基于最小能耗的多泵泥沙输送系统优化控制方法及系统

1.本发明涉及疏浚控制技术领域，具体地，涉及一种基于最小能耗的多泵泥沙输送系统优化控制方法及系统。


背景技术：

2.疏浚工程中最大能耗点是克服泥沙管道输送过程中的阻力，尤其是加装接驳泵的长距离排岸工程，泥沙输送系统消耗的功率占整个工程功率的90％以上。在特定浓度条件下输送某种土质，泥沙管道输送系统的单位能耗随流量的变化而变化，如果能够控制各泵的转速，使得整个系统处于能耗最小状态，那么，此时各泵的转速就是系统单方能耗最小对应的最优转速。如果能根据土质和工况条件，在优化计算的辅助下，控制所有泥泵的转速，使系统始终运行在单方能耗最小的状态，能为疏浚施工节省施工成本，提高经济效益，提升企业竞争力。
3.专利文献cn102003772a(申请号：cn201010565534.0)公开了一种水源热泵节能优化控制方法，通过pid局部控制模块采集水源热泵运行时实测的数据，利用水源热泵机组模型、负荷侧水泵模型和水源侧水泵模型对系统综合能耗进行计算，通过梯度优化算法，确定系统的最优运行策略，如热泵机组开启数量、水泵变速运行参数等，并可根据确定的节能优化运行策略(可控运行参数的最优组合)，通过ddc控制器对水源热泵系统的运行参数进行调整，达到系统总运行能耗最小的目的。然而该专利无法实现本发明带来的技术效果。


技术实现要素：

4.针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于最小能耗的多泵泥沙输送系统优化控制方法及系统。
5.根据本发明提供的基于最小能耗的多泵泥沙输送系统优化控制方法，包括：
6.步骤1：录入泥泵清水特性、泥泵驱动特性、土质特性和管线参数，采用流量和浓度传感器监测泥沙输送系统的流量和浓度；
7.步骤2：计算关键流速、各泵效率和需要的净正吸入扬程；
8.步骤3：计算获取在各流速工况下最佳泥泵投入数量和各泥泵转速；
9.步骤4：记录运行过程中最小能耗对应的泥泵参数和泥浆流速，不断以最小能耗为目标，通过控制驱动各泵的驱动设备，实现对各泥泵在各特定工况下的优化控制。
10.优选的，关键流速计算公式为：
[0011][0012]
其中：c为泥沙输送系统的浓度；d
50
为土质级配；g为重力加速度；d为管路直径；s为泥沙颗粒密度和水密度之比。
[0013]
优选的，系统能耗通过监测到所有泵的轴功率∑pi，管线最后一台泵的泵后压力p
n2
，流量q和浓度c计算获得，表达式为：e＝∑pi/p
n2
/(q
·
c)；
[0014]
泵效率通过监测到的泵轴功率p，泵前后的压力p1和p2，流量q计算获得，表达式为：
η＝p/(p
2-p1)/q。
[0015]
优选的，最佳泥泵投入数量和各泥泵转速通过循环搜索获得，包括如下步骤：
[0016]
步骤3.1：计算工作流速下各泥泵的效率；
[0017]
步骤3.2：比较各泥泵的效率；
[0018]
步骤3.3：计算汽蚀决定的每台泥泵的最小转速n
min
；
[0019]
步骤3.4：计算驱动特性限制下每台泥泵的最大转速n
max
；
[0020]
步骤3.5：根据不同转速分配下的泥泵效率和能耗确定每台泥泵的最优转速。
[0021]
优选的，最优转速为同样流量同样浓度同样产量前提下，能耗最小的各泵转速，包括如下步骤：
[0022]
步骤4.1：按照关键流速下计算所得各泵的效率高低进行排序；
[0023]
步骤4.2：计算按照所有泵都最大转速导致的流速和关键流速之差；
[0024]
步骤4.3：如果流速大于关键流速，且在可调范围内，则优先降低效率最低泵的转速，直至流速等于关键流速，输送系统达到稳定状态，此时的边界条件是泵前的压力不小于所需的净正吸入扬程；
[0025]
步骤4.4：如果流速小于关键流速，则优先提升效率最高泵的转速，直至流速等于关键流速，输送系统达到稳定状态，此时的边界条件是泥泵驱动系统的能力，包括额定功率、额定转速和额定扭矩；
[0026]
步骤4.5：如果系统中的n台泵都是相同型号的，则保持各泵转速相同，均衡负荷，如果系统排压小于额定排压，在判断不影响系统汽蚀性能的前提下，解列其中一台泥泵：系统中运行泵的数量n大于等于3，解列泵前压力最大的泥泵；系统中运行泵的数量为2，解列顺水流方向后面的一台泵。
[0027]
根据本发明提供的基于最小能耗的多泵泥沙输送系统优化控制系统，包括：
[0028]
模块m1：录入泥泵清水特性、泥泵驱动特性、土质特性和管线参数，采用流量和浓度传感器监测泥沙输送系统的流量和浓度；
[0029]
模块m2：计算关键流速、各泵效率和需要的净正吸入扬程；
[0030]
模块m3：计算获取在各流速工况下最佳泥泵投入数量和各泥泵转速；
[0031]
模块m4：记录运行过程中最小能耗对应的泥泵参数和泥浆流速，不断以最小能耗为目标，通过控制驱动各泵的驱动设备，实现对各泥泵在各特定工况下的优化控制。
[0032]
优选的，关键流速计算公式为：
[0033][0034]
其中：c为泥沙输送系统的浓度；d
50
为土质级配；g为重力加速度；d为管路直径；s为泥沙颗粒密度和水密度之比。
[0035]
优选的，系统能耗通过监测到所有泵的轴功率∑pi，管线最后一台泵的泵后压力p
n2
，流量q和浓度c计算获得，表达式为：e＝∑pi/p
n2
/(q
·
c)；
[0036]
泵效率通过监测到的泵轴功率p，泵前后的压力p1和p2，流量q计算获得，表达式为：η＝p/(p
2-p1)/q。
[0037]
优选的，最佳泥泵投入数量和各泥泵转速通过循环搜索获得，包括如下模块：
[0038]
模块m3.1：计算工作流速下各泥泵的效率；
[0039]
模块m3.2：比较各泥泵的效率；
[0040]
模块m3.3：计算汽蚀决定的每台泥泵的最小转速n
min
；
[0041]
模块m3.4：计算驱动特性限制下每台泥泵的最大转速n
max
；
[0042]
模块m3.5：根据不同转速分配下的泥泵效率和能耗确定每台泥泵的最优转速。
[0043]
优选的，最优转速为同样流量同样浓度同样产量前提下，能耗最小的各泵转速，包括如下模块：
[0044]
模块m4.1：按照关键流速下计算所得各泵的效率高低进行排序；
[0045]
模块m4.2：计算按照所有泵都最大转速导致的流速和关键流速之差；
[0046]
模块m4.3：如果流速大于关键流速，且在可调范围内，则优先降低效率最低泵的转速，直至流速等于关键流速，输送系统达到稳定状态，此时的边界条件是泵前的压力不小于所需的净正吸入扬程；
[0047]
模块m4.4：如果流速小于关键流速，则优先提升效率最高泵的转速，直至流速等于关键流速，输送系统达到稳定状态，此时的边界条件是泥泵驱动系统的能力，包括额定功率、额定转速和额定扭矩；
[0048]
模块m4.5：如果系统中的n台泵都是相同型号的，则保持各泵转速相同，均衡负荷，如果系统排压小于额定排压，在判断不影响系统汽蚀性能的前提下，解列其中一台泥泵：系统中运行泵的数量n大于等于3，解列泵前压力最大的泥泵；系统中运行泵的数量为2，解列顺水流方向后面的一台泵。
[0049]
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
[0050]
本发明能够实现挖泥船在任何工况条件下在关键流速附近低能耗运行的优化计算和控制功能，给出了完整的计算方法、过程及相应的计算公式；本发明解决了挖泥船在能力富余的工况条件下低效率高能耗的问题，给出了完整的在线优化计算和控制方法，开发了适用于可多泵串联施工挖泥船的在线优化控制器；控制器计算速度在毫秒级，能够达到挖泥船疏浚控制系统在线优化控制的快速性要求。
附图说明
[0051]
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
[0052]
图1本发明中控制器系统框架；
[0053]
图2本发明中控制系统优化计算流程图。
具体实施方式
[0054]
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
[0055]
实施例：
[0056]
如图1，本发明针对疏浚工程，尤其远距离排岸施工过程中，通过流量和浓度传感器感知泥沙输送系统的运行参数，通过泥泵前后的压差和驱动功率计算整个输送系统的能耗，比较各泥泵的效率和净正吸入扬程，计算关键流速，并据此优化获取最佳泥泵投入数量
和各泥泵转速，进而通过控制驱动各泵的柴油机、电机等驱动设备实现对各泥泵在各特定工况下的优化控制，解决多泵泥沙远距离输送过程中可能存在的低能耗难题，实现精确控制、优化施工、节能减排的目标。
[0057]
本发明是通过以下技术方案实现的：
[0058]
如图2，本发明采用一种基于泥沙输送系统最小能耗的挖泥船泥泵转速优化控制方法，首先预先录入泥泵清水特性、泥泵驱动特性、土质特性、管线参数，采用流量和浓度传感器监测泥沙输送系统的流量和浓度；然后计算关键流速、各泵效率、需要的净正吸入扬程；在此基础上，计算获取在各流速工况下最佳泥泵投入数量和各泥泵转速；进而记录运行过程中(关键流速附近)最小能耗对应的泥泵参数和泥浆流速，不断以最小能耗为目标，通过控制驱动各泵的柴油机、电机等驱动设备，实现对各泥泵在各特定工况下的优化控制，解决多泵泥沙远距离低效率输送的难题，最终实现优化施工、节能减排。
[0059]
所述的录入是指赋予控制器参数数值，具体包括：泥泵净正吸入扬程曲线(npsh-q)、效率曲线(η-q)，土质级配及密度(d
10
、d
30
、d
50
、d
70
、d
90
、ρ)，管路直径d。
[0060]
所述的关键流速计算公式：
[0061]
所述的系统能耗通过监测到所有泵的轴功率∑pi，管线最后一台泵的泵后压力p
n2
，流量q和浓度c计算获得：e＝∑pi/p
n2
/(q
·
c)
[0062]
所述的泵效率通过监测到的泵轴功率p，泵前后的压力p1和p2，流量q计算获得：η＝p/(p
2-p1)/q
[0063]
所述的最佳泥泵投入数量和各泥泵转速通过循环搜索获得，具体包括：
[0064]
1)计算工作流速下各泥泵的效率；
[0065]
2)比较各泥泵的效率；
[0066]
3)计算汽蚀决定的每台泥泵的最小转速n
min
；
[0067]
4)计算驱动特性限制下每台泥泵的最大转速n
max
；
[0068]
5)根据不同转速分配下的泥泵效率和能耗确定每台泥泵的最优转速。
[0069]
所述的最优转速为同样流量同样浓度同样产量前提下，能耗最小的各泵转速，具体确定步骤包括：
[0070]
1)按照关键流速下计算所得各泵的效率高低进行排序；
[0071]
2)计算按照所有泵都最大转速导致的流速和关键流速之差；
[0072]
3)如果流速大于关键流速到一定程度(可调)，优先降低效率最低泵的转速，直至流速等于关键流速，输送系统达到稳定状态，此时的边界条件是泵前的压力不能小于所需的净正吸入扬程；
[0073]
4)如果流速小于关键流速，优先提升效率最高泵的转速，直至流速等于关键流速，输送系统达到稳定状态，此时的边界条件是泥泵驱动系统的能力，包括额定功率、额定转速、额定扭矩等；
[0074]
5)在上述步骤3)中，如果系统中尺寸最小、型号相同的泵不至一台，即效率最低泵(一般是尺寸最小泵)的数量大于1，在降速控制中，相同型号泵(效率最小、尺寸最小)需要同时同幅度调节，使得它们始终保持相同速度；
[0075]
6)在上述步骤4)中，如果系统中尺寸最大、型号相同的泵不至一台，即效率最高泵(一般是尺寸最大泵)的数量大于1，在提速控制中，相同型号泵(效率最高、尺寸最大)需要
同时同幅度调节，使得它们始终保持相同速度；
[0076]
7)如果系统中的所有泵(n台)都是相同型号的，则保持各泵转速相同，均衡负荷。如果系统排压小于额定排压(n-1)/n，在判断不影响系统汽蚀性能的前提下，解列其中一台泥泵；
[0077]
8)关于判断不影响系统汽蚀性能，分以下两种情况：系统中运行泵的数量n大于等于3，解列泵前压力最大的泥泵；系统中运行泵的数量为2，解列顺水流方向后面的一台泵。
[0078]
所述的获得最小能耗对应的流速是在能耗最低流速附近(初始值为关键流速)，固定范围内(推荐大于关键流速的前提下，正负0.5m/s范围)的最小能耗对应流速。具体方法为：判断各流速下的能耗大小，同时判断后续几秒内流速是否持续变化，如果流速持续增大或者持续变小时，此流速不记为能耗最小流速。
[0079]
本发明涉及一种实现上述方法的系统，包括：与流量、浓度传感器相连并采集泥沙输送管线内泥浆流量和浓度信号的信号采集单元；与挖泥操纵台泥泵控制器相连并发出泥泵转速控制命令的智能控制单元；与泥泵变频器、泥泵柴油机相连，采集泥泵驱动电机转速信号、柴油机轴承转速信号，并传输智能控制单元发出的控制命令给执行机构的局域网系统；与智能控制单元相连，并为其提供优化算法的工业控制计算机。
[0080]
根据本发明提供的基于最小能耗的多泵泥沙输送系统优化控制系统，包括：模块m1：录入泥泵清水特性、泥泵驱动特性、土质特性和管线参数，采用流量和浓度传感器监测泥沙输送系统的流量和浓度；模块m2：计算关键流速、各泵效率和需要的净正吸入扬程；模块m3：计算获取在各流速工况下最佳泥泵投入数量和各泥泵转速；模块m4：记录运行过程中最小能耗对应的泥泵参数和泥浆流速，不断以最小能耗为目标，通过控制驱动各泵的驱动设备，实现对各泥泵在各特定工况下的优化控制。
[0081]
关键流速计算公式为：其中：c为泥沙输送系统的浓度；d
50
为土质级配；g为重力加速度；d为管路直径；s为泥沙颗粒密度和水密度之比。
[0082]
系统能耗通过监测到所有泵的轴功率∑pi，管线最后一台泵的泵后压力p
n2
，流量q和浓度c计算获得，表达式为：e＝∑pi/p
n2
/(q
·
c)；泵效率通过监测到的泵轴功率p，泵前后的压力p1和p2，流量q计算获得，表达式为：η＝p/(p
2-p1)/q。
[0083]
最佳泥泵投入数量和各泥泵转速通过循环搜索获得，包括如下模块：模块m3.1：计算工作流速下各泥泵的效率；模块m3.2：比较各泥泵的效率；模块m3.3：计算汽蚀决定的每台泥泵的最小转速n
min
；模块m3.4：计算驱动特性限制下每台泥泵的最大转速n
max
；模块m3.5：根据不同转速分配下的泥泵效率和能耗确定每台泥泵的最优转速。
[0084]
最优转速为同样流量同样浓度同样产量前提下，能耗最小的各泵转速，包括如下模块：模块m4.1：按照关键流速下计算所得各泵的效率高低进行排序；模块m4.2：计算按照所有泵都最大转速导致的流速和关键流速之差；模块m4.3：如果流速大于关键流速，且在可调范围内，则优先降低效率最低泵的转速，直至流速等于关键流速，输送系统达到稳定状态，此时的边界条件是泵前的压力不小于所需的净正吸入扬程；模块m4.4：如果流速小于关键流速，则优先提升效率最高泵的转速，直至流速等于关键流速，输送系统达到稳定状态，此时的边界条件是泥泵驱动系统的能力，包括额定功率、额定转速和额定扭矩；模块m4.5：
如果系统中的n台泵都是相同型号的，则保持各泵转速相同，均衡负荷，如果系统排压小于额定排压，在判断不影响系统汽蚀性能的前提下，解列其中一台泥泵：系统中运行泵的数量n大于等于3，解列泵前压力最大的泥泵；系统中运行泵的数量为2，解列顺水流方向后面的一台泵。
[0085]
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。
[0086]
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本技术的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。