基于DOE的空氣壓縮機供氣壓力參數(shù)優(yōu)化

阮紅倩， 雷 嘯， 袁玉通， 楊小雨， 金躍峰

（紅塔集團玉溪卷煙廠， 云南 玉溪 653100）

引言

空氣壓縮機（簡稱空壓機）在復(fù)烤生產(chǎn)過程中有重要作用，它生產(chǎn)壓縮空氣用以清除大量灰塵，帶動加濕器、氣動薄膜閥等?？諌簷C供氣壓力參數(shù)設(shè)置大部分是根據(jù)經(jīng)驗設(shè)置，但過程中常常出現(xiàn)頻繁持續(xù)加卸載的現(xiàn)象而造成能耗較高，原因是當(dāng)壓力小于壓力下限值時，空壓機工作處于加載狀態(tài)，工作電流急劇增加，能耗瞬間增加，使空壓機壓力增大；當(dāng)供氣壓力大于壓力上限值時，空壓機工作于卸載狀態(tài)，工作電流降低，使空壓機壓力隨之降低，如果設(shè)定的空壓機加卸載壓力范圍過寬，加卸載時間均較長，耗電量也就較高。

節(jié)能減排、降本增效是現(xiàn)代企業(yè)的發(fā)展趨勢，根據(jù)圖1可以看出空壓站耗電占復(fù)烤生產(chǎn)耗電量的7.2%，優(yōu)化空壓機供氣壓力參數(shù)設(shè)置有利于降低復(fù)烤生產(chǎn)過程中耗電量，將采用DOE實驗方法對其進行優(yōu)化。實驗設(shè)計（DOE）是通過科學(xué)的方法對實驗方案進行優(yōu)化設(shè)計，并對實驗結(jié)果進行系統(tǒng)分析的一種方法，不但可縮短實驗周期減少工作量，且可大大節(jié)約生產(chǎn)成本[1]。本文通過DOE方法系統(tǒng)研究空壓機供氣壓力下限值和區(qū)間值對電/氣的影響，從而得到優(yōu)化的參數(shù)。

1 實驗設(shè)計

本實驗以空壓機供氣壓力參數(shù)設(shè)定下限值、區(qū)間值2個參數(shù)作為優(yōu)化的變量參數(shù)（對于參數(shù)之間的交互作用不作考慮）進行DOE實驗設(shè)計，以產(chǎn)生每立方米空氣所消耗的電量（電氣比）為指標進行2因子2水平的正交實驗方案，其中參數(shù)的水平根據(jù)生產(chǎn)實際及設(shè)備情況分析設(shè)定，見表1。

圖1 復(fù)烤生產(chǎn)設(shè)備電能耗用情況

表1 DOE實驗參數(shù)和水平設(shè)置

根據(jù)表1進行相應(yīng)的實驗，采用Minitab16軟件進行2因子2水平全因子實驗設(shè)計，為了判斷中心點是否顯著，所以加了3個中心點。該實驗復(fù)制1次。以電/氣為響應(yīng)值。得到實驗數(shù)據(jù)結(jié)果如表2所示。

表2 實驗數(shù)據(jù)

2 實驗結(jié)果分析

根據(jù)表2實驗數(shù)據(jù)，使用Minitab16版軟件進行實驗數(shù)據(jù)分析，以下計算均由軟件提供，按照流程進行分析。表3是擬合選定模型分析表，然后進行殘差分析。表4為進行方差分析獲得的電/氣的P值。

表3和表4列出了主效應(yīng)P，2因子交互效應(yīng)P及其方差分析P值的大小。表4顯示主效應(yīng)和2因子交互作用中至少有一項P值小于0.05，表明應(yīng)拒絕原假設(shè)，即可以判定擬合選定模型總的說來是有效的[2]。從單因素效應(yīng)的檢驗結(jié)果可以看出：主效應(yīng)中，下限值和區(qū)間值效應(yīng)顯著，下限值P值為0.006，區(qū)間值P值為0.020，均小于0.05。標準偏差為0.021 216 4，R-Sq為85.07%，R-Sq（預(yù)測）為50.14%，R-Sq（調(diào)整）為75.12%。

表3 電/氣實驗設(shè)計分析結(jié)果

表4 電/氣的方差分析

圖2 因子效應(yīng)的Pareto圖（響應(yīng)為電/氣）

圖3 電/氣的主效應(yīng)圖

進一步進行分析，獲得如圖2所示的標準Pareto、電/氣的主效應(yīng)圖（圖3）和因子的交互作用圖（如下頁圖4）。從標準柏拉圖中可以看出，下限值對電/氣的影響最顯著，其次是區(qū)間值，交互作用對電/氣的影響甚微。電/氣的主效應(yīng)圖總結(jié)了響應(yīng)變量電/氣同兩個實驗因子的獨立關(guān)聯(lián)度，如圖3所示。下限值由低水平向高水平時，呈負相關(guān)，區(qū)間值由低水平向高水平時，呈正相關(guān)。從下頁圖4中可以看出，交互作用不顯著。

2 因子響應(yīng)優(yōu)化分析

采用Minitab軟件中的響應(yīng)優(yōu)化器模塊對電/氣進行了因予響應(yīng)優(yōu)化分析，如下頁圖5所示。目標是望小，復(fù)合合意性為0.458 55，當(dāng)下限值為056 MPa，區(qū)間值為0.06 MPa時，預(yù)測響應(yīng)值為1.662 4。

3 驗證實驗

根據(jù)響應(yīng)優(yōu)化分析結(jié)果進行驗證實驗，對空壓機供氣壓力參數(shù)下限值設(shè)置為0.56 MPa，上限值設(shè)置為0.62 MPa，重復(fù)三天，實驗結(jié)果為：y1=1.718 36 kWh/m3，y2=1.666 86 kWh/m3，y3=1.694 40 kWh/m3，y平均=1.693 21 kWh/m3。預(yù)測區(qū)間為 1.605 63～1.752 46 kWh/m3，置信區(qū)間為 1.640 70～1.717 38 kWh/m3，每個電氣比均在預(yù)測區(qū)間內(nèi)，平均值在置信區(qū)間內(nèi)。說明空壓機壓力供氣壓力參數(shù)設(shè)置下限值0.56 MPa，上限值0.62 MPa，可使電氣比最低。

圖4 電/氣的交互作用圖

在此基礎(chǔ)上，對這一供氣壓力參數(shù)運行時設(shè)備、生產(chǎn)運行情況進行監(jiān)控一周，均無異常情況。

4 結(jié)論

通過Minitab軟件中的DOE功能得到了可使電/氣最低的空壓機壓力運行參數(shù)，節(jié)約用電量，為企業(yè)降本增效作出貢獻。本實驗為空壓機運行參數(shù)優(yōu)化提供了一種思路，最優(yōu)的參數(shù)設(shè)置還應(yīng)該根據(jù)企業(yè)設(shè)備情況，生產(chǎn)具體情況進行。

圖5 響應(yīng)優(yōu)化圖及其結(jié)果