并联泵组在工业中应用范围广泛,涵盖了市政、化工、建筑、电力和农业等重要行业,其高效和安全可靠运行对节约能耗和避免重大安全事故至关重要。由于泵系统在设计时往往会出于安全原因而留有设计余量,而选型过程中出于对扩大产能、需求变化等考虑会进一步扩大安全余量,这使得离心泵往往比所处系统的实际需求偏大,这使得离心泵性能往往高于系统实际需求,从而导致离心泵工作在偏大流量工况区内。长期偏工况运行不仅不能发挥离心泵的最佳效率导致能源浪费,还大大影响离心泵的运行可靠性和使用寿命。而常用的节流阀调节、变频调节和泵组串并联调节等方法因未对离心泵的实际工作点进行优化,离心泵依然可能处于严重的偏工况状态,不利于离心泵的长期高效运行。为了改善并联泵组中离心泵普遍存在的偏工况现状,本文提出了一种优化方案,通过优化投入运行的离心泵的数量及适当引入控制阀的方式对离心泵的可靠性和系统能耗进行均衡,以改善离心泵与系统的匹配,保障离心泵的高可靠性运行。同时,为支撑该优化方案的实现,搭建了并联泵组实验系统,研究泵阀联合控制方法以及泵切换引起的止回阀启闭瞬态响应问题。本文的主要内容和成果包括以下几个方面:(1).针对并联泵组切换过程引起的支路止回阀启闭现象,搭建了一套并联泵组系统,建立止回阀三维模型,基于瞬态流动的数值模拟研究了止回阀开启过程和关闭过程的瞬态行为和影响止回阀关阀水锤的几个影响因素。结果表明,止回阀在开启后的阻力相对较小,可在后续研究中忽略其压力损失;止回阀在启闭过程中诱发瞬态流动演化和压力脉动,但正常调控过程中的压力脉动较小,后续并联泵组的优化和控制过程中可以不考虑该瞬态过程带来的影响。(2).通过对离心泵运行特性、变频调速及并联控制模式分析,建立了并联泵组的优化模型,并通过优化算法进行了求解。该优化模型以能耗最低为优化目标,并通过约束条件将离心泵的实际工作点限制在离心泵的最佳效率点附近,并采用粒子群优化算法进行求解,从而改善离心泵的工作点,实现离心泵的高效和高可靠性运行。结果表明,优化算法能够改善离心泵偏工况现象,提高离心泵可靠性。(3).基于以上优化结果,建立了泵组中泵阀联合控制的系统模型,实现了流量和压力的同步控制。该泵阀联合控制的模型是一个带有时间滞后的非线性多输入多输出系统,通过采用改进型史密斯预估器处理时间之后,并通过输入输出线性化解决非线性问题,最后采用了直接解耦控制、滑模控制和模糊自适应控制等三种方法对该模型进行控制,并在试验台上进行了相应的测试。结果表明,模糊自适应控制具有良好的跟踪性能和抗干扰性能,实现了并联泵组对上述优化结果的跟踪与控制。(4).基于优化原理,提出了面向工程应用的双级PID优化控制方法,用于克服粒子群优化和模糊自适应控制过于复杂的缺点。该方法以常规PID变频控制为基础,加入优化环节后,通过选择合理的投入运行的离心泵数和引入控制阀微调离心泵的实际工作点,实现离心泵系统对目标流量或压力的控制,均衡系统能耗与离心泵可靠性。该方法在PLC中集成了所有计算功能,可便捷地移植到各实际工程中。实验结果表明,该方法相比粒子群优化和模糊自适应控制虽优化与控制效果稍差,但其简单可靠,具有实际工程推广价值。本文提出了一种改善并联泵组中离心泵运行工况的优化方法,使每台离心泵能够运行最佳工作区域内,从而保证泵组具有较高的可靠性和较低的能耗;同时,开发了泵阀联合控制方法,使泵组能够工作在优化后的工作点处;最后,开发了一种面向工程应用的泵组双级PID优化控制方法,使泵组优化与控制更易于推广应用。研究结果表明,本文提出的并联泵组的优化结果和控制方法能够有效改善离心泵的偏工况运行现象,提高离心泵的可靠性,从而较好地解决实际工程应用中离心泵的偏工况问题。