变速驱动－模拟系统控制来降低并联泵系统的能耗

       在各种工业流程应用中，泵送大约会消耗总能耗的1/4。多年来，泵业生产商已经对泵效问题进行了研究和改善，并获得了持续的提升。不过，有一个问题常常会被忽略，即泵总是系统的一部分，还可能包括许多并联的泵、电机、驱动装置及其相应的管路系统。尤其对并联泵送来说，还有方方面面的问题值得我们探寻。借助不同类型的调节方法可降低这些泵送过程的能耗。很多情况下，在泵送系统中，速度调节法是一种行之有效的降低调节损耗的方法。
        该研究项目是芬兰拉普兰塔理工大学针对泵送系统开展的“全方位能效研究课题”的一部分，旨在解决与电机驱动泵的能耗、维护检测及运行监测相关的一系列问题。该课题与ABB芬兰公司驱动器集团携手展开。这项研究的目标是针对并联泵开发新型节能控制方案。为了达成这个目标，引入了一种多功能的并联泵运行监测方法，即基于模拟状态的并联泵电路系统。
        电路和水力网路间的类比已非鲜见，许多泵送案例和供水系统早已运用了这一方法。然而，在观测由并联泵、管道系统、液体特性、电机及驱动装置组成的整个泵送工艺时，也可以充分利用两者之间的相似性。在对整个并联泵送工艺进行观测时，可对一些用于电路计算的复杂工具进行改进，通常还可以进行与能耗相关的独立计算。
        

图1. 两台泵并联（Wirzenius 1978，131）

        节能
        芬兰与其他工业国家一样，会在市政供水系统和工业流程领域进行泵送。泵送系统是市政供水领域中淡水供应、污水系统和废水处理过程的一部分。泵的典型应用是将水由低位泵送至高位。泵也常用于供给化学品和循环水。
        芬兰最重要的用水大户集中于工业领域，主要是因为造纸行业和电厂的发电工艺需要大量的水。工业用水占芬兰整个国家用水量的80％之多。
        据最新的一项数据估计，芬兰的造纸、化工及金属加工行业在泵送过程中可以节约的能量将近430 GWh/年。这只是假设在泵送系统中使用变频器和高效电机时，粗略估计的节能潜力。
        
        电路模拟工具
        脱离对现场设备的测量来观测实际或设计状态下的泵系统的运行显然需要许多的计算步骤。要得出并联泵的能耗，需要计算每个环节的流量和压头，这对带有调速功能的系统有很多困难。如上所述，在电路和水力系统之间的类比并不是新近的发现，过去在微流体应用和给水规划中就早有使用。这项研究发现，依靠软件工具不一定比单独的人工计算来得精确。使用软件模拟并联泵的优势是省时，特别适用于比较和分析并联泵送的不同调节手段和系统方案。本案例中，模拟系统将实现整个泵和电机-驱动组合的全方位的观测，可以看作一种寻求并联泵系统节能潜力的有用工具。本章将简要介绍一种采用模拟电路计算观测水力系统的方法。
        如图1所示，并联泵系统包括两台并联的泵、管道以及进水罐和出水罐。 图中还可以看到同一个泵送系统的电路回路。在电路中，电压电源表示泵，电阻器表示管路中由于摩擦损失的压头。
        该泵系统总压头可分为静压头和动压头两部分。静压头包括测量压头和液面高度产生的压差，动压头包括速度压头和摩擦损失压头。
        
        H：系统总压头[m]
        Hst：静压头[m]
        Hdyn：动压头[m]
        Hgeo：测量压头[m]
        Pa：工厂出口处的压力[Pa]
        Pe：工厂入口处的压力[Pa]
        ρ：密度[kg/m3]
        g：重力加速度[m/s2]
        va：工厂出口处的流速[m/s]
        ve：工厂入口处的流速[m/s]
        稨r：摩擦损失压头[m]
        动压头还可以被分解到若干管路中，每一段管路将包含总动压头的一部分。基于此，图1中泵1的系统压头公式如下： 
          其中：
        HAD是A点和D点之间的系统总压头[m]
        Hst是储罐液位之间的静压头[m]
        HdynAC是A点和C点之间的动压头[m]
        HdynCD是C点和D点之间的动压头[m]
        在图1中，在泵压力线的连接点C点之后，两个泵的流量相加即为C点和D点之间的总动压头。图1所示的泵系统是开放式系统，如果速度压头忽略不计，那么该系统的总压头为：
        
        其中：
        Hr,AC为A点和C点之间的摩擦损失压头[m]
        Hr,CD为C点和D点之间的摩擦损失压头[m]
        摩擦损失压头由流速决定，所以系统压头随流速而变化。其中，摩擦损失压头为 ：
        
        其中：
        k：流体摩擦系数
        Q：体积流量[m3/s]
        如果假定静压头保持稳定，按照以上讲述的方法可将目标泵系统分割成无数小的管路部分，每一段都包括一定的由管道、阀门和连接件产生的动压头损失。这些管道部分可以按照管径进行分类。那样的话，类似泵系统的总系统压头就包括静压头和若干不同管径的管路所产生的摩擦损失压头总和。
        假定图1中的电源为可控的电源，电阻器为可变电阻，那么泵送系统和电路之间就可以进行类比了。此时，电源的电动势就代表系统总压头，电阻器的电压就代表管路、阀门和连接件造成的摩擦压头损失。此系统的静压头就可以看作一个与电流无关的加入到系统中的电压。根据这种类比，就可以通过软件来模拟泵的性能。