一种空压机节能调控方法、装置及系统与流程

本发明涉及空压机控制技术领域，尤其涉及一种空压机节能调控方法、装置及系统。

背景技术：

在诸多被使用的能源中，压缩空气是仅次于电力的普及能源之一。工业、矿业、工程业、医疗业甚至农业都有日趋广泛的用途，尤其在工业的使用量极其可观。鉴于压缩空气已被各行各业广泛的采用，在工厂大型化及自动化的前提下，压缩空气的使用与日俱增。而空压机在压缩空气的同时，本身也在消耗大量电能，在目前的工业界动咎使用数千马力甚至数万马力空压机的工厂己为数众多，如何合理使用压缩空气及空压机电效如何提升，已成为业者非常重视的课题。

针对工业用途的定频空压空压机负载率不高时，很多人常通过对压缩空气空压机电机变频调速改造的方式来减少马达消耗，达到节电目的。然而，变频调速改造具有较高的门槛，如电机本身构造、性能和频率阈值等的改进，而且从经济性考虑，变频改造费用相对较高。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的是提出一种空压机节能调控方法、装置及系统，以低成本地提升定频空压机的节能效果。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

第一方面，本发明实施例提供了一种空压机节能调控方法，包括：

空压机加载后，实时获取预测容积储气罐的储气压力以及用气管网中的当前用气量，其中，所述预测容积储气罐的进气口与所述空压机的输气口连接，所述预测容积储气罐的出气口通过所述用气管网连接至用气点，所述预测容积储气罐用于缓冲所述空压机产生的气体，增加所述空压机启停周期；

根据所述预测容积储气罐的容积、预设加卸载压力差和所述当前用气量，确定所述空压机卸载后的卸载时间与停机时间之和，其中，所述预设加卸载压力差为预设卸载压力与预设加载压力之差；

根据所述卸载时间与停机时间之和设置所述空压机卸载后的卸载时间与停机时间，且所述停机时间大于0，以缩短所述空压机卸载时间。

进一步地，所述预测容积储气罐包括第一储气罐和第二储气罐，所述第一储气罐和第二储气罐并联设置。

进一步地，所述预测容积储气罐的容积由空压机启停安全条件、预设加卸载压力差、空压机产气量和所述当前用气量确定，且关系式为：

其中，V为所述预测容积储气罐的容积，N₀为1小时内空压机启停次数上限值，P₀为标准大气压，ΔP为预设加卸载压力差，A为空压机产气量，B为所述当前用气量。

进一步地，所述预测容积储气罐的容积由空压机启停安全条件、预设加卸载压力差和空压机产气量确定，且关系式为：

其中，V为所述预测容积储气罐的容积，N₀为1小时内空压机启停次数上限值，P₀为标准大气压，ΔP为预设加卸载压力差，A为空压机产气量。

进一步地，在空压机加载后，还包括：

实时获取所述用气管网中的气体压力；

若所述用气管网中的气体压力不低于预设压力值，则发出压力超限报警，以提示监管人员降低所述用气管网中的气体压力。

进一步地，还包括：

在各单位时间内，累计所述空压机启停次数；

若所述空压机启停次数达到空压机启停次数预设值，则发出空压机安全报警，以提示监管人员执行禁止所述空压机在当前单位时间内再次停机的操作；或者，

若所述空压机启停次数达到空压机启停次数预设值，则自动调整当前单位时间内的卸载时间至所述卸载时间与停机时间之和。

第二方面，本发明实施例提供了一种空压机节能调控装置，包括：

当前用气量获取模块，用于空压机加载后，实时获取预测容积储气罐的储气压力以及用气管网中的当前用气量，其中，所述预测容积储气罐的进气口与所述空压机的输气口连接，所述预测容积储气罐的出气口通过所述用气管网连接至用气点，所述预测容积储气罐用于缓冲所述空压机产生的气体，增加所述空压机启停周期；

卸载停机时间确定模块，用于根据所述预测容积储气罐的容积、预设加卸载压力差和所述当前用气量，确定所述空压机卸载后的卸载时间与停机时间之和，其中，所述预设加卸载压力差为预设卸载压力与预设加载压力之差；

卸载停机时间设置模块，用于根据所述卸载时间与停机时间之和设置所述空压机卸载后的卸载时间与停机时间，且所述停机时间大于0，以缩短所述空压机卸载时间。

进一步地，所述预测容积储气罐包括第一储气罐和第二储气罐，所述第一储气罐和第二储气罐并联设置。

进一步地，所述预测容积储气罐的容积由空压机启停安全条件、预设加卸载压力差、空压机产气量和所述当前用气量确定，且关系式为：

其中，V为所述预测容积储气罐的容积，N₀为1小时内空压机启停次数上限值，P₀为标准大气压，ΔP为预设加卸载压力差，A为空压机产气量，B为所述当前用气量。

进一步地，所述预测容积储气罐的容积由空压机启停安全条件、预设加卸载压力差和空压机产气量确定，且关系式为：

其中，V为所述预测容积储气罐的容积，N₀为1小时内空压机启停次数上限值，P₀为标准大气压，ΔP为预设加卸载压力差，A为空压机产气量。

进一步地，还包括：

用气管网气体压控获取模块，用于在空压机加载后，实时获取所述用气管网中的气体压力；

压力预警模块，用于若所述用气管网中的气体压力不低于预设压力值，则发出压力超限报警，以提示监管人员降低所述用气管网中的气体压力。

进一步地，还包括：

启停次数累计模块，用于在空压机加载后，在各单位时间内，累计所述空压机启停次数；

安全预警模块，用于若所述空压机启停次数达到空压机启停次数预设值，则发出空压机安全报警，以提示监管人员执行禁止所述空压机在当前单位时间内再次停机的操作；或者，

若所述空压机启停次数达到空压机启停次数预设值，则自动调整当前单位时间内的卸载时间至所述卸载时间与停机时间之和。

第三方面，本发明实施例提供了一种空压机节能调控系统，包括人机监控单元、空压机、预测容积储气罐、储气罐压力传感器和气体流量计；

所述人机监控单元分别连接所述空压机、所述储气罐压力传感器和所述气体流量计，所述预测容积储气罐的进气口与所述空压机的输气口连接，所述预测容积储气罐的出气口通过用气管网连接至用气点，所述储气罐压力传感器设置于所述预测容积储气罐上，所述气体流量计设置于所述用气管网上；

其中，所述预测容积储气罐用于缓冲所述空压机产生的气体，增加所述空压机启停周期；

所述储气罐压力传感器用于检测储气罐的储气压力；

所述气体流量计用于检测用气管网中的当前用气量；

所述人机监控单元包括上述第二方面所述的空压机节能调控装置。

本发明的有益效果是：本发明提供的空压机节能调控方法、装置及系统，通过在空压机系统中增设预测容积储气罐，对空压机产生的气体起到了缓冲作用，输出的气体量可刚好满足用气点的用气量；而且，该预测容积储气罐增加了空压机启停周期，为缩短空压机卸载时间及增加空压机停机时间创造了条件；进一步，在空压机工作后，根据预测容积储气罐的容积、预设加卸载压力差和用气点的当前用气量，确定空压机卸载后的卸载时间与停机时间之和，并根据卸载时间与停机时间之和设置空压机卸载后的卸载时间与停机时间，且停机时间大于0，由此，缩短了空压机的卸载时间，降低了空耗，节约了电能。本发明避免了对定频空压机进行变频改造，通过优化储气罐与增设辅助人机监控单元，在不淘汰原设备情况下，低成本地提升了定频空压机的节能效果。

附图说明

下面将通过参照附图详细描述本发明的示例性实施例，使本领域的普通技术人员更清楚本发明的上述及其他特征和优点，附图中：

图1是本发明实施例提供的空压机节能调控方法的流程示意图；

图2是本发明实施例提供的空压机节能调控装置的结构框图；

图3是本发明实施例提供的空压机节能调控系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

图1是本发明实施例提供的空压机节能调控方法的流程示意图。该方法适用于对定频空压机进行节能改造的情况，该方法可以由空压机节能调控系统来执行。如图1所示，该方法包括：

步骤110、空压机加载后，实时获取预测容积储气罐的储气压力以及用气管网中的当前用气量。

其中，当前用气量表示用气点单位时间(如1分钟或1小时)耗气的多少，预测容积储气罐的进气口与空压机的输气口连接，预测容积储气罐的出气口通过用气管网连接至用气点，预测容积储气罐用于缓冲空压机产生的气体，增加空压机启停周期。

示例性的，人机监控单元可通过设置于预测容积储气罐上的储气罐压力传感器，获取预测容积储气罐的储气压力，通过设置于用气管网上的气体流量计获取用气管网中的当前用气量。其中，人机监控单元可包括上位机和控制子单元；优选的，控制子单元包括可编程逻辑控制器(PLC)和I/O模块，PLC和上位机建立监控网络，由上位机人机界面实时显示气体流量和储气罐气体压力等数据，且使该人机监控单元具有双工通信能力。

本实施例中，上述人机监控单元可设置在空压机制气现场，实现本地监控；优选的，上述控制子单元设置在空压机制气现场，控制子单元还可通过网络共享空压机相关数据，例如预设卸载压力与预设加载压力、空压机启停状态、空压机故障、油温油压和排气温度等，由此实现上位机对空压机的远程监控。进一步的，为改善现有空压机的空耗现状，上位机可实现对空压机的远程启停。

本实施例主要针对定频空压机进行节能改造，而定频空压机的工作模式分为加载、卸载与停机三个阶段。一般仅当空压机进入卸载阶段，储气罐内压力仍大于空压机预设加载压力时，空压机才可能出现停机。停机时马达停止运转，空压机处于待机状态。而对于压缩空气制备系统来讲，加载做有用功，卸载做无用功，停机不做功。因此，可尽量减少卸载的时长实现节能降耗。

步骤120、根据预测容积储气罐的容积、预设加卸载压力差和当前用气量，确定空压机卸载后的卸载时间与停机时间之和。

其中，预设加卸载压力差为预设卸载压力与预设加载压力之差，预设卸载压力与预设加载压力在选定预测容积储气罐时确定。

本实施例中，人机监控单元根据预测容积储气罐上的储气罐压力传感器采集的储气压力，控制定频空压机的加卸载等工作模式。具体的，当储气压力低于预设加载压力时，表明预测容积储气罐中气量不足以维持恒压供气要求下的用气点的需求，空压机进入加载模式；当预测容积储气罐压力高于预设卸载压力时，空压机进入卸载模式；空压机从进入卸载模式到储气压力再次达到预设加载压力的这段时间，为空压机卸载时间与停机时间之和，在此，机监控单元根据预测容积储气罐的容积、预设加卸载压力差和当前用气量，确定空压机卸载后的卸载时间与停机时间之和。

其中，上述预测容积储气罐的容积可由空压机启停安全条件、预设加卸载压力差、空压机产气量和当前用气量确定，且关系式为：

其中，V为所述预测容积储气罐的容积，N₀为1小时内空压机启停次数上限值，P₀为标准大气压，ΔP为预设加卸载压力差，A为空压机产气量，表示单位时间空压机产气的多少，B为所述当前用气量。

上述卸载时间与停机时间之和可表示为：

其中，t_停表示空压机停机时间，t_卸表示空压机卸载时间。

而空压机的加载时间表示为：

因此，空压机的启停周期T可表示为：

由上述关系式可知，在空压机产气量和当前用气量不变的情况下，预测容积储气罐的容积或预设加卸载压力差越大，空压机启停周期越大，此时，若空压机卸载时间越小，则空压机停机时间越长，节能越明显。但从工程的经济性上看，预测容积储气罐的容积越大对投资越不利，因此，无限制增大储气罐容量是不现实的。预测容积储气罐的容积越小，1小时内空压机启停次数上限值可能会增大，而空压机频繁启停会缩短设备的寿命。

综上所述，在满足空压机启停安全条件的情况下，即1小时内空压机启停次数不超过6次，可测算预测容积储气罐的最小容积。考虑到1小时内空压机启停次数为6次是最差情况，因此，预测容积储气罐的最小容积可为：

进一步的，若用气点要求气体压力恒定，则预设加卸载压力差也应恒定，此时，为使同一个预测容积储气罐满足不同用气量的用气点，通过B＝1/2·A时测算出预测容积储气罐的容积，此时预测容积储气罐的容积关系式为：

考虑到1小时内空压机启停次数为6次是最差情况，因此，预测容积储气罐的最小容积可为：

步骤130、根据卸载时间与停机时间之和设置空压机卸载后的卸载时间与停机时间。

本实施中，设备监管人员可根据卸载时间与停机时间之和，通过人机监控单元设置空压机卸载后的卸载时间与停机时间，且停机时间大于0，以缩短空压机卸载时间。示例性的，若根据预测容积储气罐的容积、预设加卸载压力差和当前用气量，确定空压机卸载后的卸载时间与停机时间之和为10分钟，则在上位机上设置卸载时间为2分钟，则必然会出现空压机停机。

另外，为降低对储气罐的设计制造难度，上述预测容积储气罐可包括第一储气罐和第二储气罐，第一储气罐和第二储气罐并联设置。第一储气罐和第二储气罐可采用已有的储气罐，无需重新制造一个大容积的储气罐作为预测容积储气罐。在测算预测容积储气罐的容积时，可只将第一储气罐接入空压机节能调控系统中，即第一储气罐的进气口与空压机的输气口连接，第一储气罐的出气口通过用气管网连接至用气点，再根据上述预测容积储气罐的容积的测试方法选定出合适的储气罐总容积，由储气罐总容积和第一储气罐容积之差确定第二储气罐。最后将第一储气罐和第二储气罐并联至空压机节能调控系统，对空压机进行节能调控。

需要说明的是，可采用上述空压机节能调控方法，对整个空压机组进行节能调控。

本发明实施例提供的空压机节能调控方法，通过在空压机系统中增设预测容积储气罐，对空压机产生的气体起到了缓冲作用，输出的气体量可刚好满足用气点的用气量；而且，该预测容积储气罐增加了空压机启停周期，为缩短空压机卸载时间及增加空压机停机时间创造了条件；进一步，在空压机工作后，根据预测容积储气罐的容积、预设加卸载压力差和用气点的当前用气量，确定空压机卸载后的卸载时间与停机时间之和，并根据卸载时间与停机时间之和设置空压机卸载后的卸载时间与停机时间，且停机时间大于0，由此，缩短了空压机的卸载时间，降低了空耗，节约了电能。本发明避免了对定频空压机进行变频改造，通过优化储气罐与增设辅助人机监控单元，在不淘汰原设备情况下，低成本地提升了定频空压机的节能效果。

本发明的另一实施例中，在空压机加载后，还包括：实时获取用气管网中的气体压力；若用气管网中的气体压力不低于预设压力值，则发出压力超限报警，以提示监管人员降低用气管网中的气体压力。

示例性的，在空压机本地控制器程序出错和人机监控单元中控制子单元程序出错时，或者由于参数的改动，都可能造成用气管网中的气体压力不低于预设压力值。因此，在人机监控单元检测到用气管网中的气体压力不低于预设压力值时，上位机发出压力超限报警，提示监管人员降低所述用气管网中的气体压力。具体的，监管人员可通过打开预测容积储气罐上的放气阀放出部分气体，来降低用气管网或预测容积储气罐中的气体压力，以实现系统压力的稳定。

本发明的又一实施例中，在空压机加载后，还包括：在各单位时间内，累计空压机启停次数；若空压机启停次数达到空压机启停次数预设值，则发出空压机安全报警，以提示监管人员执行禁止空压机在当前单位时间内再次停机的操作；或者，若空压机启停次数达到空压机启停次数预设值，则自动调整当前单位时间内的卸载时间至卸载时间与停机时间之和。

示例性的，上述单位时间可为1小时，空压机启停次数预设值可为空压机启停次数上限值(如6次)。在人机监控单元检测到空压机启停次数达到空压机启停次数预设值时，发出安全警报，提示监管人员手动修改卸载时间，禁止空压机在当前单位时间内再次停机；人机监控单元也可自动将当前单位时间内的卸载时间调整至卸载时间与停机时间之和，避免空压机频繁启停。之后，可以适当增大预设加卸载压力差，将卸载时间调回至之前设置的卸载时间(如2分钟)，以此，使空压机停机次数满足空压机启停安全条件。

图2是本发明实施例提供的空压机节能调控装置的结构框图。如图2所示，空压机节能调控装置包括：

当前用气量获取模块100，用于空压机加载后，实时获取预测容积储气罐的储气压力以及用气管网中的当前用气量，其中，预测容积储气罐的进气口与空压机的输气口连接，预测容积储气罐的出气口通过用气管网连接至用气点，预测容积储气罐用于缓冲空压机产生的气体，增加空压机启停周期；

卸载停机时间确定模块200，用于根据预测容积储气罐的容积、预设加卸载压力差和当前用气量，确定空压机卸载后的卸载时间与停机时间之和，其中，预设加卸载压力差为预设卸载压力与预设加载压力之差；

卸载停机时间设置模块300，用于根据卸载时间与停机时间之和设置空压机卸载后的卸载时间与停机时间，且停机时间大于0，以缩短空压机卸载时间。

本实施例中，预测容积储气罐可包括第一储气罐和第二储气罐，第一储气罐和第二储气罐并联设置。

其中，预测容积储气罐的容积可由空压机启停安全条件、预设加卸载压力差、空压机产气量和当前用气量确定，且关系式为：

其中，V为预测容积储气罐的容积，N₀为1小时内空压机启停次数上限值，P₀为标准大气压，ΔP为预设加卸载压力差，A为空压机产气量，B为当前用气量。

进一步的，预测容积储气罐的容积可由空压机启停安全条件、预设加卸载压力差和空压机产气量确定，且关系式为：

其中，V为预测容积储气罐的容积，N₀为1小时内空压机启停次数上限值，P₀为标准大气压，ΔP为预设加卸载压力差，A为空压机产气量。

为实现压力超限报警，上述空压机节能调控装置还包括：

用气管网气体压控获取模块，用于在空压机加载后，实时获取用气管网中的气体压力；

压力预警模块，用于若用气管网中的气体压力不低于预设压力值，则发出压力超限报警，以提示监管人员降低用气管网中的气体压力。

优选的，上述空压机节能调控装置还包括：

启停次数累计模块，用于在空压机加载后，在各单位时间内，累计空压机启停次数；

安全预警模块，用于若空压机启停次数达到空压机启停次数预设值，则发出空压机安全报警，以提示监管人员执行禁止空压机在当前单位时间内再次停机的操作；或者，

若空压机启停次数达到空压机启停次数预设值，则自动调整当前单位时间内的卸载时间至卸载时间与停机时间之和。

本实施例提供的空压机节能调控装置，与本发明实施例所提供的空压机节能调控方法属于同一发明构思，可执行本发明实施例所提供的空压机节能调控方法，具备相应的功能和有益效果。未在本实施例中详尽描述的技术细节，可参见本发明实施例提供的空压机节能调控方法。

图3是本发明实施例提供的空压机节能调控系统的结构示意图。如图3所示，该系统包括人机监控单元1、空压机2、预测容积储气罐3、储气罐压力传感器4和气体流量计5；

人机监控单元1分别连接空压机2、储气罐压力传感器4和气体流量计5，预测容积储气罐3的进气口与空压机2的输气口连接，预测容积储气罐3的出气口通过用气管网10连接至用气点，储气罐压力传感器4设置于预测容积储气罐3上，气体流量计5设置于用气管网10上；

其中，预测容积储气罐3用于缓冲空压机2产生的气体，增加空压机2启停周期；

储气罐压力传感器4用于检测储气罐的储气压力；

气体流量计5用于检测用气管网10中的当前用气量；

人机监控单元1被配置用于：

空压机2加载后，实时获取预测容积储气罐3的储气压力以及用气管网10中的当前用气量；

根据预测容积储气罐3的容积、预设加卸载压力差和当前用气量，确定空压机2卸载后的卸载时间与停机时间之和，其中，预设加卸载压力差为预设卸载压力与预设加载压力之差；

根据卸载时间与停机时间之和设置空压机2卸载后的卸载时间与停机时间，且停机时间大于0，以缩短空压机2卸载时间。

基于上述方案，参考图3，预测容积储气罐3包括第一储气罐31和第一储气罐32，第一储气罐31和第一储气罐32并联设置。

进一步的，本实施例中，预测容积储气罐3的容积由空压机2启停安全条件、预设加卸载压力差、空压机2产气量和当前用气量确定，且关系式为：

其中，V为预测容积储气罐3的容积，N₀为1小时内空压机2启停次数上限值，P₀为标准大气压，ΔP为预设加卸载压力差，A为空压机2产气量，B为当前用气量。

进一步的，若用气点要求气体压力恒定，则预设加卸载压力差也应恒定，此时，为使同一个预测容积储气罐3满足不同用气量的用气点，通过B＝1/2·A时测算出预测容积储气罐3的容积，预测容积储气罐3的容积由空压机2启停安全条件、预设加卸载压力差和空压机2产气量确定，且关系式为：

其中，V为预测容积储气罐3的容积，N₀为1小时内空压机2启停次数上限值，P₀为标准大气压，ΔP为预设加卸载压力差，A为空压机2产气量。

基于上述方案，空压机节能调控系统还包括设置于用气管网10上的网管压力传感器6，用于检测用气管网10中的气体压力；

相应的，人机监控单元1还用于：

在空压机2加载后，通过网管压力传感器6实时获取用气管网10中的气体压力；

若用气管网10中的气体压力不低于预设压力值，则发出压力超限报警，以提示监管人员降低用气管网10中的气体压力。

进一步的，人机监控单元1还用于：

在空压机2加载后，在各单位时间内，累计空压机2启停次数；

若空压机2启停次数达到空压机2启停次数预设值，则发出空压机2安全报警，以提示监管人员执行禁止空压机2在当前单位时间内再次停机的操作；或者，

若空压机2启停次数达到空压机2启停次数预设值，则自动调整当前单位时间内的卸载时间至卸载时间与停机时间之和。

另外，如图3所示，本实施例中的人机监控单元1可包括上位机12和控制子单元11；优选的，控制子单元11包括可编程逻辑控制器(PLC)111和I/O模块112，PLC111和上位机12建立监控网络，由上位机12人机界面实时显示气体流量和储气罐气体压力等数据，且使该人机监控单元1具有双工通信能力，I/O模块112用于接收与发送数据。

进一步的，空压机节能调控系统还包括设置于第一储气罐31上的就地压力表7和放气阀9，以及连接预测容积储气罐3出气口的干燥机8。现场监管人员可以通过就地压力表7随时查看预测容积储气罐3的储气压力，在储气压力不低于预设压力值时，可通过放气阀9对预测容积储气罐3进行放气；从预测容积储气罐3流出的气体经干燥机8干燥后输送至用气点。

本实施例提供的空压机节能调控系统，包括本发明实施例所提供的空压机节能调控装置，具备相应的功能和有益效果。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。