综述
SUMMARY

压缩机喘振检测技术专利发展综述

   本文主要分析了压缩机喘振检测技术的专利申请情况,归纳了该技术的专利在不同国家的数量分布,在国外与国内的申请趋势以及主要申请人。总结了该技术领域的主要技术分支及申请量分布,并对主要技术分支进行了分析,为该技术领域的进一步发展提供了有利信息。
 
  压缩机作为一种提高气体压力的通用机械,在国民经济的许多部门占有重要地位,其被广泛应用于冶金工业(高炉鼓风、氧气炼钢、氧气制取等)、石油化工(油田注气、合成氨、尿素、乙烯、石油精炼等)、天然气输送、制冷、航空和动力(航空发动机、燃气轮机、内燃机增压、动力风源等)等工业部门。压缩机是整个工厂的心脏和关键设备,在生产中发挥着极其重要的作用,因而其工作的安全性和可靠性往往对整个工业系统的正常运行起到了决定性的作用。
  喘振是压缩机组由于工况变化等因素影响而运行在小流量时候发生的不稳定流动状态。这些不稳定流动现象的存在对压缩机机组的结构产生了极大危害,如喘振过程中机组会产生剧烈振动,对密封、轴承和叶轮等都会产生极大损伤,压缩机在短时间内的载荷的变化,对驱动系统也是不利的。
      这种情况如果得不到重视,轻则引起企业和工厂的停车事故,带来较大经济损失,重则产生机毁人亡、生产瘫痪等重大事故。
  因此,对压缩机运行状态进行监测,判断喘振状态,识别喘振先兆已成为压缩机喘振研究的重要课题,加强对离心压缩机喘振机理和危害性的研究与认识不管从理论还是实际应用中都具有十分重要的意义。
 
  1 分析样本
  本文选取中国专利文摘数据库(CNABS)和外文数据库(VEN)作为检索库。为了获得较为全面的中外文分析样本,笔者采用IPC(目前唯一国际通用的专利文献分类检索工具)分类号F04D27/02,F04D27/02进行检索,获得压缩机的降噪技术领域的专利文献共226篇作为分析样本(中文文献为101篇,外文文献125篇,由于申请文件的公开需要一段时间,因此,分析样本中并未包含2016年、2017年的全部专利申请)。
      需要注意的是,本文把外国在中国申请的同族专利(同族专利是基于同一优先权文件,在不同的国家或地区以及地区间专利组织多次申请、多次公布或批准的内容相同或基本相同的一组专利文献)列入中国专利,且将具有多篇同族的专利计作一篇文献。
 
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  2 压缩机喘振检测技术专利分析
  2.1 专利产出国家和地区分布及国内外申请趋势分析
  专利申请产出国家和地区一般是指一项技术的原创国家和地区。一般而言,一个国家和地区拥有的原创技术越多,说明其在该技术领域的研发能力和技术实力越强。图1为对检索到的专利文献产出国家和地区进行的统计分析。从图中可以看出,排名前三位的国家和地区分别为美国、日本和中国,并且排名第一位的美国的申请量要远远高于其他国家,达到了总申请量的44.80%,单从数量上来看,显示出极高的研发活跃度。
      排名第二位的日本其申请量占总申请量的21.90%,也彰显出其在压缩机喘振检测领域的研发投入程度。中国的申请量略小于日本,占到总申请量的17.10%。
  在具体分析国内的压缩机喘振检测专利申请状况时,需要先了解国内专利申请在全球专利申请中的整体分布,图2示出了国内外专利申请比较图。
  从图中可以看出,在压缩机喘振检测技术领域,国内的发展比国外大约晚了40年,压缩机喘振检测领域的核心技术仍然掌握在国外申请人手中。
       但是,从趋势图中可以看出,国内在该领域的申请量自2004年起呈上升增长趋势,这其中与近年来中国鼓励发明专利申请的大趋势有很大关系,另外也能体现国内在这一领域的重视程度也在上升,虽然落后了国外一段时间,不过还有一定的发展空间。
 
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  2.2 中国专利申请状况
  2.2.1 中国专利申请整体走势
  图3示出了关于压缩机喘振检测技术中国专利申请整体走势,从图中可以看出,在中国专利申请中,国外来华申请占了相当大的比例,以2001年为界,此前都为国外来华申请,2001年中国科学院工程热物理研究所提交了该领域的第一件国内申请人专利申请,此后国内申请人的相关专利呈逐渐上升趋势。
      国内企业对于压缩机喘振检测的研究自2001年开始,这与国内压缩机相关企业的发展离不开关系,然而在压缩机使用的过程中,喘振一直是困扰企业生产的一大难题,企业也在对其进行研究,国内企业因此也寻求与国内高校的合作,以期获得更好的资源平台和更强的研究力量。
  2005年哈尔滨工程大学提交了该领域的第一件高校专利申请,此后,国内高校对于压缩机喘振检测的研究逐年增多,专利申请量也相应增加,西安交通大学、北京工业大学、华北电力大学等高校对该领域的研究相对较多。
  图4将国内申请人具体拆分,示出了国内申请人中国内企业、国内高校和国外来华申请量的比例,其中,国外来华占了41.20%,国内企业占了36.30%,而国内高校则占了22.50%。在国内企业中,西安陕鼓动力有限公司等国内鼓风机厂对于压缩机喘振检测的研究较多,这与其企业生产密切相关,有需求则有研究;宝山钢铁、首都钢铁、武汉钢铁等钢铁企业对于压缩机喘振检测也有相关的研究,这与钢铁企业生产中离不开压缩机有很大的关系。
      从图3和图4中也可以发现,该领域的专利申请人均为企业和高校,这是因为压缩机领域技术含量较高,机电技术结合紧密,结构较复杂,发展也比较快,只有在压缩机运行生产过程中发现喘振的问题,才有解决问题的动机,因此没有一定专业背景或者从业经验的个人不会轻易尝试该领域的专利申请。
  2.2.2 中国专利申请主要申请人
  图5示出了国内专利申请量排名前10的申请人,主要考虑申请人历年的申请总量,按照申请总量进行排名。
  排名前10的申请人中,国外来华申请人有7位,其中美国来华企业有5位,包括江森自控、约克国际、通用电气、西门子、开利公司,足以可见美国企业对中国市场的重视程度。西安陕鼓动力有限公司在压缩机领域的研究比较有深度,因而成为国内该领域的重要申请人。     
       而众多的国内压缩机相关企业,如江苏乘帆压缩机有限公司、杭州哲达科技股份有限公司、三一能源重工有限公司、无锡杰尔压缩机有限公司对压缩机喘振检测技术的研究有所涉猎,但鉴于其企业规模、生产规模、科研力量等综合原因,其研究力度和深度仍具备较大的上浮空间。国内高校中在压缩机喘振检测领域的申请量排名靠前的为哈尔滨工程大学和北京工业大学,高校院所一直是压缩机喘振检测技术研究不容忽视的一股强大的力量。
 
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  2.3 国外专利申请状况
  本节主要对国外专利申请状况的趋势以及全球专利重要申请人进行分析,从中得到相关的压缩机喘振检测技术发展趋势,以及各阶段专利申请国家分布和主要申请人。其中以每个同族中最早优先权日期视为该申请的申请日,一系列同族申请视为一件申请。
  2.3.1 全球专利申请趋势
  图6示出了压缩机喘振检测技术全球专利申请趋势,大致可以分为4个时期,各时期划分以申请量增长率的变化为标准。
  1)萌芽期(1955—1980年)
  60年代初到71年代末,是故障诊断技术开始起步但尚未成熟的时期。美国是开发故障诊断技术最早的国家。在1955年,关于压缩机喘振检测技术的首件专利在美国提出申请;此外,在压缩机喘振检测技术的发展萌芽期,美国提出了较多的专利申请,这与其在故障诊断技术领域的领先密切相关。欧洲的德国在压缩机喘振诊断技术领域也具有较为先进的水平。
  2)停滞期(1981—1995年)
  从图6可见,从1981年开始,关于压缩机喘振检测技术的专利每年的申请量相比1981年前的申请量没有发生显著地增加,而申请人数量相较之前有小幅度增长,申请人和申请人的发展总体趋势趋于平稳,可见该阶段关于压缩机喘振检测技术的专利申请量进入了停滞期。
  3)增长期(1995—2005年)
  由图6中可以看出,在1999--2005年之间,关于压缩机喘振检测技术的申请量呈现跨越式增长,可谓是该技术发展的爆发时期,这也是压缩机产业在这段时间迅猛发展的一个侧面写照,说明压缩机行业对于检测压缩机喘振、保障安全生产的需求急剧增加,对于这方面的技术关注度也急剧的提升,才会出现了量的飞跃。在这段期间内,利用计算机对压缩机喘振进行检测已成为重要的检测及诊断手段,而且国外对于计算机诊断系统也在积极地进行研制中。
  4)稳定期(2005年至今)
  由图6可以看出,压缩机喘振检测技术专利申请量从2005年往后呈现稳定趋势,申请量每年较为平均,表示各大企业都认为该技术已经发展到了成熟阶段,没有较大的突破口了,仅有个别支柱企业仍在做该方面的研究(其中2017年的专利数据量由于部分专利申请未公开而不完整,因此不纳入分析范围,下同)。
 
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  2.3.2 美国和日本的专利申请
  由图7可以看出,在申请量方面,美国处于全球首位,这与其最先发展故障诊断技术有很大关系。日本的压缩机喘振检测技术起步稍晚,但发展迅速,仅次于美国。
  由图8也可以看出,在压缩机喘振检测技术领域,排名前10的申请人中美国企业占了7位,日本企业占了3位,排名前10的申请人被美国和日本企业包揽,足以证明美日在压缩机喘振检测领域的遥遥领先的地位。
 
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  2.4 主要技术分支
  通过对目前公开的压缩机喘振检测技术的全球专利申请进行分析和梳理,并根据实现喘振检测所采取的技术手段进行归类汇总,得出该领域的主要技术分支及申请量比重如图9所示。实现喘振检测的技术手段可归为性能检测、机械检测和无损检测这3种类型的二级分支。下面结合图9对这3个二级技术分支做详细介绍。
 
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  1)性能检测
  性能检测就是对压缩机流体通道的参数进行检测,以实时监测压缩机的运行状态,判断是否可能出现喘振或者判断是否正在发生喘振,以及进一步判断喘振程度为轻度喘振、中度喘振或者是严重喘振,为后续的预测防范或主动控制提供依据。进一步地,根据检测的参数的选择类型,性能检测这一技术手段又分为以下6个三级分支:压力、流量、温度、转速、电流和其他。对压缩机流体通道的某一类参数进行检测,例如为了简化喘振检测的结构或者是为了节约系统的成本等,包括:
  a.压力参数,包括出口压力、进口压力、压差、压力波动值、蒸发器处压力、冷凝器处压力等,由于压力信号是反映压缩机即将发生喘振或正在喘振的直接判断信号,因此对压力参数进行检测是申请人一直以来经常采用的手段,检测时考虑压力参数进行检测的申请量在性能检测中占比41.2%。
  b.流量参数,包括流量、流速、流量比率等,流量参数是反映压缩机运行状态的直接判断信号,其与压力参数结合使用的几率较大,检测时考虑压力参数进行检测的申请量在性能检测中占比17.6%。
  c.温度参数,包括检测进口温度、出口温度、温度变化值等,压缩机系统的温度情况反映了压缩机是否稳定运行,检测时考虑温度参数进行检测的申请量在性能检测中占比16.2%。
  d.转速参数,即压缩机主轴的转速,压缩机主轴转速的高低以及变化情况也反映了压缩机是否稳定运行,检测时考虑转速参数进行检测的申请量在性能检测中占比9%。
  e.电流参数,包括压缩机电机的电流、功率等,压缩机电机的电流、功率参数是反映压缩机运行情况的前端参数,相较于压力、流量、温度或转速参数,测量较易,且反映压缩机运行情况无滞后性,因此在检测时考虑电机电流或功率是目前研究的发展方向,考虑电流参数进行检测的申请量在性能检测中占比11.8%。
  f.其它参数,包括检测压缩机的回流、倒流情况,构造性能地图等方式,占比4%。
  2)机械检测
  性能检测就是对压缩机的机械情况进行检测,机械检测这一技术手段又分为以下两个三级分支:轴振动和叶片或导叶等的状态。喘振就是压缩机的振动,因此直接检测压缩机轴的振动或位移,或者检测叶片或导叶等的状态,能够直接判定喘振。
  a.轴振动,采用位移传感器检测压缩机轴的横向振动和纵向振动,与设定的稳定运行时的阈值进行比较,可设置多个大小不同的阈值,进而对比判断得出喘振先兆、轻度喘振、中度喘振或严重喘振。
  b.叶片、导叶等的位置,包括测量导叶的开度,测量动叶片安装的角度,导叶的位置,转子叶片的通过率等,并进行相应的信号处理和分析,判定喘振先兆或喘振。
  3)无损检测
  无损检测是利用声、电等对压缩机运行状态进行检测,分为以下两个三级分支:声能探测和静电探测。压缩机在发生喘振时机组会发生较大的噪声,与正常运行时的噪声大小不同,因此检测压缩机运行时的噪声大小能够判定喘振;静电探测是用静电探针对压缩机某些位置的情况进行探测,例如可探测入口气流等,判定是否出现倒流,判定喘振。
  a.声能检测,检测压缩机的转动噪声或检测压缩机径向扩散器的声能数值,例如用压力传感器测声压等,与稳定运行时的声能阈值进行比较,可设置多个阈值,指示喘振先兆或判定喘振。
  b.静电探测,采用静电探针,探针的尖端部设置在气体人口,向探针尖端部提供偏移电压,静电探针指示倒流的先兆。
  对各技术分支的申请量进行横向比较,从图9中可以看出,在3种类型的改进中,考虑性能参数的检测技术占总申请量的68%,考虑机械参数的检测技术占总申请量的21%,考虑无损检测的检测技术占总申请量的11%。可见,从技术分支的申请量上来看,该领域的研究相对集中在考虑性能参数对喘振进行检测,这与喘振现象的直接表现、技术的发展情况相关。
  同时,对各二级分支的三级分支进行进一步分析可以看出,考虑机械参数的检测技术主要考虑压力、流量和温度参数,考虑电流参数的申请较前沿;考虑机械参数的检测技术主要集中在检测压缩机组的振动情况,占该类改进申请总量的67%;而考虑无损检测的检测技术则主要集中在检测压缩机组的噪声,达到了该类申请总量的75%。
 
  3 结束语
  通过针对压缩机喘振检测技术进行数量型分析和技术性梳理,可以看出,这一领域从现有技术构型上划分成的技术分支——性能检测、机械检测、无损检测技术已经相对全面。同时,国内申请起步较晚,近年来对于该领域的关注度处于持续上升中,但是技术上仍不够全面,不具有针对性,在专利数量上与国外尤其是美国和日本还存在较大差距。在今后科研中,国内申请人应重视技术性改进,同时结合多种手段实现技术效果的多方面性,以技术创新带动实际生产。
 
  参考文献
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