一种基于能效实时监测的离心空压机组智慧群控方法与流程

1.本发明涉及空压机控制技术，特别涉及一种基于能效实时监测的离心空压机组智慧群控技术。


背景技术：

2.压缩空气作为流程工业第四大能源，其应用涉及到几乎所有的流程工业的行业领域。在工业能耗中，压缩空气能耗占比高达8.7％。如果考虑15％
‑
30％的节能优化空间，那么这个市场在国内就可以达到540
‑
1100亿元的量级，这个量级还会随着流程工业的发展，进一步提升。从这一点出发，压缩空气系统的优化运行，是企业绿色生产，可持续性发展的重要组成环节。随着用户生产水平的发展和提升，现在用户对压缩空气系统的要求越来越高：高品质、高能效、高稳定性和高交互能力的智慧空压站已经成为压缩空气系统必备的基本特征。其中高品质的要求的一个重要方面，是用户对压缩空气的无油的要求，这也是压缩空气的必然发展趋势。对于无油大流量压缩空气系统而言，离心机和离心机组是必然的选择。
3.但是对于离心空压机而言，由于其自身特性，在压缩过程中，在内压和管网外部压力之间的变化过程中存在着喘振的现象。这一现象的存在，是制约压缩空气系统控制安全顺行的核心关键所在。在实际运行环境条件下，受用户需求压缩空气用量波动的限制，对于给定选型的压缩机可能存在复杂的喘振机制。主要体现为海拔高度、进口空气温湿度、外网用气规律和压缩机自身特性等多重因素，复杂耦合形式的影响。对于不同的压缩机厂家而言，离心压缩机的喘振特性属于企业内部机密的参数，一般是不提供给外部用户的。同时，大多数厂家，目前对于不同工况下喘振的特性，实际上也并没有做到能够良好的多因素补偿。或者说，其本身的喘振线也还存在需要多方位修正的问题，同时防喘曲线与喘振线之间的安全余量也需要进一步优化。这些因素，都导致要从外部对离心空压机进行群控存在着天生的难度。
4.另外，即便是现有的国内外离心空压机厂商，针对离心空压机的控制，绝大多数采用的是单机控制方法。这种控制方法虽然可以保证每台机器在运行过程中能够独立就地控制，不出现喘振。但是，也正是由于这种控制方法，直接导致在运行荷载与设计工况存在较大偏差的大部分情况下，多机联运时存在无法避免的典型高能耗特征：不同机器加卸载不同步，系统中有机器在卸载放空，而其它机器却在持续加载。大量压缩空气被外放，对于一分气十分电的高能耗压缩空气系统而言，能耗进一步恶化。这种情况在采用大安全余量的设计、运行和管理体下，选型的单一，造成系统调节能力本身就受限。离心空压机本身又只能通过进口导叶与旁通放散阀的方式来实现单机调节，对于工艺需求存在大幅度阶跃式波动的系统，这些问题的叠加，就会造成基于离心空压机的空压站，存在能耗高、放空量大、噪声高的缺陷。
5.针对离心空压机而言，其本身的高效率必然出现在设计工况条件下，投运离心机长期满载运行，是对应压缩空气系统高效运行的关键所在。那么对于给定选型的，基于离心
空压机组运行的空压站，离心压缩机组的高效群控，就具有非常重要的意义。


技术实现要素：

6.本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种基于能效实时监测的离心空压机组智慧群控方法。
7.为解决技术问题，本发明的解决方案是：
8.提供一种基于能效实时监测的离心空压机组智慧群控方法，包括以下步骤：
9.(1)为离心空压机组中的每台离心空压机的放散管路安装放散流量计；监测离心空压机组和单机的实时运行数据，以及各进口导叶开度igv
i
、旁通放散阀的关度bov
i
；
10.(2)针对单机控制情况下机组存在放空的工况，先进行预调，将单位能耗相对更大的单机作为放空的优先选择对象；使能耗相对更低的单机满载工作；
11.(3)第一次调节：由不放空但运行单耗最高的机器开始，逐渐降低进口导叶开度igv
i
，使其运行电流i
i
逼近对应的安全电流i
si
，进口导叶开度igv
i
调节下限对应最小电流取值为i
si
；此时处于机组中处于放空状态的单机，会自主按照单机控制的防喘策略提升对应旁通放散阀的关度以降低放散量；当相对单耗最高的离心机的进口导叶开度已达到安全界限时，再调节单耗次高的离心机；后续操作依次类推；
12.第一次调节存在两种可能的结果：
13.结果一：对部分单机进行调控后，原先放空的机组可完全实现不再放空(此时进入第二类控制方式)；
14.结果二：对部分单机进行调控后，出现单机运行电流i
i
等于安全电流i
si
的工况，但还是无法避免放散；则在仍然放空的单机中，停运单耗相对最高的那一台，首先实现机组放散极小化；
15.(4)第二次调节，在保持机组放散极小化之后的放散总量q
d
不变的前提下，对机组旁通放散阀关度和对应的进口导叶开度进行整体优化调节，使机组整体运行功耗的取值极小化：
16.记录各单机对应的旁通放散阀关度、进口导叶开度、运行单耗，以及机组整体运行功耗ε1；保持放散总量q
d
不变；统一调节各单机的进口导叶开度和旁通放散阀关度，并记录机组整体运行功耗ε2，分析符号函数sgn(ε2‑
ε1)的变化情况；如果符号为正代表调整后整体运行功率上升，调整方向错误；如果符号为负，则代表整体平均调节的方式具有使运行能耗降低的效益，调整方向正确；对于放空离心机中关度取值最大的单机，降低其进口导叶开度和旁通放散阀关度，保持放散总量q
d
不变；记录每次调整前的整体能耗为ε1，调整后的整体能耗为ε2，继续符号函数监测sgn(ε2‑
ε1)的变化情况，如为负则继续调整，否则停止调控；
17.重新对处于放散状态中各单机的进口导叶开度和旁通放散阀关度进行排序，循环重复本步骤前述调控策略，直至在放散总量不变的条件下，使得sgn(ε2‑
ε1)为正；然后逆向执行调控，使得sgn(ε2‑
ε1)为负；
18.缩小调节区间，重复上述步骤；当调节区间达到精度的限制取值时，取最后一次sgn(ε2‑
ε1)为负的状态为最优取值；此时机组运行状态为放散极小化且整体能耗极小化。
19.本发明中，步骤(2)中所述预调具体包括：首先对运行机组中进口导叶开度和旁通放散阀的关度按照大小进行排序，计算各单机的单位能耗并进行排序；如果当前放空的离
心机不是能耗大的单机时，以保持放空总量为前提，将单耗取值大的单机作为优先选择对象执行群控开始前的放空操作；将放散量最大的单机，优先选择为单耗最大的单机；放空单机不唯一时，按照统计的放散量的大小，选择单耗高的单机。
20.本发明中，步骤(3)中，停运单耗相对最高的单机时应先卸载，等各投运离心机导叶自动调整后再停机。
21.本发明中，当机组本身就不放散或经步骤(3)中第一次调节后机组完全不再放空，同时机组内部单机存在运行特性差异较大的工况时，按下述方式进行调控：
22.(1)记录各单机的旁通放散阀关度、进口导叶开度、运行单耗，以及机组整体运行功耗ε1；在保持总管流量或总管压强不变的前提下，将进口导叶开度最大和最小的两个单机进行配对；按照给定的初始范围，同步关小最大开度且提升最小开度，记录机组整体运行功耗ε2；
23.(2)分析符号函数sgn(ε2‑
ε1)的变化情况，如果平均开度的操作使符号函数为结果负，代表调控有效；则重新对各进口导叶开度的取值进行排序，重复该调节操作；持续以该调节范围为目标的调整方式，直到出现符号函数sgn(ε2‑
ε1)为正值的情况，覆盖ε1；对最后一次调整进行拟调节，恢复到最后一次调节前的状态；此时将调节范围缩小一倍，将当前开度最大和最低的两个单机重新配对，在更新调节范围后，分析符号函数sgn(ε2‑
ε1)，如果为负，则代表能开展新调节范围下的二次循环调整；如果符号函数结果为正，则再次恢复到最后一次调节前工况，并覆盖ε1；然后将调节范围再次缩小一倍，如果此时调节范围在最小精度之上，则再次开始循环调节；如果对应调节范围的取值已低于最小精度取值，表示调节已经无法再推进，调节结束；此时机组运行状态为放散极小化且整体能耗极小化。
24.本发明中，所述机组内部单机存在运行特性差异较大的工况是指，在同一个空压机组中，不同离心机的进口导叶开度和旁通放散阀开度状态相互差异明显；如出现下述任意一种情况，即视为运行特性差异较大：(1)在各离心机的旁通放散阀关度均为100％的条件下，如果不同离心机的进口导叶开度差异大于10％；(2)同时存在有离心机的进口导叶开度大于50％，以及旁通放散阀关度低于95％的工况，表明机组中的离心机还有调节空间，但是已有离心机开始放散；(3)不同离心机的运行单耗差异在3％以上。实际生产中，可根据反馈数据采用“或“的逻辑关系进行编程设定，对机组内部各单机运行工况进行监控。
25.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
26.1、利用本发明的离心空压机组智慧群控方法，针对给定选型的离心空压机组能够实现投运过程中的以下群控目标：整体放散空气量持续极小化(旁通放散阀关度极大化，开度极小化)，整个离心空压机组进口导叶开度极大化，运行能效极大化。
27.2、本发明的核心是对运行中的离心空压机组进行基于单机控制的优化群控，这个控制方式对于分级或者不分级的空压系统都适用，目标只是控制本压力级别或者品质级别范围内的离心空压机组。
28.3、本发明是建立包括循环水、压缩空气后处理、溢流系统和末端管控在内的广义群控体系的基础。从这个角度出发，本发明是无油空压站高效运行和智慧管控的基础所在。
具体实施方式
29.基于背景技术部分的讨论，智慧高效的离心空压机组应该具有的特征是：给定选
型的离心空压机组，投运时整体放散空气量持续极小化(旁通放散阀关度极大化，开度极小化)，整个离心空压机组进口导叶开度极大化，运行能效极大化。但这中间存在着几个问题：1)如何判定整个对应离心空压机组运行能耗极小化；2)如何判定整个对应离心空压机组整体进口导叶开度极大化；3)如何确定整个对应离心空压机组放散量极小化；4)如何提供一种通用性的多台离心空压机高效群控的方式，既能不受厂家防喘特性保密制约，又不破坏离心机组自我防喘保护机制。这也是本发明的根本出发点所在。
30.对于具体现场选型给定的离心空压机站，供货商都有义务提供给现场厂家所对应离心机的特性曲线和喘振极限电流参数，同时应根据当地的海拔和气象条件对压缩机的喘振电流取值进行具体修正。无论是修正的实际喘振电流参数还是名义喘振电流的参数，这些都是供货商需要提供的参数，不属于保密的内容。在不同现场喘振电流参数给定的前提下，本发明提出以下解决方案：
31.对于一个并联运行多台离心空压机的离心空压机组，在每台离心空压机的喘振电流已经明确的前提下，将保持单机控制的喘振电流作为整体控制的必要条件。如果同一机组中有不同厂家的离心空压机，或者同一厂家不同批次或者不同型号的离心空压机，在同一个现场经过喘振电流的逐台校验后，对应按照设备的编号次序，将喘振电流的参数设定为i
ci
，i
c
表示喘振电流的含义，i表示对应离心空压机的编号。实际运行过程，为了实现控制的目标，需要监测的参数有：每台机器的进口导叶开度igv
i
和旁通放散阀的关度bov
i
，运行电流i
i
(a)，功率n
i
(kw)，单机排气流量q
i
，单机排气压强p
i
(mpa)，总功率n(kw)，总管流量q(m3/min)，总管压强p(mpa)。
32.首先建立离心空压机组的实时运行能耗公式如下：
[0033][0034]
式中，ε的含义是：对于指定的压缩空气系统，每生产单位体积流量的压缩空气所需要消耗的电功率(纯压缩机功耗)。以空压机组运行能耗极小化为目标，采用分半法或者黄金分割法等区间逼近求解方法，优化组合离心机组的igv和bov的取值。
[0035]
对于各投运单机而言，以分半法为例，来确定进口导叶开度igv
i
和旁通放散阀的关度bov
i
影响的控制方法如下：
[0036]
在给定的单机排气流量q
i
、放散流量q
di
和单机排气压强p
i
(mpa)条件下，压缩机的运行会对应相应的进口导叶开度igv
i
和旁通放散阀的关度。对应的压缩机能耗公式为：
[0037][0038]
同一个机组中有若干台离心空压机，即i＝1
…
n，其中对于同一个压力级别的系统，常规空压机的台数n≤4；对于其它类型空压站，n就采用对应的数量；对于考虑用备机制的系统而言，i的取值范围为从1到对应投运的机器台数。
[0039]
在单机监测的基础上，对于某个给定的总管工况(n，q)而言，如果采用不同的设备组合方式，再考虑不同的进口导叶开度igv
i
和旁通放散阀的关度bov
i
，可实现该工况，这时候采用单机控制就存在放空的可能；同时，系统总能耗的取值必然不同。需要通过优化控制方法，在放空极小化的条件下，确保系统能耗ε的取值极小化。所述控制方法的层次整体分为两种情况：
[0040]
1、针对单机控制情况下，机组存在放空的工况
[0041]
压缩空气系统实际运行时，由于运行荷载与设计工况存在较大偏差，或者说由于系统中存在加大幅度波动工艺时，对于选型给定的压缩空气系统，在单机控制的情况下，就会存在放空和加载并存的工况。表现为在同一机组中，既有机器旁通放散阀已打开放气来避免该机器出现喘振，而同时其它的压缩机却处于加载状态，进口导叶全开。这是单机控制在实际工况中所产生的典型问题。这种情况可能是由于选型时考虑安全系数过大，单机调节范围与气量变化不匹配；也可能是由于市场变化导致系统实际生产荷载偏离设计工况；又或者是由于工艺中存在波动较大的环节按照最不利工况选型，导致选型给定的压缩机单机调节能力不足以应对可能出现的喘振，为了确保顺行单机选择放空。针对这种工况，由于厂家一般不提供压缩机的喘振特性曲线，想要建立群控系统，不可避免要面临喘振存在的可能。针对这种情况，本发明的核心目标是，充分利用同一机组中所有机器的调节能力，在放空极小化和能耗极小化的前提下，将传统的单机调节改进为自适应群控。
[0042]
不同离心机的喘振电流为i
ci
，其中i
c
的含义是喘振电流，i表示对应离心空压机的编号，范围i＝1...n，其中n为机组中离心机的台数。不同机器在不同现场的喘振电流的取值可能不同，厂家在安装现场会测试并提供该数值。为了实现群控，针对不同机器特性的差异设定安全系数δ。在群控时，对于每台设备群控的下限设定为i
si
＝(1 δ)i
ci
。每台离心机进口导叶开度调节的下限为，对应离心机运行电流的反馈取值满足i
i
≥i
si
。从而保障在采用群控时，各单机的实际调控不触及不同离心机的喘振特性。群控与厂家的单机控制有机组合，在安全性方面，仍然首选厂家单机控制的放空界限，但最大程度通过群控体系，优化解决这种不利工况带来的能耗高的问题。通常，压缩机制造商对于放散而言，其目标是保护设备不进入喘振区，旁通放散阀通常可能是短暂调节，除非选型与运行工况差异过大。所以一般放散的流量，都不进行计量。为了明确各旁通放散阀放空的流量情况，为各放散管路安装放散流量计。
[0043]
在同组压缩机各单机喘振电流已知的条件下，利用原来各单机的自我调控能力作为安全的保证，但是机器放空要有条件，这种条件是本发明的核心。在对进口导叶和旁通放散阀能够进行控制的前提下，对已经存在放空的工况，首先对运行机组的进口导叶开度和旁通放散阀的关度按照大小进行排序。明确旁通放散阀关度不满关的台数m后，统计各投运离心机当前的igv
i
和bov
i
，并记录各单机放散量q
di
和总放散量q
d
，为了后续计算的推进，不放散的离心机，其放散流量q
di
取值为0。计算各单机的单位能耗按照取值从大到小进行排序。如果当前放空的离心机不是能耗大的离心机时，以保持放空总量为前提，先进行一次预调，将单耗取值大的离心机为群控开始前放空的优先选择对象。放散量最大的单机，先选择为单耗最大的单机。放空离心机不唯一时，按照统计的放散量的大小，选择单耗高的离心机编号，一一对应。预调的目的在于确保开始调节前，投运机组保持能耗低的机器满载工作，为总能耗极小化奠定基础。
[0044]
一经预调明确了放散特性后，对于存在部分机器放空的情况，群控的核心任务是放散极小化。此时对应的运行状态的情况是存在一台以上的设备在放空，每台放空离心机的旁通放散阀开度不同，即放散程度不同。单耗最高的机器在预调后放散量最大，其它依次类推。对运行电流i
i
>i
si
的不放空的离心压缩机，按照从大到小的方式进行排序，并对应记
录编号。
[0045]
预调后的整体调节流程如下：第一次调节，从不放空但是运行单耗最高的机器开始，依次降低其对应的进口导叶开度igv
i
，使其运行电流i
i
逼近对应的安全电流i
si
，进口导叶开度igv
i
调节下限对应最小电流取值为i
si
。此时处于放空中的设备会自主按照单机控制的防喘策略，自主提升对应旁通放散阀关度，降低放散量。当相对单耗最高的离心机，进口导叶开度已达到安全界限时，再调节单耗次高的离心机，依次类推。
[0046]
这种调控的结果存在两种可能：
[0047]
其一，部分单机调控后，原先放空的机组可完全实现不放空；如果机组内各离心机运行特性差异较大，则转至第2类控制方式。
[0048]
其二，单机调节的运行电流出现i
j
＝i
sj
的工况，但还是无法避免放散，则代表本次调节完成。此种工况代表运行荷载偏离设计工况较大，系统运行能耗状态较差。此时，计量各放散空压机放散流量，并进行求和如果按照上述第一次调节流程调控后，系统仍然放空，且放空量满足
[0049]
q
d
≥q
i
[0050]
此时可以停运满足上述条件机器中的一台，停运的对象是运行单耗相对最高的那台离心机。停运的方式采用先卸载，等各投运离心机导叶自动调整后，停机。本工况按照上述循环调控的方式调节后，基本上各投运的离心机放散量可保证极小化。这种工况整体上表明，既有离心机组的选型针对当前的运行荷载强度而言整体偏大。最为优化的改造方式，是根据系统同用气量的波动规律，在上述调控规律明确的基础上，对既有的空压站增加合适的小机器或者对应的变频螺杆压缩机来进行整体优化控制。但这些内容均不在本发明的体系内(如前所述，本发明的目标是实现既有机组放散极小化和能耗极小化)。
[0051]
对于工况1而言，放散极小化已达成，记录对应的放散总量q
d
。这种工况下，如果调整后放空离心机的台数大于1台时，对存在放空的机器，其旁通放散阀关度按照从大到小排序，关度越小表明放散越严重。对于多台放空，从流量的角度无法实现停机，且无法通过增补机器来完成进一步优化控制的系统，在保持放散总量q
d
不变的前提下，通过下述方式，对机组旁通放散阀关度和对应的进口导叶开度进行整体优化调节，目标是运行机组对应的整体运行功耗ε的取值极小化：
[0052][0053]
记录此时总管流量和压力条件下整体运行功耗，取值为ε0。对应排放总量为q
d
，该排放量是保证不出现喘振的极小化排放总量。对于这种给定的放空工况，不同的组合方式带来的整体运行功耗的变化不同。
[0054]
在这种情况下，需要开展第二次调节，寻找最优的组合方式。记录此时的各离心机的旁通放散阀关度、进口导叶开度和各机运行单耗取值为bov
1i
、igv
1i
和并记录整体运行功耗，取值为ε1。
[0055]
对各投运的机器进行统一操作，保持q
d
，调节各投运离心机的进口导叶开度和旁通放散阀关度，记录整体运行功耗，取值为ε2。分析sgn(ε2‑
ε1)的符号变化情况(有可能该两个取值比较接近，实际上是分析其差值的符号)，当其符号为正，代表调整后整体运行功率
上升，调整方向错误。如果符号为负，则代表整体平均调节的方式具有使运行能耗降低的效益，即调整方向正确。
[0056]
调节次序如下，首先尝试在总放散量不变的条件下，各放散离心机旁通放散阀开度统一，对符号函数的影响趋势。即将各台放散离心机的旁通放散阀开度调整为相同取值，如果此时符号函数的取值为正，代表这种方式具有可行性。本质上，原先放散最严重的离心机，进口导叶开度必然相应较低，当其它放散设备分担了放散量，其进口导叶开度也会自主优化。如果这种调节可行，则整体运行单耗得到相应的优化。此控制的目标是分析放空设备不同关度组合对整体运行能耗的影响，对于放空离心机中，关度取值最大的设备，降低其进口导叶开度和旁通放散阀关度，保持总放散流量不变，记录每次调整前的整体能耗为ε1，调整后的整体能耗为ε2，监测sgn(ε2‑
ε1)，如为负，则继续调整，否则停止调控。重新对放散中各台设备进行进口导叶开度和旁通放散阀关度的排序。循环重复上述控制策略，直至在放散总量不变的条件下，调控使得sgn(ε2‑
ε1)为正的工况，赋值此时的整体能耗为ε1。把本步调整内容逆向执行，所得整体能耗为ε2，再次分析sgn(ε2‑
ε1)，如果取值为负，则表示最佳运行工况点，在此两次调节范围之内。缩小调节区间，重复上述步骤。当调节区间已达到精度的限制取值时，取最后一次sgn(ε2‑
ε1)为负的能耗低的状态为最优取值。与未调节前的工况相对比，如果多台均摊放散的调整，带来系统能耗整体优化。则以此为基础，采用上述方式，对整个机组进行放散均摊询优调节，最终找到多台离心机整体最优的放散方式，放散极小化的同时，整体能耗极小化。
[0057]
2、不放散但各台投运离心机运行特性差异较大的工况
[0058]
对于原本就不放散的工况，或者原来有放散工况但经过上述调节而不放散的工况，离心机运行时，应该是通过进口导叶的最优组合，使整体运行能耗极小化。但是基于单机控制的原始控制方式，因缺乏对整体能耗的实时监测分析的途径和方法，通常单机控制的首要目标是本机不出现喘振。在实时运行单耗监测的基础上，对既有离心机组进行igv开度的排序，按照从大到小排序。同时对各单机的运行单耗开展实时可视化监测，此时无放空，则调整前各运行单机对应的单耗的公式为：
[0059][0060]
调整前总体运行单耗为：
[0061][0062]
第一步调节，是在保持总管流量(压强)不变的前提下，将运行中igv开度最大和开度最小的离心机配对。按照一个给定初始范围，同步关小最大开度，提升最小开度，对应的整体单耗：
[0063][0064]
总管流量保持不变，变化的是离心机组整体的功率n2。仍然分析符号函数sgn(ε2‑
ε1)的变化情况，如果平均开度完成后，符号函数为结果负，代表调控有效。重新对igv取值进行排序，再重复上述调节机制。以该调节范围为目标的调整方式，持续到出现sgn(ε2‑
ε1)
为正值的情况，覆盖ε1。此时对最后一次调整进行拟调节，恢复到最后一次调节前的状态。此时将调节范围缩小一倍，将当前开度最大和最低的两个离心机配对，在新调节范围作用下，分析符号函数sgn(ε2‑
ε1)，如果为负，则代表可开展新调节范围下的二次循环调整。如果符号函数结果为正，则再次恢复到最后一次调节前工况，并覆盖ε1。然后将调节范围再次缩小一倍，如果此时调节范围在最小精度之上，则再次开始循环调节。如果对应调节范围的取值已低于最小精度取值，代表调节已经无法再推进，此次调节结束。
[0065]
本发明的核心是对运行中的离心空压机组进行基于单机控制的优化群控，这个控制方式对于分级或者不分级的空压系统都适用，目标只是控制本压力级别或者品质级别范围内的离心空压机组。在此发明的基础上，才能建立包括循环水、压缩空气后处理、溢流系统和末端管控在内的广义群控体系。从这个角度出发，本发明是无油空压站高效运行和智慧管控的基础所在。