式，將對應工況點的運行能效直觀顯示出來；所述泵組能效單元(Bi)的確立整個水泵泵組當作一個完整的能效單元，進行運行能效的確立；所述水泵單機運行能效模型庫(B2)的建立電機在不同的轉速下，從輸入端輸入的總電能，作為該能效單元的總能量，水泵出口動靜壓頭以及提升的初級水位勢能之和，作為系統的有效輸出能量；一般而言，對于給定管網系統，初級水位基本上是個定值，流量的變化直接引起初始水位勢能的變化；所述水泵泵組運行能效模型庫(B3)的建立將整個水泵泵組考慮為一個能效單元，進行運行能效的分析。
3.根據權利要求2所述的一種工業循環水泵組運行特性及運行能效分析裝置，其特征在于所述水泵單機運行能效模型庫(B2)的建立中，對應轉速下的功率因素為cos。，電機輸入功率為式中，υ 、 ι為對應頻率下，電機的電壓和電流，這兩個參數一般都具有直觀的監測數據，Af,則為電機的輸入功率；水泵的有效輸出功率為
4.根據權利要求2或3所述的一種工業循環水泵組運行特性及運行能效分析裝置，其特征在于所述工頻水泵運行特性模型庫(Al)建立中，對應的近似工頻特性模型是以下述形式存在的，通過流量的變化可以直接給出水泵運行特性參數的取值；
5.根據權利要求4所述的工業循環水泵組運行特性及運行能效分析裝置，其特征在于所述水泵變頻運行特性模型庫(A2)建立中，變頻特性的分析，一般根據變頻的相似關系，以工頻運行特性為基礎并按照下述關系式來展開
全文摘要
本發明提供了一種工業循環水泵組運行特性及運行能效分析裝置，以解決現有的工業循環水系統對于水泵的運行無法進行運行特性和能效的持續監測和分析的問題。它包括水泵特性分析水泵特性服務器(計算機)、基本數據采集系統(傳感器、A/D轉換器)、通信系統(遠程服務)及輔助設施(線纜、數據線接頭等)、水泵運行特性數據庫、數據交互系統及數據接口。在數據接入的基礎上，可完全獨立運行。根據實際流程的狀況，該裝置也可以作為在原有監控系統上，衍生出的獨立功能模塊。這種方法的開展既保證工藝流程的順行，又使水泵運行點最大程度貼近實際的運行工況，是一種快速構建水泵高效運行機制的方法。
文檔編號F04B51/00GK102536774SQ201110445150
公開日2012年7月4日 申請日期2011年12月27日 優先權日2011年12月27日
發明者丁寶忠, 沈新榮, 程子建, 陳曉敏, 麻劍鋒 申請人:杭州哲達科技股份有限公司, 酒泉鋼鐵(集團)有限責任公司