CN102966582A - 用于确定风机叶轮的质量变化的方法和设备 - Google Patents

Abstract

一种用于确定风机叶轮的质量变化的方法。该方法包括将转矩引至风机叶轮以及确定由转矩引起的风机叶轮的角速度变化。基于角速度变化和转矩来确定表示风机叶轮的当前质量的第一参数的值。然后，基于第一参数和表示风机叶轮的基准质量的第二参数来确定质量变化。

Description

用于确定风机叶轮的质量变化的方法和设备

技术领域

本发明涉及一种风机，特别地，涉及检测风机叶轮的质量变化。

背景技术

风机广泛地使用在各种应用和运行条件中。风机常常用于对燃烧气体的废气和污染空气进行排换。在这些应用中，例如烟灰的微粒会积聚在风机叶轮上并逐渐导致风机的效率下降。

风机叶轮的污染物可被视为是导致一些风机系统故障的原因。随着外界颗粒粘在风机叶轮上，叶轮的质量增加。由于振动或维护不当，附加质量的一部分可能会脱落，造成风机叶轮的不平衡。如果这种不平衡没有被及早地检测到并进行纠正，那么由于较强的振动，可能会发生风机故障。这种故障可能会导致生产损失或者甚至导致对人员的危害。因此，检测污染物的累积是很重要的。

通常，通过视觉的方式来检测风机叶轮中的污染物累积，或者，如果污染物引起叶轮的不平衡的话，则通过振动测量进行检测。然而，这些方法都需要额外的仪器或需要对风机进行视觉/手动检查。因此，这些方法增加了包含风机叶轮的应用的运营成本。

发明内容

本发明的目的是提供一种方法和实施该方法的设备以解决上述问题。本发明的目的通过特征在于独立权利要求中所陈述的内容的方法和设备而实现。在从属权利要求中公开了本发明的优选实施方式。

风机叶轮的质量变化能够通过使用基于这样的构思的方法进行检测：风机的转动惯量随着污染物增加风机叶轮的质量而增加。当风机被施加转矩时，转动惯量与作为时间的函数的风机叶轮的角速度的导数成反比。换句话说，当风机的转动惯量增加时，风机的角速度的导数减小。

风机传送的流体可能对测量有影响。因此，为了避免传送的流体对测量的影响，可以使用低角速度范围来确定导数，在该范围内风机的转动惯量所需的转矩远远大于传送流体所需的转矩。

在检测附加质量的累积时可以使用变频器。通过使用为风机提供电力的变频器，在不具有额外的仪器的情况下就可以检测一种或多种污染物的累积，当风机以别的方式在正常和健康的状态下运行时也是如此。

附图说明

下面，将参照附图通过示例性实施方式详细地描述本公开，在附图中：

图1示出了响应于所施加的阶梯状转矩的角速度变化的示例；

图2示出了用于估算风机叶轮的质量变化的示例性设备；以及

图3示出了图2的设备的操作的示例性流程图。

具体实施方式

转矩T、转动惯量J及角速度ω之间的关系可表示为以下形式：

$T=J\frac{\mathrm{d\ω}}{\mathrm{dt}}---\left(1\right)$

如果转矩T和由转矩引起的角速度的时间导数是已知的，则风机叶轮的质量可以用等式(1)估算。

例如，可以首先将已知转矩T引至风机叶轮。转矩T可以基于设定的转矩基准模式而被引入。然后，可以例如通过测量来确定由转矩引起的风机叶轮的角速度ω的变化。该变化可以例如表示为角速度ω的时间导数的形式。角速度的变化可以例如根据测量的角速度ω计算出。可替代地，角速度的时间导数可以例如通过直接测量由转矩引起的加速度而确定。

基于角速度ω的变化和转矩T，可以确定转动惯量J。由于转动惯量与质量成正比，因此风机叶轮的质量可表示为转动惯量J的形式。

等式(1)可以用来确定例如由积聚在风机叶轮上的污染物引起的质量变化。可以基于角速度的变化和转矩来确定表示风机叶轮的当前质量的第一参数的值。转矩可以被测量或估算。产生转矩的控制器的转矩基准也可以用来表示转矩的估算值。然后，可以基于第一参数和表示风机叶轮的基准质量的第二参数来确定质量变化。

例如，第一参数的值可以被顺序地更新并与第二参数的设定值进行比较。在这种情况下，第二参数可用来指明风机叶轮的质量的最大极限。如果第一参数的值超过第二参数的值，则可以发出通知。

可替代地，在风机已安装或清洁之后确定的第一参数的第一值可用作基准值，随后将第一参数值与该基准值进行比较。第一参数的第一值可以设定为第二参数的值。然后，第一参数可以被顺序地更新，并且可以计算第一参数的值与第二参数的值之间的差值。可以设定表示最大允许质量变化的第三参数的值。

然后，基于第一参数和第二参数所确定的质量变化可以与第三参数进行比较，并且如果质量变化超过第三参数，则可以发出通知。

在公开的方法的一些实施方式中，质量变化可表示为转动惯量的变化ΔJ的形式。换句话说，第一参数和第二参数表示为转动惯量J的形式。

第一参数、第二参数以及第三参数也可以直接由质量表示。换句话说，影响转动惯量的质量变化Δm可用重量单位来计算。例如，如果假定风机叶轮上的污染物积聚在距旋转轴线特定距离r处，则质量的变化Δm可估算如下：

$\mathrm{\Δm}=\frac{\mathrm{\ΔJ}}{r^2},---\left(2\right)$

其中，ΔJ为转动惯量的变化。

更一般地来说，如果可以预测污染物在风机叶轮上的分布，则可以使用类似的方法来估算由污染物引起的质量的变化Δm。总转动惯量可以视为各个转动惯量的算术和。当这些单个转动惯量的分布已知时，就可以估算质量的变化Δm。

在公开的方法的实施方式中，可以使用具有阶梯状模式的转矩T以确定角速度ω的时间导数。换句话说，通过使用恒定转矩基准将转矩T引至风机叶轮。当转矩T在时域中具有阶梯状模式时，角速度ω可以写成如下形式的时间的函数：

$\mathrm{\ω}\left(t\right)=\frac{T}{J}t+{\mathrm{\ω}}_0,---\left(3\right)$

其中，t为时间，ω₀为初始角速度，J为转动惯量。从等式(1)和等式(3)可以看出，当仅考虑转动惯量J时，角速度ω的导数k(＝T/J)取决于施加的转矩T及转动惯量J。导数k在时域内保持恒定并且与转动惯量J成反比。

总转动惯量为各个转动惯量的算术和。因此，如果已经对k进行了两次单独的测量，则转动惯量的变化可以由等式(4)计算：

$\mathrm{\ΔJ}=\frac{T_2}{k_2}-\frac{T_1}{k_1},---\left(4\right)$

其中，T₁和T₂分别为用于k₁和k₂的测量的转矩步长。

当不考虑被传送的流体的影响时，风机的转动惯量J_fan可以看作是两个分量的总和，即干净的风机叶轮的初始转动惯量J_impeller，以及由风机叶片上的一种或多种污染物引起的转动惯量J_contaminants：

J_fan＝J_impeller+J_contaminants    (5)

然而，被传送通过风机的流体对转动惯量有显著影响。在较高的角速度下，实现特定角速度的总转矩需求可以以传送流体所需要的转矩为主。当风机的转动惯量保持恒定时，传送流体的转矩需求可对角速度的时间导数有影响。在一些实施方式中，根据等式(3)的线性增加可以仅仅能够在低角速度下检测到，在低角速度下的总转矩需求以风机叶轮的转动惯量J_impeller为主导。

图1示出了响应于施加的阶梯转矩的角速度变化的示例。在图1中，示出了风机的转动惯量与对于在某角速度下传送的流体的转矩需求之间的组合效应。角速度大致线性地增加到400转/分(rpm)的速度。在更高的速度下，传送流体所需要的转矩变得越来越占主导地位，并且角速度的变化率不再是线性的。

为了最小化流体传送的转矩需求对分析的影响，在估算中使用的角速度的范围的上限可以例如限定为使得总转矩需求的90％到95％是由风机叶轮的转动惯量引起的。例如，可以根据如下公式计算风机的转动惯量所需要的转矩与传送流体所需要的转矩之间的比率R_T的近似值：

$R_T=1-{\left(\frac{n}{n_{\mathrm{final}}}\right)}^2,---\left(6\right)$

其中，n为瞬时角速度，n_final为通过所使用的恒定转矩获得的最终角速度。根据等式(6)，角速度的上限n_{limit，upper}可计算如下

$n_{\mathrm{limit},\mathrm{upper}}=\sqrt{1-R_T}{n}_{\mathrm{final}}.---\left(7\right)$

相应地，可以存在分析中使用的角速度的下限，因为例如由在电机轴上不具有速度传感器的变频器提供的角速度估算值在接近零的速度时可能是错误的。在接近零速时，静摩擦力可能导致角速度的导数的非线性。由于这些原因，下限可以例如限定为使得最终速度的3％或更小的角速度被排除在估算之外。这样，能够在分析中最小化不期望的物理现象和错误的速度估算。由于所需要的下限会受到在变频器中使用的角速度方法的影响，因此梯状(scalar)控制频率可能例如需要高于最终速度的3％的值作为下限。

对于具有1500rpm的最终角速度的示例性风机装置，能够使用等式(6)以对于R_T的95％的标准计算出335rpm的角速度上限。换句话说，上限为总转矩需求的95％是由转动惯量引起时的角速度。基于使用恒定转矩达到的风机叶轮的最终角速度(1500rpm)的3％的标准，可以计算出45rpm的下限。

在前面的实施方式中，阶梯状模式被用于转矩基准以实现特定角速度区或中的恒定的角速度时间导数。然而，也可以使用其他模式的转矩。例如，等式(1)可以修改为如下形式：

$J=\frac{\underset{t_0}{\overset{t_1}{\∫}}\mathrm{Tdt}}{\mathrm{\ω}\left(t_1\right)-\mathrm{\ω}\left(t_0\right)},---\left(8\right)$

其中，t₀和t₁分别表示开始和结束估算序列的时刻。通过计算转矩的时间积分并且将该积分除以估算序列期间的角速度变化，可以计算出转动惯量的估算值。在一些实施方式中，代替每次计算转矩的时间积分，可以使用预先计算出的值。

图2示出了用于估算风机叶轮的质量变化的示例性设备1。该设备包括为风机3提供电力的变频器2。变频器2为风机3的风机马达4供电。风机马达4使风机叶轮5旋转。换句话说，变频器2用作用于将转矩引至风机叶轮5的装置。

施加给风机叶轮5的转矩引起风机叶轮5的角速度的变化。在图2中，变频器2可用来确定角速度。变频器2可以例如基于风机马达的电流估算角速度。

在图2中，设备1还包括估算器6，该估算器6产生表示风机叶轮5的质量的值。估算器6通过使用由变频器2提供的角速度信息而确定由转矩引起的风机叶轮的角速度变化。然后，估算器6基于风机叶轮的角速度变化和转矩来计算表示风机叶轮的当前质量的第一参数的值。

设备1还包括监视器(watchdog)7，该监视器7基于第一参数和表示风机叶轮的基准质量的第二参数来确定质量变化。监视器7可以包括比较器，该比较器将第一参数和第二参数之间的差值与表示最大允许质量变化的第三参数进行比较。监视器还可以包括在质量变化超过最大允许质量变化的情况下向用户发送警告消息的装置。估算器6和监视器7可以例如实施为变频器2的一部分。

在图2中，变频器2为估算器6提供转矩和角速度信息。然而，转矩和角速度信息也可以由其他装置来提供。例如，风机3可以包括角速度传感器。在一些实施方式中，风机马达与风机叶轮之间的转矩也可以由转矩传感器直接测量。根据该实施方式，风机马达的质量可以引入至风机叶轮的质量估算。

设备1的操作可以分为两个序列。

首先，可以执行用于确定基准的基准序列。在该序列期间可以设定第二参数的值。还可以设定表示最大允许质量变化的第三参数的值。基准序列可以例如发生在调试期间或风机叶轮清洁干净之后。在风机已经安装或清洁干净之后确定的第一参数的第一值可以用作第二参数的值。表示风机叶轮的当前质量的第一参数可以用如上公开的方法确定。

其次，启动检测序列。如上所述，可以基于引至风机叶轮的转矩和由转矩引起的风机叶轮的角速度的变化来确定质量变化。

可以计算第一参数的值与第二参数的值之间的差值。差值表示风机叶轮的质量变化。然后，可以将差值与第三参数进行比较，并且如果差值超过第三参数，则可以发出通知。

可替代地，可以将第一参数与表示风机叶轮的质量的最大极限的第二参数进行比较，并且如果第一参数超过第二参数，则可以发出通知。

图3示出了图2的设备的操作的示例性流程图。基准序列和检测序列共用图3中的一些步骤。

在基准序列中，首先在步骤10中初始化第三参数。第三参数可以例如被设定成具有用重量单位表示的特定的最大质量变化。最大质量变化也可以表示成基准质量的百分比的形式。

基准序列通过在步骤11、12和13中确定风机叶轮5的当前质量而继续。

在步骤11中，根据设定的转矩基准模式将已知的转矩引至风机叶轮。在图3中，该模式为阶梯状模式。换句话说，通过使用恒定转矩基准而使风机从零角速度加速。

然后，在步骤12中确定由转矩引起的风机叶轮的角速度。变频器可以提供角速度估测，或者，可以使用传感器测量角速度。可以在加速期间对角速度顺序地采样并且可以将样本存储在例如设备的存储器中，或者，如果设备是变频器的一部分的话，则将样本存储在变频器的存储器中。

在步骤13中，确定表示当前质量的第一参数的值。可以基于角速度计算角速度的时间导数。在采集了足够的角速度样本之后，可以对样本进行过滤以消除可能的噪声和明显错误的样本。过滤可以例如使用具有0.2秒的时间周期的20点中值滤波器来执行。可以从过滤出的样本中形成角速度介于下限与上限之间的新数据集。然后，可以通过使用例如最小平方和法从该数据集中计算出表示角速度的时间导数的斜率k。

接下来，可以基于斜率k确定第一参数的值。由于转矩遵循已知的阶梯状模式，因此斜率k的值本身可以用作风机叶轮的质量的指示值。换句话说，第一参数和第二参数可以表示为角速度的时间导数的形式。斜率k与污染物的累积成反比。k的值随着污染物的量开始累积而下降。

可替代地，可以计算转动惯量J或质量m。转动惯量的变化和质量的变化与污染物的累积成正比。转动惯量的值和质量的值随着污染物的量的累积而增大。

所公开的方法也可用来检测风机叶轮的质量减小。在一些应用中，污染物会磨损风机叶轮，造成风机叶轮的质量减小。这可以看作是风机叶轮的转动惯量的减小。质量的减小可以看作是斜率k的值的增加，或者看作是转动惯量J的值或质量m的值的减小。

接下来，在步骤14中进行选择。如果是首次计算第一参数的值——例如，在风机被安装或清洁之后——则该第一参数的值被设定为步骤15中的第二参数的值。至此完成了基准序列并开始检测序列。

检测序列从之前的步骤11开始，并且再次继续至步骤14。由于第一参数的值不是首次计算，因此在选择步骤15之后执行步骤16。在步骤16中，计算表示风机叶轮的当前质量的第一参数与表示风机叶轮的基准质量的第二参数之间的差值。在接下来的步骤17中进行进一步的选择。

如果该差值超过步骤10中设定的第三参数的值，则在步骤18中发出通知。设备的监视器可以例如给用户发送警告消息：污染物积聚在风机中，这导致风机叶轮的质量变化超出其最大允许极限。

在步骤17中，如果差值不超过第三参数的值，则检测序列从步骤11重复。

对包括径流式风机系统的设备进行实验室测量，该径流式风机系统包括

Centripal EU 4MD630径流式鼓风机、ABB感应电机以及ABB ACS M1变频器。该系统的标称值如下：

表1

通过对风机叶轮的外边缘添加重量来模拟质量的增加。将两个相同的重量紧固在风机叶轮的相反侧上以确保风机叶轮的平衡。

质量增加为0g、50g、104g和151g。由添加的质量引起的转动惯量分别为0kgm²、0.005kgm²、0.010kgm²和0.015kgm²。根据制造商，使用的风机叶轮的惯量为1.26kgm²。因而，风机叶轮的转动惯量的增加分别为0％、0.4％、0.8％和1.2％。测试使用不同的阀位和转矩基准值完成。

在第一次的测量设定中，在启动时使用了30％的转矩基准(14.8N)。R_T被设定为95％。使用三种不同的阀位进行测量，使风机在标称流率的50％、100％和120％下运转。

结果在表2中示出。三组测量中的每一组均要重复三次以确保结果的可重复性。每行显示九组测量的平均值和标准偏差。变化幅度Δk和ΔJ使用比表2中所显示的值更精确的k的平均值的值来计算。在表2中，k_0g表示基准斜率，J_0g表示基准转动惯量。

表2

表2的结果表明阀位改变对转动惯量的估算值没有显著影响。与k的平均值相比，标准偏差保持较小。尽管风机阀门操作点有变化，但估算的转动惯量变化仍然是准确的。

在另一测量设定中，使用了50％的转矩基准(24.7Nm)。使用两个阀位进行了测量。表3中所示的结果也表明阀位对估算精度没有显著影响。变化幅度Δk和ΔJ使用比表3中所显示的值更精确的k的平均值的值来计算。

表3

表2和表3中所示的结果表明，由于k的平均值清楚地表明风机叶轮的转动惯量的显著变化，因此风机叶轮的质量增加可以通过使用所公开的方法进行检测。此外，测量值的标准偏差小于k的变化，这表明结果是可重复的。

结果还表明，用于风机叶轮的加速的转矩基准对用于表明转动惯量变化(ΔJ/J_0g)的分析结果没有显著影响。因而，当使用所公开的方法时，转矩基准不限制于特定的水平。

此外，结果看上去表明通过对基准序列和检测序列使用相同的转矩基准可以使转动惯量变化的估算最大化。通过在基准序列和检测序列中使用相同的角速度上限和角速度下限，可以将风机操作点的影响降至最低。

在实验室测量中，质量的变化也用等式(2)来估算。风机叶轮具有630mm的直径d。在估算中，假设污染物(添加的重量)累积在风机叶片的边缘上，从而提供了风机叶轮直径d的大约一半(315mm)的半径r。质量增加的估算结果在表4中示出。

表4

如表4所示，质量增加的估算相当准确。相对准确的结果可以部分地是由于以下假设的结果，即：所有质量都处于距旋转轴线一定距离处。在实际应用中，情况可能不是这么简单。

然而，如果积聚的污染物的典型分布是已知的，则可以获得具有类似精度的结果。

对本领域技术人员来说显而易见的是，本公开的特征能够以多种方式实施。本公开及其实施方式不限于上述示例，而是可以在权利要求的范围内变化。

Claims (14)

1.一种用于确定风机叶轮的质量变化的方法，其中，所述方法包括：

将转矩引至所述风机叶轮，

确定由所述转矩引起的所述风机叶轮的角速度变化，

基于所述角速度变化和所述转矩来确定表示所述风机叶轮的当前质量的第一参数的值，以及

基于所述第一参数和表示所述风机叶轮的基准质量的第二参数来确定所述质量变化。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法包括：

设定所述第二参数的值，

设定表示最大允许质量变化的第三参数的值，

将所述质量变化与所述第三参数进行比较，以及

如果所述质量变化超过所述第三参数，则发出通知。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，基于设定的转矩基准模式将所述转矩引至所述风机叶轮，并且所述角速度变化表示为角速度的时间导数的形式。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，确定所述角速度的时间导数包括：

确定由所述转矩引起的所述风机叶轮的角速度，

基于所述角速度计算所述角速度的时间导数。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，确定所述角速度包括：

顺序地对所述角速度进行采样并且存储角速度样本，以及

对所述角速度样本进行过滤以降低噪声并去除明显错误的值。

6.根据权利要求3至5中任一项所述的方法，其中，计算所述角速度的时间导数包括：

从过滤出的样本中形成新的数据集，其中，所述角速度介于下限与上限之间，

通过使用最小平方和法从所述新的数据集中计算所述时间导数。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述上限为总转矩需求的95％由所述风机叶轮的转动惯量导致时的角速度，并且所述下限为通过使用恒定转矩达到的所述风机叶轮的最终角速度的3％。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其中，通过使用恒定转矩基准将所述转矩引至所述风机叶轮。

9.根据权利要求2至8中任一项所述的方法，其中，发出通知包括：

向所述风机的操作人员发出所述风机叶轮的质量变化已经超过其最大允许极限的警告信号。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其中，所述第一参数和所述第二参数表示为转动惯量(J)的形式。

11.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其中，所述第一参数和所述第二参数表示为所述角速度的时间导数(k)的形式。

12.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其中，所述第一参数和所述第二参数由质量(m)来表示。

13.一种用于确定风机叶轮(5)的质量变化的设备(1)，其中，所述设备(1)包括：

用于将转矩引至所述风机叶轮(5)的装置(2)，

用于确定由所述转矩引起的所述风机叶轮的角速度变化的装置(6)，

用于基于所述角速度变化和所述转矩确定表示所述风机叶轮(5)的当前质量的第一参数的值的装置(6)，以及

用于基于所述第一参数和表示所述风机叶轮(5)的基准质量的第二参数来确定所述质量变化的装置(6)。

14.一种根据权利要求13的变频器。

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