[发明专利]一种基于不确定度分析的泵与风机性能预测方法

权利要求书

1.一种基于不确定度分析的泵与风机性能预测方法，该方法通过获取不同阀门开度下的流量-压差和流量-功率性能曲线，建立流量-压差和流量-功率多项式拟合方程，通过不确定度分析，选择不确定度较低的预测模型，实现泵与风机性能参数的精确预测和设备运行状态的实时监测，降低设备运行和维护成本，具体步骤如下：

步骤1.基于泵与风机性能试验，获取不同阀门开度下流量-压差和流量-功率性能曲线

泵与风机的性能曲线，通过开式测试平台获取，通过调节水泵开式测试平台电动调节阀的开度，获取不同开度下泵的进口压力、出口压力、流量和功率值；通过调节风机开式测试平台电动调节阀的开度，获取不同开度下风机的进口压力、出口压力、流量和功率值；

整理泵与风机的测试数据，绘制不同开度下流量-压差曲线和流量-功率曲线；

步骤2.基于试验数据，建立流量-压差和流量-功率多项式拟合方程

基于流量-压差曲线和流量-功率曲线对应的具体数值，得到水泵的流量-压差多项式拟合方程和流量-功率多项式拟合方程；

针对流量-压差曲线，若同一压差下存在多个对应的流量值O₁、O₂和O₃，为了实现流量的精确预测，将流量-压差曲线按照单调下降和单调上升分成三段曲线，其中小流量区域为一单调下降曲线L1，中流量区域为一单调上升曲线L2，大流量区域为一单调下降曲线L3，分别采用三段式近似方程来表示不同流量区域内的单调下降/上升曲线，每个分段函数采用3次多项式近似方程加以表达，其计算公式如公式(1)所示；

式中，Q为水泵的流量，Q₁至Q₃为分段区间内对应的流量值，Δp为水泵出口压力与进口压力的差值，a₀₀至a₂₃为流量-压差特性方程的系数；

针对流量-功率曲线，若同一功率下存在多个对应的流量值M₁和M₂，为了实现流量的精确预测，同样按照单调下降和单调上升原则，将曲线分成两段，分别采用两段式近似方程来表示不同流量区域内的单调上升曲线K1和单调下降曲线K2，每个分段函数采用3次多项式近似方程加以表达，其计算公式如公式(2)所示；

式中，N为水泵的功率，Q₄和Q₅为分段区间内对应的流量值，b₀₀至b₁₃为流量-功率特性方程的系数；

通过公式(1)和(2)，得到不同压差和功率下的流量值，为后续开展泵与风机的性能预测提供数学模型；

若测量得到的流量-压差曲线由单调上升曲线J1和单调下降曲线J2组成，则分别采用两段式近似方程来表示不同流量区域内的单调上升曲线J1和单调下降曲线J2，每个分段函数同样采用3次多项式近似方程加以表达，其计算公式如公式(3)所示；

式中，c₀₀至c₁₃为流量-压差特性方程的系数；

若测量得到的流量-压差曲线为单调下降曲线，则采用一段式近似方程来表示不同流量区域内的单调下降曲线，同样采用3次多项式近似方程加以表达，其计算公式如公式(4)所示；

Q＝d₀₀+d₀₁Δp+d₀₂Δp²+d₀₃Δp³0≤Q≤Q₁ (4)

式中，d₀₀至d₀₃为流量-压差特性方程的系数；

若测量得到的流量-功率曲线为单调上升曲线，则采用一段式近似方程来表示不同流量区域内的单调上升曲线，同样采用3次多项式近似方程加以表达，其计算公式如公式(5)所示；

Q＝e₀₀+e₀₁N+e₀₂N²+e₀₃N³0≤Q≤Q₁ (5)

式中，e₀₀至e₀₃为流量-功率特性方程的系数；

步骤3.基于流量-压差和流量-功率多项式拟合方程，开展流量-压差预测模型和流量-功率预测模型的不确定度分析

基于步骤2获得的流量-压差预测模型和流量-功率预测模型，以测量的压差值和功率值作为输入条件，分别采用流量-压差预测模型和流量-功率预测模型对泵与风机的流量进行预测；总体预测过程分成两种求解策略：

第一种求解策略过程为：

D01基于测量的压差值，采用流量-压差预测模型对流量进行预测，获取对应压差下的流量值；

D02判断流量预测值是否唯一，若流量预测值唯一，则进入D07评估流量-压差预测模型下流量的不确定度，若流量预测值不唯一，即一个压差对应多个流量值，则进入D03；

D03基于测量的功率值，采用流量-功率预测模型对流量进行预测，获取对应功率下的流量值；

D04判断流量-功率预测模型得到的流量值是否唯一，若流量预测值不唯一，即预测模型无有效解，则结束计算，若流量预测值唯一，则进入D05；

D05通过该流量值和公式(1)，选择正确的流量-压差单调下降/上升曲线方程；

D06基于单调变化的流量-压差曲线方程，获得对应压差下唯一的预测流量值；

D07评估该流量-压差预测模型下流量的不确定度，不确定度的评估公式如公式(6)所示；

D08评估该流量-功率预测模型下流量的不确定度，不确定度的评估公式如公式(7)所示；

D09比较两个预测模型所求流量值的不确定度大小，选择不确定度较低的性能预测模型，利用该模型获得最终的流量和效率值，若两个预测模型所得到的不确定度相近，则利用加权公式(8)计算最终的预测流量值；

第二种求解策略过程为：

E01基于测量的功率值，采用流量-功率预测模型对流量进行预测，获取对应功率下的流量值；

E02判断流量预测值是否唯一，若流量预测值唯一，则进入E07评估流量-功率预测模型下流量的不确定度，若流量预测值不唯一，即一个功率对应多个流量值；则进入E03；

E03基于测量的压差值，采用流量-压差预测模型对流量进行预测，获取对应压差下的流量值；

E04判断流量-压差预测模型得到的流量值是否唯一，若流量预测值不唯一，即预测模型无有效解，则结束计算；若流量预测值唯一，则进入E05；

E05通过该流量值和公式(2)，选择正确的流量-功率单调下降/上升曲线方程；

E06基于单调变化的流量-功率曲线方程，获得对应功率下唯一的预测流量值；

E07评估该流量-功率预测模型下流量的不确定度；不确定度的评估公式如公式(7)所示；

E08评估该流量-压差预测模型下流量的不确定度，不确定度的评估公式如公式(6)所示；

E09比较两个预测模型所求流量值的不确定度大小，选择不确定度较低的性能预测模型，利用该模型获得最终的流量和效率值，若两个预测模型所得到的不确定度相近，则利用加权公式(8)计算最终的预测流量值；

其中公式(6)的表达式为：

式中，U_Δp(Q)为基于流量-压差预测模型的流量不确定度值，Q_Δp为基于流量-压差预测模型所计算得到的流量值，为对应压差下，测量5次所得流量的平均值；

其中公式(7)的表达式为：

式中，U_N(Q)为基于流量-功率预测模型的流量不确定度值，Q_N为基于流量-功率预测模型所计算得到的流量值；

其中公式(8)的表达式为：

式中，Q'为加权预测流量值；

步骤4.评估流量-压差预测模型和流量-功率预测模型的不确定度，选择不确定度较低的预测模型

基于步骤3的不确定度评估结果，根据不同流量下流量-压差预测模型和流量-功率预测模型所对应的不确定度值U的大小，选择不确定度较低的预测模型；

若流量范围从0到Q₁时，流量-功率预测模型所计算得到的流量不确定度U_N小于流量-压差预测模型所计算得到的流量不确定度U_Δp，则在该流量范围内选择流量-功率预测模型对泵与风机的流量进行预测，反之，则选择流量-压差预测模型；

若流量范围从Q₁到Q₂时，流量-功率预测模型所计算得到的流量不确定度U_N大于流量-压差预测模型所计算得到的流量不确定度U_Δp，则在该流量范围内选择流量-压差预测模型对泵与风机的流量进行预测，反之，则选择流量-功率预测模型；

步骤5.基于选定的预测模型，获取对应的流量值和效率值，实现泵与风机的性能预测

通过步骤4最终确定泵与风机在不同流量工况下所选用的预测模型，通过实时测量的压差和功率数据，采用相应的预测模型，获得当前状态下所对应的流量值，同时，通过公式(9)：

计算当前状态下的泵与风机的运行效率，实现泵与风机的性能预测，监测设备运行状态，降低设备运行和维护成本。