Mixed Pressure Control System
for a Centrifugal Pump
Levon Gevorkov, Valery Vodovozov
Department of Electrical Power Engineering and Mechatronics
Tallinn University of Technology
Tallinn, Estonia
Abstract—A novel pressure control system based on a centrifugal pump Simulink model is proposed aiming to reduce energy consumption during pump operation. The system developed provides the possibility of power reduction during pressure maintenance with the help of mixed pressure control strategy. To evaluate the system, a series of tests have been conducted that proved that the designed system is more beneficial from power consumption point of view than traditional pressure control methods. The system can be useful for pressure control optimization of centrifugal pumps.
Keywords—pumps, pressure control, centrifugal pump, Matlab,variable speed drive, power measurement, modelling, simulation
I. I NTRODUCTION
Centrifugal pumps are widely used in different industrial applications. They are essential parts in applications that require transferring fluids at a variable flow rate and variable pressure [1], [2]. Usually, centrifugal pumps are among the main consumers of electricity within the distribution networks driven by induction motors, which operate at either fixed or variable speed [3], [4]. Energy consumption of a centrifugal pump system greatly depends on an electric drive. For instance, at a constant speed operation, it is necessary to use throttle valves to control either the flow or pressure. The use of variable speed drives (VSDs) gives the possibility to control both the flow and pressure, and potentially reduces power losses [5]. Frequency converters that are parts of VSDs allow implementing soft start and shutdown of the pumps. Unlike throttling method, the advantage of VSDs is that they do not influence efficiency of the system much. Another important aspect is that lifecycle costs of such systems also depend on energy consumption [6].
Nevertheless, even in the case of using VSDs, the pumping systems generally consume much more energy than the optimum level. Significant energy savings can be obtained by applying both methods – throttling and speed control – at the same time. Due to the fact, that the energy costs are increasing, the possibility to reduce energy consumption of pump drives is becoming more important.
Pressure is one of the main process variables in pumping application. It is rather important to maintain the desired level of pressure to meet the requirements of various industrial applications. During the operation of the centrifugal pump system, the value of pressure can change considerably due to,time-varying demands on the delivery side. The safety of the pumping systems and pipelines in a water distribution system greatly depends on the possibility to control the level of pressure within the acceptable limits [7]. Therefore, it is necessary to vary the operation point of the centrifugal pump to control the output pressure despite the disturbances caused by the operation process. At the same time, the growing interest in energy savings and greenhouse gas reduction requires development of novel control strategies for pressure maintenance. Every conventional pumping system incorporates variable speed pumps, consisting of centrifugal pumps, variable frequency converters, and induction motors. In order to reduce energy consumption, special attention should be payed to the input power of the system in general [8].
There are several solutions how to control output pressure of the centrifugal pump system. In [9], the author proposes the pressure control in the calculated working point based on the electro-hydraulic model. Other authors discuss the possibility to apply the fuzzy control to cater system nonlinearities at the same time providing robust regulation under the large disturbances [10], and exanimating the operation of water distribution systems to provide the ways of increasing the efficiency of the system [11]. These approaches do not concern about the possibilities to reduce power losses caused by VSDs. They also do not focus on centrifugal pump input power estimation during the pressure regulation. To regulate pressure, mainly the speed control is taken into account in these papers.
This paper describes the developed pressure control method based on the DriveSize/Simulink model of the centrifugal pump system. The model consists of two parts. The first one represents the VSD and the second one – a centrifugal pump itself. The data from the model is used to calculate the energy consumption of the whole system. With the help of proposed algorithm, which is based on the data from a model, it is possible to choose the operational point of the centrifugal pump system optimal from an energy point of view. To achieve the optimal working point both throttling and speed pressure control methods are applied simultaneously. It can help to improve potential of energy saving in the pumping system.
The paper is organized as follows. In the following Section II, the conventional pressure control methods are described. Then, in Section III, the topology of the developed model and its subsystems with proposed algorithm and designed user interface are explained. Next, in Section IV, the experimental results are presented and conclusions drawn.
II. C OMPARISON OF P RESSURE C ONTROL M ETHODS
The layout of the centrifugal pumping system with a single stage is given in Fig. 1 [12].
The centrifugal pump transfers liquid from the fluid tank to a level located at some height above the reference plane or pumps it directly to the pipeline network connected to the centrifugal pump outlet. To produce enough pressure and flow
in the network, the pump is generally driven by a VSD consisting of the frequency co
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离心泵的混合压力控制系统
Levon Gevorkov, Valery Vodovozov
电力工程与机电一体化部
塔林理工大学
塔林，爱沙尼亚
摘要—提出了一种基于离心泵Simulink模型的新型压力控制系统，旨在降低泵运行时的能量消耗。开发的系统通过混合压力控制策略，提供了在压力系统维护的过程中降低功率的可能性。为了评估系统的性能，进行了一系列测试，已经证明了设计的系统比传统的压力控制方法更有利于降低功耗的观点。该系统可用于离心泵的压力控制优化。
关键词—泵，压力控制，离心泵，Matlab，变速驱动，功率测量，建模，仿真
一. 介绍
离心泵广泛应用于不同的工业领域中。它们是应用中的重要部分，需要以可变流量和变量传输流体压力[1]，[2]。通常，离心泵是由感应电机驱动的，是配电网络的主要耗电者之一，它们以固定或可变的速度运行[3]，[4]。离心泵系统的能量消耗很大程度上取决于电力驱动。例如，在恒速运行中，需要使用节流阀来控制流量或压力。使用变速驱动器（VSD）可以控制流量和压力，并有可能降低功率损耗[5]。变频器作为VSD的一部分，允许实现泵的软启动和关闭。与节流方法不同，VSD的优点是它们不会对系统的效率产生很大的影响。另一个重要方面是这种系统的生命周期成本也取决于能源消耗[6]。
然而，在使用VSD的情况下，泵送系统通常比最佳水平消耗更多的能量。但是通过同时应用两种方法，即节流和速度控制的方法，可以获得显着的节能效果。由于能源成本的增加，使降低泵驱动能耗的可能性变得越来越重要。
压力是泵送应用中的主要过程变量之一。保持所需的压力水平以满足各种工业应用的要求是相当重要的。在离心泵系统的运行过程中，由于对输送侧的时变要求，压力值可能会发生显着变化。配水系统中泵送系统和管道的安全性，大大取决于将压力水平控制在可接受的限度内的可能性[7]。因此，尽管操作过程造成了干扰，仍然需要改变离心泵的操作点来控制输出压力。同时，由于对能源节约和温室气体减排兴趣的日益增长，因此需要制定出新的压力维护控制策略。每个传统的泵送系统都包含由离心泵、变频器和由感应电动机组成的变速泵。为了降低能量消耗，应特别注意系统的输入功率[8]。
下面，有几种如何控制离心泵系统的输出压力的解决方案。在[9]中，作者根据电液模型提出了计算工作点的压力控制方法。其他作者讨论了通过应用模糊控制来满足系统非线性的可能性，同时在大扰动下提供强大的调节功能[10]，并且排除了配水系统的运行，以提供提高系统效率的方法[11]。这些方法对减少由VSD引起的功率损耗的可能性并不关心。在压力调节期间，他们也不关注离心泵输入功率估计。为了调节压力，速度控制才是这些论文中主要考虑的因素。
本文介绍了基于离心泵系统的DriveSize / Simulink模型开发的压力控制方法。该模型由两部分组成。第一个代表VSD，第二个代表离心泵本身。该模型的数据用于计算整个系统的能耗。在提出的基于模型数据的算法的帮助下，可以从能量角度选择离心泵系统的最优操作点。为了达到最佳工作点，同时应用节流和速度压力控制这两种方法。它可以帮助泵送系统提高节能的能力。
本文的结构如下。在下面的第二节中，描述了传统的压力控制方法。然后，在第三部分中，介绍了所提出的算法和设计用户界面的开发模型及其子系统的拓扑结构。接下来，在第四节中，提出实验结果并得出结论。
二. 压力控制方法的比较
图1给出了具有单级离心泵的泵送系统的布局。[12]
离心泵将液体从液体罐传送到位于参考平面上方某个高度的水平线上，或将其直接泵送到与离心泵出口相连的管网。为了在网络中产生足够的压力和流量，泵通常由VSD驱动由变频器和感应电动机组成。该阀连接到泵的出口，模拟在管道中的液体消耗的干扰，并允许模拟各种操作特性。连接到管线的压力传感器根据预定义的算法将信息传送到控制VSD的可编程逻辑控制器（PLC）。
图1 单级离心泵系统示意图
离心泵的流量（H-Q）特性和工艺特性通常是非线性的。在由制造商出版的所谓性能曲线的帮助下，可以知道其通常仅对应于离心泵的额定转速。由亲和度法即公式(1)，可以计算得到流量Q，功率-P和能量头 – H，用于不同的转速[13]：
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(1) |
其中，索引s链接到位于第s个系统曲线上的某些工作点的坐标，索引r对应于额定性能曲线的点，i是第i个转速的性能曲线的点。
为了调节离心泵的压力，可以采用以下两种主要方法[14]：
1.节流方式，采用调节阀。
2.速度控制方法，采用VSD。
图2示出了通常与固定速度驱动器一起使用的节流压力控制方法。
图2 用于离心泵压力控制的节流方法
在应用节流方法时，可以借助系统曲线位置的重新定位，使液体的压力发生变化。在节流时，离心泵的工作点根据节流阀的位置，沿性能曲线向左或向右滑动。因此，在流程特性的帮助下，节流将影响工作点的位置。然而，这种压力控制方法具有一些缺点，即节流浪费了不仅大量的能量，并且降低了效率。
另一方面，在施加速度控制的时候。当速度调节时性能曲线的位置发生变化时，工作点会沿着系统曲线垂直地滑动，变化情况如图3所示。
这种控制方法的优点在于，这种方法不仅可以节省大量的能源，同时还可以延长离心泵的运行时间。
图3 离心式泵调压调速方法
尽管变速泵能够可以通过缩放性能曲线来保持相对较高的效率，但是它们被附加到相同的系统曲线上。这种操作模式从能量消耗的角度看,并不是个很有益的方法。研究工作的目的是通过两种方法的结合来检查压力维持优化的可能性。
三. 混合压力控制系统
为了研究单级离心泵的输入功率，有必要先了解轴上的功率和VSD的功率损耗情况。等式(2)给出了离心泵的制动功率[15]：
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(2) |
在这个地方：
P泵 - 泵轴上的制动器功率，W
omega; - 泵的转速，rad / s
n - 泵的转速，rpm
T - 泵扭矩，Nm
离心泵系统的全输入功率由等式(3)给出：
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(3) |
为了估计输入功率，提出了离心泵系统的仿真。该模型基于泵和VSD模型。 为了开发适合泵送系统的模型，使用了两种不同的仿真环境。在泵的模型中，包含了各种传感器、管道、节流阀、单级离心泵和流体储存器。所有的这些部分都会在Simulink环境中进行建模。在VSD的模型中，包含了感应电动机和变频器的特性。它是在ABB DriveSize仿真环境的帮助下开发的[16]。VSD的参数如表1所示[17]。
表1 电驱动参数
图4示出了用于输入功率估计的设计模型的拓扑结构。该模型由几个子系统组成。元件用方框进行表示，它们包含了离心泵系统的各个部分：
DS -DriveSize，
POM - 电机参数，
POFC - 变频器参数，
PCM - 压力控制模块，
BPC - 制动功率计算器，
LC - 功率损耗计算器，
IPC - 输入功率计算器。
这里，借助于DriveSize的模拟环境，采用POM和POFC模块，根据离心泵的速度和转矩参数来模拟VSD。模块PCM是Matlab / Simulink仿真模型的一部分，它允许通过节流或通过速度控制的方法来进行压力调节。它包括球节流阀和理想的角速度源，这些均来自Simulink库。
图4 功率计算模型
图5所示的子系统中，BPC被设计为计算泵轴上功率的一个部分。
图5 BPC子系统的结构
它由连接到离心泵轴的理想扭矩传感器组成。在估计得到轴上的扭矩之后，使用公式(2)就可以计算得到制动功率了。
接下来，计算的数据以查询表的形式从DriveSize模型发送到LC。该块还接收诸如轴上的扭矩和作为输入的转速等参数。之后，可以通过参考以查询表的形式存储的来自DriveSize的输入参数和数据来估计VSD功率损耗。下一步就是设计IPC子系统，它根据公式(3)计算得到输入功率。
开发程序的用户界面如图6所示。它有助于控制离心泵的输出压力。该接口在CoDeSys [18]中设计。在这个地方：
a - 打开/关闭切换按钮，
b - 箭头压力指示器，
c - 压力参考杆，
d - 箭头式泵速度指示器，
e - 紧急指示器（p lt;p min || pgt; p max），
f - 压力参考值的数字指示器，参考速度和阀角度。
开发压力控制的算法如图7所示。开始时，程序将初始化变量并检查PLC，变频器和计算机之间的连接。一旦初始数据从查找表上传，程序就开始检查泵的转速。当前速度是一个参数，程序通过Profibus适配器FPBA-01从连接到PLC的变频器接收。转速从0 rpm开始上升，应至少达到的最小值为500rpm，阀也应该至少要打开60°。如果条件不成立，则程序启动递归，并提高速度值和增大阀角，直到达到最小值。
然后程序进入到下一步。在该步骤中，该算法在于参考压力信号的值，开始估计用于组合压力控制的离心泵系统所需的输入功率。为了完成进行这些计算，要使用到DriveSize / Simulink模型。在计算完成后，程序选择最佳工作点位置，并计算与该工作点对应的泵的适当阀角和转速。节气门角度和旋转速度的值进行到程序的另一部分。
图6 用户界面
图7 离心泵混合压力控制算法
在下一步中，将实际速度值与参考值进行比较，然后在PID模块中使用ABB公司的变频器ACQ810控制离心泵Ebara CDX [19]的输出速度，该变频器接收的是泵的转速值n。在基于速度控制的PID调节系统的帮助下，校正泵的转速n，使泵性能曲线缩放到先前由型号计算的位置上。对于节流阀角度的控制也是一样的。同样，先将当前阀角的值与参考值进行比较，然后使用PID模块控制角度的输出值。这有助于将泵性能缩放曲线和系统曲线精确定位到与估计工作点相对应的计算位置上。
在最后一步中，程序先是检查来自压力传感器MBS3000的压力值，然后将与实验期间接近压力值边界值(0.5-3.5 bar)时获得的最小和最大值进行比较。如果真正的压力值超过限制，则程序将停止离心泵的运行。在实际压力值在这些边界内的情况下，算法不会中断。
四. 实验验证
为了验证所提出的压力控制方法的效果，进行了模拟和实验研究。检查了[20]中描述的Simulink模型和实验测试台的数据。
图8示出了根据出口压力和当前工作点的位置所得的输入功率的分布情况。在压力值为1.5bar到2.0bar的范围内检查输出压力值。彩色区域中的绿色区域是给定值的最佳能量消耗区域。为了选择该区域，应该先考虑最小可接受流量的标准。红色区域是靠近泵通常运行时的区域。当工作点位于红色区域时，会发生最高的能量消耗。相反，当工作点位于左侧时，即在灰色区域，能量消耗最低，但流量不足以满足最低要求。对所得的检查结果表明，随着离心泵液压功率的增长，输入功率也会分别增加。
图8 混合压力控制期间的配电（绿色区域对应于最佳工作点区域）
表2表示的是压力为1.8bar时混合压力控制的模拟数据和实验数据的比较。
表2 压力为1.8bar时的估计功率的比较
获得的数据显示了模型的高精度和通过应用混合压力控制策略在压力控制期间节省能量的可能性。图9显示了一小时的能耗数据。
图9 在1.8bar压力下离心泵的一小时能耗
为了得到消耗电力的成本，可以使用公式(4)进行计算[21]：
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(4) |
其中，P是泵功率（W），UC - 电力单位成本，T - 持续时间，e - 系统中泵的数量。
根据最近10月份得到的二十四小时价格数据[22]，并考虑到单级泵，红色区域一小时泵送成本欧分，绿色区域成本欧分。
与常规方法相比，所设计的控制系统可以节省35％的成本。此外，它还可以延长抽水设备的使用寿命。
五. 结论
本文提出了一种基于节流和速度控制组合的新型压力控制系统。开发的压力控制算法是基于离心泵系统的DriveSize / Simulink模型。因为该模型允许功率估计，从而有助于确定头流平面上工作点的最佳位置。所提出的压力控制方法在基于EBARA CDX120 / 12离心泵的实际试验台的帮助下得到了验证。
进行的检查结果表明，该模型在对应于不同压力值的各个操作点上都具有高精度。
开发具有新颖性的混合压力控制的可能性，在于结合常规压力控制方法的两个优点，即节流和速度控制。测试中获得的数据，在进行评估后可以证明，新的控制方法可以获得节能效果。
致 谢
这项研究得到了爱沙尼亚零能源卓越中心和资源的高效智能楼宇和小区ZEBE的支持，和欧洲区域发展基金资助的2014-202
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