空壓機集群容量控制專利技術分析

鄧翠婷 謝婷婷

摘 要：壓縮機集群的容量控制是實現空壓機組的節能運行的重要手段，本文對該方面專利申請進行分析，分析其專利技術領域，并概述了基于壓力和基于流量的兩類空壓機集群容量控制技術的專利技術發展路線，最后分析容量控制技術的未來研究熱點。

關鍵詞：空壓機；壓縮機；集群；群控

中圖分類號：TH45 文獻標志碼：A

壓縮空氣源是現代工業生產非常重要的動力源，空氣壓縮機是產生壓縮空氣的設備。對于動力消耗大的行業，單臺空壓機無法滿足其生產需求，一般是采用空壓機系統，即設置多臺空壓機。為了確保空壓機組的正常運行，需要對空壓機組實施集群控制管理，其中，容量控制是控制空壓機群的輸出壓力和供給量，實現供需平衡，對于空壓機群的容量控制，依據其控制參數的不同，可大體分為兩類，一是基于壓力的容量控制（簡稱壓力控制）；二是基于流量的容量控制（簡稱流量控制）。容量控制的研究意義在于提高空壓機群的運行效率、降低運行能耗上。

通過對專利文獻的分析發現，壓力控制始發于1980年，歷經4個階段；流量控制則晚于壓力控制，始發于2001年左右，歷經3個階段。

1 基于壓力的容量控制專利技術

1.1 技術領域分析

壓力控制是指根據檢測到的儲氣罐壓力或者用氣壓力來控制空壓機組出口的供氣壓力。壓力控制主要分為4個分支，分別是階梯式控制、變頻式控制、臺數控制和壓力預測控制。

變頻式控制是當前空壓機集群容量控制的研究重點，且技術也較為成熟，專利申請占比46.39%。階梯式控制和臺數控制申請量相當，分別為28.87%和21.13%。壓力預測控制起源較晚，申請量最少，為3.61%，然而，對于用氣壓力波動較為頻繁的場合，壓力預測控制由于能根據預測結果提前控制空壓機組的運行情況，使得供氣壓力和用氣壓力快速匹配，因此，預測基于壓力控制的容量控制方面接下來的研究重點應在于此。

1.2 專利技術發展路線

圖1為基于壓力的容量控制專利技術發展路線圖。從時間脈絡來看，階梯式容量控制起源最早，開始于1980年的美國專利申請；隨后興起的是變頻式容量控制，啟蒙于1991年的美國專利申請；同時代發展的還有由日本日立公司于1995年提出的臺數控制。壓力預測控制最晚，興起于2009年。

從橫向來看，每個分支的控制方式也各有發展。對于階梯式容量控制，早期的美國專利申請US4184341是通過壓力開關來控制不同空壓機的啟停，且每個壓力開關對應不同梯度的壓力閾值；之后，日本專利申請JP2001140768則是采用壓力傳感器來控制空壓機組的運行，并且，隨后涌現了一批結合壓力梯度和空壓機加卸載情況來充分控制空壓機運行以防止空壓機頻繁啟停的專利申請。

對于變頻式容量控制，根據應用場合的壓力波動情況，分為工頻+變頻、全變頻兩種變頻控制方式。美國申請US5050397于1991年提出了空壓機組采用變頻+工頻的組合形式；變頻控制為企業帶來了不少的經濟利益，為使得空壓機組適應更多的壓力需求，美國申請US2002116938于2002年提出了采用全變頻的空壓機組；之后，國內也在變頻式控制方面做出了不少研究，如專利申請CN201310220386提出了根據等能力輸出原則來控制工頻空壓機和變頻空壓機的輸出；CN201521128703根據用氣端和空壓機出口處的壓力差來控制壓縮機的出力 。

對于臺數控制，在萌芽時期，日本專利申請JPH08296565是根據檢測壓力來計算空壓機的運行臺數，提高空壓機運行效率；至發展中期，中國專利申請CN201180004917提出了臺數控制器基于臺數減少用壓力來控制運轉臺數，且該壓力被設定為隨著運轉臺數的增多而變低；2014年，日本專利申請JP2015190322 則明確了根據壓力變化量來確定空壓機組的運行臺數。

對于壓力預測控制，如何預測壓力并保證該壓力的準確性是研究的重點，如日本專利申請JP2010190108聚焦于根據歷史壓力情況來模擬壓力變化預測壓縮機運行情況；中國專利申請CN200910052171則提出了對壓力進行建模以預測壓力變化。

2 基于流量的容量控制專利技術

2.1 技術領域分析

基于流量的容量控制技術是依據壓縮空氣的用氣量來控制空壓機組的運行情況。根據用氣量的獲取方式的不同，容量控制分為使用傳感器、不使用傳感器以及流量預測3種控制方式。其中不使用傳感器的控制中的用氣量可從基于壓力來計算或是通過建模獲得。從專利申請量來看，使用傳感器控制占比最大，達到61.36%，不使用傳感器的控制占比次之，為25%，而流量預測控制占比最少，為13.64%。

2.2 專利技術發展路線

相較于基于壓力的容量控制技術而言，基于流量的的容量控制技術萌芽較晚，開始于2001年，典型的是日本專利申請JP2003035273 提出的采用流量檢測裝置來檢測用氣量以控制空壓機組的運行情況；在不使用傳感器控制的研究中，集中在于通過計算或者建模的方式來獲取用氣量，如2002年，日本專利申請JP2003214354研究了根據流量變化情況計算用氣量。在流量預測控制方向上，日本專利申請JP2013194628率先于2012年提出了預測用氣量情況控制空壓機組的運行的方法；中國專利申請CN201610971172于2016年提出了根據壓力、儲氣罐容積預測用氣量情況。

結語

本文通過對空壓機集群控制在容量控制方面上的專利申請的技術分析得出了該領域的技術密集區和潛在的技術發展點，總結如下：

（1）從時間節點上來看，空壓機集群控制起源于20世紀80年代左右，2005年之前為穩步發展時期，2005年之后為高速發展時段，申請量具有較大的飛躍。

（2）各分支主要技術的起源發展均來自國外，如階梯式控制和變頻式控制均起源于美國。

（3）基于流量的容量控制將逐漸取代傳統的基于壓力的容量控制方法，其中的壓力預測和流量預測的容量控制方法在預測算法、控制精度上還有很大發展空間，將是容量控制領域未來的研究重點。

目前來看，我國空壓機群控技術和世界上先進水平還有很大差距，然而，中國的許多科研機構也越來越重視該領域，并且也投入了大量精力和資金，中國申請人在借鑒國外技術的同時，應多研究該領域的前沿技術，增強我國的綜合技術的競爭力。此外，應當加強企業和科研機構的合作，逐步縮小與國外水平的差距。

參考文獻

[1]張瑞平，趙軍.空壓站集群控制系統研究[J].壓縮機技術，2016（6）：99-101.

[2]洪武，毛劍琳.空壓機集群節能與智能控制研究[J].自動化與儀器儀表，2015（6）：34-35.