МНОГОНАСОСНАЯ УСТАНОВКА И СПОСОБ ЕЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ Российский патент 2021 года по МПК F04D13/12 F04B49/02 F04D15/02 

Данное изобретение касается многонасосной установки и способа ее эксплуатации.

Многонасосные установки среди прочего применяются в нагревательных контурах, чтобы в часы пиковых нагрузок покрыть потребность в воде системы отопления. Можно начинать работу в разных гидравлических рабочих точках с различным количеством насосов. В зависимости от количества работающих насосов устанавливается совокупное потребление электроэнергии. Для оптимизации суммарного кпд установки, эта установка для одной рабочей точки всегда должна выбирать количество работающих насосов так, что гидравлическая мощность, задаваемая рабочей точкой, производится с минимальной электрической мощностью.

Многонасосные установки используются, например, если потребитель имеет сильно колеблющееся требуемое давление. Когда это требуемое давление невелико, работает лишь один насос. Если потребность растет, подключается еще один насос. Оптимальная точка подключения и, соответственно, отключения в зависимости от расхода (Q) и напора (Н) насоса определяется методом, ориентированным на кпд. Если насос не располагает датчиком Q или, соответственно, датчиком Н, то Q и Н определяются путем оценки рабочих точек. При этом Q и Н могут оцениваться с использованием характеристических кривых насоса по актуальной частоте вращения (n), а также по мощности (Р) на валу.

В публикации ЕР 0 864 755 В2 описан способ эксплуатации сдвоенного насоса, при котором в двухнасосном режиме работы оба насоса могут работать с синхронной частотой вращения.

В патенте ЕР 1 323 986 В1 описан способ управления частотно-регулируемым циркуляционным насосом системы отопления. Частота вращения насоса является изменяемой вдоль регулировочной характеристики. Эта регулировочная характеристика корректируется в зависимости от теплопотребления системы отопления. В качестве меры теплопотребления привлекается сопротивление трубопроводной сети системы отопления. Указанный насос для определения плоской и крутой характеристической кривой трубопроводной сети последовательно управляется по меньшей мере с двумя различными частотами вращения. Указанная регулировочная характеристика устанавливается с использованием этих определенных характеристических кривых трубопроводной сети.

В заявке ЕР 2 469 094 А2 описан способ эксплуатации насосного агрегата. Этот насосный агрегат включает в себя насос основной нагрузки и насос пиковой нагрузки. Насос пиковой нагрузки подключается по мере необходимости. При этом указанный насосный агрегат управляется по заданной регулировочной характеристике. В зависимости от верхнего и нижнего предельных значений насосный агрегат эксплуатируется либо с двумя, либо с одним насосом.

Из DE 27 56 916 известна система с пятью параллельно включенными центробежными насосами для перекачивания переменного количества жидкостей в системах трубопроводов, причем на напорной стороне насосов установлен датчик давления для определения давления нагнетания. Микропроцессорная система в зависимости от сигнала датчика давления регулирует давление нагнетания системы насосов путем воздействия на частоту вращения центробежного насоса с изменяемой частотой вращения, используемого как регулируемый насос.

Публикация DE 198 42 565 В4 касается насосной системы для регулирования давления с по меньшей мере двумя параллельно включенными центробежными насосами для перекачивания переменного количества жидкостей в системах трубопроводов. На напорной стороне насосов установлен датчик давления для определения давления нагнетания. Микропроцессорная система в зависимости от сигнала датчика давления регулирует давление нагнетания системы насосов путем воздействия на частоту вращения по меньшей мере одного, центробежного насоса с изменяемой частотой вращения, используемого в качестве регулируемого насоса. В процессе активирования или деактивирования эта микропроцессорная система определяет изменение во времени формируемой ею управляющей величины заданного значения частоты вращения всех активных регулируемых насосов с изменяемой частотой вращения и получающегося отсюда изменения во времени давления нагнетания, зарегистрированного с помощью датчика давления. Указанная микропроцессорная система по изменениям во времени управляющей величины и регулируемой величины рассчитывает характеристические величины для поведения объекта регулирования с точки зрения техники автоматического регулирования.

Из практики известно, что после процесса подключения или, соответственно, отключения (в дальнейшем называемого процессом переключения) оцененная объемная подача частично отклоняется от ее значения перед процессом переключения, но потребление при этом не изменилось. Причин этому может быть две. Во-первых, вследствие переключения могла измениться характеристика системы, так что фактически установилось другое значение Q. Во-вторых, возможно, что значение Q не изменилось, но алгоритм оценки двухнасосного режима работы отклоняется от однонасосного режима работы вследствие допусков в характеристических кривых. Если имеет место последний случай, то может произойти так, что новое оцененное значение Q после процесса переключения приведет к тому, что вновь подключенный насос тотчас же снова отключится, и установится ситуация постоянного подключения и отключения (дребезжание).

Для устранения этого постоянного дребезжания зачастую вводится гистерезис вокруг точки переключения (Q_{гистерезиса}).

Задача данного изобретения состоит в том, чтобы обеспечить максимально энергоэффективную эксплуатацию многонасосной установки. Такой способ будет обеспечивать максимально продолжительный срок службы насосов. К тому же этот способ должен максимально просто интегрироваться в существующие установки. Далее, этот способ должен корректироваться под измененные условия работы. Кроме того, должно снижаться шумовыделение.

Эта задача решается посредством способа с признаками независимого пункта 1 формулы изобретения и установки с признаками независимого пункта 7 формулы. Предпочтительные варианты охарактеризованы в зависимых пунктах формулы изобретения, в описании и на чертежах.

При указанном способе насосы подключаются и отключаются в зависимости от точки переключения. Вокруг этой точки переключения задаются пороги переключения, которые в дальнейшем обозначаются также как «пределы гистерезиса». Осуществляют определение частоты процессов переключения в течение какого-то промежутка времени. Согласно изобретению, указанные пороги переключения изменяются в зависимости от частоты процессов переключения.

Благодаря такой оптимизации порогов переключения предотвращается установление как слишком узких порогов переключения, которые ведут к дребезжанию, так и слишком широких порогов переключения, которые ухудшают энергоэффективность.

В одном особенно предпочтительном варианте выполнения данного изобретения сначала имеет место обучающий режим, при котором эти пороги переключения варьируются. Оптимальные пороги переключения (Q_{гистерезиса}) выучиваются на этой первой фазе и постоянно оптимизируются. В начале процесса значение Q_{гистерезиса} сначала очень мало. Каждый раз, когда возникает дребезжание, указанные пороги переключения (Q_{гистерезиса}) повышаются. Как только эти пороги переключения будут достаточно велики, дребезжание больше не возникает. Тогда больше не потребуется и дальнейшего подъема Q_{гистерезиса}.

В одном предпочтительном варианте выполнения данного изобретения указанные пороги переключения в стабильном режиме постоянно снижаются до определенной точки. Благодаря этому можно реагировать на ситуации, в которых потребитель многократно изменяет свое поведение за короткие циклы. Это цикличное поведение потребителя система управления могла бы ложно интерпретировать как дребезжание, в результате чего Q_{гистерезиса} могло бы быть ошибочно повышено. Для корректировки такого рода ошибочных решений указанный способ расширяется за счет функции, при которой в стабильном режиме Q_{гистерезиса} постоянно снижается с постоянной скоростью до тех пор, пока не достигнет устанавливаемого минимального предела гистерезиса.

Предпочтительно при указанном способе в обучающем режиме при количестве n насосов всего определяется (n-1) верхних порогов переключения и/или (n-1) нижних порогов переключения.

Особенно выгодным оказалось, если выбор подключаемых насосов осуществляется по минимальному совокупному потреблению мощности. Для этого можно сначала определить потребление мощности первым количеством насосов. На следующем этапе количество подключаемых насосов изменяется, и измеряется совокупное потребление мощности этим новым количеством насосов. Этот процесс повторяется с различным количеством насосов, так что покрываются все возможности, т.е. от режима работы лишь с одним насосом до режима работы с максимально возможным количеством насосов в случае необходимости, которые используются в установке. Путем сравнения значений потребления мощности выбирается количество насосов с меньшим совокупным потреблением мощности.

Блок управления и/или регулирования определяет то количество насосов, при котором суммарный кпд будет самым высоким и необходимо наименьшее совокупное потребление электрической мощности. Если при новом количестве насосов потребуется меньше электрической энергии, то сохраняется это количество. Если энергии потребуется больше, тогда указанный блок переключает установку обратно на предыдущее количество насосов. Этот блок запоминает количество насосов, при котором указанная установка эксплуатируется в наиболее энергоэффективном режиме. Благодаря этому блок в состоянии оптимизировать любую многонасосную установку в отношении ее энергоэффективности.

Предпочтительно в установке используются насосы одинаковой конструкции, которые могут работать с конструктивно одинаковыми двигателями. К тому же, выгодным оказалось использование конструктивно одинаковых частотных преобразователей.

Другие признаки и преимущества данного изобретения получаются из описания примеров осуществления с привлечением чертежей и из самих чертежей.

При этом на чертежах показано следующее.

Фиг. 1 - установка с несколькими насосами,

Фиг. 2 - характеристические кривые Q-H в однонасосном и двухнасосном режимах работы,

Фиг. 3 - изменения Q_{гистерезиса} во время различных фаз.

На Фиг. 1 показана установка с несколькими насосами, например, многонасосная установка, содержащая несколько параллельно включенных насосов 1. В указаном примере осуществления используются при этом центробежные насосы. Каждый насос 1 приводится в действие двигателем 2, который соединен с частотным преобразователем 3. В этом примере осуществления все насосы 1 конструктивно одинаковы. Также используются конструктивно одинаковые двигатели и конструктивно одинаковые частотные преобразователи 3.

Указанная многонасосная установка располагает главным выключателем 4. Блок 5 регистрирует сигналы датчиков 6 установки. Далее, этот блок 5 соединен с исполнительными механизмами установки. Под блоком 5 в данном примере осуществления понимается блок автоматики. Он может быть выполнен как система управления и/или регулирования.

Указанный блок 5 предназначен для того, чтобы подключать и, соответственно, отключать различное количество насосов 1. С помощью частотных преобразователей 3 блок 5 определяет электрическую мощность соответствующего насоса 1. В зависимости от количества работающих насосов 1 устанавливается совокупное потребление электрической мощности этой системы.

Предпочтительно перед установкой насоса, например, на прототипах у изготовителя регистрируется совокупное потребление мощности, чтобы определить оптимальную точку переключения, сначала для первого количества насосов 1. Это количество подключаемых насосов 1 изменяется, и регистрируется совокупное потребление мощности для нового количества насосов. Рабочая точка при новом количестве насосов 1 подгоняется под рабочую точку с предыдущим количеством насосов 1, чтобы гарантировать возможность сравнения. Для этого изменяются частоты вращения насосов 1.

Предпочтительно эти частоты вращения насосов 1 регулируются на основе давления или перепада давления как задающей величине, которая должна поддерживаться постоянной. Расход, соответственно, давление или перепад давления могут оцениваться без использования датчиков или измеряться датчиками 6. Если подключаются насосы 1, то блок 5 понижает частоту вращения насосов 1 настолько, что обеспечивается те же давление или перепад давления, что и при предыдущем количестве насосов 1. Эти частоты вращения насосов 1 устанавливаются с помощью частотных преобразователей 3.

Блок 5 сравнивает совокупное потребление мощности нового количества насосов 1 с совокупным потреблением мощности предыдущего количества насосов 1. Этот блок 5 располагает для этого электронным хранилищем данных, в котором запоминается совокупное потребление мощности различными количествами насосов 1, предпочтительно перед установкой насоса. Производится сравнение этих различных значений потребления мощности. Указанная установка настраивается на количество насосов 1 с наименьшим совокупным потреблением электрической мощности.

Это подключение, соответственно, отключение насосов происходит в зависимости от точки переключения. Вокруг этой точки переключения блоком 5 устанавливаются пороги переключения (Q_{гистерезиса}). Этот блок 5 регистрирует частоту процессов переключения в течение какого-то промежутка времени и изменяет пороги переключения в зависимости от частоты этих процессов переключения.

Предлагаемый изобретением способ позволяет чрезвычайно энергоэффективно эксплуатировать многонасосную установку. Для этого способа не требуется никакого параметрирования, так как он является самообучающимся. Указанная установка запоминает испытанные состояния и после фазы обучения может устанавливать наиболее энергоэффективные условия.

При предлагаемом изобретением способе указанная установка может, например, регулированием настраиваться на постоянное давление или перепад давления.

Чтобы устранить постоянное дребезжание, т.е. постоянное подключение и отключение насосов 1, согласно изображению на Фиг. 2 вокруг оптимальной точки переключения предусмотрены пороги переключения, которые называются также пределами гистерезиса (Q_{гистерезиса}). Предлагаемый изобретением способ оптимизирует эти пределы.

На Фиг. 3 показано, что оптимальный гистерезис (Q_{гистерезиса}) изучается в режиме насоса и постоянно оптимизируется. После первого включения установки с двумя насосами значение Q_{гистерезиса} сначала очень мало (а). Каждый раз, когда возникает дребезжание, Q_{гистерезиса} повышается (b). Как только Q_{гистерезиса} становится достаточно большим, никакого дребезжания больше не происходит, т.е. в течение определенного промежутка времени не может произойти никакого непосредственного отключения и снова подключения (переключения), и, тем самым, никакого дальнейшего повышения Q_{гистерезиса}. Для установок с n насосами обучение происходит с n-1 пределами гистерезиса.

Предлагаемый изобретением способ учитывает также тот случай, что могут возникать ситуации, в которых потребитель многократно изменяет свое поведение за короткие циклы. Такое цикличное поведение потребителя могло бы быть ложно интерпретировано системой управления как дребезжание, вследствие чего Q_{гистерезиса} было бы ошибочно повышено. Для корректировки такого рода ошибочных решений, указанному способу добавляется функция забывания (Vergessen). Это забывание реализуется за счет того, что Q_{гистерезиса} постоянно снижается с постоянной скоростью (с), пока не достигнет устанавливаемого минимального предела гистерезиса.

После включения установки гистерезис Q_{гистерезиса} сначала очень мал. Это вызывает обычное дребезжание. Система управления распознает это и реагирует увеличением Q_{гистерезиса}. В течение всего времени работы Q_{гистерезиса} постоянно снижается, чтобы скорректировать установленный возможно слишком большим Q_{гистерезиса}. На левой половине изображения показана фаза обучения, во время которой Q_{гистерезиса} поэтапно возрастает до своего оптимума. Если этот оптимум достигнут, устанавливается стабильная характеристика (правая половина изображения). При этом Q_{гистерезиса} постоянно снижается до тех пор, пока снова не возникнет дребезжание. Если наблюдать эту стабильную характеристику в течение очень длительного промежутка времени, то станет известен оптимальный гистерезис Q_{гистерезиса}, и алгоритм обучения может быть отключен.

Указанный блок 5 управления и регулирования насоса 1 в итоге осуществляет два следующих процесса. Во-первых, скачкообразное повышение порогов переключения Q_{гистерезиса} при возникновении дребезжания и, во-вторых, непрерывное понижение этих порогов переключения Q_{гистерезиса}.

Изобретение относится к многонасосной установке и способу ее эксплуатации. Подключение и/или отключение насосов производится в зависимости от точки переключения. Вокруг этой точки переключения задаются пороги переключения. Затем определяется частота процессов переключения в течение некоторого промежутка времени. Изменение порогов переключения предпринимается в зависимости от частоты процессов переключения. Обеспечивается максимально продолжительный срок службы насосов, снижается шумовыделение. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ эксплуатации установки с по меньшей мере двумя насосами (1), включающий в себя следующие этапы:

- подключение и/или отключение насосов в зависимости от точки переключения,

- задание порогов переключения (Q_{гистерезиса}) вокруг точки переключения,

- регистрация частоты процессов переключения в течение некоторого промежутка времени,

- изменение порогов переключения в зависимости от частоты процессов переключения.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что указанные пороги переключения (Q_{гистерезиса}) скачкообразно повышаются.

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что, начиная с определенной частоты процессов переключения, указанные пороги переключения (Q_{гистерезиса}) повышаются.

4. Способ по любому из пп. 1, 2, отличающийся тем, что пороги переключения (Q_{гистерезиса}) непрерывно понижаются.

5. Способ по любому из пп. 1, 2, отличающийся тем, что для количества n насосов (1) определяют всего (n-1) верхних порогов переключения и/или всего (n-1) нижних порогов переключения (Q_{гистерезиса}) в обучающем режиме.

6. Способ по любому из пп. 1, 2, отличающийся тем, что выбор подключаемых насосов производится по наименьшему совокупному потреблению мощности.

7. Установка с по меньшей мере двумя насосами (1) и по меньшей мере одним блоком (5) управления и/или регулирования, отличающаяся тем, что указанный блок (5) выполнен с возможностью осуществления способа по любому из пп. 1-6.

8. Установка по п. 7, отличающаяся тем, что все насосы (1) конструктивно одинаковы.

9. Установка по любому из пп. 7 или 8, отличающаяся тем, что все двигатели (2) для привода насосов (1) конструктивно одинаковы.

10. Установка по любому из пп. 7 или 8, отличающаяся тем, что все частотные преобразователи (3), соединенные с двигателями (2) для привода насосов (1), конструктивно одинаковы.