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我國(guó)現(xiàn)階段空壓機(jī)產(chǎn)品性能雖然在不斷改進(jìn)，但是在能源利用方面，作為空壓機(jī)集群系統(tǒng)應(yīng)用的空壓站運(yùn)行中還存在能效水平不高的不合理現(xiàn)象，究其原因，很大一部分是由于空壓機(jī)系統(tǒng)控制方式選擇不當(dāng)。對(duì)一般工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)來(lái)講，空壓機(jī)群的設(shè)計(jì)產(chǎn)氣量要大于實(shí)際用氣量，隨著用氣負(fù)荷的變化，供氣管網(wǎng)的壓力也在不斷的發(fā)生變化，這就需要控制空壓機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)供氣管網(wǎng)的壓力穩(wěn)定在目標(biāo)值附近，因此分析并采用合適的控制方式對(duì)空壓機(jī)的節(jié)能顯得非常重要。
 

基于壓力控制的空壓站調(diào)節(jié)方式及其特性

1.空壓機(jī)不同控制方式及特性分析

①啟動(dòng)/停止控制

啟動(dòng)/停止控制是更簡(jiǎn)單的控制方式，當(dāng)供氣管網(wǎng)壓力處于較低壓力不能滿(mǎn)足當(dāng)前供氣需求時(shí)，空壓機(jī)啟動(dòng)并滿(mǎn)載狀態(tài)運(yùn)行產(chǎn)生壓縮空氣增加供氣管網(wǎng)壓力，當(dāng)壓力達(dá)到設(shè)定更大壓力時(shí)，空壓機(jī)停止運(yùn)行。中間間隔的時(shí)間取決于儲(chǔ)氣罐及有關(guān)管道容積的大小和允許的排氣壓力波動(dòng)范圍，壓力波動(dòng)范圍一般小于0.07MPa。針對(duì)此種控制方式，要求機(jī)組有較大容量的儲(chǔ)氣罐且更能適用于(3～6.5kW)小功率空壓機(jī)，針對(duì)大中型空壓機(jī)系統(tǒng)由于頻繁的啟動(dòng)和停止會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生較大電流沖擊電路并造成電機(jī)過(guò)熱，減少空壓機(jī)壽命，一般來(lái)說(shuō)需要將啟動(dòng)的次數(shù)限制在4～6次/h。因?yàn)榭諌簷C(jī)只處于滿(mǎn)載和停機(jī)兩種狀態(tài)，所以是一種高效的調(diào)節(jié)方式。

② 加/卸載調(diào)節(jié)控制

當(dāng)供氣管網(wǎng)壓力不能滿(mǎn)足當(dāng)前用氣需求時(shí)，空壓機(jī)加載滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行產(chǎn)生壓縮空氣，當(dāng)壓力達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定卸載壓力時(shí)，空壓機(jī)控制器發(fā)出信號(hào)，關(guān)閉進(jìn)氣閥，此時(shí)空壓機(jī)空載運(yùn)行不產(chǎn)生壓縮空氣，同時(shí)控制系統(tǒng)將壓縮機(jī)排氣端后的高壓空氣通過(guò)電磁閥放空到進(jìn)氣端，降低空負(fù)荷時(shí)空壓機(jī)進(jìn)出口壓比，但空壓機(jī)在卸載時(shí)仍會(huì)消耗全負(fù)荷的20%左右的功耗。隨著管網(wǎng)壓力的降低，壓力達(dá)到設(shè)定加載時(shí)，重新打開(kāi)進(jìn)氣閥，空壓機(jī)再次滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行，依次循環(huán)。這種控制方式可以滿(mǎn)足用戶(hù)0～100%的氣量調(diào)節(jié)，并保證電動(dòng)機(jī)的連續(xù)運(yùn)行，避免重復(fù)啟動(dòng)對(duì)電網(wǎng)的沖擊;缺點(diǎn)是加卸載控制方式使得系統(tǒng)壓力在加載壓力pmin到卸載壓力pmax之間上下波動(dòng)，造成一定的能源浪費(fèi)。

③ 進(jìn)氣節(jié)流調(diào)節(jié)

在壓縮機(jī)的運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)用氣負(fù)荷小于壓縮機(jī)的產(chǎn)氣量時(shí)，系統(tǒng)管網(wǎng)的壓力隨之增加，當(dāng)系統(tǒng)壓力達(dá)到設(shè)定壓力時(shí)，壓縮機(jī)組的控制系統(tǒng)逐漸關(guān)閉進(jìn)氣節(jié)流閥，減小進(jìn)氣量直至與用氣負(fù)荷平衡。此種控制方式可以保證壓縮機(jī)的連續(xù)供氣，使得在滿(mǎn)足用戶(hù)的壓力需求下系統(tǒng)壓力波動(dòng)更小，但是隨著進(jìn)氣壓力的降低，進(jìn)入空壓機(jī)的空氣密度不斷降低，此外由于降低進(jìn)氣壓力而排氣壓力保持不變，使得進(jìn)出口壓比增大，功耗增大。所以此控制方式只適用于排氣量調(diào)節(jié)范圍大于60%的條件下。

④ 變速驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)

變頻空壓機(jī)通過(guò)調(diào)節(jié)電源頻率以調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)產(chǎn)氣量大小的自動(dòng)調(diào)節(jié)，使空壓機(jī)處于平穩(wěn)的運(yùn)行狀態(tài)下，電機(jī)的運(yùn)行功率大幅降低。變速驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)與其他調(diào)節(jié)方式相比具有顯著優(yōu)點(diǎn)。在壓縮機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，進(jìn)氣壓力即為大氣壓力，當(dāng)排氣壓力保持不變的情況下，壓縮機(jī)功率隨排氣量的減小而減小，且調(diào)節(jié)范圍可以達(dá)到0%～100%，可以滿(mǎn)足用戶(hù)的工況變化。

此外，變速調(diào)節(jié)與其他調(diào)節(jié)方式的系統(tǒng)相比省去了一整套復(fù)雜的機(jī)械調(diào)節(jié)裝置，增加了機(jī)組的穩(wěn)定性，并且變頻空壓機(jī)在啟動(dòng)時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速由低到高，避免了啟動(dòng)電流過(guò)大對(duì)電網(wǎng)的沖擊。

2.基于壓力控制系統(tǒng)的缺點(diǎn)

在壓力控制系統(tǒng)中當(dāng)系統(tǒng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)負(fù)荷需要發(fā)出加/卸載命令時(shí)，系統(tǒng)只能按照原先設(shè)定的基礎(chǔ)加、卸載順序控制空壓機(jī)的加/卸載，然而這種順序啟停方式也存在不合理的地方，例如當(dāng)管網(wǎng)壓力達(dá)到加載壓力時(shí)，然而此時(shí)現(xiàn)場(chǎng)用氣量很少，且波動(dòng)較小，若此時(shí)順序啟動(dòng)的壓縮機(jī)為一臺(tái)功率較大壓縮機(jī)，則系統(tǒng)會(huì)存在“大馬拉小車(chē)”現(xiàn)象，且壓縮機(jī)管網(wǎng)壓力會(huì)劇烈波動(dòng);同樣，當(dāng)管網(wǎng)壓力達(dá)到加載壓力時(shí)，若此時(shí)現(xiàn)場(chǎng)所需的為一臺(tái)功率較大的空壓機(jī)，而實(shí)際按照順序控制啟動(dòng)的為一臺(tái)功率較小的空壓機(jī)，則空壓機(jī)系統(tǒng)在該臺(tái)小功率空壓機(jī)達(dá)到滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行后會(huì)再順序啟動(dòng)下一臺(tái)空壓機(jī)，這就會(huì)造成原本只需要開(kāi)一臺(tái)較大負(fù)荷的空壓機(jī)就能解決的問(wèn)題，變?yōu)閱?dòng)多臺(tái)壓縮機(jī)，且大功率空壓機(jī)處于低效運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，這會(huì)造成很大的能源浪費(fèi)。

基于流量控制下的空壓機(jī)群系統(tǒng)

基于流量控制的空壓機(jī)集群控制系統(tǒng)是指整個(gè)供氣系統(tǒng)中，空壓機(jī)群的產(chǎn)氣量盡量匹配生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)所需的用氣量，盡量減小系統(tǒng)管網(wǎng)壓力波動(dòng)，達(dá)到降低空壓機(jī)群能耗的目的。

1.基于流量控制的控制策略

對(duì)于某一現(xiàn)場(chǎng)用氣而言，加載壓力一般略高于用氣設(shè)備的正常的工作壓力，而決定空壓機(jī)群功耗的往往是空壓機(jī)群的卸載壓力，過(guò)低的卸載壓力會(huì)造成機(jī)組頻繁加卸載，因此找出壓縮機(jī)群的更優(yōu)卸載壓力，不僅能有效的降低壓縮機(jī)群的運(yùn)行能耗，還能避免壓縮機(jī)群中的機(jī)組頻繁加卸載產(chǎn)生過(guò)激電流對(duì)電網(wǎng)的沖擊，此外，也減小了對(duì)空壓機(jī)的機(jī)械沖擊，延長(zhǎng)了壓縮機(jī)的使用壽命。

pmin為系統(tǒng)的加載壓力，pmax為系統(tǒng)的卸載壓力，pmin與pmax存在以下關(guān)系：pmax=(1+σ)pmin

所以調(diào)節(jié)pmax對(duì)空壓機(jī)集群系統(tǒng)的節(jié)能具有很重要的意義，啄取值為10%～25%，因此在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)空壓機(jī)群管網(wǎng)壓力波動(dòng)情況較小的情況下，啄的取值就可以盡量小一些，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)用氣量較大，空壓機(jī)啟、停造成管網(wǎng)壓力波動(dòng)較大時(shí)，啄的取值就要考慮到在控制器反應(yīng)時(shí)間內(nèi)管網(wǎng)內(nèi)壓力波動(dòng)的情況，此時(shí)啄的取值就要盡量大一些。綜上，我們?cè)谠O(shè)計(jì)基于流量控制的空壓機(jī)群時(shí)，可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)機(jī)器所需的空氣流量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)用氣中出現(xiàn)流量消耗較大的機(jī)器時(shí)可以適當(dāng)提高空壓機(jī)群管網(wǎng)的加載壓力和啄的取值，而空壓機(jī)群使用現(xiàn)場(chǎng)沒(méi)有空氣流量消耗較高的機(jī)器時(shí)，則可以盡量降低空壓機(jī)群管網(wǎng)的加載壓力和啄的取值，從而實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)群的恒低壓力運(yùn)行。

針對(duì)上述情況，提出基于流量控制的智能控制系統(tǒng)。若用氣系統(tǒng)中存在流量負(fù)荷消耗較大的用戶(hù)時(shí)，在控制系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間內(nèi)，我們?cè)O(shè)置的加載壓力要大于設(shè)備運(yùn)行壓力10%～15%;若用氣系統(tǒng)中更大用戶(hù)的流量負(fù)荷并不大，則我們?cè)O(shè)置的加載壓力僅需比設(shè)備運(yùn)行壓力大5%～10%，為了給空壓機(jī)群一個(gè)適當(dāng)?shù)母挥嗔浚越o空壓機(jī)群控制系統(tǒng)設(shè)置了相應(yīng)的加、卸載預(yù)動(dòng)作壓力，空壓機(jī)集群控制系統(tǒng)設(shè)置好加、卸載壓力以及預(yù)動(dòng)作壓力后，當(dāng)空壓機(jī)群管網(wǎng)壓力達(dá)到系統(tǒng)預(yù)加載壓力時(shí)，若用戶(hù)負(fù)荷波動(dòng)不大時(shí)，空壓機(jī)集群控制系統(tǒng)根據(jù)用戶(hù)所需流量利用系統(tǒng)中的變頻空壓機(jī)進(jìn)行微量調(diào)節(jié)，當(dāng)用戶(hù)負(fù)荷波動(dòng)較大時(shí)，控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)測(cè)量計(jì)算當(dāng)前需求用氣負(fù)荷，并開(kāi)啟相應(yīng)產(chǎn)氣量的空壓機(jī)，當(dāng)系統(tǒng)中供應(yīng)了足夠用戶(hù)使用的流量后，再利用系統(tǒng)中的變頻空壓機(jī)進(jìn)行微量調(diào)節(jié)。對(duì)于基于流量控制的空壓機(jī)壓力設(shè)定如圖所示。

2.空壓機(jī)群流量控制

在某實(shí)驗(yàn)中，系統(tǒng)中共有4臺(tái)空壓機(jī)，分別為22kW變頻空壓機(jī)，公稱(chēng)容積流量范圍1.08～3.6m3/min，定義為1#機(jī)組，15kW工頻空壓機(jī)，公稱(chēng)容積流量2.2m3/min，定義為2#機(jī)組，22kW工頻空壓機(jī)，已工作時(shí)間為1年，公稱(chēng)容積流量范圍1.08～3.6m3/min，定義為3#機(jī)組，22kW工頻空壓機(jī)，已工作時(shí)間為半年，公稱(chēng)容積流量3.6m3/min，定義為4#機(jī)組，以變頻空壓機(jī)作為系統(tǒng)調(diào)節(jié)機(jī)，則空壓機(jī)群可以提供以下流量范圍：

(1)1.08～3.6m3/min;

(2)3.28～5.8m3/min;

(3)4.68 ～7.2m3/min;

(4)6.88 ～9.4m3/min;

(5)8.28～10.8m3/min;

(6)10.48～13m3/min。

因此，在基于流量控制的空壓機(jī)集群系統(tǒng)中，空壓機(jī)群控制系統(tǒng)在用戶(hù)需求流量發(fā)生變化時(shí)首先進(jìn)行流量需求預(yù)測(cè)，若流量需求波動(dòng)不大，則只需調(diào)節(jié)作為調(diào)節(jié)機(jī)的變頻螺桿空壓機(jī)即可，若流量需求較大，現(xiàn)有加載機(jī)組不能滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)所需工況，控制系統(tǒng)則按照所需流量進(jìn)行更優(yōu)機(jī)組匹配，實(shí)現(xiàn)更優(yōu)機(jī)組的加載，與不需要機(jī)組的卸載。

其機(jī)組組合控制策略及匹配系統(tǒng)如圖所示。

空壓機(jī)集群系統(tǒng)在集成了空壓機(jī)群流量控制系統(tǒng)后，由于系統(tǒng)內(nèi)傳感器的測(cè)量誤差以及空壓機(jī)控制系統(tǒng)需要反應(yīng)時(shí)間，所以空壓機(jī)管網(wǎng)內(nèi)的壓力仍會(huì)下降，因此空壓機(jī)集群系統(tǒng)管網(wǎng)內(nèi)的壓力到達(dá)空壓機(jī)預(yù)加載壓力時(shí)，空壓機(jī)集群控制系統(tǒng)優(yōu)先控制處于非滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)的變頻空壓機(jī)進(jìn)行滿(mǎn)負(fù)荷加載。當(dāng)空壓機(jī)群管網(wǎng)壓力到達(dá)卸載預(yù)動(dòng)作壓力時(shí)，控制器再根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)所需要的實(shí)時(shí)流量再進(jìn)行臺(tái)數(shù)匹配，流量的微量調(diào)節(jié)通過(guò)變頻調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)，更終使得空壓機(jī)群管網(wǎng)壓力在設(shè)定壓力范圍內(nèi)窄幅波動(dòng)，空壓機(jī)群流量控制系統(tǒng)中變頻空壓機(jī)運(yùn)行圖如圖所示。

3.壓差法求流量

在空壓機(jī)群流量控制系統(tǒng)中，由于流量信號(hào)變化快、頻率高，所以信號(hào)的采集及其準(zhǔn)確度對(duì)機(jī)群的控制尤為重要。在現(xiàn)有較多種流量計(jì)算方法下，更好的方式還是采用流量計(jì)直接進(jìn)行流量信號(hào)的采集，其優(yōu)點(diǎn)是不需要進(jìn)行壓力溫度的修正。在此系統(tǒng)中選擇了HQ980管道式氣體質(zhì)量流量計(jì)。

質(zhì)量流量計(jì)將采集到的流量信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)并反饋給空壓機(jī)控制器，在空壓機(jī)控制器中求得一個(gè)采樣周期內(nèi)氣體質(zhì)量流量的變化量，為基于流量控制空壓機(jī)作指導(dǎo)。

結(jié)語(yǔ)

本文主要分析了當(dāng)前螺桿空壓機(jī)的調(diào)節(jié)方式及其特性，指出基于壓力控制策略下螺桿空壓機(jī)系統(tǒng)的缺點(diǎn)，提出并分析基于流量控制的壓縮機(jī)系統(tǒng)更大的優(yōu)點(diǎn)就是其針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)用戶(hù)所使用的實(shí)時(shí)流量提供相應(yīng)的更優(yōu)空壓機(jī)加載組合，且由于該控制系統(tǒng)對(duì)后續(xù)空壓機(jī)加、卸載具有預(yù)測(cè)性且操作方式上可以連續(xù)操作，因此卸載預(yù)動(dòng)作壓力可以設(shè)置在一個(gè)較低的水平，空壓機(jī)群的平均運(yùn)行壓力相應(yīng)降低，從而空壓機(jī)群的能效水平得以提高。

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