CN103223275B - 用于监视空气过滤器状态的方法以及设备 - Google Patents

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Abstract

一种用于监视通风***的空气过滤器上灰尘的聚集情况的方法以及设备，所述通风***包括过滤器以及由频率转换器控制的风扇。首先确定操作参数的初始值。基于所述特征曲线、以及所述风扇的所述机械功率及旋转速度而确定当前操作点。基于所述当前操作点确定所述操作参数的所述当前值，并基于所述操作参数的所述初始值和当前值确定所述空气过滤器上灰尘的聚集情况。

Description

用于监视空气过滤器状态的方法以及设备
技术领域
本发明涉及空气过滤器状态的监视，具体地，涉及精确地估计过滤器中的灰尘的聚集情况。
背景技术
风扇和鼓风扇被广泛地用在通风应用中。它们消耗用于工业和服务部门的所有电能中的大部分份额。风扇***的大部分生命周期成本可能是能源成本。
在通风应用中，风扇***通常装备有例如，空气过滤器，以维持热交换器的性能。该过滤器能够引起该通风***中额外的压力降，因此降低了该风扇***的效率。该效率可以由，例如，特定风扇功率SFP(kW/m3/s)表示，SFP表示了作为流速的函数的功率消耗。对于典型的精密过滤器，当更换过滤器时的最终压力为200-250Pa时，初始压力降例如可以近似为50-100Pa。根据公开文献“关于计算空气过滤器的生命周期成本的建议”，欧洲，2005年9月，空气过滤器对通风***中的总压力降的一大部分负有责任。
通常，空气过滤器的状态监视可以通过测量该空气过滤器上的压力差来实现。图1示出了示例性的带有空气过滤器11的通风风扇10。空气过滤器的状态由压力差测量装置12监视。增加的压力差表示空气过滤器11中的灰尘的聚集情况。
这种解决方法能够精确地确定过滤器状态，但其需要使用特别的仪器，因此增加了***的成本。与该解决方法相关的问题是空气过滤器12的压力损失受通过该过滤器的流速的影响。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于克服上述缺点的方法和设备。本发明的这一目的通过根据本发明的方法和设备来实现。本申请还公开了本发明的优选实施方式。
通过使用所公开的方法，可以在不同的操作条件下精确地检测到包括过滤器和风扇的通风***中的空气过滤器上灰尘的聚集情况。
基于灰尘对风扇的操作点的作用，可以估计过滤器中的灰尘量。基于风扇的特征曲线及功率，可以估计所述操作点。基于所述风扇的机械转矩及旋转速度，可以估计功率。
基于所述操作点，可以估计由灰尘引起的过滤器压力损失。基于所述操作点，也可以计算表示关于通过该风扇的流速的功率消耗的特定风扇功率。然而，另一替代方案可用于基于所述操作点计算由聚集在该过滤器上的灰尘引起的功率损失。
即使风扇***在不同操作状态下运行，该公开的方法也能够精确地检测灰尘的聚集情况。在没有增加成本的压力传感器的情况下，也能够估计灰尘的聚集情况。
附图说明
在下文中，参照附图，将通过优选的实施方式更加详细地描述本发明，其中。
图1示出了带有空气过滤器的通风风扇的示例；
图2示出了聚集的灰尘对示例性的风扇***的过程曲线的作用；
图3a及图3b示出了示例性的特征曲线；
图4示出了示例性的通风***；以及
图5示出了测量结果。
具体实施方式
下文公开了一种用于监视包括空气过滤器以及由频率转换器控制的风扇的通风***的空气过滤器上灰尘的聚集情况的方法及设备。基于灰尘对该风扇的操作点的作用，可以估计该过滤器中的灰尘量。
可以认为，聚集的灰尘通过其对通风***的过程曲线的作用而影响操作点。该过程曲线将该***上的压力差(***损失)p描述为通过该***的流速Q的函数。该损失通常源于管道***、调节阀以及空气过滤器。这些损失可以被建模为与流速Q的平方成正比。由于通常可以认为该***上的静态压力可以忽略不计，因此该过程曲线可用如下公式表示：
p＝kQ2,(1)
其中，k是表示***中所有损失的动态阻力因子。
风扇***的操作点位于风扇的Qp-特征曲线与过程曲线的交点处。该Qp-特征曲线表示了在某一旋转速度下流速与压力之间的关系。该动态阻力因子随着灰尘在空气过滤器上的聚集而增加。动态阻力的变化引起过程曲线的变化，并且因此，引起Qp-特征曲线与过程曲线的交点的位置的变化。换言之，操作点改变了。
图2示出了聚集的灰尘对示例性的风扇***的过程曲线的作用。在图2中，风扇***的操作点的初始值A示出为位于在所使用的旋转速度下的Qp-特征曲线与具有初始动态阻力因子k0的初始过程曲线的交点处。在操作点A处，流速Q0产生了压力差p0。
由于聚集的灰尘，导致动态阻力因子增加至值k0+kdirt。当假设旋转速度保持不变时，操作点移动至该过程曲线与该特征曲线的新的交点B处。在图2中，动态阻力的增加值kdirt导致操作点移动，从而使流速降低(至值Q1)并使压力差升高(至值p1)。
通过使用风扇的特征曲线以及风扇的功率，可以估计该风扇的操作点。基于当前的机械转矩以及风扇的旋转速度可以估计功率Pest。
例如，可以使用下述等式：
P est = 2 π n est 60 T est , - - - ( 2 )
其中，nest是估计的旋转速度，Test是估计的转矩。这些估计值可从频率转换器获得。
特征曲线可以包括Qp-特征曲线以及表示了流速与功率之间的关系的QP-特征曲线。该QP-特征曲线以及Qp-特征曲线都可以表示在某一旋转速度下的风扇特征的单独的曲线，或者，其一或二者都可以是表示在多个旋转速度下的风扇特征的曲线组。
然而，该风扇可以在除该特征曲线中给出的旋转速度以外的其他旋转速度下良好地运行。为了能够估计在任意旋转速度下的操作点，通过使用相似定律(affinitylaws)，该风扇特征曲线可以被转化为用于表示当前旋转速度n：
Q = n n 0 Q 0 , - - - ( 3 )
p = ( n n 0 ) 2 p 0 , 以及(4)
p = ( n n 0 ) 3 p 0 , - - - ( 5 )
其中，下标0表示特征曲线中使用的额定值。
图3a及图3b示出了示例性的特征曲线。在图3a及图3b中，使用实线示出在额定旋转速度下的曲线。使用相似定律计算出的曲线用虚线示出。
为了确定操作点，基于机械功率、旋转速度以及QP-特征曲线可以估计通过过滤器以及风扇的流速。图3a示出了可以从中确定流速的QP-特征曲线。
确定操作点也可以包括基于估计的流速、旋转速度以及Qp-特征曲线估计过滤器***上的压力差。例如，通过使用图3b中的Qp-特征曲线以及确定的流速可以确定该压力差。
之后，操作点可被用于计算风扇***的某些操作参数的值，例如，风扇***的动态阻力或特定风扇功率。通过计算操作点的移动对操作参数的作用可以监视空气过滤器状态，而不需要额外的传感器。
动态阻力或特定风扇功率消耗本身可以用作为灰尘聚集情况的指示。基于动态阻力的变化可以进一步估计由灰尘引起的过滤器压力损失。可替代地，基于该动态阻力可以估计由聚集在该过滤器上的灰尘引起的功率损失。这种估计可以，例如，被规范化以表达与风扇的额定流速有关的值。
所公开的方法及设备可以例如，按照下文所述那样操作。
风扇的特征曲线以及初始操作条件被首先确定以便能够检测操作条件的变化。操作参数的初始值可被确定并被存储从而使其能够用作为表示洁净的过滤器的参考值。该操作参数可以是例如，风扇***的动态阻力或特定风扇功率消耗。该操作参数的初始值可以例如，基于估计的初始操作点而被确定。可以使用上述公开的手段估计该初始操作点。
之后可以确定当前操作点。可以首先确定风扇的当前转矩以及旋转速度。基于所述转矩以及旋转速度可以估计风扇的机械功率。之后可以基于特征曲线、机械功率以及当前的旋转速度估计当前操作点。例如，基于机械功率、旋转速度以及QP-特征曲线可以估计通过过滤器以及风扇的当前流速。基于估计的流速、旋转速度以及Qp-特征曲线还可以估计过滤器***上的当前压力差。
之后可以基于该当前操作点确定操作参数的当前值。最终，可以基于该操作参数的初始值以及当前值确定空气过滤器上灰尘的聚集情况。
图4示出了包括空气过滤器41以及由频率转换器43控制的风扇42的通风***40的示例性实施方式。在图4中，空气行进穿过空气过滤器41以及风扇42。一种设备被用于基于灰尘对风扇42的操作点的作用来估计空气过滤器41上灰尘的聚集情况。在图4中，该设备以频率转换器43的形式实现。然而，在某些实施方式中，该设备也可以是单独的装置。
在图4中，通过将特征曲线Qp以及QP的值存储于频率转换器43的存储器中来确定特征曲线Qp以及QP。所述频率转换器43包括构造成确定操作参数的初始值的装置。
在图4中，可从频率转换器43中获得估计的转矩nest以及估计的旋转速度Test，该频率转换器43包括构造为用于基于转矩以及旋转速度确定风扇的机械功率的估计值的装置以及构造为用于基于特征曲线、机械功率以及旋转速度确定当前操作点的装置。
该频率转换器43还包括构造为用于基于当前操作点确定操作参数的当前值，并用于基于该操作参数的初始值及当前值确定空气过滤器上灰尘的聚集情况的装置。如果该频率转换器43确定了灰尘量已经超过可允许的水平，那么它发出警报。
在所公开的方法的另一实施方式中，特定风扇功率消耗被用作为操作参数。确定当前操作点包括前面公开的估计流速的步骤。可以基于估计的流速Q以及机械功率P估计当前的特定风扇功率消耗SFP为如下形式：
SFP = P Q - - - ( 6 )
由于特定风扇功率消耗取决于旋转速度，在某些情况下，需要将旋转速度n包括于公式5中：
SFP 0 = ( n 0 n ) 2 SFP , - - - ( 7 )
其中n0是额定旋转速度。通过计算初始特定风扇功率消耗与当前特定风扇功率之间的差值，可以确定空气过滤器上灰尘的聚集情况。可以将计算出的差值与设定的限值比较，并且基于该比较结果可以最终确定灰尘的聚集情况。例如，如果SFP的值超过设定限值，该方法或设备可以检测到在过滤器中已经聚集了一定水平的灰尘，并通知维修人员。
在另一实施方式中，该操作参数表示动态阻力。为了计算该动态阻力，该实施方式执行前面公开的估计流速以及压力差的步骤。
之后通过基于估计的流速Qest以及压力差pest估计该动态阻力，可以确定该操作参数的当前值。例如，可以按照如下公式计算在任意旋转速度下的动态阻力k，
k = p est Q est 2 , - - - ( 8 )
假设该***的静态压力被认为是可忽略的。
当灰尘聚集在过滤器上时，***动态阻力增加，如图3所示。因此，确定在空气过滤器上灰尘聚集情况可以包括基于初始动态阻力以及当前动态阻力计算由灰尘引起的动态阻力的变化值，其中，该初始动态阻力表示带有洁净过滤器的***的***阻力。可以将计算出的变化值与设定限值比较，并且基于该比较结果可以直接确定灰尘的聚集情况。
可替代地，可以按照如下公式，通过基于初始动态阻力k0与当前动态阻力k之间的差值以及额定流速Qnom来估计由灰尘引起的、在额定流速Qnom下的、过滤器上的当前压力损失pd,dirt，完成确定空气过滤器上灰尘聚集情况：
p d , dirt = ( k - k 0 ) Q nom 2 = k dirt Q nom 2 . - - - ( 9 )
动态阻力差kdirt表示了初始动态阻力与由灰尘引起的当前动态阻力之间的差值。
可以将估计的压力损失pd,dirt与设定限值相比较，并且可以基于该比较结果确定灰尘的聚集情况。例如，如果计算出的压力损失超过150Pa，那么该方法或设备可以通知维修人员：应当清洁或更换该过滤器。
在另一实施方式中，基于由灰尘引起的动态阻力差kdirt计算由灰尘引起的在额定旋转速度n0下的功率损失Plost,dirt。由聚集的灰尘引起的增加的***压力需求也使风扇、电动机以及转换器的功率需求增加。因此，可以例如，按照如下公式，通过基于当前动态阻力k、动态阻力差kdirt、额定旋转速度n0、当前旋转速度n以及该转换器消耗的电功率Pin来估计功率损失Plost,dirt而确定灰尘的聚集情况：
P loss , dirt = k dirt k ( n 0 n ) 3 P in . - - - ( 10 )
之后可以将功率损失与设定限值比较，并可以基于该比较结果确定灰尘的聚集情况。
实验测量是使用包括CentripalEU4MD630型径向式鼓风扇、ABB感应电动机以及ABBACS850型频率转换器的径向风扇***进行的。该风扇具有以下额定值：旋转速度1446rpm，功率7.5kW，流速2.90m3/s，风扇总压力1190Pa，以及叶轮直径630mm。电动机的额定值为：旋转速度1450rpm，功率7.5kW，电流15.7A，以及频率转换器的额定电流为16A。
通过关闭控制阀来模拟过滤器中灰尘的聚集情况，这导致***动态阻力以与污染的过滤器将会引起的增加相似的方式增加。在1500rpm的旋转速度下，因此得到的压力降为50Pa，这与污染的过滤器的通常的压力损失(150Pa)在同一量级范围内。
图5示出了测量结果。使用虚线示出带有清洁过滤器的***的实际过程曲线。小的十字叉表示清洁过滤器的估计操作点。使用实线示出带有污染的过滤器的***的实际过程曲线。小的圆圈表示污染的过滤器的估计操作点。
从图5中可以看出，当风扇在低旋转速度(<1000rpm)下运行时，流速估计值过高。在高于1500rpm的旋转速度下，流速估计值过低。这是由于相似定律(公式3-5)导致的。相似定律通常仅在当前旋转速度与特征曲线的旋转速度的偏离值小于10％时才给出精确的估计。该旋转速度还通过不精确的流速估计值而影响动态阻力的估计值。
表1示出了在不同旋转速度下的***动态阻力以及压力损失。该压力损失是针对1.5m3/s的额定流量而计算的。即使实际的动态阻力保持不变，估计的动态阻力也响应于旋转速度而明显地变化。该压力损失直接取决于该动态阻力，所以在不同旋转速度下压力损失估计值并不相同，而是与动态阻力一起变化。
表1
然而，洁净过滤器以及污染的过滤器的估计的动态阻力仍可互相比较。该公开的方法因此可被用于通过比较这两个动态阻力来估计灰尘的聚集情况。在表1中可以观察到，在洁净的过滤器与污染的过滤器之间，动态阻力以及压力损失的明显变化。
表2示出了估计的特定风扇功率SFP0。在表2的每一个旋转速度下，灰尘的聚集引起估计的特定风扇功率SFP0的显著变化。
表2
旋转速度(rpm) 600 750 900 1050 1200 1350 1500 1650 1800 测量值
SFP0洁净 2.2 2.3 2.4 2.4 2.4 2.5 2.4 2.6 2.6
SFP0污染 2.6 2.8 3.0 3.1 3.1 3.2 3.3 3.5 3.8
ΔSFP0 0.4 0.5 0.6 0.7 0.7 0.7 0.9 1.1 1.2
然而，洁净过滤器在1800rpm下的特定风扇功率与污染的过滤器在600rpm下的特定风扇功率相同。因此，难以对模拟中使用的所有旋转速度建立指示污染过滤器的特定风扇功率的单一的触发限值。估计流速时的不精确再一次引起估计的特定风扇功率的不同值。
为了提高精确度，动态阻力的特征曲线以及估计值可被分为单独的旋转速度区域。例如，特征曲线可由两组曲线表示。每组曲线中的曲线可与它们相邻的曲线相隔例如小于它们的额定旋转速度的10％。当估计流量时，可以首先选择特征曲线组中具有最匹配的旋转速度的曲线，之后可使用相似定律以及实际的旋转速度计算流速。
最后，表3中示出了流速1.5m3/s下的估计的功率损失。
表3
旋转速度(rpm) 600 750 900 1050 1200 1350 1500 1650 1800 测量值
Ploss,dirt(kW) 2.0 1.8 1.8 1.8 1.9 1.9 2.0 2.0 2.2 2.2
在每一个旋转速度下，功率损失的增加都是明显的，并且因此，其可直接被用作为过滤器中灰尘的指示。
对本领域的技术人员来说，显然，该创造性构思可以以不同的方式实施。本发明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 (11)

1.一种用于监视通风***的空气过滤器上的灰尘的聚集情况的方法，所述通风***包括过滤器以及由频率转换器控制的风扇，所述方法包括：
确定操作参数的初始值；
确定所述风扇的特征曲线；
确定所述风扇的当前转矩以及旋转速度，以及
基于所述转矩以及所述旋转速度估计所述风扇的机械功率；
基于所述特征曲线、所述机械功率以及所述旋转速度确定当前操作点，其中，确定当前操作点包括基于所述机械功率、所述旋转速度以及QP-特征曲线而估计通过所述过滤器以及所述风扇的当前流速；
基于所述当前操作点确定所述操作参数的当前值；
基于所述操作参数的所述初始值以及所述当前值确定所述空气过滤器上灰尘的聚集情况。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述操作参数是所述风扇***的动态阻力或特定风扇功率消耗。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中，确定所述当前操作点包括：
基于所述机械功率、所述旋转速度、所述QP-特征曲线以及相似定律估计通过所述过滤器以及所述风扇的所述当前流速。
4.如权利要求2所述的方法，其中，确定所述当前操作点还包括：
基于估计的流速、所述旋转速度以及Qp-特征曲线估计所述过滤器***上的当前压力差。
5.如权利要求1或2所述的方法，其中，确定所述操作参数的所述当前值包括：
基于所述估计的流速以及所述机械功率估计当前特定风扇功率消耗，并且
其中，确定所述空气过滤器上灰尘的聚集情况包括：
计算初始特定风扇功率消耗与所述当前特定风扇功率消耗之间的差值；
将计算出的变化值与设定限值比较，以及
基于比较结果确定灰尘的聚集情况。
6.如权利要求4所述的方法，其中，确定所述操作参数的当前值包括：
基于所述流速以及所述压力差估计所述动态阻力。
7.如权利要求6所述的方法，其中，确定所述空气过滤器上灰尘的聚集情况包括：
由初始动态阻力以及当前动态阻力计算出由灰尘引起的所述动态阻力的变化值；
将所述变化值与设定限值比较，以及
基于比较结果确定灰尘的聚集情况。
8.如权利要求6所述的方法，其中，确定所述空气过滤器上的灰尘的聚集情况包括：
基于初始动态阻力与当前动态阻力之间的差值以及额定流速，估计在所述额定流速下所述过滤器上由灰尘引起的当前压力损失；
将所述当前压力损失与设定限值比较；以及
基于比较结果确定灰尘的聚集情况。
9.如权利要求6所述的方法，其中，确定所述空气过滤器上灰尘的聚集情况包括：
基于当前动态阻力、初始动态阻力与所述当前动态阻力之间的动态阻力差值、额定旋转速度以及当前旋转速度、以及由所述转换器消耗的电功率，估计在所述额定旋转速度下由灰尘引起的功率损失；以及
将所述功率损失与设定限值比较；以及
基于比较结果确定灰尘的聚集情况。
10.一种用于监视通风***的空气过滤器上灰尘的聚集情况的设备，所述设备包括过滤器以及由频率转换器控制的风扇，其中，所述设备包括构造为用于实现以下步骤的装置：
确定操作参数的初始值；
确定所述风扇的特征曲线；
确定所述风扇的所述转矩以及旋转速度；以及
基于所述转矩以及所述旋转速度估计所述风扇的机械功率；
基于所述特征曲线、所述机械功率以及所述旋转速度确定当前操作点，其中，确定当前操作点包括基于所述机械功率、所述旋转速度以及QP-特征曲线而估计通过所述过滤器以及所述风扇的当前流速；
基于所述当前操作点确定所述操作参数的当前值；
基于所述操作参数的所述初始值以及当前值确定所述空气过滤器上灰尘的聚集情况。
11.如权利要求10所述的设备，其中，所述操作参数是所述风扇***的动态阻力或特定风扇功率消耗。
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