CN110107525A

CN110107525A - 一种离心式空压站系统压力的控制方法

Info

Publication number: CN110107525A
Application number: CN201811503093.4A
Authority: CN
Inventors: 鲍献忠; 纪云锋; 屠昌锋; 吴康东; 方韬; 黄国锋
Original assignee: Hangzhou Peng Kang Automation Technology Co Ltd; HANGZHOU ENERGY INVESTMENT ADMINISTRATION CO Ltd
Current assignee: Hangzhou Allstar Technology Co ltd
Priority date: 2018-12-10
Filing date: 2018-12-10
Publication date: 2019-08-09
Anticipated expiration: 2038-12-10
Also published as: CN110107525B

Abstract

本发明公开了一种离心式空压站系统压力的控制方法及控制系统，涉及离心式空压站输出系统压力控制以及空压站内各压缩机组负荷补偿控制，包括集中控制系统，集中控制系统与压缩机组现场PLC控制站双向连接，集中控制系统包括系统压力变化补偿模块、负荷补偿模块和功率极限控制模块，远程压力设定指令为P_ds＝P_S+P_C+P_L，将远程压力设定指令P_ds输入现场PLC控制站作为设定点，根据空压站内各压缩机组功率预先设定的极限功率值，判断各压缩机是否超限，如果超限则通过现场PLC控制站控制每台压缩机组的入口导叶和排气阀，确保每台压缩机组输出合适的负荷。本发明解决了如何既能控制用户供气系统压力稳定，又使空压站内各压缩机组承担合理的负载，减少能源消耗的技术问题。

Description

一种离心式空压站系统压力的控制方法

技术领域

本发明涉及离心式空压站集中管理控制领域，尤其离心式空压站系统压力的控制方法及控制系统。

背景技术

压缩空气作为工业生产中能源输送的四种流体介质(水、压缩空气、蒸汽和天然气) 之一，因为其安全、洁净、易控等特点得到广泛应用，在工业生产中发挥着举足轻重的作用。目前大型工厂和工业园区都建立了空压站进行集中供气，每个空压站一般由几台甚至十几台以上空压机组成，所采用的空压机类型主要有螺杆式空压机和离心式空压机，其中离心式空压机以其效率高和容量大的特点，在空压站中越来越受到广泛应用。

但是由于离心式空压机具有喘振等固有特性，对自动控制技术要求较高，尤其是对于用户对压缩空气量需求波动大的工况，既要保证用户供气压力稳定，又要使空压站内各压缩机承担合理的负载，减少能源消耗，对于这类离心式空压站控制是个重大的挑战。

目前离心式空压站主要控制方式有：

(1)每台离心式空压机自带机旁PLC控制柜，完成空压机的基本控制，一般是运行人员到现场设置空压机的出口压力值，以调节空压机的输出负荷，这种现场每台机组单独调节仍是目前比较普遍的控制方式。

(2)在前一种方式的基础上，增加中央集控系统，可以实现对现场所有空压机的监视，远程启停现场各机组，远程设定目标压力等。

以上控制方法仍然是单台空压机独立自动调节和远程或现场手动干预为主，对于同时运行的多台空压机，作用强的空压机会使作用弱的空压机先到喘振极限，造成不必要的放风浪费，在用户对压缩空气量需求波动大的工况下，单机独立调节和手动干预往往响应不及时，造成空压站对外系统压力波动较大。

因此需要发明一种空压站系统压力控制方法，既能控制用户供气系统压力稳定，又使空压站内各压缩机承担合理的负载，减少能源消耗。

发明内容

为了既能控制用户供气系统压力稳定，又使空压站内各压缩机组承担合理的负载，减少能源消耗，本发明提出了一种离心式空压站系统压力的控制方法及控制系统。

本发明采用如下技术方案：

一种离心式空压站系统压力的控制方法，涉及离心式空压站输出系统压力控制以及空压站内各压缩机组负荷补偿控制，包括控制系统，所述控制系统包括集中控制系统，所述集中控制系统与压缩机组现场PLC控制站双向连接，所述集中控制系统包括系统压力变化补偿模块、负荷补偿模块和功率极限控制模块，所述压力变化补偿模块计算系统压力设定值P_S与压力传感器检测的排气系统压力P_d的压力偏差变化率ec_p，通过模糊控制器计算输出压力变化补偿值P_C，所述负荷补偿模块计算压缩机运行点到喘振控制线的喘振距离D，以及喘振距离D与平均喘振距离D_avg的喘振偏差值e_D，模糊控制器根据喘振偏差值e_D和喘振偏差值变化率ec_D计算输出负荷补偿值P_L，所述功率极限控制模块控制压力变化补偿值P_C和负荷补偿值P_L的输出，所述方法特征在于：所述系统压力设定值 P_S、压力变化补偿值P_C、负荷补偿值P_L求和得到远程压力设定指令P_ds，所述远程压力设定指令P_ds＝P_S+P_C+P_L，将所述远程压力设定指令P_ds输入现场PLC控制站作为设定点，根据空压站内各压缩机组功率预先设定的极限功率值，判断各压缩机是否超限，如果超限则通过现场PLC控制站控制每台压缩机组的入口导叶和排气阀，确保每台压缩机组输出合适的负荷。

作为优选，所述计算压力变化补偿值P_C的步骤如下：(1)由压力传感器检测的离心式空压站排气系统压力P_d与系统设定压力值P_S做绝对差值计算得到压力偏差e_p，通过微分器得到压力偏差变化率ec_p；(2)对压力偏差变化率ec_p进行模糊化处理，对压力偏差变化率ec_p设定模糊子集为：[NB，NS，ZR，PS，PB]，对模糊算法的输出变量U_p设定的模糊子集为：[NB，NS，ZR，PS，PB]，模糊规则为：

If(ec_p is NB)then(U_p is NB)

If(ec_p is NS)then(U_p is NS)

If(ec_p is ZR)then(U_p is ZR)

If(ec_p is PS)then(U_p is PS)

If(ec_p is PB)then(U_p is PB)

选定压力偏差变化率比例因子k_ecp和输出比例因子k_up，通过模糊控制器运算，得到压力变化补偿指令P_C。

作为优选，所述计算负荷补偿值P_L的步骤如下：(1)通过电流传感器检测驱动电机的实际运行电流I_op，通过压缩机的喘振曲线得到某一排气压力P’_d下对应的喘振电流I_SL，计算得到喘振距离D：(2)计算平均喘振距离D_avg：D_avg＝∑(D₁、D₂、…、D_i)；(3)将各压缩机的喘振距离D与平均喘振距离D_avg比较，得到相应的喘振偏差值e_D，进一步计算得到喘振偏差值变化率ec_D，对喘振偏差值e_D和喘振偏差值变化率 ec_D进行模糊化处理，通过模糊控制器计算得到负荷补偿值P_L。

作为优选，当喘振距离D＞0时，压缩机运行在安全区域；当喘振距离D＜0时，压缩机运行在不稳定区域。

作为优选，所述对喘振偏差值e_D和喘振偏差值变化率ec_D进行模糊化处理的步骤如下：(2)对喘振偏差值e_D设定模糊子集为：[NB，NS，ZR，PS，PB]，喘振偏差值变化率 ec_D设定模糊子集为：[NB，NS，ZR，PS，PB]，对模糊算法的输出变量U_L设定模糊子集为：[NB，NS，ZR，PS，PB]；(2)选定喘振偏差值比例因子k_el、喘振偏差值变化率比例因子k_ecl和输出比例因子k_ul。

作为优选，所述功率极限控制模块根据各压缩机组预先设定的功率极限值，判断各压缩机组负载是否超限，如果超限则限制压力变化补偿值P_C和负荷补偿值P_L的输出。

一种通过上述方法实现离心式空压站系统压力控制的控制系统，包括控制系统和压缩机组，所述控制系统包括集中控制系统，所述压缩机组为复数个，所述压缩机组包括现场PLC控制站，所述现场PLC控制站与所述集中控制系统双向连接，所述集中控制系统包括系统压力变化补偿模块、负荷补偿模块和功率极限控制模块，所述系统压力变化补偿模块包括加法器、微分器和模糊控制器，所述负荷补偿模块包括除法器、平均器、加法器、微分器和模糊控制器，所述系统压力变化补偿模块、所述负荷补偿模块的输出端均与所述功率极限控制模块连接，所述功率极限控制模块的输出端与所述现场PLC 控制站连接。

作为优选，所述压缩机组还包括压缩机本体、驱动电机、电流传感器、排气支管、排气阀、止回阀和支管压力传感器，所述驱动电机输出端连接压缩机本体，所述电流传感器与所述驱动电机连接，所述压缩机本体吸气侧设置有入口导叶，所述排气支管与压缩机本体输出端连接，所述排气支管一侧依次设置有支管压力传感器、排气阀和止回阀，所述电流传感器、入口导叶、支管压力传感器与排气阀均与所述现场PLC控制站连接控制。

作为优选，所述压缩机本体的排气支管共同连接一排气母管，所述排气母管设置有压力传感器，所述压力传感器与所述现场PLC控制站连接控制。

本发明的有益效果是：(1)当系统压力偏差变化较大时，压力变化补偿模块计算系统压力设定值与反馈值的偏差变化率，通过模糊控制器计算输出压力变化补偿值，这个前馈压力变化补偿值增强了现场PLC控制站的系统压力自动调节效果，减小系统压力波动范围，维持系统压力稳定；(2)负荷补偿前馈作用均衡了空压站内各机组的负载，避免作用弱的空压机进入喘振放空状态，造成能源浪费；(3)当空压机功率达到预设的极限功率时，功率极限控制模块将限制压力变化补偿和负荷补偿控制输出，以避免无效输出。

附图说明

图1是本发明中并联连接的多台离心式空压机压缩系统的模式图；

图2是本发明中一种离心式空压站系统压力的控制框图；

图3是本发明中离心式压缩机防喘振控制特性图。

图1-3中：10、压缩机本体，11、驱动电机，12、入口导叶，13、排气阀，14、止回阀，15、进气管路，16、排气支管，17、现场PLC控制站，18、电流传感器，19、支管压力传感器，20、输出信号线，21、输入信号线，22、压力传感器，23、排气母管， 24、集中控制系统，25、系统压力变化补偿模块，250、第一加法器，251、第一微分器， 252、第一模糊控制器，26、负荷补偿模块，260、除法器，261、第二加法器，262、平均器，263、第三加法器，264、第二微分器，265、第二模糊控制器，27、第四加法器， 28、功率极限控制模块，29、第五加法器，30、喘振曲线，31、喘振点，32、实际运行点。

具体实施方式

下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的具体描述：

实施例：如附图1所示为本发明中并联连接的多台离心式空压机压缩系统的模式图，所示的并联连接压缩机组A、B、…、I，由集中控制系统24及各压缩机组的现场PLC 控制站17控制，其中部分压缩机组容量可能不同，但各压缩机组的结构形式相同(本实施例中全部以电机驱动的压缩机形式为例)，具有相同的构成，一个压缩机组包括现场PLC控制站17、压缩机本体10、驱动电机11、电流传感器18、排气支管16、排气阀13、止回阀14和支管压力传感器19，所述驱动电机11输出端连接压缩机本体10，所述电流传感器18与所述驱动电机11连接，所述压缩机本体10吸气侧设置有入口导叶12，所述排气支管16与压缩机本体10输出端连接，所述排气支管16一侧依次设置有支管压力传感器19、排气阀13和止回阀14，所述电流传感器18、入口导叶12、支管压力传感器19与排气阀13均与所述现场PLC控制站17连接控制，现场PLC控制站 17与集中控制24系统双向连接，压缩机本体10从进气管路15吸入空气，吸气侧设置有入口导叶12，调整吸入到压缩机本体10的工作气体量，入口导叶12由现场PLC控制站17输出的导叶开度指令控制。

压缩机本体10由驱动电机11驱动，驱动电机11的电流由传感器18检测，并送到现场PLC控制站17计算，压缩机本体10的排出侧连接排气支管16，排气支管16上配有支管压力传感器19，将检测到的支管排气压力送到现场PLC控制站17计算，在下游分支安装排气阀13，排气阀13由PLC现场控制站17输出的阀位开度指令控制，将压缩机气体排出到大气，排气支管16上还安装有止回阀14，在止回阀14的下游侧排气支管16共同连接一排气母管23，各压缩机组A、B…I排出的压缩气体集中通过排气母管23将压缩机气体送到用户使用，压缩系统的排气系统压力P_d由压力传感器22检测，检测到的信号分别送到各压缩机组的现场PLC控制站17及集中控制系统24。

现场PLC控制站17将检测到的所有信号以通讯的方式，通过输出信号线23送到集中控制系统50，集中控制系统50将远程压力设定指令P_ds通过输入信号线24送到现场 PLC控制站20。

如附图2所示为一种离心式空压站系统压力的控制框图，涉及离心式空压站输出系统压力控制以及空压站内各压缩机组负荷补偿控制，主要由集中控制系统24和现场PLC控制站17完成，其中集中控制系统24完成系统压力指令的计算，现场PLC控制站17 则以集中控制系统24输出的远程压力设定指令P_ds为设定点，控制每台压缩机组的入口导叶12和排气阀13，以使每台压缩机组输出合适的负荷。

如附图3所示为离心式压缩机防喘振控制特性图，对于电机驱动的压缩机，特性图中横坐标为驱动电机11的电流，纵坐标为压缩机组的排气压力，预先设定的喘振曲线 30可根据厂家提供的特性曲线或现场实际试验得到，在某一排气压力P’_d下的喘振点31，其对应的电流I_SL为喘振电流，压缩机实际运行点32对应的实际电流I_OP。

集中控制系统24包括系统压力变化补偿模块25、负荷补偿模块26和功率极限控制模块28，所述系统压力变化补偿模块25包括第一加法器250、第一微分器251和第一模糊控制器252，所述负荷补偿模块26包括除法器260、平均器261、第二加法器262、第三加法器263、第二微分器264和第二模糊控制器265，所述系统压力变化补偿模块 25、负荷补偿模块26的输出端均与所述功率极限控制模块28连接，所述功率极限控制模块28的输出端与现场PLC控制站17连接，系统压力变化补偿模块25计算系统压力设定值P_S与压力传感器22检测的排气系统压力P_d的压力偏差变化率ec_p，通过第一模糊控制器252计算输出压力变化补偿值P_C，所述系统压力设定值P_S根据用户对所需压缩气体的压力要求由操作员设定，在用户对压缩空气量需求波动大的工况下，原有的系统压力设定控制不能及时调整，实际系统压力波动较大，因此根据实际压力变化情况计算压力变化补偿值P_C，以提高控制强度，所述计算压力变化补偿值P_C的步骤如下：

(1)由压力传感器22检测的离心式空压站排气系统压力P_d与系统设定压力值P_S通过第一加法器250做绝对差值计算得到压力偏差e_p，通过第一微分器251得到压力偏差变化率ec_p；

(2)对压力偏差变化率ec_p进行模糊化处理，对压力偏差变化率ec_p设定模糊子集为：[NB，NS，ZR，PS，PB]，对模糊算法的输出变量U_p设定的模糊子集为：[NB，NS， ZR，PS，PB]，模糊规则为：

If(ec_p is NB)then(U_p is NB)

If(ec_p is NS)then(U_p is NS)

If(ec_p is ZR)then(U_p is ZR)

If(ec_p is PS)then(U_p is PS)

If(ec_p is PB)then(U_p is PB)

选定压力偏差变化率比例因子k_ecp和输出比例因子k_up，通过第一模糊控制器252运算，得到压力变化补偿指令P_C，送到第四加法器27。

所述负荷补偿模块26计算压缩机运行点到喘振曲线30的喘振距离D，以及喘振距离D与平均喘振距离D_avg的喘振偏差值e_D，第二模糊控制器265根据喘振偏差值e_D和喘振偏差值变化率ec_D计算输出负荷补偿值P_L，所述计算负荷补偿值P_L的步骤如下：

(1)通过电流传感器18检测驱动电机11的实际运行电流I_op，通过压缩机的喘振曲线30得到某一排气压力P’_d下对应的喘振电流I_SL，通过除法器260计算得到喘振距离

(2)通过第二加法器262、平均器261计算平均喘振距离D_avg：D_avg＝∑(D₁、D₂、…、D_i)；

(3)将各压缩机的喘振距离D与平均喘振距离D_avg输入第三加法器263中进行差值比较，得到相应的喘振偏差值e_D，进一步导入第二微分器264中计算得到喘振偏差值变化率ec_D，对喘振偏差值e_D和喘振偏差值变化率ec_D进行模糊化处理，通过第二模糊控制器265计算得到负荷补偿值P_L，送到第四加法器27。

所述对喘振偏差值e_D和喘振偏差值变化率ec_D进行模糊化处理的步骤如下：(2)对喘振偏差值e_D设定模糊子集为：[NB，NS，ZR，PS，PB]，喘振偏差值变化率ec_D设定模糊子集为：[NB，NS，ZR，PS，PB]，对模糊算法的输出变量U_L设定模糊子集为：[NB， NS，ZR，PS，PB]；(2)选定喘振偏差值比例因子k_el、喘振偏差值变化率比例因子k_ecl和输出比例因子k_ul。

不同容量的压缩机组其特性曲线不同，即便是相同的压缩机组，其特性曲线也有可能不同，作用强的压缩机会使作用弱的压缩机先达到喘振极限，使其排气阀13打开，造成不必要的放风浪费。通过负荷补偿值P_L，可以平衡各压缩机组的实际输出负荷，达到较优效率运行的效果。

所述压力变化补偿值P_C、负荷补偿值P_L送至第四加法器27中求和后由所述功率极限控制模块28控制压力变化补偿值P_C和负荷补偿值P_L的输出，所述功率极限控制模块 28的输出端、系统压力设定值P_S均与第五加法器29输入端连接，所述系统压力设定值 P_S、压力变化补偿值P_C、负荷补偿值P_L在第五加法器29中求和得到远程压力设定指令P_ds，所述远程压力设定指令为P_ds＝P_S+P_C+P_L，将所述远程压力设定指令P_ds输入现场PLC 控制站作为设定点，根据空压站内各压缩机组功率预先设定的极限功率值，所述功率极限控制模块28判断各压缩机是否超限，如果超限则功率极限控制模块28限制压力变化补偿值P_C和负荷补偿值P_L的输出，并输出信号到现场PLC控制站17控制每台压缩机组的入口导叶12和排气阀13，确保每台压缩机组输出合适的负荷。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。

Claims

1.一种离心式空压站系统压力的控制方法，涉及离心式空压站输出系统压力控制以及空压站内各压缩机组负荷补偿控制，包括控制系统，所述控制系统包括集中控制系统，所述集中控制系统与压缩机组现场PLC控制站双向连接，所述集中控制系统包括系统压力变化补偿模块、负荷补偿模块和功率极限控制模块，所述压力变化补偿模块计算系统压力设定值P_S与压力传感器检测的排气系统压力P_d的压力偏差变化率ec_p，通过模糊控制器计算输出压力变化补偿值P_C，所述负荷补偿模块计算压缩机运行点到喘振控制线的喘振距离D，以及喘振距离D与平均喘振距离D_avg的喘振偏差值e_D，模糊控制器根据喘振偏差值e_D和喘振偏差值变化率ec_D计算输出负荷补偿值P_L，所述功率极限控制模块控制压力变化补偿值P_C和负荷补偿值P_L的输出，所述方法特征在于：所述系统压力设定值P_S、压力变化补偿值P_C、负荷补偿值P_L求和得到远程压力设定指令P_ds，所述远程压力设定指令为P_ds＝P_S+P_C+P_L，将所述远程压力设定指令P_ds输入现场PLC控制站作为设定点，根据空压站内各压缩机组功率预先设定的极限功率值，判断各压缩机是否超限，如果超限则通过现场PLC控制站控制每台压缩机组的入口导叶和排气阀，确保每台压缩机组输出合适的负荷。

2.根据权利要求1所述的一种离心式空压站系统压力的控制方法，其特征是，所述计算压力变化补偿值P_C的步骤如下：(1)由压力传感器检测的离心式空压站排气系统压力P_d与系统设定压力值P_S做绝对差值计算得到压力偏差e_p，通过微分器得到压力偏差变化率ec_p；(2)对压力偏差变化率ec_p进行模糊化处理，对压力偏差变化率ec_p设定模糊子集为：[NB，NS，ZR，PS，PB]，对模糊算法的输出变量U_p设定的模糊子集为：[NB，NS，ZR，PS，PB]，模糊规则为：

If(ec_p is NB)then(U_p is NB)

If(ec_p is NS)then(U_p is NS)

If(ec_p is ZR)then(U_p is ZR)

If(ec_p is PS)then(U_p is PS)

If(ec_p is PB)then(U_p is PB)

3.根据权利要求1所述的一种离心式空压站系统压力的控制方法，其特征是，所述计算负荷补偿值P_L的步骤如下：(1)通过电流传感器检测驱动电机的实际运行电流I_op，通过压缩机的喘振曲线得到某一排气压力P’_d下对应的喘振电流I_SL，计算得到喘振距离D：计算平均喘振距离D_avg：D_avg＝∑(D₁、D₂、…、D_i)；(3)将各压缩机的喘振距离D与平均喘振距离D_avg比较，得到相应的喘振偏差值e_D，进一步计算得到喘振偏差值变化率ec_D，对喘振偏差值e_D和喘振偏差值变化率ec_D进行模糊化处理，通过模糊控制器计算得到负荷补偿值P_L。

4.根据权利要求3所述的一种离心式空压站系统压力的控制方法，其特征是，当喘振距离D＞0时，压缩机运行在安全区域；当喘振距离D＜0时，压缩机运行在不稳定区域。

5.根据权利要求1所述的一种离心式空压站系统压力的控制方法，其特征是，所述对喘振偏差值e_D和喘振偏差值变化率ec_D进行模糊化处理的步骤如下：(2)对喘振偏差值e_D设定模糊子集为：[NB，NS，ZR，PS，PB]，喘振偏差值变化率ec_D设定模糊子集为：[NB，NS，ZR，PS，PB]，对模糊算法的输出变量U_L设定模糊子集为：[NB，NS，ZR，PS，PB]；(2)选定喘振偏差值比例因子k_el、喘振偏差值变化率比例因子k_ecl和输出比例因子k_ul。

6.根据权利要求1所述的一种离心式空压站系统压力的控制方法，其特征是，所述功率极限控制模块根据各压缩机组预先设定的功率极限值，判断各压缩机组负载是否超限，如果超限则限制压力变化补偿值P_C和负荷补偿值P_L的输出。

7.一种实现权利要求1所述的离心式空压站系统压力的控制方法的控制系统，包括控制系统和压缩机组，所述控制系统包括集中控制系统，所述压缩机组为复数个，所述压缩机组包括现场PLC控制站，所述现场PLC控制站与所述集中控制系统双向连接，所述集中控制系统包括系统压力变化补偿模块、负荷补偿模块和功率极限控制模块，所述系统压力变化补偿模块包括第一加法器、第一微分器和第一模糊控制器，所述负荷补偿模块包括除法器、平均器、第二加法器、第三加法器、第二微分器和第二模糊控制器，所述系统压力变化补偿模块、所述负荷补偿模块的输出端均与所述功率极限控制模块连接，所述功率极限控制模块的输出端与所述现场PLC控制站连接。

8.根据权利要求7所述的一种离心式空压站系统压力的控制方法，其特征是，所述压缩机组还包括压缩机本体、驱动电机、电流传感器、排气支管、排气阀、止回阀和支管压力传感器，所述驱动电机输出端连接压缩机本体，所述电流传感器与所述驱动电机连接，所述压缩机本体吸气侧设置有入口导叶，所述排气支管与压缩机本体输出端连接，所述排气支管一侧依次设置有支管压力传感器、排气阀和止回阀，所述电流传感器、入口导叶、支管压力传感器与排气阀均与所述现场PLC控制站连接控制。

9.根据权利要求8所述的一种离心式空压站系统压力的控制方法，其特征是，所述压缩机本体的排气支管共同连接一排气母管，所述排气母管设置有压力传感器，所述压力传感器与所述现场PLC控制站连接控制。