基于DOE的空气压缩机供气压力参数优化

阮红倩， 雷 啸， 袁玉通， 杨小雨， 金跃峰

（红塔集团玉溪卷烟厂， 云南 玉溪 653100）

引言

空气压缩机（简称空压机）在复烤生产过程中有重要作用，它生产压缩空气用以清除大量灰尘，带动加湿器、气动薄膜阀等。空压机供气压力参数设置大部分是根据经验设置，但过程中常常出现频繁持续加卸载的现象而造成能耗较高，原因是当压力小于压力下限值时，空压机工作处于加载状态，工作电流急剧增加，能耗瞬间增加，使空压机压力增大；当供气压力大于压力上限值时，空压机工作于卸载状态，工作电流降低，使空压机压力随之降低，如果设定的空压机加卸载压力范围过宽，加卸载时间均较长，耗电量也就较高。

节能减排、降本增效是现代企业的发展趋势，根据图1可以看出空压站耗电占复烤生产耗电量的7.2%，优化空压机供气压力参数设置有利于降低复烤生产过程中耗电量，将采用DOE实验方法对其进行优化。实验设计（DOE）是通过科学的方法对实验方案进行优化设计，并对实验结果进行系统分析的一种方法，不但可缩短实验周期减少工作量，且可大大节约生产成本[1]。本文通过DOE方法系统研究空压机供气压力下限值和区间值对电/气的影响，从而得到优化的参数。

1 实验设计

本实验以空压机供气压力参数设定下限值、区间值2个参数作为优化的变量参数（对于参数之间的交互作用不作考虑）进行DOE实验设计，以产生每立方米空气所消耗的电量（电气比）为指标进行2因子2水平的正交实验方案，其中参数的水平根据生产实际及设备情况分析设定，见表1。

图1 复烤生产设备电能耗用情况

表1 DOE实验参数和水平设置

根据表1进行相应的实验，采用Minitab16软件进行2因子2水平全因子实验设计，为了判断中心点是否显着，所以加了3个中心点。该实验复制1次。以电/气为响应值。得到实验数据结果如表2所示。

表2 实验数据

2 实验结果分析

根据表2实验数据，使用Minitab16版软件进行实验数据分析，以下计算均由软件提供，按照流程进行分析。表3是拟合选定模型分析表，然后进行残差分析。表4为进行方差分析获得的电/气的P值。

表3和表4列出了主效应P，2因子交互效应P及其方差分析P值的大小。表4显示主效应和2因子交互作用中至少有一项P值小于0.05，表明应拒绝原假设，即可以判定拟合选定模型总的说来是有效的[2]。从单因素效应的检验结果可以看出：主效应中，下限值和区间值效应显着，下限值P值为0.006，区间值P值为0.020，均小于0.05。标准偏差为0.021 216 4，R-Sq为85.07%，R-Sq（预测）为50.14%，R-Sq（调整）为75.12%。

表3 电/气实验设计分析结果

表4 电/气的方差分析

图2 因子效应的Pareto图（响应为电/气）

图3 电/气的主效应图

进一步进行分析，获得如图2所示的标准Pareto、电/气的主效应图（图3）和因子的交互作用图（如下页图4）。从标准柏拉图中可以看出，下限值对电/气的影响最显着，其次是区间值，交互作用对电/气的影响甚微。电/气的主效应图总结了响应变量电/气同两个实验因子的独立关联度，如图3所示。下限值由低水平向高水平时，呈负相关，区间值由低水平向高水平时，呈正相关。从下页图4中可以看出，交互作用不显着。

2 因子响应优化分析

采用Minitab软件中的响应优化器模块对电/气进行了因予响应优化分析，如下页图5所示。目标是望小，复合合意性为0.458 55，当下限值为056 MPa，区间值为0.06 MPa时，预测响应值为1.662 4。

3 验证实验

根据响应优化分析结果进行验证实验，对空压机供气压力参数下限值设置为0.56 MPa，上限值设置为0.62 MPa，重复三天，实验结果为：y1=1.718 36 kWh/m3，y2=1.666 86 kWh/m3，y3=1.694 40 kWh/m3，y平均=1.693 21 kWh/m3。预测区间为 1.605 63～1.752 46 kWh/m3，置信区间为 1.640 70～1.717 38 kWh/m3，每个电气比均在预测区间内，平均值在置信区间内。说明空压机压力供气压力参数设置下限值0.56 MPa，上限值0.62 MPa，可使电气比最低。

图4 电/气的交互作用图

在此基础上，对这一供气压力参数运行时设备、生产运行情况进行监控一周，均无异常情况。

4 结论

通过Minitab软件中的DOE功能得到了可使电/气最低的空压机压力运行参数，节约用电量，为企业降本增效作出贡献。本实验为空压机运行参数优化提供了一种思路，最优的参数设置还应该根据企业设备情况，生产具体情况进行。

图5 响应优化图及其结果