空压机集群容量控制专利技术分析

邓翠婷 谢婷婷

摘 要：压缩机集群的容量控制是实现空压机组的节能运行的重要手段，本文对该方面专利申请进行分析，分析其专利技术领域，并概述了基于压力和基于流量的两类空压机集群容量控制技术的专利技术发展路线，最后分析容量控制技术的未来研究热点。

关键词：空压机；压缩机；集群；群控

中图分类号：TH45 文献标志码：A

压缩空气源是现代工业生产非常重要的动力源，空氣压缩机是产生压缩空气的设备。对于动力消耗大的行业，单台空压机无法满足其生产需求，一般是采用空压机系统，即设置多台空压机。为了确保空压机组的正常运行，需要对空压机组实施集群控制管理，其中，容量控制是控制空压机群的输出压力和供给量，实现供需平衡，对于空压机群的容量控制，依据其控制参数的不同，可大体分为两类，一是基于压力的容量控制（简称压力控制）；二是基于流量的容量控制（简称流量控制）。容量控制的研究意义在于提高空压机群的运行效率、降低运行能耗上。

通过对专利文献的分析发现，压力控制始发于1980年，历经4个阶段；流量控制则晚于压力控制，始发于2001年左右，历经3个阶段。

1 基于压力的容量控制专利技术

1.1 技术领域分析

压力控制是指根据检测到的储气罐压力或者用气压力来控制空压机组出口的供气压力。压力控制主要分为4个分支，分别是阶梯式控制、变频式控制、台数控制和压力预测控制。

变频式控制是当前空压机集群容量控制的研究重点，且技术也较为成熟，专利申请占比46.39%。阶梯式控制和台数控制申请量相当，分别为28.87%和21.13%。压力预测控制起源较晚，申请量最少，为3.61%，然而，对于用气压力波动较为频繁的场合，压力预测控制由于能根据预测结果提前控制空压机组的运行情况，使得供气压力和用气压力快速匹配，因此，预测基于压力控制的容量控制方面接下来的研究重点应在于此。

1.2 专利技术发展路线

图1为基于压力的容量控制专利技术发展路线图。从时间脉络来看，阶梯式容量控制起源最早，开始于1980年的美国专利申请；随后兴起的是变频式容量控制，启蒙于1991年的美国专利申请；同时代发展的还有由日本日立公司于1995年提出的台数控制。压力预测控制最晚，兴起于2009年。

从横向来看，每个分支的控制方式也各有发展。对于阶梯式容量控制，早期的美国专利申请US4184341是通过压力开关来控制不同空压机的启停，且每个压力开关对应不同梯度的压力阈值；之后，日本专利申请JP2001140768则是采用压力传感器来控制空压机组的运行，并且，随后涌现了一批结合压力梯度和空压机加卸载情况来充分控制空压机运行以防止空压机频繁启停的专利申请。

对于变频式容量控制，根据应用场合的压力波动情况，分为工频+变频、全变频两种变频控制方式。美国申请US5050397于1991年提出了空压机组采用变频+工频的组合形式；变频控制为企业带来了不少的经济利益，为使得空压机组适应更多的压力需求，美国申请US2002116938于2002年提出了采用全变频的空压机组；之后，国内也在变频式控制方面做出了不少研究，如专利申请CN201310220386提出了根据等能力输出原则来控制工频空压机和变频空压机的输出；CN201521128703根据用气端和空压机出口处的压力差来控制压缩机的出力 。

对于台数控制，在萌芽时期，日本专利申请JPH08296565是根据检测压力来计算空压机的运行台数，提高空压机运行效率；至发展中期，中国专利申请CN201180004917提出了台数控制器基于台数减少用压力来控制运转台数，且该压力被设定为随着运转台数的增多而变低；2014年，日本专利申请JP2015190322 则明确了根据压力变化量来确定空压机组的运行台数。

对于压力预测控制，如何预测压力并保证该压力的准确性是研究的重点，如日本专利申请JP2010190108聚焦于根据历史压力情况来模拟压力变化预测压缩机运行情况；中国专利申请CN200910052171则提出了对压力进行建模以预测压力变化。

2 基于流量的容量控制专利技术

2.1 技术领域分析

基于流量的容量控制技术是依据压缩空气的用气量来控制空压机组的运行情况。根据用气量的获取方式的不同，容量控制分为使用传感器、不使用传感器以及流量预测3种控制方式。其中不使用传感器的控制中的用气量可从基于压力来计算或是通过建模获得。从专利申请量来看，使用传感器控制占比最大，达到61.36%，不使用传感器的控制占比次之，为25%，而流量预测控制占比最少，为13.64%。

2.2 专利技术发展路线

相较于基于压力的容量控制技术而言，基于流量的的容量控制技术萌芽较晚，开始于2001年，典型的是日本专利申请JP2003035273 提出的采用流量检测装置来检测用气量以控制空压机组的运行情况；在不使用传感器控制的研究中，集中在于通过计算或者建模的方式来获取用气量，如2002年，日本专利申请JP2003214354研究了根据流量变化情况计算用气量。在流量预测控制方向上，日本专利申请JP2013194628率先于2012年提出了预测用气量情况控制空压机组的运行的方法；中国专利申请CN201610971172于2016年提出了根据压力、储气罐容积预测用气量情况。

结语

本文通过对空压机集群控制在容量控制方面上的专利申请的技术分析得出了该领域的技术密集区和潜在的技术发展点，总结如下：

（1）从时间节点上来看，空压机集群控制起源于20世纪80年代左右，2005年之前为稳步发展时期，2005年之后为高速发展时段，申请量具有较大的飞跃。

（2）各分支主要技术的起源发展均来自国外，如阶梯式控制和变频式控制均起源于美国。

（3）基于流量的容量控制将逐渐取代传统的基于压力的容量控制方法，其中的压力预测和流量预测的容量控制方法在预测算法、控制精度上还有很大发展空间，将是容量控制领域未来的研究重点。

目前来看，我国空压机群控技术和世界上先进水平还有很大差距，然而，中国的许多科研机构也越来越重视该领域，并且也投入了大量精力和资金，中国申请人在借鉴国外技术的同时，应多研究该领域的前沿技术，增强我国的综合技术的竞争力。此外，应当加强企业和科研机构的合作，逐步缩小与国外水平的差距。

参考文献

[1]张瑞平，赵军.空压站集群控制系统研究[J].压缩机技术，2016（6）：99-101.

[2]洪武，毛剑琳.空压机集群节能与智能控制研究[J].自动化与仪器仪表，2015（6）：34-35.