【壓縮機網】引言
壓縮空氣作為實驗室精密儀器運行的“生命線”，其品質直接決定科研數據的可靠性與儀器的穩定性。在現代分析檢測領域，核磁共振波譜儀、氣相色譜-質譜聯用儀等高端設備對氣源提出了嚴苛要求：需滿足含油量＜0.01mg/m3、壓力露點≤-50℃、固體污染物等級≤2級的國際標準（ISO 8573-1:2010）[1]（表1）。然而，傳統供氣系統因技術局限性，難以同時兼顧高潔凈度、低能耗與智能化控制的協同優化。
現有實驗室氣源方案主要面臨三大挑戰：一是傳統活塞式空壓機的機械潤滑結構導致油污染風險居高不下，直接影響精密儀器的檢測精度；二是固定負載運行模式下，系統能耗隨實際用氣波動無法動態匹配，造成能源浪費；三是缺乏實時監控與智能調節能力，設備故障響應滯后，難以滿足科研場景對氣源穩定性的持續需求。進口設備雖能滿足性能指標，但受制于技術壟斷，存在采購成本高、維護周期長等問題，加劇了科研機構對外部技術的依賴。
針對上述行業痛點，本研究以實驗室壓縮空氣系統的國產化升級為目標，通過產學研協同創新，聚焦渦旋式空壓機無油化改造、閉環干燥系統節能優化及智能控制算法開發，旨在構建一套兼具高性能、低能耗與智能化特性的供氣解決方案，為提升我國科研裝備自主可控能力提供技術支撐。
1、研究背景與意義
在現代科研領域，核磁共振波譜儀、氣相色譜——質譜聯用儀等精密分析儀器已成為實驗室核心裝備，其對壓縮空氣品質的要求極為嚴苛。應用于高端實驗儀器的壓縮空氣需滿足含油量＜0.01mg/m3、壓力露點≤-50℃、固體污染物等級≤2級的指標要求。然而，傳統活塞式空壓機因機械結構限制，存在油污染風險高、能耗效率低、自動化程度不足等缺陷，難以滿足精密實驗對氣源穩定性與潔凈度的需求。此外，當前實驗室主流進口供氣設備存在維修成本高昂、響應周期長等問題，嚴重制約科研工作的連續性與自主性。因此，研發高潔凈、低能耗、智能化的壓縮空氣系統，已成為推動實驗室裝備國產化替代、提升科研效率的關鍵突破口。
2、研究目標與技術路線
本研究依托山東省科技型中小企業創新能力提升工程項目（項目編號2023 TSGC0975），聯合寧波大學新藥技術研究院開展產學研深度合作。以解決實驗室壓縮空氣品質提升、系統節能優化及智能化控制三大核心問題為目標，通過創新渦旋式空壓機降溫技術、閉環變壓吸附干燥系統[5]，并開發智能控制算法，構建具備自主知識產權的高性能供氣系統，為實驗室裝備國產化提供技術支撐與實踐范例。
3、壓縮空氣品質提升關鍵技術
3.1渦旋式空壓機降溫技術
3.1.1無油化設計原理
采用由一個固定的漸開線渦旋盤和一個呈偏心回旋平動的漸開線運動渦旋盤組成，通過嚙合形成可壓縮容積的渦旋式空氣壓縮機作為動力源。在工作過程中，靜盤固定在機架上，動盤由偏心軸驅動并由防自轉機構制約，圍繞靜盤基圓中心作很小半徑的平面轉動。氣體通過空氣濾芯吸入靜盤的外圍，隨著偏心軸旋轉，氣體在動靜盤嚙合所組合的若干個月牙形壓縮腔內被逐步壓縮，然后由靜盤中心部件的軸向孔連續排出。該結構零件少：主機零件數量僅為活塞機的1/8，大大減少了故障發生的概率，提高了整體的可靠性。采用模塊化設計，主要部件包括渦旋盤、軸承、密封件等，結構簡單緊湊，體積小、重量輕，便于安裝和維護。運行振動烈度≤18mm/s，噪聲值＜65dB(A)，輸出壓縮空氣含油量穩定控制在0.01mg/m3以下，完全符合ISO 8573-1:2010標準0級無油要求。
3.1.2高溫壓縮空氣冷卻技術
在空壓機出氣端集成二級冷凝系統，采用螺旋管式換熱器結合強制風冷技術，將壓縮后高達210℃的高溫空氣快速降溫至室溫+10℃以內。熱力學仿真分析顯示，冷卻處理后空氣相對濕度從85%顯著降至40%以下，大幅降低后續干燥處理負荷，同時延長吸附劑使用壽命達30%以上。實際運行數據表明，系統冷卻后氣體溫度波動控制在±5℃范圍內，有效滿足精密儀器對氣源溫度穩定性的嚴苛要求。
3.2閉環控制變壓吸附干燥系統
干燥系統采用雙塔交替運行架構，裝填高性能13X型分子篩吸附劑，通過控制器實現“吸附-均壓-回洗-再生”四階段閉環精準控制。系統創新點體現在：
壓力參數優化：通過設計計算，確定最佳吸附壓力0.7MPa、再生壓力0.05MPa，優化氣流路徑設計，減少無效能量損耗；
動態濕度調控：內置高精度露點傳感器，實時監測壓縮空氣濕度，根據實際需求動態調整再生周期，避免傳統系統因過度干燥導致的能源浪費。實驗數據顯示，經該系統處理后的壓縮空氣壓力露點穩定維持在-50℃以下。
低耗氣量設計：通過優化分子篩填充工藝、優化氣流路徑設計，搭載動態濕度調控，將回洗氣量由25%下降至9%。
3.3智能化能耗優化算法
3.3.1多參數實時監測
系統通過PLC控制器構建分布式數據采集網絡，集成以下核心監測模塊：
壓力動態監測：采用高精度壓力變送器，實時采集空壓機出口壓力；
溫度監測：部署PT100溫度傳感器，監測空氣壓縮機環境溫度、每個渦旋式空氣壓縮機出口溫度，結合歷史數據建立溫度趨勢模型，預測設備過熱風險；
露點檢測：內置高精度露點傳感器，實時監測壓縮空氣露點值，根據實際需求動態調整再生周期，避免傳統系統因過度干燥導致的能源浪費。
3.3.2三級故障預警機制
分層級故障診斷算法：
一級預警（黃色）：觸發條件包括露點值高于-40℃、出氣口溫度超過110℃、出氣口壓力低于0.5MPa時，通過本地聲光報警提醒操作人員；
二級預警（橙色）：涵蓋干燥系統耗氣量＞12%、傳感器信號異常、電機電流波動＞20%，自動啟動備用設備并生成故障代碼和記錄故障觸發時間，通過本地聲光報警和短信通知管理人員。
三級預警（紅色）：針對電機過載、系統壓力驟降（＞0.3bar/min）等緊急情況，0.5秒內自動停機并切斷電源，同時短信通知管理人員系統停機需緊急處理。
3.3.3自適應負載調節策略
設計雙模式智能調節算法：
恒壓模式：通過壓力傳感器反饋值與設定值（如0.7MPa）的偏差，采用PID控制算法調節運行電機數量，確保在實驗室多設備同時運行時壓力波動≤±0.05MPa，較傳統定頻控制節能18%-25%；
休眠模式：夜間或周末低負載時段，系統自動進入休眠狀態，電機在滿足用氣需求請款下，運行數量最少，能耗降至額定功率的5%，喚醒響應時間＜10秒。
3.3.4全生命周期能效管理
基于云計算的能效分析平臺：
歷史數據建模：存儲近3年運行數據，通過對運行數據進行分析，預測不同季節、時段的能耗峰值，提前調整設備運行組合，實現年能耗優化8%-12%；
耗材壽命預測：通過干燥塔再生次數、過濾器壓差等數據，建立吸附劑壽命模型與濾芯更換預警，避免因耗材老化導致的能耗異常。
3.4遠程監控與交互界面（圖1）
3.4.1跨平臺監控系統
搭建遠程監控平臺，支持PC端與移動端訪問，功能包括：
實時數據：動態顯示壓縮空氣參數（壓力、露點、溫度）、設備運行狀態（運行、停機、故障）及報警數據；
遠程控制：授權用戶可遠程啟停設備、調整運行參數（如壓力設定值、再生周期），操作記錄自動存檔。
3.4.2可視化運維平臺設計
監控界面采用可視化組件，包含：
趨勢分析模塊：動態展示過去24小時/7天的管路壓力(圖2)、功率能耗(圖3)、露點(圖4)數據波動曲線，支持自定義時間區間查詢；
告警統計報表：自動生成月度故障統計圖表，顯示“干燥系統故障”占比35%、“傳感器異常”占比28%等，輔助優化維護策略。
3.4.3權限分級管理（圖5）
設置“管理員-工程師-操作員”三級權限，管理員可遠程修改控制參數，操作員僅能查看實時數據，符合《ISO/IEC 27001:2013信息安全管理體系要求》。
4、結語
本研究圍繞實驗室壓縮空氣系統的核心需求，針對壓縮空氣品質提升、系統節能及控制系統智能化算法展開技術攻關，通過產學研協同創新，取得了一系列突破性成果，為實驗室供氣設備的國產化與智能化升級提供了全面解決方案。
在壓縮空氣品質提升技術突破了傳統活塞式空壓機的性能瓶頸，填補了國內高潔凈氣源設備的技術空白。在系統節能優化領域，通過壓力參數優化和動態濕度調控將干燥系統耗氣量從25%降至9%以下，有效降低了壓縮空氣制備的能源消耗，符合國家“雙碳”戰略導向。在控制系統智能化算法開發中，構建了集多參數實時監測、三級故障預警、自適應負載調節于一體的智能監控系統，顯著提升了系統的穩定性與運維效率，為實驗室無人化管理提供了技術支撐。
本研究不僅解決了實驗室壓縮空氣系統的關鍵技術難題，更通過國產化替代降低了科研機構對進口設備的依賴，對于提升我國高端科研裝備自主可控能力、保障科技創新安全具有重要戰略意義。
參考文獻
[1]國際標準化組織.壓縮空氣第1部分雜質和質量等級:IS08573-1 2010.技術委員會IS0/TC118，壓縮機、氣動工具和機器設備，技術委員會分會SC4，壓縮空氣質量編制.[2010-04-15].ISO 8573-1 2010壓縮空氣第1部分雜質和質量等級.
[2]國際標準化組織.壓縮空氣第2部分油氣溶膠含量的試驗方法:IS0 8573-2 2007.技術委員會IS0/TC118，壓縮機、氣動工具和機器設備，技術委員會分會SC4，壓縮空氣質量編制.[2007-02-01].
[3]中國國家標準化管理委員會.壓縮空氣第3部分:濕度測量方法:GB/T 13277-3 2015.全國壓縮機標準化技術委員會(SAC/TC145).[2015-12-31].
[4]中國國家標準化管理委員會.壓縮空氣第4部分:固體顆粒測量方法；GB/T13277-4 2015.全國壓縮機標準化技術委員會(SAC/TC145).[2015-12-31].
[5]中華人民共和國住房和城鄉建設部、中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，壓縮空氣站設計規范：GB 50029-2014.[2014-01-09].北京:中國計劃出版社,2014.
作者簡介
孟秋禹。高級工程師，技術研發總監。研究方向：壓縮空氣品質研究。
來源：本站原創
【壓縮機網】引言
壓縮空氣作為實驗室精密儀器運行的“生命線”，其品質直接決定科研數據的可靠性與儀器的穩定性。在現代分析檢測領域，核磁共振波譜儀、氣相色譜-質譜聯用儀等高端設備對氣源提出了嚴苛要求：需滿足含油量＜0.01mg/m3、壓力露點≤-50℃、固體污染物等級≤2級的國際標準（ISO 8573-1:2010）[1]（表1）。然而，傳統供氣系統因技術局限性，難以同時兼顧高潔凈度、低能耗與智能化控制的協同優化。
現有實驗室氣源方案主要面臨三大挑戰：一是傳統活塞式空壓機的機械潤滑結構導致油污染風險居高不下，直接影響精密儀器的檢測精度；二是固定負載運行模式下，系統能耗隨實際用氣波動無法動態匹配，造成能源浪費；三是缺乏實時監控與智能調節能力，設備故障響應滯后，難以滿足科研場景對氣源穩定性的持續需求。進口設備雖能滿足性能指標，但受制于技術壟斷，存在采購成本高、維護周期長等問題，加劇了科研機構對外部技術的依賴。
針對上述行業痛點，本研究以實驗室壓縮空氣系統的國產化升級為目標，通過產學研協同創新，聚焦渦旋式空壓機無油化改造、閉環干燥系統節能優化及智能控制算法開發，旨在構建一套兼具高性能、低能耗與智能化特性的供氣解決方案，為提升我國科研裝備自主可控能力提供技術支撐。
1、研究背景與意義
在現代科研領域，核磁共振波譜儀、氣相色譜——質譜聯用儀等精密分析儀器已成為實驗室核心裝備，其對壓縮空氣品質的要求極為嚴苛。應用于高端實驗儀器的壓縮空氣需滿足含油量＜0.01mg/m3、壓力露點≤-50℃、固體污染物等級≤2級的指標要求。然而，傳統活塞式空壓機因機械結構限制，存在油污染風險高、能耗效率低、自動化程度不足等缺陷，難以滿足精密實驗對氣源穩定性與潔凈度的需求。此外，當前實驗室主流進口供氣設備存在維修成本高昂、響應周期長等問題，嚴重制約科研工作的連續性與自主性。因此，研發高潔凈、低能耗、智能化的壓縮空氣系統，已成為推動實驗室裝備國產化替代、提升科研效率的關鍵突破口。
2、研究目標與技術路線
本研究依托山東省科技型中小企業創新能力提升工程項目（項目編號2023 TSGC0975），聯合寧波大學新藥技術研究院開展產學研深度合作。以解決實驗室壓縮空氣品質提升、系統節能優化及智能化控制三大核心問題為目標，通過創新渦旋式空壓機降溫技術、閉環變壓吸附干燥系統[5]，并開發智能控制算法，構建具備自主知識產權的高性能供氣系統，為實驗室裝備國產化提供技術支撐與實踐范例。
3、壓縮空氣品質提升關鍵技術
3.1渦旋式空壓機降溫技術
3.1.1無油化設計原理
采用由一個固定的漸開線渦旋盤和一個呈偏心回旋平動的漸開線運動渦旋盤組成，通過嚙合形成可壓縮容積的渦旋式空氣壓縮機作為動力源。在工作過程中，靜盤固定在機架上，動盤由偏心軸驅動并由防自轉機構制約，圍繞靜盤基圓中心作很小半徑的平面轉動。氣體通過空氣濾芯吸入靜盤的外圍，隨著偏心軸旋轉，氣體在動靜盤嚙合所組合的若干個月牙形壓縮腔內被逐步壓縮，然后由靜盤中心部件的軸向孔連續排出。該結構零件少：主機零件數量僅為活塞機的1/8，大大減少了故障發生的概率，提高了整體的可靠性。采用模塊化設計，主要部件包括渦旋盤、軸承、密封件等，結構簡單緊湊，體積小、重量輕，便于安裝和維護。運行振動烈度≤18mm/s，噪聲值＜65dB(A)，輸出壓縮空氣含油量穩定控制在0.01mg/m3以下，完全符合ISO 8573-1:2010標準0級無油要求。
3.1.2高溫壓縮空氣冷卻技術
在空壓機出氣端集成二級冷凝系統，采用螺旋管式換熱器結合強制風冷技術，將壓縮后高達210℃的高溫空氣快速降溫至室溫+10℃以內。熱力學仿真分析顯示，冷卻處理后空氣相對濕度從85%顯著降至40%以下，大幅降低后續干燥處理負荷，同時延長吸附劑使用壽命達30%以上。實際運行數據表明，系統冷卻后氣體溫度波動控制在±5℃范圍內，有效滿足精密儀器對氣源溫度穩定性的嚴苛要求。
3.2閉環控制變壓吸附干燥系統
干燥系統采用雙塔交替運行架構，裝填高性能13X型分子篩吸附劑，通過控制器實現“吸附-均壓-回洗-再生”四階段閉環精準控制。系統創新點體現在：
壓力參數優化：通過設計計算，確定最佳吸附壓力0.7MPa、再生壓力0.05MPa，優化氣流路徑設計，減少無效能量損耗；
動態濕度調控：內置高精度露點傳感器，實時監測壓縮空氣濕度，根據實際需求動態調整再生周期，避免傳統系統因過度干燥導致的能源浪費。實驗數據顯示，經該系統處理后的壓縮空氣壓力露點穩定維持在-50℃以下。
低耗氣量設計：通過優化分子篩填充工藝、優化氣流路徑設計，搭載動態濕度調控，將回洗氣量由25%下降至9%。
3.3智能化能耗優化算法
3.3.1多參數實時監測
系統通過PLC控制器構建分布式數據采集網絡，集成以下核心監測模塊：
壓力動態監測：采用高精度壓力變送器，實時采集空壓機出口壓力；
溫度監測：部署PT100溫度傳感器，監測空氣壓縮機環境溫度、每個渦旋式空氣壓縮機出口溫度，結合歷史數據建立溫度趨勢模型，預測設備過熱風險；
露點檢測：內置高精度露點傳感器，實時監測壓縮空氣露點值，根據實際需求動態調整再生周期，避免傳統系統因過度干燥導致的能源浪費。
3.3.2三級故障預警機制
分層級故障診斷算法：
一級預警（黃色）：觸發條件包括露點值高于-40℃、出氣口溫度超過110℃、出氣口壓力低于0.5MPa時，通過本地聲光報警提醒操作人員；
二級預警（橙色）：涵蓋干燥系統耗氣量＞12%、傳感器信號異常、電機電流波動＞20%，自動啟動備用設備并生成故障代碼和記錄故障觸發時間，通過本地聲光報警和短信通知管理人員。
三級預警（紅色）：針對電機過載、系統壓力驟降（＞0.3bar/min）等緊急情況，0.5秒內自動停機并切斷電源，同時短信通知管理人員系統停機需緊急處理。
3.3.3自適應負載調節策略
設計雙模式智能調節算法：
恒壓模式：通過壓力傳感器反饋值與設定值（如0.7MPa）的偏差，采用PID控制算法調節運行電機數量，確保在實驗室多設備同時運行時壓力波動≤±0.05MPa，較傳統定頻控制節能18%-25%；
休眠模式：夜間或周末低負載時段，系統自動進入休眠狀態，電機在滿足用氣需求請款下，運行數量最少，能耗降至額定功率的5%，喚醒響應時間＜10秒。
3.3.4全生命周期能效管理
基于云計算的能效分析平臺：
歷史數據建模：存儲近3年運行數據，通過對運行數據進行分析，預測不同季節、時段的能耗峰值，提前調整設備運行組合，實現年能耗優化8%-12%；
耗材壽命預測：通過干燥塔再生次數、過濾器壓差等數據，建立吸附劑壽命模型與濾芯更換預警，避免因耗材老化導致的能耗異常。
3.4遠程監控與交互界面（圖1）
3.4.1跨平臺監控系統
搭建遠程監控平臺，支持PC端與移動端訪問，功能包括：
實時數據：動態顯示壓縮空氣參數（壓力、露點、溫度）、設備運行狀態（運行、停機、故障）及報警數據；
遠程控制：授權用戶可遠程啟停設備、調整運行參數（如壓力設定值、再生周期），操作記錄自動存檔。
3.4.2可視化運維平臺設計
監控界面采用可視化組件，包含：
趨勢分析模塊：動態展示過去24小時/7天的管路壓力(圖2)、功率能耗(圖3)、露點(圖4)數據波動曲線，支持自定義時間區間查詢；
告警統計報表：自動生成月度故障統計圖表，顯示“干燥系統故障”占比35%、“傳感器異常”占比28%等，輔助優化維護策略。
3.4.3權限分級管理（圖5）
設置“管理員-工程師-操作員”三級權限，管理員可遠程修改控制參數，操作員僅能查看實時數據，符合《ISO/IEC 27001:2013信息安全管理體系要求》。
4、結語
本研究圍繞實驗室壓縮空氣系統的核心需求，針對壓縮空氣品質提升、系統節能及控制系統智能化算法展開技術攻關，通過產學研協同創新，取得了一系列突破性成果，為實驗室供氣設備的國產化與智能化升級提供了全面解決方案。
在壓縮空氣品質提升技術突破了傳統活塞式空壓機的性能瓶頸，填補了國內高潔凈氣源設備的技術空白。在系統節能優化領域，通過壓力參數優化和動態濕度調控將干燥系統耗氣量從25%降至9%以下，有效降低了壓縮空氣制備的能源消耗，符合國家“雙碳”戰略導向。在控制系統智能化算法開發中，構建了集多參數實時監測、三級故障預警、自適應負載調節于一體的智能監控系統，顯著提升了系統的穩定性與運維效率，為實驗室無人化管理提供了技術支撐。
本研究不僅解決了實驗室壓縮空氣系統的關鍵技術難題，更通過國產化替代降低了科研機構對進口設備的依賴，對于提升我國高端科研裝備自主可控能力、保障科技創新安全具有重要戰略意義。
參考文獻
[1]國際標準化組織.壓縮空氣第1部分雜質和質量等級:IS08573-1 2010.技術委員會IS0/TC118，壓縮機、氣動工具和機器設備，技術委員會分會SC4，壓縮空氣質量編制.[2010-04-15].ISO 8573-1 2010壓縮空氣第1部分雜質和質量等級.
[2]國際標準化組織.壓縮空氣第2部分油氣溶膠含量的試驗方法:IS0 8573-2 2007.技術委員會IS0/TC118，壓縮機、氣動工具和機器設備，技術委員會分會SC4，壓縮空氣質量編制.[2007-02-01].
[3]中國國家標準化管理委員會.壓縮空氣第3部分:濕度測量方法:GB/T 13277-3 2015.全國壓縮機標準化技術委員會(SAC/TC145).[2015-12-31].
[4]中國國家標準化管理委員會.壓縮空氣第4部分:固體顆粒測量方法；GB/T13277-4 2015.全國壓縮機標準化技術委員會(SAC/TC145).[2015-12-31].
[5]中華人民共和國住房和城鄉建設部、中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，壓縮空氣站設計規范：GB 50029-2014.[2014-01-09].北京:中國計劃出版社,2014.
作者簡介
孟秋禹。高級工程師，技術研發總監。研究方向：壓縮空氣品質研究。
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