本說明書涉及泵-閥系統(tǒng)的線上診斷。

背景技術：

控制閥通常用于在各種管道和工藝中連續(xù)控制液體或氣體流。在諸如紙漿和造紙、煉油、石化和化學工業(yè)的加工工業(yè)中，在工廠的管道系統(tǒng)中安裝的不同種類的控制閥在工藝中控制材料流。材料流可以包含任何流體材料，例如流體、酒類、液體、氣體和蒸汽。

成功的控制閥尺寸和選擇取決于知道要安裝控制閥的系統(tǒng)中的操作條件。通常很少存在關于操作條件的清楚信息。對流動條件必須做出的假設越多，控制閥的尺寸就越不精確。一個常見的問題是閥或泵過大。這意味著該閥以非常小的打開幅度操作，其處于非常窄的打開范圍內并且具有高的安裝增益。高的安裝增益意味著即使控制信號和閥行程中的微小變化也實現相對較大的流量變化。要精確地控制這種環(huán)路是非常困難的。

在操作條件下，控制閥是工藝管線的一部分。工藝管線通常包括多個泵-閥系統(tǒng)，其中泵產生流體壓力以在管道中提供流體流，并且流體流由位于泵之后的管道中的某處的節(jié)流控制閥控制。泵由電能驅動。這種節(jié)流控制意味著由泵產生的“額外”壓力能量被浪費在節(jié)流控制閥中。因此，應該盡可能確定泵-閥系統(tǒng)的最佳尺寸，以避免浪費泵送能量和更好地操作控制閥。一個大型工業(yè)流程可能包含數百個泵-閥系統(tǒng)，因而浪費的泵送能量可能非常大。例如，據估計芬蘭的加工工業(yè)中浪費的泵送能量的年總量可能甚至為500MW，這相當于一個核電站的電能產能。因此，泵-閥系統(tǒng)的正確尺寸可以顯著節(jié)省能量和成本。此外，尺寸錯誤的泵-閥系統(tǒng)導致閥的控制性能和控制精度降低。

在規(guī)劃期間的工藝分析使得設備設計工程師能夠基于管線中的預期流量來選擇泵。然而，該工藝中的實際流量不可能準確地預測，并且實際流量通常不同于估計的設計流量。這可能導致泵尺寸錯誤。此外，當設計設備時，泵尺寸經常被過大設計以確保設備的操作。還可以對泵-閥系統(tǒng)進行離線分析。然而，這種分析集中在泵和系統(tǒng)曲線的識別，而忽略系統(tǒng)曲線的變化。分析的操作周期通常較短，而該周期應當較長(數月或數年)以便具有代表性，因為由于結垢，堵塞等，系統(tǒng)曲線的變化有時較慢。工廠中大量的泵-閥系統(tǒng)也使得分析和識別不適當地運作的泵-閥系統(tǒng)變得非常困難。

EP0962847公開了一種用于控制管道網絡的方法和設備，包括管道，逆變器控制的泵和至少兩個控制閥。監(jiān)測閥位置和通過閥的流量，并且基于接收的位置和流量數據來調節(jié)泵的轉速和每個閥的位置。泵的轉速被調節(jié)為盡可能低，但同時足以保持閥的增益。閥的位置被調節(jié)為盡可能打開，然而，閥開啟程度在大部分時間內不超過完全打開位置的某一預定比例。結果，泵送所需的能量消耗減少，并且閥的控制精度提高。

該現有技術方法僅適用于工廠中的幾個泵系統(tǒng)，但是不能提供通用的方式來減少包含大量泵-閥系統(tǒng)的設備中泵送能量的浪費。

WO 2011/104419A1公開了一種用于診斷泵-閥系統(tǒng)的方法，其中測量控制閥的閥打開和在控制閥的正常操作期間控制閥上的壓力差。然后，基于測量的閥開啟數據和測量的壓力數據和控制閥的已存儲固有閥流量系數(C_V)特性曲線，來確定隨通過控制閥的流速變化的控制閥上的實際壓力差，以及通過控制閥的實際最大流速。在另一個實施例中，通過安裝在管道中的流量指示器測量通過閥的流量，并且基于測量的閥開度數據和測量的流量以及控制閥的已存儲固有閥流量系數(C_V)特性曲線，來確定隨測量的通過控制閥的流量變化的控制閥上的實際壓力差，以及通過控制閥的實際最大流量。最后，在兩種方法中，基于壓力差和實際最大流量，如果調節(jié)泵的尺寸并且相應地調節(jié)隨后的控制閥，則可以確定在該壓力差下可實現的可能的減少。可以經由諸如圖形用戶界面，基于web的用戶界面或語音用戶界面等用戶界面，或者通過任何消息或數據通信機制，向用戶報告可能的壓力差減小。

與這種布置相關的一問題是，在控制閥處需要壓力傳感器來測量壓力差，或者需要流量傳感器來測量流量。僅為此目的而提供具有壓力傳感器的新控制閥是昂貴的，另一方面，該裝置不適用于工廠中的現有控制閥。此外，流量傳感器不一定在管道的所有部分中都可用，并且僅為此目的提供流量傳感器是昂貴的。

技術實現要素：

本發(fā)明旨在簡化泵-閥系統(tǒng)的在線診斷。本發(fā)明的這個目的通過根據獨立權利要求的方法、閥定位器、系統(tǒng)和計算機程序來實現。本發(fā)明的實施例在從屬權利要求中公開。

本發(fā)明的一個方面是一種用于診斷泵-閥系統(tǒng)的方法，包括：

基于為工業(yè)過程中運行的泵-閥系統(tǒng)的控制閥所收集的閥開啟數據來確定所述泵-閥系統(tǒng)的所述控制閥的實際最大閥工作區(qū)域，

為所述控制閥選擇新的最大閥工作區(qū)域，以及

基于所確定的實際最大閥工作區(qū)域和所選擇的新的最大閥工作區(qū)域來估計所述泵-閥系統(tǒng)中的節(jié)能潛力。

在一實施例中，所述估計泵-閥系統(tǒng)中的節(jié)能潛力包括：基于所述控制閥的實際最大閥工作區(qū)域來選擇用于所述控制閥的新的最大閥工作區(qū)域，以及，基于所述實際最大閥工作區(qū)域及所選擇的新的最大閥工作區(qū)域來估計，如果根據所選擇的新的最大閥工作區(qū)域來實施所述泵-閥系統(tǒng)的流動特性時的所述節(jié)能潛力。

在一實施例中，所述方法包括：如果所述實際最大閥工作區(qū)域低于閾值，優(yōu)選地低于大約60％，更優(yōu)選地低于大約55％，以及更優(yōu)選地低于大約50％，則選擇所述新的最大閥工作區(qū)域并估計所述節(jié)能潛力。

在一實施例中，所述方法包括調整所述泵-閥系統(tǒng)的泵的尺寸，使得所述控制閥將大致以所選擇的新的最大閥工作區(qū)域來工作。

在一實施例中，所述方法包括通過用新的更小的泵替換所述泵-閥系統(tǒng)的泵，或通過更換或處理所述泵-閥系統(tǒng)中該泵的葉輪來實施所估計的節(jié)能潛力，使得所述控制閥以所選擇的新的最佳最大閥工作區(qū)域來工作。

在一實施例中，所述方法包括：如果所估計的節(jié)能潛力超過閾值，則調整所述泵的大小和/或所述所估計的節(jié)能潛力。

在一實施例中，所述方法包括：

直接從所述控制閥的數字控制器或定位器收集所述閥開啟數據，或者

基于控制所述控制閥的控制信號間接收集所述閥開啟數據。

在一實施例中，所述方法，包括：

對所收集的開啟數據進行排序；以及

將所述實際最大閥工作區(qū)域確定為這樣的開啟數據值，使得所述有序收集的開啟數據中x百分比都在該開啟數據值以下，x優(yōu)選地為至少80％，更優(yōu)選至少為90％。

在一實施例中，所述方法包括：

確定所收集的閥開啟數據的分布，優(yōu)選為概率分布，以及

將所述實際最大閥工作區(qū)域確定為這樣的開啟數據值，使得在該開啟數據值以下所述分布包含所收集的開啟數據的x百分比，x優(yōu)選地至少為80％，更優(yōu)選地至少為90％。

在一實施例中，所述節(jié)能潛力的確定額外還基于所述泵-閥系統(tǒng)的靜壓頭與總泵送壓力的比率，并且可選地基于動態(tài)管道壓力損失與所述總泵送壓力的比率。

在一實施例中，所述確定泵-閥系統(tǒng)的節(jié)能潛力包括通過以下等式或其近似來確定所述節(jié)能潛力：

其中，

Δp_org＝所述控制閥兩端的原始壓差

Δp_new＝所述控制閥兩端的新壓差

Δp_p＝由管道的流動阻力引起的壓力損失

Δp_sh＝靜壓頭(static pressure head)

在一實施例中，所述確定泵-閥系統(tǒng)的節(jié)能潛力包括確定所述節(jié)能潛力為：

其中，

P_new＝新泵送功率

P_org＝原泵送功率

n＝2表示所述控制閥的等百分比特性曲線

n＝1表示所述控制閥的線性特性曲線

n＝0.5表示快速打開控制閥

h_new＝選擇的所述閥的新的最大閥工作區(qū)域

h_org＝所述閥的原最大閥工作區(qū)域

X_sh＝靜壓頭與總泵送壓力的比率。

在一實施例中，其中所述確定泵-閥系統(tǒng)的節(jié)能潛力包括通過以下等式或其近似來確定所述節(jié)能潛力：

其中，

h_new＝選擇的所述控制閥的新的最大閥工作區(qū)域

h_org＝所述控制閥的原最大閥工作區(qū)域

h_pl＝規(guī)劃點開啟

X_sh＝靜壓頭與總泵送壓力的比率

X_p＝管道壓力損失與總泵送壓力的比率

φ₀＝常數

P_new＝新泵送功率

P_org＝原泵送功率。

在一實施例中，所述確定泵-閥系統(tǒng)的節(jié)能潛力包括通過以下等式或其近似來確定所述節(jié)能潛力：

其中，

h_new＝選擇的所述控制閥的新的最大閥工作區(qū)域

h_org＝所述控制閥的原最大閥工作區(qū)域

h_pl＝規(guī)劃點開啟

X_sh＝靜壓頭與總泵送壓力的比率

X_p＝管道壓力損失與總泵送壓力的比率

P_new＝新泵送功率

P_org＝原泵送功率

在一實施例中，所述方法包括通過將所收集的閥開啟數據分類成多個集合(bin)來創(chuàng)建所收集的閥開啟數據的分布，所述集合代表所述控制閥的閥開啟總范圍的子范圍，

每個集合中的開啟數據值與以下之一成比例：1)以相應集合來操作的控制閥的觀察次數，2)所述控制閥以相應集合操作的時間，以及3)所述控制閥以相應集合操作的概率。

在一實施例中，所述方法包括：

測量在所述工業(yè)過程中以所述控制閥的實際最大閥工作區(qū)域來操作的所述泵-閥系統(tǒng)中的泵的電機所消耗的功率或電流，以及

基于測量的功率或電流消耗來計算，如果所述控制閥以接近所選擇的新的最佳的最大閥工作區(qū)域來操作時，所述泵-閥系統(tǒng)中該電機的節(jié)省電能。

在一實施例中，所述方法，包括：

在圖形用戶界面上提供節(jié)能估計工具，所述圖形用戶界面至少顯示所述實際最大閥工作區(qū)域、用戶可選擇的新的最大閥工作區(qū)域，以及如果根據所述用戶可選擇的新的最大閥工作區(qū)域來調整所述控制閥的流量特性時的所述節(jié)能潛力，并且優(yōu)選地進一步將所述實際最大閥工作區(qū)域優(yōu)選顯示為直方圖。

本發(fā)明的一方面提供一種用于操作控制閥的閥定位器，所述閥定位器包括用于實現上述方法方面中的任何一個的步驟的裝置。

本發(fā)明的一方面提供一種用于控制工藝的自動化系統(tǒng)，所述自動化系統(tǒng)包括用于實施上述方法方面中的任一個的步驟的裝置。

本發(fā)明的一方面提供一種閥管理系統(tǒng)，包括用于實施上述方法方面中的任何一個的步驟的裝置。

本發(fā)明的一方面提供一種泵維護系統(tǒng)，包括用于實施上述方法方面中的任何一個的步驟的裝置。

本發(fā)明的一方面提供一種工藝設備，包括在工藝中安裝的多個泵-閥系統(tǒng)，用于控制所述工藝的自動化系統(tǒng)，以及閥管理系統(tǒng)，所述工藝設備還包括用于實施上述方法方面中的任何一個的步驟的裝置。

本發(fā)明的一方面提供一種包括程序代碼裝置的計算機程序，當所述程序在計算機或處理器上運行時，所述程序代碼裝置適于執(zhí)行上述方法方面中的任何一個的步驟。

附圖說明

下面將通過示出為示例的實施例并參照附圖來更加詳細地描述本發(fā)明。附圖中：

圖1示出了示例性工藝自動化系統(tǒng)和現場設備管理系統(tǒng)的示意性框圖；

圖2示出了可應用本發(fā)明的實施例的示例性泵-閥系統(tǒng)；

圖3示出了圖2所示的泵-閥系統(tǒng)的示例性系統(tǒng)壓力-流量圖，其具有閥的原始安裝的流動特性；

圖4示出了具有初始安裝和新的流動特性的圖2所示的泵-閥系統(tǒng)的示例性系統(tǒng)壓力-流量圖；

圖5示出了相對于原始開啟的節(jié)能潛力的示例；

圖6示出了閥打開分布隨時間變化的示例，即閥行程與時間的關系；

圖7示出了另一個直方圖，其示出了在一組閥開啟集合中觀察的分布；

圖8示出了針對圖7的直方圖計算的累積概率分布的示例；

圖9示出了泵送節(jié)能估計工具的示例；

圖10A示出了具有初始安裝的和新的流量特性的測試泵-閥系統(tǒng)的示例性系統(tǒng)壓力-流量圖；

圖10B示出了在測試系統(tǒng)中針對原始安裝的流量特性和新的流量特性測量的參數值的表；

圖11描繪了對不同流速和轉速的實驗室測試概要。

具體實施方式

本發(fā)明可以應用于任何泵-閥系統(tǒng)的診斷，包括在工藝管線中的泵和至少一個控制閥的組合。

圖1示出了示例性工藝自動化系統(tǒng)和現場設備管理系統(tǒng)的示意性框圖，其中本發(fā)明的原理可以應用于泵-閥系統(tǒng)。控制系統(tǒng)塊5通常表示任何和所有控制室計算機(多個)/程序和過程控制計算機(多個)/程序以及自動化系統(tǒng)中的數據庫。存在用于控制系統(tǒng)的各種架構。例如，控制系統(tǒng)可以是本領域中公知的直接數字控制(Direct Digital Control，DDC)系統(tǒng)或分布式控制系統(tǒng)(Distributed Control Sysem，DCS)。

在圖1的示例中，僅示出了一個控制閥，但是自動化系統(tǒng)可以包括任何數量的現場設備，例如控制閥，通常為數百個。存在各種可替代方式來在工廠區(qū)域中布置控制系統(tǒng)與現場設備(例如控制閥)之間的互連。在圖1中，現場/過程總線3通常表示任何這種互連。習慣上，現場設備已經通過雙線雙絞線環(huán)連接到控制系統(tǒng)，每個設備通過提供4到20mA模擬輸入信號的單個雙絞線連接到控制系統(tǒng)。最近，在控制系統(tǒng)中已經使用諸如可尋址遠程傳感器(Highway Addressable Remote Transducer，HART)協(xié)議的新解決方案，其允許數字數據與雙絞線環(huán)路中的常規(guī)4至20mA模擬信號一起傳輸。HART協(xié)議在諸如出版物HART Field Communication Protocol(HART現場通信協(xié)議)：An Introduction for Users and Manufacturers，HART Communications Foundation，1995(針對用戶和制造商的說明，HART通信基礎，1995)中有更詳細的描述。HART協(xié)議也已經被開發(fā)成工業(yè)標準。其他現場總線的示例包括現場總線(Fieldbus)和過程總線(Profibus)。然而，應當理解，現場/過程總線3的類型或實現與本發(fā)明無關?，F場/過程總線3可以基于上述備選方案中的任何一個，或者基于它們的任何組合，或者基于任何其他實現。

現場設備可以使用現場設備管理和診斷系統(tǒng)4來管理。管理和診斷系統(tǒng)4還可以連接到工廠的局域網LAN，這允許其與例如控制室程序通信?；蛘撸F場設備管理和診斷系統(tǒng)4或類似的功能可以集成到控制系統(tǒng)5中，例如，集成到控制室或過程控制計算機中。如上所述，管理和診斷系統(tǒng)4可以在現場/過程總線3上連接到現場設備(例如閥定位器2)。例如，每個現場設備可以具有將其連接到HART多路復用器的專用現場總線，HART多路復用器又連接到管理和診斷系統(tǒng)4。管理和診斷系統(tǒng)4可以包括設置有適當的管理和診斷程序的計算機工作站。管理和診斷系統(tǒng)的一示例為由Metso公司提供的Metso FieldCare軟件的計算機。Metso FieldCare是基于FDT/DTM(Field Device Tool/Device Type Manager，現場設備工具/設備類型管理器)的軟件。Metso FieldCare的一個特點是在線狀態(tài)監(jiān)測，能夠從現場設備收集在線數據，并為預測性維護計劃提供工具。

在操作條件下，控制閥是工藝管線的一部分。工藝管線通常包括多個泵-閥系統(tǒng)，其中泵產生流體壓力以在管道中提供流體流，并且流體流由位于泵之后的管道中的某處的節(jié)流控制閥控制。應用本發(fā)明的實施例的示例性泵-閥系統(tǒng)在圖2中示出。這種泵-閥系統(tǒng)可以由圖1所示的自動化系統(tǒng)或任何其他類型的控制系統(tǒng)控制和管理，或者甚至可以是獨立的系統(tǒng)。在所示示例中，提供泵23以將材料流泵送到工藝管線25。用于泵23的材料源可以是任何裝置或管線，例如圖2的示例中的上游容器24?？刂崎y21在泵23之后(其下游)連接到工藝管線25，以控制工藝管線25中的物質的材料流。材料流可以包含任何流體材料，例如流體，酒類，液體，氣體和蒸汽。從閥21伸出的管道25可具有任何構造，例如，它可以終止于下游容器26，如圖2所示的示例?？刂崎y21通常與致動器連接，致動器將閥的關閉元件轉動到完全打開和完全關閉位置之間的期望位置。致動器可以是例如氣動氣缸-活塞裝置。致動器本身通常由閥定位器22(有時稱為閥控制器)控制，閥定位器22控制控制閥21的關閉元件的位置，從而控制材料在該過程中根據來自自動化系統(tǒng)中的控制器的控制信號。

在規(guī)劃期間的工藝分析使得設備設計工程師能夠基于管線中的預期流量來選擇泵。然而，該工藝中的實際流量不可能準確地預測，并且實際流量通常不同于估計的設計流量。這可能導致泵尺寸錯誤。此外，當設計設備時，泵尺寸經常被過大設計以確保設備的操作。這可能導致閥以太小的打開程度工作，其處于非常窄的打開范圍內并且具有高的安裝增益(installed gain)。

圖3示出了圖2所示的泵-閥系統(tǒng)的示例性系統(tǒng)圖。泵輸出壓力p₀可以表示如下：

p₀＝p_head+p_p+Δp+p_sh

系統(tǒng)中總有一些靜壓頭p_sh導致泵送高度(即，泵液位和目標液位之間的垂直高度差)和可能的容器壓力。此外，由于管道25的流動阻力，存在壓力損失p_p。此外，在管道中存在控制閥21上的壓力差Δp。固有流量特性是通過閥的流量曲線的形狀，其中閥上具有恒定的壓降Δp?；旧希瑘D3中的控制閥上的壓差Δp對應于可以存儲在存儲器中的閥的安裝(計劃)閥流量系數(Cv)特性曲線。然而，當工藝管線連接到閥時，作為流量Q的函數變化的管道壓力損失p_p也將導致閥的壓降Δp作為流量Q的函數而變化，即使源處的壓力和接收器是恒定的。換句話說，在操作條件下，閥門上的差壓Δp在閥行程范圍內很少恒定，因為由于閥的流動阻力導致的流動中的動態(tài)壓力損失導致閥入口壓力下降，出口壓力隨著流量Q增加而上升。對于安裝的閥，流量Q對閥打開位置h(即所安裝的流量特性曲線的形狀)的依賴性是過程管道和閥的固有流量特性的函數。Δp₀表示當閥完全關閉時閥兩端的原始壓差。參數hpl，x，xp和xsh涉及閥的操作點的規(guī)劃，并且它們將在下面進一步更詳細地解釋。

泵由電能驅動。通過流量理論，泵所消耗的功率可以計算如下：

其中，η_pump為泵的效率。

現在參考圖3和圖4，假設閥21主要在閥的全開度的50％下操作，并且在控制閥上具有流量Q和壓力差Δp_org。因此，可以看出，泵-閥系統(tǒng)的工作點不是最佳的，因為最初計劃的最大流量Q_max太高，并且閥21以及泵23尺寸過大?？紤]新的操作點，其中閥21將主要在閥的全開度的70％處以相同的流量Q工作，如圖4中的虛曲線所示。新的最大流量Q_max.new將小于原始最大流量Q_max，更重要的是，控制閥21上的新壓差Δp_new顯著小于原始壓差Δp_org。節(jié)省(減少)的差壓為Δp_save＝Δp_org-Δp_new。泵頭相應地減小。功率或節(jié)能潛力可以估計如下：

應當理解，在實施例中，術語“閥工作區(qū)域的最大開啟”不是指閥的全開，而是可以是相對開啟程度，記錄的開啟程度的預定比例將在該相對開啟程度之下下降。這種預定比例可以是例如X％百分位數，例如80％百分位數，優(yōu)選90％百分位數。因此，最大開啟程度通常小于閥的全開。

圖5示出了當閥將在具有70％閥打開程度而不是原始閥打開程度的相同流動情況下工作時相對于原始打開百分比的節(jié)能潛力百分比(Δp_save/p₀)的簡化示例。使用五個不同的相對靜態(tài)壓頭(p_sh/p₀)示出了近似的節(jié)能潛力：0、0.1、0.2、0.3和0.4。節(jié)能高程度地依賴于泵頭。另一方面，泵頭取決于閥打開程度，即閥上的壓差Δp?！邦~外的”壓力能量由泵產生并且在節(jié)流控制閥中被浪費。因此，具有較大閥門開口的較小壓力頭使用較少的泵功率產生相同的流量。當閥門在小閥門開度(<50％)下運行時，存在非常潛在的節(jié)省。由于泵不在具有小開度的閥上運行，因此節(jié)省了成本。靜壓頭壓力降低了節(jié)省潛力，因為它需要克服并且僅超過頭部用于流動動力學。因此，在潛在的節(jié)能情況下，優(yōu)選地具有小的靜壓頭(例如沒有或小的管道壓力)。例如，如果相對靜壓頭p_sh/p₀＝2bar/8bar＝0.25，則閥門開度從40％優(yōu)化到70％將給出55％的節(jié)能潛力。對于另一個示例，如果相對靜壓頭p_sh/p₀＝10bar/20bar＝0.5，則將閥開度從40％優(yōu)化到70％將給出35％的節(jié)能潛力。

有挑戰(zhàn)的是在數十或數百個泵-閥系統(tǒng)中檢測和識別出那些顯著浪費泵送能量的泵-閥系統(tǒng)，并且還估計所識別的泵-閥系統(tǒng)中的節(jié)能潛力，最好沒有或具有最小量的附加測量。如上所述，在用于測量壓力差的控制閥處需要附加壓力傳感器，或者如在WO 2011/104419A1中公開的現有技術裝置中的管線中需要流量測量。為壓力傳感器或流量測量僅為此提供新的控制閥是昂貴的，另一方面，具有壓力傳感器的裝置不適用于工廠中的現有控制閥。

根據本發(fā)明的實施例，可以根據基于在工業(yè)過程中工作的閥的實際開啟收集的數據以及可選地關于泵的電機的功率消耗的數據來檢測和識別非最優(yōu)泵閥系統(tǒng)，而并不需要流量或壓力測量或傳感器。

閥的開啟程度分配

如圖2中示意性所示，可以直接從閥21的數字控制器或定位器22獲得關于閥開啟的數據27，或者通過監(jiān)視閥的控制信號(過程控制器的輸出信號，未示出隨時間的累積變化。閥的開啟數據或位置數據可從大多數現有的數字控制器或定位器22獲得。閥控制信號數據可從現有的控制器或定位器或從向控制器22提供控制信號的過程控制器獲得。不需要新的測量。

基于閥的相對開度(全開度的百分比，％)的分布或者閥的控制信號的相應分布，可以確定閥在監(jiān)控時間內在哪個開度下工作的時間更長。圖6中示出了閥的開度隨時間變化的分布，即閥行程與時間的關系的示例。示例性的分布是直方圖，其中閥行程或開度范圍0-100％被劃分為子范圍或集合(bins)0-10,10-20,…,90-100％。每個集合中的柱的高度對應于閥開啟已在該集合中的總監(jiān)視時間的時間百分比(％)。

現考慮具有以下數據的示例性閥開啟直方圖(分布)：

表1

在圖7中示出了相應的示例性直方圖。該特征直方圖已經記錄有0％至100％的閥開度，具有10％的集合寬度。每個集合中的柱的高度對應于觀察到的閥以相應集合工作的次數?？梢钥闯?，閥在大多數時間在低于50％的開啟范圍內工作。因此，泵-閥系統(tǒng)可能不是最佳尺寸。

為了進一步分析，可以確定閥工作區(qū)域的實際最大閥開度。在示例性實施例中，最大閥開度可以是這樣的相對開度，記錄的預定比例的開度都將落在該相對開度以下。這種預定比例可以為記錄的開度的80％，優(yōu)選地大于記錄的開度的90％。在示例性實施例中，為了計算被定義為百分點值的閥工作區(qū)域的最大開度，可以計算概率分布，其是每個集合的命中數(number of hits)除以直方圖中的命中總數。此外，在一示例性實施例中，可以計算累積分布，其是概率分布的累積和。使用表1的值的計算結果示于表2中。

圖7的直方圖可選地被示為具有作為定義集合柱的高度的概率分布百分點值(％)的直方圖。這將對應于圖6中所示的直方圖。所得到的累積概率分布在圖8中示出。

閥工作區(qū)域的實際最大開啟，例如，90百分點值可以通過從累積分布相對于閥開口集合(高集合極限)內插所提供的百分位值(例如0.9)來獲得。根據表2的數據，獲得閥工作區(qū)域的最大開度(90％百分位數)＝閥門全開度的54.1818％。因此，如果工作區(qū)域的新的最大開度(90％百分位數)被選擇為例如閥的全開度的70％，則存在潛在的泵送能量節(jié)省。

在本發(fā)明的實施例中，可以對記錄的閥開度值h進行排序，并且閥工作區(qū)域的最大開度可以是這樣的相對開度，預定比例的記錄開口都將落在該相對開度以下。這種預定比例或x％百分位數可以是排序開度值的80％(80％百分位數)，優(yōu)選大于排序開度值的90％(90％百分位數)。

泵送能量

關于驅動泵的電機的功率消耗的數據可以通過以本領域技術人員公知和顯而易見的各種方式通過從電機23的測量電流(I)計算其和所消耗的泵送能量來獲得。

例如，可以在一段時間(例如月或年)內監(jiān)測電機的累積電流或平均電流。泵所需的電功率P可以通過P＝U*I計算，其中U＝電機的標稱電壓。泵消耗的電能的量可以從W＝P*Δt計算，其中Δt是泵的運行時間，例如電流的監(jiān)測周期，例如，一個月。

電流測量數據，電壓測量數據或電功率數據28可以從控制泵23的電機的現有電驅動(例如變頻器)獲得，如圖2中示意性地示出的。因此，不需要進行新的測量。

然而，如果需要，可以以各種方式為現有的泵電機安排電流測量。例如，電流互感器可以安裝在向泵電機供電的載流導體周圍，優(yōu)選地，不破壞電路。電流互感器可以是夾式探頭的形式。

可以在電流測量位置處計算電機的功率或能量消耗，由此可以將功率或能量消耗數據28傳輸到數據收集和分析29，用于泵送節(jié)能估計?；蛘?，可以將電流測量數據28發(fā)送到數據收集和分析29，并且可以在別處提供計算。數據傳輸可以通過無線通信來實現。

如果沒有泵的電機的電流或功率測量可用，則可以基于例如泵23的標稱功率來確定由泵消耗的大致的電能。

泵送能量節(jié)省潛力的估計

當初始數據僅包含閥開啟數據和泵的功率或能量消耗時，可能必須進行一些假設以確定節(jié)能潛力。以良好的精度，可以假設四分之一轉回轉閥的固有閥流量系數(Cv)特性曲線緊密地遵循所謂的等百分比特性曲線——流量隨閥行程以指數方式增加。閥行程的等增量在現有Cv中產生相等的百分比變化。在需要更好的精度的情況下，可以采用多項式近似或表格值。

當采用等百分比特性曲線時，可以使用以下等式計算節(jié)能潛力。

其中，

Δp₀＝p₀-Δp_sh

ΔP_sh＝靜壓頭(p_sh)

h_new＝所選擇的閥工作區(qū)域的新的最大開度(例如0.8)

h_org＝閥的工作區(qū)域的原始最大開度

h_pl＝規(guī)劃點-規(guī)劃開度(例如0.8)

x_sh＝Δp_sh/Δp₀≈0.25-靜壓頭與總泵送壓力的比(通常是可以給出或者假定為默認為小的估計)

x_p＝Δp_sh/Δp₀≈0.47-動態(tài)管道壓力損失與規(guī)劃點處的總泵送壓力的比率(通常是估計)

φ₀＝常數(對于直角回轉旋轉閥φ₀≈0.02)

規(guī)劃點h_pl和參數x_sh，x_p和Δp_hpl如圖4所示。Δp_hpl是規(guī)劃點處閥上的壓差Δp。通常可以近似為Δp_hpl≈1/3*Δp。

簡化估計泵送功率潛力

如果我們假設閥的等百分比特性曲線遵循等式

C_v(h)＝k*h²

可以擺脫對數和指數函數。在這種情況下，可以如下確定節(jié)省潛力。

此外，如果假定泵壓頭和管道壓力損失Δp_p之和以流量Q的平方的函數增加，則可以省略參數x_p和h_pl，并且節(jié)省潛力可以確定為：

泵送功率潛力的一般估計

如果閥的特性曲線被推廣到形式：

C_v(h)＝k*hⁿ

其中n＝2表示上述等百分比特性曲線，n＝1表示線性特性曲線，n＝0.5表示快速打開閥，節(jié)省潛力可以確定為：

上述任何示例性估計方法可以用于確定以百分比表示的節(jié)省潛力。然而，本發(fā)明不限于這些優(yōu)選的方法，而是可以根據本說明書時創(chuàng)建其他合適的計算和近似值。

潛在的節(jié)能可以通過用新的較小的泵替換原始泵，或更優(yōu)選地替換或處理原始泵的葉輪來實現，使得控制閥將以所選擇的閥工作區(qū)域的新的最佳最大閥開度工作。該措施將優(yōu)選地在工藝的維護關閉期間進行。

泵送節(jié)能估計器

本發(fā)明的實施例可以用于向工廠的操作者提供泵送節(jié)能估計工具。該工具可以在圖形用戶界面處提供估計器視圖。在圖9中示出了估計器視圖的示例。在該示例中，泵送節(jié)能估計器被集成到可從Metso Corp.獲得的Metso Valve Manager工具中。

該工具可以顯示如上所述獲得的閥開度直方圖。閥工作區(qū)域的最大開度(例如開度的90％)對應于參數h_org，并且可以如上所述地獲得。在該示例中，閥工作區(qū)域的最大開度是完全開度的48％。目標開度是閥門被規(guī)劃的閥工作區(qū)域(90％百分位數)的新的最大開度h_new，例如閥門全開度的70％。該參數可以被選擇，例如，由用戶輸入。靜態(tài)壓頭比對應于參數x_sh，并且可以由用戶輸入。節(jié)省潛力對應于P_new/P_org，并且可以利用簡化的節(jié)省潛力方程計算，例如從參數h_org，h_new和x_sh計算。

用戶可選擇新的最大閥工作區(qū)域并有條件地估計節(jié)能潛力。條件可以是例如實際最大閥工作區(qū)域低于閾值，優(yōu)選地低于大約60％，更優(yōu)選地低于約55％，還更優(yōu)選地低于約50％。使用類似類型的條件，估計器工具可以向用戶指示滿足條件的泵-閥系統(tǒng)。

如果估計了金錢上的節(jié)省，則用戶可以輸入泵的最大功率的平均相對(百分比，％)電功率消耗Pu，泵的相對運行時間(百分比，％)Tu(開啟時間與關閉時間的比)，標稱泵功率(例如kW)和每功率單位的能量成本(例如每MWh的成本)。泵的利用率U可以表示為U＝Pu×Tu?；谶@些參數和計算的節(jié)省潛力，可以計算和顯示年度節(jié)省金額。

本發(fā)明的實施例還可以自動地生成關于葉輪更換對泵送性能的影響的報告，關于泵葉輪更換的量值的建議，能量計算和建議的泵葉輪更換的節(jié)省金額。

用戶可以在實踐中實現估計的節(jié)能潛力，例如，有條件地調整泵的尺寸。該條件例如可以是估計的能量節(jié)省潛力超過閾值，例如貨幣價值。這種貨幣價值可以基于在實踐中實施估計的節(jié)能潛力所需的估計投資。

示例1

實驗室測試中的節(jié)能。測試設置為：

閥：Neles R1 200

泵：壓頭最大10bar，流量最大150I/s，驅動：250kW

管系統(tǒng)：直徑160-400mm(非線性，多個減速機)，

長度50m

泵送高度：2.5米

流量64I/s。

根據本發(fā)明的實施例近似的節(jié)省潛力是：

在原始流動情況下的測試結果和優(yōu)化的流動情況在圖10A和10B中示出。原始閥開度(90％百分位數)為41％，新閥開度(90％百分位數)為69％。

從數據可以得出結論，通過將泵壓頭從4.1bar降低到2.7bar，實現了相同的流量(64I/s)，節(jié)省了43％的功率。因此，節(jié)電估計是相當準確的。通過降低泵的轉速來減小泵頭，并且從變頻器顯示器記錄所需的電功率。

圖11描述了具有流速64I/s和42I/s和不同轉速的類似比較的實驗室測試的概要。

數據收集和分析通常用圖2中的功能塊29表示。數據收集和分析功能29可以位于閥定位器或控制器22，管理和診斷系統(tǒng)4處，或自動化系統(tǒng)處，或者以需要的方式分布在其中，通過現場/過程總線3執(zhí)行通信?；蛘撸瑪祿占头治龉δ?9可以在遠程維護中心、或服務中心、或云計算服務中提供，例如由閥制造商，閥維護提供商，泵制造商或泵維護提供商來提供。在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，收集開啟數據，并且在閥定位器或控制器22中至少計算開啟分布。在一個實施例中，在閥定位器或控制器22中也計算閥工作區(qū)域的最大值(例如90％百分位數)。所計算的數據或原始閥開啟數據可以被傳送或以其它方式提供給管理和診斷系統(tǒng)4或在自動化系統(tǒng)處，以用于進一步處理和顯示，例如，使用根據本發(fā)明的實施例的節(jié)省估計工具。來自Metso Corp的智能閥控制器ND9000是可以實施本發(fā)明的實施例的合適的閥定位器或控制器的示例。

本文所描述的技術可以通過各種手段來實現。例如，這些技術可以在硬件(一個或多個設備)、固件(一個或多個設備)、軟件(一個或多個模塊)或其組合中實施。對于固件或軟件，實施可以通過執(zhí)行本文描述的功能的模塊(例如，過程，函數等)。軟件代碼可以存儲在任何合適的處理器/計算機可讀數據存儲介質或存儲器單元中，并由一個或多個處理器/計算機執(zhí)行。數據存儲介質或存儲器單元可以在處理器/計算機內實現或在處理器/計算機外部實施，在這種情況下，它可以通過本領域已知的各種手段通信耦合到處理器/計算機。另外，本文描述的系統(tǒng)的組件可以通過附加組件重新布置和/或補充，以便于實施關于描述的各個方面、目標、優(yōu)點等，并且正如本領域技術人員所能理解的，不局限于給定附圖中示出的精確配置。

上述描述和相關附圖僅旨在通過示例來說明本發(fā)明的原理。基于本說明書，各種替代實施例、變化和改變對于本領域技術人員是顯而易見的。本發(fā)明不局限于本文所述的實施例，而是可以在所附權利要求的范圍和精神內變化。