基于智能調度與平衡策略的壓縮空氣站運行效率提升研究

摘 要：【目的】針對工業自動化和智能制造背景下的壓縮空氣站運行效率低和能耗高的問題，優化壓縮空氣站布局與動力匹配，搭建能源效率管理平臺，建立能源綠色配置的數字化管控系統。【方法】采用現代智能傳感技術，結合理論分析，對壓縮空氣站的運行狀態進行實時監測，并采集相關數據。通過搭建能源效率管理平臺，實現對壓縮空氣站的集中管理和動態監控。應用自動模糊匹配控制技術，實現壓縮空氣站動力的自動匹配和實時調節。同時，開發數據無線傳輸和遠程控制應用程序，實現對壓縮空氣站的遠程監控和控制。【結果】通過搭建能源效率管理平臺，對壓縮空氣站實現了運行狀態的有效監控和管理，提高了壓縮空氣站的動力匹配效率。【結論】實時調節策略的實施，優化壓縮空氣站的運行效率。數據實時采集和無線傳輸技術的應用為遠程控制提供了可靠的數據支持。研究成果促進了壓縮空氣站運行效率的提升和企業能耗的降低。

關鍵詞：壓縮空氣站；能源效率；智能傳感；數字化管控

中圖分類號：TH455；TH411；TP272" 文獻標志碼：A" 文章編號：1003-5168（2025）01-0022-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.01.004

Research on Improving the Efficiency of Compressed Air Stations Based on Intelligent Scheduling and Balancing Strategy

LI Dongfang1 HUANG Zengyang2 ZENG Yanping3 FU Wentao2 LIN Haibin2 LUO Fangzan1" ZHU Huiyi1 CHEN Xuyang1

（1.School of Mechanical and Electrical Engineering， Quzhou College of Technology， Quzhou 324000， China;

2.Quzhou Academy of Metrology and Quality Inspection， Quzhou 324000， China;

3.Zhejiang Sunhi-Mach Co.，Ltd.， Quzhou 324000， China）

Abstract：[Purposes] In response to the efficiency and energy consumption issues of compressed air stations in industrial automation and intelligent manufacturing context， this paper optimizes the layout and power matching of compressed air stations， builds an energy efficiency management platform， and establishes a digital control system for energy-efficient resource allocation.[Methods] Using modern intelligent sensing technology and combined with theoretical analysis， the operating status of the compressed air station is monitored and the data are collected in real time. By building an energy efficiency management platform， the compressed air station can be centrally managed and dynamically monitored. The study applies automatic fuzzy matching control technology to achieve automatic matching and real-time regulation of the compressed air station's power. At the same time， a data wireless transmission and remote control application is developed to enable remote monitoring and control of the compressed air station.[Findings] By building an energy efficiency management platform， the effective monitoring and management of the operating state of the compressed air station is realized， and the power matching efficiency of the compressed air station is improved. [Conclusions] The implementation of the real-time adjustment strategy optimizes the operational efficiency of the compressed air station. The successful application of real-time data acquisition and wireless transmission technology provides reliable data support for remote control. The research results together contributed to the improvement of the operational efficiency of compressed air stations and the reduction of enterprises' energy consumption .

Keywords： compressed air stations; energy efficiency; smart sensors; digital controls

收稿日期：2024-10-08

基金項目：浙江省教育廳一般科研項目（Y202455816）；衢州市科技攻關競爭性項目（2023K266）；衢州職業技術學院校級科研創新團隊項目（XKCTD202206）；衢州職業技術學院新一批校級研究所（中心）項目（QZYJS202107）。

作者簡介：李東方（1986—），男，碩士，副教授，研究方向：智能制造裝備技術、綠色產業高質量發展。

0 引言

壓縮空氣是工業中常用的能源介質。壓縮空氣系統由氣源系統、冷卻循環水系統、儲氣罐、用氣設備等組成，能直接為生產線提供清潔無污染的空氣動力，被廣泛應用于采礦業、機械制造業、冶金業、土木工程、石油化學工業及國防工業中。工業和信息化部最新發布的《關于開展2021年工業節能監察工作的通知》中提出，將對鋼鐵、石化化工、有色金屬、建材等重點行業的壓縮空氣站用戶企業實施能效提升專項整治，促進企業節能降耗［1］。壓縮空氣站能耗占全國工業耗電總量的十分之一左右，節能潛力巨大，國家對壓縮空氣站的運行效率和能耗提出更高要求。以提高壓縮空氣站運行效率和降低企業能耗為目標，基于自動模糊匹配控制技術構建能源效率管理平臺，旨在為企業提供一個高效、節能、環保的壓縮空氣站運行解決方案。衢州擁有巨化集團、華友鈷業、仙鶴紙業、衢州元立等高能耗用氣企業，年耗電量已達100億kW·h，因此，需要對壓縮空氣站開展能源效率管理工作。傳統的能源效率管理僅通過使用節能型空壓機，忽略了整個壓縮空氣站運行的節能。在實際生產中，壓縮空氣站因超壓泄漏、壓力損失、調節滯后等造成的能源損耗要占壓縮空氣總能耗的30%以上［2］。根據《衢州市國民經濟和社會發展統計公報》中的數據，“十三五”期間，衢州市萬元生產總值能耗下降率呈現逐年降低趨勢，總體上由6.5%降至1.5%，預計未來兩年，衢州市萬元生產總值能耗將會上漲約2%。我國壓縮空氣站能源數字化管控技術起步較晚、普及程度不高，多采用電氣連鎖、自動加卸載、恒壓變頻等控制技術對空壓機進行集中控制，但未對整個壓縮空氣站能源配置進行有效管控。在實際生產中，壓縮空氣站的運行仍存在以下問題：一是負載變化大、存在壓力脈動、電動機頻繁啟停、電流沖擊大，設備故障頻發；二是流量和壓力調節采用溢流調節、電阻耗能、閘門節流等方法，空載運行時間長、超壓泄漏量大；三是工況調節滯后，需要人工查表、定時記錄、手動控制，耗時較長，調控滯后；四是供氣量與生產線需求不匹配、管線布局不合理，同時受大流量測試技術限制，導致難以形成與壓縮空氣站動力匹配技術，運行效率低、壓力損失大、能耗極高。因此，要實現自動化控制與匹配，降低能耗，提高運行效率和能源利用率，實現節能降耗已經成為當下亟須攻克的技術難題。

1 國內外研究現狀

國內外學者對壓縮空氣站的能源效率管理進行廣泛研究。Terrill等［3］提出一種基于熱響應的非侵入式測量壓縮空氣管道泄漏率的新方法。Sampedro等［4］提出一種基于熱力學動態行為的控制系統建模方法。Dib等［5］對壓縮空氣膨脹、壓縮的熱力學性能進行研究，并優化了壓縮空氣儲能系統。Eras等［6］提出一種新的用于評估壓縮空氣系統能源性能的六步驟局部能源基準方法，對空壓機能源效益評估系統進行分析，建立并驗證了能耗測量和核實的基線方法及其有效性和適用性。Mousavi等［7］指出空氣壓縮機系統對制造業的能源消耗和效率產生巨大的影響，驗證了系統能耗建模有效性和動態特性。Espindola等［8］采用能源強度及能耗比法對壓縮機節能進行分析。為消除系統動態運行和傳感器高敏感性對動力匹配的影響，提出一種自動模態匹配控制方法。Abela等［9］設計并實現了一種氣動自動化中的能量監控網絡物理系統。Bhowmik等［10］研究了電池和壓縮空氣存儲系統混合動力機組的綜合狀態變量，提出一種模糊整定動態PI大功率調節策略。

國內學者在壓縮空氣站的能源效率管理方面取得了一定的研究成果。Shi等［11］設計出一種用于評估和測量氣動系統功率的方法。裴利星［12］和張建平［13］分別利用合同能源管理技術對現有的礦機用空壓機進行集中控制。袁小慶［14］設計了一種空壓機站集散式控制系統。臧壘等［15］開發了一款壓縮空氣站監控自動化系統，實現了對潤滑油壓力、水溫油溫信號、轉速信號、壓縮空氣壓力信號等參數在線監測。孫薇［16］對如何優化原始結構設計和電氣控制進行研究，提高空氣壓縮機運行效率，并降低負荷波動。劉鎧誠等［17］采用分布式壓縮器儲能系統控制技術，優化了壓縮空氣站運行。李婷［18］優化了壓縮空氣流體管路的設計，實現壓縮機站的安全高效運行。鈕惠祥［19］通過籌劃空氣壓縮機站，實現備用機共享、集中管理、高效運維、統一調度、降低能耗、節能環保的目的。李奇等［20］基于大型空氣壓縮機站系統硬件構成，開發并優化了組態應用軟件，提高了系統整體的穩定性。趙欣儒等［21］利用壓縮空氣站供應及余熱能源收集再處理聯控技術，有效解決了壓縮空氣供應系統能源消耗過大問題。雷明［22］利用智能集控技術開展空壓機站管理，實現空壓機站的全域數據監控，提高管理工作效率，并降低運行成本。

綜上所述，國內外對壓縮空氣站的研究主要集中在水、油、天然氣等能源計量，對壓縮空氣能進行計量的研究相對很少。基于此，本研究設計并開發出一款集智能監測、遠程調控、實時調節、自動匹配、能源計量等功能于一體的壓縮空氣站能源綠色配置數字化管控系統，實現用氣耗能企業能源綠色配置，提高能源利用率，并降低成本，增強企業綜合競爭力，為實現能源領域碳中和目標貢獻力量。

2 能源管控主要研究內容與方法

以提高壓縮空氣站運行效率和降低企業能耗為目標，采用理論分析和智能傳感監測方法，對實時獲取的失穩壓縮空氣站運行狀態數據進行分析，優化布局與動力匹配，搭建壓縮空氣站能源效率管理平臺，形成能源綠色配置數字化管控系統，從而實現數據實時采集、狀態遠程監控、動力自動匹配、能耗科學計量，提高壓縮空氣站運行效率和降低企業能耗。

2.1 能源效率管理平臺搭建

采用大流量氣體測試技術、傳感技術和遠程智能校準控制模型開發壓縮空氣能源效率管理平臺的硬件系統，通過實時獲取氣源質量、管網泄漏、壓力損失、冷凝水量、氣量消耗等能源數據，為后續動力負載自動匹配和實時調節策略的實現提供基礎數據支持。

根據系統所需的技術特點，合理設計硬件框架結構。選用孔板法流量測試技術，合理選擇孔板材料和孔徑范圍、傳感器種類和數量，并確定壓力范圍，利用BIM三維系統技術優化測試點位布局。評估壓縮空氣站總流量，并選擇合適的儲氣罐，通常用體積V來表示，見式（1）。

[V=patQavH0f?Δω] （1）

式中：[pat]為罐體內壓力；[Qav]為估算壓縮空氣站總容量；[H0]為安德遜系數；[f]為氣流脈動頻率；[Δω]為壓縮空氣站的壓力損失。

根據氣動設備生產需求，確定壓縮空氣流量[Qx]、流速[vx]，并計算出孔板直徑[d]，見式（2）。

[d=4Qxπαε（2?Δp?ρ1）12] （2）

根據《用安裝在圓形截面管道中的差壓裝置測量滿管流體流量》（GB/T 2624—2006）標準規定和實際經驗，β取0.6，從而確定管道直徑[D]，見式（3）。

[D=d/β] （3）

壓縮空氣站總流量[Qav]見式（4）。

[Qav=π4?C?（1-β4）-1/2?ε?d2?（2?Δp?ρ1）12] （4）

式中：[α=C?（1-β4）-1/2=4Qxπd2（2?Δp?ρ1）12]；[ε=[（k?τ2k-1）（1-β41-β4?τ2k）（1-τ（k-1）/k1-τ）]12]；[C=0.596 1+0.026 1β2-0.216 β8+0.005 21（106βRed）0.7+[0.018 8+0.006 3（19 000 βRed）]β3.5（106βRed）0.3。]

根據流量計量公式，系統硬件搭建時會用到溫度、濕度、壓力、壓差、電流、電壓、振動等傳感器。通過對比選出的主控制芯片（可采用C8051F單片機）、高精度傳感器、AD等主要器件，繪制出PCB板構建硬件電路。對測試平臺進行充壓試驗和數據采集功能評估，保證平臺運行可靠性和有效性。利用工業編程軟件，開發調試完成監測平臺系統軟件設計。在合作企業進行現場應用，驗證其對壓縮空氣站運行狀態監測、運行效率分析、能源計量等功能的實現效果。

2.2 自動模糊匹配控制技術和實時調節策略實現

利用傳感技術對信號進行實時采集、傳輸、反饋和智能模態處理，快速查詢、對比動力消耗、氣源質量等關鍵參數，實現對壓縮空氣站運行狀態的實時評價和調節，形成壓縮空氣站動力自動模態匹配技術。根據動力自動模糊匹配方法的基本原理，對壓縮空氣站運行狀態參數、工況條件等進行評估。首先，建立運行參數、工況條件集合和匹配度集；其次，確定匹配因素的權重向量，并根據隸屬函數建立模糊關系矩陣；最后，得到綜合匹配向量。基于模糊理論原理構建動態權重機制的綜合模糊匹配的控制模型過程如下：設歸一化指標權重為W，當壓縮空氣站運行參數中出現m個異常指標的監測值越過了預警值，將其異常指標序號集合記為A；監測值在正常范圍內的指標為n個，將這樣的序號集合記為B。對超過預警值或異常指標的權重值進行調整，見式（5）。

[wi=wi0+1-k∈Awk0wi0]" "[i∈A] （5）

對其他的監測值正常范圍內的指標權重進行調整，見式（6）。

[wj=wj0+1-k∈Bwk0wj0]" "[j∈B] （6）

重調整機制保持式（7）中匹配指標體系權重的整體平衡性。

[i∈Awi+i∈Bwj=1] （7）

在壓縮空氣站的綜合匹配指標中，假設指標監測值越過了其對應報警值的有k個，則其集合記為C。按式（8）對淘汰匹配指標的權重進行修正。

[wi=ewi0x-αβ-α]" " [i∈C]" "（8）

式中：β為修正因子；x為淘汰匹配指標的監測值。

通常為淘汰報警的界限值，對模糊綜合匹配模型進行表示，見式（9）。

[Bi=Ai·Ri=Ai Ai1·Ri1Aij·Rij] （9）

式中：Bi為模糊綜合集合；Ai和Aij分別為相應條件的權重集合；Rij為模糊關系矩陣。

壓縮空氣站的匹配度集可分為四個等級，即好、較好、一般、較差。其中，“好”和“較好”狀態意味著無需調節，“一般”和“較差”意味著需要對系統進行進一步調節。根據模糊運算理論，通過動態模糊綜合運算，最終確定相應的匹配矩陣，根據隸屬度最大原則，確定設備的綜合狀態匹配結果為“很好”。基于神經網絡的匹配系統如圖1所示。

2.3 數據實時采集、無線傳輸與遠程控制實施

采用高精度傳感器技術實時采集壓力、溫度、壓差等數據，并通過有線或無線通信方式實現監測數據的遠程傳輸。采用工業互聯網技術監測各個子系統數據鏈接方式，基于無線自組織網絡的終端及無線自組織網絡的算法和協議，將各子系統獲得的數據通過網絡傳輸技術上傳到系統服務器，糅合各子系統的大量數據和站內控制過程，實現壓縮空氣站供氣流程工業數據分析能力，對數據進行處理挖掘，最終能把先進的自動模糊匹配控制技術和能耗管理、能源計量系統的數據庫相互關聯，便于控制策略對數據的調配和使用。基于軟件即服務（Software-as-a-Service）開發出適用于空壓機（站）能源綠色配置數字化管控場景的遠程控制應用程序APP，如圖2所示。

3 結語

通過搭建能源效率管理平臺，實現了對空壓機（站）運行狀態的集中扁平化管理和動態監控。該平臺能實時獲取關鍵能源數據，為動力負載自動匹配和實時調節策略的實現提供了基礎數據支持；通過自動模糊匹配控制技術，實現了對壓縮空氣站運行狀態的實時評價和調節；能快速查詢和對比動力消耗、氣源質量等關鍵參數，提高了壓縮空氣站的運行效率；通過高精度傳感器技術，實現了對壓縮空氣站關鍵參數的實時采集；無線通信方式的引入，實現了監測數據的遠程傳輸；遠程控制應用程序APP的開發，為壓縮空氣站的遠程控制提供了便利。

未來，可進一步提升系統的智能化水平，提高系統的自適應能力和預測維護能力，以實現更高效和可持續的能源管理。

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