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【摘 要】 本文在提出的气动系统流量供、需匹配控制理念的基础上，在螺杆空压机群供气压力波动的情况下，研究了如何从供气系统供气流量中挖掘出用气系统需求压力下的需求流量，这将对螺杆空压机群的节能运行有着重要的意义，其意义在于：通过此需求压力下的需求流量可以判断出当前螺杆空压机群机组运行组合是否是最优组合，如若不是，可根据此需求流量优化调整螺杆空压机群的机组运行组合，从而提高螺杆空压机群的運行负荷率，降低螺杆空压机群的运行能耗。
【关键词】 螺杆空压机;气动系统;需求流量;节能
1.螺杆空压机群系统运行建模
目前，工厂中常用树枝状管道系统对生产车间进行供气，在螺杆空压机群供气过程中，为了更好地监测螺杆空压机的产气效率（电气比），计量工厂气动系统的用气流量，通常每台螺杆空压机后面装有流量计进行流量计量。同时，为了保证生产所需的供气压力，通常在分气缸上装有压力传感器用以监测供气压力，如图1所示。
根据气动系统运行流程，本文将图1所示的气动系统划分成三个部分，即供气系统、输送系统及用气系统，各部分构成如下：
图1 工业现场典型气动系统运行流程图
（1）供气系统部分主要包括螺杆空压机、冷干机及过滤器等;
（2）输送系统主要包括储气罐、主管、支管、阀门、空气软管等，其作用是将气动系统的不同部分连接起来以最小的压力损失向用气点输送压缩空气。由于输送系统因为其具有管道体积，具备了一定的储气能力，这一部分对供气压力波动工况下的气动系统有着重要的影响，为了方便研究，本文将输送系统拟合成某一体积的容腔;
（3）用气系统主要包括气缸、喷枪及喷嘴等用气设备，根据工业现场用气系统用气设备是否受供气压力波动的影响，主要分为两类，一类简化为不带减压阀等稳压调节装置的气动设备，压缩空气经节流口1流入环境;另一类是带有减压阀等稳压调节装置的气动设备，通过稳压调节装置后，压缩空气经节流口2流入环境。
基于以上划分，本文建立如图2所示的工业现场螺杆空压机群运行模型。
图2 工业现场螺杆空压机群运行模型
螺杆空压机群系统运行供气过程中，以容腔为研究对象，整个模型相当于容腔的充放气过程，可看作是等温过程，由容腔中压缩空气状态有
（1）
式中，p为空气的压力，Pa;V为体积，m3;m为气体质量，kg;R为气体常数，对于空气，R=287J/（kg·K）;θ为空气的绝对温度，K。
由于是等温过程，可微分得
（2）
式中，t为时间，s;ρ为空气的密度，kg/m3;Q为t时间内体积流量变化量，m3/s;Qin为螺杆空压机群产气的体积流量，m3/s;Qout为工业现场用气的体积流量，m3/s。
2.用气系统需求流量在线估计方案设计
为了剔除用气系统用气流量中伪用气流量，首先要得到用气系统的用气流量。由式（2）中建立的模型可知，如果容腔体积V和θa已知，根据供气压力的变化率和供气流量（流量计计量的螺杆空压机群产气流量）可以求出用气系统的用气流量。然而工业现场供气管网的体积是无法准确测量的，θa也是无法确定的。为了消除工业现场未知的供气管网体积及压缩空气温度的影响，结合螺杆空压机群加/卸载运行特性，提出了一种工业现场螺杆空压机群供气场合用气系统需求压力下需求流量的估计方法。
方法实现过程如下：
（1）在工业现场采集的供气压力时间序列数据中，以某一供气压力峰值ph为基准;
（2）以Δt为时间单位在ph两侧分别提取供气压力p0和p1，如图3所示;
图3 供气压力特征信号提取示意图
（3）在供气流量时间序列数据中提取p0对应时刻的供气流量值Qin0，p1对应时刻的供气流量值Qin1，则用气系统用气流量可由下式得到
（3）
（4）
对于工厂级这种大惯性气动系统而言，由于2Δt时间很短，用气系统用气流量在这段时间内可看做是不变的，因此，Qout0=Qout1，联立式（3）和式（4）解微分方程可以求得用气系统供气压力ph下的用气流量Qout0
（5）
（4）以供气压力峰值ph过后的下一个供气压力谷值pl为基准;
（5）同样以Δt为时间单位，在pl两侧分别提取供气压力p2和p3，如图85所示;
（6）在供气流量时间序列数据中提取p2对应时刻的供气流量值Qin2，p3对应时刻的供气流量值Qin3，则用气系统用气流量可由下式得到
（6）
（7）
同理，Qout2=Qout3，联立式（6）和式（7）解微分方程可以求得用气系统的供气压力pl下用气流量Qout2
（8）
（7）由于在生产相对稳定的工况下，用气设备运行数量可看做是固定的，所以用气系统用气流量Qc大小是不变的，用气流量Qp大小也仅取决于供气压力p，这里假设Qp大小表示为：
（9）
式中：k为一次项系数。
由，求解得出
（10）
综上可得，在得到用气系统中Qc和k的情况下，通过带入用气系统需求压力p便可得到工业现场该稳定生产工况下的需求流量。
3.结束语
本文研究了供气压力波动下工业现场气动设备用气流量的消耗特性，在将气动系统划分为供气系统、输送系统和用气系统三个部分的基础上，建立了气动系统螺杆空压机群运行模型。在此模型的基础上，设计了螺杆空压机群供气场合用气系统需求供气压力下需求流量的在线估计方法，该方法根据供气压力、供气流量及供气压力一阶微分信号计算出用气系统需求压力下的需求流量。该方法计算简单、结果精确，可用于螺杆空压机群供气场合用气系统需求压力下需求流量的在线估计，进而为螺杆空压机群优化运行组合提供依据，从而较好地解决了螺杆空压机群运行负荷率低的问题。
【关键词】 螺杆空压机;气动系统;需求流量;节能
1.螺杆空压机群系统运行建模
目前，工厂中常用树枝状管道系统对生产车间进行供气，在螺杆空压机群供气过程中，为了更好地监测螺杆空压机的产气效率（电气比），计量工厂气动系统的用气流量，通常每台螺杆空压机后面装有流量计进行流量计量。同时，为了保证生产所需的供气压力，通常在分气缸上装有压力传感器用以监测供气压力，如图1所示。
根据气动系统运行流程，本文将图1所示的气动系统划分成三个部分，即供气系统、输送系统及用气系统，各部分构成如下：
图1 工业现场典型气动系统运行流程图
（1）供气系统部分主要包括螺杆空压机、冷干机及过滤器等;
（2）输送系统主要包括储气罐、主管、支管、阀门、空气软管等，其作用是将气动系统的不同部分连接起来以最小的压力损失向用气点输送压缩空气。由于输送系统因为其具有管道体积，具备了一定的储气能力，这一部分对供气压力波动工况下的气动系统有着重要的影响，为了方便研究，本文将输送系统拟合成某一体积的容腔;
（3）用气系统主要包括气缸、喷枪及喷嘴等用气设备，根据工业现场用气系统用气设备是否受供气压力波动的影响，主要分为两类，一类简化为不带减压阀等稳压调节装置的气动设备，压缩空气经节流口1流入环境;另一类是带有减压阀等稳压调节装置的气动设备，通过稳压调节装置后，压缩空气经节流口2流入环境。
基于以上划分，本文建立如图2所示的工业现场螺杆空压机群运行模型。
图2 工业现场螺杆空压机群运行模型
螺杆空压机群系统运行供气过程中，以容腔为研究对象，整个模型相当于容腔的充放气过程，可看作是等温过程，由容腔中压缩空气状态有
（1）
式中，p为空气的压力，Pa;V为体积，m3;m为气体质量，kg;R为气体常数，对于空气，R=287J/（kg·K）;θ为空气的绝对温度，K。
由于是等温过程，可微分得
（2）
式中，t为时间，s;ρ为空气的密度，kg/m3;Q为t时间内体积流量变化量，m3/s;Qin为螺杆空压机群产气的体积流量，m3/s;Qout为工业现场用气的体积流量，m3/s。
2.用气系统需求流量在线估计方案设计
为了剔除用气系统用气流量中伪用气流量，首先要得到用气系统的用气流量。由式（2）中建立的模型可知，如果容腔体积V和θa已知，根据供气压力的变化率和供气流量（流量计计量的螺杆空压机群产气流量）可以求出用气系统的用气流量。然而工业现场供气管网的体积是无法准确测量的，θa也是无法确定的。为了消除工业现场未知的供气管网体积及压缩空气温度的影响，结合螺杆空压机群加/卸载运行特性，提出了一种工业现场螺杆空压机群供气场合用气系统需求压力下需求流量的估计方法。
方法实现过程如下：
（1）在工业现场采集的供气压力时间序列数据中，以某一供气压力峰值ph为基准;
（2）以Δt为时间单位在ph两侧分别提取供气压力p0和p1，如图3所示;
图3 供气压力特征信号提取示意图
（3）在供气流量时间序列数据中提取p0对应时刻的供气流量值Qin0，p1对应时刻的供气流量值Qin1，则用气系统用气流量可由下式得到
（3）
（4）
对于工厂级这种大惯性气动系统而言，由于2Δt时间很短，用气系统用气流量在这段时间内可看做是不变的，因此，Qout0=Qout1，联立式（3）和式（4）解微分方程可以求得用气系统供气压力ph下的用气流量Qout0
（5）
（4）以供气压力峰值ph过后的下一个供气压力谷值pl为基准;
（5）同样以Δt为时间单位，在pl两侧分别提取供气压力p2和p3，如图85所示;
（6）在供气流量时间序列数据中提取p2对应时刻的供气流量值Qin2，p3对应时刻的供气流量值Qin3，则用气系统用气流量可由下式得到
（6）
（7）
同理，Qout2=Qout3，联立式（6）和式（7）解微分方程可以求得用气系统的供气压力pl下用气流量Qout2
（8）
（7）由于在生产相对稳定的工况下，用气设备运行数量可看做是固定的，所以用气系统用气流量Qc大小是不变的，用气流量Qp大小也仅取决于供气压力p，这里假设Qp大小表示为：
（9）
式中：k为一次项系数。
由，求解得出
（10）
综上可得，在得到用气系统中Qc和k的情况下，通过带入用气系统需求压力p便可得到工业现场该稳定生产工况下的需求流量。
3.结束语
本文研究了供气压力波动下工业现场气动设备用气流量的消耗特性，在将气动系统划分为供气系统、输送系统和用气系统三个部分的基础上，建立了气动系统螺杆空压机群运行模型。在此模型的基础上，设计了螺杆空压机群供气场合用气系统需求供气压力下需求流量的在线估计方法，该方法根据供气压力、供气流量及供气压力一阶微分信号计算出用气系统需求压力下的需求流量。该方法计算简单、结果精确，可用于螺杆空压机群供气场合用气系统需求压力下需求流量的在线估计，进而为螺杆空压机群优化运行组合提供依据，从而较好地解决了螺杆空压机群运行负荷率低的问题。