一種螺桿空壓機(jī)群供氣場(chǎng)合用氣流量在線估計(jì)方法

白永剛，陳江華，王海塔

（1.內(nèi)蒙岱海發(fā)電有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 烏蘭察布 013700；2.北京中智信息技術(shù)股份有限公司，北京 100176；3.中核沽源鈾業(yè)有限公司，河北 沽源 076561）

一種螺桿空壓機(jī)群供氣場(chǎng)合用氣流量在線估計(jì)方法

白永剛1，陳江華2，王海塔3

（1.內(nèi)蒙岱海發(fā)電有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 烏蘭察布 013700；2.北京中智信息技術(shù)股份有限公司，北京 100176；3.中核沽源鈾業(yè)有限公司，河北 沽源 076561）

文章在提出氣動(dòng)系統(tǒng)流量供、需匹配控制理念的基礎(chǔ)上及在螺桿空壓機(jī)群供氣壓力波動(dòng)的情況下，研究了如何從供氣系統(tǒng)供氣流量中挖掘出用氣系統(tǒng)需求壓力下的需求流量，這將對(duì)螺桿空壓機(jī)群的節(jié)能運(yùn)行有著重要意義。

螺桿空壓機(jī)；氣動(dòng)系統(tǒng)；需求流量；節(jié)能

1　螺桿空壓機(jī)群系統(tǒng)運(yùn)行建模

當(dāng)前，工廠生產(chǎn)車間供氣通常采用樹(shù)枝狀管道系統(tǒng)，為對(duì)螺桿空壓機(jī)的電氣比進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)及工廠氣動(dòng)系統(tǒng)的用氣流量進(jìn)行計(jì)量，螺桿空壓機(jī)群供氣過(guò)程中一般在每臺(tái)螺桿空壓機(jī)后面設(shè)置流量計(jì)，并且分氣缸上設(shè)置壓力傳感器，旨在對(duì)供氣壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，確保提供生產(chǎn)所需的供氣壓力。

本文按照氣動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行流程，將氣動(dòng)系統(tǒng)分為3個(gè)部分：①供氣系統(tǒng)。包括過(guò)濾器、冷干機(jī)和螺桿空壓機(jī)等。②輸送系統(tǒng)。包括空氣軟管、閥門、支管、主管以及儲(chǔ)氣罐等。鑒于輸送系統(tǒng)具有管道體積，已有特定的儲(chǔ)氣能力，在供氣壓力波動(dòng)情況下，該部分對(duì)氣動(dòng)系統(tǒng)的影響重要，在此把輸送系統(tǒng)擬合為某一體積的容腔，以便研究。③用氣系統(tǒng)。包括噴嘴、噴槍和氣缸等。按照工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)用氣設(shè)備是否受供氣壓力波動(dòng)的影響，可分為帶減壓閥等穩(wěn)壓調(diào)節(jié)裝置的氣動(dòng)設(shè)備和帶有減壓閥等穩(wěn)壓調(diào)節(jié)裝置的氣動(dòng)設(shè)備，前者壓縮空氣經(jīng)節(jié)流口1流入環(huán)境，后者壓縮空氣經(jīng)節(jié)流口2流入環(huán)境。

根據(jù)上述劃分，建立了工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)螺桿空壓機(jī)群運(yùn)行模型，如圖1所示。

圖1　工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)螺桿空壓機(jī)群運(yùn)行模型

螺桿空壓機(jī)群系統(tǒng)運(yùn)行供氣過(guò)程中，研究對(duì)象為容腔，整個(gè)模型相當(dāng)于容腔的充放氣過(guò)程，可看作是等溫過(guò)程，由容腔中壓縮空氣狀態(tài)有：

（1）

式（1）中，p和V分別是空氣的壓力（Pa）和體積（m3）；m和θ分別是氣體質(zhì)量（kg）和空氣的絕對(duì)溫度（K）；R是氣體常數(shù)，對(duì)于空氣，R=287 J/（kg·K）。

鑒于整個(gè)模型看作等溫過(guò)程，能夠微分得：

（2）

式（2）中，Q是t時(shí)間內(nèi)體積流量變化量（m3/s）；Qin和Qout分別是螺桿空壓機(jī)群產(chǎn)氣的體積流量和工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)用氣的體積流量（m3/s）；t和ρ分別是時(shí)間（s）和空氣的密度（kg/m3）。

2　用氣系統(tǒng)需求流量在線估計(jì)方案設(shè)計(jì)

通過(guò)上述式（2），若θa、V已知，依據(jù)供氣壓力的變化率以及供氣流量能夠獲得用氣系統(tǒng)的用氣流量，從而可將用氣流量中偽用氣流量清除，但是，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)θa及容腔體積V均是無(wú)法確定和準(zhǔn)確測(cè)量的。為了解決該問(wèn)題，結(jié)合螺桿空壓機(jī)群加/卸載運(yùn)行特性，提出了一種工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)螺桿空壓機(jī)群供氣場(chǎng)合用氣系統(tǒng)需求流量在線估計(jì)方案，具體估計(jì)方法實(shí)現(xiàn)過(guò)程為：

（1）在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)采集的供氣壓力時(shí)間序列數(shù)據(jù)中，以某一供氣壓力峰值ph為基準(zhǔn)。

（2）在ph兩側(cè)分別提取供氣壓力p0、p1（Δt為時(shí)間單位），供氣壓力特征信號(hào)提取如圖2所示。

圖2　供氣壓力特征信號(hào)提取示意

（3）在供氣流量時(shí)間序列數(shù)據(jù)中提取p0，p1對(duì)應(yīng)時(shí)刻的供氣流量值Qin0和Qin1，那么用氣系統(tǒng)用氣流量能夠通過(guò)下式獲得：

（3）

針對(duì)工廠級(jí)大慣性氣動(dòng)系統(tǒng)，鑒于2Δt時(shí)間短，在該時(shí)間內(nèi)可將用氣系統(tǒng)用氣流量視為不變，Qout0=Qout1，將式（3），（4）聯(lián)立解微分方程能夠獲得用氣系統(tǒng)供氣壓力ph下的用氣流量Qout0：

（4）以供氣壓力峰值ph過(guò)后的下一個(gè)供氣壓力谷值pl為基準(zhǔn)；在pl兩側(cè)分別提取供氣壓力p2，p3（Δt為時(shí)間單位）。

（5）在供氣流量時(shí)間序列數(shù)據(jù)中提取p2，p3（對(duì)應(yīng)時(shí)刻的供氣流量值Qin2和Qin3，那么用氣系統(tǒng)用氣流量能夠通過(guò)下式獲得：

同理，Qout2=Qout3，將式（6）、（7）聯(lián)立解微分方程能夠獲得用氣系統(tǒng)供氣壓力pl下用氣流量Qout2：（6）用氣設(shè)備運(yùn)行數(shù)量在生產(chǎn)相對(duì)穩(wěn)定的工況下能夠視為固定，因此，用氣系統(tǒng)用氣流量Qc大小恒定，供氣壓力p決定用氣流量Qp大小，在此假設(shè)Qp大小：

綜上，得到用氣系統(tǒng)中Qc、k的情況下，將p（用氣系統(tǒng)需求壓力）帶入，就能夠獲得工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)用氣系統(tǒng)需求流量。

3　結(jié)語(yǔ)

文章對(duì)供氣壓力波動(dòng)下工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)氣動(dòng)設(shè)備用氣流量的消耗特性進(jìn)行了研究，將氣動(dòng)系統(tǒng)劃分為3個(gè)部分（供氣系統(tǒng)、輸送系統(tǒng)以及用氣系統(tǒng)），建立了氣動(dòng)系統(tǒng)螺桿空壓機(jī)群運(yùn)行模型。同時(shí)基于該模型，提出了一種工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)螺桿空壓機(jī)群供氣場(chǎng)合用氣系統(tǒng)需求流量在線估計(jì)方法，此方法計(jì)算較為簡(jiǎn)單且結(jié)果具有精確性，能夠應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)螺桿空壓機(jī)群供氣場(chǎng)合用氣系統(tǒng)需求流量的在線估計(jì)，從而為螺桿空壓機(jī)群優(yōu)化運(yùn)行組合提供依據(jù)，螺桿空壓機(jī)群運(yùn)行負(fù)荷率低的問(wèn)題得到有效解決。

A Way of Gas Flow Line Estimation for Screw Compressor Group Supply Occasion

Bai Yonggang1， Chen Jianghua2， Wang Haita3
（1. Inner Mongolia Daihai Electric Power Generation Co，. Ltd.， Wulanchabu 013700， China； 2. Beijing CI Comstars Information Technology Co，.Ltd.，Beijing 100176， China；3.CNNC Guyuan Uranium Industry Co，.Ltd.， Guyuan 076561， China）

In this paper，the pneumatic system is divided into three parts，i.e. the gas supply system， conveyor system and gas system， the running model of pneumatic system of screw compressor group is built， the online estimation method for demand flow of gas system is proposed. How to dig out the demand flow under gas system requirements pressure from gas flow of gas supply system was studied in the case of gas pressure fluctuations of screw compressor group Based on the concept of pneumatic system flow demand and supply matching.

screw air compressor； pneumatic system； demand flow； energy conservation

白永剛（1981-），男，吉林松原；研究方向：汽輪機(jī)DEH熱工控制系統(tǒng)，機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。