压缩空气作为常规动力,在工业生产中应用广泛,据统计产生压缩空气耗电量超过我国工业耗电总量的10%,具有巨大的潜在节能空间。国内外的研究人员从不同角度在降低压缩空气系统能耗方面做了很多工作。考虑到压缩机系统在其寿命周期能耗费用占总体投资和维护费用的70%以上,采用优化操作和控制技术来降低压缩空气系统能耗具有重要意义。本文在分析国内外研究现状的基础上,以节能为目标开展了以下方面的研究工作:1、整理并论述了压缩空气系统国内外的研究现状,包括国外著名压缩空气设备制造商开发的解决方案和产品。分析了目前压缩空气系统节能存在问题、采取节能措施和节能效果,并给出了压缩空气系统基本操控方式的优劣和适用场合。2、以工业应用中最为广泛的螺杆空压机为核心的压缩空气系统为对象,首先建立了包括压缩机能耗和容积效率模型、管道损失模型、泄露模型和储气罐模型在内的详细的压缩空气系统数学模型。然后采用相对转速、相对吸气量和相对容积效率的表示方式建立变频情况下压缩机能耗和容积效率模型。最后实例分析了不同负载下、变频与非变频螺杆压缩机采用加卸载方式运行的性能情况,并通过仿真绘制了能耗比曲线。3、在建立螺杆机压缩空气系统模型的基础上,模拟了不同负荷下系统运行能耗和加卸载变化情况,并通过仿真证明和得到了不同负载情况下最优卸载压力线,使得压缩机的平均功耗最低;同时分析了此时压缩机的加卸载频率,给出了压缩机节能运行的意见。然后,本文也研究了储气罐容积对系统能耗和加卸载等情况的影响,绘制了不同负载情况下压缩机能耗与储气罐容积之间的关系曲线,给出了使得综合运行成本降低的储气罐容积选择策略。4、对压缩机群控系统的优化节能展开了研究,对传统阶梯式控制方式下的压缩机群的能耗情况、加卸载情况、储气罐压力变化等进行了模拟,并与含有变频的空压机群控方式进行了比较,显示出以一台变频压缩机为主控的群控系统的节能优势。为了降低变频群控系统在负荷大范围变化下,辅机加卸载对系统压力波动的影响和能耗,提出了负荷用气量作为前馈、通过预测来协调变频压缩机和非变频压缩机动作的一种协调前馈控制方法。仿真表明,该方法能够在压缩机切换情况下实现供气压力的平稳控制,减小了供气压力的波动,并具有更好的节能效果。5、为检验在压缩空气系统节能与优化控制方面的研究成果,对模型参数进一步的确认、辨识,以获得更加符合实际的空气压缩系统模型,进一步挖掘空压机的节能潜力和展开下一步的研究工作,设计并搭建了压缩空气系统实验台。采用三台活塞压缩机和一台变频螺杆压缩机来模拟实际压缩机群控情况,已经完成了实验台功能设计、分析计算、控制逻辑和上位机、PLC软件的开发工作。