趙詩建, 郝木凱, 王一軒

(1.北京航空航天大學(xué) 自動化科學(xué)與電氣工程學(xué)院, 北京 100191; 2.工業(yè)和信息化部 產(chǎn)業(yè)發(fā)展促進中心, 北京 100846; 3.北京航空航天大學(xué) 北航學(xué)院, 北京 100191)

引言

氣動系統(tǒng)作為現(xiàn)代工業(yè)三大動力系統(tǒng)(電/氣/液)之一,具有成本低、無污染、易維護等優(yōu)點,廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)各種制造生產(chǎn)現(xiàn)場, 是制造業(yè)中最基礎(chǔ)的生產(chǎn)保障系統(tǒng)之一。

近年來氣動系統(tǒng)在工業(yè)自動化領(lǐng)域的應(yīng)用逐步擴大,目前已經(jīng)在全球形成上千億的應(yīng)用市場規(guī)模[1]。氣動系統(tǒng)具有能耗高、能效低的特點,據(jù)統(tǒng)計,在美、 歐、日等工業(yè)發(fā)達國家,氣動系統(tǒng)耗電量占全國工業(yè)總耗電量的8%左右;我國氣動系統(tǒng)的全國耗電量高達3000億度/年,相當(dāng)于東北三省用電總量,占全國總用電的8%,且每年仍以約7%的速度遞增。然而,我國現(xiàn)階段的工業(yè)生產(chǎn)節(jié)能意識薄弱、節(jié)能技術(shù)空白、高效設(shè)備缺失等,造成了氣動系統(tǒng)內(nèi)部能量損失不明、動力供需不匹配、管網(wǎng)調(diào)度手段缺乏、 泄漏大、末端設(shè)備低效等問題,導(dǎo)致我國氣動系統(tǒng)節(jié)能控制等領(lǐng)域的技術(shù)總體上 處于發(fā)達國家80年代水平。相關(guān)研究表明,我國氣動系統(tǒng)領(lǐng)域尚有30%以上的節(jié)能空間[2]。

十四“五”時期,碳中和目標(biāo)下引導(dǎo)經(jīng)濟結(jié)構(gòu)、能源利用和清潔能源發(fā)展將是重點任務(wù),碳達峰則是工作布局中的關(guān)鍵一環(huán)。2020年底,《中共中央關(guān)于制定國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和二○三五年遠景目標(biāo)的建議》明確指出:降低碳排放強度,支持有條件的地方率先達到碳排放峰值,制定2030年前碳排放達峰行動方案。以此為背景,氣動系統(tǒng)不可避免地成為工業(yè)節(jié)能的重點對象。

氣動管網(wǎng)是壓縮空氣輸運的重要環(huán)節(jié),直接決定著整個系統(tǒng)的安全、高效運行。然而,大規(guī)模氣動管網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,壓縮空氣調(diào)度控制滯后,供需匹配困難等問題,不僅導(dǎo)致關(guān)鍵節(jié)點壓力波動大、能量損失嚴(yán)重,而且故障檢測與隔離困難。另外,隨著氣動管網(wǎng)運行時間的增加,氣動管網(wǎng)中管道會發(fā)生腐蝕、開裂、變形等故障,不僅會導(dǎo)致管道破裂與堵塞,造成氣動系統(tǒng)的能量浪費,而且可引發(fā)重大安全事故。因此,氣動管網(wǎng)的精密檢測與智能控制,對于實現(xiàn)氣動系統(tǒng)供需匹配、降低空壓機能耗、提高系統(tǒng)安全性與可靠性具有重要意義。

本研究在分析氣動管網(wǎng)系統(tǒng)檢測與節(jié)能調(diào)度技術(shù)研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,從管網(wǎng)優(yōu)化運行、管網(wǎng)建模與管網(wǎng)故障檢測等方面進行研究闡述。并結(jié)合現(xiàn)階段氣動管網(wǎng)系統(tǒng)精密檢測與智能控制技術(shù)難點和存在的問題,對其進行討論分析和建議。

1 壓縮空氣管網(wǎng)簡介

壓縮空氣管網(wǎng)系統(tǒng)是由從壓縮氣源到用氣中的多路氣動管路組成,主要可以分成氣源、送氣管網(wǎng)和用氣末端三個環(huán)節(jié)。如圖1所示為典型的壓縮空氣管網(wǎng)系統(tǒng)局部示意圖。

1.氣源 2.送氣的管網(wǎng) 3.用氣的末端圖1 壓縮空氣管網(wǎng)系統(tǒng)簡圖Fig.1 Sketch of compressed air pipeline system

壓縮空氣管網(wǎng)的氣源是指產(chǎn)生壓縮空氣的空壓機群?？諌簷C群的數(shù)量及規(guī)模因各企業(yè)的生產(chǎn)規(guī)模不同而有較大差異。大型工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)一般以七、八臺空壓機的規(guī)模為一組,通過對空壓機的調(diào)度控制,適應(yīng)不同的用氣情況?？諌簷C群是壓縮空氣管網(wǎng)的能量來源,在壓縮空氣管網(wǎng)運行過程中消耗大量的電能。生產(chǎn)過程中空壓機群組的調(diào)度對整個氣動系統(tǒng)的能耗與效率具有重要的影響。然而,壓縮空氣系統(tǒng)固有的非線性與滯后性嚴(yán)重,氣動系統(tǒng)負載匹配困難,關(guān)鍵節(jié)點壓力波動大,使得壓縮空氣管網(wǎng)的空壓機調(diào)度與控制不合理,導(dǎo)致“大馬拉小車”、空壓機耗能空轉(zhuǎn)等情況的發(fā)生,降低了壓縮空氣管網(wǎng)運行效率,并造成能源巨大浪費。據(jù)研究,由于壓縮空氣系統(tǒng)調(diào)度不合理造成的能量損失約占整個壓縮空氣系統(tǒng)能耗的15%左右[3]。

送氣管網(wǎng)是指把壓縮空氣由氣源傳輸?shù)礁饔脷饽┒说臍鈩庸艿谰W(wǎng)絡(luò)。企業(yè)生產(chǎn)的不斷發(fā)展使得壓縮空氣管網(wǎng)不斷進行擴展與改造,造成壓縮空氣管道經(jīng)常因為諸多設(shè)計不合理,如行程過長、拐彎過多、管道過細等原因,使壓縮空氣的傳輸過程中能量損失較大。另外,隨著壓縮空氣管網(wǎng)運行時間的增加,壓縮空氣管網(wǎng)中管道會發(fā)生腐蝕、開裂、變形等故障,導(dǎo)致管道破裂與堵塞,造成氣動系統(tǒng)的能量浪費,甚至引發(fā)安全事故。目前傳統(tǒng)的管道故障檢測手段受到安裝與使用環(huán)境的限制,無法對管網(wǎng)管路故障進行及時、全面、精確的檢測,成為氣動管網(wǎng)領(lǐng)域的一大難題。

當(dāng)今我國能源危機嚴(yán)重,氣動產(chǎn)業(yè)處于升級的關(guān)鍵時期,其節(jié)能空間龐大, 實現(xiàn)氣動系統(tǒng)的節(jié)能控制能夠為我國節(jié)省巨大的工業(yè)用電與能源消耗,帶來巨大的經(jīng)濟效益。因此,實現(xiàn)鋼鐵、化工、電力等大型企業(yè)中的多源大規(guī)模壓縮空氣管網(wǎng)的智能調(diào)度,減少由于負載不匹配及壓力損失等造成的能量損失,實現(xiàn)大規(guī)模氣動管網(wǎng)的故障檢測與智能隔離,具有重要理論研究價值和基礎(chǔ)應(yīng)用價值。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

在全球能源緊缺、世界各國大力提倡節(jié)能環(huán)保的今天,氣動系統(tǒng)已經(jīng)成為工業(yè)節(jié)能的重要組成部分,成為開展節(jié)能減排措施的重要領(lǐng)域[7-9]。歐盟[4-9]統(tǒng)一設(shè)計必須盡可能減少能源消耗和溫室氣體排放。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織[11]要求所有組織提高能源利用率。

目前,國內(nèi)外科研人員已達成共識,認為“壓縮空氣系統(tǒng)的供給與需求相匹配是提高其效率的最重要的途徑”[7-10]。為了滿足各用氣設(shè)備的壓力及流量需求,工業(yè)現(xiàn)場廣泛采用提高空壓機輸出壓力的方法,但隨著輸出壓力的提高,空壓機的耗電量也將隨之增大。因此,提高壓縮空氣的調(diào)度配置的合理性,可有效提高壓縮空氣系統(tǒng)的效率,為壓縮空氣系統(tǒng)節(jié)能提供了一條重要途徑。

本研究主要從氣動管網(wǎng)優(yōu)化運行、氣動管網(wǎng)建模及氣動管網(wǎng)故障檢測等方面的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進行介紹。

2.1 氣動管網(wǎng)優(yōu)化運行研究現(xiàn)狀

目前對管網(wǎng)優(yōu)化問題的研究比較廣泛,主要分為兩大類:穩(wěn)態(tài)管網(wǎng)問題和動態(tài)管網(wǎng)問題。

美國的USTER H[11]開發(fā)了一個綜合大規(guī)?；旌险麛?shù)非線性優(yōu)化模型,用于確定管網(wǎng)中管道、壓氣站及其容量、多期 規(guī)劃期內(nèi)的時間安排,以及管網(wǎng)中穩(wěn)態(tài)流量決策。該問題的解決方案有助于對壓氣站的位置和容量、新管道的位置以及在網(wǎng)絡(luò)中以最小總成本實施新管道和壓氣站的調(diào)度做出決策。芬蘭的MIKOLAJKOVA M等[12]開發(fā)一個線性化的 MILP(混合整數(shù)線性規(guī)劃)公式的天然氣分配網(wǎng)絡(luò),同時涵蓋質(zhì)量流量,壓力,壓縮機負荷或質(zhì)量流方向的變化,將管網(wǎng)穩(wěn)態(tài)模型線性化,實現(xiàn)了在不同條件下管網(wǎng)的有效優(yōu)化。

另一個關(guān)于穩(wěn)態(tài)管道問題的熱門話題是多目標(biāo)優(yōu)化,其中典型的沖突目標(biāo)是最小化壓縮機功率消耗和最大化輸送氣量。SONG R等[13]建立了二氧化碳預(yù)冷氮氣膨脹過程的數(shù)學(xué)模型,并通過 ActiveX技術(shù)與 MATLAB相連接,建立了混合仿真平臺;以單位能耗和液化率為目標(biāo)函數(shù),利用懲罰函數(shù)實現(xiàn)約束的轉(zhuǎn)換;分別采用 simple 和 fast 精英非支配排序遺傳算法求解液化過程的單目標(biāo)優(yōu)化問題和多目標(biāo)優(yōu)化問題。結(jié)果表明,簡單遺傳算法以主目標(biāo)法實現(xiàn)了較低的單位能耗和較高的傳熱效率,而快速精英非支配排序遺傳算法的結(jié)果較好地實現(xiàn)了工藝的綜合性能。美國的DEMISSIE A[14]提出天然氣管網(wǎng)優(yōu)化運行的多目標(biāo)優(yōu)化模型,針對不同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),即線性拓撲、分支拓撲和環(huán)路拓撲,建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型;在管道和壓縮機的約束下,考慮了兩個相互沖突的目標(biāo):功耗最小化和氣體輸送流量最大化。決策變量是節(jié)點處的壓力和壓縮機的轉(zhuǎn)速。然而,決策者必須結(jié)合實際信息和經(jīng)驗,從最優(yōu)集中選擇一個單一的解決方案,大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化和附加目標(biāo)的研究開展不夠。

然而,以上研究均基于穩(wěn)態(tài)模型,不能描述氣體在短期運行中的瞬態(tài)行為。因此,通常需要建立具有時變微分方程的動力學(xué)模型來處理它。

ANDRZEJ等[15]提出了一種基于偏微分方程PDEs的網(wǎng)絡(luò)中等溫瞬態(tài)氣體流動模擬方法,該方法已廣泛應(yīng)用于管網(wǎng)瞬態(tài)問題。BAUMRUCKER B T等[16]開發(fā)了一種允許倒流的管道網(wǎng)絡(luò)運行的MPEC 模型,并提出了一種多周期方法來簡化原 PDE 模型。除了問題的規(guī)模和復(fù)雜性之外,管網(wǎng)動態(tài)優(yōu)化中的連續(xù)/離散混合結(jié)構(gòu)也是一個很大的挑戰(zhàn)。在動態(tài)優(yōu)化中,處理混合連續(xù)/離散結(jié)構(gòu)的方法有多種。最簡單的方法是建立兩階段模型,在第一階段的粗模型中確定離散變量,然后在第二階段傳遞到詳細模型。這種方法直觀且易于實現(xiàn),但不能保證最優(yōu)性。第二種方法是用光滑函數(shù)來近似非光滑項。據(jù)報道,該方法整體性能良好,但需要將離散變量重新表述為非光滑項。最近,VIKSE M等[17]提出了一種替代方法,使用字典式方向?qū)?shù)的自動微分方法計算非光滑項的靈敏度信息。但只考慮了一根管道,研究僅限于建模范圍,沒有進行優(yōu)化。美國的LIU K等[18]考慮配氣和多供氣情況下的管網(wǎng)動態(tài)優(yōu)化研究,他提出了一個具有氣體互換性控制的管道網(wǎng)絡(luò)中氣體混合的動態(tài)模型,該模型可用于減少易受氣體質(zhì)量波動影響的終端用戶設(shè)備的損壞。但是這些工作沒有開發(fā)基于成分的具有更精確氣體性質(zhì)的模型,還需要選擇一個更有效的離散化方案和對地形和氣候變化引起的環(huán)境條件變化的合理假設(shè)。

國內(nèi)的管道調(diào)度和分析也逐漸起步。CAI Maolin等[10]建立了基于傳輸能量和擴張能量的氣動模型,區(qū)分了壓縮流體和非壓縮流體。蔣永明[19]通過蟻群算法對長輸管道建設(shè)優(yōu)化分析,以壓氣站個數(shù)、壓縮機壓比為優(yōu)化變量,對建設(shè)費用最低進行優(yōu)化設(shè)計研究,并與實際生產(chǎn)做以比較,驗證蟻群算法在該模型下的優(yōu)越性。吳瑕等[20]提出以最大收益與最大輸氣量的一種混合目標(biāo)函數(shù),并對粒子群算法進行改進后,混合目標(biāo)進行優(yōu)化求解。由于優(yōu)化算法的汲取粒子群具有收斂速度快的特點,因此可以避免陷入局部最優(yōu)的情況,優(yōu)化結(jié)果可以有效的提高長輸管道收益及氣量最大化輸送目標(biāo)。該方法容易產(chǎn)生早熟收斂,局部尋優(yōu)能力較差。在空間多樣性復(fù)雜的環(huán)境中搜索時,容易陷入局部最小。張曉瑞[21]提出站級優(yōu)化模型,建立使用線性規(guī)范法對壓縮機開機方案進行優(yōu)化研究,解決了輸氣管道非穩(wěn)態(tài)工況下的問題,建立能耗與管道輸送量的關(guān)系。林棋等提出了帶有動態(tài)懲罰函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)微粒群算法,結(jié)合輸氣管道工藝計算,對比驗證了此算法在的準(zhǔn)確性,并將其應(yīng)用于管道定流量穩(wěn)態(tài)能耗優(yōu)化運行研究中,實現(xiàn)了管道沿線壓縮機組的能耗優(yōu)化。劉恩斌等[22]提出了一種以能耗最低為目標(biāo)函數(shù)的天然氣管道運行優(yōu)化模型并在一個大型管道中驗證了算法的快速性和有效性。皮禮仕采用輸氣管道理論基礎(chǔ)及動態(tài)規(guī)劃法,建立了輸氣管道穩(wěn)態(tài)仿真模型和以各壓氣站總能耗最低為目標(biāo)函數(shù)的輸氣管道穩(wěn)態(tài)運行優(yōu)化模型,并仿真得出相同輸量下采用本方案可使全線壓縮機總功率有效降低。但上調(diào)度規(guī)劃只指出了正常運行時的調(diào)度方案,對于故障的應(yīng)對能力不足,在故障后,沒有最佳能源應(yīng)對方案。

2.2 氣動管網(wǎng)建模的研究現(xiàn)狀

壓縮空氣管網(wǎng)的建模,是壓縮空氣調(diào)度策略研究的基礎(chǔ)。企業(yè)的壓縮空氣管網(wǎng),一般盤根錯節(jié),結(jié)構(gòu)復(fù)雜,需要對其作一定的簡化,才能提煉出合理的結(jié)構(gòu)模型。如圖2所示是一個簡單的管網(wǎng)模型。該模型中,圓圈表示管網(wǎng)的節(jié)點,方塊表示管網(wǎng)的管段,箭頭方向是流體的流動方向。

圖2 簡單的管網(wǎng)模型Fig.2 Simple pipe network model

管段,即指氣體的流動特性沒有急變的管道;所謂的節(jié)點,即管網(wǎng)中有管段交接,或者能讓氣體的流動特性發(fā)生急變的地方。圖3中,圓圈標(biāo)記的地方都是節(jié)點。

圖3 管網(wǎng)結(jié)構(gòu)中的節(jié)點Fig.3 Nodes in pipe network structure

國外學(xué)者早期使用簡化的模型[23-24]對于管網(wǎng)的瞬態(tài)進行模擬,HUCK C等[25]提出將氣體管網(wǎng)的瞬態(tài)模擬與壓縮機的特性圖模型使用一個穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)公式作為微分系統(tǒng), 文獻[26]將多點迭代方法引入到哈迪十字方法中,并給出了適定性、可控性、反饋穩(wěn)定性、模型中包含不確定性和數(shù)值方法的結(jié)果。

顧振杰等[27]在考慮輸流管道中流體、溫度、結(jié)構(gòu)等多種影響因素下,利用哈密頓原理建立輸流管道流-固-熱耦合作用的動力學(xué)方程,根據(jù)有限元理論推導(dǎo)出輸流管道的單元剛度陣、質(zhì)量陣、反對稱的耦合阻尼矩陣,獲得多影響因素下的輸流管道動力有限元模型;并通過數(shù)值分析研究流體流速、密度、壓強、溫度等因素對管道系統(tǒng)動力特性的影響,得到各影響因素對系統(tǒng)固有頻率的影響規(guī)律和作用機理;并得出了輸流管道的低階固有頻率較高階固有頻率下降幅度大,流速達到臨界速度會發(fā)生失穩(wěn);隨著管內(nèi)流體壓力的增大,輸流管道的固有頻率下降的結(jié)論。徐楊華[28]利用某工廠壓縮空氣管網(wǎng)及某百萬噸級直溜柴油加氫工藝裝置為研究對象,針對當(dāng)前工業(yè)領(lǐng)域有關(guān)管網(wǎng)系統(tǒng)的建模求解進行研究,采用流程模擬技術(shù)—解決管網(wǎng)模擬的難點進行了分析和總結(jié),掌握了基于流程切割和拓撲結(jié)構(gòu)識別技術(shù),對過程矩陣和鄰接矩陣進行處理的建模方法,系統(tǒng)闡明了串、并、分、匯四種典型結(jié)構(gòu)進行識別建模的方法。他還利用基于拓撲結(jié)構(gòu)切割識別的管網(wǎng)系統(tǒng)建模技術(shù),對某船廠壓縮空氣管網(wǎng)進行了全面的研究和結(jié)構(gòu)分析,針對管網(wǎng)空壓站、多氣源供氣管路等較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu),設(shè)計了專門的建模求解方案,并利用流程模擬平臺,對整個管網(wǎng)模型進行了求解,開發(fā)了該廠壓縮空氣管網(wǎng)的動態(tài)仿真系統(tǒng),該系統(tǒng)計算效率高,穩(wěn)定性好,系統(tǒng)信息表達完整準(zhǔn)確。但是該研究對于實際工況較為復(fù)雜的管網(wǎng)結(jié)構(gòu)的算法求解穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性尚有待提高,對于部分工況復(fù)雜的工藝結(jié)構(gòu)應(yīng)該設(shè)計基于迭代思路的算法進行研究,且模型模擬流體輸送機械的功能不多。

王笑嫣[29]從平面管道、空間管道、調(diào)節(jié)閥-輸流管道系統(tǒng)三個方面進行了研究,運用數(shù)值計算的方法揭示了平面管道、空間管道的非線性動力學(xué)現(xiàn)象,針對調(diào)節(jié)閥-輸流管道系統(tǒng)采取了多體系統(tǒng)離散時間傳遞矩陣法與動力學(xué)方法分析了線性和非線性管道對于調(diào)節(jié)閥閥芯振動的影響。然而所取模型無論是在平面還是空間中都是簡單直管,與現(xiàn)實生產(chǎn)復(fù)雜管道與調(diào)節(jié)閥相連情況不符。而且文獻只研究了單座式調(diào)節(jié)閥與輸流管道系統(tǒng),并不確定所建立的模型和得出的結(jié)論是否適用于其他調(diào)節(jié)閥和管道系統(tǒng),有必要再對其他類型的調(diào)節(jié)閥和不同的管道進行研究分析。徐麗等[30]采用傳遞矩陣方法,研究了一個控制閥-輸流管道系統(tǒng)線性流固耦合振動的建模分析問題。把以往分開研究的控制閥-流體動力學(xué)系統(tǒng)與管道-流體動力學(xué)系統(tǒng)綜合考慮,建立了一體化的控制閥-輸流管道系統(tǒng)流固耦合傳遞矩陣模型。證明了控制閥與輸流管道集成建模分析的必要性,為進一步進行系統(tǒng)參數(shù)及工況詳細分析,以及大規(guī)模復(fù)雜控制閥-輸流管道系統(tǒng)流固耦合動力學(xué)快速分析提供了可行的方法。

2.3 氣動管網(wǎng)故障檢測的研究現(xiàn)狀

文獻[31]提出了一種概率法來檢測和定位低壓氣體分配網(wǎng)絡(luò)中的泄漏。該方法使用穩(wěn)態(tài)分析中獲得的流量和壓力信息來估計泄漏,在泄漏定位方面也能提供80%以上的精度。李亞運[32]基于氣動管網(wǎng)微小泄漏孔處超聲波發(fā)聲原理,研發(fā)了超聲波檢漏儀(如圖4所示),并通過模擬管路不同泄漏狀況的實驗檢測,檢定了該超聲波檢漏儀的有效檢測范圍體積超聲波信號特征,檢測超聲波聲強頻率大小與泄漏源孔徑大小成反比,負壓呈正比,并運用該檢漏儀對氣動管網(wǎng)進行泄漏檢測。應(yīng)用結(jié)果表明,該新型檢漏儀能夠準(zhǔn)確定位管路泄漏源位置,其檢測精度能夠滿足工業(yè)需求。

圖4 超聲波檢漏儀實際工作示意圖Fig.4 Ultrasonic leak detector actual working schematic

任峰等[33]通過在氣動管道建設(shè)初期施工時按照規(guī)范要求布置好示蹤線,利用儀器準(zhǔn)確查找定位氣動管道;在管道泄漏可疑點附近打孔,采用氣體嗅敏儀檢測孔洞氣體濃度的方法確認埋地管線泄漏點; 利用管線防腐層檢測儀,借助管線竣工資料等手段確認管道材料性質(zhì),排除其他管線干擾。

3 所存在問題

綜上所述,目前氣動管網(wǎng)智能檢測與調(diào)控方面研究主要存在如下問題:

(1) 氣動管網(wǎng)的檢測存在誤差和滯后,引起系統(tǒng)誤差和檢測滯后;

(2) 氣動管網(wǎng)的故障難以識別,導(dǎo)致漏氣和阻塞等故障,嚴(yán)重影響管網(wǎng)系統(tǒng)性能;

(3) 多源復(fù)雜壓縮空氣系統(tǒng)節(jié)能調(diào)度方法落后,導(dǎo)致壓縮空氣系統(tǒng)調(diào)度能耗過大。

因此,為實現(xiàn)對氣動管網(wǎng)進行實時檢測、精確控制與智能調(diào)度,確保氣動系統(tǒng)空氣供給,降低氣源供給,提高氣動管網(wǎng)的安全性與可靠性,必須對大規(guī)模氣動管網(wǎng)精密檢測與智能控制等關(guān)鍵技術(shù)進行深入研究。

4 未來發(fā)展趨勢

針對大規(guī)模氣動管網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、壓縮空氣調(diào)度滯后、供需匹配困難的問題,探求一種基于數(shù)字孿生技術(shù)驅(qū)動的氣動管網(wǎng)智能檢測與調(diào)控技術(shù)。

1) 構(gòu)建數(shù)字孿生氣動管網(wǎng)動態(tài)模型

大規(guī)模氣動管網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運行工況多變,為了準(zhǔn)確預(yù)測氣動網(wǎng)管中的關(guān)鍵節(jié)點中的壓力、流量等動態(tài)特性,為氣動管網(wǎng)的能耗與故障檢測、節(jié)能調(diào)度與故障隔離控制提供研究基礎(chǔ),必須實時建立氣動管網(wǎng)的動態(tài)模型。探明不同結(jié)構(gòu)管網(wǎng)模塊化控制與能量損失機理,并基于氣動管網(wǎng)的動態(tài)虛擬模型,實現(xiàn)氣動管網(wǎng)各管段、節(jié)點的特性實時監(jiān)控與精準(zhǔn)預(yù)測。

2) 研究壓縮空氣智能調(diào)度策略

氣動管網(wǎng)的壓縮空氣調(diào)度控制存在嚴(yán)重的非線性與滯后性,不僅導(dǎo)致了壓縮空氣在輸運過程中巨大能量損失,而且氣動系統(tǒng)負載匹配困難,關(guān)鍵節(jié)點壓力波動大。為實現(xiàn)對多組空氣壓縮機的功率與流量智能分配,確保氣動系統(tǒng)的空氣供給,降低氣源的能耗,提高氣動系統(tǒng)的作業(yè)質(zhì)量,必須研究提出一種高效、節(jié)能調(diào)度策略。為實現(xiàn)氣動系統(tǒng)的節(jié)能、高效運行提供理論支持與技術(shù)支撐。

3) 研究管網(wǎng)檢測系統(tǒng)故障報警與智能隔離技術(shù)

管道破裂與堵塞不僅造成氣動系統(tǒng)的能量浪費,而且可能引發(fā)安全事故。為確保管網(wǎng)的安全高效運行,需探明管網(wǎng)破裂與阻塞等故障預(yù)測機制,研究氣動管網(wǎng)的故障在線辨識方法,對氣動管網(wǎng)的安全運行實時監(jiān)測。當(dāng)管網(wǎng)出現(xiàn)故障時,精確定位故障位置,在區(qū)域管網(wǎng)尋優(yōu),智能隔離故障管段。