一種螺桿空壓機群供氣場合用氣流量在線估計方法

白永剛，陳江華，王海塔

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

一種螺桿空壓機群供氣場合用氣流量在線估計方法

白永剛1，陳江華2，王海塔3

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

文章在提出氣動系統(tǒng)流量供、需匹配控制理念的基礎上及在螺桿空壓機群供氣壓力波動的情況下，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，這將對螺桿空壓機群的節(jié)能運行有著重要意義。

螺桿空壓機；氣動系統(tǒng)；需求流量；節(jié)能

1　螺桿空壓機群系統(tǒng)運行建模

當前，工廠生產(chǎn)車間供氣通常采用樹枝狀管道系統(tǒng)，為對螺桿空壓機的電氣比進行有效監(jiān)測及工廠氣動系統(tǒng)的用氣流量進行計量，螺桿空壓機群供氣過程中一般在每臺螺桿空壓機后面設置流量計，并且分氣缸上設置壓力傳感器，旨在對供氣壓力進行監(jiān)測，確保提供生產(chǎn)所需的供氣壓力。

本文按照氣動系統(tǒng)運行流程，將氣動系統(tǒng)分為3個部分：①供氣系統(tǒng)。包括過濾器、冷干機和螺桿空壓機等。②輸送系統(tǒng)。包括空氣軟管、閥門、支管、主管以及儲氣罐等。鑒于輸送系統(tǒng)具有管道體積，已有特定的儲氣能力，在供氣壓力波動情況下，該部分對氣動系統(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)場用氣設備是否受供氣壓力波動的影響，可分為帶減壓閥等穩(wěn)壓調(diào)節(jié)裝置的氣動設備和帶有減壓閥等穩(wěn)壓調(diào)節(jié)裝置的氣動設備，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)場螺桿空壓機群運行模型，如圖1所示。

圖1　工業(yè)現(xiàn)場螺桿空壓機群運行模型

螺桿空壓機群系統(tǒng)運行供氣過程中，研究對象為容腔，整個模型相當于容腔的充放氣過程，可看作是等溫過程，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）和空氣的絕對溫度（K）；R是氣體常數(shù)，對于空氣，R=287 J/（kg·K）。

鑒于整個模型看作等溫過程，能夠微分得：

（2）

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

2　用氣系統(tǒng)需求流量在線估計方案設計

通過上述式（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θa及容腔體積V均是無法確定和準確測量的。為了解決該問題，結(jié)合螺桿空壓機群加/卸載運行特性，提出了一種工業(yè)現(xiàn)場螺桿空壓機群供氣場合用氣系統(tǒng)需求流量在線估計方案，具體估計方法實現(xiàn)過程為：

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

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

圖2　供氣壓力特征信號提取示意

（3）在供氣流量時間序列數(shù)據(jù)中提取p0，p1對應時刻的供氣流量值Qin0和Qin1，那么用氣系統(tǒng)用氣流量能夠通過下式獲得：

（3）

針對工廠級大慣性氣動系統(tǒng)，鑒于2Δt時間短，在該時間內(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過后的下一個供氣壓力谷值pl為基準；在pl兩側(cè)分別提取供氣壓力p2，p3（Δt為時間單位）。

（5）在供氣流量時間序列數(shù)據(jù)中提取p2，p3（對應時刻的供氣流量值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）用氣設備運行數(shù)量在生產(chǎn)相對穩(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)場用氣系統(tǒng)需求流量。

3　結(jié)語

文章對供氣壓力波動下工業(yè)現(xiàn)場氣動設備用氣流量的消耗特性進行了研究，將氣動系統(tǒng)劃分為3個部分（供氣系統(tǒng)、輸送系統(tǒng)以及用氣系統(tǒng)），建立了氣動系統(tǒng)螺桿空壓機群運行模型。同時基于該模型，提出了一種工業(yè)現(xiàn)場螺桿空壓機群供氣場合用氣系統(tǒng)需求流量在線估計方法，此方法計算較為簡單且結(jié)果具有精確性，能夠應用于工業(yè)現(xiàn)場螺桿空壓機群供氣場合用氣系統(tǒng)需求流量的在線估計，從而為螺桿空壓機群優(yōu)化運行組合提供依據(jù)，螺桿空壓機群運行負荷率低的問題得到有效解決。

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DEH熱工控制系統(tǒng)，機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。