空壓機(jī)集群容量控制專利技術(shù)分析

鄧翠婷 謝婷婷

摘 要：壓縮機(jī)集群的容量控制是實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)組的節(jié)能運(yùn)行的重要手段，本文對該方面專利申請進(jìn)行分析，分析其專利技術(shù)領(lǐng)域，并概述了基于壓力和基于流量的兩類空壓機(jī)集群容量控制技術(shù)的專利技術(shù)發(fā)展路線，最后分析容量控制技術(shù)的未來研究熱點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：空壓機(jī)；壓縮機(jī)；集群；群控

中圖分類號：TH45 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

壓縮空氣源是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)非常重要的動力源，空氣壓縮機(jī)是產(chǎn)生壓縮空氣的設(shè)備。對于動力消耗大的行業(yè)，單臺空壓機(jī)無法滿足其生產(chǎn)需求，一般是采用空壓機(jī)系統(tǒng)，即設(shè)置多臺空壓機(jī)。為了確保空壓機(jī)組的正常運(yùn)行，需要對空壓機(jī)組實(shí)施集群控制管理，其中，容量控制是控制空壓機(jī)群的輸出壓力和供給量，實(shí)現(xiàn)供需平衡，對于空壓機(jī)群的容量控制，依據(jù)其控制參數(shù)的不同，可大體分為兩類，一是基于壓力的容量控制（簡稱壓力控制）；二是基于流量的容量控制（簡稱流量控制）。容量控制的研究意義在于提高空壓機(jī)群的運(yùn)行效率、降低運(yùn)行能耗上。

通過對專利文獻(xiàn)的分析發(fā)現(xiàn)，壓力控制始發(fā)于1980年，歷經(jīng)4個(gè)階段；流量控制則晚于壓力控制，始發(fā)于2001年左右，歷經(jīng)3個(gè)階段。

1 基于壓力的容量控制專利技術(shù)

1.1 技術(shù)領(lǐng)域分析

壓力控制是指根據(jù)檢測到的儲氣罐壓力或者用氣壓力來控制空壓機(jī)組出口的供氣壓力。壓力控制主要分為4個(gè)分支，分別是階梯式控制、變頻式控制、臺數(shù)控制和壓力預(yù)測控制。

變頻式控制是當(dāng)前空壓機(jī)集群容量控制的研究重點(diǎn)，且技術(shù)也較為成熟，專利申請占比46.39%。階梯式控制和臺數(shù)控制申請量相當(dāng)，分別為28.87%和21.13%。壓力預(yù)測控制起源較晚，申請量最少，為3.61%，然而，對于用氣壓力波動較為頻繁的場合，壓力預(yù)測控制由于能根據(jù)預(yù)測結(jié)果提前控制空壓機(jī)組的運(yùn)行情況，使得供氣壓力和用氣壓力快速匹配，因此，預(yù)測基于壓力控制的容量控制方面接下來的研究重點(diǎn)應(yīng)在于此。

1.2 專利技術(shù)發(fā)展路線

圖1為基于壓力的容量控制專利技術(shù)發(fā)展路線圖。從時(shí)間脈絡(luò)來看，階梯式容量控制起源最早，開始于1980年的美國專利申請；隨后興起的是變頻式容量控制，啟蒙于1991年的美國專利申請；同時(shí)代發(fā)展的還有由日本日立公司于1995年提出的臺數(shù)控制。壓力預(yù)測控制最晚，興起于2009年。

從橫向來看，每個(gè)分支的控制方式也各有發(fā)展。對于階梯式容量控制，早期的美國專利申請US4184341是通過壓力開關(guān)來控制不同空壓機(jī)的啟停，且每個(gè)壓力開關(guān)對應(yīng)不同梯度的壓力閾值；之后，日本專利申請JP2001140768則是采用壓力傳感器來控制空壓機(jī)組的運(yùn)行，并且，隨后涌現(xiàn)了一批結(jié)合壓力梯度和空壓機(jī)加卸載情況來充分控制空壓機(jī)運(yùn)行以防止空壓機(jī)頻繁啟停的專利申請。

對于變頻式容量控制，根據(jù)應(yīng)用場合的壓力波動情況，分為工頻+變頻、全變頻兩種變頻控制方式。美國申請US5050397于1991年提出了空壓機(jī)組采用變頻+工頻的組合形式；變頻控制為企業(yè)帶來了不少的經(jīng)濟(jì)利益，為使得空壓機(jī)組適應(yīng)更多的壓力需求，美國申請US2002116938于2002年提出了采用全變頻的空壓機(jī)組；之后，國內(nèi)也在變頻式控制方面做出了不少研究，如專利申請CN201310220386提出了根據(jù)等能力輸出原則來控制工頻空壓機(jī)和變頻空壓機(jī)的輸出；CN201521128703根據(jù)用氣端和空壓機(jī)出口處的壓力差來控制壓縮機(jī)的出力 。

對于臺數(shù)控制，在萌芽時(shí)期，日本專利申請JPH08296565是根據(jù)檢測壓力來計(jì)算空壓機(jī)的運(yùn)行臺數(shù)，提高空壓機(jī)運(yùn)行效率；至發(fā)展中期，中國專利申請CN201180004917提出了臺數(shù)控制器基于臺數(shù)減少用壓力來控制運(yùn)轉(zhuǎn)臺數(shù)，且該壓力被設(shè)定為隨著運(yùn)轉(zhuǎn)臺數(shù)的增多而變低；2014年，日本專利申請JP2015190322 則明確了根據(jù)壓力變化量來確定空壓機(jī)組的運(yùn)行臺數(shù)。

對于壓力預(yù)測控制，如何預(yù)測壓力并保證該壓力的準(zhǔn)確性是研究的重點(diǎn)，如日本專利申請JP2010190108聚焦于根據(jù)歷史壓力情況來模擬壓力變化預(yù)測壓縮機(jī)運(yùn)行情況；中國專利申請CN200910052171則提出了對壓力進(jìn)行建模以預(yù)測壓力變化。

2 基于流量的容量控制專利技術(shù)

2.1 技術(shù)領(lǐng)域分析

基于流量的容量控制技術(shù)是依據(jù)壓縮空氣的用氣量來控制空壓機(jī)組的運(yùn)行情況。根據(jù)用氣量的獲取方式的不同，容量控制分為使用傳感器、不使用傳感器以及流量預(yù)測3種控制方式。其中不使用傳感器的控制中的用氣量可從基于壓力來計(jì)算或是通過建模獲得。從專利申請量來看，使用傳感器控制占比最大，達(dá)到61.36%，不使用傳感器的控制占比次之，為25%，而流量預(yù)測控制占比最少，為13.64%。

2.2 專利技術(shù)發(fā)展路線

相較于基于壓力的容量控制技術(shù)而言，基于流量的的容量控制技術(shù)萌芽較晚，開始于2001年，典型的是日本專利申請JP2003035273 提出的采用流量檢測裝置來檢測用氣量以控制空壓機(jī)組的運(yùn)行情況；在不使用傳感器控制的研究中，集中在于通過計(jì)算或者建模的方式來獲取用氣量，如2002年，日本專利申請JP2003214354研究了根據(jù)流量變化情況計(jì)算用氣量。在流量預(yù)測控制方向上，日本專利申請JP2013194628率先于2012年提出了預(yù)測用氣量情況控制空壓機(jī)組的運(yùn)行的方法；中國專利申請CN201610971172于2016年提出了根據(jù)壓力、儲氣罐容積預(yù)測用氣量情況。

結(jié)語

本文通過對空壓機(jī)集群控制在容量控制方面上的專利申請的技術(shù)分析得出了該領(lǐng)域的技術(shù)密集區(qū)和潛在的技術(shù)發(fā)展點(diǎn)，總結(jié)如下：

（1）從時(shí)間節(jié)點(diǎn)上來看，空壓機(jī)集群控制起源于20世紀(jì)80年代左右，2005年之前為穩(wěn)步發(fā)展時(shí)期，2005年之后為高速發(fā)展時(shí)段，申請量具有較大的飛躍。

（2）各分支主要技術(shù)的起源發(fā)展均來自國外，如階梯式控制和變頻式控制均起源于美國。

（3）基于流量的容量控制將逐漸取代傳統(tǒng)的基于壓力的容量控制方法，其中的壓力預(yù)測和流量預(yù)測的容量控制方法在預(yù)測算法、控制精度上還有很大發(fā)展空間，將是容量控制領(lǐng)域未來的研究重點(diǎn)。

目前來看，我國空壓機(jī)群控技術(shù)和世界上先進(jìn)水平還有很大差距，然而，中國的許多科研機(jī)構(gòu)也越來越重視該領(lǐng)域，并且也投入了大量精力和資金，中國申請人在借鑒國外技術(shù)的同時(shí)，應(yīng)多研究該領(lǐng)域的前沿技術(shù)，增強(qiáng)我國的綜合技術(shù)的競爭力。此外，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)的合作，逐步縮小與國外水平的差距。

參考文獻(xiàn)

[1]張瑞平，趙軍.空壓站集群控制系統(tǒng)研究[J].壓縮機(jī)技術(shù)，2016（6）：99-101.

[2]洪武，毛劍琳.空壓機(jī)集群節(jié)能與智能控制研究[J].自動化與儀器儀表，2015（6）：34-35.