热水恒压控制系统设置自动调整控制方法

摘要

本发明公开了一种热水恒压控制系统设置自动调整控制方法，包括以下步骤：(1)状态判断；(2)信息采样状态选取；(3)系统压力判断周期；(4)系统压力判断区间范围；(5)判断的基本边界条件；(6)热水恒压调整设置状态；(7)热水恒压设置压力自动调整值。通过系统在无用水的情况下，采样系统的压力，根据转速压力关系，以及满足系统最佳运行压力区域(49％‑81％最大压力范围)，优选系统调整压力设定值为热水压力采样值的70％，不仅可以满足系统用水的不同流量要求，而且可以满足在热水供水情况下的最佳运行区域。避免系统运行过程中，始终处于临界状态恒压状态，运行压力不稳定，影响使用效果。

说明书

技术领域

本发明涉及一种热水恒压控制系统设置自动调整控制方法。

背景技术

水泵工作时，会出现气蚀现象，主要有两种不同情况如下：

气蚀现象：离心泵工作时，在叶轮中心区域产生真空压强太低，以至于低于液体的饱和蒸汽压，被吸上的液体在真空区发生大量汽化产生气泡。含气泡的液体挤入高压区后急剧凝结或破裂。因气泡的消失产生局部真空，周围的液体就以极高的速度流向气泡中心，瞬间产生了极大的局部冲击力，造成对叶轮和泵壳的冲击，使材料受到破坏。因此把泵内气泡的形成和破裂而使叶轮材料受到破坏的过程，称为气蚀现象

汽蚀现象：离心泵安装高度提高时，将导致泵内压力降低，泵内压力最低点通常位于叶轮叶片进口稍后的一点附近。当此处压力降至被输送液体的饱和蒸汽压时，将发生沸腾，所生成的蒸气泡在随液体从入口向外周流动中，又因压力迅速增大而急剧冷凝。会使液体以很大的速度从周围冲向气泡中心，产生频率很高、瞬时压力很大的冲击，这种现象称为汽蚀现象。液体在一定温度下，降低压力至该温度下的汽化压力时，液体便产生气泡。把这种产生气泡的现象称为汽蚀。汽蚀时产生的气泡，流动到高压处时，其体积减小以致破灭。这种由于压力上升气泡消失在液体中的现象称为汽蚀溃灭。

当流道中的液体局部压力下降临界压力(一般接近汽化压力)时，水中气核成长为气泡，气泡的聚积、流动、分裂、溃灭过程的总称-汽蚀。汽蚀与气蚀是相同的。可以通过结构方面的改进设计和系统安装位置的优化减小系统的气蚀，主要有下面一些措施：

1)减小离心泵本身气蚀的措施；

2)改进离心泵的吸入口至叶轮附近的结构设计。增大过流面积；增大叶轮盖板进口段的曲率半径，减小液流急剧加速与降压；适当减少叶片进口的厚度，并将叶片进口修圆，使其接近流线形，也可以减少绕流叶片头部的加速与降压；提高叶轮和叶片进口部分表面光洁度以减小阻力损失；将叶片进口边向叶轮进口延伸，使液流提前接受做功，提高压力。

3)采用前置诱导轮，使液流在前置诱导轮中提前做功，以提高液流压力。

4)采用双吸叶轮，让液流从叶轮两侧同时进入叶轮，则进口截面增加一倍，进口流速可减少一倍。

5)设计工况采用稍大的正冲角，以增大叶片进口角，减小叶片进口处的弯曲，减小叶片阻塞，以增大进口面积；改善大流量下的工作条件，以减少流动损失。但正冲角不宜过大，否则影响效率。

6)提高进液装置有效气蚀余量的措施

7)增加离心泵前贮液罐中液面的压力，以提高有效气蚀余量。

8)减小吸上装置泵的安装高度。

9)将上吸装置改为倒灌装置。

10)减小离心泵前管路上的流动损失。如在要求范围尽量缩短管路，减小管路中的流速，减少弯管和阀门，尽量加大阀门开度等。

随着电子技术的发展，为了提高客户用水的舒适度，变频控制技术逐渐在热水控制中得到普及和应用来实现恒压控制，根据客户不同的用水量进行转速调节以满足不同的流量需求。

按照表1饱和蒸汽压力温度关系对照表，大部分热水用来进行娱乐和供暖使用，一般热水温度都在60-80之间，如对应表中70.6106温度，系统压力在 0.032MPa就会出现热水的气蚀现象。由于水温升高所引起的气蚀，无法通过结构等方面的设计进行改进，也无法避免。

表1饱和蒸汽压力温度对照表

通过分别判别热水供水时，水泵的状态，进行识别，当压力始终小于设定压力，并且频率大于电机最大工作频率(50Hz)时，对功率进行判别，识别出缺水和气蚀之间的差别。把设定值自动进行调节，所有设定值都减去相应的差值，进行控制。当设定值变化后，再进行恒压识别控制，当系统可以达到相应的压力输出时，作为系统工作设定压力，满足在热水时的工作需要。

根据表1温度与压力的关系，可以看出随着系统中热水的温度或者压力的变化，气蚀影响是不同的，系统中的温度和压力变化存在不确定性，这样气蚀余量也是不确定的，对于热水供水系统中需要实现恒压供水的系统就比较难以实现系统的恒压运行。由于气蚀的影响，系统设定的压力可能无法达到，这样会造成系统用户用水时，根据流量的不同，出现压力不同，影响用户的正常用水，当气蚀较大时，会出现水泵达到最大额定转速情况下仍然无法达到系统设定的压力，这样会造成无法判断出系统是否在用水还是无用水状态，系统出现误判，无法实现用户停止用水时自动进入休眠停机状态，水泵会持续运行，造成水泵运转后，动能转化成热能，泵内水温会持续升高，持续时间较长后，会出现水过高对水泵造成损坏。当出现气蚀时，对热水进行增压，离心水泵在恒压工作的情况下，影响到水泵的效率，很难达到系统设定的额定压力，并且系统在有气蚀情况下，如果系统无用水时，因为系统达不到设定的压力，系统通过转速调节达到最大转速，这样不仅增加了系统噪音，而且浪费能源，并加速了系统老化，影响系统寿命。

为了解决以上问题，保证系统的正常运行，实现节能和增加系统寿命，整体减小系统噪音，针对热水的恒压控制系统的状态自动判断，和系统设置的自动调节的研究具有非常实用的价值和实际意义。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种热水恒压控制系统设置自动调整控制方法。

为了解决上述技术问题，采用如下技术方案：

热水恒压控制系统设置自动调整控制方法，包括以下步骤：

(1)状态判断：针对用户是否有用水，分成水泵有流量输出和无流量输出进行分析判断。

(2)信息采样状态选取：选择无流量输出的情况，进行相关数据采样和判断，作为进行设置调整的参考依据。

(3)系统压力判断周期：对于系统压力采样，需要对不同的状态进行判断周期的判别，需要对采样周期进行设置。

(4)系统压力判断区间范围：先对干扰信息进行消除，然后对系统中通过不同压力变化或者压力采样值进行判断。

(5)判断的基本边界条件：当水泵供热水，出现气蚀时，会影响系统效率，如果满足以下三个条件：(a)当水泵转速达到最大值F＝fmax；(b)系统压力始终小于设定值时H<Hset；(c)电机的输出功率小于电机的额定功率P<Pe；即可以判定为热水气蚀，系统进行调整。

(6)热水恒压调整设置状态：根据水泵系统的相关转速压力关系公式，选择系统在无用水满足调整设置情况的状态为系统参考状态，进行自动调整设置的依据。

(7)热水恒压设置压力自动调整值：当系统在没有用水时，当满足5中的条件时，系统判定为热水供水，需要进行压力设置工作，采样到水泵输出压力值，将压力设定值向下调整，调整到小于原压力设定值，满足转速频率小于最大转速。

进一步，在步骤(1)中，当水泵无流量输出时，系统压力无法达到设定值，并且转速为最大，转速n为系统最大转速，此时系统流量为0，系统的压力为 Ha0，通过采样的压力进行判断，当压力始终不变化时，可以确定系统中无用户用水，系统处于稳定状态。

进一步，在步骤(1)中，当水泵有流量输出时，系统压力无法达到设定值，转速达到最大值，但采样的压力会出现随机变化，说明系统中有用户在用水，由于系统用水量不同，而出现不同的压力值。

进一步，在步骤(3)中，判断周期选取为0.3s-0.8s。

优选的，在步骤(3)中，判断周期选取为0.5s。

进一步，在步骤(3)中，采样周期为0.5ms-2ms。

优选的，在步骤(3)中，采样周期为1ms。

进一步，在步骤(3)中，满足判断条件的连续采样次数为300-800次。

优选的，在步骤(3)中，满足判断条件的连续采样次数为500次。

由于采用上述技术方案，具有以下有益效果：

本发明为热水恒压控制系统设置自动调整控制方法，通过系统在无用水的情况下，采样系统的压力，根据转速压力关系，以及满足系统最佳运行压力区域(50％-80％最大压力范围)，优选系统调整压力设定值为热水压力采样值的70％，不仅可以满足系统用水的不同流量要求，而且可以满足在热水供水情况下的最佳运行区域。避免系统运行过程中，始终处于临界状态恒压状态，运行压力不稳定，影响使用效果。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明：

图1为本发明中离心泵流量扬程的曲线图；

图2为本发明中离心水泵的通用性能曲线及运行区域图。

具体实施方式

热水恒压控制系统设置自动调整控制方法，包括以下步骤：

(1)状态判断：当水泵使用在热水系统中通过增压实现系统供水时，系统转速达到最大额定转速，压力始终无法达到系统正常设定的压力，可以判断系统中出现较大气蚀，需要进行设置调整。因此针对用户是否有用水，分成水泵有流量输出和无流量输出进行分析判断；

无流量输出：当系统压力无法达到设定值，并且转速为最大时，参看附图1，转速n为系统最大转速，此时系统流量为0，系统的压力为Ha0，通过采样的压力进行判断，当压力始终不变化时，可以确定系统中无用户用水，系统处于稳定状态。

有流量输出：当系统压力无法达到设定值时，转速达到最大值，但采样的压力会出现随机变化，说明系统中有用户在用水，由于系统用水量不同，而出现不同的压力值。参看图1中的曲线所示，在转速n情况下，当流量变化从Q1 增加到Qmax时，系统压力从Ha降低到Ha1。如果系统压力不断出现变化，说明系统中有用户用水。

根据上述的有流量输出和无流量输出的分析判断，下面的步骤选择无流量输出的情况进行下一步的操作。

(2)信息采样状态选取：当系统供热水时，系统为了运行安全以及节能等要求，会进行温度监测和控制，水温度变化不会太大。从背景技术的表1中可以看出，当温度变化不大时，系统中水泵气蚀变化也不大，对水泵整体运行影响不大。

由于水泵本身的设计偏差、系统使用的温度不同、水泵不同规格型号的效率的不同，如果对系统进行自动设置调整，需要选择相应的状态作为参考，进行信息采样，按照该状态的采样信息值进行自动设置，保证满足系统稳定运行、节能和用水舒适度的要求。

当系统中水泵由于热水所引起的气蚀，会出现系统在两种情况下，压力都达不到设定的要求值，从附图1中可以看出，当有流量输出时，因为该状态下的压力值变化是随机的，并且用户的状态也是随机的，难以找到合适采样数据作为参考。因为选择系统参考状态，需要选取稳定状态，即选择无流量输出的情况下，进行相关数据采样和判断，作为进行设置调整的参考依据。

(3)系统压力判断周期：对于系统压力采样，需要对不同的状态进行判断周期的判别，需要对采样周期进行设置。如果判断周期过短，等同于把相应状态周期离散化，会出现无法判断出对应状态；如果判断周期太长，会出现系统压力波动时，系统响应滞后太多。因此一般选取0.3s-0.8s为判断周期，优选 0.5s为判断周期。

为了进行系统状态的判断，压力采样周期一般选取为0.5ms-2ms，优选为 1ms，满足判断条件的连续采样次数期一般为300-800次，优选为500次。

(4)系统压力判断区间范围：对于任何电子电路，都会存在一些干扰，通过各种电路改进和滤波，但仍然会存在干扰。因此需要先对干扰信息进行消除，然后对系统中通过不同压力变化或者压力采样值进行判断，或者采用一些判断区间范围，如果满足区间变化范围要求的，符合该状态判断要求，可以确定该状态。

对于系统压力判断，考虑到传感器的采样精度要求及传感器成本要求以及安全等因素，通常系统压力采样及判断误差值为1％即1MPa的0.01Mpa，检测到的系统压力波动值小于0.01Mpa，可以判定系统稳定。当系统在最大转速情况下，压力波动小于0.01Mpa情况下，可以判定该系统没有流量输出。

(5)判断的基本边界条件：当水泵供热水，出现气蚀时，会影响系统效率，如果满足以下三个条件：(a)当水泵转速达到最大值F＝fmax；(b)系统压力始终小于设定值时H<Hset；(c)电机的输出功率小于电机的额定功率P<Pe；即可以判定为热水气蚀，系统进行调整。

(6)热水恒压调整设置状态：系统进行条件判断和调整时，需要有相关的数据参考依据，由于系统在运行时采样的系统相关状态参数随机性较大，并且对应的用水状态也是随机的，如果系统在该状态进行系统调整，会出现系统调整后，很难满足系统大多数工况的要求或者会不断出现系统的调整，这样系统始终处于动态调整过程，不仅影响用水效果，系统运行也不稳定。

因此根据水泵系统的相关转速压力关系公式，选择系统在无用水满足调整设置情况的状态为系统参考状态，进行自动调整设置的依据。

(7)热水恒压设置压力自动调整值：对水泵等流体来说，它们满足几何相似、运动相似以及动力相似，则它们必定是相似的。公式(1)、(2)、(3) 分别表示水泵的流量、扬程和功率的相似换算公式。公式中的Q、H、P分别表示流量、扬程和功率，n表示转速。

当系统在没有用水时，当满足步骤(5)中的条件时，系统判定为热水供水，需要进行压力设置工作，采样到水泵输出压力值，将压力设定值向下调整，调整到小于原压力设定值，满足转速频率小于最大转速。

具体参看图2，P1为恒功率曲线，根据离心水泵的额定功率，为了保护电机，不会出现过负载烧机现象发生，离心水泵需要工作在P1曲线的左侧区域，当出现功率过大时，通过调节降低转速的方式，使得系统运行在恒功率曲线上，这样不仅可以确保系统正常运行，并且不会出现烧机或保护停机等情况发生。

当系统在无用水的情况下，采样系统的压力，根据转速压力关系，以及满足系统最佳运行压力区域，如图2所示，额定转速n＝2000转/分，选水泵的效率70％的区域为水泵最佳运行效率区域，为了确保系统运行在安全运行区域，并且工作在最佳运行区域和一定的转速调整空间，转速一般在额定转速的70％(即 n＝1400转/分)到90％(即n＝1800转/分)范围进行调整，按照步骤(7)中的公式(2)，当转速为额定转速的70％时，系统对应压力为额定压力49％；当转速为额定转速的90％时，系统对应的压力为额定压力的81％。由于热水的气蚀影响，系统的最大压力和流量会降低，效率也会降低，为了满足流量增加需求，需要有足够的转速增加，优选系统调整压力设定值为热水压力采样值的70％，不仅可以满足系统用水的不同流量要求，而且可以避免系统运行过程中，始终处于临界状态恒压状态，运行压力不稳定，影响使用效果。

以上仅为本发明的具体实施例，但本发明的技术特征并不局限于此。任何以本发明为基础，为解决基本相同的技术问题，实现基本相同的技术效果，所作出地简单变化、等同替换或者修饰等，皆涵盖于本发明的保护范围之中。