CONTROL SYSTEM SOFTWARE OF THE SHIP AMMONIAC REFRIGERATING UNIT
Authors:
1.
Astrakhan State Technical University
Type:
Article
Pages:
from 123
to 130
Status:
Published
Received:
20.04.2013
Accepted:
25.04.2013
Published:
25.04.2013
Subject area:
UDK [621.565:629.5]: 004.45
BBK 39.464:32.965.7
BBK 39.464:32.965.7
Language:
Russian
Keywords:
management, identification, operational parameters, marine refrigerating unit
Abstract (English):
Identification methods of the operational parameters, using information technologies and artificial intelligence do not consider features of technological process of receiving cold, in particular dependence of a number of technological parameters on operation time, and also change of characteristics of the environment (water or air). For designing of the system management of the ship refrigerator there have been developed the following programs: the program of optimization of temperature differences in apparatus; the program of accounting of moisturizing of insulating material and the program of self-establishment of the boiling temperature. These programs will be used in the control system for operating influence elaboration.
Identification methods of the operational parameters, using information technologies and artificial intelligence do not consider features of technological process of receiving cold, in particular dependence of a number of technological parameters on operation time, and also change of characteristics of the environment (water or air). For designing of the system management of the ship refrigerator there have been developed the following programs: the program of optimization of temperature differences in apparatus; the program of accounting of moisturizing of insulating material and the program of self-establishment of the boiling temperature. These programs will be used in the control system for operating influence elaboration.
Keywords:
management, identification, operational parameters, marine refrigerating unit
management, identification, operational parameters, marine refrigerating unit
Судовые системы оборудуются установками, производящими холод. Основной нерешенной проблемой, по мнению специалистов Российского морского регистра судоходства, является применение устаревших технологий, моральный и физический износ эксплуатируемого оборудования. Альтернативой «парниковым» фреонам ведущие специалисты и ученые промышленно развитых стран мира считают аммиак и диоксид углерода. Их использование побуждается разработкой и внедрением холодильных систем с дозированной заправкой хладагентом, оснащенных передовыми комплексами управления, основанными на использовании методов искусственного интеллекта. Методы идентификации эксплуатационных параметров, использующие информационные технологии и искусственный интеллект, разрабатывались в основном для химико-технологических процессов и поэтому не учитывают особенностей технологического процесса получения холода, в частности зависимость ряда технологических параметров от времени эксплуатации, а также изменения характеристик окружающей среды (воды или воздуха). Анализ эксплуатационных характеристик судовой аммиачной холодильной установки, как и другого работающего механизма, выполняется с целью повышения эффективности эксплуатации, прогнозирования сроков профилактического ремонта, анализа возможности выхода из строя какого-либо из устройств и в конечном итоге – предупреждения возникновения аварийной ситуации. Как было показано в [1, 2], регулярный контроль эксплуатационных параметров работающей судовой холодильной установки, реализуемый разрабатываемым программным приложением (и (или) комплексом автоматизированного управления), позволяет: осуществлять безаварийную эксплуатацию опасного производственного объекта; осуществлять как отдельные процессы в различных устройствах (конденсаторы, испарители, компрессоры), так и эксплуатацию в целом холодильной установки в рациональном (или оптимальном) режиме (при выборе критерия оптимизации). Контроль и анализ таких параметров холодильной установки, как давление кипения Ро и конденсации Рк, температура кипения То и температура конденсации Тк, а также температура нагнетания и давление масла позволяют проводить безаварийную и в какой-то мере экономичную эксплуатацию. Каждая установка (в обязательном порядке, предписанном ПБ 09-595-03 [3]) оснащается приборами контроля и защиты, обеспечивающими заданные значения указанных параметров. Современный уровень систем автоматизации, действующий, например, на основе SHCAD-пакетов, а также повышение требований к энергоэффективности производственных систем [4] и стремление к повышению рентабельности производства являются побуждающими факторами поиска технических решений, снижающих производственные затраты. Рассматривая судовую аммиачную холодильную установку как тепловую машину, вырабатывающую холод, можно отметить, что количество затрачиваемой энергии в системе зависит в первую очередь от требуемого количества холода и качества изоляционного материала (в целом – ограждающей конструкции). Главной характеристикой изоляционной конструкции является ее сопротивление теплопередаче Rизоляц, которое определяется выражением Rизоляц = изоляц / изоляц, (1) где изоляц – толщина слоя изоляции, м; – коэффициент теплопроводности изоляционного материала. Расчет требуемой толщины изоляционного материала сводится к выбору из СНиП 23-02-2003 [5] рекомендованного Rизоляц и подстановки в уравнение (1) значения коэффициента теплопроводности изоляц материала (из (79*)2003 [6]), принятого для строительства. При эксплуатации ограждающей конструкции происходит увлажнение материала, ухудшающее теплозащитные свойства изоляционного материала, которое выражается зависимостью влажн = сух + воды, где – влажность материала, м3/м3. Измерить количество влаги в материале при эксплуатации ограждения можно с помощью серийно выпускаемых датчиков, позволяющих вывести электрический сигнал на серийно выпускаемые приборы, с которых можно ввести реальные данные в расчет теплопоступлений через ограждение [7]: Qогражд = (1/Rреальн) Fогражд (Тнар – Твнутр). Таким образом, схему контроля состояния изоляционного ограждения можно представить следующим образом (рис. 1): 1 2 3 . . . n 1 2 3 . . . n λ средн Расчет реального теплопоступления Сопоставление с проектным значением Рекомендации Рис. 1. Схема контроля изоляционного ограждения Примем во внимание следующее [7]: а) срок службы изоляции составляет 20–25 лет; увлажнение изоляционного материала за время эксплуатации составляет от 40 до 100 %; б) увеличение теплопоступлений, выражаемое уравнением Qогражд = [1/(Rреальное – Rпроектное)]× × Fогражд (Тнар – Твнутр), может достичь величин больших, чем установленная производительность холодильного оборудования. Это дает возможность сделать следующие выводы: – контроль состояния изоляции позволяет установить одну из причин повышенных теплопоступлений в охлаждаемый объект и, как следствие, повышения температуры в объекте и температуры кипения; – контроль состояния изоляции выявляет срок ремонта (или замены) изоляции. Кроме увлажнения материала, на качество изоляционной конструкции влияют и другие свойства теплоизоляции, которые могут изменяться при эксплуатации: плотность, химическая стойкость, прочность, упругость, температурная усадка и т. п. Контроль всех (или хотя бы перечисленных) свойств изоляционного материала не представляется целесообразным потому, что за интегральную характеристику всех вышеперечисленных параметров может быть выбран «тепловой поток», измерение которого возможно с помощью датчиков теплового потока. Схема контроля с помощью датчиков теплового потока будет аналогична представленной на рис. 1. Методика расчета рационального значения сопротивления теплопередаче ограждающей конструкции достаточно подробно описана в технической литературе, а в [8] представлена в дифференциальном виде для расчета толщины изоляции из условия минимума приведенных затрат (приравнивание к нулю первой производной уравнения, определяющего затраты на производство и эксплуатацию изоляционного ограждения; затраты на производство холода и стоимость оборудования): где З – затраты на производство и эксплуатацию изоляционного ограждения; на производство холода и стоимость оборудования, руб.; – толщина изоляционного материала, м; – коэффициент теплопроводности изоляционного материала, Вт/(м.К); Ri – сопротивление теплопередаче слоев строительной конструкции, м2.К/Вт; А, В, С, D – коэффициенты [8], определяющие наружные и внутренние условия теплопередачи; стоимость электроэнергии, изоляционного материала и холодильного оборудования; окупаемость, налоговые отчисления и т. п. Расчет толщины изоляционного материала (пенополиуретан, = 0,04 Вт/(м.К)) судовой изоляции холодного контура показывает удовлетворительную сходимость результатов с данными, рекомендуемыми СНиП 2.II.02-87 и СНиП 23-02-2003 (рис. 2) [5, 9]. Рис. 2. Зависимость коэффициента теплопередачи ограждения от температуры (расчетной) наружного воздуха: 1 – рекомендуемые СНиП 2.II.02-87; 2 – рекомендуемые СНиП 23-02-2003; ○ – расчетные значения Кроме изменения свойств изоляционного материала, программа идентификации эксплуатационных параметров должна учитывать оптимальные значения температурных градиентов в теплообменных аппаратах. Значение разности температуры на входе и выходе хладагента из теплообменного аппарата (∆tи, ∆tк, ∆tаппарата), хладоносителя в испарителе (∆tрассола, ∆tвозд в/охл), воды в конденсаторе tw, влияет на величину затрат при производстве холода. Для эксплуатируемой холодильной установки значения температурных напоров, определенные (или заданные) при проектировании, могут изменяться и подлежат контролю и поддержанию (обслуживающим персоналом) в рекомендованном диапазоне. Экспертная система [2], управляющая холодильной установкой, должна взять на себя функцию анализа вышеперечисленных эксплуатационных характеристик. Для реализации этого разработана программа расчета рациональных значений разности температур в испарителе и конденсаторе аммиачной холодильной установки. Методика расчета [10] базируется на определении минимума приведенных затрат. Решением дифференциального уравнения приведенных затрат в зависимости от изменения разности значений температуры в испарителе холодильной машины является следующий полином 4-й степени: (Θm)i = [Dli b2 b12 Θm4 + 2 b1 b2(Dli a1 – b2) Θm3 + b2[a12 Dli + 4 b1 [a2 + b2(t0 + Θm)] – – a1 b2] Θm2 + 2 [a2 + b2 (t0 + Θm)] [a1 b2 – b1 [a2 + b2(t0 + Θm)]] Θm – a1 [a2 + b2 (t0 +ΔT)]2], где Θm – среднелогарифмическая разность значений температуры в испарителе, оС; Dli – переменная, характеризующая стоимость электроэнергии, число часов работы оборудования (ni) [10]; b2, b1, a1, a2 – коэффициенты уравнения стоимости оборудования [10]; t0 – температура кипения, оС. Расчет величины среднелогарифмической разности значений температуры в воздухоохладителях аммиачных холодильных машин в ценах, аналогичных в [10], показал удовлетворительную сходимость результатов. При этом подтверждены выводы [10], в которых рекомендуется для аммиачных воздухоохладителей принимать Θm, равное 3 °С, что меньше обычно выбираемого значения (5 °С). Кривая Θm = f (ni) имеет неявно выраженный минимум; отклонения от него в 1–2 °С не приводят к резкому возрастанию эксплуатационных расходов. Следует отметить, что расчет, проведенный в ценах 2010 г., дает аналогичные результаты. Решением для дифференциального уравнения приведенных затрат в зависимости от изменения разности значений температуры в конденсаторе (с водяным охлаждением) холодильной машины является следующий полином 4-й степени: (Θm)i , где Θm – среднелогарифмическая разность значений температуры в аппарате (конденсаторе), °С; D2i – переменная, характеризующая стоимость электроэнергии, число часов работы оборудования (ni) [10]; b4, b3, a3, a4 – коэффициенты уравнения стоимости оборудования [10]; tw1i – температура воды на входе в конденсатор, °С. Результаты расчета представлены на рис. 3. Рис. 3. Результаты расчета экономически целесообразной разности температуры в воздухоохладителях судовой аммиачной холодильной машины в зависимости от продолжительности работы установки (в году) Расчет величины среднелогарифмической разности значений температуры в судовых конденсаторах аммиачных холодильных машин в ценах, аналогичных в [10], показал удовлетворительную сходимость результатов. При этом подтверждены выводы [10], в которых рекомендуется для аммиачных конденсаторов принимать Θm, равное 2–4 °С. Следует отметить, что значения Θm конденсаторов водяного охлаждения в сильной степени зависят от стоимости электроэнергии, а в зависимости от продолжительности эксплуатации холодильной установки в течение года изменяются от 2 до 8 °С. Важнейшим назначением холодильной установки является поддержание требуемой (заданной) температуры в объекте охлаждения. Значение температуры объекта охлаждения зависит: – от производительности компрессора, кВт, определяемой по зависимости: , где Vh – объем, описываемый поршнями компрессора, м3/с; – коэффициент подачи; qо – удельная холодопроизводительность цикла, кДж/кг; ρ1 – плотность пара хладагента в точке всасывания, кг/м3; – производительности испарителя, кВт, рассчитываемой по уравнению Qи = КиFи(tобъекта – tо), где Ки – коэффициент теплопередачи испарителя, Вт/(м2×К);Fи – площадь теплообменной поверхности, м2; t объекта – температура в объекте охлаждения, оС; tо – температура кипения хладагента, оС; – производительности конденсатора, кВт, определяемой по выражению Qк = КкFк(tконд – tохл), где Кк – коэффициент теплопередачи конденсатора, Вт/(м2×К); Fк – площадь теплопередающей поверхности, м2; tконд – температура конденсации, °С; tохл – температура охлаждающей конденсатор среды, °С; – производительности дросселирующего устройства, кВт, выражающейся формулой Qдр = qоадрfдр , где qо – удельная холодопроизводительность цикла, кДж/кг; адр – коэффициент расхода, принимаемый для аммиака равным 0,35; fдр – проходное сечение дросселя, м2; , – плотность хладагента до и после дросселирующего устройства, кг/м3. При эксплуатации холодильной установки проводить подобные расчеты не представляется возможным. Проектирование холодильных установок в большинстве случаев выполняется без анализа самоустанавливающейся температуры в объекте охлаждения. Только наличие мобильных ЭВМ, оснащенных соответствующим программным обеспечением, позволяет выполнять соответствующие расчеты, правильно принимать технические решения и, следовательно, эксплуатировать установку в экономичном режиме. Программа для расчета самоустанавливающейся температуры в объекте охлаждения подготовлена, результаты работы с этой программой представлены на рис. 4 (как иллюстрация работоспособности программы). Рис. 4. Результаты расчета по разработанной программе – анализ самоустанавливающейся температуры Капитальные вложения в создание холодильных установок, а также расход энергии на производство холода имеют весьма высокие значения, поэтому сокращение их на доли процента за счет применения рациональных (оптимальных) режимов работы дает существенный экономический эффект. Использование методов математического моделирования применительно к анализу процессов, происходящих в холодильных установках (или отдельных их элементах), позволяет установить наиболее выгодные условия их протекания, а также правильно управлять ими при нарушении режимов работы или изменении входных факторов. Приведенный выше пример расчета и анализа эффективности холодильной установки является решением задачи статической оптимизации, при которой значение целевой функции определяется, в общем случае, зависимостью типа R = R (V, K, Э, Q), в которой R – критерий оптимальности; V – производительность; К – капитальные вложения; Э – эксплуатационные затраты; Q – качественные показатели продукта (в нашем случае, холода). Такой подход рекомендуется [11] для непрерывных производств или отрезков времени, включающих в себя несколько циклов периодического производства. Процессы, протекающие в холодильных установках, характеризуются изменением как внутренних, так и внешних параметров. Температура окружающей среды, отводящей тепло конденсации, изменяется не только за годовой цикл эксплуатации, но и в течение одних суток; из-за изменения тепловой нагрузки в объекте охлаждения (за сутки несколько раз) изменяется режим работы компрессора; необходимость проведения периодической оттайки приборов охлаждения вызывает регулярные изменения режимов работы компрессора. Для анализа эффективности работы холодильной установки с целью регулирования ее режима для достижения оптимальности эксплуатационных параметров необходимо решать задачи нестационарных режимов. В этом случае в качестве целевой функции используется функционал интегральной оценки [12]: , где R – заданная функция параметров, определяющая состояние процесса в любой момент от до . Уравнение является уравнением Эйлера. Следует иметь в виду, что условия, определяемые уравнением Эйлера, – это лишь необходимые условия экстремума функционала. Достаточные условия экстремума функционала определяются соотношениями Лежандра [12]. Методика анализа изменения температуры в охлаждаемом объекте с учетом изменения наружных и внутренних условий эксплуатации (tнаружн, Qвнутрен) заключается в решении системы дифференциальных уравнений [11], для решения которой предлагается [12] метод кусочно-линейной аппроксимации: В + (А + К2Vкм0r) t0 + (K2t00 + a)r Vкм – А tоб = 0; – kиFи t0 + mc об + (kогFог + kиFи) tоб = kогFог tн + Qвн; Tрег + Vкм – Крег tоб. B приведенных уравнениях: В = maсa + mиси + rVиК3 – теплоемкость системы, содержащей хладагент; ma, mи – масса холодильного агента в испарителе и масса металла испарителя, кг; сa, си – удельная теплоемкость агента и материала испарителя, Дж/(кг×К); r – теплота парообразования хладагента, Дж/кг; Vи – паровой объем испарителя, м3; К3 – коэффициент заполнения объема испарителя хладагентом; t0 – разность значений температуры в испарителе, оС; – время, c; А = kF(1 + K1) – характеристика испарителя, заполненного хладагентом; k – коэффициент теплопередачи в испарителе, Вт/(м2×К); F – площадь теплообменной поверхности испарителя, м2; К1 – комплекс, обозначающий са(tи – tо)/qо; сa – удельная теплоемкость агента, Дж/(кг×К); tи – температура переохлажденной жидкости (перед регулирующим вентилем), К; tо – температура кипения в испарителе, К; qо – холодопроизводительность 1 кг хладагента, Дж/кг; К2, a – коэффициенты, принятые из условия, что в небольшом диапазоне значений температуры отношение /Vвс пропорционально температуре кипения, т. е. Vкм / Vвс = Vкм(К2 tо + а); Vкм – объем, описываемый поршнями компрессора, м3/с; – коэффициент подачи компрессора; Vвс – удельный объем пара хладагента в точке начала всасывания, м3/кг; t00 – температура кипения в начальной «о» точке, К; tоб – изменение температуры в объекте охлаждения, К; kи, kог – коэффициент теплопередачи испарителя и ограждения, Вт/(м2×К); Fи, Fог – площадь теплообменной поверхности испарителя и ограждения, м2; tн – изменение температуры наружного воздуха, К; Qвн – изменение тепла, подводимого внутри камеры, Вт; m, c – масса, кг, и теплоемкость груза, Дж/кг, охлаждаемого в объекте; tоб – изменение разности значений температуры снаружи и в объекте охлаждения, К; Трег – постоянная времени регулятора; Vкм – изменение объема, описываемого поршнями компрессора, м3/с; Крег – постоянный коэффициент регулятора. Выводы 1. Разрабатываемое программное приложение комплексной автоматизации аммиачной холодильной установки с целью выработки технического решения и управляющего воздействия должно учитывать состояние изоляционного ограждения, анализировать разность значений температуры в аппаратах, а также учитывать самоустановление температуры кипения. 2. Контроль влажности изоляционного материала или измерение теплового потока в достаточной мере характеризуют состояние изоляции и могут быть осуществлены с помощью серийно выпускаемых датчиков и приборов. Существующие методики расчета позволяют определять рациональное значение разности значений температуры в аппаратах холодильных установок по минимуму приведенных затрат на производство холода. 3. Машинный анализ состояния изоляционной конструкции на только позволяет дать рекомендации о времени ремонта или замены изоляции, но и выявить причину изменения таких параметров холодильной установки, как температура в объекте охлаждения; температура кипения; температура всасывания; температура нагнетания и, в некоторых случаях, давление конденсации. 4. Разработанные программы расчета сопротивления теплопередаче и расчета рационального значения разности значений температуры в аппаратах (испарителях и конденсаторах) аммиачных холодильных машин дают удовлетворительную сходимость результатов расчета с данными других авторов и могут быть использованы для анализа эксплуатационных характеристик аммиачной холодильной установки. Для анализа эффективности работы холодильной установки предложено использовать методы нестационарных режимов. Для холодильной установки выбрана система дифференциальных уравнений, решение которой позволяет определить динамику изменения температуры в объекте (и температуры кипения) при изменении нагрузочных параметров: наружной температуры и внутренних теплопоступлений. 5. Полученное программное обеспечение будет использовано при разработке экспертной системы управления аммиачной холодильной установкой.
1. Putilin S. A., Putilin S. S. Razrabotka sistemy kompleksnoy bezopasnosti ammiachnoy holodil'noy ustanovki // Vseros. nauch. konf. prof.-prep. sostava Astrahan. gos. tehn. un-ta (55 PPS): tez. dokl. [Elektronnyy resurs]. - Astrahan': Izd-vo AGTU, 2011. Rezhim dostupa: 1 SD-disk. - № gos. reg. 0321101488.
2. Putilin S. S. Monitoring ekspluatacionnyh harakteristik ammiachnoy holodil'noy ustanovki // Vseros. nauch. konf. prof.-prep. sostava Astrahan. gos. tehn. un-ta (55 PPS): tez. dokl. [Elektronnyy resurs]. - Astrahan': Izd-vo AGTU, 2011. Rezhim dostupa: 1 SD-disk. - № gos. reg. 0321101488.
3. PB 09-595-03. Pravila bezopasnosti ammiachnyh holodil'nyh ustanovok: www.tehdoc.ru/files.1966.html.
4. Federal'nyy zakon ot 27 dekabrya 2002 g. № 184-FZ «O tehnicheskom regulirovanii»: base.garant.ru/12129354.
5. SNiP 23-02-2003. Teplovaya zaschita zdaniy: www.minregion.ru.
6. SNiP II-3-(79*)2003. Stroitel'naya teplotehnika: www.complexdoc.ru/ntd/388939.
7. Bobrov Yu. L. Teploizolyacionnye materialy i konstrukcii. - M.: INFRA-M, 2003. - 268 s.
8. Ekspluataciya i vosstanovlenie teploizolyacionnyh konstrukciy holodil'nikov / M. M. Golyand, V. P. Malyshev, B. N. Malevannyy, S. I. Belyaev. - M.: Agropromizdat, 1991. - 240 s.
9. SNiP 2.11.02-87. Holodil'niki: www.know-house.ru/gost/gost3_1.html.
10. Teploobmennye apparaty holodil'nyh ustanovok / G. N. Danilova, S. N. Bogdanov, O. P. Ivanov, N. M. Mednikova. - L.: Mashinostroenie, 1973. - 328 s.
11. Vaynshteyn V. D., Kantorovich V. I. Nizkotemperaturnye holodil'nye ustanovki. - M.: Pischeprom, 1972. - 352 s.
12. Onosovskiy V. V. Modelirovanie i optimizaciya holodil'nyh ustanovok. - L.: Izd-vo Leningrad. un-ta, 1990. - 208 s.
