CN101901014B - 空压站预测调压控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空压站预测调压控制方法，首先，根据空压站初始供气压力给定启动各空压机使空压机投入运行，初始压力给定设定是介于加载和卸载压力之间的中间值；第二，经过滚动优化计算模型给出的给定值使各空压机均为加载状态，最后系统达到平衡；第三，根据数据采集系统采集的实时信息，当供气管网实际压力大于或小于预测给定值且满足卸载或加载条件时，预测控制器经过优化计算、自适应学习方式及约束条件的判断给出新的给定值，通过PID调节输出作为变频器的给定控制空压机的产气量，达到调节管网压力，实现新的平衡。本发明能确保供气系统的稳定性，而且还可随用户用气负荷的变化调节供气压力，实现空压站管网压力平衡调节。

Description

空压站预测调压控制方法

技术领域

本发明涉及空气压缩机站的自动控制技术。

背景技术

空气压缩机站在实际运行中，当空压机低负荷运行时，储气罐内压力上升达到设定压力时，需要调节管网压力，现有应用最广泛的技术主要有三种：

第一种是空压机自动卸载技术，它使空压机主电机与压缩部分自动脱离，因此此时空压机不产生压缩气体，电动机处于空载运转，其耗电量大约为电机额定运行的10％左右，这部分的电能实际被无偿消耗掉了。

第二种是空压机超压联锁启停电气控制技术，这种技术在负荷变化较大且储气罐容量较小的情况下，将会引起电动机的频繁启停。由于空压机的空载启动电流大约是额定电流的5～7倍，对电网及其它用电设备冲击较大，电能消耗较大，同时，空压机的电机使用寿命也会缩短。

第三种是采用恒压变频控制技术，保证单台空压机的出口压力为恒定值，自动调节电机的输出功率。在管网中有不同压力等级的情况下，空压机的产气压力不能随着用气负荷的要求变化而自动进行调节，现有方法往往采用提高整条管路的压力等级，采用减压装置供给低压用气设备，从而造成能源浪费，参见流程如图1所示。

中国专利CN92105586.2公开了一种全自动空压站恒压变量控制系统，该专利控制策略为恒压调节方法，采用一台变频调速器对多台空气压缩机循环地实现带载软起动和调速控制，以减少对电网、对供气压力产生的冲击，提高了供气的稳定度。但该专利供气总管压力在运行过程中不能随用户需求进行调节。

发明内容

本发明的目的在于提供一种空压站预测调压控制方法，该控制方法能确保供气系统的稳定性，而且还可随用户用气负荷的变化调节供气压力，实现空压站管网压力平衡调节。

本发明是这样实现的：一种空压站预测调压控制方法，

首先，根据空压站初始供气压力给定启动各空压机使空压机投入运行，初始压力给定设定为该供气系统满足所有用户用气的供气压力的最小值；

第二，经过滚动优化计算模型给出的给定值使各空压机均为加载状态，其中的滚动优化计算模型采用了适合于空压机运行的多目标优化算法，是基于用过去和未来的压力输入输出信息，预测供气系统未来的压力输出状态，经过用模型输出误差进行反馈校正以后，再与参考输入轨迹进行比较，进行滚动优化，然后采用自适应学习的方式再计算当前时刻应加于供气系统的控制动作，确定保持加载状态的给定值；给控制系统通过PID调节输出作为变频器的给定控制空压机的产气量，完成整个控制循环，达到调节管网压力，最后系统达到平衡；所述的给定值为保持加载状态的预测给定值；

第三，根据数据采集系统采集的实时信息，当供气管网实际压力大于或小于预测给定值且满足卸载或加载条件时，预测控制器经过优化计算、自适应学习方式及约束条件的判断来修正给出新的给定值，这样控制系统接收到新的给定值设定时就会自动调整压力使之更加适应管网压力的实际需求，从而达到调节管网压力，实现新的平衡。

所述数据采集系统采集的实时信息包括各空压机的电机电流、放空阀开度和产气流量，供气管网压力以及供用气实际参数包括总用气量、总用电量信息。

本发明是对空压机在线检测电机电流、放空阀开度、输出流量、输出压力等实际负荷的运行参数，用过去和未来的流量、压力，通过多目标预测调压优化算法，进行运行状态的自适应学习，获得空压机压力设定值，使压力大小保持在加载与卸载之间。

本发明是在现有的计算控制模型基础上，采集实时数据并与给定值比较，并且结合判定条件再计算出新的给定值，通过PID调节(又称PID调节器，即比例、积分、微分控制)输出作为变频器的给定控制空压机的产气量，达到调节管网压力。

本发明通过预测调压控制方法获得空压机运行时合理的压力给定值，这样不仅能确保供气系统的稳定性，而且还可随用户用气负荷的变化调节供气压力，实现空压站管网压力平衡调节，有效地避免出现空压机卸载操作和管路放空操作，从而达到节能的控制目的。

附图说明

图1为现有技术采用恒压变频控制的空压站流程示意图；

图2为实现本发明空压站预测调压控制方法的控制系统示意图；

图3为本发明空压站预测调压控制方法控制原理图；

图4为空压站预测调压控制器实施前后的压力控制曲线图，其中图4a为实施前的压力变化曲线图，图4b为实施后的压力变化曲线图。

图中：1空压站预测调压控制器(预测控制器)、2PID调节器、3变频装置(变频器)、4空压机、5电动机、6放空阀、7流量计、8压力变送器、9供气总管，10空压站数据采集系统。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

参见图2、3，一种空压站自动预测调压控制系统主要由空压站数据采集系统10、空压站预测调压控制器1、PID调节器2、变频装置3、空压机4、压力变送器8组成。其中：

空压站数据采集系统10包括各驱动空压机的电动机5电流、放空阀6开度和产气流量在线数据采集，供气管网压力以及供用气实际参数包括总用气量、总用电量的采集和信息处理功能，通过装设在管路上的流量计7能得到供气总管9的流量，空压站数据采集系统10作为预测控制器1模块的输入。

预测控制器1的核心是滚动优化计算模块，就是本发明的空压站预测调压控制方法，滚动优化计算模块根据数据采集系统采集的实时数据、以及卸载判定条件计算空压机的给定值，作为空压站供气系统的压力给定值，调节空压机工作状态。

PID调节器2是控制系统稳定的基础，预测控制器1的输出值给予PID调节器2。

变频装置3是基于矢量控制的交流变频调速技装置，根据PID调节器2的输出信号，改变空压机4的电机5运行频率，从而改变空压机4的输出压力。

空压机4是预测调压控制系统的被控对象，可以采用螺杆式或活塞式空压机。

压力变送器8是预测调压控制系统反馈环节的检测装置，用于在线检测压缩空气管网压力，并转换成标准的传输信号，可以采用电容式或压电式的检测变送器。

空压站自动预测调压控制系统的压力稳定通过采集供气管网实际压力与预测给定压力比较，调节控制实际压力跟踪预测给定值实现的。

本发明空压站预测调压控制方法是通过空压站自动预测调压控制系统来实现的，主要由预测控制器1进行控制。空压站预测调压控制方法如下，参见图3：

首先，根据空压站初始供气压力给定启动各空压机使空压机投入运行，初始压力给定一般设定为该供气系统满足所有用户用气的供气压力的最小值(是该系统供气压力的最高压力等级)；

第二，通过预测控制器基于多目标决策的优化算法，经过滚动优化计算模型，给出的给定值使各空压机均为加载状态，最后系统达到平衡；所述的给定值为预测给定值；

第三，根据数据采集系统采集的信息，当供气管网实际压力大于或小于预测给定值且满足卸载或加载条件时，预测控制器经过优化计算、自适应学习方式及约束条件的判断给出新的给定值，通过PID调节输出作为变频器的给定控制空压机的产气量，达到调节管网压力，实现新的平衡，能有效地避免系统放空和卸载。

所述数据采集系统采集的信息包括各空压机的电机电流、放空阀开度和产气流量，供气管网压力以及供用气实际参数包括总用气量、总用电量信息。

所述判断空压机为卸载状态的参数为：空压机电机电流在额定电流的7％～10％，流量为额定输出流量的0～5％；所述空压机临界卸载状态的参数为：空压机电机电流在额定电流的10％～20％，流量为额定输出流量的5％～15％。

所述预测给定值的取值范围为：预测压力给定4-20mA，变频器频率设定范围为0～50Hz，变频器电压输出值为0～380V，空压机输出压力范围为0MPa～0.7MPa，其中设定满足供气系统所有用户用气的供气总管压力最小值为0.7MPa。

所述对预测控制计算结果范围加以约束的条件，包括：

1)压缩空气供应系统满足使供气最大化和用电最小化的的目标函数，即：

$\left\{\begin{array}{c}\max \left\{F(Q_n,Q_{\mathrm{gn}})\right\}\\ \min \left\{W(Q_n,P_n)\right\}\end{array}\right.$

式中：

$F(Q_n,Q_{\mathrm{gn}})=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{F}_n(Q_n,Q_{\mathrm{gn}})$ 为供气目标函数；

$W(Q_n,P_n)=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}W(Q_n,P_n)$ 为用电目标函数；

Q_n为第n时段管网总产气量之和

Q_gn为第n时段管网总用气量

P_n为第n时段管网的用电量

2)压缩空气管网压力满足：

P_min(n)≤P(n)≤P_max(n)

式中：

P_min(n)是指管网最低压力，可作为启动备机的条件之一

P_max(n)是指最高压力，可作为启动调节空压机出气压力手段的条件之一

3)管网用电量满足： $W_{g_{\min }}\left(n\right)\≤W_g\left(n\right)\≤W_{g_{\max }}\left(n\right)$

式中：

W_g min(n)是指对应于平均单耗达标的供电量

W_g max(n)是指对应于电网计划的最大供电量

4)管网产气量满足： $Q_{n_{\min }}\left(n\right)\≤Q_n\left(n\right){\≤Q}_{\max }\left(n\right)$

式中：

Q_g min(n)是指管网最低气量，由用户各用气点用气最低要求的最小供气量；

Q_g max(n)是指管网中正常开机(不含备用空压机)时的最大产气量。

实施例：

对具有4台空压机的空压站，启动后电机电流为额定电流的100％，放空阀开度为0％，流量为额定流量的100％，1号～4号空压机均为加载状态，管网压力给定值为0.7MPa。根据计算，得到4台空压机变频器的给定值为(100％、100％、100％、100％)，当管网压力大于0.7MPa时，空压机电机电流为额定电流的20％，流量为额定输出流量的15％，空压机进入临界卸载状态，通过计算得到的给定值为(0％、100％、100％、80％)，1号空压机自动处于待机状态，4号空压机处于80％的负荷状态，经过压力调节实现恒压控制。

当管网压力给定值调整为0.5MPa，空压机电机电流为额定电流的20％，流量为额定输出流量的15％，空压机进入临界卸载状态，控制系统输出的给定值为(0％、100％、100％、0％)，1号和4号空压机自动处于待机状态。

当管网压力给定值调整为0.7MPa，空压机电机电流为额定电流的100％，流量为额定输出流量的100％，空压机进入额定工作状态，控制系统输出的给定值为(100％、100％、100％、0％)，4号空压机自动处于待机状态。

参见图4，图4为空压站预测调压控制器实施前后的压力控制曲线图，其中图4a为实施前的压力变化曲线图，图4b为实施后的压力变化曲线图。从图4a中可知，空压机出气压力由于受负荷变化出现的折线变化，容易造成出现卸载或放空的耗能操作。图4b为预测调压控制后的压力曲线明显趋缓，消除了卸载或放空操作出现的状态，与原有的控制系统相比，具有明显的节能效果。

Claims (9)

1.一种空压站预测调压控制方法，其特征是：

首先，根据空压站初始供气压力给定启动各空压机使空压机投入运行，初始压力给定设定为该供气系统满足所有用户用气的供气压力的最小值；

第二，经过滚动优化计算模型给出的给定值使各空压机均为加载状态，其中的滚动优化计算模型采用了适合于空压机运行的多目标优化算法，是基于用过去和未来的压力输入输出信息，预测供气系统未来的压力输出状态，经过用模型输出误差进行反馈校正以后，再与参考输入轨迹进行比较，进行滚动优化，然后采用自适应学习的方式再计算当前时刻应加于供气系统的控制动作，确定保持加载状态的给定值；给控制系统通过PID调节输出作为变频器的给定控制空压机的产气量，完成整个控制循环，达到调节管网压力，最后系统达到平衡；所述的经过滚动优化计算模型给出的给定值为保持加载状态的预测给定值；

第三，根据数据采集系统采集的实时信息，当供气管网实际压力大于或小于预测给定值且满足卸载或加载条件时，预测控制器经过优化计算、自适应学习方式及约束条件的判断来修正给出新的给定值，这样控制系统接收到新的给定值设定时就会自动调整压力使之更加适应管网压力的实际需求，从而达到调节管网压力，实现新的平衡。

2.根据权利要求1所述的空压站预测调压控制方法，其特征是：所述数据采集系统采集的实时信息包括各空压机的电机电流、放空阀开度和产气流量，供气管网压力以及供气实际参数包括总用气量、总用电量信息。

3.根据权利要求1所述的空压站预测调压控制方法，其特征是：判断空压机为卸载状态的参数为，空压机电机电流为额定电流的7％～10％，流量为额定输出流量的0～5％。

4.根据权利要求1所述的空压站预测调压控制方法，其特征是：空压机临界卸载状态的参数为，空压机电机电流在额定电流的10％～20％，流量为额定输出流量的5％～15％。

5.根据权利要求1所述的空压站预测调压控制方法，其特征是：所述预测给定值的取值范围为，预测压力给定的物理量转化为4-20mA模拟量进行PID调节器控制，变频器频率设定范围为0～50Hz，变频器电压输出值为0～380V，空压机输出压力范围为0MPa～0.7MPa，其中设定满足供气系统所有用户用气的供气总管压力最小值为0.7MPa。

6.根据权利要求1所述的空压站预测调压控制方法，其特征是：所述对预测控制计算结果范围加以约束的条件，包括压缩空气供应系统满足使供气最大化和用电最小化的目标函数，即：

$\left\{\begin{array}{c}\max \left\{F(Q_n,Q_{\mathrm{gn}})\right\}\\ \min \left\{W(Q_n,P_n)\right\}\end{array}\right.$

式中：

$F(Q_n,Q_{\mathrm{gn}})=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{F}_n(Q_n,Q_{\mathrm{gn}})$ 为供气目标函数；

$W(Q_n,P_n)=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}W(Q_n,P_n)$ 为用电目标函数；

Q_n为第n时段管网总产气量之和；

Q_gn为第n时段管网总用气量；

P_n为第n时段管网的用电量。

7.根据权利要求1所述的空压站预测调压控制方法，其特征是：所述对预测控制计算结果范围加以约束的条件，包括压缩空气管网压力满足：

P_min(n)≤P(n)≤P_max(n)

式中：

P_min(n)是指管网最低压力，作为启动备机的条件之一；

P_max(n)是指最高压力，作为启动调节空压机出气压力手段的条件之一。

8.根据权利要求1所述的空压站预测调压控制方法，其特征是：所述对预测控制计算结果范围加以约束的条件，包括管网用电量满足：

$W_{g\min }\left(n\right)\≤W_g\left(n\right)\≤W_{g\max }\left(n\right)$

式中：

W_gmin(n)是指对应于平均单耗达标的供电量；

W_gmax(n)是指对应于电网计划的最大供电量。

9.根据权利要求1所述的空压站预测调压控制方法，其特征是：所述对预测控制计算结果范围加以约束的条件，包括管网产气量满足：

$Q_{n\min }\left(n\right)\≤Q_n\left(n\right)\≤Q_{\max }\left(n\right)$

式中：

Q_gmin(n)是指管网最低气量，由用户各用气点用气最低要求的最小供气量；

Q_gmax(n)是指管网中不含备用空压机的正常开机时的最大产气量。

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