CN107131117B

CN107131117B - 一种压缩空气系统和控制方法

Info

Publication number: CN107131117B
Application number: CN201710288854.8A
Authority: CN
Inventors: 刘明生; 李先安
Original assignee: Shenzhen Step Industrial Technology Co Ltd
Current assignee: SHENZHEN SIBU INDUSTRY TECHNOLOGY Co.,Ltd.
Priority date: 2017-04-27
Filing date: 2017-04-27
Publication date: 2018-10-26
Anticipated expiration: 2037-04-27
Also published as: CN107131117A

Abstract

一种压缩空气系统和控制方法，包括空气压缩机中至少有一台空气压缩机具有变频器；检测组件用于对出口管道内的用气参数进行检测；阀门组件，连接在吸气阀和油气分离器之间，用于形成空气压缩机内部空气循环，降低空气压缩机进出口的压差,减少启动和卸载的扭矩；功能切换模块用于改变空气压缩机电力拖动方式，使空气压缩机在工频和变频控制之间切换；控制器用于根据检测的参数变化计算和调整变频器的输出频率以调整供气；系统在需求压力范围内求出效率最高的压力，将此值赋值PID控制空气压缩机动作；当多台空气压缩机工作时，设置加卸载压力值，控制变频器的启停；计算露点温度，自动启停干燥机和实现能效最优运行，提高工作效率，降低运行成本。

Description

一种压缩空气系统和控制方法

技术领域

本发明涉及一种压缩机领域，尤其涉及一种压缩空气系统和控制方法。

背景技术

在工业生产领域压缩空气是必不可少的一种动力源，现有工厂因生产需量不同，均装置对应产气量的空气压缩机组及配套设施，压缩空气系统是生产领域的主要能耗动力源之一。空气压缩机在生产压缩空气时需要消耗大量电能，以普遍的生产100PsiG(7Kg/cm3G)压缩空气系统为例，吸气量为100ICFM的空气压缩机工作一个小时大约需要消耗20HP的电能，空气压缩机的能源利用率非常低只有20.8％左右。大部分空气压缩机站的工作模式是：设定加卸载压力(或空气压缩机组间有阶梯加卸载压力)，卸载一定时间停机，管网压力低于启动压力时增加空气压缩机台数启动，冷干机不管能否达到空气被压缩到压力对应的露点温度而一直工作。由于工厂的环境是不断变化和生产工艺需求不同，对压缩空气要求最低压力也是不同的，但空气压缩机生产商只制造一定压力范围的空气压缩机，使用者并不知道在满足的压力范围内哪个供气压力值空气压缩机效率最高，及冷干机的露点温度何值最节能。若为了安全供气设定偏高的供气压力，空气压缩机供气管道到干燥机出气总管段的压力损失不断增大，增加空气压缩机供气压力的能耗。这种的空气压缩机站运行管理方式存在较大的能源浪费，在如何合理使用压缩空气及空气压缩机工作效率如何提升，既满足工艺生产需求，又能动态调节各参数是空气压缩机站始终处于最高能效状态运行，已成为空气压缩机行业需要解决的关键技术问题。

同时，现有的空气压缩机站设备计算机管理系统，只是实现设备自动远程的启停和状态监测，管网的压力过高或过低，由依赖操作人员判断增加机组投入运行或停止运行，或原预先的管理程序设定的空气压缩机组轮循启停，并不能计算用气负荷量来选择空气压缩机机组中的何台最适于启停运行，也不能实时计算每台空气压缩机的工作效率或输入功率比kW/(m³.min^-1)和统计显示空气压缩机的能耗。实际上，压缩空气系统的运行是否合理可以被检测，如果存在操作弊病和设计有问题，经过工艺改进之后，压缩空气系统将来的运营费用和其运行维护成本大大降低。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的问题，提供了一种工作效率更高，维护成本更低的一种压缩空气系统和控制方法。

本发明的技术解决方案是：一种压缩空气系统，包括：至少一台变频器，还包括空气压缩机模块，与所述变频器连接，用于压缩空气系统生产压缩空气；检测组件，连接于所述空气压缩机模块，用于对空气压缩机模块出口管道内的用气参数进行检测；控制器,分别连接所述变频器、检测组件和空气压缩机模块，用于根据接收的参数信号,生成控制信号，并对具有所述变频器的空气压缩机模块)进行控制；并根据参数的变化来计算并调整变频器的输出频率。

其中，所述空气压缩机模块包括：与电机连接的空压机头，与所述空压机头出气口连接的油气分离器，以及连接在所述空压机头进气口处的吸气阀；

还包括：阀门组件，连接在所述吸气阀和油气分离器之间，用于形成空气压缩机内部空气循环，降低空气压缩机进出口的压差,减少空气压缩机启动和卸载的扭矩；

干燥装置，与所述油气分离器连接，用于经空气压缩机出口压力和进口温湿度确定冷冻式干燥机的设定温度，自动启停冷冻式干燥机；

其中，所述空气压缩机模块还包括压力检测组件，与所述油气分离过滤器连接，用于实时检测油气分离器进出口的压差，根据所述压差设定压差增大极限报警。

其中，所述阀门组件进一步包括依次连接在所述吸气阀和油气分离器之间的用于消除噪音的消音器，用于降低压差和卸载扭矩的电磁排气阀和用于维持压力的第二压力维持阀。

其中，所述检测组件包括：温度传感器，连接在所述空气压缩机模块的排气出口，用于检测空气压缩机出口的排气温度；压力传感器，连接在所述空气压缩机模块的排气出口，用于检测空气压缩机出口的排气压力；流量计，连接在所述空气压缩机模块的排气出口，用于检测空气压缩机出口的排气流量；温湿度传感器，连接在所述空气压缩机模块的入口处，用于检测入口温湿度信息；以及所述控制器还用于根据所接收的对应的参数信号的变化来计算并调整所述变频器的输出频率。

本发明还提供了一种压缩空气控制系统，包括至少一台工频空气压缩机，所述工频空气压缩机还包括具有变频器的空气压缩机，用于改变电力拖动方式为变频控制，所述控制系统还包括：空气压缩机模块，与所述变频器连接，用于压缩空气系统生产压缩空气；检测组件，连接于所述空气压缩机模块，用于对空气压缩机模块出口管道内的用气参数进行检测；控制器,分别连接所述变频器、检测组件和空气压缩机模块，用于根据接收的参数信号,生成控制信号，并对具有所述变频器的空气压缩机模块)进行控制；并根据参数的变化来计算并调整变频器的输出频率。功能切换模块，连接于所述空气压缩机模块和控制器之间，用于改变空气压缩机电力拖动方式，使空气压缩机在工频和变频控制之间切换；

控制器，分别连接所述变频器，检测组件和空气压缩机模块，用于根据检测组件检测的参数的变化来对至少一台空压机从工频切换至变频,以调整空压机系统的供气；对已经切换的变频空压机，根据检测的参数变化计算和调整变频器的输出频率。

其中，所述功能切换模块包括星三角/软启动器、变频器和开关组件，所述开关组件一端连接星三角启动/软启动器和变频器，所述开关组件另一端连接所述空气压缩机模块，用于切换空气压缩机拖动方式。

其中，所述空气压缩机模块包括电机,作为所述变频器和软启动器电源总开关的进线开关；所述开关组件包括第一断路器、第二断路器、第三断路器和第四断路器，所述变频器的一端接口U1/V1/W1连接于所述进线开关，所述变频器的另一端接口U2/V2/W2连接于所述第一断路器；所述软启动器的一端接口连接于进线开关，所述软启动器另一端接口连接于所述第二断路器；所述第三断路器和第四断路器与电机形成星三角形连接，所述第一断路器、第二断路器、第三断路器的一端分别与所述电机连接，用于第一断路器闭合，电机实现变频控制；第二断路器闭合，电机实现软启动控制；第三断路器和第四断路器闭合，电机实现星三角启动。

本发明还提供了一种压缩空气控制方法，用于调整压缩空气系统的供气，所述方法包括：检测压缩空气出口管道的用气参数,根据参数的变化来对至少一台空气压缩从工频切换至变频控制,以调整压缩空气系统的供气；对已经切换的变频空气压缩机，根据检测的参数变化计算和调整变频器的输出频率。

其中，所述计算包括：在需求压力范围内求出效率最高的压力，将此值赋值PID控制变频空气压缩机的变频器输出频率，维持压缩空气系统的效率最高压力点；当多台空气压缩机工作时，设置加卸载压力值，控制变频器的频率输出或启停，维持效率最高压力供气；根据露点温度的计算，自动启停干燥装置；实现自动能效监控。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

通过改进压缩空气系统的流程工艺制造、自动化管理控制方式，解决了诸多工程实际问题；本发明通过把至少一台工频电机改为变频器拖动的电机，并通过改进工艺技术，增加阀门和检测仪表，减小了设备的启动电流，根据压力自动调节输出频率，实现了电机的节能控制；根据环境温湿度和压力情况计算露点温度，实现冷干机的自动启停，降低能耗；增加压差传感器，判断过滤器的压力损失并提示需要更换或者清洗的报警信息，以上整体提高了压缩空气系统的运行效率，降低了能量消耗，实现了压缩空气系统的最优运行。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例一提供的用于高效率(节能)型压缩空气系统制造与控制方法的结构示意图；

图2是本发明实施例一提供的空气压缩机模块的结构示意图；

图3是本发明实施例一提供功能切换模块的空气压缩机电气改接线路原理图；

图4是本发明实施例一提供的空气压缩机连接检测组件的结构示意图；

图5是本发明实施例一提供的控制系统的结构示意图；

图6是本发明实施例二提供的供气管路结构示意图；

图7是本发明实施例二提供的压缩空气系统高低级用气分离与供用改进原理图；

图8是本发明实施例一提供的能效控制方式的结构示意图。

具体实施方式

为了解决现有技术在压缩空气系统中采用工频方式控制空气压缩机组，能源利用率低，生产效率低下等技术问题，本发明旨在提供一种压缩空气系统和控制方法，其核心思想是：至少一台变频空气压缩机或者工频空气压缩机中有至少一台空气压缩机包括变频器，用于改变电力拖动方式为变频控制。控制系统还包括：检测组件,用于对空气压缩机出口管道内的用气状态进行检测；开关组件，分别与对应的软启动器或星三角启动以及变频器连接，使空气压缩机在工频和变频控制之间切换；阀门组件，连接在所述吸气阀和油气分离器之间，用于形成空气压缩机内部空气循环，降低空气压缩机进出口的压差,减少空气压缩机加载和卸载的扭矩；控制器,用于根据接收的状态信号,生成控制信号，并对所述变频空气压缩机进行控制；并根据参数的变化来计算并调整变频器的输出频率；当多台空气工作时，设置加卸载压力值，控制变频器的频率输出或启停。同时，空气压缩机均包括压力检测单元，用于检测油气分离器前后的压差，检测信号发送给控制器，用以分析油气分离器的阻塞状况；根据露点温度的计算，自动启停冷冻式干燥机以及实现自动能效监控。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例一

本发明实施例提供了一种压缩空气系统，参加图1，该系统改变空气压缩机的电力拖动方式，由工频的星三角/软启动器控制变为变频器控制，提高了空气压缩机的工作效率，压缩空气系统具体包括：功能切换模块100，空气压缩机模块200，检测组件300和控制器400。

功能切换模块100，连接于空气压缩机模块200和控制器400，用于改变空气压缩机启动方式，使空气压缩机在工频和变频控制之间切换；

空气压缩机模块200，分别连接功能切换模块100、检测组件300及控制器400，用于提供压缩气体；

检测组件300，分别连接空气压缩机模块200和控制器400，用于检测空气压缩机出口管道处的压力、流量、温度和入口处的温湿度值，作为参数调节变频器的输出频率；

控制器400，分别连接功能切换模块100，空气压缩机模块200和检测组件300，用于根据接收的参数信号,生成控制信号，并对具有所述变频器的空气压缩机模块200进行控制；并根据参数的变化来计算并调整变频器101的输出频率；

进一步地，功能切换模块100包括，变频器101、星三角/软启动器102和开关组件103，开关组件103一端连接星三角启动/软启动器102和变频器101，开关组件103另一端连接所述空气压缩机模块200，用于切换空气压缩机电力拖动方式。

有两种方式，当原有空气压缩机由变频器控制时，变频器101经由A直接连接于空气压缩机模块200；当原有空气压缩机由星三角/软启动器102控制时，增加变频器101和开关组件103，变频器101和星三角/软启动器102连接于开关组件103，并经开关组件103的选择经由B连接于空气压缩机模块200，用于改变空气压缩机的电力拖动方式为变频控制，降低空气压缩机的能耗。

空气压缩机模块200包括，空压机头201，油气分离器202，吸气阀203，阀门组件204，干燥装置205及压力检测组件206，吸气阀203连接于空压机头201，空压机头201连接于油气分离器203，最后连接于干燥装置205，阀门组件204连接于吸气阀203和油气分离阀202之间。吸气阀，用于控制空气压缩机空气的吸入；空压机头201，是压缩空气的气压生产装置；油气分离器202用于将润滑油从制冷蒸汽中分离；干燥装置205用于将压缩空气中的水分冷冻至露点以下，使之从空气中析出。

空气经由吸气阀203进入到空压机头201，然后进入到油气分离器202，最后经由干燥装置205后进入排气管道里，本发明的改进之处是在油气分离器202和吸气阀203之间的管道上增加阀门组件204，卸载时，空气从油气分离器202出来后经过阀门组件204又重新进入吸气阀203，形成空气压缩机压缩腔内部空气循环，减小空气压缩机前后的压差，降低空气压缩机启动和卸载的扭矩。

压力检测组件206，连接于油气分离器202，在油气分离器202过滤器的前后(冷干机与过滤器或吸附式干燥剂与过滤器)，增加压差传感器，设定压差增大极限报警，有利于及时提醒管理人员更换和维修，过滤装置前后的压差反应管网堵塞压力损失情况，到达设定压差极限会增加空气压缩机供气压力和空气压缩机机组的能耗。

其中，上述模块对应的细节附图详见下面描述:

参考图2为本发明实施例一提供的空气压缩机模块200的结构示意图，该模块包括:空压机头201，油气分离器202，吸气阀203、干燥装置205、第一压力维持阀73、空气滤芯50、油量调节阀51、排气单向阀52、单向阀53、安全阀54、温控阀55、油过滤器58、阀门57、消音器70、电磁排气阀71和第二压力维持阀72，改进之处在于在油气分离器202内(或在主排气管的第一压力维持阀73与油气分器202之间)引出一根辅助排气管道，在辅助管道上增加了用于降低压差和卸载扭矩的电磁排气阀71、用于维持压力的第二压力维持阀72和用于消除噪音的消音器70，其中，空压机头201的一端与吸气阀203连接，另一端经排气单向阀52与油气分离器202连接，油气分离器202经由电磁排气阀71、第二压力维持阀72与吸气阀203连接，同时油气分离器202经由第一压力维持阀73与干燥装置205连接，主要实现的功能是当空气通过空气滤芯50进行过滤后，经吸气阀203进入空压机头201，压缩后进入油气分离器202，可以经第一压力维持阀73进入到干燥装置205，通过阀门57的控制，排入管道，或在卸载时，打开电磁排气阀71、经过第二压力维持阀72后空气重新进入到吸气阀203，以使空气压缩机压缩腔内部空气循环，使压缩机的前后压差ΔP较小，扭矩小，电机电流小。由于辅助排气管道增设一个第二压力维持阀72保证了压缩机腔内的压差(压差为2.5KG压力)，以便提供润滑冷却油循环的动力，否则没有油润滑冷却螺杆转子，易损坏空气压缩机转子。其中空压机头201的油路通过油量调节阀51、油过滤器58、温控阀55与干燥装置205连接，同时油气分离器202的油路也通过温控阀55与干燥装置205连接，空压机头201另外一个油路通过单向阀53与油气分离器202连接，油路主要用于控制电机温度、减小磨损。

参考图3为本发明实施例一提供的功能切换模块100的空气压缩机电气改接线路原理图，该模块包括变频器101、软启动器102、第一断路器31至第四断路器34、电机40和进线开关41，进线开关41作为所述变频器101和软启动器102的电源总开关，第一断路器31至第四断路器34用于切换控制方式，参考图1中的开关组件103是由第一断路器31至第四断路器34组成。变频器101的一端接口U1/V1/W1连接于进线开关41，另一端接口U2/V2/W2连接于第一断路器31；软启动器102的一端接口连接于进线开关41，另一端接口连接于第二断路器32；第三断路器32和第四断路器34与电机40形成星三角形连接；第一断路器31、第二断路器32、第三断路器33的一端分别与电机40相连，第四断路器的两端与电机40相连。具体的控制方式是第一断路器31闭合，第二断路器32至第四断路器34断开，电机40实现变频控制；第二断路器32闭合，第一断路器31、第三断路器33和第四断路器34断开，电机40实现软启动控制；第三断路器32和第四断路器34闭合，第一断路器31和第二断路器32断开，电机40实现星三角启动。

主要的改进方法是，通过第一断路器31的开合，使用变频器频101频繁启停或卸载低频空气压缩机运行，电机负载小。空气压缩机安装变频器101，将启动信号接入变频器101(或要等星三角闭合时启动)，这样在空气压缩机启动时不会像原软启动器102或星三角启动的高电流，变频器101在电机无负载启动时，实现电机平缓启动，启动电流最多达到1.2倍的运行，又保证空气压缩机的油路润滑安全，转子具有润滑油冷却和润滑，因此空气压缩机可以实现频繁启停。为了最大限度节约空气压缩机的卸载时能耗，一种方法时让空气压缩机停止工作，另一种是将转速降低节约卸载空转时得电机能耗。

在本实施例中，当卸载时，变频器101可降低转速20HZ，节约电机能耗，当需要加载时待变频器101转速达到30HZ以上时，才发信号给空气压缩机加载。同时计算压力下降的幅度-实际上反映耗气量的多少，来判断卸载还是可以直接停机，若计算卸载时间超过120秒直接停机。这样既保证原空气压缩机控制器的各种控制和安全保护模式，也实现了单台空气压缩机因卸载不做功的最大化节能。

参考图4为本发明实施例一提供的检测组件300的空气压缩机连接检测组件的结构示意图，该组件包括温度传感器10、压力传感器20、流量计30、温湿度传感器35、阀门45、电能采集模块80和信号采集器60，其中温度传感器10、压力传感器20、流量计30安装在空气压缩机模块200出口排气管道上，位于阀门45的外侧，用于采集气体温度、压力和流量信息；电能采集模块80安装在空气压缩机模块200出口排气管道上，位于阀门45的外侧，用于采集电压、电流等信号，计算空气压缩机的能量消耗；温湿度传感器35安装在空气压缩机模块200的入口处，用于采集入口温湿度信息，信号采集器60接收各传感器的信号，发送给控制器400，控制器400计算控制参数，以控制空气压缩机变频器的输出频率。

参考图5为本发明实施例一提供的控制系统的结构示意图，该控制系统包括控制器400连接温度传感器10A至温度传感器10D、压力传感器20A至压力传感器20D、流量计30A至流量计30D和温湿度传感器35用于采集压缩空气系统的温度、压力、流量和温湿度信息，同时控制器400与空压机电控柜610至空压机电控柜640连接并接收和发送控制信号；空压机电控柜610连接变频空气压缩机510，空压机电控柜620连接工频空气压缩机520，空压机电控柜630连接工频空气压缩机530，空压机电控柜640连接变频空气压缩机540。空压机电控柜610至空压机电控柜640是将控制元件装配在里面，如变频器或软启动器，并含有一定的控制逻辑的防护体及容体。控制器400接收空压机电控柜610至空压机电控柜640及温度传感器10A至温度传感器10D、压力传感器20A至压力传感器20D、流量计30A至流量计30D和温湿度传感器35的信号信息，用于在需求压力范围内求出效率最高的压力，将此值赋值PID控制空气压缩机动作；当多台电机工作时，设置加卸载压力值，控制变频器的启停，使工频空气压缩机和变频空气压缩机有效交替使用，提高工作效率；能够实现计算机自动能效监控管理；计算露点温度，自动启停干燥装置205。

参考图6为本发明实施例一提供的供气管路结构示意图，为该系统主要体现供气与用气的关系，供气压力与流量的理想状态最好略高于用气压力的0.3～0.5KG，但设计过程或现场使用的过程，管路直径过小只有提高供气压力才能满足用气量，或人为“保守”设定过高的供气压力充分满足生产线上的用气需求(即高压空气势能降为低势能空气源利用)。提高供气压力必然空气压缩机能耗增大，且此时工作效率极低。另外，供气压力过高，管路压力损失ΔP越大，末端浪费气源越多，造成双方面加重浪费。

主要包括：压力传感器91A至压力传感器91C，流量计92A至流量计92C，压力调节阀90A至压力调节阀90C，控制器400，分气缸600，主供气管道700和分支供气管道710至分支供气管道730，对于从空压站主供气管路700上有多路分支供气管路，每个分支供气管路的用气压力等级不相同，在分支供气管路710至分支供气管路730上均安装压力传感器、压力调节阀和压缩空气流量计，匹配每路实际用气情况，避免用气压力等级不同，而供气压力相同。

根据上述安装的监测仪，统计平均流量和高峰最大流量，计算最佳管径并对比现安装的管径是否合适。现有管路的管径判断合理或因改造管路选择管径判断依据：流量&压力计算公式：

d_l＝18.8(q_v/u)^1/2

d_l为管道内径mm；q_v为气体容积流量m³/h；u为管内气体平均流速m/s，避免过高压供气增加空气压缩机能耗。

管内压力&平均流速参考值

通过上述描述采用供气压力等级动态平衡控制可以降低用气量和气源损耗，计量各分支管路用气量，有利于统计和分区计量。

进一步的，根据供气与用气的关系，参考图7为本发明实施例二提供的压缩空气系统高低级用气分离与共用改进原理图，包括阀门801至阀门805、空气压缩机200A至空气压缩机200D、干燥机205A至干燥机205D、过滤器207A至过滤器207D、特殊供气管道740、主供气管道700、分支供气管道710至分支供气管道730。主供气管道700是压缩空气供气总管；分支供气管道710至分支供气管道730提供压力等级不同的压缩空气；特殊供气管道740可以单独提供压缩空气；干燥机205A至干燥机205D连接于空压机200A至200D之后，用于使水分冷冻至露点以下，使之从空气中析出；过滤器207A至过滤器207D连接于干燥机205A至205D之后，用于过滤空气中的杂质；阀门801连接在空气压缩机200A出口与主供气管道700之间，阀门802连接在空气压缩机200A出口与干燥机205A入口之间，阀门805连接在过滤器207A出口与特殊供气管道740之间，阀门803连接在过滤器207A出口与主供气管道700之间，阀门804连接在特殊供气管道740与主供气管道700之间，阀门801至阀门804主要用于在供气时分离和合并特殊供气管道740与主供气管道700实现管路压力分级供应。

具体实现功能是对于特殊用气的管路740采用既可自动分离又可联网合并供应。当特殊要求供气较小，普通用气较大时采用分离的方法，关闭阀门801、阀门803和阀门804，打开阀门802和阀门805，不会因为特殊用气影响整体供气提高质量标准供应，这样不影响普通空气压缩机能效和增加能耗；当特殊要求供气较大，普通用气较小时采用联网供应的方法，打开阀门801至阀门805，这样可以提高空气压缩机组供气效率，减少开机数量。

实施例二

本发明实施例提供了一种压缩空气控制方法，适用于实施例一所述的压缩空气系统，具体包括如下几种方法：

方法一、在需求压力范围内求出效率最高的压力，将此值赋值PID控制空气压缩机动作，参考图4，具体的控制方法分为以下几个步骤：

步骤S31，对每台空气压缩机(工频和变频)安装设备——电能采集模块80、流量计30、吸气环境的温湿度传感器35、排气温度传感器10和排气压力传感20，通过空气压缩机控制器400采集安装的传感器数据，计算每台空气压缩机实时工作效率。

步骤S32，空气压缩机工作效率计算

空气流量计30均安装在空气压缩机的排气出口，测出的流量要统一换算为吸气状态的标况流量，由空气热力学性质吸气状态(P₀V₀＝RT₀)和排气状态(P_eV_e＝R T_e)，折算出标况流量V₀＝P_eV_e T₀/T_e P₀

Q:＝V₀/60；(*V₀为空气压缩机每分钟吸气容量m³/m,Q转换为每秒吸气容量m³/s*)

P_EX(*排气压力为绝对压力单位Pa*)

P_IN(*吸气压力为绝对压力单位Pa*)

P_actual(*空气压缩机工作是的功率kw*)

空气压缩机输出功：

(*P_theory实际输出功率KW,n为常数1.25，吸气容量单位m³/s，压力单位应为Pa*)

空气压缩机工作效率：η_efficiency＝P_theory/P_actual；

步骤S33，对于单台变频空气压缩机最佳工作效率控制

变频拖动的空气压缩机实时工作效率η_efficiency＝P_theory/P_actual；

如果从单台使用变频拖动的空气压缩机的情况，加卸载压力范围内的用最佳效率来控制，求出对应FREQ_efficieny作为效率控制值来调节。具体算法如下：

(*efficiencyB为中间变量，FREQ_efficieny为最佳效率对应频率值，FREQ为实时频率值*)

若供气压力在加卸载压力范围内，控制器输出频率值为FREQ_efficieny；

若供气压力低于卸载压力时，PID控制范围的最低频率为FREQ_efficieny；

这样即满足需求压力，又控制空气压缩机最节能运行。

步骤S34，对于两台以上空气压缩机且配置至少一台变频拖动空气压缩机同时运行的算法，以工频空气压缩机的能效压力控制为主。

计算空气压缩机的最佳运行效率压力点,由于外界的气温和空气压缩机的散热不断变化压缩机的效率会发送变化，每半个小时打破调节平衡监测加卸载范围的最佳效率压力，此时要重新设置最大效率值压力点。采用自动比较赋值找出效率最大值算法，具体算法如下：

(*PRESSURE_load为设定的加载压力，PRESSURE_unload为设定的卸载压力，AUTO_adjustPRESSURE为调节控制压力*)

由此自动在需求压力范围内求出效率最高的压力，并将此值赋值PID控制。

方法二，当多台电机工作时，设置加卸载压力值，控制变频器的启停，使工频空气压缩机和变频空气压缩机有效交替使用，提高工作效率。

具体的，参考图5，根据空气压缩机的个数，对于3台以下设置一台变频拖动空气压缩机，对于本实施例中4台以上设置2台变频空气压缩机510和变频空气压缩机540(2台变频空气压缩机一般轮回使用，在空气压缩机负载大时，其中一台也可以通过工变频切换到工频模式运行空气压缩机。

最佳能效压力值主要计算工频空气压缩机520和工频空气压缩机530(运行的工频空气压缩机)，然后变频空气压缩机510和变频空气压缩机540依据能效压力值PID调节控制压力。由于外界环境不断变化和压缩空气系统用气的特点，压力调节不能恒定控制，必定会出现加卸载(只是加卸载周期长短不一)，此时能效压力值在每个加卸载周期可能发生变化，当最佳能效压力值改变时需要重新赋值作为控制值。上述检测组件300中已阐述计算空气压缩机效率和自动比较赋值控制最佳效率计算方法。

变频拖动的变频空气压缩机510和变频空气压缩机540的加卸载压力设置，加载压力比工频空气压缩机520和工频空气压缩机530高0.15Kg/cm²，卸载压力比工频空气压缩机520和工频空气压缩机530低0.2Kg/cm²，目的是使工频空气压缩机工作效率高，变频空气压缩机因可以频繁启停和加卸载节约能源。变频空气压缩机510和变频空气压缩机540可以在加卸载压力范围内PID调节控制整体空气压缩机组能效压力运行，这样空压站产气能效高电耗低。4台以上空气压缩机组——2台变频和2台以上工频，需要安装一套带有DI/DO/AI/AO的信号采集和RS485自由通讯编程接口的计算机控制系统，配置人机触摸操控界面，计算机控制系统与每台空气压缩机通信连接，将上述检测组件300中的算法程序装入控制系统，就可以实现无人值机空气压缩机组自动节能运行。

方法三、计算空气压缩机实时吸气环境状态下的露点，根据吸气环境下的露点计算实时供气压力状态下压力露点，根据压力露点设定除湿露点并自动启停冷冻式干燥机，其具体的计算方式是：根据环境所述温湿度传感器，及压力传感器，即可计算环境露点温度和加卸载压力范围的压力露点，

具体步骤如下：

步骤S21，计算吸气环境下的露点温度

(*Tc为吸气环境的实时温度℃，rH为吸气环境的实时湿度％*)

Tk＝Tc+273.15；(*单位开尔文K*)

Pws:＝e^M_parameter；(*e为自然指数,2.718282，饱和水蒸汽压力,Pa*)

Pw:＝Pwsx rH；(*水蒸汽分压,Pa*)

T_dp:＝B1+B2X LN(Pw)+B3X(LN(Pw))²；(*露点温度℃*)

步骤S22，计算卸载压力对应的露点温度

Abs_HUM:＝0.62198x Pw(101325.00-Pw)；；(*计算室内空气对应的绝对含湿量*)

P_unloadmoist:＝Pw X(P_unload+1.01)/1.01；(*对应卸载压力下的水蒸汽分压，Pa*)

T_UPdp:＝B1+B2XLN(P_unloadmoist)+B3X(LN(P_unloadmoist))²；(*对应卸载压力下的露点温度℃*)

步骤S23，如果T_UPdp>室外T+5℃，应该启动冷干机降温冷凝，因为外界温度低于管道压缩空气的露点温度，管道压缩空气易降温产生冷凝水；如果T_UPdp<室外T-5℃或T_UPdp<4℃时，管道中不易产生冷凝水，可以停止冷干机节约能源。

方法四、能够实现计算机自动能效监控管理。

参考图8为本发明实施例一提供的能效控制方式的结构示意图，包括能效监控服务器1000、路由器900、控制器400、压缩空气动态平衡控制器410、信号线910和信号线920、空压机电控柜610至空压机电控柜640和变频空气压缩机510、工频空气压缩机520、工频空气压缩机530、变频空气压缩机540、储气罐110和分气缸600，能效监控服务器1000经路由器900与控制器400和压缩空气动态平衡控制器410进行网络连接，控制器400又通过信号线910连接于空压机电控柜610至空压机电控柜640，用于监控空气压缩机，压缩空气动态平衡控制器410通过信号线920连接于分支供气管道上的流量计92A至流量计92C，压力传感器91A至压力传感器91C，电动调节阀90A至电动调节阀90C，用于监控压缩空气系统分支供气管道上的供气状态。自动能效监控管理具体实现的功能包括：

监测空压机房运行状态、采集每台空气压缩机的设置参数和相关仪表数据(排气压力/温度，主机温度，分离前压力，进气负压，冷却油(剂)温，加卸载压力，卸载停机时间，卸载与加载间隔时间，运行时间/加载时间，电机三相电流/电压/功率)；

自动计算空气压缩机组实时工作效率，找出效率最大值调整设置工艺需求参数和选择最优方案自动启停机组，调节变频器输出频率控制最佳压力。冷冻式干燥机根据露点温度启停、压缩空气冷凝水排放装置自动感应开关等，实现计算机自动化操控，无需人工介入管控，做得既节能运行又节约人工成本；

空气压缩机预警和报警提示，快速处理故障和启动预备解决方案，人工或自动在管理计算机上决定如何处理，避免空气压缩机设备损坏；

设备性能自动分析，油水分离前后的压差---说明油气分离过滤器的阻塞状况；吸气负压值---说明空气滤芯阻塞状况，主机温度、冷却剂温度和电机功率---说明冷却情况整体性能；

压缩空气系统历史性能效评价

空压站供气成本、效率分析：统计总供气量与压缩空气系统设备的用电，计算平均输入比功率(kW/(m3.min-1))，评价压缩空气系统工作效率和性能，统计日、月、年季累计空压站房的耗电量和费用，分支管路用气统计，衡量用气单位的用气情况和费用分摊比例。

这样压缩空气系统不仅从设备角度运行管理还是从工作效率、能源费用都有准确的数据。

综上所述，本发明提出了一种压缩空气系统和控制方法，其具有较好的实用效果，通过改进压缩空气系统的流程工艺制造、自动化管理控制方式，解决了诸多工程实际问题；本发明通过把至少一台工频电机改为变频器拖动的电机，并通过改进工艺技术，增加检测仪表，减小了设备的启动电流，根据压力自动调节输出频率，实现了电机的节能控制；根据环境温湿度和压力情况计算露点温度，实现冷干机的自动启停，降低能耗；增加压差传感器，判断过滤器的压力损失并提示需要更换或者清洗的报警信息，以上整体提高了压缩空气系统的运行效率，降低了能量消耗，实现了压缩空气系统的最优运行。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种压缩空气系统，其特征在于，包括：至少一台变频器，

所述压缩空气系统还包括：空气压缩机模块(200)，与所述变频器(101)连接，用于压缩空气系统生产压缩空气；

检测组件(300)，连接于所述空气压缩机模块(200)，用于对所述空气压缩机模块(200)出口管道内的用气参数进行检测；

控制器(400),分别连接所述变频器(101)、所述检测组件(300)和所述空气压缩机模块(200)，用于根据接收的参数信号，生成控制信号，并对具有所述变频器的空气压缩机模块(200)进行控制；并根据参数的变化来计算并调整所述变频器(101)的输出频率；

所述计算包括：

在需求压力范围内求出效率最高的压力，将此值赋值PID控制变频空气压缩机的变频器输出频率，维持压缩空气系统的效率最高压力点。

2.根据权利要求1所述的压缩空气系统，其特征在于，所述空气压缩机模块(200)包括：与电机连接的空压机头(201)，与所述空压机头(201)出气口连接的油气分离器(202)，以及连接在所述空压机头(201)进气口处的吸气阀(203)；

还包括：阀门组件(204)，连接在所述吸气阀(203)和油气分离器(202)之间，用于形成空气压缩机内部空气循环，降低空气压缩机进出口的压差,减少空气压缩机启动和卸载的扭矩；

干燥装置(205)，与所述油气分离器(202)连接，用于经空气压缩机出口压力和进口温湿度确定冷冻式干燥机的设定温度，自动启停冷冻式干燥机。

3.根据权利要求2所述的压缩空气系统，其特征在于，所述空气压缩机模块(200)还包括：

压力检测组件(206)，与所述油气分离器(202)连接，用于实时检测油气分离器(202)进出口的压差，根据所述压差设定压差增大极限报警。

4.根据权利要求2所述的压缩空气系统，其特征在于，所述阀门组件(204)进一步包括依次连接在所述吸气阀(203)和油气分离器(202)之间的用于消除噪音的消音器(70)，用于降低压差和卸载扭矩的电磁排气阀(71)、和用于维持压力的第二压力维持阀(72)。

5.根据权利要求1所述的压缩空气系统，其特征在于，所述检测组件(300)包括：

温度传感器(10)，连接在所述空气压缩机模块(200)的排气出口，用于检测空气压缩机出口的排气温度；

压力传感器(20)，连接在所述空气压缩机模块(200)的排气出口，用于检测空气压缩机出口的排气压力；

流量计(30)，连接在所述空气压缩机模块(200)的排气出口，用于检测空气压缩机出口的排气流量；

温湿度传感器(35)，连接在所述空气压缩机模块(200)的入口处，用于检测入口温湿度信息，以及

所述压力传感器(20)，温度传感器(10)和流量计(30)分别与所述控制器(400)相连，所述控制器(400)还用于根据所接收的对应的参数信号的变化来计算并调整所述变频器的输出频率。

6.一种压缩空气系统，包括至少一台工频空气压缩机，其特征在于，所述工频空气压缩机还包括具有变频器(101)的空气压缩机，用于改变电力拖动方式为变频控制，所述系统还包括：

空气压缩机模块(200)，与所述变频器(101)连接，用于压缩空气系统生产压缩空气；

检测组件(300)，连接于所述空气压缩机模块(200)；用于对所述空气压缩机模块(200)出口管道内的用气参数进行检测；

功能切换模块(100)，连接于所述空气压缩机模块(200)和控制器(400)之间，用于改变空气压缩机电力拖动方式，使空气压缩机在工频和变频控制之间切换；

控制器(400)，分别连接所述变频器(101)、所述检测组件(300)和所述空气压缩机模块(200)，用于根据所述检测组件(300)检测的参数的变化来对至少一台空气压缩机从工频切换至变频,以调整压缩空气系统的供气；对已经切换的变频空气压缩机，根据检测的参数变化计算和调整所述变频器(101)的输出频率；

所述计算包括：

7.根据权利要求6所述的压缩空气系统，其特征在于，所述功能切换模块(100)包括星三角/软启动器(102)、变频器(101)和开关组件(103)，所述开关组件(103)一端连接星三角/软启动器(102)和变频器(101)，所述开关组件(103)另一端连接所述空气压缩机模块(200)，用于切换空气压缩机拖动方式。

8.根据权利要求7所述的压缩空气系统，其特征在于，所述空气压缩机模块(200)包括电机(40),所述功能切换模块(100)还包括进线开关(41),所述进线开关(41)作为所述变频器(101)和所述星三角/软启动器(102)的电源总开关；

所述开关组件(103)包括第一断路器(31)、第二断路器(32)、第三断路器(33)和第四断路器(34)，所述变频器(101)的一端接口U1/V1/W1连接于所述进线开关(41)，所述变频器(101)的另一端接口U2/V2/W2连接于所述第一断路器(31)；所述星三角/软启动器(102)的一端接口连接于进线开关(41)，所述星三角/软启动器(102)另一端接口连接于所述第二断路器(32)；所述第三断路器(33)和第四断路器(34)与电机(40)形成星三角形连接，所述第一断路器(31)、第二断路器(32)和第三断路器(33)的一端分别与所述电机(40)连接，用于第一断路器(31)闭合，电机(40)实现变频控制；第二断路器(32)闭合，电机(40)实现软启动控制；第三断路器(33)和第四断路器(34)闭合，电机(40)实现星三角启动。

9.一种压缩空气控制方法，其特征在于，利用权利要求6至8任一所述的系统调整压缩空气系统的供气，所述方法包括：检测压缩空气出口管道的用气参数,根据参数的变化来对至少一台空气压缩机从工频切换至变频控制,以调整压缩空气系统的供气；对已经切换的变频空气压缩机，根据检测的参数变化计算和调整变频器的输出频率；

所述计算包括：

10.根据权利要求9所述的压缩空气控制方法，其特征在于，所述计算还包括：

当多台空气压缩机工作时，设置加卸载压力值，控制变频器的频率输出或启停，维持效率最高压力供气；根据露点温度的计算，自动启停干燥装置；实现自动能效监控。