煤矿用空压机智能群控节能控制系统的应用研究_于世勇.pdf

煤矿用空压机智能群控节能控制系统的应用研究于世勇，（中煤科工集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺；煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺）摘 要：空压机是压缩空气的设备，也是现代化工业生产的原动力来源。空压动力在煤矿生产中起着不可替代的作用，肩负着生产动力供给任务。运行过程中，空压机智能性不足，运行启动过于频繁，导致系统过度耗电，增加能源消耗。将煤矿数据引入系统中，实现智能群控操作，保证系统能实现网络化管理，从而对设备进行统一管理，保证系统降低能耗。根据煤业空压站的现有问题，结合智能群控系统加以分析，将其应用在煤矿空压机上，推动煤矿的智能化。关键词：煤矿；空压机；智能群控；节能系统中图分类号：；文献标识码：文章编号：（）空气压缩机又被称为空压机，是在运行过程中将电动机机械能转变为气体压力的设备，在化工、电力、煤矿等行业有着广泛应用。随着新技术的涌现，煤矿行业矿井开采技术开始采取高效高产的作业方式，工艺技术升级对配套管理系统提出了更高要求。煤矿用空压机作业只能对局部进行集成控制，距离实现远程系统还有较大差距，导致在空压机运行期间缺乏对设备运行进行实时数据监管能力。在研究智能群控节能控制系统、降低设备能耗的同时，能对设备运行环境、状态进行实时反馈，对提高煤矿生产水平有着重要意义。空压机概述 种类根据工作原理，空压机通常分为两种模式。煤矿生产使用容积型压缩机，工作原理是对气体进行压缩，增加气体密度。容积型空压机常见的类型有活塞式与螺杆式，前者的工作原理与泵类设备相似，通过电动机等部件的运转对气体进行有效的压缩和排出。随着技术的不断更新，活塞式从 年开始就已被煤矿行业淘汰。螺杆式空压机则因设计的合理性不断扩大使用范围，改造后出现了双螺杆式空压机，提高了设备寿命，有良好的节能效果。改造方式以往改造的目的是提高设备运行效率，保证空压机运行可靠，在开展多项实验研究后，取得了一定成效。常见的改造方法有机械改造、电气改造、节能改造。机械改造通过改造负荷调节系统、气缸等，使设备运行效率得以提高。电气改造则对设备运行情况进行实时监控，通过监控设备温度、压力、电流过载，实现对设备运行的保护和监控。目前，已经可以配套对应的系统，实现对空压机的监控。节能改造通过降低设备耗能量提高设备运行效率。空压机系统问题梳理 影响设备运行的因素喘振是空压机风机流量减少到一定程度后发生的部件振动现象，会导致机械噪声，加速部件损坏。通常，为了防止这一现象，会在风机喘振区采取小流量式运行模式，或安装调整装置。空压机系统设计按照最大负荷设计，实际用气量产生的负荷处于动态变化状态。一般这一参数为 ，采用常规方式调节无法将其完全卸载，会造成能耗浪费现象。空压机自动化程度较低，调节速度依靠调节阀，在缺乏供气的条件下依旧要消耗额定功率，造成严重的浪费现象。如果输配环节出现接头泄露、连接不当等问题，也会导致每年承受较高的损失。影响空压机能耗的因素空压机工作原理如图 所示，螺杆通常在气缸内转动，使齿槽间容积发生改变，这一过程中空气被吸入，完成输送压缩。空气压缩过程中，机械能发生转变，螺杆不断旋转产生热量，与设备中的润滑油混合，温度持续升高，这一过程中产生的热量无法得到二次利用，造成一定程度的资源浪费。空压机出口压力对设备本身能耗也有极大影响，根据工艺设计，出口压力和压缩力增大，但因期间存在DOI:10.13487/ki.imce.022914间隙，导致设备吸气占据一定空间，气体压力过高占据过多空间，进而降低设备运行效率。图 空压机结构示意图 空压机节能技术分析 结构节能改造 部件改造空压机为煤矿生产提供巨大便利，但因自身存在问题，导致运行过程中能耗较高，造成不必要的浪费。空压机系统改造对煤矿而言有现实意义。系统节能技术的改造应从系统整体出发，对系统进行分析，对耗能较高的环节进行改造，对空压机系统节能进行改造，调整设备电机启动方式。多数空压机启动依靠频敏电阻器，需要对其进行改造，提高启动性能。同时，还要对电机故障进行预警，保障电机运行安全。此外，在设备运行过程中，输出压力受到气流影响，会出现不稳定现象。对此，操作人员应以手动方式对设备进行调控，保证压力调节器能对罐内气体进行调节。在自动化发展背景下，为了减轻人工作业压力，将电磁阀与压力调节器并联，保证设备与系统的兼容性，实现自动化操作。空压机的自动启停对智能监控节能系统的改造有重大意义。为了实现这一点，需要实时跟踪、监控储气罐压力，获取动态参数。还应将压力表更换为压力传感器，将信号传输给自动化操控系统，实现智能监控。压力流量控制技术空压机系统设备种类较多，用气时间与气体量难以统一，需要提高系统供气压力。但这会导致管网压力荷载承压过大，为了满足部分设备对压力的需求，应选择压力流量控制器，保证系统压力稳定。将压力波动范围控制在 左右，增强系统运行效果。系统节能改造 集群控制系统随着煤矿生产作业量的不断扩大，人工操作难以满足设备与系统运行的要求。要对设备集群进行集中控制，需要根据设备对气量的需求，实时对空压机进行控制，保证系统处于合理运行状态，保持系统压力稳定，从而提高空压机的运行效率。一般而言，压缩空气消耗电能占煤矿生产整体电力消耗量的，空压机是消耗电量的主要设备。空压机容量决定其荷载，荷载则主要决定能耗。因此，通过变速调节，可以将空压机能耗控制住，增强设备运行效果。其中，（）（），（）与（）（），（），分别代表系统的输入输出向量；（）（），（），则为向量值函数。在空压机作业期间，影响因素的作用会导致工作系统发生变化，从而引起被控系统变化。采用多模型方法，对设备动态运行变化进行分析，设计出符合要求的控制器，保证有效消除耦合误差，避免对设备造成干扰。管网优化空压机排气压力每增加，空压机功耗就会增加。系统输送管网是否合理对空压机能耗有直接影响。需要合理布设管网，检测管网泄露点，利用智能检测设备检测缺陷的位置，及时更换管道，提高气体的输送效率。余热回收余热回收技术利用转换原理，将以往浪费的热能进行转换再利用。多数热量会跟随冷却水排放，导致能量损耗现象。换热器中的水吸收热量后，能提高设备运行效率。回收系统包含换热器，结合压力流量控制，解决管道侵蚀等问题。余热回收分为高温与低温余热回收，本文主要针对高温余热回收。如图 所示，通过对余热进行处理，实现对余热的二次利用，降低企业的成本。余热回收系统通过余热传递循环水箱，在保证设备正常运行的基础上实现能量转换。在余热温度较高时，实现利用最大化，降低空压机损耗。图 余热回收系统设计图 空压机智能集群控制节能系统 系统构成煤矿空压机自动化控制的目的是实现统一管理，保证系统可以在线监测，及时发现问题，实现网络化、智能化管理。空压机智能集群控制系统由控制系统与监控系统构成。监控系统安装摄像仪对设备运行状态进行实时监控，通过传感器收集数据信息，并将之存储于硬盘。控制系统由 系统与上位机等构成，依靠 进行管控，负责对设备参数、运行等情况进行管理，将信息传达至上位机进行显示和处理，根据控制柜指令执行命令，完成变频控制。与上位机采用 通信的方式，上传收集的数据，实现集中控制，采用 总线完成指令下达与数据收集。传感器检测包括检测压力、温度等，确保与每一台空压机适配，从而用于逻辑控制。开启变频模式后，将设定压力传感器数据与实时采集数据进行对比，保证空压机处于最佳运行状态。根据变频驱动控制策略，形成 闭环控制系统，保证控制柜直接切换，实现对设备的控制，保证设备运行的质量。模糊 控制系统 控制器操作原理简单，适应性强。传统控制器无法自适应调整，调整后只能适应一种工况，相对于 控制器整定，传统控制器显然无法保证控制效果。变频调速无法始终节能，还要使用模糊算法帮助调节控制对象，从而适应系统环境。空压机系统是非线性系统，单一的 系统难以对其进行控制。需要对 系统进行调整，采用模糊控制系统，实现对设备的实时监控。模糊 系统调整参数主要根据被动对象控制，利用 模块与控制器，对模块参数进行调整，控制输出量。简单易懂，是相对便于掌握的控制方法。在空压机群控过程中，设备出口压力设定值与总管压力反馈值（）满足公式：（），（）时，选择 控制模块，实现设备切换控制。根据本文提出的控制算法，得到控制器参数为：，（）|（），针对 控制算法，建立两组神经网络，根据神经网络的隐层节点数，与权值修正增益，实现对空压机群生产过程的控制。应用结果为了实现对煤矿用空压机智能群控节能控制系统应用效果的评价，需要开展试验。本文根据上述自动化技术与集群控制系统设计，将其应用在某煤矿，进行工业试验。空压机数量为，额电功率，额定空气压力。在对其进行集中控制的过程中，通过采集数据发现，变频模式下设备运行时，卸载次数平均为 次，工频模式下则为 次。对不同模式下的空压机系统运行情况进行统计，对比两种运行模式节电效果，发现两种方式系统用电节电率达。在实际使用时通过自动调整，切实保障设备供气与用气的平衡，有效减少设备卸载次数，提高设备运行效率，延长设备使用寿命。结论综上所述，煤矿用空压机多为独立控制，无法实现集中监控。面对行业的不断发展、煤矿生产要求的提升，需要对设备进行优化处理。对此，选用、等控制技术，对设备进行集中控制。对系统进行改造，保证设备运行的稳定性，提高设备监控系统的灵活性；降低故障概率，提高煤矿生产安全性。降低电磁阀动作次数，实现节能降耗的效果，使其能根据设备的运行情况进行在线实时监测，保证设备集中群控智能化，在提高效率的同时保证节能效果。参考文献：何勇军，易欣，王伟峰，等煤矿井下电气火灾智能监控与灭火技术综述煤矿安全，（）：孙峰，李红波，张金王家岭煤矿掘进工作面智能通风管控系统煤矿安全，（）：吴建宾，李冬，张彦宽，等陕蒙矿区深部开采沿空侧煤自燃特性与分区防控方法煤矿安全，（）：白光星，陈炜乐，孙勇，等煤矿带式输送机运输火灾风险智能监测与早期预警技术研究进展 煤矿安全，（）：齐俊铭，王凯，王志静，等转龙湾煤矿矿井智能化通防系统与信息平台构建煤矿安全，（）：李明，董蒙蒙，王艾妩，等天池能源南露天煤矿板裂结构岩体顺层边坡溃屈破坏变形演化规律及锚固参数研究煤矿安全，（）：陈小林智能化矿山建设背景下的煤矿监管监察模式煤矿安全，（）：秦勇，王荣华，张振生空压机节能控制系统的数字与智能化应用研究中国设备工程，（）：作者简介：于世勇（），男，辽宁鞍山人，大专，工程师，研究方向：煤矿安全。