基于压力控制的工业压缩空气供需平衡控制系统的设计及应用研究

　　由于具有晰透明、无染、没有危险、易输基金项目，中国电机系统节能项目，联合国工业发展组织/美国劳伦斯伯克利国家。系统正常工作状态下，手68动控制阀（MV1、MV2和MV3）和电动控制阀均处于关闭状态，而由调节阀（EV）根据控制系统设定的目标压力和压力流童控制系统下游采集到的实际压力，通过阀门定位器（PO）不断改变其开度来维持压力流量控制器下游的输出压力一直处于稳定状态。该系统还能通过监测下游压力变化率和上下游压差的大小，通过软件处理对系统的负荷变化做出提前反应。系统主要执行装置如所示。

　　2系统节能原理压缩空气系统的供气侧和用气侧之间互相作用、互相影响，是一个动态的平衡过程。供需平衡控制系统的节能原理实际上主要表现在以下三个方面。

　　2.1减少压缩空气消耗用气侧压缩空气消耗主要由有压力控制的用气设备的用气（如数控机床、喷漆设备等）和没有压力控制的用气（如泄漏、开路吹扫等）组成。

　　根据流体力学原理，压缩空气的流童在一定的供气压力范围内与压缩空气作用在管道上的压力成正比关系。下面就工业中常用的以压缩空气作为驱动力的气缸为例，说明压缩空气供需平衡控制系统降低系统供气压力进而降低系统耗气量的原理：气缸的耗气量与气缸的活塞直径U、活塞杆直径么活塞行程L以及单位时间往复次数N有关，对于一个典型的单出杆双作用式气缸，考虑到泄漏，活塞往复一次所耗的压缩空气量折算到大气压力九（绝对压力）下的空气体积为可见，当气缸进气的压力下降时，压缩空气的消量也是成比例下降的。

　　是依据实验资料绘制的压缩空气（流童系数为。61）通过不同直径小孔的流童随供气压力的变化曲线w.由可以看出，随着压力的上升，压缩空气流经小孔的流量明显上升，系统供不同直径小孔在不同压力下的压缩空气流量气压力每增加0.OIMPa，通过小孔流到大气的流量将增加1.43%.据统计，在压缩空气系统中，没有压力控制的用气（包括压缩空气的直接使用、开路吹扫和泄漏等）在工业使用中通常占到系统总用气的30%50%，有时会更高。按此比例计箅，压缩空气系统实际供气压力如果比合理的供气压力篼O.OIMPa，则没有压力控制的用气设备耗气童会增加0.428%0.714.另外，空气压缩机功率消耗与排气压力的关系为：排气压力每增加O.OIMPa，空压机功率将增加约0.714%.两者综合起来分析，对于一个供气压力约为0.7MPa的压缩空气系统来说，供气压力比系统实际箱求的压力篼0.IMPa，则空压机能源消耗将增加11.42%14.28%.如果在系统中安装压力流童控制系统，就可以以系统可以接受的*低供气压力向系统供气，控制系统的压缩空气消耗量，达到节能目的。

　　2.2提离系统运行可靠性单独的储气罐也有一定的储气缓冲作用，但是安装平衡控制系统后其作用可以得到很大的增强，不但可以稳定系统供气压力，而且可以提高系统可靠性。单独的储气罐如同湖泊，而加装压力流量控制系统后如同在湖泊的出口建造了水坝，使湖泊成为一个水库。当湖泊的水位上升时，水的泄放流量很大，而建造了水坝之后，就可以根据下游的需要控制水流量。在大多数压缩空气系统当中，压缩机的排气压力的设定值是高于目标压力的，因为只有在储气罐内压力高于实际用气的*低压力时，储气罐才具有缓冲储气的作用。有了平衡控制系统，可有效地提篼储气罐的有效储气能力，多存储的气量可以通过下述方法进行估算：设储气罐的容积为为储气罐压力（绝对压力），九为压力流童控制系统的出口压力（绝对压力），/>.为大气压力（绝对压力），则忽略压缩空气经过节流前后的温度变化，根据Boyle定律，即为常数，经推导可得系统的储气量为通过上述分析可知，合理配置储气罐的容量和压力以及流量控制系统前后压力差便能连续、有效地满足波动的用气需求，在降低系统能耗的同时系统的可靠性也得到提高，具体体现在如下方面：由于压力流量控制器系统的稳压作用，系统的供气压力不再大幅波动，系统中的用气设备运行将更为可靠平稳，对提篼产品质量、减少废品有相当益处，间接降低了企业的生产成本。

　　由于系统的压缩空气储能童增加，当系统中某台空压机因故瘅停机时，系统压力下降较没有压力流量控制系统时的压力下降缓慢，可供操作人员反应的时间也相应延长，提篼了系统运行的可靠性。

　　2.3提离空压机运行效率由于压缩机的*佳效率点的运行压力很难与实际需求的压力相吻合，在没有供需平衡于控制系统的情况下，若压缩机运动在高效率点附近，那么实际提供的压缩空气的压力可能大大高于所需要的实际压力，势必增加系统不必要的用气童；而降低系统供气压力可能会造成压缩机频繁上下载，使压缩机运行效率下降，不仅造成压缩空气系统的能源浪费，而且缩短了空压机的使用寿命。安装了供需平衡控制系统后，压缩机仍然可以运行在篼效率点，而由供需平衡控制系统控制压缩空气系统的供气压力，可使得系统在生产负荷一致的情况下，压缩空气消耗量有所减少，进而使空压机加载时间减少，从而达到节能目的。

　　3控制系统应用效果为了验证平衡控制系统在压缩空气系统优化运行中的实际效果，分别在泵铸造分厂和烟草厂的压缩空气系统中安装了系统供需平衡控制系统，并进行了控制系统运行前后的节能效果对比测试试验。

　　3.1泵铸造分厂应用试泵铸造分厂压缩空气系统由一台20m3/min蝶杆式空压机和三台lOmVmin活塞式空压机组成，压缩空气主要用于铸件打磨、输砂等工艺，正常生产时，一台20mVmin杆式空压机和两台lOmVmin活塞式空压机运行，生产高峰时所布空压机均处于运行状态。通过对压缩空气系统的压力、流童和空压机功率进行为期一周的测试发现，系统在生产时压力*低为。42MPa，*篼为068MPa.为系统出现*低和*篼供气压力当天白天6h时间内的压力曲线。

　　时间t/h田4系统压力变化曲线在压缩空气系统中安装平衡控制系统后，目标压力控制在45士0OIMPa，系统流量明显降低，系统在停开一台lOmVmin空压机时仍能满足系统需求，通过澍试，节能率达15.8%. 3.2烟草厂应用试验烟草厂压缩空气系统由三台21.5mVmin的无油空压机组成，正常生产条件下两台空压机运行。改造前系统供气压力在0.680.72MPa之间波动，在对生产工艺中压缩空气压力需求进行细致调研和对系统压力、流量和空压机功率进行测试后，根据系统压力波动比较频繁的特点，在原压缩空气系统上增加了供需平衡控制系统，系统出口供气目标压力设定为0.605士0、01MPa.由于供需平衡控制系统的控制作用，系统的供气侧可以按系统实际需要的压力对系统恒压供气，使系统的平均供气压力降低，人为虚假用气ft也随之降低，因而使空压机在满足相同工况的生产要求时的上载率明显下降。为车间生产稳定时压缩空气供需平衡控制系统退出运行和投入运行时空压机功率的监测数据，25min时为系统切换时间点。从图中可以看出，在供需平衡控制系统投人运行后，2空压机的卸载时间和间隔都明显延长。对系统运行和停止运行后的空压机功率进行加权平均，得到压力流量控制系统运行时，两台空压机的平均功率为176. 30kW，压力流童控制系统停止运行时，两台空压机的平均功率为4结语在压缩空气系统中应用供需平衡控制系统，通过配置适当容量的储气罐对系统供气压力进行控制，并根据系统负荷变化特点对空压机压力控制带进行适当设定，可以在提篼系统供气质量的同时提篼整个压缩空气系统的运行效率，达到相当好的节能效果。