一种空压机集群优化控制系统.pdf

一种空压机集群优化控制系统，属于气动系统节能领域。包括数据采集模块，空压机能耗模型、管网分析及预测模块、设备运行分析模块、优化控制模块4个服务端模块，客户端模块；数据采集模块部署在数据采集服务器上，4个服务端模块部署在应用服务器上，客户端模块部署在客户机上；数据采集服务器和应用服务器之间通过以太网连接，应用服务器和客户机之间通过以太网连接。4个服务端模块之间通过进程间消息调用进行数据信息交换，数据采集模块和服务端模块之间通过网络消息调用进行数据信息交换，客户端模块通过网络消息连接服务端模块。优点在于，实现了在满足压缩空气用户需求变化情况下的空压机集群能耗最小，在保证了空压机设备的正常运转前提下提高设备效率、延长设备寿命，可在一定程度上降低能源消耗、节约生产运行成本。

权利要求书
1.  一种空压机集群优化控制系统，其特征在于：包括数据采集模块，空压 机能耗模型、管网分析及预测模块、设备运行分析模块、优化控制模块4个服务 端模块，客户端模块；数据采集模块部署在数据采集服务器上，4个服务端模块 部署在应用服务器上，客户端模块部署在客户机上；数据采集服务器和应用服务 器之间通过以太网连接，应用服务器和客户机之间通过以太网连接。4个服务端 模块之间通过进程间消息调用进行数据信息交换，数据采集模块和服务端模块之 间通过网络消息调用进行数据信息交换，客户端模块通过网络消息连接服务端模 块；各模块的功能如下：
数据采集模块：本系统需要的数据包括空压机集群的生产运行数据、压缩空 气管网上各用户处的流量/压力数据、用户的生产计划数据、空压机集群的检修 计划数据；数据采集模块负责采集以上四种数据，根据其所在系统提供的接口， 对前两种数据进行实时采集，对于仅有瞬时流量的数据点可进行积分运算得到小 时累计流量，对后两种数据可以定期采集或触发采集，并保存至历史数据库，支 持Oracle、SQL Server以及文本文件；
空压机能耗模型：对集群中的每一台空压机建立能耗模，包括空压机电耗分 段函数、最小排气压力函数；用于总产气量预测、集群优化控制方案制定；
管网分析及预测模块：包括压缩空气管网监视与报警、损耗分析、总需求预 测功能，是对压缩空气的使用情况进行分析，进而得到压缩空气总需求量的实绩 值和预测值；集中监视压缩空气管网上各用户进气点处的瞬时流量和压力，在超 过预警值/报警值时以不同的声音或闪烁提醒调度人员，计算压缩空气管网的总 发生量、总需求量、管网损耗；各用户的压缩空气的预测值采用机理-时间序列 模型，在正常用户生产时使用时间序列模型，其参数可以在线修正，在用户的生 产计划信息中有因加产、减产、停机等引起的消耗量变化时采用机理模型，使用 经验数据修正；
设备运行分析模块：对空压机运行的关键参数进行分析，提供预警报警功能； 结合检修计划、设备当前状态，预测空压机在未来一段时间内的运行状态；结合 每台空压机的电力消耗和产气量，计算其实际平均比功率；结合空压机启动、加 载、卸载能耗信息、设备未来一段时间的运行状态、比功率，进行调控优先级运 算，为集群优化控制模块提供设备状态；
优化控制模块：在压缩空气的总需求变化或者空压机需要进行设备检修时， 制定多周期的空压机运行方式，其中，空压机调配的优先级由空压机模型、检修 计划、比功率确定；由系统得到的空压机集群优化控制方案需要经过专业工程师 审核方由调度人员操作执行；在集群优化控制流程中，由系统生成的空压机集群 优化控制方案需要由专业工程师进行审核，如果审核未通过需要重新对优化分配 模型进行求解，直到方案可行方输出交由调度人员执行；
客户端模块：包括压缩空气管网流量/压力、空压机设备运行监视及报警、 生产计划查询、设备检修计划查询、空压机调控优先级查询及手动调整、空压机 能耗模型、集群优化控制方案交互及输出、优化控制方案执行等功能；

2.  如权利1所述的空压机集群优化控制系统，其特征在于：空压机能耗模 型的建模过程如下：
在某一周期T内，对第i个空压机站的第j台空压机，平均产气速度为
1)计算电耗Wij，空压机在不同工作状态(启动、加载、卸载)时，耗电量 不同，计算方式不同，运用数理统计方法拟合耗电量加载时耗电量和平均产气速 度的关系因此

其中，对于一台空压机，W启ij和W卸ij基本为定值，可通过对输入功率(或者 电流、电压)积分计算获得；
2)运用数理统计方法拟合产气速度vij与最小排气压力p空ij的关系φij：
p空ij＝φij(vij)。

3.  如权利1所述的空压机集群优化控制系统，其特征在于：优化控制模块 的核心部分是建立多周期的优化分配模型并求解，具体步骤如下：
步骤一：根据用户的生产计划把整个优化周期分为若干个子周期，使得在每 一个周期内的总需求量的为定值且相邻两个子周期的总需求量不同，在待优化的 第n个子周期内，以所有空压机的能耗即电力消耗最小为目标建立目标函数：
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在空压机加载时，电力消耗可以表示为排气量的函数，则上式变为

步骤二：建立必要的约束条件，包括：
1)设备条件约束：由设备检修计划得到该子周期内的每一台空压机的状态 sij，

其中，加载的时候可以供应压缩空气，空压机的运行模式为满载或者节能模 式；其余状态不可以提供压缩空气，所有状态均有电力消耗；
2)供需平衡约束：

其中，为估计的管网损耗量，且(i,j)∈{(sij＝1)}；
3)压力约束：即集群中所有空压机的最小排气压力大于用户侧的最大压力，

步骤三：通过设备检修计划、空压机实绩比功率、空压机能耗模型、当前运 行状态得到集群中空压机的调度优先级；
步骤四：应用改进的遗传算法进行求解，得到子周期内每一台空压机运行方 式，平均产气速度、最小排气压力，以及集群的总电耗；寻优过程分为2阶段， 一是尽量不改变空压机的运行状态，通过变频器调整每台空压机的产气量，二是 在已无法满足用户需求/压缩空气供远大于需的情况下，通过启动备用空压机/卸 载已运行空压机进行调整；
步骤五：将所有子周期的空压机运行方式汇总，成为整个周期的空压机集群 优化控制方案。

说明书一种空压机集群优化控制系统
技术领域
本发明属于气动系统节能领域，特别是提供了一种空压机集群优化控制系统，对空 压机设备进行在线分析并提供集群优化控制方法。
背景技术
在现代化大型工业企业中，压缩空气是仅次于电力的第二大动力能源。随着能源 的日益紧张，企业已建立集中式空压站或系统改造实现全厂空压机的集中监控，在一 定程度上，提高了压缩空气管网的稳定性，但管网的损耗率仍然很高，单位单耗仍有 下降的空间。
在集中式空压站的主控室或企业能源运行中心，其优化控制体现在对所有空压机 设备的集中监视，可对原始监测数据进行实时报警，可对历史数据进行趋势分析、故 障分析，可对空压机设备实现远程启停控制等。然而，控制并未考虑空压机设备寿命、 启停阶段能耗等因素，也没有从系统角度考虑压缩空气用户的需求变化，使得空压机 集群运行方式调整过于滞后。
中国专利局2012年06月06日公布的昆山能捷科技服务有限公司申请的专利《空 压机群节能控制系统》(CN101042580，是专利)，公开了工业气动系统中的一种空压 机群节能控制系统，可实时监测空压站内的管网及空压机组的参数并进行优化控制、 显示报警，实现对整个空压机系统进行全面的管理。该专利的不足之处在优化控制方 法未考虑压缩空气管网、空压机设备检修等因素的影响。
关于空压机群的优化控制专利，大多是侧重于空压机群的集中监控，缺少对实时 监控数据的深度挖掘，且集群控制方案多很少考虑压缩空气管网平衡的影响。
现有的空压机集群控制系统，如用于压缩空气用户多的大型工业企业，存在如下 不足之处：一是缺少对整个压缩空气管网的压力流量的监视、损耗分析，缺少生产计 划信息，对需求变化反应能力差；二是缺少对空压机设备运行的能效分析，缺少其检 修计划信息，集群优化控制方案的可执行性差；三是缺少空压机运行模型、集群优化 控制模型，其控制方案难以保证满足所有约束并实现最优。
发明内容
本发明的目的在于提供一种空压机集群优化控制系统，解决了上述背景技术的三 点不足，实现了在满足压缩空气用户需求变化情况下的空压机集群能耗最小，在保证 了空压机设备的正常运转前提下提高设备效率、延长设备寿命，可在一定程度上降低 能源消耗、节约生产运行成本。
发明的技术方案
本发明包括数据采集模块，空压机能耗模型、管网分析及预测模块、设备运行分 析模块、优化控制模块4个服务端模块，客户端模块；数据采集模块部署在数据采集 服务器上，4个服务端模块部署在应用服务器上，客户端模块部署在客户机上；数据采 集服务器和应用服务器之间通过以太网连接，应用服务器和客户机之间通过以太网连 接。4个服务端模块之间通过进程间消息调用进行数据信息交换，数据采集模块和服务 端模块之间通过网络消息调用进行数据信息交换，客户端模块通过网络消息连接服务 端模块。如图1所示。各模块的具体功能如下所述：
数据采集模块：本系统需要的数据包括空压机集群的生产运行数据、压缩空气管 网上各用户处的流量/压力数据、用户的生产计划数据、空压机集群的检修计划数据。 数据采集模块负责采集以上四种数据，根据其所在系统(如监控系统、ERP系统等) 提供的接口，对前两种数据进行实时采集，对于仅有瞬时流量的数据点可进行积分运 算得到小时累计流量，对后两种数据可以定期采集或触发采集，并保存至历史数据库， 支持Oracle、SQL Server以及文本文件等。
空压机能耗模型：对集群中的每一台空压机建立能耗模，包括空压机电耗分段函 数、最小排气压力函数，具体建模过程如下：
在某一周期T内，对第i个空压机站的第j台空压机，平均产气速度为
1)计算电耗Wij，空压机在不同工作状态(启动、加载、卸载)时，耗电量不同， 计算方式不同，运用数理统计方法拟合耗电量加载时耗电量和平均产气速度的关系 因此

其中，对于一台空压机，W启ij和W卸ij基本为定值，可通过对输入功率(或者电流、 电压)积分计算获得。
2)运用数理统计方法拟合产气速度vij与最小排气压力p空ij的关系φij：
p空ij＝φij(vij)
空压机能耗模型主要用于总产气量预测、集群优化控制方案制定。
管网分析及预测模块：包括压缩空气管网监视与报警、损耗分析、总需求预测功 能，主要是对压缩空气的使用情况进行分析，进而得到压缩空气总需求量的实绩值和 预测值。
集中监视压缩空气管网上各用户进气点处的瞬时流量和压力，在超过预警值/报警 值时以不同的声音或闪烁提醒调度人员；根据空压机站及管网上的瞬时流量信息自动 计算压缩空气的总发生量F发，用户的总需求量F需，管网损耗F损耗，公式如下：



其中，F用k表示第k个用户的消耗量，允许管网有一定的动态不平衡量F损耗，当F损耗超过预警值/报警值时，以闪烁、声音等形式给予提示。结合各测点的流量、压力信息， 分析管网泄露点，可生成报告并通知相关人员或部门及时处理。
结合各个用户的生产计划、压缩空气消耗量历史信息，预测r个用户的消耗量， 进而得到压缩空气的总需求量的预测值

其中，第k个用户的预测值采用机理-时间序列模型，在正常用户生产时使用 时间序列模型，其参数可以在线修正，在用户的生产计划信息中有因加产、减产、停 机等引起的消耗量变化时采用机理模型，使用经验数据修正。作为集群优化控制模 块的一个输入。
设备运行分析模块：主要对空压机运行的关键参数进行分析，提供预警报警功能； 结合检修计划、设备当前状态，预测空压机在未来一段时间内的运行状态；结合每台 空压机的电力消耗和产气量，计算其实际平均比功率ηij，公式如下：
ηij＝Wij/Fij
可根据比功率的变化制定相应的检修计划。
结合空压机启动、加载、卸载能耗信息、设备未来一段时间的运行状态、比功率 等，进行调控优先级运算，为集群优化控制模块提供设备状态；
优化控制模块：在压缩空气的总需求变化或者空压机需要进行设备检修时，制定 多周期的空压机运行方式，其中，空压机调配的优先级由空压机模型、检修计划、比 功率确定。由系统得到的空压机集群优化控制方案需要经过专业工程师审核方可由调 度人员操作执行。优化控制模块的核心部分是建立多周期的优化分配模型并求解，建 模过程如下：
步骤一：根据用户的生产计划把整个优化周期分为若干个子周期，使得在每一个 周期内的总需求量的为定值且相邻两个子周期的总需求量不同，在待优化的第n个子 周期内，以所有空压机的能耗即电力消耗最小为目标建立目标函数：
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在空压机加载时，电力消耗可以表示为排气量的函数，则上式变为

步骤二：建立必要的约束条件，包括：
1)设备条件约束：由设备检修计划得到该子周期内的每一台空压机的状态sij，

其中，加载的时候可以供应压缩空气，空压机的运行模式为满载或者节能模式； 其余状态不可以提供压缩空气，所有状态均有电力消耗；
2)供需平衡约束：

其中，为估计的管网损耗量，且(i,j)∈{(sij＝1)}；
3)压力约束：即集群中所有空压机的最小排气压力大于用户侧的最大压力，

步骤三：通过设备检修计划、空压机实绩比功率、空压机能耗模型、当前运行状 态得到集群中空压机的调度优先级；
步骤四：应用改进的遗传算法进行求解，得到子周期内每一台空压机运行方式， 平均产气速度、最小排气压力，以及集群的总电耗；寻优过程分为2阶段，一是尽量 不改变空压机的运行状态，通过变频器调整每台空压机的产气量，二是在已无法满足 用户需求/压缩空气供远大于需的情况下，通过启动备用空压机/卸载已运行空压机进行 调整；
步骤五：将所有子周期的空压机运行方式汇总，成为整个周期的空压机集群优化 控制方案。
在集群优化控制流程中，由系统生成的空压机集群优化控制方案需要由专业工程 师进行审核，如果审核未通过需要重新对优化分配模型进行求解，直到方案可行方可 输出交由调度人员执行。
客户端模块：包括压缩空气管网流量/压力、空压机设备运行监视及报警、生产计 划查询、设备检修计划查询、空压机调控优先级查询及手动调整、空压机能耗模型、 集群优化控制方案交互及输出、优化控制方案执行等功能。
本发明的优点
⑴实时计算压缩空气管网损耗量，定期获取用户侧的生产计划及压缩空气总需求 量变化，为调整空压机运行方式争取了时间，有效降低了压缩空气管网的排空量；
⑵建立空压机能耗模型，为空压机集群优化控制提供准确的理论数据；
⑶基于空压机的检修计划、当前运行状态、能耗模型进行空压机调控优先级计算， 增强了集群优化控制方案的可行性；
⑷集群优化控制方案，充分考虑的用户需求变化、空压机设备运行两个因素，可 实现对集群空压机的预调节，增强了空压机管网的稳定性，减少电力能源消耗，节约 能源成本。
附图说明
图1为本发明的系统模块关系图。
图2为系统生成集群优化控制方案的流程图。
具体实施方式
本发明包括数据采集模块，空压机能耗模型、管网分析及预测模块、设备运行分析 模块、优化控制模块4个服务端模块，客户端模块，各模块之间的关系如下：4个服务 端模块之间通过进程间消息调用进行数据信息交换，数据采集模块和服务端模块之间 通过网络消息调用进行数据信息交换，客户端模块通过网络消息连接服务端模块。如 图1所示。
以某企业的空压机集群优化控制为例说明本发明的实施过程。该企业建有4个集中 式空压站，30余台空压机，压缩空气的平均电耗为0.1219m3/kwh，管网损耗率为10.8％， 又由于压缩空气管网上用户众多，需要对空压机进行集群优化控制，在满足用户需求 的情况下，降低电力消耗，节约能源成本。具体操作步骤如下：
第一步：根据该企业的生产工艺，收集压缩空气管网、用户、空压机的信息，以及 空压机站调度规程等。本系统的部署要求如下：将数据采集模块部署在可提供过程数 据接口的计算机上；空压机能耗模型、管网分析及预测模块、设备运行分析模块、优 化控制模块4个服务模块部署在一台计算机上，并保证通过网络连接数据采集模块； 客户端模块部署在监控系统客户端所在的计算机上，并保证其可以通过网络连接4个 服务模块。
第二步：在本实例中，由集中式空压机站已经建立的监控系统提供空压机站的设备 信息、每一台空压机实时电流、产气速度、运行状态等；由ERP系统提供用户的主生 产计划、空压机的设备检修计划。根据两个系统提供的接口，应用数据采集程序将其 采集到历史数据库中，此处选择SQL Server数据库；
第三步：对每一台空压机，建立其能耗模型，根据历史运行数据，计算启动电耗、 启动时间、卸载电耗及卸载时间；拟合加载状态下电力消耗和平均产气量的关系；拟 合产气速度和最小排气压力的关系；
第四步：对压缩空气管网上的各用户的流量、压力进行实时监测，动态计算总发生 量、总需求量、管网损耗，当任意数据指标超过预警值/报警值时，以闪烁、声音等形 式提醒调度人员；通过各用户的生产计划，结合其消耗压缩空气的特点，预测其压缩 空气消耗量，进而预测压缩空气的总需求量；
第五步：对空压机运行中的关键参数进行预警报警监视；统计各空压机的比功率； 根据空压机的检修计划、当前运行状态、比功率等参数调整压缩空气调度优先级；
第六步：根据第四步、第五步中的总需量变化、设备检修计划等，系统自动通过优 化控制模块，反复寻优并与专业工程师交互得到可执行的空压机集群优化控制方案；
第七步：在本系统的客户端，可以实时查询压缩空气管网、空压机设备的运行情况 以及报警信息，查询管网损耗、压缩空气电耗、空压机比功率等指标参数，查询空压 机调控优先级、能耗模型，执行空压机集群优化控制方案等。
通过在该企业实施运行本系统，压缩空气系统的生产运行情况有了明显好转，由于 可以根据计划进行预先调节，增强了压缩空气管网的稳定性，使得压缩空气平均电耗、 管网损耗率指标下降。
本发明可以应用于建有集中式空压站、压缩空气管网的工业企业，有利于提高压缩 空气管网的运行稳定性，降低空压机站的电力消耗，节约能源成本。