CN105156327B - 压缩空气工业螺杆式空压机群控系统的节能控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压缩空气工业螺杆式空压机群控系统的节能控制方法，包括空压机台数自动控制及螺杆机自动加卸载控制，系统采用对运行总流量进行灰度预测来进行空压机的启停控制，克服了空压机频繁启停的缺点，大大提高了系统运行的稳定性；同时对螺杆式空压机进行自动加卸载控制，系统运行压力稳定，降低了压力波动范围，避免了对空压机组进行变频控制改造而增加变频器本身耗能的缺陷。本发明具有能源利用效率高、系统操作灵活、系统运行稳定等特点。

Description

压缩空气工业螺杆式空压机群控系统的节能控制方法

技术领域

本发明涉及本发明属于压缩空气供给与工业过程控制领域，具体涉及一种压缩空气工业螺杆式空压机群控系统的节能控制方法。

背景技术

压缩空气工业包括气源设备空气压缩机(空压机)、后处理设备、储气罐、输送管网以及管道末端气动设备。我国企业在气动技术使用中存在自动化水平较低，设备使用效率偏低、浪费严重、欲实施节能但缺乏经验、无从下手等问题。我国企业工厂中现有的气动系统存在30％左右的节能空间，如果能够实施合理有效的系统综合改造，每年可节约压缩机用电360亿度，折合金额约360亿元。这不仅将给中国企业节约大量资金，还将产生巨大的社会效益。

国内目前对大型空压机集群控制特别是螺杆式空压机以及螺杆式与离心式空压机混合的大型空压机组集群自动控制的研究还处于空白领域；同时空压机系统的节能控制运行局限在利用变频器进行设施改造，改造成本巨大，增加了系统的维护成本。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种压缩空气工业螺杆式空压机群控系统的节能控制方法，实现了对空压机、冷干机及其附属冷却系统进行自动联机控制，减小管网压力波动范围，达到降低总管压力和空压机台数自动控制的目的，减少能源消耗。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

压缩空气工业螺杆式空压机群控系统的节能控制方法，包括空压机台数自动控制及螺杆机自动加卸载控制，所述的空压机台数自动控制包括如下步骤：

S11、设置初始参数，所述的初始参数包括：系统压力下限值P_Ldown；空压机启动延时时间Ts和空压机停机延时时间Te；

S12、通过以下公式计算空压机组所能提供的运行总流量Q_供：

式中，n为空压机组台数，k_(i)为第i台空压机组的运行状态，Q_(i)为第i台空压机组的额定流量，k_(i)满足：

S13、采集储气罐后压缩空气总管流量值Q_需，取n个连续时间流量值生成随机序列：

X_i ⁽⁰⁾(i＝1，2，…，n)；

S14、对随机序列进行一次累加之后，生成序列X_i ⁽¹⁾(i＝1，2，…，n)，其中

${X_i}^{\left(1\right)}=\underset{k=1}{\overset{i}{\Σ}}{X_k}^{\left(0\right)};$

S15、按照X_i ⁽¹⁾的指数增长规律，可知X_i ⁽¹⁾满足下列一阶线性微分方程：

式中，X⁽¹⁾是时间t的函数，这是灰色微分方程，a，u参数待求解；

记待定；经离散化处理，得：Y_n＝BA，使用最小二乘法求A的近似解：

其中：

S16、通过以下公式计算X_i ⁽¹⁾的预测值：

${\widehat{X_{k+1}}}^{\left(1\right)}=\left({X_1}^{\left(0\right)}-\frac{\hat{u}}{\hat{a}}\right)e^{-\hat{a}(k+1)}+\frac{\hat{u}}{\hat{a}},k=1,2,\mathrm{...},n.$

S17、通过以下公式计算压缩空气总管流量预测值Q_需′：

S18、比较储气罐输出总管压力值P_总与系统压力下限值P_Ldown，如果P_总＜P_Ldown，对运行时间最短的空压机组进行启动操作，执行S111；如果P_总≥P_Ldown，执行S19；

S19、比较Q_需′和Q_供，若Q_供＞Q_需′+Q，即空压机运行的供气量比预测的系统压缩空气需求量多一台机的供气量，对运行时间最长的空压机组进行停机操作，执行S111；若Q_供＜Q_需′，对运行时间最短的空压机组进行启动操作，执行S111；若Q_需′＜Q_供＜Q_需′+Q，执行S110；

S110、基于目标压力上下限的螺杆空压机自动加卸载控制；

S111、结束；

所述的螺杆式空压机自动加卸载控制包括如下步骤：

S21、设置初始参数，所述的初始参数包括螺杆式空压机加载设定值最大值PLoad_max，螺杆式空压机加载设定值最小值PLoad_min，螺杆式空压机卸载设定值最大值PUnLoad_max，螺杆式空压机卸载设定值最小值PUnLoad_min，系统目标压力上限P_up和系统目标压力下限P_down；

S22、采集各空压机的机组运行时间，确定正在运行的空压机机组中运行时间最大的空压机N_MaxRunning，将其卸载压力值设定为PUnLoad_max-θ(θ＞0)，加载压力值设定为PLoad_max+θ(θ＞0)，其他运行的空压机卸载压力值设定为螺杆式空压机卸载设定值最大值PUnLoad_max加载压力值设定为螺杆式空压机加载设定值最大值PLoad_max；

S23、采集储气罐总管运行压力上限值P_max，当空压机由加载运行转为卸载运行时，此时储气罐总管压力为运行压力上限制P_max；

S24、通过以下公式计算卸载压力设定值的调节增量ΔP_UnLoad：

ΔP_UnLoad＝k₁(P_up-P_max)，k₁为增益系数。

S25、读取N_MaxRunning号空压机的当前卸载压力设定值PUnLoad，通过以下公式计算空压机下一周期卸载压力设定值PUnLoad_next：

PUnLoad_next＝PUnLoad+ΔP_UnLoad

S26、更新N_MaxRunning号空压机的卸载压力设定值为PUnLoad_next′，PUnLoad_next′为对PUnLoad_next进行限幅输出，则满足以下关系：

${{\mathrm{PUnLoad}}_{next}}^{\&prime;}=\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{PUnLoad}}_{max},{\mathrm{PUnLoad}}_{next}>{\mathrm{PUnLoad}}_{max}\\ {\mathrm{PUnLoad}}_{next},{\mathrm{PUnLoad}}_{\min }\&le;{\mathrm{PUnLoad}}_{next}\&le;{\mathrm{PUnLoad}}_{max}\\ {\mathrm{PUnLoad}}_{\min },{\mathrm{PUnLoad}}_{next}<{\mathrm{PUnLoad}}_{\min }\end{array}\right.$

S27、统计储气罐总管运行压力下限值P_min，当空压机由卸载运行转为加载运行时，此时储气罐总管压力为运行压力下限值P_min；

S28、通过以下公式计算加载压力设定值的调节增量ΔP_Load：

ΔP_Load＝k₂P_down-P_min)，k₂为增益系数；

S29、读取N_MaxRunning号空压机的当前加载压力设定值PLoad，通过以下公式计算空压机下一周期加载压力设定值PLoad_next：

PLoad_next＝PLoad+ΔP_Load

S210、更新N_MaxRunning号空压机的下一周期加载压力设定值为

PLoad_next′，PLoad_next′为对PLoad_next进行限幅输出，则满足以下关系：

${{\mathrm{PLoad}}_{next}}^{\&prime;}=\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{PLoad}}_{max},{\mathrm{PLoad}}_{next}>{\mathrm{PLoad}}_{max}\\ {\mathrm{PLoad}}_{next},{\mathrm{PLoad}}_{\min }\&le;{\mathrm{PLoad}}_{next}\&le;{\mathrm{PLoad}}_{max}\\ {\mathrm{PLoad}}_{\min },{\mathrm{PLoad}}_{next}<{\mathrm{PLoad}}_{\min }\end{array}\right.$

S211、结束。

本发明具有以下有益效果：

在空压机自动台数控制中，空压机系统运行时不合理调度导致空压机空气供给与空气需求量不匹配、管道压力上升、增加气动系统能量消耗的问题，本文提出基于灰度预测控制的空气需求量与空压机台数匹配的台数控制方法相较传统的基于压力上下限的台数启停方法，避免了空压机的频繁启停，达到了空压机台数的精准控制，螺杆机式空压机自动加卸载控制方法降低了主管网的压力波动，控制主管压力维持在较小的范围内，降低了空压机的轴功率，具有良好的节能效果。

附图说明

图1为本发明一种具体实施方式压缩空气工业空压站结构图；

图2为本发明一种具体实施方式压缩空气工业空压机群控系统结构图；

图3为本发明实施例中空压机台数自动控制流程图；

图4为本发明实施例中螺杆式空压机自动加卸载控制流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例中所使用的压缩空气工业空压站结构如图1所示，其中空压机至少包括三台螺杆式空压机，可以是离心机与螺杆机混合的空压机组；所使用的空压站结构为4台阿特拉斯螺杆式空压机和3台寿力螺杆式空压机以及3台英格索兰离心式压缩机，都可以通过485或422总线与上位机进行通讯；空压机出口与冷干机连接，冷干机与储气罐连接。本发明的一个实施方式储气罐后空气主管道安装有流量计和压力表。

本发明实施例中的压缩空气工业空压机群控系统结构如图2所示，其中过程优化计算机运行空压机群控软件，空压机群控软件依托于微软的Visual Studio.NET开发环境完成软件系统的开发，借助于WINCC提供的OPC自动化接口实现台数控制软件和监控组态软件WINCC的无缝衔接，优化计算机型号为联想ThinkStation S30，其中服务器存储过程数据，选择联想的ThinkServer TS540系列服务器。其中空气计量系统采集储气罐后空气主管道的压力和流量数据，选择天信TDS型智能流量计，该流量计测量实时流量值、累计流量值、实时压力值，并通过MODBUS总线与上位机进行通讯。其中工控机运行监控组态软件WINCC，实时收集各分系统过程数据，并通过串口总线板卡与空压机建立硬件连接；工控机选择型号为Advantech IPC-610H，数据采集卡选用PCI-1612B，以太网交换机选用EKI-2528AE。

实施例

如图3所示，空压机台数自动控制方法包括如下步骤：

S1001、开始；

S1002、进行初始参数的设置，所述的参数包括：系统压力下限值P_Ldown；空压机启动延时时间Ts；空压机停机延时时间Te。

S1003、处理采集的数据，得到储气罐输出压力值P_总与储气罐后压缩空气总管流量值Q_需。

S1004、计算空压机组所能提供的运行总流量Q_供，公式为：

其中，n为空压机组台数，k_(i)为第i台空压机组的运行状态，Q_(i)为第i台空压机组的额定流量，k_(i)满足：

在S1005、取5个连续时间流量值Q_需生成随机序列：

X_i ⁽⁰⁾(i＝1，2，…，5)

对随机序列进行一次累加之后，生成序列X_i ⁽¹⁾(i＝1，2，…，5)其中

计算：其中：

计算压缩空气总管流量预测值Q_需′，计算公式如下：

S1006、判断储气罐输出压力值P_总与系统压力下限值P_Ldown的大小，若P_总＞P_Ldown执行S1007，否则执行S1008。

S1007、进行空压机的启动操作，打开启动计时器，如果计时器时间超过设定的空压机启动延时时间Ts，对停机中运行时间最短的空压机进行启动操作。计时期间如果不能满足启动条件，则关闭启动计时器，计时器归零，终止启动操作。执行S1013。

S1008、比较Q_需′和Q_供，若Q_供＞Q_需′+Q执行S1009，否则执行S1010。

S1009、进行空压机的停机操作，打开停机计时器，如果计时器时间超过设定的空压机停机延时时间Te，对运行中运行时间最长的空压机进行停机操作。计时期间如果不能满足停机条件，则关闭停机计时器，计时器归零，终止停机操作。执行S1013。

S1010、判断Q_需′和Q_供，若Q_供＜Q_需′执行S1011，否则执行S1012。

S1011、进行空压机的启动操作，打开启动计时器，如果计时器时间超过设定的空压机启动延时时间Rs，对停机中运行时间最短的空压机进行启动操作。计时期间如果不能满足启动条件，则关闭启动计时器，计时器归零，终止启动操作。执行S1013。

S1012、进行依据目标压力上下限的螺杆式空压机加卸载自动控制。

S1013、结束。

如图4所示，螺杆式自动加卸载控制包括如下步骤：

S1101、开始；

在S1102、进行初始参数的设置，所述的参数包括：螺杆式空压机加载设定值最大值PLoad_max；螺杆式空压机加载设定值最小值PLoad_min；螺杆式空压机卸载设定值最大值PUnLoad_max；螺杆式空压机卸载设定值最小值PUnLoad_min；系统目标压力上限P_up；系统目标压力下限P_down。

在S1103、处理采集数据，获得各螺杆空压机的运行时间，运行状态和加卸载压力设定值。

S1104、确定运行空压机组中运行时间最长的空压机N_MaxRunning号空压机。

S1105、将N_MaxRunning号空压机卸载压力设定值为PUnLoad_max-θ，加载压力设定为PLoad_max+θ(θ＞0)。其他正在运行的空压机卸载压力设定为PUnLoad_max，加载压力设定为PLoad_max。

在S1106、判断运行的空压机是否由加载转为卸载运行，如果是执行S1107，否则执行S1112。

S1107、确定运行压力上限值P_max，将此时储气罐外侧总管运行压力赋值运行压力上限值P_max。

S1108、计算卸载压力设定值的调节增量ΔP_UnLoad，计算公式如下：

ΔP_UnLoad＝k₁(P_up-P_max)，k₁为增益系数。

S1109、读取N_MaxRunning号空压机的当前卸载压力设定值PUnLoad，确定空压机下一周期卸载压力设定值PUnLoad_next，计算式如下：

PUnLoad_next＝PUnLoad+ΔP_UnLoad

S1110、对PUnLoad_next进行限幅得到PUnLoad_next′，有以下关系：

${{\mathrm{PUnLoad}}_{next}}^{\&prime;}=\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{PUnLoad}}_{max},{\mathrm{PUnLoad}}_{next}>{\mathrm{PUnLoad}}_{max}\\ {\mathrm{PUnLoad}}_{next},{\mathrm{PUnLoad}}_{\min }\&le;{\mathrm{PUnLoad}}_{next}\&le;{\mathrm{PUnLoad}}_{max}\\ {\mathrm{PUnLoad}}_{\min },{\mathrm{PUnLoad}}_{next}<{\mathrm{PUnLoad}}_{\min }\end{array}\right.$

S1111、更行N_MaxRunning号空压机的下一周期卸载压力设定值为PUnLoad_next′，执行S1118。

S1112、判断运行的空压机是否由卸载转为加载运行，如果是执行S1113，否则执行S1118。

S1113、确定运行压力下限值P_min，将此时储气罐外侧总管运行压力赋值运行压力上限值P_min。

S1114、计算加载压力设定值的调节增量ΔP_Load，计算公式如下：

ΔP_Load＝k₂(P_down-P_min)，k₂为增益系数。

S1115、读取N_MaxRunning号空压机的当前加载压力设定值PLoad，确定空压机下一周期加载压力设定值PLoad_next，计算式如下：

PLoad_next＝PLoad+ΔP_Load

S1116、对PLoad_next进行限幅得到PLoad_next′，有以下关系：

${{\mathrm{PLoad}}_{next}}^{\&prime;}=\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{PLoad}}_{max},{\mathrm{PLoad}}_{next}>{\mathrm{PLoad}}_{max}\\ {\mathrm{PLoad}}_{next},{\mathrm{PLoad}}_{\min }\&le;{\mathrm{PLoad}}_{next}\&le;{\mathrm{PLoad}}_{max}\\ {\mathrm{PLoad}}_{\min },{\mathrm{PLoad}}_{next}<{\mathrm{PLoad}}_{\min }\end{array}\right.$

S1117、更行N_MaxRunning号空压机的下一周期加载压力设定值为PLoad_next′，执行S1118。

S1118、结束。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.压缩空气工业螺杆式空压机群控系统的节能控制方法，其特征在于，包括空压机台数自动控制及螺杆机自动加卸载控制，所述的空压机台数自动控制包括如下步骤：

S11、设置初始参数，所述的初始参数包括：系统压力下限值P_Ldown；空压机启动延时时间Ts和空压机停机延时时间Te；

S12、通过以下公式计算空压机组所能提供的运行总流量Q_供：

式中，n为空压机组台数，k_(i)为第i台空压机组的运行状态，Q_(i)为第i台空压机组的额定流量，k_(i)满足：

S13、采集储气罐后压缩空气总管流量值Q_需，取n个连续时间流量值生成随机序列：

X_i ⁽⁰⁾(i＝1，2，…，n)；

S14、对随机序列进行一次累加之后，生成序列X_i ⁽¹⁾(i＝1，2，…，n)，其中

${X_i}^{\left(1\right)}=\underset{k=1}{\overset{i}{\mathrm{\&Sigma;}}}{X_k}^{\left(0\right)};$

S15、按照X_i ⁽¹⁾的指数增长规律，可知X_i ⁽¹⁾满足下列一阶线性微分方程：

式中，X⁽¹⁾是时间t的函数，a，u参数待求解；

记待定；经离散化处理，得：Y_n＝BA，使用最小二乘法求A的近似解：

其中：

S16、通过以下公式计算X_i ⁽¹⁾的预测值：

S17、通过以下公式计算压缩空气总管流量预测值Q_需′：

S18、比较储气罐输出总管压力值P_总与系统压力下限值P_Ldown，如果P_总＜P_Ldown，对运行时间最短的空压机组进行启动操作，执行S111；如果P_总≥P_Ldown，执行S19；

S19、比较Q_需′和Q_供，若Q_供＞Q_需′+Q，即空压机运行的供气量比预测的系统压缩空气需求量多一台机的供气量，对运行时间最长的空压机组进行停机操作，执行S111；若Q_供＜Q_需′，对运行时间最短的空压机组进行启动操作，执行S111；若Q_需′＜Q_供＜Q_需′+Q，执行S110；

S110、设定系统目标压力上下限值，按照螺杆式空压机自动加卸载控制方法进行螺杆空压机自动加卸载控制，使储气罐输出总管压力值维持在系统目标压力上下限值范围内；

S111、结束；

所述的螺杆式空压机自动加卸载控制包括如下步骤：

S21、设置初始参数，所述的初始参数包括螺杆式空压机加载设定值最大值PLoad_max，螺杆式空压机加载设定值最小值PLoad_min，螺杆式空压机卸载设定值最大值PUnLoad_max，螺杆式空压机卸载设定值最小值PUnLoad_min，系统目标压力上限P_up和系统目标压力下限P_down；S22、采集各空压机的机组运行时间，确定正在运行的空压机机组中运行时间最大的空压机N_MaxRunning，将其卸载压力值设定为PUnLoad_max-θ(θ＞0)，加载压力值设定为PLoad_max+θ(θ＞0)，其他运行的空压机卸载压力值设定为螺杆式空压机卸载设定值最大值PUnLoad_max加载压力值设定为螺杆式空压机加载设定值最大值PLoad_max；

S23、采集储气罐总管运行压力上限值P_max，当空压机由加载运行转为卸载运行时，此时储气罐总管压力为运行压力上限制P_max；

S24、通过以下公式计算卸载压力设定值的调节增量ΔP_UnLoad：

ΔP_UnLoad＝k₁(P_up-P_max)，k₁为增益系数；S25、读取N_MaxRunning号空压机的当前卸载压力设定值PUnLoad，通过以下公式计算空压机下一周期卸载压力设定值PUnLoad_next：

PUnLoad_next＝PUnLoad+ΔP_UnLoad

S26、更新N_MaxRunning号空压机的卸载压力设定值为PUnLoad_next′，PUnLoad_next′为对PUnLoad_next进行限幅输出，则满足以下关系：

${{\mathrm{PUnLoad}}_{next}}^{\&prime;}=\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{PUnLoad}}_{max},{\mathrm{PUnLoad}}_{next}>{\mathrm{PUnLoad}}_{max}\\ {\mathrm{PUnLoad}}_{next},{\mathrm{PUnLoad}}_{\min }\&le;{\mathrm{PUnLoad}}_{next}\&le;{\mathrm{PUnLoad}}_{max}\\ {\mathrm{PUnLoad}}_{\min },{\mathrm{PUnLoad}}_{next}<{\mathrm{PUnLoad}}_{\min }\end{array}\right.$

S27、统计储气罐总管运行压力下限值P_min，当空压机由卸载运行转为加载运行时，此时储气罐总管压力为运行压力下限值P_min；

S28、通过以下公式计算加载压力设定值的调节增量ΔP_Load：

ΔP_Load＝k₂(P_down-P_min)，k₂为增益系数；

S29、读取N_MaxRunning号空压机的当前加载压力设定值PLoad，通过以下公式计算空压机下一周期加载压力设定值PLoad_next：

PLoad_next＝PLoad+ΔP_Load

S210、更新N_MaxRunning号空压机的下一周期加载压力设定值为PLoad_next′，PLoad_next′为对PLoad_next进行限幅输出，则满足以下关系：

${{\mathrm{PLoad}}_{next}}^{\&prime;}=\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{PLoad}}_{\max },{\mathrm{PLoad}}_{next}>{\mathrm{PLoad}}_{\max }\\ {\mathrm{PLoad}}_{next},{\mathrm{PLoad}}_{\min }\&le;{\mathrm{PLoad}}_{next}\&le;{\mathrm{PLoad}}_{\max }\\ {\mathrm{PLoad}}_{\min },{\mathrm{PLoad}}_{next}<{\mathrm{PLoad}}_{\min }\end{array}\right.$

S211、结束。