專利名稱:不使用傳統(tǒng)傳感器的確定泵流量的方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及具有包括離心泵的泵的泵系統(tǒng);并且特別涉及不使用傳統(tǒng)傳感器的確定泵流量的方法。
背景技術(shù):
泵設(shè)備在本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)是已知的,與其關(guān)聯(lián)的技術(shù)和它們的缺點(diǎn)如下眾所周知,泵控制器應(yīng)用泵切割定律(Pump Affinity Law),這些定律是對轉(zhuǎn)速和葉輪調(diào)整如何影響離心泵的性能(流量,壓頭,功率)的近似。雖然切割定律對于一般估計(jì)是有效的,但功率的因子系數(shù)經(jīng)常導(dǎo)致基于泵的運(yùn)行轉(zhuǎn)速、大小和特定轉(zhuǎn)速的對功率的估計(jì)過高或過低。這種誤差直接影響到可處在可編程邏輯控制器(PLC)、集散控制系統(tǒng)(DCS)和變頻驅(qū)動(VFD)內(nèi)的泵保護(hù)和流量預(yù)測的算法。
此外,在建立泵性能映射時,實(shí)際的泵性能與標(biāo)準(zhǔn)性能曲線間的偏差顯著地降低了流量和/或泵條件估計(jì)的準(zhǔn)確性。對此最普遍的解決方案是執(zhí)行在多種轉(zhuǎn)速下的泵性能測試,以確認(rèn)精確的泵性能。然而,這種解決方案可能是及時的、專用的和高成本的??紤]到這種情況,在本行業(yè)中需要有一種技術(shù)可以克服切割定律的誤差。
授予Moeller的美國專利No.6,715,996 B2公開了一種離心泵的操作方法,這種方法在兩種轉(zhuǎn)速上對處在閥關(guān)閉的條件下的泵功率進(jìn)行采樣,確定寄生損耗,以及計(jì)算在其他頻率上的調(diào)整功率以確定泵是否操作在閥關(guān)閉的條件下。然而,象這樣校正處在閥關(guān)閉的條件下的功率的方法在電機(jī)轉(zhuǎn)速低于額定轉(zhuǎn)速的50%時精度開始降低,因此限制了應(yīng)用的范圍。這種在其他轉(zhuǎn)速的功率值之間進(jìn)行內(nèi)插的方法部分基于切割定律,因而不夠精確。
授予Witzel、Rolf等人的PCT WO 2005/064167 A1公開了一種技術(shù),這種技術(shù)使用了經(jīng)校準(zhǔn)的功率/差壓對流量對轉(zhuǎn)速的曲線。經(jīng)校準(zhǔn)的數(shù)據(jù)存儲起來,并且與當(dāng)前值相比較,以確定泵的流量。這種技術(shù)需要差壓發(fā)送器,并且要求將功率/差壓對流量的校準(zhǔn)曲線存儲在估值設(shè)備內(nèi)。這種方法是對于獲得流量來說是專用的,因此降低了在現(xiàn)場設(shè)置期間的靈活性。它也不容易為了補(bǔ)償磨損進(jìn)行調(diào)整。
授予Henyan的美國專利No.6,591,697公開了使用電機(jī)轉(zhuǎn)矩測量確定泵的流速的方法,其闡明了轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速對泵流速的關(guān)系和使用變頻驅(qū)動(VFD)調(diào)整離心泵轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)泵流量的能力。然而,這種技術(shù)利用在為若干專用的轉(zhuǎn)速上校準(zhǔn)的流量對轉(zhuǎn)矩曲線,因此降低了在現(xiàn)場設(shè)置期間的靈活性。它也不容易為補(bǔ)償磨損進(jìn)行調(diào)整。
授予Sabini等人的美國專利No.6,464,464 B2公開了一種用于基于使用VFD調(diào)節(jié)離心泵的流量、壓力或轉(zhuǎn)速的控制和泵保護(hù)算法的控制泵系統(tǒng)的設(shè)備和方法。然而,這種技術(shù)需要使用輔助的測量儀表,這增加了驅(qū)動系統(tǒng)的成本和復(fù)雜性,而且添加了可能的故障點(diǎn)和不必要的成本。它也利用在若干專用的轉(zhuǎn)速上校準(zhǔn)的流量對TDH曲線,因此降低了在現(xiàn)場設(shè)置期間的靈活性。
此外,在對本發(fā)明進(jìn)行專利性搜索中發(fā)現(xiàn)有以下專利。這些專利的概要如下。
專利No.4,358,821公開了一種在過程量控制中結(jié)合變化流量的方法和設(shè)備,其中對通過的流量進(jìn)行測量,通過對測量結(jié)果積分確定流過過程的物質(zhì)的量。
專利No.5,213,477公開了一種用于泵傳送流速控制的設(shè)備,其中最大允許流量基于可得到的與所需要的凈正吸入壓頭(NPSH)之間的關(guān)系確定。
專利No.6,424,873公開了一種方法和系統(tǒng),用于基于在PID計(jì)算中不包括主PID控制器的積分計(jì)算組件或者只包括其一部分的技術(shù),限制PID控制器內(nèi)的積分計(jì)算組件。
專利No.6,546,295公開了一種在工業(yè)過程中調(diào)諧過程控制回路的方法,其中通過確定相互作用的控制器的控制參數(shù)細(xì)調(diào)現(xiàn)場設(shè)備和過程控制器,以提供所希望的過程可變性。
專利No.6,554,198公開了一種用于基于涉及計(jì)算氣流給定值與所測量的氣流之間的誤差的技術(shù),在與壓力無關(guān)的變風(fēng)量(VAV)溫度控制系統(tǒng)內(nèi)控制VAV盒的斜率預(yù)測控制和數(shù)字PID控制。
專利公開No.2004/0267395公開了一種系統(tǒng)和方法,用于基于某種技術(shù),對機(jī)器選擇、整合和使用進(jìn)行動態(tài)多對象的優(yōu)化,其中在所述技術(shù)中基于所分析的診斷和機(jī)器數(shù)據(jù)的函數(shù)修改工業(yè)自動化系統(tǒng)內(nèi)的資源利用。
專利公開No.2005/0237021公開了一種以恒定平均流速抽吸流體的方法和設(shè)備的施工機(jī)械的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動設(shè)備。
上面所提到的專利或公開都沒有提示或建議在這里所說明的不使用傳統(tǒng)傳感器的確定泵流量的技術(shù)。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種新穎獨(dú)特的不使用傳統(tǒng)傳感器的確定離心泵、離心攪拌機(jī)、離心鼓風(fēng)機(jī)或離心壓縮機(jī)內(nèi)泵流量的方法,這種方法的特征步驟是創(chuàng)建在若干轉(zhuǎn)速下處在閥關(guān)閉的條件的校準(zhǔn)的功率曲線;根據(jù)泵的功率比從功率對流量曲線計(jì)算系數(shù);以及為在當(dāng)前操作點(diǎn)的流量解功率方程。
可以通過在使泵在關(guān)閉泄放閥的情況下操作時將泵的轉(zhuǎn)速從最小轉(zhuǎn)速遞增到最大轉(zhuǎn)速和采集在若干轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)速和功率數(shù)據(jù)來創(chuàng)建校準(zhǔn)的功率曲線。該數(shù)據(jù)用來校正在額定轉(zhuǎn)速時對于關(guān)閉功率和最佳效率點(diǎn)功率的所公布的性能,以確定泵的功率比。它還用來精確地確定在當(dāng)前操作轉(zhuǎn)速時的閥關(guān)閉的功率。這是必需的,因?yàn)樗嫉男阅軘?shù)據(jù)通常由于密封損耗、磨損、澆鑄偏差等與實(shí)際數(shù)據(jù)不同。
泵的功率比用下式計(jì)算Pratio=Pshutoff@100%/PBEP_corr。
功率方程例如可以包括使用來自歸一化的功率對流量曲線的系數(shù)形成的三階多項(xiàng)式方程,并且可以為多項(xiàng)式功率方程內(nèi)的轉(zhuǎn)速和液壓效率進(jìn)行校正。此外,可以確定復(fù)數(shù)根,以用Muller方法或某些其他適當(dāng)?shù)姆椒ń馊A多項(xiàng)式方程,并且可以確定在特定操作點(diǎn)的所計(jì)算的實(shí)際流量。
這種方法的各個步驟可以在具有一個或多個實(shí)現(xiàn)在這里所提出的功能的模塊的變頻驅(qū)動(VFD)以及可編程邏輯控制器(PLC)上執(zhí)行。
本發(fā)明還可以包括具有一個或多個配置成實(shí)現(xiàn)在這里所提出的功能的模塊的控制器以及具有這樣的控制器的泵系統(tǒng)。
本說明書包括以下附圖,其中圖1為按照本發(fā)明的基本泵系統(tǒng)的方框圖;圖2為按照本發(fā)明由圖1所示的控制器執(zhí)行的基本步驟的流程圖;圖3為圖1中所示的用于執(zhí)行圖2所示的基本步驟的控制器的方框圖;圖4為使用諸如三次內(nèi)插、方法X和切割定律之類的各種方法的%誤差(HP)對轉(zhuǎn)速(RPM)的曲線圖;圖5為在閥關(guān)閉的條件下對于實(shí)際驅(qū)動功率、調(diào)諧功率和切割方法的功率(HP)對轉(zhuǎn)速(RPM)的曲線圖;圖6為對于實(shí)際驅(qū)動功率的功率(BHP)對流量(GPM)的曲線圖,其中還為每個數(shù)據(jù)組示出了報(bào)價書(pricebook)(帶密封的)公布的數(shù)據(jù)和用多項(xiàng)式曲線擬合的調(diào)諧功率校正的數(shù)據(jù);圖7為在RPM為1700、2200、2800、3570時實(shí)際的和作為所計(jì)算的%功率(HP)對%流量(RPM)的歸一化曲線圖;以及圖8為對于實(shí)際流量和所計(jì)算流量的調(diào)諧功率(BHP)對流量(GPM)的曲線圖。
具體實(shí)施例圖1示出了總體指示為2的按照本發(fā)明的基本泵系統(tǒng),它具有控制器4、電機(jī)6和泵8。在操作中,按照本發(fā)明,控制器4用來在不使用傳統(tǒng)傳感器的情況下,基于與在此所示和所說明的一致的某種技術(shù)確定泵流量,其中所述技術(shù)創(chuàng)建在若干轉(zhuǎn)速下的處在閥關(guān)閉的條件校準(zhǔn)的功率曲線;基于泵的功率比從功率對流量曲線計(jì)算系數(shù);以及為在當(dāng)前操作點(diǎn)的流量解功率方程。
圖2以實(shí)例的方式示出了總體指示為10的流程圖,它具有可以由控制器4按照本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的泵流量確定算法的基本步驟10a、10b、10c。所確定的流量值還可以用作給PID控制回路的輸入來控制流量,而不需要外部流量計(jì)或傳統(tǒng)的測量儀表。流量確定算法可以嵌入變頻驅(qū)動或可編程邏輯控制器,如以上對圖1中的控制器4所說明的那樣。
按照本發(fā)明,可以通過在使泵在關(guān)閉泄放閥的情況下操作時將泵的轉(zhuǎn)速從最小轉(zhuǎn)速遞增到最大轉(zhuǎn)速來創(chuàng)建校準(zhǔn)的功率曲線。這數(shù)據(jù)用來校正所公布的在額定轉(zhuǎn)速的關(guān)閉功率和最佳效率點(diǎn)功率的性能,以確定泵的功率比。它還用來精確確定在當(dāng)前操作轉(zhuǎn)速的閥關(guān)閉的功率。
泵的功率比可以用下式計(jì)算Pratio=Pshutoff@100%/PBEP_corr.
功率方程例如可以包括使用來自歸一化的功率對流量曲線的系數(shù)形成的三階多項(xiàng)式方程,可以為多項(xiàng)式功率方程內(nèi)的轉(zhuǎn)速和液壓效率進(jìn)行一些校正。此外,可以確定復(fù)數(shù)根,以用Muller方法或某些其他適當(dāng)方法解這個三階多項(xiàng)式方程,從而可以確定在特定操作點(diǎn)的所計(jì)算的實(shí)際流量。
本發(fā)明的一個優(yōu)點(diǎn)是通過在閥關(guān)閉的條件下對各轉(zhuǎn)速的功率進(jìn)行采樣克服了切割定律的誤差,從而能生成精確的處在關(guān)閉條件的功率曲線。通過使用獨(dú)有的三次內(nèi)插方法,就能在寬的速率范圍內(nèi)精確地確定處在閥關(guān)閉的條件的泵功率。見圖4和5中所示的曲線。
由于線性改變的泵密封損耗,使用所公布的泵性能曲線數(shù)據(jù)的功率通常與實(shí)際功率不同。在關(guān)閉條件的實(shí)際功率與所公布的功率之差可用來偏置(調(diào)整)所公布的曲線在泵的最佳效率點(diǎn)(BEP)處的功率,因?yàn)槊芊鈸p耗對于給定的轉(zhuǎn)速是不變的。這個途徑消除了對高度精確的泵性能曲線(例如,工廠測試)或較為復(fù)雜的現(xiàn)場校準(zhǔn)過程的需要。這個過程創(chuàng)建了較精確的對PBEP和PSO在不同的轉(zhuǎn)速的估計(jì)。該數(shù)據(jù)于是能用來根據(jù)最少的外部數(shù)據(jù)對泵性能進(jìn)行較先進(jìn)的建模。
在三階功率方程內(nèi)整合歸一化功率系數(shù)的方法消除了對在不同轉(zhuǎn)速針對諸如轉(zhuǎn)矩、功率或壓力之類的參數(shù)執(zhí)行流量校準(zhǔn)的需要,消除了對外部發(fā)送器的需要,并且提供了現(xiàn)場設(shè)置期間的應(yīng)用靈活性。本發(fā)明能通過周期性地執(zhí)行下面在步驟A中所說明的調(diào)諧提供磨損補(bǔ)償。
圖3控制器4圖3示出了控制器4的基本模塊4a、4b、4c、4d。在該技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)已知有許多不同類型和種類的控制器和控制模塊可以用來對泵進(jìn)行控制。基于對這樣的已知控制器和控制模塊的了解,按照本發(fā)明,本領(lǐng)域的技術(shù)人員將能實(shí)現(xiàn)諸如4a、4b、4c之類的控制模塊和將它們配置成執(zhí)行與在這里所說明的一致的功能,包括創(chuàng)建在若干轉(zhuǎn)速下處在閥關(guān)閉的條件的校準(zhǔn)的功率曲線;根據(jù)泵的功率比計(jì)算歸一化功率曲線系數(shù);以及為在當(dāng)前操作點(diǎn)的流量解多項(xiàng)式功率方程,諸如圖2所示和以上所說明的那樣。舉例來說,模塊4a、4b、4c的功能可以用硬件、軟件、固件或它們的組合實(shí)現(xiàn),雖然本發(fā)明的范圍并不局限于本發(fā)明的任何具體實(shí)施例。在典型的軟件實(shí)現(xiàn)中,這樣一種模塊會是一個或多個基于微處理器的具有微處理器、隨機(jī)存取存儲器(RAM)、只讀存儲器(ROM)、輸入/輸出設(shè)備和連接它們的控制、數(shù)據(jù)和地址總線的體系結(jié)構(gòu)。本領(lǐng)域的技術(shù)人員不需要有太多的經(jīng)驗(yàn)就能對這樣的基于微處理器的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行編程以執(zhí)行在這里所說明的功能。本發(fā)明的范圍不局限于使用已知的或?qū)黹_發(fā)的技術(shù)的任何具體實(shí)施例。
控制器還具有在本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)已知的其他控制器模塊4d,這些模塊并不形成本發(fā)明的基本部分,因此在這里就不對它們進(jìn)行詳細(xì)說明。
電機(jī)6和泵8電機(jī)6和泵8在本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)是眾所周知的,在這里不作詳細(xì)說明。此外,本發(fā)明的范圍并不局限于現(xiàn)在已知的或?qū)黹_發(fā)的任何具體類型或種類的電機(jī)和泵。此外,本發(fā)明的范圍還應(yīng)包括使用按照本發(fā)明與控制離心泵、離心攪拌器、離心鼓風(fēng)機(jī)或離心壓縮機(jī)的操作有關(guān)的技術(shù)。
實(shí)現(xiàn)方式這種流量計(jì)算方法具有兩個基本步驟步驟A為創(chuàng)建在若干轉(zhuǎn)速下處在閥關(guān)閉的條件的校準(zhǔn)的功率曲線。
步驟B為根據(jù)泵的功率比計(jì)算歸一化功率曲線系數(shù)和為在當(dāng)前操作點(diǎn)的流量解三階多項(xiàng)式功率方程。
步驟A按照本發(fā)明的邏輯使得在泵在泄放閥關(guān)閉的情況下運(yùn)行時將泵的轉(zhuǎn)速從預(yù)定的最小轉(zhuǎn)速(例如最大轉(zhuǎn)速的30%)遞增到較高轉(zhuǎn)速(例如最大轉(zhuǎn)速的60%)。轉(zhuǎn)速比應(yīng)該是2∶1左右。然后,在這些轉(zhuǎn)速和在100%的最高轉(zhuǎn)速下測量功率,并且對于比重=1的情況予以校正。
在任何轉(zhuǎn)速的關(guān)閉功率于是能用獨(dú)有的三次內(nèi)插方法確定系數(shù)A-F計(jì)算如下A=(PSO_30%)/(N30%)B=(PSO_60%-PSO_30%)/(N60%-N30%)C=(B-A)/(N60%-N30%)D=(PSO_100%-PSO_60%)/(N100%-N60%)E=(D-B)/(N100%-N30%)F=(E-C)/(N100%)在任何轉(zhuǎn)速的關(guān)閉功率計(jì)算如下PSO_N%=A(NACT)+C(NACT)(NACT-N30%)+F(NACT)(NACT-N30%)(NACT-N60%),其中PSO_30%=PMeas_30%/SG為在經(jīng)按比重=1校正的在30%的電機(jī)額定轉(zhuǎn)速下測量的功率,PSO_60%=PMeas_60%/SG為在經(jīng)按比重=1校正的在60%的電機(jī)額定轉(zhuǎn)速下測量的功率,以及PSO_100%=PMeas_100%/SG為在經(jīng)按比重=1校正的在100%的電機(jī)額定轉(zhuǎn)速下測量的功率。
要指出的是,對于某些實(shí)施例,例如無密封泵,必須從所測量的關(guān)閉功率值中扣除渦流損耗估計(jì)。
還應(yīng)指出的是,對于某些實(shí)施例,諸如作用于比重不是1.0的液體的小的hp泵,在上面的關(guān)閉功率方程中可以對機(jī)械損耗(MechLoss)(例如密封和軸承)作如下補(bǔ)償
PSO_N=[(PMeas_N%-(Mech Loss×NAct/NRated))/SG]+(Mech Loss×NAct/NRated),其中SG=比重,N30%=30%的電機(jī)額定轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速,N60%=60%的電機(jī)額定轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速,以及N100%=100%的電機(jī)額定轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速。
圖5為示出調(diào)諧功率對轉(zhuǎn)速曲線與在閥關(guān)閉的(關(guān)閉)條件的切割定律功率校正對實(shí)際功率的相比較的情況的曲線圖。
在功率較高的泵中,在調(diào)諧期間必須限制轉(zhuǎn)速,以防止泵過熱。在這種情況下,在100%的轉(zhuǎn)速的功率可以用下式計(jì)算PSO_100%=(N100%/N60%)KSO×PSO_60%,其中,KSO為關(guān)閉指數(shù),典型值為3.0。
按照本發(fā)明的邏輯的最后一個步驟是估計(jì)在最佳效率點(diǎn)(BEP)的功率。這個函數(shù)依賴于雖然任何給定的泵的PBEP和PSO的實(shí)際值可能顯著偏離所公布的性能曲線但功率曲線的斜率保持相對不變的觀察。
PBEP corr=(PSO100%-PSO)+PBEP]]>其中PSO=來自所公布的曲線的處在100%轉(zhuǎn)速時的關(guān)閉條件的泵功率,以及PBEP=來自所公布的曲線的處在100%轉(zhuǎn)速時的BEP的泵功率。
圖6為示出調(diào)諧功率對流量的曲線與所公布的報(bào)價書曲線的關(guān)系的示圖。注意,這兩個曲線的斜率是相同的。
還可以采用其他較為不精確的近似,以獲得因子系數(shù)″KSO″,它可以通過如下地取功率比的自然對數(shù)與轉(zhuǎn)速比的自然對數(shù)之比加以估計(jì)KSO=LN(Pso1/Pso2)/LN(N1/N2)其中
Pso1=轉(zhuǎn)速為N1時所測量的關(guān)閉功率,以及Pso2=轉(zhuǎn)速為N2時測量的關(guān)閉功率。
在任何轉(zhuǎn)速時的關(guān)閉功率于是能確定為PSOxrpm=PSOyrpm×(Nxrpm/Nyrpm)KSO其中PSOxrpm=轉(zhuǎn)速為Nxrpm時的關(guān)閉功率,以及PSOyrpm=轉(zhuǎn)速為Nyrpm時的關(guān)閉功率。
步驟B為了確定所計(jì)算的流量值,根據(jù)泵的功率比計(jì)算歸一化功率曲線,其中PRatio=PSO_100%/PBEPcorr.
歸一化曲線對于泵的功率比和具體轉(zhuǎn)速是特定的。具體轉(zhuǎn)速為與離心泵的液壓性能有關(guān)的數(shù)值。
圖7以示例的方式示出具有PRatio=0.45和具體轉(zhuǎn)速為836的2×3-13端部抽吸泵的對于若干轉(zhuǎn)速所繪制的歸一化曲線的曲線圖。
下表示出了2×3-13泵在3570rpm時的流量和功率的實(shí)際的對歸一化的測試數(shù)據(jù)。
三階多項(xiàng)式功率方程用來自歸一化的功率對流量曲線的系數(shù)導(dǎo)出。在功率方程中為轉(zhuǎn)速和液壓效率作了校正。
歸一化的功率對流量曲線的系數(shù)a、b和c如下定義了歸一化曲線的形狀0=[(PBEPCORR(a))/((QBEP)3(ηHBEP_CORR))](QAct)3+[((NAct)(PBEPCORR)(b))/((NRated)(QBEP)2(ηHBEP_CORR))](QAct)2+[((NAct)2(PBEPCORR)(c))/((NRated)2(QBEP)(ηHBEP_CORR))](QAct)+(PSO_N%-(PACT/S.G.)),其中PBEPCORR=如在額定轉(zhuǎn)速從調(diào)諧功率曲線所確定的處在BEP的經(jīng)校正的泵功率,QBEP=在額定轉(zhuǎn)速時處在BEP的泵流量,ηHBEP_CORR=液壓效率校正,ηHBEP≅1-0.8/QBEP0.25,]]>所公布的值通常在0.7-0.95的范圍內(nèi),NAct=實(shí)際操作轉(zhuǎn)速,NRated=額定轉(zhuǎn)速,PSO_N%=在實(shí)際操作轉(zhuǎn)速時的泵關(guān)閉功率(根據(jù)調(diào)諧功率曲線確定),PACT=實(shí)際泵功率,S.G.=比重,以及QAct=在當(dāng)前操作轉(zhuǎn)速時所計(jì)算的實(shí)際流量。
還應(yīng)注意的是,對于某些實(shí)施例,例如用于比重為1.0之外的液體的小的hp泵,為了改善精度,在上面的功率方程中可以通過如下調(diào)整PACT對機(jī)械損耗(諸如密封和軸承)進(jìn)行補(bǔ)償PACTCORR=[((PACT-(Mech Loss×NAct/NRated))/S.G.)+(Mech Loss×NAct/NRated)]再次還要指出的是,對于有些諸如無密封泵之類的實(shí)施例,在上面的功率方程中必須從實(shí)際功率讀數(shù)中扣除渦流損耗估計(jì)。
然后,確定復(fù)數(shù)根,以便使用Muller方法或其他等效方法解三階多項(xiàng)式。然后,對于具體操作點(diǎn)確定所計(jì)算的實(shí)際流量。圖8示出了為三階多項(xiàng)式功率方程所繪制的計(jì)算的功率對流量曲線與由流量計(jì)讀數(shù)得到的實(shí)際流量數(shù)據(jù)的比較。
由于泵磨損將影響泵功率要求,從而降低流量精度,因此功率計(jì)算可以定期通過執(zhí)行如在步驟A所示的另一種校準(zhǔn)來加以補(bǔ)償。
其他可能的應(yīng)用其他可能的應(yīng)用包括至少以下所列泵負(fù)載監(jiān)視泵負(fù)載監(jiān)視取決于對泵功率曲線的精確建模,以識別最小流量和關(guān)閉條件。雖然大多數(shù)負(fù)載監(jiān)視只是監(jiān)視在一種轉(zhuǎn)速時的功率,但該邏輯能為可變轉(zhuǎn)速操作提供較為精確的負(fù)載監(jiān)視。
無傳感器的流量計(jì)算無傳感器的流量估計(jì)取決于精確的功率曲線以估計(jì)泵的流量。使用基本的切割定律可能損害在轉(zhuǎn)速降低時流量的精度。對于例如密封和軸承的損耗變得更為突出而不能根據(jù)切割定律化為因子的小型泵來說特別是如此。
泵保護(hù)算法無傳感器的流量測量可以給出操作條件的可靠指示,指出是在過載(流量過高)的條件下操作、低于最小泵流量(流量過低)的條件下操作,還是在關(guān)閉泄放閥的條件下操作。
本發(fā)明的范圍應(yīng)該理解的是,除非在這里另有說明,在這里對特定實(shí)施例所說明的任何特征、特性、替代或修改也可以應(yīng)用于或用于在這里所說明的任何其他實(shí)施例或與這些實(shí)施例結(jié)合。此外,這些附圖在這里沒有按比例繪制。
雖然本發(fā)明是關(guān)于其示例性實(shí)施例進(jìn)行說明的,但可以在這些示例性實(shí)施例中進(jìn)行前述和各種其他增添和省略,而不背離本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種確定離心泵、離心攪拌器、離心鼓風(fēng)機(jī)或離心壓縮機(jī)內(nèi)的泵流量的方法,包括創(chuàng)建在若干轉(zhuǎn)速下處在閥關(guān)閉的條件的校準(zhǔn)的功率曲線;根據(jù)泵的功率比從功率對流量曲線計(jì)算系數(shù);以及為在當(dāng)前操作點(diǎn)的流量解功率方程。
2.按照權(quán)利要求1所述的方法,其中該校準(zhǔn)的功率曲線是通過在使該泵在關(guān)閉泄放閥的情況下操作時將該泵的轉(zhuǎn)速從最小轉(zhuǎn)速遞增到最大轉(zhuǎn)速和采集在若干轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)速和功率數(shù)據(jù)來創(chuàng)建的。
3.按照權(quán)利要求2所述的方法,其中該閥關(guān)閉的功率數(shù)據(jù)按比重等于1進(jìn)行校正。
4.按照權(quán)利要求2所述的方法,其中對于應(yīng)用于比重不是1.0的液體的小的hp泵,在測量的閥關(guān)閉的功率讀數(shù)中可以如下對機(jī)械損耗(例如密封和軸承)進(jìn)行補(bǔ)償PSO_N=[(PMeas_N%-(Mech Loss×NAct/NRated))/SG]+(Mech Loss×NAct/NRated),其中SG=比重。
5.按照權(quán)利要求2所述的方法,其中對于無密封泵必須從實(shí)際閥關(guān)閉的功率讀數(shù)中扣除渦流損耗估計(jì)。
6.按照權(quán)利要求2所述的方法,其中對于功率較高的泵,為了使對受該泵作用的液體的加熱最小可以從下式計(jì)算在100%轉(zhuǎn)速時的關(guān)閉功率PSO_100%=(N100%/N60%)KSO×PSO_60%,其中,KSO為關(guān)閉指數(shù),典型值為3.0。
7.按照權(quán)利要求2所述的方法,其中在任何轉(zhuǎn)速時的閥關(guān)閉的功率可以由以下三次內(nèi)插方法精確地確定A=(PSO_30%)/(N30%),B=(PSO_60%-PSO_30%)/(N60%-N30%),C=(B-A)/(N60%-N30%),D=(PSO_100%-PSO_60%)/(N100%-N60%),E=(D-B)/((N100%-N30%),以及F=(E-C)/(N100%);以及其中,在任何轉(zhuǎn)速時的關(guān)閉功率計(jì)算如下PSO_N%=A(NACT)+C(NACT)(NACT-N30%)+F(NACT)(NACT-N30%)(NACT-N60%),其中PSO_30%=PMeas_30%/SG為按比重=1校正的在30%的電機(jī)額定轉(zhuǎn)速時測量的關(guān)閉功率,PSO_60%=PMeas_60%/SG為按比重=1校正的在60%的電機(jī)額定轉(zhuǎn)速時測量的關(guān)閉功率,以及PSO_100%=PMeas_100%/SG為按比重=1校正的在100%的電機(jī)額定轉(zhuǎn)速時測量的關(guān)閉功率。
8.按照權(quán)利要求2所述的方法,其中在額定轉(zhuǎn)速時處在該最佳效率點(diǎn)的該所公布的功率根據(jù)實(shí)際閥關(guān)閉的功率數(shù)據(jù)進(jìn)行校正。
9.按照權(quán)利要求8所述的方法,其中處在最佳效率點(diǎn)的該所公布的功率按照下式進(jìn)行校正PBEPcorr=(Pso100%-Pso)+PBEP,]]>其中PSO=來自所公布的曲線的在100%轉(zhuǎn)速時處在關(guān)閉的泵功率,PBEP=來自所公布的曲線的在100%轉(zhuǎn)速時處在BEP的泵功率,以及
10.按照權(quán)利要求1所述的方法,其中該泵的功率比由下式確定Pratio=Pshutoff@100%/PBEP_corr。
11.按照權(quán)利要求1所述的方法,其中該功率方程是使用來自該功率對流量曲線的系數(shù)導(dǎo)出的多項(xiàng)式方程。
12.按照權(quán)利要求11所述的方法,其中該多項(xiàng)式功率方程為0=[(PBEP CORR(a))/((QBEP)3(ηHBEP_CORR))](QAct)3+f((NAct)(PBEP CORR)(b))/((NRated)(QBEP)2(ηHBEP_CORR))](QAct)2+[((NAct)2(PBEP CORR)(c))/((NRated)2(QBEP)(ηHBEP_CORR))](QAct)+(PSO_N%-(PACT/S.G.)),其中PBEP CORP=如在額定轉(zhuǎn)速從調(diào)諧功率曲線所確定的處在BEP的經(jīng)校正的泵功率,QBEP=在額定轉(zhuǎn)速時處在BEP的泵流量,ηHBEP_CORR=液壓效率校正,ηHBEP≅1-0.8/QBEP0.25,]]>所公布的值通常在0.7-0.95的范圍內(nèi),NAct=實(shí)際操作轉(zhuǎn)速,NRated=額定轉(zhuǎn)速,PSO_N%=在實(shí)際操作轉(zhuǎn)速時的泵關(guān)閉功率(根據(jù)調(diào)諧功率曲線確定),PACT=實(shí)際泵功率,S.G.=比重,以及QAct=在當(dāng)前操作轉(zhuǎn)速時所計(jì)算的實(shí)際流量。
13.按照權(quán)利要求12所述的方法,其中對于用于比重為1.0之外的液體的小的hp泵的精度,可以在該多項(xiàng)式功率方程中通過如下調(diào)整PACT對機(jī)械損耗(例如密封和軸承)進(jìn)行補(bǔ)償PACT CORR=[((PACT-(Mech Loss×NAct/NRated))/S.G.)+(Mech Loss×NAct/NRated)]。
14.按照權(quán)利要求12所述的方法,其中對于無密封泵必須從該多項(xiàng)式功率方程內(nèi)的該實(shí)際功率讀數(shù)中扣除渦流損耗估計(jì)。
15.按照權(quán)利要求11所述的方法,其中對該多項(xiàng)式功率方程內(nèi)的轉(zhuǎn)速、液壓效率和比重進(jìn)行校正。
16.按照權(quán)利要求15所述的方法,其中確定復(fù)數(shù)根,以使用Muller方法或某些其他適當(dāng)?shù)姆椒ń庠摱囗?xiàng)式方程。
17.按照權(quán)利要求16所述的方法,其中為特定操作點(diǎn)確定該所計(jì)算的實(shí)際流量。
18.按照權(quán)利要求1所述的方法,其中該方法的各個步驟在變頻驅(qū)動(VFD)或可編程邏輯控制器(PLC)上執(zhí)行。
19.按照權(quán)利要求1所述的方法,其中該所確定的流量值可以用作給PID控制器的輸入來控制流量,而不需要流量計(jì)或其他外部測量儀表。
20.一種用于確定離心泵、離心攪拌器、離心鼓風(fēng)機(jī)或離心壓縮機(jī)內(nèi)的泵流量的控制器,包括配置成創(chuàng)建在若干轉(zhuǎn)速下處在閥關(guān)閉的條件的校準(zhǔn)的功率曲線的模塊;配置成根據(jù)泵的功率比從功率對流量曲線計(jì)算系數(shù)的模塊;以及配置成為在當(dāng)前操作點(diǎn)的流量解功率方程的模塊。
21.按照權(quán)利要求20所述的控制器,其中該校準(zhǔn)的功率曲線是通過在使該泵在關(guān)閉泄放閥的情況下操作時將該泵的轉(zhuǎn)速從最小轉(zhuǎn)速遞增到最大轉(zhuǎn)速和采集在若干轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)速和功率數(shù)據(jù)來創(chuàng)建的。
22.按照權(quán)利要求21所述的控制器,其中該閥關(guān)閉的功率數(shù)據(jù)按比重等于1進(jìn)行校正。
23.按照權(quán)利要求21所述的控制器,其中對于應(yīng)用于比重為1.0之外的液體的小的hp泵,在測量的閥關(guān)閉的功率讀數(shù)中可以如下對機(jī)械損耗(諸如密封和軸承)進(jìn)行補(bǔ)償PSO_N=[(PMeas_N%-(Mech Loss×NAct/NRated))/SG]+(Mech Loss×NAct/NRated),其中SG=比重。
24.按照權(quán)利要求21所述的控制器,其中對于無密封泵必須從實(shí)際閥關(guān)閉的功率讀數(shù)中扣除渦流損耗估計(jì)。
25.按照權(quán)利要求21所述的控制器,其中對于功率較高的泵,為了使對受該泵作用的液體的加熱最小可以從下式計(jì)算在100%轉(zhuǎn)速時的該關(guān)閉功率PSO_100%=(N100%/N60%)KSO×PSO_60%,其中,KSO為關(guān)閉指數(shù),典型值為3.0。
26.按照權(quán)利要求21所述的控制器,其中在任何轉(zhuǎn)速時的該閥關(guān)閉的功率可以由以下三次內(nèi)插方法精確地確定A=(PSO_30%)/(N30%),B=(PSO_60%-PSO_30%)/(N60%-N30%),C=(B-A)/(N60%-N30%),D=(PSO_100%-PSO_60%)/(N100%-N60%),E=(D-B)/(N100%-N30%),以及F=(E-C)/(N100%);以及其中,在任何轉(zhuǎn)速時的該關(guān)閉功率計(jì)算如下PSO_N%=A(NACT)+C(NACT)(NACT-N30%)+F(NACT)(NACT-N30%)(NACT-N60%),其中PSO_30%=PMeas_30%/SG為按比重=1校正的在30%的電機(jī)額定轉(zhuǎn)速時測量的關(guān)閉功率,PSO_60%=PMeas_60%/SG為按比重=1校正的在60%的電機(jī)額定轉(zhuǎn)速時測量的關(guān)閉功率,以及PSO_100%=PMeas_100%/SG為按比重=1校正的在100%的電機(jī)額定轉(zhuǎn)速時測量的關(guān)閉功率。
27.按照權(quán)利要求21所述的控制器,其中在額定轉(zhuǎn)速時處在該最佳效率點(diǎn)的該所公布的功率根據(jù)實(shí)際閥關(guān)閉的功率數(shù)據(jù)進(jìn)行校正。
28.按照權(quán)利要求27所述的控制器,其中處在最佳效率點(diǎn)的該所公布的功率按照下式進(jìn)行校正PBEPcorr=(Pso100%-Pso)+PBEP,]]>其中PSO=來自所公布的曲線的在100%轉(zhuǎn)速時處在關(guān)閉的泵功率,PBEP=來自所公布的曲線的在100%轉(zhuǎn)速時處在BEP的泵功率,以及
29.按照權(quán)利要求20所述的控制器,其中該泵的功率比由下式確定Pratio=Pshutoff@100%/PBEP_corr。
30.按照權(quán)利要求20所述的控制器,其中該功率方程是使用來自該功率對流量曲線的系數(shù)導(dǎo)出的多項(xiàng)式方程。
31.按照權(quán)利要求30所述的控制器,其中該多項(xiàng)式功率方程為0=[(PBEP CORR(a))/((QBEP)3(ηHBEP_CORR))](QAct)3+[((NAct)(PBEP CORR)(b))/((NRated)(QBEP)2(ηHBEP_CORR))](QAct)2+[((NAct)2(PBEP CORR)(c))/((NRated)2(QBEP)(ηHBEP_CORR))](QAct)+(PSO_N%-(PACT/S.G.)),其中PBEP CORR=如在額定轉(zhuǎn)速從調(diào)諧功率曲線所確定的處在BEP的經(jīng)校正的泵功率,QBEP=在額定轉(zhuǎn)速時處在BEP的泵流量,ηHBEP_CORR=液壓效率校正,ηHBEP≅1-0.8/QBEP0.25,]]>所公布的值通常在0.7-0.95的范圍內(nèi),NAct=實(shí)際操作轉(zhuǎn)速,NRated=額定轉(zhuǎn)速,PSO_N%=在實(shí)際操作轉(zhuǎn)速時的泵關(guān)閉功率(根據(jù)調(diào)諧功率曲線確定),PACT=實(shí)際泵功率,S.G.=比重,以及QAct=在當(dāng)前操作轉(zhuǎn)速時所計(jì)算的實(shí)際流量。
32.按照權(quán)利要求30所述的控制器,其中對于用于比重為1.0之外的液體的小的hp泵的精度,可以在該多項(xiàng)式功率方程中通過如下調(diào)整PACT對機(jī)械損耗(例如密封和軸承)進(jìn)行補(bǔ)償PACT CORR=[((PACT-(Mech Loss×NAct/NRated))/S.G.)+(Mech Loss×NAct/NRated)]。
33.按照權(quán)利要求30所述的控制器,其中對于無密封泵必須從該多項(xiàng)式功率方程內(nèi)的該實(shí)際功率讀數(shù)中扣除渦流損耗估計(jì)。
34.按照權(quán)利要求30所述的控制器,其中對該多項(xiàng)式功率方程內(nèi)的轉(zhuǎn)速、液壓效率和比重進(jìn)行校正。
35.按照權(quán)利要求34所述的控制器,其中確定復(fù)數(shù)根,以使用Muller方法或某些其他適當(dāng)?shù)姆椒ń庠摱囗?xiàng)式方程。
36.按照權(quán)利要求35所述的控制器,其中為特定操作點(diǎn)確定該所計(jì)算的實(shí)際流量。
37.按照權(quán)利要求20所述的控制器,其中該控制器包括變頻驅(qū)動(VFD)或可編程邏輯控制器(PLC)或者形成該變頻驅(qū)動或該可編程邏輯控制器的一部分。
38.按照權(quán)利要求20所述的控制器,其中該所確定的流量值可以用作給PID控制器的輸入來控制流量,而不需要流量計(jì)或其他外部測量儀表。
39.一種具有用于確定離心泵、離心攪拌器、離心鼓風(fēng)機(jī)或離心壓縮機(jī)內(nèi)的泵流量的控制器的泵系統(tǒng),所述控制器包括配置成創(chuàng)建在若干轉(zhuǎn)速下處在閥關(guān)閉的條件的校準(zhǔn)的功率曲線的模塊;配置成根據(jù)泵的功率比從功率對流量曲線計(jì)算系數(shù)的模塊;以及配置成為在當(dāng)前操作點(diǎn)的流量解功率方程的模塊。
40.按照權(quán)利要求39所述的泵系統(tǒng),其中該校準(zhǔn)的功率曲線是通過在使該泵在關(guān)閉泄放閥的情況下操作時將該泵的轉(zhuǎn)速從最小轉(zhuǎn)速遞增到最大轉(zhuǎn)速和采集在若干轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)速和功率數(shù)據(jù)來創(chuàng)建的。
41.按照權(quán)利要求40所述的泵系統(tǒng),其中該閥關(guān)閉的功率數(shù)據(jù)按比重等于1進(jìn)行校正。
42.按照權(quán)利要求40所述的泵系統(tǒng),其中對于應(yīng)用于比重為1.0之外的液體的小的hp泵,在測量的閥關(guān)閉的功率讀數(shù)中可以如下對機(jī)械損耗(諸如密封和軸承)進(jìn)行補(bǔ)償PSO_N=[(PMeas_N%-(Mech Loss×NAct/NRated))/SG]+(Mech Loss×NAct/NRated),其中SG=比重。
43.按照權(quán)利要求40所述的泵系統(tǒng),其中對于無密封泵必須從實(shí)際閥關(guān)閉的功率讀數(shù)中扣除渦流損耗估計(jì)。
44.按照權(quán)利要求40所述的泵系統(tǒng),其中對于功率較高的泵,為了使對受該泵作用的液體的加熱最小可以從下式計(jì)算在100%轉(zhuǎn)速時的該關(guān)閉功率PSO_100%=(N100%/N60%)KSO×PSO_60%,其中,KSO為關(guān)閉指數(shù),典型值為3.0。
45.按照權(quán)利要求40所述的泵系統(tǒng),其中在任何轉(zhuǎn)速時的該閥關(guān)閉的功率可以由以下三次內(nèi)插方法精確地確定A=(PSO_30%)/(N30%),B=(PSO_60%-PSO_30%)/(N60%-N30%),C=(B-A)/(N60%-N30%),D=(PSO_100%-PSO_60%)/(N100%-N60%),E=(D-B)/(N100%-N30%),以及F=(E-C)/(N100%);以及其中,在任何轉(zhuǎn)速時的該關(guān)閉功率計(jì)算如下PSO_N%=A(NACT)+C(NACT)(NACT-N30%)+F(NACT)(NACT-N30%)(NACT-N60%),其中PSO_30%=PMeas_30%/SG為按比重=1校正的在30%的電機(jī)額定轉(zhuǎn)速時測量的關(guān)閉功率,PSO_60%=PMeas_60%/SG為按比重=1校正的在60%的電機(jī)額定轉(zhuǎn)速時測量的關(guān)閉功率,以及PSO_100%=PMeas_100%/SG為按比重=1校正的在100%的電機(jī)額定轉(zhuǎn)速時測量的關(guān)閉功率。
46.按照權(quán)利要求40所述的泵系統(tǒng),其中在額定轉(zhuǎn)速時處在最佳效率點(diǎn)的該所公布的功率根據(jù)實(shí)際閥關(guān)閉的功率數(shù)據(jù)進(jìn)行校正。
47.按照權(quán)利要求46所述的泵系統(tǒng),其中處在最佳效率點(diǎn)的該所公布的功率按照下式進(jìn)行校正PBEPcorr=(Pso100%-Pso)+PBEP,]]>其中PSO=來自所公布的曲線的在100%轉(zhuǎn)速時處在關(guān)閉的泵功率,PBEP=來自所公布的曲線的在100%轉(zhuǎn)速時處在BEP的泵功率,以及
48.按照權(quán)利要求39所述的泵系統(tǒng),其中該泵的功率比由下式確定Pratio=Pshutoff@100%/PBEP_corr。
49.按照權(quán)利要求39所述的泵系統(tǒng),其中該功率方程是使用來自該功率對流量曲線的系數(shù)導(dǎo)出的多項(xiàng)式方程。
50.按照權(quán)利要求49所述的泵系統(tǒng),其中該多項(xiàng)式功率方程為0=[(PBEP CORR(a))/((QBEP)3(ηHBEP_CORR))](QAct)3+[((NAct)(PBEP CORR)(b))/((NRated)(QBEP)2(ηHBEP_CORR))](QAct)2+[((NAct)2(PBEP CORR)(c))/((NRated)2(QBEP)(ηHBEP_CORR))](QAct)+(PSO_N%-(PACT/S.G.)),其中PBEP CORR=如在額定轉(zhuǎn)速從調(diào)諧功率曲線所確定的處在BEP的經(jīng)校正的泵功率,QBEP=在額定轉(zhuǎn)速時處在BEP的泵流量,ηHBEP_CORR=液壓效率校正,ηHBEP≅1-0.8/QBEP0.25,]]>所公布的值通常在0.7-0.95的范圍內(nèi),NAct=實(shí)際操作轉(zhuǎn)速,NRated=額定轉(zhuǎn)速,PSO_N%=在實(shí)際操作轉(zhuǎn)速時的泵關(guān)閉功率(根據(jù)調(diào)諧功率曲線確定),PACT=實(shí)際泵功率,S.G.=比重,以及QAct=在當(dāng)前操作轉(zhuǎn)速時所計(jì)算的實(shí)際流量。
51.按照權(quán)利要求49所述的泵系統(tǒng),其中對于用于比重為1.0之外的液體的小的hp泵的精度,可以在該多項(xiàng)式功率方程中通過如下調(diào)整PACT對機(jī)械損耗(例如密封和軸承)進(jìn)行補(bǔ)償PACT CORR=[((PACT-(Mech Loss×NAct/NRated))/S.G.)+(Mech Loss×NAct/NRated)]。
52.按照權(quán)利要求49所述的泵系統(tǒng),其中對于無密封泵必須從該多項(xiàng)式功率方程內(nèi)的該實(shí)際功率讀數(shù)中扣除渦流損耗估計(jì)。
53.按照權(quán)利要求49所述的泵系統(tǒng),其中對該多項(xiàng)式功率方程內(nèi)的轉(zhuǎn)速、液壓效率和比重進(jìn)行校正。
54.按照權(quán)利要求53所述的泵系統(tǒng),其中確定復(fù)數(shù)根,以使用Muller方法或某些其他適當(dāng)?shù)姆椒ń庠摱囗?xiàng)式方程。
55.按照權(quán)利要求54所述的泵系統(tǒng),其中為特定操作點(diǎn)確定該所計(jì)算的實(shí)際流量。
56.按照權(quán)利要求39所述的泵系統(tǒng),其中該控制器包括變頻驅(qū)動(VFD)或可編程邏輯控制器(PLC)或者形成該變頻驅(qū)動或該可編程邏輯控制器的一部分。
57.按照權(quán)利要求39所述的泵系統(tǒng),其中該所確定的流量值可以用作給PID控制器的輸入來控制流量,而不需要流量計(jì)或其他外部測量儀表。
全文摘要
一種用于不使用傳統(tǒng)傳感器的確定泵流量的方法,包括下列步驟用于創(chuàng)建在若干轉(zhuǎn)速下處在閥關(guān)閉的條件的校準(zhǔn)的功率曲線;用于根據(jù)泵的功率比從歸一化的功率曲線計(jì)算系數(shù);以及用于為在當(dāng)前操作點(diǎn)的流量解多項(xiàng)式功率方程。可以通過在使泵在關(guān)閉泄放閥的情況下操作時將泵的轉(zhuǎn)速從最小轉(zhuǎn)速遞增到最大轉(zhuǎn)速來創(chuàng)建校準(zhǔn)的功率曲線。該數(shù)據(jù)用來校正在額定轉(zhuǎn)速時的關(guān)閉功率和最佳效率點(diǎn)功率的所公布的性能,以確定泵的功率比。它還用來精確地確定在當(dāng)前操作轉(zhuǎn)速時的閥關(guān)閉的功率。多項(xiàng)式的功率方程例如可以包括使用來自歸一化功率對流量曲線的系數(shù)形成的三階多項(xiàng)式方程,并且可以對多項(xiàng)式功率方程內(nèi)的轉(zhuǎn)速、液壓效率和比重進(jìn)行校正。
文檔編號F04D15/00GK101033748SQ20071000829
公開日2007年9月12日 申請日期2007年1月29日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月8日
發(fā)明者丹尼爾·J·克南, 尤金·P·薩比尼, 尼古拉斯·W·甘宗, 安東尼·E·斯塔瓦萊 申請人:Itt制造企業(yè)公司