【壓縮機(jī)網(wǎng)】引言

　　壓縮空氣作為實(shí)驗(yàn)室精密儀器運(yùn)行的“生命線”，其品質(zhì)直接決定科研數(shù)據(jù)的可靠性與儀器的穩(wěn)定性。在現(xiàn)代分析檢測(cè)領(lǐng)域，核磁共振波譜儀、氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀等高端設(shè)備對(duì)氣源提出了嚴(yán)苛要求：需滿足含油量＜0.01mg/m3、壓力露點(diǎn)≤-50℃、固體污染物等級(jí)≤2級(jí)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（ISO 8573-1:2010）[1]（表1）。然而，傳統(tǒng)供氣系統(tǒng)因技術(shù)局限性，難以同時(shí)兼顧高潔凈度、低能耗與智能化控制的協(xié)同優(yōu)化。

　　現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室氣源方案主要面臨三大挑戰(zhàn)：一是傳統(tǒng)活塞式空壓機(jī)的機(jī)械潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)導(dǎo)致油污染風(fēng)險(xiǎn)居高不下，直接影響精密儀器的檢測(cè)精度；二是固定負(fù)載運(yùn)行模式下，系統(tǒng)能耗隨實(shí)際用氣波動(dòng)無法動(dòng)態(tài)匹配，造成能源浪費(fèi)；三是缺乏實(shí)時(shí)監(jiān)控與智能調(diào)節(jié)能力，設(shè)備故障響應(yīng)滯后，難以滿足科研場(chǎng)景對(duì)氣源穩(wěn)定性的持續(xù)需求。進(jìn)口設(shè)備雖能滿足性能指標(biāo)，但受制于技術(shù)壟斷，存在采購(gòu)成本高、維護(hù)周期長(zhǎng)等問題，加劇了科研機(jī)構(gòu)對(duì)外部技術(shù)的依賴。

　　針對(duì)上述行業(yè)痛點(diǎn)，本研究以實(shí)驗(yàn)室壓縮空氣系統(tǒng)的國(guó)產(chǎn)化升級(jí)為目標(biāo)，通過產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新，聚焦渦旋式空壓機(jī)無油化改造、閉環(huán)干燥系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化及智能控制算法開發(fā)，旨在構(gòu)建一套兼具高性能、低能耗與智能化特性的供氣解決方案，為提升我國(guó)科研裝備自主可控能力提供技術(shù)支撐。

　　1、研究背景與意義

　　在現(xiàn)代科研領(lǐng)域，核磁共振波譜儀、氣相色譜——質(zhì)譜聯(lián)用儀等精密分析儀器已成為實(shí)驗(yàn)室核心裝備，其對(duì)壓縮空氣品質(zhì)的要求極為嚴(yán)苛。應(yīng)用于高端實(shí)驗(yàn)儀器的壓縮空氣需滿足含油量＜0.01mg/m3、壓力露點(diǎn)≤-50℃、固體污染物等級(jí)≤2級(jí)的指標(biāo)要求。然而，傳統(tǒng)活塞式空壓機(jī)因機(jī)械結(jié)構(gòu)限制，存在油污染風(fēng)險(xiǎn)高、能耗效率低、自動(dòng)化程度不足等缺陷，難以滿足精密實(shí)驗(yàn)對(duì)氣源穩(wěn)定性與潔凈度的需求。此外，當(dāng)前實(shí)驗(yàn)室主流進(jìn)口供氣設(shè)備存在維修成本高昂、響應(yīng)周期長(zhǎng)等問題，嚴(yán)重制約科研工作的連續(xù)性與自主性。因此，研發(fā)高潔凈、低能耗、智能化的壓縮空氣系統(tǒng)，已成為推動(dòng)實(shí)驗(yàn)室裝備國(guó)產(chǎn)化替代、提升科研效率的關(guān)鍵突破口。

　　2、研究目標(biāo)與技術(shù)路線

　　本研究依托山東省科技型中小企業(yè)創(chuàng)新能力提升工程項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)2023 TSGC0975），聯(lián)合寧波大學(xué)新藥技術(shù)研究院開展產(chǎn)學(xué)研深度合作。以解決實(shí)驗(yàn)室壓縮空氣品質(zhì)提升、系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化及智能化控制三大核心問題為目標(biāo)，通過創(chuàng)新渦旋式空壓機(jī)降溫技術(shù)、閉環(huán)變壓吸附干燥系統(tǒng)[5]，并開發(fā)智能控制算法，構(gòu)建具備自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高性能供氣系統(tǒng)，為實(shí)驗(yàn)室裝備國(guó)產(chǎn)化提供技術(shù)支撐與實(shí)踐范例。

　　3、壓縮空氣品質(zhì)提升關(guān)鍵技術(shù)

　　3.1渦旋式空壓機(jī)降溫技術(shù)

　　3.1.1無油化設(shè)計(jì)原理

　　采用由一個(gè)固定的漸開線渦旋盤和一個(gè)呈偏心回旋平動(dòng)的漸開線運(yùn)動(dòng)渦旋盤組成，通過嚙合形成可壓縮容積的渦旋式空氣壓縮機(jī)作為動(dòng)力源。在工作過程中，靜盤固定在機(jī)架上，動(dòng)盤由偏心軸驅(qū)動(dòng)并由防自轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)制約，圍繞靜盤基圓中心作很小半徑的平面轉(zhuǎn)動(dòng)。氣體通過空氣濾芯吸入靜盤的外圍，隨著偏心軸旋轉(zhuǎn)，氣體在動(dòng)靜盤嚙合所組合的若干個(gè)月牙形壓縮腔內(nèi)被逐步壓縮，然后由靜盤中心部件的軸向孔連續(xù)排出。該結(jié)構(gòu)零件少：主機(jī)零件數(shù)量?jī)H為活塞機(jī)的1/8，大大減少了故障發(fā)生的概率，提高了整體的可靠性。采用模塊化設(shè)計(jì)，主要部件包括渦旋盤、軸承、密封件等，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，體積小、重量輕，便于安裝和維護(hù)。運(yùn)行振動(dòng)烈度≤18mm/s，噪聲值＜65dB(A)，輸出壓縮空氣含油量穩(wěn)定控制在0.01mg/m3以下，完全符合ISO 8573-1:2010標(biāo)準(zhǔn)0級(jí)無油要求。

　　3.1.2高溫壓縮空氣冷卻技術(shù)

　　在空壓機(jī)出氣端集成二級(jí)冷凝系統(tǒng)，采用螺旋管式換熱器結(jié)合強(qiáng)制風(fēng)冷技術(shù)，將壓縮后高達(dá)210℃的高溫空氣快速降溫至室溫+10℃以內(nèi)。熱力學(xué)仿真分析顯示，冷卻處理后空氣相對(duì)濕度從85%顯著降至40%以下，大幅降低后續(xù)干燥處理負(fù)荷，同時(shí)延長(zhǎng)吸附劑使用壽命達(dá)30%以上。實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)表明，系統(tǒng)冷卻后氣體溫度波動(dòng)控制在±5℃范圍內(nèi)，有效滿足精密儀器對(duì)氣源溫度穩(wěn)定性的嚴(yán)苛要求。

　　3.2閉環(huán)控制變壓吸附干燥系統(tǒng)

　　干燥系統(tǒng)采用雙塔交替運(yùn)行架構(gòu)，裝填高性能13X型分子篩吸附劑，通過控制器實(shí)現(xiàn)“吸附-均壓-回洗-再生”四階段閉環(huán)精準(zhǔn)控制。系統(tǒng)創(chuàng)新點(diǎn)體現(xiàn)在：

　　壓力參數(shù)優(yōu)化：通過設(shè)計(jì)計(jì)算，確定最佳吸附壓力0.7MPa、再生壓力0.05MPa，優(yōu)化氣流路徑設(shè)計(jì)，減少無效能量損耗；

　　動(dòng)態(tài)濕度調(diào)控：內(nèi)置高精度露點(diǎn)傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)壓縮空氣濕度，根據(jù)實(shí)際需求動(dòng)態(tài)調(diào)整再生周期，避免傳統(tǒng)系統(tǒng)因過度干燥導(dǎo)致的能源浪費(fèi)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，經(jīng)該系統(tǒng)處理后的壓縮空氣壓力露點(diǎn)穩(wěn)定維持在-50℃以下。

　　低耗氣量設(shè)計(jì)：通過優(yōu)化分子篩填充工藝、優(yōu)化氣流路徑設(shè)計(jì)，搭載動(dòng)態(tài)濕度調(diào)控，將回洗氣量由25%下降至9%。

　　3.3智能化能耗優(yōu)化算法

　　3.3.1多參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

　　系統(tǒng)通過PLC控制器構(gòu)建分布式數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)，集成以下核心監(jiān)測(cè)模塊：

　　壓力動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)：采用高精度壓力變送器，實(shí)時(shí)采集空壓機(jī)出口壓力；

　　溫度監(jiān)測(cè)：部署PT100溫度傳感器，監(jiān)測(cè)空氣壓縮機(jī)環(huán)境溫度、每個(gè)渦旋式空氣壓縮機(jī)出口溫度，結(jié)合歷史數(shù)據(jù)建立溫度趨勢(shì)模型，預(yù)測(cè)設(shè)備過熱風(fēng)險(xiǎn)；

　　露點(diǎn)檢測(cè)：內(nèi)置高精度露點(diǎn)傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)壓縮空氣露點(diǎn)值，根據(jù)實(shí)際需求動(dòng)態(tài)調(diào)整再生周期，避免傳統(tǒng)系統(tǒng)因過度干燥導(dǎo)致的能源浪費(fèi)。

　　3.3.2三級(jí)故障預(yù)警機(jī)制

　　分層級(jí)故障診斷算法：

　　一級(jí)預(yù)警（黃色）：觸發(fā)條件包括露點(diǎn)值高于-40℃、出氣口溫度超過110℃、出氣口壓力低于0.5MPa時(shí)，通過本地聲光報(bào)警提醒操作人員；

　　二級(jí)預(yù)警（橙色）：涵蓋干燥系統(tǒng)耗氣量＞12%、傳感器信號(hào)異常、電機(jī)電流波動(dòng)＞20%，自動(dòng)啟動(dòng)備用設(shè)備并生成故障代碼和記錄故障觸發(fā)時(shí)間，通過本地聲光報(bào)警和短信通知管理人員。

　　三級(jí)預(yù)警（紅色）：針對(duì)電機(jī)過載、系統(tǒng)壓力驟降（＞0.3bar/min）等緊急情況，0.5秒內(nèi)自動(dòng)停機(jī)并切斷電源，同時(shí)短信通知管理人員系統(tǒng)停機(jī)需緊急處理。

　　3.3.3自適應(yīng)負(fù)載調(diào)節(jié)策略

　　設(shè)計(jì)雙模式智能調(diào)節(jié)算法：

　　恒壓模式：通過壓力傳感器反饋值與設(shè)定值（如0.7MPa）的偏差，采用PID控制算法調(diào)節(jié)運(yùn)行電機(jī)數(shù)量，確保在實(shí)驗(yàn)室多設(shè)備同時(shí)運(yùn)行時(shí)壓力波動(dòng)≤±0.05MPa，較傳統(tǒng)定頻控制節(jié)能18%-25%；

　　休眠模式：夜間或周末低負(fù)載時(shí)段，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入休眠狀態(tài)，電機(jī)在滿足用氣需求請(qǐng)款下，運(yùn)行數(shù)量最少，能耗降至額定功率的5%，喚醒響應(yīng)時(shí)間＜10秒。

　　3.3.4全生命周期能效管理

　　基于云計(jì)算的能效分析平臺(tái)：

　　歷史數(shù)據(jù)建模：存儲(chǔ)近3年運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，預(yù)測(cè)不同季節(jié)、時(shí)段的能耗峰值，提前調(diào)整設(shè)備運(yùn)行組合，實(shí)現(xiàn)年能耗優(yōu)化8%-12%；

　　耗材壽命預(yù)測(cè)：通過干燥塔再生次數(shù)、過濾器壓差等數(shù)據(jù)，建立吸附劑壽命模型與濾芯更換預(yù)警，避免因耗材老化導(dǎo)致的能耗異常。

　　3.4遠(yuǎn)程監(jiān)控與交互界面（圖1）

　　3.4.1跨平臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)

　　搭建遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)，支持PC端與移動(dòng)端訪問，功能包括：

　　實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)：動(dòng)態(tài)顯示壓縮空氣參數(shù)（壓力、露點(diǎn)、溫度）、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)（運(yùn)行、停機(jī)、故障）及報(bào)警數(shù)據(jù)；

　　遠(yuǎn)程控制：授權(quán)用戶可遠(yuǎn)程啟停設(shè)備、調(diào)整運(yùn)行參數(shù)（如壓力設(shè)定值、再生周期），操作記錄自動(dòng)存檔。

　　3.4.2可視化運(yùn)維平臺(tái)設(shè)計(jì)

　　監(jiān)控界面采用可視化組件，包含：

　　趨勢(shì)分析模塊：動(dòng)態(tài)展示過去24小時(shí)/7天的管路壓力(圖2)、功率能耗(圖3)、露點(diǎn)(圖4)數(shù)據(jù)波動(dòng)曲線，支持自定義時(shí)間區(qū)間查詢；

　　告警統(tǒng)計(jì)報(bào)表：自動(dòng)生成月度故障統(tǒng)計(jì)圖表，顯示“干燥系統(tǒng)故障”占比35%、“傳感器異常”占比28%等，輔助優(yōu)化維護(hù)策略。

　　3.4.3權(quán)限分級(jí)管理（圖5）

　　設(shè)置“管理員-工程師-操作員”三級(jí)權(quán)限，管理員可遠(yuǎn)程修改控制參數(shù)，操作員僅能查看實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，符合《ISO/IEC 27001:2013信息安全管理體系要求》。

　　4、結(jié)語

　　本研究圍繞實(shí)驗(yàn)室壓縮空氣系統(tǒng)的核心需求，針對(duì)壓縮空氣品質(zhì)提升、系統(tǒng)節(jié)能及控制系統(tǒng)智能化算法展開技術(shù)攻關(guān)，通過產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新，取得了一系列突破性成果，為實(shí)驗(yàn)室供氣設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化與智能化升級(jí)提供了全面解決方案。

　　在壓縮空氣品質(zhì)提升技術(shù)突破了傳統(tǒng)活塞式空壓機(jī)的性能瓶頸，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)高潔凈氣源設(shè)備的技術(shù)空白。在系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化領(lǐng)域，通過壓力參數(shù)優(yōu)化和動(dòng)態(tài)濕度調(diào)控將干燥系統(tǒng)耗氣量從25%降至9%以下，有效降低了壓縮空氣制備的能源消耗，符合國(guó)家“雙碳”戰(zhàn)略導(dǎo)向。在控制系統(tǒng)智能化算法開發(fā)中，構(gòu)建了集多參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、三級(jí)故障預(yù)警、自適應(yīng)負(fù)載調(diào)節(jié)于一體的智能監(jiān)控系統(tǒng)，顯著提升了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與運(yùn)維效率，為實(shí)驗(yàn)室無人化管理提供了技術(shù)支撐。

　　本研究不僅解決了實(shí)驗(yàn)室壓縮空氣系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)難題，更通過國(guó)產(chǎn)化替代降低了科研機(jī)構(gòu)對(duì)進(jìn)口設(shè)備的依賴，對(duì)于提升我國(guó)高端科研裝備自主可控能力、保障科技創(chuàng)新安全具有重要戰(zhàn)略意義。

　　參考文獻(xiàn)

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　　[4]中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).壓縮空氣第4部分:固體顆粒測(cè)量方法；GB/T13277-4 2015.全國(guó)壓縮機(jī)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)(SAC/TC145).[2015-12-31].

　　[5]中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部、中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，壓縮空氣站設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50029-2014.[2014-01-09].北京:中國(guó)計(jì)劃出版社,2014.

　　作者簡(jiǎn)介

　　孟秋禹。高級(jí)工程師，技術(shù)研發(fā)總監(jiān)。研究方向：壓縮空氣品質(zhì)研究。

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