石曉濤

（山西焦煤西山煤電西銘礦， 山西 太原 030052）

0 引言

礦用空壓機作為煤礦高壓氣體供給設(shè)備，主要通過低壓氣體壓縮為井下氣動設(shè)備及冷卻設(shè)備提供動力，是煤礦核心設(shè)備之一。空壓機系統(tǒng)是一個非線性、延遲較大的高階系統(tǒng)，傳統(tǒng)空壓機控制系統(tǒng)采用較為簡單的邏輯控制器+繼電器控制結(jié)構(gòu)[1-3]，由于氣動設(shè)備動力需求變化量較大，使得在傳統(tǒng)控制系統(tǒng)下空壓機的出口壓力值穩(wěn)定性較差，且與目標(biāo)值偏差較大，造成較大能源浪費。因此通過改進空壓機工藝流程及控制策略，提高空壓機工作效率、降低能量損耗，從而實現(xiàn)空壓機的節(jié)能運行，對于綠色環(huán)保煤礦的建設(shè)具有重要研究意義。

為了實現(xiàn)空壓機的節(jié)能運行，本文從空壓機工藝流程改進及空壓機控制系統(tǒng)及策略改造兩方面入手，首先對空壓機工藝流程進行了詳細分析，在原流程基礎(chǔ)上對空壓機進氣端增加氣體除濕及降溫環(huán)節(jié)，降低空壓機加熱器帶來的功率消耗，同時為輸氣管路增加旁通管減小氣體流通阻力，進一步達到降低能耗的目的。在控制系統(tǒng)改造方面，為提高傳統(tǒng)PID 控制系統(tǒng)的魯棒性及抗干擾能力，引入模糊控制技術(shù)進行控制策略改進，通過模糊控制規(guī)則進一步提高系統(tǒng)控制精度及魯棒性，降低系統(tǒng)超調(diào)量[4-5]，從而減少因控制系統(tǒng)滯后及控制效果差所造成的能耗量大的問題。

1 礦用空壓機工藝流程分析及改進方案設(shè)計

1.1 礦用空壓機工藝流程

礦用空壓機系統(tǒng)的主要組成結(jié)構(gòu)包括壓縮機組、干濕式過濾器、多級冷卻器、油箱等設(shè)備，如圖1 所示。低壓空氣在進入壓縮機組進行壓縮前，首先需通過過濾器進行灰塵、雜質(zhì)的濾除，為保證過濾效果，通常采用干濕串聯(lián)式過濾器進行過濾。過濾后的空氣進入壓縮機組中通過葉輪轉(zhuǎn)動、擴壓器升壓使得空氣被逐級壓縮，壓力值不斷升高。在這一過程中，壓縮后的高壓氣體溫度劇增，為了避免熱量引起的損耗，需通過多級冷卻器對高壓氣體進行冷卻，最終輸出可供其他設(shè)備使用的高壓冷卻氣體。

圖1 礦用空壓機系統(tǒng)的主要組成

通過對空壓機工藝流程分析可以看出，空壓機運行能量損耗主要集中于壓縮高壓氣體所產(chǎn)生的高熱量帶來的熱交換損耗以及多級冷卻器除濕冷卻所需的功耗。同時高壓氣體經(jīng)過主管路時除熱交換外還存在風(fēng)阻損耗，使得能量損耗進一步增大，在對工藝流程進行改進時可從上述兩方面入手分析。

1.2 空壓機工藝流程節(jié)能改進方案及效果

1.2.1 改進方案

根據(jù)上一小節(jié)對空壓機系統(tǒng)工藝流程及主要能量損耗點的分析，本文從空壓機進出口氣體溫度控制及減小主管路阻力系數(shù)兩方面對工藝流程進行改進，實現(xiàn)改善壓縮機工作環(huán)境的同時減小主要機構(gòu)功耗及氣體能量損失，具體工藝流程改進方案如下：

1）在空壓機進氣口空氣過濾器之前增設(shè)水冷器。將工藝流程中的冷卻環(huán)節(jié)提前至前端，在空氣進入過濾器前通過水冷器將空壓機進氣口氣體溫度降低，冷卻后的低壓氣體在進入壓縮機組后可有效減小葉輪做功，同時進排氣口溫度降低可有效改善壓縮空氣流量及出口壓力穩(wěn)定度。

2）在空壓機工藝流程前端增設(shè)除濕器。將多級冷卻器的除濕功能提前至工藝前端，在低壓空氣進入過濾器前完成氣體的除濕干燥，可有效降低末端冷卻器能耗，起到節(jié)能作用。

3）在氣體流通主管路側(cè)增設(shè)旁通管。增設(shè)旁通管的目的是進一步增大管道流通面積，從而降低管路整體阻力系數(shù)，有效減小因風(fēng)阻所帶來的能量損耗。

1.2.2 改進效果

通過上述工藝流程改進措施，可有效降低壓縮機組葉輪、末端冷卻器等主要機構(gòu)功耗，降低進排氣口氣體溫度，減小管路阻力系數(shù)，從而減小氣體因熱交換及風(fēng)阻所產(chǎn)生的能耗，并有效提高排氣口流量及壓力值穩(wěn)定性。改進后的工藝流程如圖2 所示。

圖2 改進后空壓機工藝流程示意圖

2 基于模糊PID 的空壓機控制方案設(shè)計

傳統(tǒng)空壓機控制系統(tǒng)采用PID 控制策略，在PID控制中最重要的三個參數(shù)Kp（比例系數(shù)）、Ki（積分系數(shù)）、Kd（微分系數(shù)）的整定與控制結(jié)果密切相關(guān)。由于空壓機系統(tǒng)具有高階非線性的特點，加之運行方式變換較大，因此無法獲取被控對象的精確數(shù)學(xué)模型。采用傳統(tǒng)PID 控制法滯后性較大，無法獲得滿足需求的響應(yīng)速度及控制精度，系統(tǒng)控制性能較差，從而導(dǎo)致空壓機系統(tǒng)能耗增大，無法使空壓機達到節(jié)能運行效果。

為了有效提高系統(tǒng)的靜態(tài)及動態(tài)特性，本文采用模糊控制技術(shù)對PID 控制環(huán)節(jié)進行改良，通過對自適應(yīng)模糊PID 控制器進行設(shè)計，在Kp、Ki、Kd系數(shù)進入PID 控制器前對三個系數(shù)進行自適應(yīng)模糊處理，最終通過建立模糊規(guī)則及推理算法對三個重要參數(shù)進行實時修正，從而得到最佳控制效果，實現(xiàn)空壓機排氣口壓力的自適應(yīng)實時調(diào)節(jié)。自適應(yīng)模糊PID 控制器設(shè)計原理如圖3 所示。

圖3 自適應(yīng)模糊PID 控制器原理示意圖

由圖3 可知，自適應(yīng)模糊PID 控制器的輸入?yún)?shù)為空壓機排氣口壓力誤差值e（t） 及誤差變化率de/dt，通過模糊規(guī)則及模糊推理算法輸出去模糊的PID 三參數(shù)修正量?Kp、?Ki、?Kd并輸入至PID 控制器中，對Kp、Ki、Kd進行實時調(diào)整，從而實現(xiàn)空壓機排氣口輸出壓力的自適應(yīng)調(diào)節(jié)。

本文采用MATLAB 軟件Simulink 模塊庫中的Fuzzy Logic Toolbox 工具對模糊控制器進行設(shè)計，誤差值e（t）及誤差變換率de/dt 的模糊集定義為{負大，負中，負小，零，正小，正中，正大}，其離散論域集定義為{-6，-4，-2，0，2，4，6}；模糊修正量?Kp、?Ki、?Kd的模糊集定義值與上述e（t）與de/dt 相同，三個修正參數(shù)離散論域分別為?Kp{-6，-4，-2，0，2，4，6}；?Ki{-0.6，-0.4，-0.2，0，0.2，0.4，0.6}；?Kd{-3，-2，-1，0，1，2，3}。上述五個參數(shù)的模糊集為負大、正大時其隸屬函數(shù)采用高斯函數(shù)，其余子集隸屬函數(shù)均采用三角函數(shù)，從而保證模糊控制器的控制精度及穩(wěn)定性。

3 系統(tǒng)實際運行及測試

本文從空壓機工藝流程改進及控制系統(tǒng)優(yōu)化兩方面對空壓機節(jié)能運行方案進行設(shè)計，為了驗證本文所提出方法及系統(tǒng)的有效性，本節(jié)對基于自適應(yīng)模糊PID 的空壓機節(jié)能控制系統(tǒng)進行實際運行，并測得改進后的空壓機系統(tǒng)總能耗與原系統(tǒng)能耗進行實際對比，從而驗證本方案節(jié)能效果。

原空壓機系統(tǒng)主要能耗來自于壓縮機組葉輪軸功耗、多級冷卻器能耗及冷水機組能耗三部分，該煤礦空壓機房共具備8 臺空壓機，單機排氣量為14.8 m3/min，排氣口絕對壓力值為0.65 MPa，8 組壓縮機組單級壓縮軸功耗W1為1 560 kWh，冷水機組用于冷卻空壓機所需的耗電量W2為264 kWh。由于壓縮機組采用二級壓縮，因此壓縮機組在壓縮過程中的總能耗W=2（W1+W2）=3 648 kWh。由于改進系統(tǒng)將空氣冷卻及除濕環(huán)節(jié)放置于前端進行，經(jīng)系統(tǒng)實際測量進入壓縮機組后冷水機用于冷卻氣體所需冷量W2′為245 kWh，下降約7.1%，壓縮機組軸功W1′為1 478 kWh，下降約5.3%。原空壓機系統(tǒng)三級冷卻器可將90 ℃壓縮氣體平均降溫至35 ℃，其冷卻負荷耗電量WL為95 kWh。改進后的系統(tǒng)由旁通管及前置冷卻裝置的作用降低了末端冷卻器的能耗，改良后系統(tǒng)冷卻器總能耗WL′為22.5 kWh。改造前后系統(tǒng)運行能耗數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 改造前后系統(tǒng)運行能耗數(shù)據(jù)

由實測數(shù)據(jù)可知，經(jīng)工藝流程及控制策略改良，空壓機系統(tǒng)總能耗下降了274.5 kWh，能耗減小約7.4%，節(jié)能效果較為顯著。

4 結(jié)語

本文針對傳統(tǒng)礦用空壓機控制系統(tǒng)存在的能耗較高問題，在工藝流程分析的基礎(chǔ)上通過增設(shè)前端冷卻除濕環(huán)節(jié)及旁通管有效降低了機組設(shè)備能耗，并提出了一種基于模糊PID 的自適應(yīng)空壓機控制系統(tǒng)，通過模糊修正量實現(xiàn)對空壓機排氣口壓力的實時自適應(yīng)調(diào)節(jié)，進一步降低系統(tǒng)能耗。經(jīng)實際測試，系統(tǒng)改良前后總能耗降低274.5 kWh，節(jié)能效果較為顯著。