刘晓东，苏宝成，何 涛
（宁夏宝丰能源集团股份有限公司，宁夏 银川 ７５０００１）
［摘 要］：针对压缩机组的设计流量显著超出生产运行需求，导致能源浪费的问题，提出一种基于发明问题解决理论（简称 ＴＲＩＺ）的解决方案。通过对压缩机组系统进行功能模型分析、因果链分析，确定了压缩机组能源浪费的根本原因。运用物理矛盾、物 －场分析和技术矛盾等工具，提出了通过优化压缩机防喘振线实现自动控制的设计方案。经过应用验证，该方案将防喘振阀的开度由 ３８％降低至 １７％，能源节约 １４.８％，为同类装置优化压缩机提供了参考和技术支持。
［关键词］：ＴＲＩＺ理论；压缩机；喘振；功能模型；因果链分析
中图分类号：ＴＨ４５ 文献标志码：Ｂ
文章编号：１００６－２９７１（２０２６）０１－００５１－０６
引言
发明问题解决理论 （简称 ＴＲＩＺ），由前苏联 Ｇ．Ｓ．Ａｌｔｓｈｕｌｌｅｒ在分析研究世界各国 ２５０万件专利的基础上，总结出的各种技术进化遵循的规律，建立一个能有效描述新技术发展的方法体系。Ｇ.Ｓ.Ａｌｔｓｈｕｌｌｅｒ相信发明问题的基本原理是客观存在的，这些原理被整理成为 ＴＲＩＺ理论，掌握该理论的人使发明问题具有可预见性［１］。ＴＲＩＺ理论也被视为一系列分析方法和解决方案的工具包［２］。
ＴＲＩＺ理论体系包含用于辅助创新的九屏幕法、最终理想解、小人法、ＳＴＣ算子和金鱼法等；用于分析问题的功能分析、因果链分析、矛盾分析、物 －场分析以及 ＡＲＩＺ算法；用于解决问题的 ４０个发明原理、分离原理、７６个标准解、知识效应库及剪裁［３］。
ＴＲＩＺ在生产制造领域的应用主要体现在生产效率提高、产品质量提升、工艺技术优化、专利规避等方面［４］。
在节能方向，ＣＨＩＵ等［５］基于 ＴＲＩＺ技术成功地开发出一种用于屋顶节能的环保油漆，通过耐热试验结果表明，新型材料可节约用电超过 ２０％；刘贤成等［６］将 ＴＲＩＺ方法应用于往复式压缩机节能改造，通过增加气阀调节系统，改变曲轴幅值，达到调节压缩机功率的目的；齐海元［７］将 ＴＲＩＺ与建筑节能构造系统理论有机结合，构建了建筑节能技术评价与创新模型，通过墙体设计验证了方法的有效性；赵存有等［８］利用 ＴＲＩＺ理论中的 ＡＲＩＺ算法，分析了采煤机截割滚筒能耗大的原因，通过派生资源的发掘形成了有效节能方案；金琳等［９］借助 ＴＲＩＺ理论对印刷机热交换器进行改进设计，选用肋化系数和发射率合适的翅片管，提高了热交换器的产热效率；Ａｌｖａｒｅｚ等［１０］提出了一个基于 Ｅｘｅｒｇｙ分析、ＴＲＩＺ理论和知识管理的可再生能源生态创新模型。
离心式压缩机运行过程中，流量降低到一定程度，将发生流动失稳，即喘振。喘振是离心式压缩机的一种固有特性，会对压缩机内部造成巨大冲击伴随剧烈振动，严重时会导致设备损坏危机人员安全［１１］。因此，在压缩机组运行控制中，预防喘振现象极为重要。压缩机性能曲线是在一定进气条件和气体组分下测试得到的，压缩机能耗值一般通过性能曲线计算得到，研究表明，由理论性能曲线计算运行参数的误差高达 ２０％，由此制定的压缩机运行方案将失去节能性［１２］。连接性能曲线曲线在不同转速下的最高点，形成一条表征压缩机发生喘振的极限曲线，若压缩机工作点在曲线左侧，就会出现喘振现象［１３］。当运行工况发生变化时，性能曲线会产生偏移，且偏移不确定性强，因此必须采用一定的方法来获取实际性能曲线［１４］。徐野等［１５］提出一种基于流量、压力、振动多源信息诊断压缩机喘振的方法；ＡＬＳＵＷＩＡＮ等［１６］对压缩机防喘振控制系统与先进容错控制技术进行综述；张平等［１７］通过改进粒子群 ＩＰＳＯ算法优化 ＬＳＳＶＭ模型预测离心式压缩机性能曲线；陈利琼等［１８］提出一种基于ＡＮＦＩＳ的自适应性能曲线生成方法，与实际运行曲线误差小于 ３％。
系统的分析
２.１ 功能模型分析
功能模型描述了工程系统和超系统组件的功能，以及有用功能、缺陷功能、性能水平与成本。该模型仅表达系统组件作用关系而与功能实现顺序无关，对于由于组件间相互作用产生的缺陷，基于该模型能够确定导致问题的原因以及与问题相关的冲突区域［１９］。本文通过先建立功能模型来确定冲突区域，再建立因果链来确定冲突。将压缩机组系统定义为工程系统，系统组件为电机、增速箱、压缩机、出口调节阀、入口调节阀、防喘振阀、ＣＣＳ系统等；超系统组件为电能、空气、操作人员、催化剂活性。分析工程系统各组件之间的功能关系，创建出功能模型，如图 １所示。
通过功能模型图分析可以得到，工程系统的功能缺陷为压缩机供给再生器风量功能过度、ＣＣＳ系统采集催化剂活性功能不足及操作人员控制入口、出口调节阀和防喘振阀功能有害。
２.２ 因果链分析
作为 ＴＲＩＺ理论体系中用于分析问题的关键工具，因果链分析通过识别解析工程系统关键原因，找到工程系统中潜在的、深层次的原因，将目标问题和各底层缺点联系起来，进而找到解决问题的突破口［２０］。
由于反应工段更换了高效催化剂，再生空气的需求量较原设计降低，大量空气通过防喘振阀放空。针对本次研究产生的问题，定义压缩机组能耗高为初始问题，利用因果链对压缩机系统进行分析，得到分析结果，如图 ２所示。
分析结果初步得到 ３个可能导致压缩机组能耗高的关键技术问题：多余空气就地排空、防喘振阀开度大和自动化技术应用少。
应用TRIZ理论的问题求解
针对功能模型分析和因果链分析得到的功能缺陷和关键问题，分别应用九屏分析法、生命曲线、物场分析、物理矛盾、最终理想解、技术矛盾、资源分析和 ＳＴＣ算子对压缩机组系统提出改进方案。由于篇幅有限，本文仅对部分方法的应用展开详细描述。
３.１ 基于物理矛盾的解决方案
根据 Ｇ.Ｓ.Ａｌｔｓｈｕｌｌｅｒ对物理矛盾的定义，当一个技术系统的工程参数具有相反的需求，就出现了物理矛盾。
将符合物理矛盾的关键问题按照规范进行描述，基于解决矛盾的核心思想实现矛盾双方的分离，参照对应的创新原理，制定具体的解决方案［２１］。物理矛盾的分离思路见图 ３。
为实现降低压缩机组能耗这一目标，定义防喘振阀的开度为物理矛盾。为保证压缩机不发生喘振需要对防喘振阀开大，而为降低压缩机的能耗则需要对防喘振阀关小。按物理矛盾的表述规范将其描述为：压缩机系统为了防止发生喘振现象，需要防喘振阀开大。
压缩机系统为了降低能耗的浪费，需要防喘振阀关小。为达到技术系统的理想状态，该参数的矛盾需求在防喘振阀的不同条件下是可以实现的。通过加入描述条件状态的导向关键词，将物理矛盾进一步描述为：当压缩机运行状态接近喘振线时，为了防止发生喘振现象，需要防喘振阀开大。
当压缩机运行状态远离喘振线时，为了降低能耗的浪费，需要防喘振阀关小。
此时，依据条件分离将矛盾进行分离。条件分离方法涉及到的创新原理包括分割法、组合法、嵌套法、逆向法、曲线法、反馈法、替代法、性能转化法等。
对于降低压缩机组能耗这一问题，选用创新原理“分割法”来拟定解决方案，具体方案为：
在喘振线右侧绘制一条线作为缓冲，当压缩机运行状态接近该线时，开大防喘振阀，保证压缩机不发生喘振现象；当压缩机运行状态远离该线时，关小防喘振阀，以降低能源的浪费。该方法解决了防喘振阀既需要开大、又需要关小的物理矛盾。
３.２ 基于物 －场分析的解决方案
物 －场模型分析是 ＴＲＩＺ理论中的一种重要的问题描述和分析工具，能直观表征系统问题；在问题的解决过程中，可 以 采 用 查 找 标 准 解 来 使 问 题 得 到 改 善 或 解决［２２］。应 用 物 －场 分 析 解 题 的 一 般 过 程 见 图 ４。Ｇ.Ｓ.Ａｌｔｓｈｕｌｌｅｒ认为，所有的功能都可以分解为 ２种物质
和一种场，即一种功能由 ２种物质及一种场的 ３个要素组成，分别是作用对象、工具和场。ＢＥＬＳＫＩ［２３］提出了一套基于物 －场模型分析解决技术问题的标准化流程。建立求解模型后，根据物质之间的相互作用形式得到具体的解决方案［２４］。
根据功能模型建立关键缺陷的物 －场模型，如图 ５所示。系统的 ２种物质分别为压缩机组和再生器，两者的相互作用为电场，虚线表示压缩机组对再生器再生供风产生有害效应。
对于非有效完整模型，对应 ＴＲＩＺ理论中第 １.２类标准解 “拆解物 －场模型”来解，问题模型的一般解法有五种：（１）“引入 Ｓ３ 消除非有效作用”；（２） “引入改进的 Ｓ１ 或 Ｓ２ 消除非有效作用”； （３） “引入物质消除非有效作用”；（４） “用场 Ｆ２ 来抵消非有效作用”；（５） “消除磁场的影响”。这里，为了降低压缩机组对再生器再生的功能过度，我们选择第 ２种的标准解来拟定方案，具体方案为：
基于 “引入改进的 Ｓ１ 或 Ｓ２ 消除非有效作用”的解决方案。现有压缩机组是由定频电机驱动，风量无法通过输入侧调整，我们通过改进压缩机组的驱动电机，将其改造为变频调节，实现风量可调节，如图 ６所示。
３.３ 基于技术矛盾的解决方案
技术矛盾是指为了实现当前技术系统目标而导致系统 ２个不同功能所对应的参数互相排斥，即当一个参数被改善时，另一个参数被恶化［２５］。利用 ＴＲＩＺ理论解决技术矛盾的步骤为：明确问题，找到问题矛盾点；将问题转换成技术矛盾规范的表述形式；应用矛盾矩阵，找到对应发明原理；在发明原理的启示下，提出解决方案［２６］。基于技术矛盾解决问题的流程如图 ７所示。
根据因果链分析结果，得到问题一：防喘振阀开度大。技术问题描述。如果为了减少压缩机组的能量损失，而盲目关小防喘振阀，可能会造成压缩机喘振。
定义技术矛盾。欲改善的参数：Ｎｏ.２２能量损失；被恶化的参数：Ｎｏ.２７可靠性。
查找矛盾矩阵，得到对应的发明原理：Ｎｏ.１１事先预防。
在该发明原理的启示下，得到解决方案：绘制压缩机的实际防喘振线，进行压线控制。
再次根据因果链分析结果，得到问题二：自动化技术应用少。
技术问题描述。如果将该压缩机组防喘振控制改为自动调节，那么将提升压缩机组的自动化程度，同时降低员工劳动强度，但提升了系统的复杂度，增加了仪表控制系统故障的可能性。
定义技术矛盾。欲改善的参数：Ｎｏ.３８自动化程度；
被恶化的参数：Ｎｏ.３６装置的复杂性。
查找矛盾矩阵，得到对应的发明原理：Ｎｏ.２４借助中介物原理。
在该发明原理的启示下，得到解决方案：在压缩机喘振控制运行方式中增加防喘振算法模块和控制运行模块，当喘振控制运行方式为自动状态下且在控制运行模块的投用情况时，此时喘振控制运行方式中防喘振算法模块与防喘振阀控制运行模块产生关联。最终可以实现自动监控压缩机组的喘振趋势，若发生喘振时，系统会自动打开压缩机防喘振阀确保不会发生喘振。
３.４ 方案总结
通过运用 ＴＲＩＺ理论的功能分析和因果分析，利用九屏分析法、生命曲线、资源分析、最终理想解、技术矛盾、物理矛盾、ＳＴＣ算子、物场分析等 １０项创新方法工具，得到 ２３个概念方案，表 １为方案总结。
建立评价模型，见表 ２，对 ２３个创新方案进行整理与评价，见表 ３，综合得分前三的方案 １１、２１和 ２２，得到通过优化压缩机防喘振线实现自动控制的设计方案。
应用验证
４.１ 方案实施
首先测试压缩机实际喘振线
（１）机组运行状态确认：机组机械运转正常，喘振测试相关的测量仪表工作正常，机组运行主要工艺参数正常。
（２）准备工作完成，得到准备测试指令，将防喘振控制方式设为半自动，将机组运行状态打到自动操作模式，调整入口阀开度到测试值。
（３）使用移动喘振线按钮将喘振线向左移动，使防喘振线距离工作点在 １％内距离，开始测试。
（４）得到开始测试指令，逐渐关小防喘振阀，当流量降低，工作点靠近喘振控制线时，使用移动喘振线按钮向左移喘振线，继续关小防喘振阀，达到试验结束条件时，结束这个点的实验。
（５）调整机组入口阀开度，同步骤 （３）、（４）、（５）做下一点，直到全部做完实验。
（６）得到实际的喘振线以及优化后的防喘振线，见图 ８。
４.２ 效果验证
压缩机在装置负荷 １００％时，防喘振阀开度 １７％，较优化前降低 ２１％；采用优化后的防喘振线进行控制后，节能率达到 １４８％，优化效果好于预期，性能验收合格。
项目完成后年节约用电量 ２８８０９１４ｋＷ·ｈ，用电费用按照 ０.５４元／ｋＷ·ｈ计算，每年成本费用节约 １５５.６万元。
结论
本文针对压缩机组的设计流量显著超出生产运行的实际需求，资源配置不均衡的现象进行了分析研究，主要完成了以下个方面的内容：
（１）运用 ＴＲＩＺ理论中的功能模型分析和因果链分析，确定了压缩机供应再生器用风系统中存在的问题：多余空气就地排空、防喘振阀开度大和自动化技术应用少。
（２）基于 ＴＲＩＺ理论中物理矛盾、物场分析、技术矛盾等创新方法工具，参照发明原理和标准解，提出了通过优化压缩机防喘振线实现自动控制的设计方案。
（３）实施效果表明：参照优化后的防喘振线控制，可保障压缩机组安全的前提下关小防喘振阀，实现自动控制，降低了操作人员的劳动强度和误操作风险。运行后的能耗数据也表明，该方案能够有效的降低该机组的能耗水平，为同类装置优化压缩机提供了参考和技术支持。
参考文献：
［１］ 檀润华，王庆禹，苑彩云，等．发明问题解决理论：ＴＲＩＺ－－ＴＲＩＺ过程、工具及发展趋势［Ｊ］．机械设计，２００１，１８（７）：７－１２．
［２］ ＧＡＤＤ，ＫＡＲＥＮ．ＴＲＩＺｆｏｒｅｎｇｉｎｅｅｒｓ：Ｅｎａｂｌｉｎｇｉｎｖｅｎｔｉｖｅｐｒｏｂｌｅｍｓｏｌｖｉｎｇ［Ｊ］．Ｗｉｌｅｙ，２０１１：１７５－１９５．
［３］ 陈敏慧，蒋艳萍，吕建秋．ＴＲＩＺ国内外研究现状、存在问题及对
策研究［Ｊ］．科技管理研究，２０１５，３５（１）：２４－２７．
［４］ 邵云飞，王思梦，詹坤．ＴＲＩＺ理论集成与应用研究综述［Ｊ］．电子
科技大学学报（社会科学版），２０１９，２１（４）：３０－３９．
［５］ ＣＨＩＵＲＳ，ＣＨＥＮＧＳＴ．ＴｈｅｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｏｆｈｅａｔｉｎｓｕｌａｔｉｏｎｆｏｒｒｏｏｆｓｔｅｅｌｐｌａｔｅｓｂｙＴＲＩＺａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌｏｆｍａｒｉｎｅｓｃｉｅｎｃｅａｎｄ
ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ－ｔａｉｗａｎ，２０１２，２０（２）：１２２－１３１．
［６］ 刘贤成，姬海博．ＴＲＩＺ方法在蒽油加氢装置压缩机节能改造中的应用［Ｊ］．精细与专用化学品，２０１９，２７（１０）：２８－３０．
［７］ 齐海元．基于 ＴＲＩＺ的建筑节能技术评价与创新方法研究［Ｊ］．建筑节能，２０１６（７）：９９－１０３．
［８］ 赵存有，陈国晶，朱力．基于 ＡＲＩＺ的采煤机截割滚筒节能方案设计［Ｊ］．工程设计学报，２０１１，１８（３）：１５９－１６６，２０３．
［９］ 金琳，周淑宝，肖颖，等．基于 ＴＲＩＺ的凹印机热交换器节能研究［Ｊ］．包装工程，２０１７，３８（１９）：１９４－１９８．
［１０］ＡＬＶＡＲＥＺＪＣ，ＨＡＴＡＫＥＹＡＭＡＫ，ＣＡＲＶＡＬＨＯＭ，ｅｔａｌ．Ａｍｏｄｅｌｆｏｒｒｅｎｅｗａｂｌｅｅｎｅｒｇｙ－ｂａｓｅｄｐｒｏｄｕｃｔｉｎｎｏｖａｔｉｏｎｂａｓｅｄｏｎＴＲＩＺｍｅｔｈｏｄｏｌｏｇｙ，ｅｘｅｒｇｙａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｋｎｏｗｌｅｄｇｅｍａｎａｇｅｍｅｎｔ：Ｃａｓｅｓｔｕｄｙ［Ｊ］．Ｅｎｅｒｇｙｒｅｐｏｒｔｓ，２０２２（８）：１１０７－１１１４．
［１１］刘雁，高宽，何浩，等．基于多重分形的离心压缩机出口动态压力非线性特征研究及其在喘振识别中的应用［Ｊ］．振动与冲击，２０２１，４０（１）：２０５－２１１，２４２．
［１２］ＷＡＮＧＺＴ，ＢＡＩＢ，ＬＩＳＹ，ＹＡＮＧＱＣ，ＷＡＮＧＭ Ｑ．Ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｃｕｒｖｅｅｘｔｒａｐｏｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅｓｉｍｉｌａｒｉｔｙｔｈｅｏｒｙ［Ｊ］．Ａｐｐｌｉｅｄｍｅｃｈａｎｉｃｓａｎｄｍａｔｅｒｉａｌｓ，２０１４，６７２／６７３／６７４：１５４５－１５４９．
［１３］贺代芳，李向江，朱新明．离心式压缩机的防喘振控制［Ｊ］．化工自动化及仪表，２０１１，３８（７）：８８８－８９０，９１１．
［１４］张轩，姜进田，王华青，等．基于回归分析法的离心式压缩机性能模型［Ｊ］．油气储运，２０１８，３７（２）：１９７－２０３．
［１５］徐野，黄文君，米俊秡，等．多源信息融合的离心式压缩机喘振诊断方法［Ｊ］．化工学报，２０２３，４７（７）：２９７９－２９８７．
［１６］ＡＬＳＵＷＩＡＮＴ，ＡＭＩＮＡＡ，ＩＱＢＡＬＭ Ｓ，ｅｔａｌ．Ａｒｅｖｉｅｗｏｆａｎｔｉ－ｓｕｒｇｅｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｓｏｆｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒｓａｎｄａｄｖａｎｃｅｄｆａｕｌｔ－ｔｏｌｅｒａｎｔｃｏｎｔｒｏｌｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓｆｏｒｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎｐｅｒｓｐｅｃｔｉｖｅ［Ｊ］．Ｈｅｌｉｙｏｎ，２０２３．
［１７］张平，李亚民，王冠霖，等．基于 ＩＰＳＯ－ＬＳＳＶＭ的离心式压缩机性能预测方法［Ｊ］．油气储运，２０２３，４２（１）：７９－８６．
［１８］陈利琼，高茂萍，田龙，等．离心式天然气压缩机自适应性能曲线生成方法［Ｊ］．油气储运，２０２３，４２（４）：４３０－４３７．
［１９］张换高，付剑剑，高胜生，等．基于功能关系模型和过程模型的冲突区域确定方法研究［Ｊ］．机电工程，２０１９，３６（１１）：１１４０－１１４６．
［２０］孙永伟，谢尔盖·伊克万科．ＴＲＩＺ打开创新之门的金钥匙 Ｉ［Ｍ］．北京：科学出版社，２０２２：５７－７７．
［２１］曹纯，杨龙．基于 ＴＲＩＺ理论的发动机试验羽流压力测量系统改进［Ｊ］．航空学报，２０２４，４５（１１）：１４６－１５７．
［２２］杨伯军，李祚国，于菲，等．基于物质 －场分析方法的产品失效预测研究［Ｊ］．机械设计，２０１８，３５（５）：３４－４１．
［２３］ＢＥＬＳＫＩＩ．Ｉｍｐｒｏｖｅｙｏｕｒｔｈｉｎｋｉｎｇ：Ｓｕｂｓｔａｎｃｅ－ｆｉｅｌｄａｎａｌｙｓｉｓ［Ｍ］．Ｍｅｌｂｏｕｒｎｅ：ＴＲＩＺ４Ｕ，２００７．
［２４］杨伯军，李祚国，于菲，等．基于物质 －场分析方法的产品失效预测研究［Ｊ］．机械设计，２０１８，３５（５）：３４－４１．
［２５］梁洪力，王海燕．技术矛盾／物理矛盾的分析与确定— —基于ＴＯＣ消云图［Ｊ］．工业技术经济，２０１８，３７（３）：２８－３６．
［２６］郑娟，廖宜涛，廖庆喜，等．基于 ＴＲＩＺ－ＡＤ的集成式油菜气力精量排种装置设计［Ｊ］．农业工程学报，２０２３，３９（１４）：４９－５９．
作者简介：刘晓东（１９８６－），男，高级工程师，硕士研究生，主要从事设备故障诊断及技术升级。
