背景介紹
日本某汽車製造企業是實踐精益製造的典範,在生產過程管理和設備使用維護方面具有嚴格的執行規範和持續改進的文化機制,並且在生產流程監控和質量管理方面使用了大量的統計工具,確保在質量發生偏差時能夠及時地進行糾正。
這些方法在使用初期很快顯示出了巨大的價值,使產品質量和生產過程中的浪費得到了極大的改善,也幫助日本汽車在20世紀70年代迅速在美國市場佔據了半壁江山。
然而,精益製造推行到一定程度之後,這家企業開始發現提升空間越來越小,一些設備的停機和產品的質量問題無論如何進行持續改善都無法完全消除。即使嚴格按照操作規範,每天對設備進行點檢,定期對設備進行預防性維護,依然避免不了設備故障停機的現象。
在探究原因過程中發現,精益管理所解決的是可見問題和浪費,即在問題發生時及時地發現和解決,卻無法去預測和管理不可見因素造成的影響。
該企業北美總部的設備部門主管起初抱怨壓縮機軸承的經常性損壞是造成最多停機時間的故障。於是,第一個課題選擇了對軸承的健康管理和故障預測。
但是項目剛剛進行幾個月後,部署了IMS健康管理系統的軸承又發生了損壞,在對歷史數據進行分析後發現,軸承在服役過程中和損壞前均發生了數次非常劇烈的振動,對根本原因進行分析,發現振動的來源是壓縮機自身的喘振現象。
喘振現象是指氣流沿壓氣機軸線方向發生的低頻率、高振幅的振蕩現象。它會導致壓縮機損壞而浪費高昂的成本,在工況運行時出現狀況甚至緊急停機,不僅如此,還會影響與壓縮機相連的其他設備的正常運轉,干擾操作人員正常工作,使測量儀錶儀器準確性降低,甚至失靈。
目標
基於這一背景,壓縮機的最優效率下穩定運行是首要目標。空氣壓縮機的控制需要解決的問題是規避喘振現象,其核心是定位系統的喘振邊界,為入口導流葉片設計反饋控制,在避免壓縮機喘振現象發生的同時儘可能靠近最佳效率。
但是壓縮氣體的流量、體積、壓力和壓縮比等參數,具有很強的動態性和非線性特點,且容易受到環境和壓縮機自身健康狀態變化的影響,因此壓縮機的喘振邊界曲線是非線性和動態的。
核心技術
壓縮機控制模型的基礎是壓縮機的理論設計工況曲線(如圖)。如果控制模型距離性能曲線太遠,雖然會避免喘振現象的發生,但是會使壓縮機的能效降低,然而如果距離性能曲線太近(低流量、高壓力狀態),則造成極大的喘振風險。