專(zhuān)利名稱(chēng)：用于最優(yōu)化泵送系統(tǒng)的能量效率的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及控制儲(chǔ)存器內(nèi)的流體水平的泵，尤其涉及優(yōu)化泵送過(guò)程的能量效率。
背景技術(shù)：
泵廣泛地用于工業(yè)和市政應(yīng)用中。泵的典型應(yīng)用是通過(guò)根據(jù)對(duì)泵送過(guò)程設(shè)定的要求傳送流體來(lái)注滿(mǎn)或排空儲(chǔ)存器例如水箱。通常，這種應(yīng)用基于感測(cè)兩個(gè)表面水平來(lái)進(jìn)行:高表面水平和低表面水平。例如，在廢水存儲(chǔ)系統(tǒng)中，在達(dá)到儲(chǔ)存器的高表面水平時(shí)泵可以啟動(dòng)，并且相應(yīng)地在處于低表面水平時(shí)泵可以停止。儲(chǔ)存器的滿(mǎn)或空通常借助于安裝到儲(chǔ)存器中的外部低水平傳感器和外部高水平傳感器來(lái)檢測(cè)。在這樣的應(yīng)用中通常使用定速泵。然而，這樣的應(yīng)用的能量效率會(huì)很差。出于安全原因定速泵會(huì)尺寸過(guò)大。這會(huì)不必要地增大泵送任務(wù)的能量消耗。當(dāng)嘗試遵守泵送過(guò)程的安全要求時(shí)會(huì)難以避免尺寸過(guò)大。另外，在泵送任務(wù)期間泵送過(guò)程的靜揚(yáng)程(static head)會(huì)變化。由于上述理由，實(shí)際上不可能在泵送系統(tǒng)定速操作的情況下實(shí)現(xiàn)最小的能量消耗。例如，可以通過(guò)最優(yōu)化泵送過(guò)程和/或泵送系統(tǒng)部件來(lái)提高能量效率。也可以通過(guò)使用對(duì)泵操作的高能效控制、例如通過(guò)使用變速驅(qū)動(dòng)器來(lái)提高能量效率。美國(guó)專(zhuān)利公布US 2010/0312400 Al公開(kāi)了一種用于優(yōu)化泵裝置的能量效率的方法和系統(tǒng)。在該公布中，泵送操作的能量效率以術(shù)語(yǔ)“能量消耗”(此術(shù)語(yǔ)在文獻(xiàn)中也被稱(chēng)為能量消耗率Es)來(lái)量化，術(shù)語(yǔ)“能量消耗”表示用于傳送單位體積的流體所需要的能量(或功率)的量。所述方法設(shè)法求得下述轉(zhuǎn)速，在該轉(zhuǎn)速下所得到的泵送系統(tǒng)的能量消耗為最小。專(zhuān)利公布US 2010/0312400 Al中公開(kāi)的方法和系統(tǒng)利用了用于確定泵裝置的能量消耗特征的臨時(shí)安裝的或永久性的流傳感器。然而，流傳感器昂貴并且容易發(fā)生故障。該美國(guó)專(zhuān)利公布所公開(kāi)的方法在選擇最優(yōu)轉(zhuǎn)速時(shí)也沒(méi)有考慮變化的過(guò)程參數(shù)、例如泵送期間變化的靜揚(yáng)程的影響。實(shí)際上，系統(tǒng)特征的變化會(huì)對(duì)泵系統(tǒng)的能量消耗特征和能量消耗最小值的位置有影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種方法和用于實(shí)現(xiàn)該方法的設(shè)備以減緩上述缺點(diǎn)。本發(fā)明的目的通過(guò)下述方法和設(shè)備實(shí)現(xiàn)，所述方法和設(shè)備的特征在于獨(dú)立權(quán)利要求中所述的內(nèi)容。本發(fā)明的一些實(shí)施方式在從屬權(quán)利要求中公開(kāi)。通過(guò)使用所公開(kāi)的方法可以提高傳統(tǒng)定速泵送系統(tǒng)的能量效率。另外，所公開(kāi)的方法也可以用來(lái)改進(jìn)已配備有變頻器的變速驅(qū)動(dòng)泵送系統(tǒng)的操作和能量效率。在所公開(kāi)的方法中，首先識(shí)別泵送過(guò)程。基于所識(shí)別的過(guò)程，可以形成能量效率最優(yōu)化特征。泵送系統(tǒng)最優(yōu)化特征可以例如通過(guò)作為泵的轉(zhuǎn)速和泵送系統(tǒng)的靜揚(yáng)程的函數(shù)的泵送系統(tǒng)的能量消耗率來(lái)表示。在接下來(lái)的段落中，術(shù)語(yǔ)“靜揚(yáng)程”用于泵為提供流需要克服的系統(tǒng)靜揚(yáng)程。
最優(yōu)化特征于是可以用于例如通過(guò)基于當(dāng)前靜揚(yáng)程調(diào)整泵的轉(zhuǎn)速來(lái)使能量消耗最小化。所述方法可以例如用于補(bǔ)償可能的泵的尺寸過(guò)大。此外，該方法可以用于使泵的轉(zhuǎn)速適配于變化的靜揚(yáng)程。通過(guò)使用所公開(kāi)的方法,可以在不使用任何額外的傳感器例如流率(flow rate)傳感器或壓力差傳感器的情況下執(zhí)行泵送過(guò)程識(shí)別。因此，所公開(kāi)的方法的實(shí)現(xiàn)可以只需要安裝變頻器，或可替換地如果變頻器已經(jīng)控制泵送系統(tǒng)操作、則所公開(kāi)的方法的實(shí)現(xiàn)可以只需要在變頻器內(nèi)安裝新的固件。泵送系統(tǒng)內(nèi)的其他變化都不是必須需要的。系統(tǒng)識(shí)別和轉(zhuǎn)速最優(yōu)化兩者都可以是全自動(dòng)的操作。


接下來(lái)，將參照附圖借助于優(yōu)選實(shí)施方式來(lái)對(duì)本發(fā)明進(jìn)行更詳細(xì)的描述，在附圖中:圖1a和圖1b示出泵特征的示例；圖2a和圖2b不出用于排空儲(chǔ)存器的不例性實(shí)施方式；圖3示出仿真的能量消耗率曲線；圖4示出所公開(kāi)方法的實(shí)施方式中使用的轉(zhuǎn)速斜坡曲線圖；圖5a和圖5b以線性斜坡速度曲線圖和一組恒定轉(zhuǎn)速示出示例性?xún)?chǔ)存器排空應(yīng)用的仿真的能量消耗和持續(xù)時(shí)間；圖6示出系統(tǒng)特征曲線和泵尺寸過(guò)大對(duì)操作點(diǎn)位置的影響；圖7a和圖7b以不同轉(zhuǎn)速曲線圖示出單個(gè)儲(chǔ)存器排空應(yīng)用的能量消耗和持續(xù)時(shí)間；以及圖8a和圖8b以不同轉(zhuǎn)速曲線圖示出表示為能量消耗率幅度的仿真結(jié)果。
具體實(shí)施例方式可通過(guò)使用能夠適配于不同系統(tǒng)特征和操作情況的方法來(lái)提高傳統(tǒng)定速或變速泵送系統(tǒng)的能量效率。在接下來(lái)的段落中公開(kāi)了一種用于優(yōu)化泵送系統(tǒng)的能量效率的方法，所述泵送系統(tǒng)包括至少一個(gè)控制儲(chǔ)存器的流體水平的泵。所公開(kāi)的方法可以補(bǔ)償泵可能的尺寸過(guò)大。該方法還可以在例如注滿(mǎn)或排空儲(chǔ)存器期間使泵的操作適配于變化的靜揚(yáng)程。除增加用于控制泵的變頻器之外，利用該方法未必需要對(duì)現(xiàn)有的傳統(tǒng)的定速系統(tǒng)做任何其他主要的修改。如果泵送系統(tǒng)的操作已經(jīng)由變頻器控制，則更新該變頻器的固件就足夠了。系統(tǒng)識(shí)別和轉(zhuǎn)速最優(yōu)化二者都可以是全自動(dòng)的操作。所公開(kāi)的方法包括兩個(gè)階段:系統(tǒng)識(shí)別階段和能量效率最優(yōu)化階段。在系統(tǒng)識(shí)別階段中，首先識(shí)別泵送過(guò)程。所述系統(tǒng)識(shí)別階段可以是歐洲專(zhuān)利申請(qǐng)EP 2 354 556Al[l], [2]中所公開(kāi)的方法的修改版本。例如，泵送過(guò)程可以通過(guò)下述操作被識(shí)別:確定泵的泵特征，以一系列流率狀態(tài)操作泵，以及確定一組數(shù)據(jù)點(diǎn)，其中所述組中的數(shù)據(jù)點(diǎn)包含關(guān)于系統(tǒng)揚(yáng)程和上述系列內(nèi)的流率的信息。通常，泵特征可以在制造商公布的泵的數(shù)據(jù)手冊(cè)中找到。
基于上述泵特征和一組數(shù)據(jù)點(diǎn)，可以計(jì)算能量效率最優(yōu)化特征。所述最優(yōu)化特征可以例如由作為轉(zhuǎn)速和靜揚(yáng)程的函數(shù)的能量消耗率來(lái)表示。系統(tǒng)識(shí)別階段之后，可以執(zhí)行能量效率最優(yōu)化階段。在此階段中，可以通過(guò)基于靜揚(yáng)程調(diào)整泵的泵控制參數(shù)例如轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩，來(lái)將最優(yōu)化特征用于使能量消耗最小化。當(dāng)前靜揚(yáng)程例如可以基于當(dāng)前系統(tǒng)揚(yáng)程值來(lái)確定。于是，可以至少基于最優(yōu)化特征和當(dāng)前靜揚(yáng)程值來(lái)選擇用于使能量消耗最小化的泵控制參數(shù)的值。最終，可以基于泵控制參數(shù)操作泵。例如，變頻器可以基于所選擇的轉(zhuǎn)速來(lái)控制栗。泵的泵特征和一般性能可以由作為恒定轉(zhuǎn)速I(mǎi)itl下的流率Q的函數(shù)的效率η、軸功率消耗P以及揚(yáng)程H的特征曲線來(lái)表示。圖1a和圖1b示出泵特征的示例。圖1a示出泵QH特征曲線，其中，標(biāo)稱(chēng)轉(zhuǎn)速下的泵的總揚(yáng)程表示為流率的函數(shù)。圖1b示出泵QP特征曲線，其中，標(biāo)稱(chēng)轉(zhuǎn)速下的泵軸功率消耗表示為流率的函數(shù)。因?yàn)樽冾l器驅(qū)動(dòng)的泵可以以各種轉(zhuǎn)速操作，所以可能需要將泵特征曲線轉(zhuǎn)換為瞬時(shí)轉(zhuǎn)速。這可以使用如下相似定律(affinity law)來(lái)執(zhí)行:
權(quán)利要求
1.一種用于最優(yōu)化泵送系統(tǒng)的能量效率的方法，所述泵送系統(tǒng)包括至少一個(gè)控制儲(chǔ)存器的流體水平的泵，所述方法包括系統(tǒng)識(shí)別階段和能量效率最優(yōu)化階段，其中所述系統(tǒng)識(shí)別階段包括: 確定所述泵的泵特征， 以一系列流率狀態(tài)操作所述泵， 確定一組數(shù)據(jù)點(diǎn)，其中，所述組中的數(shù)據(jù)點(diǎn)包含關(guān)于系統(tǒng)揚(yáng)程的信息以及關(guān)于所述系列內(nèi)的流率的信息， 基于所述泵特征和所述一組數(shù)據(jù)點(diǎn)計(jì)算能量效率最優(yōu)化特征，以及 其中，所述能量效率最優(yōu)化階段在所述系統(tǒng)識(shí)別階段之后被執(zhí)行，并且包括: 確定當(dāng)前靜揚(yáng)程值， 基于至少所述最優(yōu)化特征以及所述當(dāng)前揚(yáng)程值為泵控制參數(shù)選擇能量消耗最小化值， 基于所述泵控制參數(shù)操作所述泵。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述計(jì)算能量效率最優(yōu)化特征包括: 基于所述流率和所述系統(tǒng)揚(yáng)程的值的集合計(jì)算下述系統(tǒng)特征，所述系統(tǒng)特征表示針對(duì)所述泵設(shè)定的垂直流體提升要求對(duì)所述系統(tǒng)揚(yáng)程的影響以及所述流率對(duì)所述系統(tǒng)揚(yáng)程的影響，以及 基于所述泵特征和所述系統(tǒng)特征計(jì)算所述泵的能量效率最優(yōu)化特征。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其中，所述能量效率最優(yōu)化特征表示作為所述靜揚(yáng)程以及所述泵的轉(zhuǎn)速的函數(shù)的、所述泵傳送的每體積的能量消耗。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述確定一組數(shù)據(jù)點(diǎn)包括: 確定泵的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩， 基于所述轉(zhuǎn)速和所述轉(zhuǎn)矩確定所述泵的功率， 基于所述功率、所述泵特征和所述轉(zhuǎn)速確定所述流率。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述確定一組數(shù)據(jù)點(diǎn)包括: 基于所述流率、所述泵特征和所述轉(zhuǎn)速確定所述系統(tǒng)揚(yáng)程。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中，所述確定所述流率包括: 基于所述功率、泵QP特征曲線、轉(zhuǎn)速和相似定律確定所述流率。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中，所述確定所述系統(tǒng)揚(yáng)程包括: 基于所述流率、泵QH特征曲線、轉(zhuǎn)速和相似定律確定所述系統(tǒng)揚(yáng)程。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述能量效率最優(yōu)化階段中的所述泵控制參數(shù)是所述泵的所述轉(zhuǎn)速。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的方法，其中，在所述系統(tǒng)識(shí)別階段中操作所述泵包括使所述泵的所述流率在啟動(dòng)時(shí)逐漸增加。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述方法包括: 計(jì)算泵送任務(wù)期間的當(dāng)前能量消耗， 存儲(chǔ)關(guān)于所述當(dāng)前能量消耗的信息，以及 基于所述當(dāng)前能量消耗與所存儲(chǔ)的信息之間的比較檢測(cè)泵狀態(tài)和性能的下降。
11.一種用于最優(yōu)化泵系統(tǒng)的能量效率的設(shè)備，所述泵系統(tǒng)包括至少一個(gè)控制容器的流體水平的泵，所述設(shè)備針對(duì)系統(tǒng)識(shí)別階段包括:用于確定所述泵的泵特征的裝置， 用于以一系列流率狀態(tài)操作泵的裝置， 用于確定一組數(shù)據(jù)點(diǎn)的裝置，其中所述組中的數(shù)據(jù)點(diǎn)包含關(guān)于系統(tǒng)揚(yáng)程以及所述系列內(nèi)的流率的信息， 用于基于所述泵特征以及所述一組數(shù)據(jù)點(diǎn)計(jì)算能量效率最優(yōu)化特征的裝置，以及， 所述設(shè)備針對(duì)在所述系統(tǒng)識(shí)別階段之后執(zhí)行的能量效率最優(yōu)化階段包括: 用于確定當(dāng)前靜揚(yáng)程值的裝置， 用于基于至少所述最優(yōu)化特征和所述當(dāng)前靜揚(yáng)程值為泵控制參數(shù)選擇能量消耗最小化值的裝置， 用于基于所述泵控制參 數(shù)操作所述泵的裝置。
全文摘要
一種用于最優(yōu)化泵送系統(tǒng)的能量效率的方法和設(shè)備，所述泵送系統(tǒng)包括至少一個(gè)控制儲(chǔ)存器內(nèi)的流體水平的泵。所述方法包括系統(tǒng)識(shí)別階段和能量效率最優(yōu)化階段。系統(tǒng)識(shí)別階段包括確定泵的泵特征、以一系列流率狀態(tài)操作所述泵、確定一組數(shù)據(jù)點(diǎn)以及計(jì)算能量效率最優(yōu)化特征。能量效率最優(yōu)化階段包括確定當(dāng)前靜揚(yáng)程值、為泵控制參數(shù)選擇值以及基于所述泵控制參數(shù)操作泵。
文檔編號(hào)F04B49/06GK103185003SQ20121057663
公開(kāi)日2013年7月3日 申請(qǐng)日期2012年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月27日
發(fā)明者耶羅·阿霍拉, 泰羅·阿霍寧, 尤西·塔米寧 申請(qǐng)人:Abb公司