重金属矿山井下大功率水泵机组效率测试系统的设计与应用.pdf

分类号 U DC 密级 编号 十初大学 C E N T R A LS O U T HU N I V E R S I T Y 硕士学位论文 论文题目．⋯重金属矿幽．抚王太殖率坐泵机缉敢空⋯ ⋯⋯⋯⋯⋯测试系．统的选甘与廛周⋯⋯⋯ 学科、专业⋯⋯⋯⋯⋯控剑科学与．王猩⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 研究生姓名⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯崔亮⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 导师姓名及 专业技术职务⋯⋯⋯⋯一唐朝晖⋯．熬撬⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯． 分类号U D C 硕士学位论文 重金属矿山井下大功率水泵机组效率测试 系统的设计与应用 D e s i g na n dA p p l i c a t i o no fH i g h - p o w e rU n d e r g r o u n d W a t e rP u m pU n i tE f f i c i e n c yT e s tS y s t e mi nt h e H e a v y M e t a lM i n e 作者姓名 学科专业 学院 系、所 指导教师 论文答辩日期2 11 至』 ∞ 崔亮 控制工程与科学 信息科学与工程 唐朝晖 答辩委员会主席 中南大学 2 0 1 2 年5 月 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均己在论文中作了明确的说明。 作者签名虹 日期丝年』月军日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名．磕壶导师签名鲻日期丝年￡月型日 硕士学位论文 摘要 摘要 由于地下水是重金属矿山的主要安全隐患之一，为了保证矿山的 生产安全，井下排水水泵机组通常过量设计，数量多、分布广。水泵 机组又是排水系统连续运行时间最长、耗电量最大的设备之一。因此， 保持有效合理地使用水泵是节能的重要环节。水泵机组效率测试技术 对水泵的运行状况和优化运行有着重要的指导作用。目前，国内外的 井下水泵机组效率测试产品较少，矿井工作环境又决定了水泵效率测 试仪器体积不能过大。因此，急需开发出一套便携式、高精度的水泵 机组效率测试系统，用来测试矿山排水系统的机组效率并指导其优化 运行，对提高企业经济效益具有非常重要的现实意义。 论文根据矿山的实际需要，开发出水泵机组效率测试系统，能够 实时在线地测量水泵机组的工作参数、计算机组效率、绘制及拟合曲 线等。在设计过程中，解决了如何测量大功率水泵及流量、硬件兼容 性、数据采集和处理以及抗干扰技术等难点问题。本文研究工作主要 体现在以下几个方面 首先，由于矿井较深，需要使用大功率水泵排水，供电电压高达 6 K V ，直接测量不安全。针对这种情况，使用电流电压互感器把高电 压、大电流转换为低电压、小电流，再从互感器引出三相电压、四相 电流，通过水泵效率测试仪进行测量。 其次，在测量流量的过程中，针对不能影响水泵的正常工作和不 能破坏输水管道的约束条件，使用超声波流量计测量流量，流量计的 工作原理是通过计算上下传感器发送和接收信号的时间间隔来检测 流量大小。 最后，对测量结果及其精度进行了分析，精度符合国家 G B 一3 2 1 6 8 9 B 级标准。针对遗传算法容易出现“早熟’’现象，在测量 数据的基础上，提出对基于G S A 混合遗传算法的井下排水系统的水泵 机组开机顺序及其组合进行优化运行，实际算例表明，该运行策略有 较强的适用性，可以取得良好的经济效益。 关键词效率测试，大功率水泵，超声波流量计，G S A 混合遗传算法， 优化运行 硕士学位论文A B S T R A C T A B S T R A C T G r o u n d w a t e ri So n eo ft h em a jo rs a f e t yh a z a r d so ft h eh e a v ym e t a l m i n e ．I no r d e rt oe n s u r et h ep r o d u c t i o ns a f e t yo ft h em i n e ，u n d e r g r o u n d d r a i n a g ep u m pi su s u a l l y e x c e s s i v ed e s i g n e d ．L o t so fp u m p sa r e d i s t r i b u t e dw i d e l y , a n dt h ep u m pu n i ti st h eo n eo fe q u i p m e n t sw h i c hi s t h el o n g e s tc o n t i n u o u so p e r a t i o na n dt h el a r g e s tp o w e rc o n s u m p t i o ni n t h ep u m p i n gs y s t e m ，T h e r e f o r e ，k e e pe f f e c t i v eu s eo fw a t e rp u m pu n i ti s a ni m p o r t a n tp a r to fe n e r g y - e f f i c i e n t ．1 1 1 et e c h n o l o g yo fw a t e rp u m pu n i t e f f i c i e n c yt e s th a sa ni m p o r t a n tr o l ei ng u i d i n gt h es t a t u sa n do p t i m a l o p e r a t i o no ft h ew a t e rP u m p ．I n s u f f i c i e n tu n d e r g r o u n dw a t e rp u m pu n i t e f f i c i e n c yt e s tp r o d u c t se x i s ti nD o m e s t i ca n df o r e i g n ，m i n ew o r k i n g e n v i r o n m e n td e t e r m i n e st h ev o l u m eo ft h ep u m pu n i tt e s te q u i p m e n tc a n n o tb et o ob i g ．S oi ti sn e c e s s a r yt od e v e l o pap o r t a b l e ，h i g h - p r e c i s i o n p u m pt e s ts y s t e m ，i ti su s e dt ot e s tu n i te f f i c i e n c yo ft h em i n ep u m p i n g s y s t e m ，a n dg u i d ei t so p t i m a lo p e r a t i o n ．I th a sav e r yi m p o r t a n tp r a c t i c a l s i g n i f i c a n c et oi m p r o v et h ee c o n o m i ce f f i c i e n c yo fe n t e r p r i s e s ． A c c o r d i n gt ot h ea c t u a ln e e d so fm i n e ，w ed e v e l o pt h ep u m pu n i t e f f i c i e n c yt e s ts y s t e mw h i c hC a na c h i e v e st h ef u n c t i o n ss u c ha st e s t i n gt h e o p e r a t i n gp a r a m e t e r so f t h ep u m pu n i ti nr e a lt i m eo n - l i n e ，c a l c u l a t i o no f t h eu n i te f f i c i e n c y , a n dd a t ac u r v ef i t t i n g ．I nt h ed e s i g np r o c e s s ，s o m e i m p o r t a n ta n dd i f f i c u l tp r o b l e m so fc a r r y i n go u ta r es o l v e ds u c ha sh o w t om e a s u r eh i g h p o w e rp u m pa n df l o w , h a r d w a r ec o m p a t i b i l i t y , s i g n a l a c q u i s i t i o n a n d p r o c e s s i n g ， a n da n t i i n t e r f e r e n c e t e c h n o l o g y ． M a i n r e s e a r c hw o r ki Sa sf o l l o w s F i r s t l y , B e c a u s eo fm i n ei sd e e p ，i ti sn e e d e dt h a tu s i n gh i g h - p o w e r p u m p ，t h ep o w e rs u p p l yv o l t a g eu pt o6K V , d i r e c tm e a s u r e m e n ti sn o t s a f e ．I nv i e wo ft h i ss i t u a t i o n ，u s i n gh i g hv o l t a g ec u r r e n ta n dv o l t a g e t r a n s f o r m e r , h i g hv o l t a g ea n dc u r r e n ti sc o n v e r t e dt ol o wv o l t a g ea n d c u r r e n t ．T h r e e ．p h a s ev o l t a g e a n dt h e f o u r - p h a s e c u r r e n tf r o mt h e t r a n s f o r m e ra r et e s t e db yt h ew a t e rp u m pe f f i c i e n c yt e s ts y s t e m ． S e c o n d l y , i nt h ep r o c e s s o fm e a s u r i n gf l o w , a i m i n ga tc a nn o t i n f l u e n c et h en o r m a lw o r ko ft h ep u m pa n dd e s t r o yw a t e rp i p e ．Am e t h o d i sp r o p o s e df o ru s i n gt h eu l t r a s o n i cf l o w m e t e rt om e a s u r ef l o w ．I t s I I 硕士学位论文 A B S T R A C T w o r k i n gp r i n c i p l ei st h a tf l o wi st e s t e db ym e a s u r i n gt h eu p p e ra n dl o w e r s e n s o rt r a n s m i t t i n ga n d r e c e i v i n gs i g n a l st h r o u g ht i m ei n t e r v a l ． F i n a l l Na n a l y s et h em e a s u r e m e n tr e s u l t sa n dt h e i rp r e c i s i o n ，a n dt h e s y s t e mp r e c i s i o ni sr e a c hG B - 3 2 1 6 8 9 Bl e v e lo ft h es t a t e ．A i m i n ga tt h e g e n e t i ca l g o r i t h mi sp r o n et o ”p r e m a t u r e ”，a c c o r d i n gt ot h em e a s u r e dd a t a ， s t a r to rs t o po r d e ra n d o p t i m a lo p e r a t i o nc o m b i n a t i o no f t h ep u m p i n gu n i t s y s t e ma r eo p t i m a la p p l i c a t e db a s e do nt h eG S A h y b r i dg e n e t i ca l g o r i t h m ． T h ep r a c t i c a lo p e r a t i o ne x a m p l ei n d i c a t e st h a tt h i ss t r a t e g yh a sas t r o n g a p p l i c a b i l i t y , a n dt h eg r e a te c o n o m i cb e n e f i t sh a v eb e e ng a i n e d ． K E YW O R D Se f f i c i e n c yt e s t ，h i g h - p o w e rp u m p ，t h eu l t r a s o n i cf l o w m e t e gG S Ah y b r i dg e n e t i ca l g o r i t h m ，o p t i m a lo p e r a t i o n I I I 硕士学位论文 目录 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I A B S T R A C T ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．I I 第一章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1 论文研究背景及意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．2 水泵机组效率测试系统的研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 ．2 ．1 水泵机组效率测试系统的国外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．2 ．2 水泵机组效率测试系统的国内研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．3 水泵机组效率测试系统特点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 1 ．4 论文主要研究内容和安排⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 第二章水泵机组效率测试原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 ．1 水泵机组效率测试的主要参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 2 ．2 水泵的比例定律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 2 ．3 排水系统的能量平衡原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 2 ．4 最小二乘法原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯11 2 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 3 第三章水泵机组效率测试系统硬件设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 4 3 ．1 系统的功能和设计原则⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 3 ．1 ．1 系统设计原则⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 4 3 ．1 ．2 系统设计的总体要求⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 4 3 ．2 系统硬件组成⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 3 ．3 流量计工作原理介绍⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 3 ．4 硬件系统抗干扰措施⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 3 ．4 ．1 屏蔽和接地技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 4 3 ．4 ．2 信号隔离⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 4 3 ．4 ．3 去耦电容和旁路电容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 5 3 ．4 ．4 抑制电源的干扰⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 5 3 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 第四章水泵机组测试系统软件开发⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 7 4 ．1 软件总体结构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 4 ．2 数字滤波⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 4 ．3 通信模块及显示模块⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 4 ．3 ．1 设置U S B 采集卡的工作参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 4 ．3 ．2 读取采集的转换数据⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 9 硕士学位论文 目录 4 ．3 - 3 参数设置及水泵机组效率测试界面 4 ．4 系统数据库设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．． 4 ．4 ．1 数据库接口设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ ⋯⋯⋯．3 3 ⋯⋯⋯．3 3 ⋯⋯⋯．3 5 ⋯⋯⋯．3 6 ⋯⋯⋯．3 7 ⋯⋯⋯．3 7 ⋯⋯⋯_ 3 8 ⋯⋯⋯．3 9 ⋯⋯⋯．3 9 ⋯⋯⋯．4 2 ⋯⋯⋯．4 2 ．．．．．．．．．．4 3 ．．．．．．．．．．4 6 ．．．．．．．．．．4 6 ⋯⋯⋯．5 2 ．．．．．．．．．．5 4 ⋯⋯⋯．5 5 ⋯⋯⋯．5 7 ⋯⋯⋯．5 8 ⋯⋯⋯．5 9 ⋯⋯⋯．5 9 ⋯⋯⋯．6 0 ⋯⋯⋯．6 1 ⋯⋯⋯．6 5 ⋯⋯⋯．6 6 I I 硕士学位论文 第一章绪论 1 ．1 论文研究背景及意义 第一章绪论 近年来，在工业生产和日常生活中，水泵有着广泛的用途，比如农田灌溉， 自来水供应，航空航天、水力发电、空调系统，石油和天然气输送等领域，随着 国家工业的不断发展，泵行业的规模和投资越来越大。水泵类产品多种多样，其 中离心泵约占水泵总数量的7 0 ％，应用前景十分广削1 1 。 据预测，到2 0 1 4 年全球的泵类产品将增长6 ．5 ％，达到6 9 0 亿美元【2 1 。发展 中国家的水泵需求量也将继续增长，增长率会超过全球平均水平，其中包括中国、 印度和马来西亚。尤其是中国，现在正处在经济的高速发展期，水泵市场会随之 快速膨胀，在2 0 0 9 - 2 0 1 4 年期间，水泵的需求量将会占到全球总量的4 3 ％左右。 然而，水泵的大量使用必然会造成巨大的能源消耗。比如供水系统消耗电量 的9 5 ％～9 8 ％是用来维持供水水泵的运转，剩余的少部分被用于辅助设备上。我 国水泵、风机、空气压缩机总量大约是4 2 0 0 万台，总装机容量约为1 ．1 x 1 0 8 K W 。 但是，运行效率却只达到了3 0 ％- 4 0 ％，其损耗电量占全国发电量的3 8 ％以上【3 】， 仅泵行业损耗电量就占全国发电量的2 0 ％左右。 1 9 8 0 年～2 0 0 0 年将近2 0 年时间，伴随着我国G D P 增长的迅猛增长，能源消 耗也与日俱增，它们的增长率之比约为2 1 。水泵系统的使用效率越来越影响着 工业生产的整体能源消耗。我国泵行业的发展模式还属于粗放型，大多数水泵的 技术落后，管理粗放、并且单泵运行效率很低，因此水泵的节能工作还有广阔的 提升空间。 如果想要大幅度的减少能耗就必须经常性的测试水泵的各种技术参数[ 4 1 ，了 解水泵的整体运行状况，才能有目的地执行改造设计结构、优化调度以及日常维 护等措施。水泵机组效率是能够直接反映能源利用率、水泵经济性能以及使用性 能的主要参数，水泵机组效率的高低与自身运行状态的好坏相关联。为了提高水 泵的工作效率，用泵企业不仅仅要注意对水泵机组的维护，还要经常性地测试水 泵机组效率及相关技术参数，这样才能有计划地改进水泵系统。 特别在矿山中，为了保证生产安全，竖井的井底、掘进斜井的初期都需要排 水，因此水泵多，分布广，水泵又是矿井排水系统连续运行时间最长、耗电量最 大的设备之一，所以保持有效地使用水泵是节能的重要环节。由于矿井深度很深， 抽水距离较长，因此矿山使用的排水系统功率相对较大，然而高电压、大电流的 测量很难保证安全，同时矿井下的水泵机房离井口距离不等，有时需要走很长时 间才能到达水泵机房，并且甬道窄小狭长，不易通过，所以就需要水泵机组效率 硕士学位论文第一章绪论 测试仪器能够测量高电压、大电流的水泵，而且体积不能过大，方便携带，便于 移动，这样才能安全、快捷地完成水泵的测试工作。 计算水泵机组效率需要的参数很多，有些不能直观地测量和读取，因而就需 要使用专门测量各种参数的仪器，但是，由于仪器众多、测量参数往往需要手动 记录，费时费力，并且易造成人为性的失误。同时，矿山井下测试现场环境复杂， 干扰因素众多，对测量数据的精度影响极大，最后把经过诸多干扰的数据汇总到 一起，也很难得到准确的结果。所以，有必要研制一套体积小、功能全、抗干扰 的，适合矿山井下环境需要的测试仪器，能够保证水泵机组效率测试结果的精度， 为矿山企业提供准确的技术参数和可行的节能减排建议。 鉴于水泵总体能耗巨大，节能是提高经济效益的有效措施之一，以及矿山井 下水泵机组效率测试系统相对较少的情况。本课题主要研究的是重金属矿山井下 大功率水泵综合参数测量系统的设计与应用，目的是实时在线的准确测量出水泵 运行时的各种参数，对泵行业的设计和改造具有反馈指导作用，有助于提高泵行 业的研发效率。通过对测试参数和机组效率的综合分析，提出节能减排的优化应 用方案，使得矿山企业降低能耗，节约预算，提高效益。同时，节能又是治理污 染、改善环境最为有效的途径。所以，不论从经济角度还是从节能角度来说，本 课题都有较高的实用价值，对提高能源利用率以及矿山企业的整体竞争力上具有 非常重要的现实意义。 1 ．2 水泵机组效率测试系统的研究现状 1 ．2 ．1 水泵机组效率测试系统的国外研究现状 发达国家在水泵机组效率测试系统领域的研究起步较早，研究人员经过长期 的设计实践，积累了大量的设计理论以及实际工程经验，克服了许多困难，设计 出了很多综合性能良好的产品。在精度高低、自动化程度、抗干扰技术等方面的 研究与开发上领先于国内。 在引进了电子测量技术、传感器技术和计算机等辅助技术之后，系统整体的 体积大大缩小，工艺复杂度大大降低，同时也降低了制造成本。上世纪7 0 年代， 美国的A C 公司实现了将数据采集和计算机处理技术引入到测试实验中，迈出了 第一步【5 】。瑞士的苏尔康公司，开发研制出了融合计算机技术与其他科学技术的 水泵测试实验装置。英国的C u s s o n s T e c h n o l o g y 公司开发出的P 6 2 5 0 水泵测试平 台，具有易操作、模块化、功能多等特点，但是软件方面稍有欠缺，采集后的数 据处理不够完善。 近年来，国外的水泵机组效率测试产品已经逐渐成熟，具有高精度、自动化 程度高、操作简单等特点。德国的V O G E L S A N G B E N N I N G 简称V B 公司， 硕士学位论文 第一章绪论 研制的T e s ts y s t e mf o rc e n t r i f u g a lp u m p s ，做到了自动采集、处理数据的功能，可 根据设定的水泵测试公式、算法计算出需要的参数，生成参数曲线，并存储数据 在 守o 1 ．2 ．2 水泵机组效率测试系统的国内研究现状 2 0 世纪7 0 年代，我国水泵测试技术落后于西方国家，在相当多的工厂和泵 站，水泵测试工作还主要靠指针式仪表来测量参数，参数曲线的绘制也停留在手 动测绘阶段，不仅效率低下，而且不能保证水泵参数测试结果的精度。 8 0 年代以后，随着电子技术、自动化技术以及计算机等相关技术的快速发 展，国内的部分高校也投入了更多的精力去研究水泵测试技术。江苏大学、山东 农业大学、华北电力大学等单位建立了有着各自特色的实验装置，不断探索国际 先进的测试技术，成为了水泵测试系统领域的先锋军。 9 0 年代初期，天津正大电子研究所开发出G C ．4 水泵自动测试系统【6 】，该系 统由标准测量仪器和I B M 2 8 6 计算机组成。其中的测量仪器类似软件系统中的模 块，脱离系统主体之后仍可以单独工作，这种方式对系统的维护带来了便利。 国内的泵行业伴随着改革开放快速发展，水泵测试技术有了明显的进步。市 场经济体制更是促进了企业之间的竞争，很多企业积极地开发泵类相关产品，从 技术指标、测量功能上加大投入，尽量满足用户和市场的需要。水泵测试技术也 由简单粗放型向复杂精密型转变，不仅把各类精密的仪器引入到测试系统中 比 如超声波流量计、嵌入式、压力传感器、扭矩转速传感器等 ，而且还把微电子 技术、通信技术、计算机技术融入到设计理念中，提高了系统整体的科技含量和 测试精度。 杭州永旺科技有限公司的S B ．2 水泵测试系统，杭州创贝电子科技有限公司 的C B ．3 N ．A T E 水泵测试系统，尽管已经基本上具有了国外先进测试系统的功能， 提高了自动化的程度，然而还是有功能多但体积大、结构和接口复杂，维护困难 等缺点。 国内外的水泵测试系统技术已经逐步成熟，但是专门应用于重金属矿山的水 泵机组效率测试系统产品却相对较少。因此，高科技和低成本的矿山井下水泵机 组效率测试系统有着广阔的市场前景，矿山井下水泵机组效率测试系统的设计与 应用仍然是一项重大的研究课题， 1 ．3 水泵机组效率测试系统特点 水泵机组效率测试系统能够自动进行测试、记录和处理水泵的流量、进出口 压力、互感器的电流和电压等数据，能够对水泵的性能曲线进行拟合，并且具有 保存数据、查询和打印等功能。水泵机组效率测试系统具有以下特点 硕士学位论文 第一章绪论 1 能够测量高电压、大电流的大功率水泵。 2 不需要停止水泵的运行和破换水流管道，实时在线地测量水泵各项参 数。 3 系统反应速度快、测试间隔小、自动化程度高。系统可以设置采样时间 间隔，范围可以从几毫秒到几分钟。避免了人为操作进而引起的安全和误差问题。 能够自动完成采集、数据处理、记录等多项功能。 4 设计了多种抗干扰措施，测试数据精度较高。 5 硬件和软件设计精巧，模块化程度高，系统的进一步的改进和升级非常 方便。 6 操作简单易懂，系统具有一键测试、一键保存等功能，无需繁琐复杂的 操作。同时为了方便查询数据，数据可以保存为数据库和E x c e l 两种格式的文件。 1 ．4 论文主要研究内容和安排 针对国内外测量重金属矿山的水泵机组效率测试系统产品较少的情况，专门 设计了能够测量重金属矿山井下排水系统参数及其机组效率的便携式水泵机组 效率测试系统，用来解决测试系统体积问题和测量安全问题。系统要求在不停机， 不破坏管道，干扰信号强的情况下，可以对全矿装机容量大于1 0 0 千瓦的水泵设 备进行机组效率测试。测试参数主要包括流量、扬程、电机转速、输入功率和功 率因数等，并且能够对检测数据进行记录、工程量换算、累加、曲线拟合等处理 工作以及计算机组效率，同时必须保证测试数据的精度。最后，在已测参数的基 础上，给出节能减排的建议。本文的主要内容安排如下 第一章，绪论。首先，详细阐述了课题的研究背景及意义。其次，介绍了水 泵机组效率测试系统的研究现状，其中包括国内外部分企业和高校的发展情况。 说明了系统的主要特点，最后是本文的主要研究内容和安排。 第二章，水泵机组效率测试原理。首先，阐述了水泵机组效率测试理论、相 关的参数以及数学表达式。其次，分析了水泵系统的能量平衡方程，以及影响水 泵机组效率的因素。最后，介绍了比例定律、最小二乘法原理，为后面测试数据 的处理奠定了理论基础。 第三章，水泵机组效率测试系统硬件设计。首先，阐明了系统的设计原则和 总体要求。其次，分析了系统硬件结构框架及各组成部分的功能。最后，介绍了 流量计的工作原理和相关硬件的抗干扰技术。 第四章，水泵机组效率测试系统软件开发。首先，提出了软件设计总体结构。 最后，分别对数据处理模块、通信模块、数据库存储模块进行了详细的说明。 第五章，测试数据处理分析及应用。首先，对测试数据进行了分析，绘制了 4 硕士学位论文 第一章绪论 参数曲线。其次，计算T N 试结果的精度，结果达NTG B 3 2 1 6 ．8 9 B 级标准。最 后，介绍了遗传模拟退火算法的相关概念，在测试结果的基础上，分析了基于混 合遗传算法的排水系统优化应用方案，找出节能减排的具体方法。 第六章，结论与展望。对本文做了全面的总结，并对系统下一步的改进和升 级提出了建议。 硕士学位论文 第二章水泵机组效率测试原理 第二章水泵机组效率测试原理 水泵机组效率测试工作能够顺利进行的前提是要了解水泵的运行机制，能量 损失以及水泵运行状况受哪些因素影响。下面将具体介绍水泵机组效率测量原 理。 2 ．1 水泵机组效率测试的主要参数 离心泵是一种水力机械，通过离心泵内的叶轮转动，使液体的动能和势能得 到提高，从而完成液体的传输。图2 ．1 为卧式离心泵装置示意图。 图2 - 1 卧式离心泵装置示意图 1 、流量 水泵的流量又称为输水量，是指在单位时间内，液体通过水泵出口截面的体 积或质量，也称为瞬时流量。体积流量用Q 表示，单位是m 3 ／s 。某一段时间之 内液体流过的总和称为液体总量，也等于在这段时间内瞬时流量的累计值。总量 与流量之间的关系如下 Q z 【O v a , 2 - 1 式中，t 表示时间。 2 、扬程 扬程又称水头，是指被抽送的单位质量液体从水泵进口到出口能量增加的数 值【3 1 。扬程的大小仅和进、出口处的液体能量增值有关，而与其他装置没有直接 联系。但是，利用能量方程，可以用抽水装置中液体的能量表示泵的扬程，以符 号日表示，单位是m H 2 0 1m H 2 0 9 ．8 0 6 6 5 k P a ，习惯上简称为m 。 若设定水泵中轴线为基准面，则图2 - 1 中的进、出口截面1 - 1 、2 - 2 的 能量方程为[ 7 J 6 硕士学位论文 第二章水泵机组效率测试原理 截面1 ．1 的液体能量 局训Z l 急趣2 9 2 - 2 截面2 ．2 的液体能量 E 2 Z 2 老 专2 2 - 3 则有扬程 H E 2 一巨 Z 2 一Z 1 鱼二旦 堕三堕 2 ．4 p gz g 式中Z l 、Z ’一水泵进、出口测压点基准面到中轴线的距离，高于中轴线为正， 低于中轴线为负，单位为m ； A 、仍一水泵进、出口压力，单位为P m ．芝、芝一进、出口截面的流速水头，单位为m ； z g 二g 卜重力加速度，单位为m ／s 2 。 3 、功率 水泵在单位时间内所做的功被称为功率，单位为K W 。功率又分为两种，即 有功功率和轴功率。 1 有功功率或输出功率。是指由轴承传送给水泵的功率，即水流运动得到的功 率，用符号只表示。 e e p g Q H W r Q l 4 ／10 0 0 K W 2 - 5 式中，Q 一水泵的流量 聊询； 日一水泵的扬程∽ 严水泵传输的液体密度 k g ／m 3 ； y 一水泵传输的液体重度 N ／m 3 。 2 轴功率。是指单位时间内轴承从原动机那里得到的功率，符号是尸。轴功率 与输出功率之差就是水泵内部损失的功率，其中就包括2 ．3 节中介绍的水头损失 和泵内部功率损失两部分。 电机通过联轴器连接到水泵的叶轮，轴功率就是由联轴器传递过去的。水泵 电机转动带动联轴器，从而带动叶轮旋转。因为联轴器属于机械部件，所以就会 有相应的机械损失，电机功率不会全部转化为叶轮转动的实际功率，因此轴功率 必然小于电机功率 额定功率 。 4 、效率 效率即为有功功率与轴功率之比【8 1 ，反映了水泵系统对于电动机传送来的动 力的利用状况，用符号，7 表示，即 硕士学位论文 第二章水泵机组效率测试原理 叩 善1 0 ％ 5 、机组效率 水泵的机组效率为水泵输出的有功功率和机组输入功率之比 ％ 掣1 0 0 ％ 式中只为机组输入功率。 2 ．2 水泵的比例定律 2 - 6 用‰表示。 2 7 对于同一台离心泵 或泵对应的几何尺寸相等、转速相差不大悬殊时，司认 为在相似工况下两泵的对应效率相等 ，则当把转速从％达到n l 时，水泵的扬 程、流量、轴功率和转速的关系【9 】如下 鱼Q 1 鱼r 4 ，鱼s - 4 塑n 1 ] 2 ，鲁 鱼r 4 ] 3 c z 固 ’ L／最L／ 式中，Q o 、风和圪表示在转速达到n o 时，水泵的流量、扬程和轴功率； Q l 、／4 , 和墨表示在转速达到n l 时，水泵的流量、扬程和轴功率。 r h 公式 2 - 8 得到 鲁 阱删r 4 ∞， qLQ l ／L ／ 、 所n t ，每一个相同工作条件点应该满足 姿I s t , 2 ．1 0 蜴‘娥‘ 水泵的调速特性曲线如图2 2 所示。 图2 - 2 水泵的调速特性曲线 曲线I 是水泵转速为％时的特性曲线，衄线I I 的交点A 是不限制水流量情 况下的工作点，此时的流量是巴。当系统的流量达到Q 时，阀门的截流量是 日。一％。调节水泵的转速到n ，陆线I I I 变成了可调速泵的特性曲线，点C 是 硕士学位论文第二章水泵机组效率测试原理 工作点。曲线I V 和曲线V 是等效的效率曲线，曲线V I 是刁一Q 特性曲线，点C 和点D 是工作状态相似点。所以，从公式 2 ．1 0 可以推导出水泵的转速n 的关系 式是 船2 ‰堕Q o 2 _ 1 1 假设转速调节率是后 旦 ，根据公式 2 ．1 1 得到 ％ 州势2 ㈣ 调速中不同转速的性能方程为 致 a o k 2 ％尥 口2 Q 2 2 - 1 3 仉 b o 6 l 妻Q 也吉Q 2 岛古Q 3 2 - 1 4 KK ‘K 。 式中峨，Q 表示转速为即时，水泵的扬程和流量。 2 ．3 排水系统的能量平衡原理 排水系统的能量平衡