用于调速器的水泵风机运行效率控制方法

1.一种用于调速器的水泵风机运行效率控制方法，所述调速器包括变频器、串级调速器、 电磁调速器和液力耦合器，所述方法是在常规单闭环控制的基础上增加运行效率控制单元， 其特征是：运行效率控制单元放在调节单元之后调速器之前，运行效率控制单元对水泵风机 的运行效率进行控制。
2.根据权利要求1所述的用于调速器的水泵风机运行效率控制方法，其特征是：运行效率 控制单元确定出水泵风机高效区对应的最低转速nmin和最高转速nmax；调节单元输出转速调 节信号ns至运行效率控制单元进行处理，运行效率控制单元输出能保持水泵风机运行在高 效区的转速调节信号ns’至调速器；ns＜nmin时，ns’＝nmin；ns＞nmax时，ns’＝nmax；nmin ≤ns≤nmax时，ns’＝ns。
3.根据权利要求1所述的用于调速器的水泵风机运行效率控制方法，其特征是：被控参数 为水泵出口压力时，运行效率控制单元确定出水泵运行高效区对应的最低转速nmin＝ne× [(Ps-Pe)÷H1]0.5，运行高效区对应的最高转速nmax＝ne×[(Ps-Pe)÷H2]0.5；(Ps-Pe)＞H1 时，取nmin＝ne；(Ps-Pe)＞H2时，取nmax＝ne；η1＝η2时，水泵在调速范围内运行效率 不低于η1，其中，Pe代表水泵进口的附加压力，Ps代表水泵出口的压力设定值，ne代表额定 转速，η1代表在最高效率ηmax左侧要求的运行效率，H1代表η1点对应的特征扬程，η2代表 在最高效率ηmax右侧要求的运行效率，H2代表η2点对应的特征扬程。
4.根据权利要求1所述的用于调速器的水泵风机运行效率控制方法，其特征是：被控参数 为风机出口压力时，运行效率控制单元确定出风机运行高效区对应的最低转速nmin＝ne× [(Ps-Pe)÷P1]0.5，运行高效区对应的最高转速nmax＝ne×[(Ps-Pe)÷P2]0.5；(Ps-Pe)＞ P1时，取nmin＝ne；(Ps-Pe)＞P2时，取nmax＝ne；η1＝η2时，风机在调速范围内运行效 率不低于η1，其中，Pe代表风机进口的附加压力，Ps代表风机出口的压力设定值，ne代表额 定转速，η1代表在最高效率ηmax左侧要求的运行效率，P1代表η1点对应的特征压力，η2代 表在最高效率ηmax右侧要求的运行效率，P2代表η2点对应的特征压力。
5.根据权利要求1所述的用于调速器的水泵风机运行效率控制方法，其特征是：被控参数 为水泵风机的流量时，运行效率控制单元确定出水泵风机运行高效区对应的最低转速nmin＝ne ×(QS÷Q2)，运行高效区对应的最高转速nmax＝ne×(QS÷Q1)；Qs＞Q2时，取nmin＝ne； Qs＞Q1时，取nmin＝ne；η1＝η2时，水泵风机在调速范围内运行效率不低于η1，其中， Qs代表水泵风机的流量设定值，ne代表额定转速，η1代表在最高效率ηmax左侧要求的运行效 率，Q1代表η1点对应的特征流量，η2代表在最高效率ηmax右侧要求的运行效率，Q2代表η2 点对应的特征流量。
6.根据权利要求1所述的用于调速器的水泵风机运行效率控制方法，其特征是：被控参数 不是水泵的压力和流量时，可以得到水泵的实际压力Pa，运行效率控制单元确定出水泵运行 高效区对应的最低转速nmin＝ne×[(Pa-Pe)÷H1]0.5，运行高效区对应的最高转速nmax＝ne ×[(Pa-Pe)÷H2]0.5；(Pa-Pe)＞H1时，取nmin＝ne；(Pa-Pe)＞H2时，取nmax＝ne；η1＝ η2时，水泵在调速范围内运行效率不低于η1，其中，Pa代表水泵的实际压力，Pe代表水 泵进口的附加压力，ne代表额定转速，η1代表在最高效率ηmax左侧要求的运行效率，H1代表 η1点对应的特征扬程，η2代表在最高效率ηmax右侧要求的运行效率，H2代表η2点对应的 特征扬程。
7.根据权利要求1所述的用于调速器的水泵风机运行效率控制方法，其特征是：被控参数 不是风机压力和流量时，可以得到风机的实际压力Pa，运行效率控制单元确定出风机运行高 效区对应的最低转速nmin＝ne×[(Pa-Pe)÷P1]0.5，运行高效区对应的最高转速nmax＝ne× [(Pa-Pe)÷P2]0.5；(Pa-Pe)＞P1时，取nmin＝ne；(Pa-Pe)＞P2时，取nmax＝ne；η1＝ η2时，风机在调速范围内运行效率不低于η1，其中，Pa代表风机的实际压力，Pe代表风机 进口的附加压力，ne代表额定转速，η1代表在最高效率ηmax左侧要求的运行效率，P1代表η 1点对应的特征压力，η2代表在最高效率ηmax右侧要求的运行效率，P2代表η2点对应的特征 压力。
8.根据权利要求1所述的用于调速器的水泵风机运行效率控制方法，其特征是：被控参数 不是水泵风机的压力和流量时，可以得到水泵风机的实际流量Qa，运行效率控制单元确定 出水泵风机运行高效区对应的最低转速nmin＝ne×(Qa÷Q2)，运行高效区对应的最高转速 nmax＝ne×(Qa÷Q1)；Qa＞Q2时，取nmin＝ne；Qa＞Q1时，取nmin＝ne；η1＝η2时，水 泵风机在调速范围内运行效率不低于η1，其中，Qa代表水泵风机的实际流量，ne代表额定 转速，η1代表在最高效率ηmax左侧要求的运行效率，Q1代表η1点对应的特征流量，η2代表 在最高效率ηmax右侧要求的运行效率，Q2代表η2点对应的特征流量。
9.权利书要求1所述的用于调速器的水泵风机运行效率控制方法，其特征是：运行效率控 制单元可以作为调速器的一部分置入调速器中。
10.权利书要求1所述的用于调速器的水泵风机运行效率控制方法，其特征是：运行效率控 制单元可以作为PID调节器、PLC可编程控制器、DCS控制控制装置、水泵风机专用控制器 功能的一部分置入PID调节器、PLC可编程控制器、DCS控制控制装置、水泵风机专用控制 器中；运行效率控制单元可以作为独立的水泵风机运行效率控制装置。

所属技术领域  本发明涉及用于调速器的水泵风机控制方法，尤其是能防止水泵风机运 行在低效区的用于调速器的水泵风机运行效率控制方法。
背景技术
为了满足工艺要求和实现节能，经常需要使用调速器对水泵风机的转速进行 调节，常用的调速器包括变频器、串级调速器、电磁调速器和液力耦合器等。目前公知的 用于调速器的水泵、风机控制方法是常规单闭环控制，根据工艺要求被控参数可以是压力、 流量、温度、浓度等，以保持水泵出口压力恒定为例，常规单闭环控制方法的控制框图如 图1，Ps为水泵出口压力设定值，水泵出口的实际压力为Pa，当压力传感器104测量出的 Pa低于设定值Ps时，调节单元101的输出增加，调速单元102使水泵103的转速升高，水 泵出口的实际压力Pa升高，如果Pa仍小于Ps，则水泵103的转速继续升高，直到Pa等于 Ps；当Pa高于设定值Ps时，调节单元101的转出降低，调速单元102使水泵103的转速 降低，水泵出口的实际压力Pa降低，如果Pa仍高于Ps，则水泵103的转速继续降低，直 到Pa等于Ps，这样就使得水泵的实际出口压力Pa保持在Ps附近。当被控参数是水泵流量、 混合介质温度或浓度时，同上述控制压力的调节过程基本相同，只是当被控参数为温度控 制时，根据水泵输送的介质是制冷介质还是加热介质水泵的调速方向会相反。常规单闭环 风机控制的原理与上述调节过程基本相同。有的调速器包含调节单元和调速单元，也有的 调速器只包含调速单元，调节单元是调速器之外的PID调节器、PLC可编程控制器、DCS控 制装置或水泵风机专用控制器。在常规的单闭环控制方法中，由于没有控制水泵风机运行 效率的措施，所以常会使水泵、风机的运行偏离高效区，进入低效运行状态，从而导致水 泵风机电耗的不合理升高。
发明内容
为了克服现有的水泵风机常规单闭环控制方法中存在的不能保证水泵风机运行 在高效区的问题，本发明提供一种用于调速器的能控制水泵风机运行效率的方法，该方法 不仅能满足正常的工艺控制要求，而且能有效地保证水泵风机运行在高效区。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：在常规单闭环控制的调节单元和调速单 元之间，增加运行效率控制单元，运行效率控制单元对水泵风机的运行效率进行控制。运 行效率控制单元根据工艺要求的设定压力、设定流量、水泵风机的实际压力、实际流量、 水泵风机的特性参数，确定出水泵风机高效区对应的最低转速nmin和最高转速nmax，运 行效率控制单元中含有运行方式选择功能，当选择常规单闭环控制方式时，调节单元输出 的转速调节信号ns不作任何处理，由运行效率控制单元直接送入调速单元，运行效率控制 单元输出ns’＝ns，当选择运行效率控制方式时，调节单元输出转速调节信号ns至运行效 率控制单元进行处理，运行效率控制单元输出能保持水泵风机运行在高效区的转速调节信 号ns’至调速单元；ns＜nmin时，ns’＝nmin；ns＞nmax时，ns’＝nmax；nmin≤ns≤nmax 时，ns’＝ns，由于水泵风机转速的变化是在nmin和nmax之间，从而保证水泵风机运行在 高效区。运行效率控制单元可以作为调速器的一部分置于调速器中，运行效率控制单元也 可以作为PID调节器、PLC可编程控制器、DCS控制装置或水泵、风机专用控制器的一部分 置于PID调节器、PLC可编程控制器、DCS控制装置或水泵、风机专用控制器中，运行效率 控制单元也可以做为独立的水泵风机运行效率控制装置。
水泵在额定转速ne时的Q-H流量扬程特性曲线和Q-η流量效率特性曲线如图2，要求 水泵调速后的运行效率在最高效率ηmax左侧不低于η1，在最高效率ηmax右侧不低于 η2，η1和η2两点对应的特征扬程为H1和H2，对应的特征流量为Q1和Q2，Pe为水泵 进口的附加压力。
风机在额定转速ne时的Q-P流量压力特性曲线和Q-η流量效率特性曲线，如图3，要 求风机调速后的运行效率在最高效率ηmax左侧不低于η1，在最高效率ηmax右侧不低于 η2，η1和η2两点对应的特征压力为P1和P2，对应的特征流量为Q1和Q2，Pe为风机 进口的附加压力。
当被控参数是水泵出口压力时，水泵出口压力设定值为Ps，Pe为水泵进口附加压力 值，Ps、Pe、H1、H2换算为相同的计算单位，运行效率控制单元确定出水泵运行高效区 对应的最低转速nmin＝ne×[(Ps-Pe)÷H1]0.5，运行高效区对应的最高转速nmax＝ne× [(Ps-Pe)÷H2]0.5；(Ps-Pe)＞H1时，nmin＞ne，由于水泵的转速一般不允许超过额定转速 ne，取nmin＝ne，这将导致水泵运行效率低于η1；(Ps-Pe)＞H2时，nmax＞ne，因为同样 的原因，取nmax＝ne；η1＝η2时，要求水泵在调速范围内运行效率不低于效率值η1； η1＝η2＝ηmax时，要求水泵一直工作在最高效率点ηmax。
当被控参数为风机出口压力时，风机出口压力设定值为Ps，Pe为风机进口附加压力 值，运行效率控制单元确定出风机运行高效区对应的最低转速nmin＝ne×[(Ps-Pe)÷P1]0.5， 运行高效区对应的最高转速nmax＝ne×[(Ps-Pe)÷P2]0.5；(Ps-Pe)＞P1时，取nmin＝ne； (Ps-Pe)＞P2时，取nmax＝ne；η1＝η2时，风机在调速范围内运行效率不低于η1；η 1＝η2＝ηmax时，风机运行在最高效率点ηmax。
当被控参数为水泵风机的流量时，水泵风机的流量设定值为Qs，运行效率控制单元确 定出水泵风机运行高效区对应的最低转速nmin＝ne×(Qs÷Q2)，运行高效区对应的最高转 速nmax＝ne×(Qs÷Q1)；Qs＞Q2时，取nmin＝ne；Qs＞Q1时，取nmax＝ne；η1＝η2时， 水泵风机在调速范围内运行效率不低于η1；η1＝η2＝ηmax时，水泵风机运行在最高效 率点ηmax。
当被控参数不是水泵的压力和流量时，如果可以得到水泵的实际压力Pa和水泵进口 附加压力值Pe，Pa、Pe、H1、H2换算为相同的计算单位，运行效率控制单元确定出水 泵运行高效区对应的最低转速nmin＝ne×[(Pa-Pe)÷H1]0.5，运行高效区对应的最高转速 nmax＝ne×[(Pa-Pe)÷H2]0.5；(Pa-Pe)＞H1时，取nmin＝ne；(Pa-Pe)＞H2时，取nmax＝ne； η1＝η2时，水泵在调速范围内运行效率不低于η1；η1＝η2＝ηmax时，水泵运行在最 高效率点ηmax。
当被控参数不是风机压力和流量时，如果可以得到风机的实际压力Pa和风机进口附 加压力值Pe，运行效率控制单元确定出风机运行高效区对应的最低转速nmin＝ne×[(Pa-Pe) ÷P1]0.5，运行高效区对应的最高转速nmax＝ne×[(Pa-Pe)÷P2]0.5；(Pa-Pe)＞P1时， 取nmin＝ne；(Pa-Pe)＞P2时，取nmax＝ne；η1＝η2时，风机在调速范围内运行效率不 低于η1；η1＝η2＝ηmax时，风机运行在最高效率点ηmax。
当被控参数不是水泵风机的压力和流量时，如果可以得到水泵风机的实际流量Qa， 运行效率控制单元确定出水泵风机运行高效区对应的最低转速nmin＝ne×(Qa÷Q2)，运行 高效区对应的最高转速nmax＝ne×(Qa÷Q1)；Qa＞Q2时，取nmin＝ne；Qa＞Q1时，取 nmax＝ne；η1＝η2时，水泵风机在调速范围内运行效率不低于η1；η1＝η2＝ηmax时， 水泵风机运行在最高效率点ηmax。
本发明的有益效果是可使调速运行的水泵风机在满足正常的工艺要求的同时，并可避 免运行在低效区，由于仅需增加对最低转速和最高转速进行限制的运行效率控制单元，结 构简单易实现。
附图说明
下面结合附图和实施例，对本发明进一步说明。
图1是控制水泵出口压力的常规单闭环控制框图。
图2是水泵的Q-H流量扬程特性曲线和Q-η流量效率特性曲线。
图3是风机的Q-P流量压力特性曲线和Q-η流量效率特性曲线。
图4是增加运行效率控制单元后水泵出口压力控制框图。
图5是增加运行效率控制单元后风机出口压力控制框图。
图6是增加运行效率控制单元后水泵风机流量控制框图。
图7是以水泵实际输出压力为运行效率判别参数时的控制框图。
图8是以风机实际输出压力为运行效率判别参数时的控制框图。
图9是以水泵风机的流量为运行效率判别参数时的控制框图。
图10是运行效率控制单元的程序框图。
图中Ps为压力设定值，Qs为流量设定值，Pe为水泵风机进口附加压力值，Pa为水泵 风机的实际压力值，Qa为水泵风机的实际流量值，Vs为流量压力以外的被控参数设定值， Va为流量压力以外的被控参数实际值，H1为水泵在额定转速ne下效率为η1点对应的特征 扬程值，H2为水泵在额定转速下效率为η2点对应的特征扬程值，P1为风机在额定转速ne 下效率η1点对应的特征压力值，P2为风机在额定转速ne下效率η2点对应的特征压力值， Q1是水泵风机在额定转速ne下效率η1点对应的特征流量压值，Q2是水泵风机在额定转速 下效率η2点对应的特征流量值，ηmax为水泵风机的最高效率值，ns是调节单元输出的转 速调节信号，ns’为运行效率控制单元输出的转速调节信号，调节单元101为常规的控制 器或调节器，调速单元102为普通调速器，水泵103为被调速器控制的水泵，风机501为 被调速器控制的风机，水泵风机603为被调速器控制的水泵风机，运行效率控制单元401 负责对水泵风机的运行效率进行控制，压力传感器104为常规的压力变送器，流量传感器 604为常规的流量变送器，传感器704是被控参数Va的测量传感器，nmin为水泵风机高效 区对应的最低转速，nmax为水泵风机高效区对应的最高转速。
具体实施方式
在图4中，调节单元101根据水泵出口压力设定值Ps和压力传感器104 测量出的水泵实际压力值Pa之间的差值，输出转速调节值ns，运行效率控制单元401对 ns值、水泵进口附加压力值Pe、水泵在额定转速ne下效率η1对应的特征扬程值H1、水 泵在额定转速ne下效率η2点对应的特征扬程H2进行运算，确定出对应高效区的最低转 速nmin和最高转速nmax，根据运行方式要求，当要求常规控制时，运行效率控制单元401 送出转速调节信号ns’＝ns，当要求运行效率控制时，运行效率控制单元401将根据ns 的大小决定送出的转速信号ns’，ns＜nmin时，ns’＝nmin，nmin≤ns≤nmax时，ns’＝ns， ns＞nmax时，ns’＝nmax，调速单元102根据ns’值对水泵103的转速进行调节。一般调速 器包含调速单元102，运行效率控制单元401可以作为调速器的一个组成部分置入调速器 内，运行效率控制单元401也可以作为PID调节器、PLC可编程控制器、DCS控制装置、水 泵风机专用控制器的一个组成部分置入PID调节器、PLC可编程控制器、DCS控制装置、水 泵风机专用控制器内，运行效率控制单元401也可以作为独立的水泵风机运行效率控制装 置，调节单元101可以是调速器的一部分，也可以是独立于调速器之外的PID调节器、PLC 可编程控制器、DCS控制装置、水泵风机专用控制器。
在图5中，调节单元101根据风机输出压力设定值Ps和压力传感器104测量出的风机 实际压力值Pa之间的差值，输出转速调节值ns，运行效率控制单元401对ns值、风机进 口附加压力值Pe、风机在额定转速ne下效率η1对应的特征压力值P1、风机在额定转速 ne下效率η2点对应的特征压力值P2进行运算，确定出对应高效区的最低转速nmin和最 高转速nmax，根据运行方式要求，当要求常规控制时，运行效率控制单元401送出转速调 节信号ns’＝ns，当要求运行效率控制时，运行效率控制单元401将根据ns的大小决定 送出的转速信号ns’ns＜nmin时，ns’＝nmin，nmin≤ns≤nmax时，ns’＝ns，ns ＞nmax时，ns’＝nmax，调速单元102根据ns’值对风机501的转速进行调节。
在图6中，调节单元101根据水泵风机的流量设定值Qs和流量传感器604测量出的水 泵风机实际流量Qa之间的差值，输出转速调节值ns，运行效率控制单元401对ns、水泵 风机在额定转速ne下效率η1对应的特征流量值Q1、水泵风机在额定转速ne下效率η2 点对应的特征流量Q2进行运算，确定出对应高效区的最低转速nmin和最高转速nmax，根 据运行方式要求，当要求常规控制时，运行效率控制单元401送出转速调节信号ns’＝ns， 当要求运行效率控制时，运行效率控制单元401将根据ns的大小决定送出的转速信号ns’， ns＜nmin时，ns’＝nmin，nmin≤ns≤nmax时，ns’＝ns，ns＞nmax时，ns’＝nmax，调 速单元102根据ns’值对水泵风机603的转速进行调节。
在图7中，被控参数不是水泵的压力和流量，其设定值为Vs，如果能得到水泵出口实 际压力Pa，调节单元101根据设定值Vs和传感器704测量出的实际值Va之间的差值，输 出转速调节值ns，运行效率控制单元401对ns值、水泵进口附加压力Pe、水泵在额定转 速ne下效率η1对应的特征扬程值H1、水泵在额定转速ne下效率η2点对应的特征扬程 H2进行运算，确定出对应高效区的最低转速nmin和最高转速nmax，根据运行方式要求， 当要求常规控制时，运行效率控制单元401送出转速调节信号ns’＝ns，当要求运行效率 控制时，运行效率控制单元401将根据ns的大小决定送出的转速信号ns’，ns＜nmin时， ns’＝nmin，nmin≤ns≤nmax时，ns’＝ns，ns＞nmax时，ns’＝nmax，调速单元102 根据ns’值对水泵103的转速进行调节。
在图8中，被控参数不是风机压力和流量，其设定值为Vs，如果能得到风机出口实际 压力Pa，调节单元101根据设定值Vs和传感器704测量出的实际值Va之间的差值，输出 转速调节值ns，运行效率控制单元401对ns值、风机进口附加压力Pe、风机在额定转速 ne下效率η1对应的特征压力值P1、风机在额定转速ne下效率η2点对应的特征压力值 P2进行运算，确定出对应高效区的最低转速nmin和最高转速nmax，根据运行方式要求， 当要求常规控制时，运行效率控制单元401送出转速调节信号ns’＝ns，当要求运行效率 控制时，运行效率控制单元401将根据ns的大小决定送出的转速信号ns’，ns＜nmin 时，ns’＝nmin，nmin≤ns≤nmax时，ns’＝ns，ns＞nmax时，ns’＝nmax，调速单 元102根据ns’值对风机501的转速进行调节。
在图9中，被控参数不是水泵风机的压力和流量，其设定值为Vs，如果能得到水泵风 机的实际流量Qa，调节单元101根据设定值Vs和传感器704测量出的实际值Va之间的差 值，输出转速调节值ns，运行效率控制单元401对ns值、水泵风机在额定转速ne下效率 η1对应的特征流量值Q1、水泵风机在额定转速ne下效率η2点对应的特征流量Q2进行 运算，确定出对应高效区的最低转速nmin和最高转速nmax，根据运行方式要求，当要求常 规控制时，运行效率控制单元401送出转速调节信号ns’＝ns，当要求运行效率控制时， 运行效率控制单元401将根据ns的大小决定送出的转速信号ns’，ns＜nmin时， ns’＝nmin，nmin≤ns≤nmax时，ns’＝ns，ns＞nmax时，ns’＝nmax，调速单元102 根据ns’值对水泵风机603的转速进行调节。
在图10中，采集调节单元送来的转速调节信号ns，判别是否要求对运行效率进行控 制，如不要求，则直接将ns送出ns’＝ns，如要求，则采集Ps、Qs、Pa、Qa、Pe、 H1、H2、P1、P2、Q1、Q2参数计算出对应高效区的最低转速nmin和最高转速nmax，如 果ns＜nmin，则输出ns’＝nmin，如果ns＞nmax，则输出ns’＝nmax，否则输出ns’＝ns。