气动系统的节能

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十-五”期间，我国能源消耗高速增长，供需缺口持续增大。2008年，我国二氧化碳排放量首次超过美国，成为全球第-；2009年，我国净进口原油首次超过 自产原油(如图 1所示)，进 口依存度达到 51.29%，超过国际安全警戒线；2010年，中国超过美国成为世界上最 大 的能 源消 费 国，能源 消 费量 占全球 的20.3% 。

-国内自产原油 - 进ICl原油 对外依存度伴随着能源消耗的巨幅增速，随之而来的环境污染问题同样令人堪忧。2013年初，我国大部分地区遭遇的罕见雾霾天气，PM2.5监测数据几近爆表”，再- 次为我国节能减排敲响了警钟。

早在2007年 1O月，我国全面修改的《新节约能源法》将节约资源”定为我国的基本 国策之-，并于2008年4月开始施行。国家在十-五”及十二五”规划中均制定了相应的节能目标，即万元GDP能耗分别降低20%和 16%。这说明我们已经进人到-个全面推行节能减排的时代，压力巨大。

气动系统作为实现生产工艺 自动化的重要手段，广泛应用于各行各业的制造工厂，使用量大面广，几乎无处不在。作为气动系统动力装置，我国空压机在图 1 中国石油对外依存度趋势 收稿 日 ：2013-07-0l% O O O O 0岫- 姗.f-J-I'!- 量 - 蝴- 躺-直 3- 衅Ⅺ 加 ∞ 的 O2013年第8期 液压与气动 3工厂中的泄漏量通常占供气量的 10% ～30%，而管理不善的工厂甚至可能高达 50%。90%以上泄漏的原因在于设备使用中的零部件老化或破损。l：Ln，汽车点焊工位的-个焊渣在气管上导致的-个直径 1 mm的凶每年损失高达约3200度电，几乎相当于两个三口之家的全年家庭用电。

3)末端用气在用气设备中用气不合理的现象也比较突出，例如确定工件是否卡到位的气体背压检测、真空发生器给气等存在不工作时也不间断供气。尤其是化学药液槽等用于搅拌 目的的用气、轮胎制造中的定型充气等，从0.7 MPa的高压减压到 0.1～0.2 MPa使用的现象非常普遍 ，浪费的令人痛心。气枪在制造加工的精修、机加工等工艺现场被广泛使用，其耗气量在某些产业领域甚至达到总供气量的50%。通常，气枪在使用过程中存在供气管道过长、供给压力过高、用直铜管做喷嘴等问题。同时，现场人员很容易为了追求大冲击力而擅 自扩大喷嘴喷口、提高供给压力，从而造成巨大的用气浪费 。

2 国内外的研究现状面对上述我国气动系统节能存在的主要问题，国内外研究开展了各种研究 -25]。

2.1 空压机群的运行优化由于气动系统不同用气诚下使用的空压机类型不同，且不同类型空压机的工作原理、运行特性各不相同，因此影响其节能运行的因素也不完全相同。针对这-特点，以下分别介绍工业现场主流用气诚下离心式 空压机群、螺杆式空压机群的节能运行研究现状 埘]。

(1)针对大流量用气诚离心式空压机群的节能运行问题，国内外相关研究成果如下：针对离心空压机群节能运行问题，世界知名离心空压机生产商英格索兰推出了Xe.Series控制系统，如图4所示。该控制器采用硬线与空压机进行连接，通过采集后部压缩空气的压力控制各离心式空压机进气导叶的开度，从而实现空压机用电节能。

(2)针对中小流量用气诚螺杆式空压机群的节能运行问题，国内外相关研究成果如下：美国普渡大学 Hank van Ormer提出在螺杆空压机群内配置不同大小的螺杆空压机，如图5所示。用大功率的空压机作为基载，用小功率空压机作为峰载空压机来调节用气流量的变化，从而使大功率的空压机得到最好的利用，达到效率最高 。但由于其是基于顺序控制的原则，在用气量变化较大的用气诚，在控制的过程中会出现较大的超调与滞后。同时，其大、小空压机搭配运行的方法使得用户在购置空压机时须配置不同大、小型号的空压机，不利于用户选购与使用。

a)Xe-Series离心空压机控制器b)Xe-Series控制系统示意图图4 Xe-Series离心空压机控制系统图5 螺杆式空压机群不同容积流量空压机配置示意图美国(乔治)华盛顿大学 Chris Beals基于气动系统是-个时变的、大滞后、非线性且复杂的系统这些特点，结合螺杆式空压机的工作特性，以模糊控制理论为基础，设计了-个压力模糊控制器，用以保证螺杆式空压机群输出的压缩空气压力稳定在所需的范围内。

上夯通大学 自动化学院胡立生、杨电针对某些用气流量有较大波动的诚，提出了-种模糊控制技术与PI控制相结合的混合智能控制技术，用以控制螺杆式空压机群系统的出口压力。

另外 ，针对螺杆空压机群节能运行问题，世界上各主要的空压机制造巨头开发出各自不同的螺杆式空压机群控制系统，具有代表性的有：阿特拉斯科普科公司在 2006年底推出其螺杆式空压机群节能控制系统ES6，英格索兰公司于 2006年推出了螺杆式空压机群集成控制系统 X8I，日立公司开发的螺杆式空压机群台数控制器(Multiroler EX)等。

2.2 压缩空气高效大流量增压技术气动系统中某些诚如：气辅成型、机床夹紧、高2013年第8期 液压与气动 5行的合理性，估算其节能潜力，进而针对不同行业、不同工艺的用气特点，量身打造出个性化的改造方案难度很大。

表 I 管道泄漏检测方法对比检测方法 检测灵敏度 实用性 误报警 造价声发射法 高 高 由 由光纤法 高 低 低 高动态模型法 高 高 高 中瞬变模型法 高 高 高 由压力点分析方法 高 低 高 由压力波法 高 高 高 中激励响应法 高 低 中 高流量/压力变化法 低 高 高 低要对气动系统进行节能诊断与改造，必须突破以下瓶颈难题：(1)高耗气末端设备的节能改造及泄漏定位定量检测问题 喷嘴、大型气缸及恶劣工况下的普通气缸是末端设备中的高耗气设备，在满足工艺要求的前提下，如何针对这类设备进行个性化设计、改进-直是困扰现臣术人员的难题。另外，压缩空气管网及其用气设备都存在大量的泄漏，传统的听觉侦测易受环境干扰，无法精确确定泄漏点位置，确定泄漏量大型更加困难。

(2)用气预测及空压机群负载智能匹配问题 目前单机加卸载运行模式下的螺杆式空压机群的负载匹配能力较弱，末端设备用气量的波动也造成整个供气管网压力波动大，这通常导致空压站输出压力整体偏高，能耗增大。另外，由于离心式空压机不能频繁开关机，其持续开机运行，也造成了巨大的能源浪费。

(3)非介入式流量测量、管网分压供气及调度问题 传统管道流量测量需要切开管道以致影响正常生产，这使得流量测量的难题-直得不到有效解决。

对于高压供气的设备，现场时常出现低压报警，常见的做法是提高整个管网压力，但因此导致大量能源浪费，而现有的增压器流量过小，无法满足现场实际要求。

对于复杂管网，通常由于调度不合理，使压缩空气输送过程中的能量损失及压力波动过大，致使空压机的输出压力偏高，空压机群负载不均衡 ，导致整个空压系统的能耗偏高。

(4)节能诊断及节能率计算问题 气动系统的节能诊断-直是个难题，不但要有-套行之有效的压缩空气能量评价指标，而