一种温度压力可调的气源系统的制作方法

本发明涉及压缩空气处理技术，具体是涉及一种温度压力可调的气源系统。

背景技术：

空气具有可压缩性，经空气压缩机做机械功使本身体积缩小、压力提高后的空气叫压缩空气。压缩空气是一种重要的动力源，是仅次于电力的第二大动力能源，又是具有多种用途的工艺气源，其应用范围遍及石油、化工、冶金、电力、机械、轻工、纺织、汽车制造、电子、食品、医药、生化、国防、科研等行业和部门。因此研究如何提升气源系统的气体纯净程度、使气体性能指标稳定有十分重要的现实意义。

目前压缩空气的气源系统存在以下问题：

1.压缩空气中含有相当数量的杂质，如固体颗粒、水、油等等；

2.气源压力波动大、稳定性差，且由于压降和温降等原因，易出现水凝结现象；

3.大部分气源系统无法提供温度可控的气源，即使温度可控也存在温度控制滞后大、精度低等缺陷。

技术实现要素：

针对上述背景技术存在的缺陷，基于压缩空气处理技术，本发明提供一种温度压力可调的气源系统，控制方式由带有自力式稳压装置的前馈-反馈压力控制和参数自整定的前馈-反馈温度控制组成，考虑流量对于压力、温度控制的影响、以及压力对于温度控制的影响，使气源系统产生的压缩空气纯净程度较高、压力和温度稳定、可控且控制精度高。为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种温度压力可调的气源系统，产生压缩空气的气压发生装置为空气压缩机及其储气设备1，压缩空气产生后依次经过冷却器2、过滤器3、油水分离器4和干燥器5进行除尘、除油、除水处理，净化过的压缩空气依次经过一级稳压罐6和二级稳压罐9进行稳压处理，在一级稳压罐6和二级稳压罐9之间的管路上并联有DN32自力式调压阀7和DN100自力式调压阀8两个调压阀，经过稳压处理的压缩空气再分别由压力调节阀10和管道式气体加热器11进行调压、调温处理后，得到满足实验要求的气源。

调压方式：PLC反馈压力控制器采用PI控制策略，根据压力设定值P_sp和压力调压阀10出口的压力值P₂的差值进行负反馈压力调节，PLC前馈压力控制器根据当前气源流量F的影响和一级稳压罐6出口处的压力值P₁进行前馈调节，当P₁或当前流量F增大时，压力调压阀10的开度K₁线性减小；综合反馈与前馈，控制执行器调节压力调压阀10的开度K₁进而控制管线压力P_o；

调温方式：PLC反馈温度控制器采用PID控制策略，根据温度设定值T_sp和管道加热器出口反馈温度T₁的差值控制可控硅的输出功率K₂，进而起到温度调节的作用；PLC前馈温度控制器考虑压力调压阀10出口的压力值P₂对于温度的影响，并根据当前流量F的影响进行前馈调节，压力值P₂和当前流量F增大时，输出功率K₂线性增大；综合反馈与前馈，控制执行器可控硅的输出功率K₂进而控制管线内气体温度T_o。

综上所述，本发明温度压力可调的气源系统具有以下优点：

1.压缩空气经过除油、除水、除尘操作后，纯净程度较高；

2.经过自力式调压阀及一、二级稳压罐，流量在17～1023.5m³/h范围内，压力误差小于1％，几乎不存在压力波动，且压力控制精度高，气源稳定性好；

3.温度控制方面具有稳定性好、响应快、滞后小等优点；

4.稳压和保温措施使本气源系统几乎不存在压降和温降，解决了气源系统易出现水凝结现象的缺陷。

附图说明

图1为一种温度压力可调的气源系统工艺流程图；

图2为一种温度压力可调的气源系统原理示意图；

图3为一种温度压力可调的气源系统框图。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的特征、技术手段以及所达到的具体目的、功能，下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

参见图1，本发明一种温度压力可调的气源系统由6部分组成：(1)产生压缩空气的气压发生装置，包括空气压缩机及其储气设备1；(2)压缩空气的净化装置，包括冷却器2、过滤器3、油水分离器4和干燥器5等；(3)稳压及压力调节装置，包括一级稳压罐6、DN32自力式调压阀7、DN100自力式调压阀8、二级稳压罐9、压力调节阀10；(4)温度调节装置为管道式气体加热器11；(5)输送压缩空气的管道供气装置；(6)温度压力控制装置：包括上位机、PLC及众多传感器(执行机构、被控对象包含在上述各装置中)。

所述气压发生装置中，空气压缩机将机械能转化为气体压能，是气源的主体；储气罐滤除气源产生的高频压力波动和部分低频波动，是保证装置稳定性的第一道稳压设备。储气罐利用压力波在罐中的反射、蒸汽弹性、蒸汽流动和罐结构的摩擦阻尼等作用，使波动减小，保证输出气流的连续性。

所述压缩空气净化装置主要是针对空压机输出空气存在油滴、灰尘等杂质，这些杂质可能聚集在贮气罐、管道等处形成易燃物，有引起爆炸的危险，另一方面润滑油被汽化后会形成一种有机酸，对金属设备有腐蚀生锈的作用，使这些元件因漏气增加而效率降低，影响它们的使用寿命。杂质沉积在元件的通道内，减小了通道面积，增加了管道阻力，严重时会产生阻塞，使气体压力信号不能正常传递，使系统工作不稳定甚至失灵。因此必须要设置除油、除水、除尘净化气源的辅助设备，使压缩空气干燥并提高气源质量。

所述稳压及压力调节装置包括稳压和调压两方面。稳压装置为保证压力稳定，在一级稳压罐后采用DN32与DN100两台自力式调压阀进行稳压，并在自力式调压阀后安装二级稳压罐，可以使流量在17～1023.5m³/h范围内，压力误差小于1％，且几乎不存在压力波动。调压装置的执行器为电动调压阀，用电能作为动力来接通电动执行机构驱动阀门，实现阀门的开关、调节动作，从而达到对管道介质的开关或是调节目的。整个装置配有2个压力传感器分别是装置入口的压力传感器以及电动调压阀后方的压力传感器，分别对入口及出口压力进行监测。

所述温度调节装置利用管道加热器对气体直接加热，执行器为可控硅(12)。为使温度控制安全可靠、控制精度高，整个装置配有2个温度传感器分别是出口温度传感器以及加热丝温度传感器，加热丝温度传感器监测加热丝温度，起超温保护作用，防止加热丝因温度过高而损坏。

所述管道供气系统为保证气源纯净均采用304不锈钢材料，且外面缠有橡塑泡沫起到保温、减少热损失的作用。

参见图2，本发明一种温度压力可调的气源系统的控制方式由带有自力式稳压装置的前馈-反馈压力控制和参数自整定的前馈-反馈温度控制组成，考虑了流量对于压力、温度控制的影响、以及压力对于温度控制的影响，使气源系统产生的压缩空气纯净程度较高、压力和温度稳定、可控且控制精度高。具体的控制方式如下:

P_i、P_o、T_i、T_o分别对应整个气源系统的压力和温度的输入、输出值，在本实施例中，P_i、P_o的取值范围均应在0-8MPa范围内，T_i、T_o的取值范围均应在20-80℃范围内。本实施例主要说明气源系统对于温度、压力的控制，整个气源系统的控制策略由带有自力式稳压装置的前馈-反馈压力控制和参数自整定的前馈-反馈温度控制组成，并考虑流量对于压力、温度控制的影响、以及压力对于温度控制的影响，具体控制方式如下：

所述自力式稳压装置在实施过程中合理选取和确定稳压系统参数是保证系统稳定运行的关键。为保证滞止压力及流量稳定，必须满足以下约束条件：①管线压力稳定时间≥检定时间；②自力式调压阀上下游需满足一定差压要求；③阀门开度一般要求在10％-70％之间。

所述压力调节装置调压控制为：PLC反馈压力控制器根据压力设定值P_sp和电动调压阀出口压力反馈值P₂的差值进行负反馈压力调节，PLC前馈压力控制器根据当前流量F的影响进行前馈调节。综合反馈与前馈，并考虑流量F等干扰的影响，控制执行器电动调压阀的开度K₁进而控制管线压力P_o。在本实施例中，P_sp、P₂和P_o均应小于当前输入设定的P_i值的大小，F的取值范围是0-200m³/h，K₁的取值范围是0-100％，前馈、反馈控制器的控制策略以及各变量之间的关系会在后文以数学模型的形式进行定量分析。

所述温度调节装置温度控制为：PLC反馈温度控制器根据温度设定值T_sp和管道加热器出口反馈温度T₁的差值控制可控硅的输出功率K₂，进而起到温度调节的作用，其中考虑了压力P₂对于温度的影响，PLC前馈温度控制器根据当前流量F的影响进行前馈调节。综合反馈与前馈，并考虑流量F、压力P₂等干扰的影响，控制执行器可控硅的输出功率K₂进而控制管线内气体温度T_o。超温保护控制由加热丝温度传感器监测加热丝温度T₂，加热丝温度超过安全值，自动切断电源，防止加热丝因温度过高而损坏。在本实施例中，T_sp、T₁和T_o均应小于当前输入设定的T_i值的大小，P₂的取值范围是0-8MPa，F的取值范围是0-200m³/h，K₂的取值范围是0-500W，前馈、反馈控制器的控制策略以及各变量之间的关系会在后文以数学模型的形式进行定量分析。

参见图3，对本发明一种温度压力可调的气源系统进行数学建模并给出控制算法：

在图3中，上面的控制回路为前馈-反馈压力控制回路，下面的控制回路为前馈-反馈温度控制回路，考虑了流量对于压力、温度控制的影响、以及压力对于温度控制的影响。

所述压力控制回路中，R_P为压力设定值(与P_sp对应)P₂，Y_P为压力输出值(与P_o对应)，Y_mP为压力反馈值(与P₂对应)。反馈回路由压力控制器G_c1(s)、执行器G_v1(s)、被控对象G_p1(s)、变送器G_m1(s)组成，反馈回路主要是克服不可测扰动D₁对于压力控制的影响。在压力控制回路中G_p1(s)可以被视为一阶惯性环节，G_p1(s)＝K_p1/(T_p1s+1)，K_p1、T_p1的值可由理论建模或实验建模得到，在本实施例中，K_p1的取值范围为2-10，T_p1的取值范围为0.1-9.5。变送及执行环节可视为比例环节，G_m1(s)＝K_m1，G_v1(s)＝K_v1，如无特殊要求，两者均可取1。根据压力调节本身特点、以及装置压力特性选择控制策略，由于压力调节跟随性好、装置压力波动小，因此可以采用PI调节使压力调节无静差、响应速度更快，G_c1(s)＝K_c1(1+1/T_i1s)，K_c1和T_i1可由响应曲线法测得，在本实施例中，K_c1的取值范围为1-25，T_i1的取值范围为0.1-10.7。前馈控制回路由执行器G_v1(s)、前馈回路变送器G_m2(s)、被控对象G_p1(s)、前馈控制器G_ff1(s)、扰动量G_D1(s)组成，回路主要是克服流量扰动F对于压力控制的影响，压力调节响应速度快，采用静态前馈增益G_ff1(s)＝-K_D1/K_p1，因为K_D1和K_p1均为常数，G_ff1的取值范围是0.1-5.3。综上，在本实施例中，反馈压力控制器G_c1(s)＝K_c1(1+1/T_i1s)，K_c1的取值范围为1-25，T_i1的取值范围为0.1-10.7；前馈压力控制器G_ff1(s)＝-K_D1/K_p1，G_ff1的取值范围是0.1-5.3。

所述温度控制回路中，R_T为温度设定值(与T_sp对应)，Y_T为温度输出值(与T_o对应)，Y_mT为温度反馈值(与T₁对应)。反馈回路由温度控制器G_c2(s)、执行器G_v2(s)、被控对象G_p2(s)、变送器G_m2(s)组成，在温度控制回路中，由于温度调节滞后性大、时间常数大，G_p2(s)可以被视为具有纯滞后的一阶惯性环节，G_p2(s)＝K_p2/(T_p2s+1)e^-τs，K_p2、T_p2的值可由理论建模或实验建模得到，在本实施例中，K_p2的取值范围为3-20，T_p2的取值范围为0.1-29，由于滞后性大，τ一般在30以上。变送及执行环节可视为比例环节，G_m3(s)＝K_m3，G_v2(s)＝K_v2，如无特殊要求，两者均可取1。根据温度调节本身特点、以及装置温度特性选择控制策略，由于温度调节滞后性大、时间常数大，因此采用参数自整定PID控制算法，使温度调节尽量做到稳定性好、响应快、滞后小，G_c2(s)＝K_c2(1+1/T_i2s+T_D2s)，K_c2、T_i2、T_D2三个参数的取值由参数自整定PID控制算法的得到，后文会详细介绍。前馈控制回路由执行器G_v2(s)、前馈回路变送器G_m4(s)、被控对象G_p2(s)、前馈控制器G_ff2(s)、扰动量G_D2(s)组成，回路主要是克服流量扰动F对于压力控制的影响，由于温度调节滞后性大、时间常数大，采用动态前馈增益G_ff2(s)＝-K_D2(T_p2s+1)/K_p2(T_D2s+1)，其中T_p2、K_p2、T_D2三个参数的取值范围前面均有提到，K_D2的取值范围在0.1-5之间。综上，在本实施例中，反馈温度控制器G_c2(s)＝K_c2(1+1/T_i2s+T_D2s)，K_c2、T_i2、T_D2三个参数的取值由参数自整定PID控制算法的得到，后文会详细介绍；前馈温度控制器G_ff2(s)＝-K_D2(T_p2s+1)/K_p2(T_D2s+1)，其中K_p2的取值范围为3-20，T_p2的取值范围为0.1-29，K_D2的取值范围在0.1-5之间。

反馈温度控制器参数由参数自整定PID控制算法的得到，参数自整定PID控制算法步骤如下：

1.以纯比例作用整定系统得到衰减比为4:1时的比例度δ_s、上升时间t_r及工作周期t_p，根据这三者的数值算出P、I、D三个参数的初始值K_c2＝0.8δ_s、T_i2＝1.2t_r、T_D2＝0.1t_p，并通过温度设定值T_sp和加热器出口温度反馈值T₁等得到控制系统的性能指标超调量σ_p和稳态误差e_ss，对P、I、D三个参数的值进行实时修正使性能指标超调量σ_p和稳态误差e_ss满足控制要求。根据工程实际，超调量阈值σ_p0＝1％和稳态误差阈值e_ss0＝0.5℃。当σ_p≤σ_p0，│e_ss│≤e_ss0，PID参数自整定完成。

2.确定T_i2，对K_c2和T_D2进行迭代优选。若│e_ss│>e_ss0，则

K_c2＝K_c2+(K_cmax-K_c0)/N，

T_D2＝T_D2+(T_Dmax-T_D0)/N，

式中，K_cmax和K_c0为K_c2参数区间端点值，T_Dmax和T_D0为T_D2参数区间端点值。以超调量σ_p和稳态误差e_ss衡量控制系统是否优化的性能指标。K_c0＝1.15T_p2/τ，K_cmax＝1.20T_p2/τ，T_D0＝0.45τ，T_Dmax＝0.82τ。一般取N＝10，精度要求较高可增大N的取值。K_c2和T_D2初始值由1中初步整定得到。

3.确定T_i2和T_D2，对K_c2进行迭代优选。若σ_p>σ_p0，则

K_c2＝K_c2-(K_c0-K_cmin)/N，

式中，K_cmin和K_c0为K_c2参数区间端点值，K_cmin＝0.45T_p2/τ。

采用参数自整定PID控制使控制系统性能明显改善，超调量和稳态误差均能满足指标要求，使温度调节稳定性好、响应快、滞后小。

综上所述，本发明温度压力可调的气源系统具有以下优点：①压缩空气经过除油、除水、除尘操作后，纯净程度较高；②经过自力式调压阀及一、二级稳压罐，流量在17～1023.5m³/h范围内，压力误差小于1％，几乎不存在压力波动，且压力控制精度高，气源稳定性好；③温度控制方面具有稳定性好、响应快、滞后小等优点；④稳压和保温措施使本气源系统几乎不存在压降和温降，解决了气源系统易出现易出现水凝结现象的缺陷。