用于操作污水泵站的方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于操作污水泵网络的污水泵站的方法，所述污水泵站包括至少一个泵，其中如果所述污水泵站的水箱中所述污水的水位超过第一污水水位，则所述泵起动抽送，并且如果所述水箱中所述污水的所述水位下降到低于第二水位(20)，则所述泵停止抽送，其中所述方法包括持续地确定表达污水泵网络的负载的参数(Psys，Q，n，ΔP，P电，cosφ，I)的幅值，其中如果确定表达所述负载的所述参数的幅值已超过指定阈值，则执行在能量优化模式中激活所述至少一个泵以起动抽送的步骤。此外，本发明还涉及一种用于污水泵网络的污水泵站的控制单元，以及涉及一种用于集中控制污水泵网络中污水泵站的多个泵的系统。
【专利说明】用于操作污水泵站的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于操作污水泵站的方法。
【背景技术】
[0002]泵站是包括加压泵站、网络泵站和主泵站的污水输送系统的自然组成部分。预制泵站主要用于加压网络系统中。在这种加压系统中的泵站通常包括I台或2台磨床泵(grinder pump)、水位系统、控制器以及泵站。
[0003]在污水不能靠重力运行的情况下，每个建筑物或房屋会具有泵站。然后将污水从排放单元(淋浴、厕所等)转移到小型泵站。从那里将污水通过低压力管道抽送到更大的泵站或者直接抽送到处理厂。在每个加压管道上可以连接多达300至500个加压泵站。
[0004]然而，当在加压系统中同时运行几个泵时，系统中的压力将高于泵所能够克服的压力。这可能导致这些泵在其他一些泵结束其抽送周期之前虽在抽送却无法移动任何污水或仅移动非常少量的污水。这并不理想并且可能导致不必要的能量损耗。
[0005]取决于连接到压力系统的为何应用或何建筑，上述系统压力问题主要发生在早晨和晚上的高峰期间。
【发明内容】
[0006]因此，本发明的一个目的是提供一种没有不必要的能量损失的用于操作污水泵网络的污水泵站的方法及系统。
[0007]通过具有权利要求1限定的特征的用于操作污水泵网络的污水泵站的方法、具有权利要求15限定的特征的用于控制污水泵网络的污水泵站的控制单元、以及具有权利要求17揭示的特征的用于集中控制污水泵网络中的污水泵站的多个泵的系统，可以实现该目的。改进的实施例公开在相应的从属权利要求、下面的说明和附图中。
[0008]根据本发明，提供一种用于操作污水泵网络的污水泵站的方法，所述污水泵站包括至少一个泵，其中如果所述污水泵站的水箱中的所述污水的水位超过第一污水水位，则所述泵起动抽送，并且如果所述水箱中的所述污水水位下降到低于第二水位，则所述泵停止抽送，其中所述方法包括确定表达污水泵网络的负载的参数(Psys，Q，η, ΔΡ, Ρ%, οο8φ,I)的幅值，其中如果确定表达所述负载的所述参数的幅值已超过指定阈值，则执行在能量优化模式中激活至少一个泵以起动抽送的步骤。通过本发明的方法，污水泵站的泵将能够以使得能量消耗尽可能优化的方式运行。于是，虽然当水箱中的污水超过第一高污水水位(起动水位，安全模式)时泵总是运行清空过程，并且如果水箱中的污水水位下降至低于第二低污水水位(停止水位)时泵总是停止抽送，但是泵可以在第一水位和第二水位之间运行于第三水位之间的能量优化模式，其中控制泵使得能量消耗最小化。即，当例如确定污水泵网络的公共管道中的压力较低时，泵可以以优化模式起动抽送，而不是当许多泵已正在网络系统中抽送从而使得公共管道中的压力较高时起动抽送。
[0009]根据优选实施例，在所述能量优化模式中，如果判定所述压力超过指定的压力上限，则停用所述至少一个泵。于是，可以防止操作泵而因为公共管道中的压力已经太高以致无法将任何污水移入公共管道。
[0010]此外，优选的是，所述方法包括在所述能量优化模式中，根据检测到的压力增加或减少所述至少一个泵的速度的步骤。根据在出口中或在公共管道中检测到的压力分别增加或减少泵的速度可以进一步节约能量。
[0011]优选地，所述压力是所述污水泵网络的所述公共出口管道中的所述污水的流体压力，并且其中通过在所述污水泵站所连接的所述公共出口管道中测量，尤其是借由用于测量绝对压力或压差的压力传感器的方式测量所述压力来实施确定所述压力的所述步骤。
[0012]根据进一步优选的实施例，通过确定所述至少一个泵两端的压差并且确定其中容纳有所述至少一个泵的所述水箱中的污水水位来实施确定所述压力的所述步骤。
[0013]根据又一个优选实施例，确定所述至少一个泵两端的压差的步骤包括确定所抽送的污水的所述流量，尤其在所述水箱中的所述污水水位的改变的基础上确定所抽送的污水的所述流量。
[0014]而且，优选的是，确定所述压力的所述步骤包括确定用于驱动所述至少一个泵的驱动电机的功率、和/或功率因数(COS(Cj5))、和/或电机电流(I)，其中Φ是电流⑴和电压⑶之间的相位角。
[0015]还为有利的是，所述方法还包括在由本地泵控制器确定的压力的基础上单独控制所述至少一个泵的步骤。
[0016]可替代地，可由所述污水泵网络的中央控制站集中控制所述至少一个泵。
[0017]在又一个进一步的优选实施例中，所述污水泵网络包括多个污水泵站。
[0018]根据本发明，提供一种用于控制污水泵网络的污水泵站的控制单元，所述污水泵网络包括多个污水泵站，所述污水泵站包括至少一个泵，其适于将污水从水箱抽送到所述污水泵网络的公共出口管道，其中所述控制单元适于控制所述泵以在污水水位超过所述水箱中的第一水位时起动抽送，并且在所述水箱中所述污水的所述水位下降至低于第二水位时停止抽送，其中所述控制单元适于在所确定的表达所述污水泵网络的负载的参数(Psys，Q，n，Λ P，P 4，coscKI)的基础上控制所述至少一个泵在能量优化模式中的激活，其中如果确定表达所述负载的所述参数的幅值已超过指定阈值，则所述控制单元适于激活所述至少一个泵以起动抽送。通过使用本发明的控制单元，可以控制所述泵或多个泵，使得其使用尽可能少的能量以优化方式在能量优化模式中运行。
[0019]根据优选实施例，所述控制单元还适于在所述出口管中所确定的压力的基础上增加或减少所述至少一个泵的速度以进一步节约能量。
[0020]还根据本发明，提供一种用于集中控制污水泵网络中的污水泵站的多个泵的系统，其中所述系统包括如上概括的中央控制单元，其具有已描述的能量消耗方面的优点。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]通过本文下面给出的详细描述及附图，本发明将变得更易于充分理解，详细描述及附图仅以说明的方式给出，因此，其不限制本发明，并且其中:
[0022]图1Α、图1B示出关于水的使用量较高时的两个典型的日常图表，其意味着污水流入泵站；[0023]图2示出根据实施例的污水泵网络；
[0024]图3示出根据实施例的污水泵站；
[0025]图4示出使用系统压力传感器情况下的控制示例；
[0026]图5示出使用污水水位和泵的压差情况下的另一控制示例；
[0027]图6示出使用泵的流量情况下的另一控制示例；
[0028]图7示出带有可变阈值的另一控制示例；
[0029]图8示出泵的压力和泵的流量之间的关系；
[0030]图9示出泵的流量和泵的功率之间的关系；以及
[0031]图10示出污水泵网络中泵的操作的流程图。
【具体实施方式】
[0032]通过下文给出的详细描述，本发明的其他目的和适用性的进一步范围将变得显而易见。然而，应当理解的是，详细描述和具体示例、本发明的优选实施例的指明仅以说明的方式给出，因为对于本领域技术人员而言，在本发明的精神和范围内的各种改变和修改通过此详细描述将变得显而易见。
[0033]现在详细参照附图，图1A和图1B分别示出关于水的使用量较高时的两个典型的日常图表，其意味着污水流入泵站。在各图中，水的使用量以m3 /小时(y轴)相对于一天的时间(X轴)绘制。在左手侧的图1A中，示出公寓、餐厅和宾馆的厨房的排放模式。可以看出，在一天中有水使用量非常高的三个高峰，即在早晨大约6点钟(AM)、在大约12点钟和在傍晚大约6点钟(PM)。在右手侧的图1B中，示出宾馆的洗衣房的排放模式，其中可以看出，只有两个高峰，即在早晨大约9点钟(AM)和在下午大约三点钟(PM)。在这些高峰用水时间中，可以预期这些建筑物的污水站所连接的公共管道中有非常高的系统压力，使得将污水抽送入管道可能相当低效，并且于是非常耗能。反之，在无高用水量的时间段，例如在夜间，公共管道中的系统压力将由于低耗水量而非常低，并且因此很少操作泵。于是，在这些时间段将污水抽出污水泵站将更加高效。
[0034]图2示出根据实施例的加压的污水泵网络I。如从图2中可以看出，在污水泵网络I中，多个污水泵站2在网络中经由各自的连接管4连接到公共出口管3。实施例中所示的每个污水泵站2都包括两个泵5 (例如Grundfos (格兰富)的SEG泵型)，用于将污水抽出其中容纳所述泵5的各水箱6。每个水箱6具有出口 7，出口 7打开进入各自的连接管4，连接管4进而引导至公共出口管3。在出口 7的下游，可以安装用于检测公共出口管3中的压力的压力传感器8。此外，设置中央控制单元9用于集中控制泵5以在公共出口管3中的压力较低时起动抽送，并且在公共出口管3中的压力较高时停止抽送。具体而言，控制单元9基于公共出口管3中确定的压力来控制泵5在能量优化模式中的激活，从而如果压力下降到低于指定的压力下限，则使指定数量的泵5起动抽送，并且如果压力超过指定的压力上限，则控制单元9停用指定数量的泵5使其停止抽送。于是，控制每个池使得能耗最小化，因为能量优化模式中仅在公共出口管3中的压力较低时才实施抽送。另外，控制单元9以如图2中的附图标记10所示的无线方式或者经由电缆连接11与泵5通信。
[0035]图3示出根据实施例来自图2所示的污水泵网络I的单个污水泵站2。污水泵站2包括水箱6，其中布置SEG泵型的磨床泵5。在水箱6中，存在具有一定污水水位13的污水12。将污水12通过入口 18引入水箱6。从泵5的出口，连接管4通过水箱6的出口 7延伸到图2所示的公共出口管3。压力传感器8在打开和关闭连接管4的逆止阀14的上游检测连接管4中的压力。此外，在水箱6中，布置水位传感器15用于检测水箱6中的污水水位13。应当指出的是，水位传感器可以是任何类型的。例如，可以不用水位传感器，而用简单的标准水位开关也行。水位传感器15和泵5分别经由各自的导线16和17连接到本地控制单元9,，本地控制单元9,根据水箱中的污水水位13和公共出口管3中的压力(此处未示出，参见图2)来单独并在本地控制污水泵站2中的泵5。即，控制泵5使得当水箱6中污水12的水位13超过称为“起动水位，安全模式”的第一污水水位19时泵5总是起动抽送，以便运行清空过程。而且，控制泵5使得当水箱6中的污水水位13下降到低于称为“停止水位”的第二水位20时泵5总是停止抽送。在“起动水位，安全模式”和“停止水位”之间，有称为“起动水位，能量模式”的第三水位21，在第三水位21处，可以控制泵5使得当在污水泵网络I的公共出口管3 (参见图2)中检测到较低的压力时泵5在能量优化模式中起动抽送。
[0036]可以通过直接测量确定系统压力，或者可以估计系统压力。应该提及的是，选择如何确保泵运行在最优方式取决于控制的水平和连接到设施的通信方式。与此处所示实施例中由本地控制单元V控制泵5不同，还可以在来自中央控制单元9的网络中集中控制泵5，例如如图2所示。在这种情况下，外部压力传感器测量公共出口管道3中的系统压力，并且网络中单独的泵5将在中央控制单元9的控制下起动和停止，由此考虑整个加压系统。而且，另一个可能性是由泵5自身执行能量优化算法，以确保其运行在最高效和优化的模式中。此外，在使用估计压力(即推算值)来表示系统压力的情况下，泵5则还可以由本地泵站控制器起动和停止。可以在最高起动水位19 ( “起动水位，安全模式”)以下建立额外的最低起动水位。用这种方式，当污水水位13达到最低起动水位21 (“起动水位，能量模式”)时，泵5可以间歇性起动以评估系统中的压力是否处于泵的可接受水平，使得泵将水位抽到停止水位20以下。如果在污水水位13达到最高起动水位19之前泵5并未清空泵站2，则将强制起动抽送周期。
[0037]图4示出使用系统压力传感器情况下的控制示例。示出激活泵5以起动抽送的三个不同的事件22、23、和24。由附图标记22表示的第一事件是指:在污水水位已达到“起动水位，能量模式”(即图3所示的第三水位21)，并且在公共出口管3 (参见图2)中测量的、在这里用作表达污水泵网络⑴的负载的参数的系统压力Psys相当低并已低于指定的阈值(这里指定的阈值为由附图标记26表示的最低系统压力)的情况下，无网络激活而起动泵5，使得泵5可以在能量优化模式中将污水12抽出水箱6。由附图标记23表示的第二事件是指:在污水水位13处于“起动水位，能量模式”即第三水位21和“起动水位，安全模式”即第一水位19之间，并且系统压力Psys仍较低时，在网络激活结束之后起动泵5，以确保泵5可以高效地运行。由附图标记24表示的第三事件是指:当水箱6中的污水水位13达到“起动水位，安全模式”第一水位19从而需要将污水抽出水箱6时，强制起动以避免水箱溢出。应指出的是，起动事件可以用系统压力来标定，使得随着污水水位越来越接近“起动水位，安全模式”，所接受的系统压力越来越高。
[0038]图5示出使用污水水位和泵的压差来控制泵5的情况下的另一控制示例。如结合图4说明的激活泵5以起动泵的三个事件再次表示为附图标记22、23和24。在该示例中，由附图标记25表示的必要测量周期示出为灰色。应当提及的是，仅当泵5运行时，压力才为可检测的。可检测的压力值用上部实线中的加深部分来标记。然而，根据此方法，不可能测量网络中的最低压力，而仅能测量当污水泵站2的泵5正在运行时的压力。因此，在测量周期中，识别此压力并与实际压力相比较。
[0039]此外，应当指出的是，水位与压力差的组合和系统压力之间的关系由下列公式给出:
[0040]psys= Δ p+ P gl
[0041]其中Λρ为泵5两端的压差(估计泵压力)，P是污水的质量密度，g是重力常数，并且I是测量到的水箱6的污水水位13。因为需要打开逆止阀14(参见图3)，所以此计算仅当泵5在运行时有效。通过引入起动泵5并测量压力的小的测量周期(参见图5)来解决这个问题。如果压力足够小则清空水箱6，否则停止泵5。
[0042]图6示出另一控制示例，其中表达污水泵网络I的负载的参数是泵流量Q，其用于当这里由最大泵流量所表示的阈值26被超过时在能量优化模式中起动泵5。此处，较大的泵流量表明网络上无激活，其意味着公共出口管3(参见图2)中的压力预期为较低并且泵5可以在能量优化模式中起动。当流量更小时，即低于最小可接受阈值时，应停止泵5。可以由在泵5上可测量的各种信号来估计泵流量Q。例如，泵的功率和速度以及电机电流可以用来估计该值。
[0043]图7示出带有可变阈值26的另一控制示例。
[0044]取代具有带恒定值的阈值26，在一些情况下有利的是让用于起动泵5的阈值26成为例如时间的函数。例如，如果要求每天清空水箱6，并且使用压力作为表达网络负载的参数，则可以增加用于起动泵5的压力阈值26，这意味着起动泵5的概率增加。
[0045]在另一种实现中，用于系统压力的阈值26可以是水箱6中水位的函数。这样，如果水位较低，则阈值26也较低，这意味着仅在泵的能耗非常小的情况下才起动泵5。随着水位增加，用于系统压力的阈值26也增加，这意味着在更低效的条件下起动泵5。因为清空水箱6变得越来越重要，所以这种效率较低的操作也被接受。图7示出呈现此构思的图形。然而，当然可以将上述两种方法均与图5和图6所示的其他控制方案一同使用。
[0046]取决于主管道的压力而以不同的速度运行泵5也是个好方法。事实上，如果泵5应以最小的比能(specific energy)运行,贝U这样做是有必要的，其中比能由下列等式给出:
[0047]Esp=^p
[0048]其中E是固定时间间隔中消耗的能量，并且V是相同的时间间隔中的抽送容积。
[0049]图8示出泵的压力Λρ和泵的流量Q之间的关系。大致对应于Psys的泵的出口压力Pa口与泵两端的压力Ap之间的关系由下列等式给出:
[0050]Δ P = psys- P gl
[0051]这意味着污水水位13接近“起动水位，能量模式”(第三水位21)，泵压力接近与网络压力成比例。这意味着“低”流量值可以用作网络中的激活的指标。除非泵5在运行，否则系统中无流量。因此，测量周期对此方法(见图6)有必要。
[0052]图9示出泵的流量Q和泵的功率P之间的关系。可以看出，这里，泵的功率P和泵的流量Q之间的关系是单调的。该单调关系意味着功率P可以在图6所呈现的控制方法中用以替代流量Q。功率P是指示泵5的负载的测量值。指示负载的其他信号为电机电流或电机的功率因数(cos phi)。
[0053]最后，应该指出的是，通过使用下列等式，可以由水箱6中污水水位13的改变来估计泵的流量:
【权利要求】
1.一种用于操作污水泵网络(I)的污水泵站(2)的方法，所述污水泵站(2)包括至少一个泵(5)，其中如果所述污水泵站(2)的水箱(6)中的污水(12)的水位(13)超过第一污水水位(19)，则所述泵(5)起动抽送，并且如果所述水箱(6)中的所述污水(12)的所述水位(13)下降到低于第二水位(20)，则所述泵(5)停止抽送，其特征在于，所述方法包括确定表达所述污水泵网络(I)的负载的参数(Psys，Q，n，ΛΡ，Ρ%，C0S(K I)的幅值，其中如果确定表达所述负载的所述参数的幅值已超过指定阈值(26)，则执行在能量优化模式中激活所述至少一个泵(5)以起动抽送的步骤。
2.根据权利要求1所述的方法，其中在所述污水泵网络⑴的公共出口管道(3)中检测压力(P)。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中激活所述至少一个泵(5)的所述步骤仅在已经达到或超过指定的第三水位(21)时才执行。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中表达所述负载的所述参数是以下的一个或多个:系统压力Psys、泵流量Q、所述系统中激活的泵的数量(η)、所述泵的压差ΛΡ、所述泵使用的电功率P 电机的cos Φ、电机的电流I。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的方法，其中在所述能量优化模式中，如果确定所述压力(P)超过指定的压力上限，则停用所述至少一个泵(5)。
6.根据权利要求2至5中任一项所述的方法，其中所述方法还包括在所述能量优化模式中，根据检测到的压力(P)增加或减少所述至少一个泵(5)的速度的步骤。
7.根据权利要求2至6中任一项所述的方法，其中所述压力(P)是所述污水泵网络(I)的所述公共出口管道(3)中所述污水(12)的流体压力，并且其中通过在所述污水泵站(2)所连接的所述公共出口管道(3)中特别是借由用于测量绝对压力或压差的压力传感器(8)来测量所述压力(P)以执行确定所述压力(P)的所述步骤。`
8.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中通过确定所述至少一个泵(5)两端的压差并且确定容纳所述至少一个泵(5)的所述水箱(6)中的污水水位(13)来执行确定所述压力(P)的所述步骤。
9.根据权利要求8所述的方法，其中确定所述至少一个泵(5)两端的压差的步骤包括确定所抽送的污水的所述流量(Q)，特别是在所述水箱(6)中所述污水水位(13)的改变的基础上，或者在所述泵(5)的电功率或速度的基础上，来确定所抽送的污水的所述流量(Q)。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其中通过在所述至少一个泵(5)的多次激活中的每次中测量或推算所述参数的大小值，并且然后在这些大小值的基础上选择或者计算所述指定阈值(26)，来确定所述负载表达参数的所述指定阈值。
11.根据权利要求2至6中任一项所述的方法，其中确定所述压力(P)的所述步骤包括确定用于驱动所述至少一个泵(5)的驱动电机的功率(P)、和/或功率因数(COS(Ct))、和/或电机电流(I)，其中Φ是电流⑴和电压⑶之间的相位角。
12.根据权利要求2至11中任一项所述的方法，其中所述方法还包括在由本地泵控制器确定的压力的基础上单独控制所述至少一个泵(5)的步骤。
13.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，其中由所述污水泵网络(I)的中央控制站(9)来集中控制所述至少一个泵(5)。
14.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述污水泵网络(I)包括多个污水泵站⑵。
15.用于控制污水泵网络(I)的污水泵站(2)的控制单元(9，9')，所述污水泵网络(I)包括多个污水泵站(2)，所述污水泵站(2)包括至少一个泵(5)，该泵(5)适于将污水(12)从水箱(6)抽送到所述污水泵网络(I)的公共出口管道(3)，其中所述控制单元(9，9')适于控制所述至少一个泵(5)以在污水水位(13)超过所述水箱(6)中的第一水位(19)时起动抽送，并且在所述水箱(6)中的所述污水(12)的所述水位(13)下降至低于第二水位(20)时停止抽送，其特征在于，所述控制单元(9，9')适于在确定的表达所述污水泵网络的负载的参数(Psys，Q，η, ΔΡ, P%, cosct，I)的基础上控制所述至少一个泵(5)在能量优化模式中的激活，其中如果确定表达所述负载的所述参数的幅值已超过指定阈值(26)，则所述控制单元(9，9')适于在能量优化模式中激活所述至少一个泵(5)以起动抽送。
16.根据权利要求15所述的控制单元(9，9')，其中所述控制单元(9，9')还适于在所确定的压力(P)的基础上增加或减少所述至少一个泵(5)的速度。
17.用于集中控制污水泵网络(I)中污水泵站(2)的多个泵(5)的系统，其特征在于，所述系统包括根据权利要求15和16的中央控制单元(9)。
【文档编号】E03F5/22GK103882938SQ201310711391
【公开日】2014年6月25日 申请日期:2013年12月20日 优先权日:2012年12月20日
【发明者】彼得·容克拉斯·尼博, 卡斯滕·斯科乌莫塞·卡勒瑟, 克劳斯·格伦内高·劳里森 申请人:格兰富控股联合股份公司