CC BY
122
УДК 621.565.2.003.13: [681.51.012:004.8]
ББК 31.392.2-64:32.965,5
С. С. Путилин
РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ХОЛОДИЛЬНОЙ УСТАНОВКОЙ, УЧИТЫВАЮЩЕЙ ИЗМЕНЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ВНЕШНЕЙ СРЕДЫ
S. S. Putilin
DEVELOPMENT OF THE REFRIGERATION UNIT MANAGEMENT SYSTEM, CONSIDERING THE CHANGES OF ENVIRONMENT PARAMETERS
Существующие методы идентификации эксплуатационных параметров технологических установок позволяют разработать системы управления, обеспечивающие их безопасность. Однако эти системы не учитывают изменения наружных условий эксплуатации. Для отработки алгоритма идентификации эксплуатационных параметров выбрана тепловая машина - аммиачная холодильная установка, для которой четко выражена зависимость эксплуатацион-ных параметров от характеристик окружающей среды. На основании литературных данных выбран принцип идентификации эксплуатационных параметров и разработана блок-схема управления. Выбрана модель и подготовлена программа определения эффективности холодильной установки в длительном периоде эксплуатации.
Ключевые слова: модель, анализ, холодильная установка, идентификация эксплуатационных параметров.
The developed methods of identification of operational parameters of technological installations allow development of the control systems ensuring their safety. However, these systems do not take into account the changes in external operational conditions. To process the algorithm of identification of operational parameters a heat machine - an ammoniac refrigerating machine is chosen, for this machine the dependence of operational parameters on the characteristics of the environment is clearly defined. On the basis of literary data the principle of identification of operational parameters is chosen and the management flowchart is developed. The model is chosen and the program of determination of efficiency of the refrigeration unit in the long period of operation is prepared.
Key words: model, analysis, refrigerating machine, identification of operational parameters.
Введение
Системному анализу технологических процессов и идентификации эксплуатационных и аварийных ситуаций с использованием новых компьютерных технологий и методов искусственного интеллекта посвящены многие работы в связи с актуальностью данного вопроса. Однако они не учитывают особенности технологического процесса, связанные с влиянием параметров окружающей среды. Так, А. В. Филоненко [1] предлагает модель идентификации эксплуатационных ситуаций установки получения серы методом Клауса, в которой оценка ситуации производится на основании значений параметров технологического процесса. Для идентификации причин эксплуатационных ситуаций на объекте О. М. Проталинский [2] рассматривает лингвистическую переменную «Причина ситуации». Число ситуационных математических моделей в этом случае соответствует числу причин, которые могут привести к аварийной ситуации. В названных работах предлагается для всех входных и выходных координат использовать лингвистические переменные, представленные в виде нечетких множеств. Обработка информации производится с помощью математического аппарата нечетких множеств. А. Ф. Егоров [3] разработал модель, ориентированную на своевременное устранение неисправностей. Разработке системы управления аммиачной холодильной установки, учитывающей изменения параметров окружающей среды и обеспечивающей тем самым безопасность и экономичность эксплуатации, посвящена данная работа.
Разработка системы управления
Для отработки принципов идентификации эксплуатационных параметров с последующей подачей управляющего воздействия выбрана небольшая (сравнительно) тепловая машина, эксплуатационные параметры которой в значительной мере зависят от окружающей среды - амми-
ачная холодильная установка. На основе исследования литературы составлена блок-схема управления (рис. 1), режим управления реализуется простыми методами на основании комплексов «Да - Нет», «Больше - Меньше», «Если - то».
Рис. 1. Блок-схема управления холодильной машиной
Холодильная установка - это сложный комплекс оборудования, работающий в изменяющемся режиме, и для выбора определенного управляющего воздействия необходимо провести ряд технических расчетов, учитывающих изменение наружных условий. Разработанная блок-схема управления холодильной установкой представлена на рис. 2. Кроме того, за время эксплуатации технической системы меняется цена энергоносителей, и, таким образом, проектные значения разности температуры становятся нерациональными. Поэтому необходимо периодически проводить расчет рациональной разности значений температуры в теплообменных аппаратах с введением в исходные данные новых значений цен, а также остаточной стоимости оборудования.
Эксплуатация холодильной системы в течение года должна вестись в рациональном режиме, а для этого необходимо анализировать годовой график эксплуатации. Другими словами, для выдачи управляющего воздействия по измеренным параметрам работы достаточно коротких расчетов, блок-схема которых приведена на рис. 2. После изменения расценок энергоносителей достаточно провести один расчет (например, в год) по определению рациональной разности значений температуры и внести их в базу рекомендуемых значений расчета.
Термоэкономический анализ является наиболее совершенным по сравнению с другими методами определения эффективности энергопреобразующих систем. Термоэкономику рас-
сматривают как метод, способный указать пути сокращения стоимости эксплуатации системы. При этом, как показывает практика проведения термоэкономического анализа [4], получить подобную информацию другими методами анализа невозможно.
Рис. 2. Управление в режиме изменения входных параметров
С целью создания экспертной системы управления холодильной установкой разработан алгоритм термоэкономического анализа одноступенчатой одноцелевой аммиачной системы, принципиальная схема которой приведена на рис. 3.
а
Рис. 3. Принципиальная схема холодильной установки: а - окр. ср - окружающая среда; кр - компрессор; гр - градирня; к - конденсатор; Нвод - насос воды; Нтн - насос теплоносителя; и - испаритель; р.в - регулирующий вентиль; вент - вентилятор; во - воздухоохладитель; б - 1, 2, 3, 4 - характерные точки цикла
Исходными данными являются:
1. Проектные и эксплуатационные характеристики: Ун - объем, описываемый поршнями компрессора, м3/с; ^к - площадь теплообменной поверхности конденсатора, м2; кк - коэффициент теплопередачи конденсатора, Вт/(м2К); ^и - площадь теплообменной поверхности испарителя, м2; ки - коэффициент теплопередачи испарителя, м2; Сэ - стоимость электроэнергии, руб./(кВт • ч); Св - стоимость воды, руб. м3; Сэкс - стоимость эксплуатации и обслуживания, руб. ч; Сд - коэффициент дисконтирования и другие отчисления и коэффициенты, включая банковский процент и др.; Соб - стоимость здания и оборудования для производства холода, руб.-год.
2. Параметры, измеряемые в соответствии с требованиями ПБ 09-595-03 [5]: Ро - давление всасывания (кипения), МПа; Рк - давление конденсации, МПа; ґвс - температура пара, всасывае-
б
мого компрессором, оС; ^ - температура пара на выходе из компрессора, оС; ^ - температура жидкого хладагента на выходе из конденсатора, оС; ^ - температура воды на входе в конденсатор, оС; - температура воды на выходе из конденсатора, оС; ¿окр. ср - температура наружного
воздуха, оС; tкам - средняя температура по объему камеры, оС; ф - влажность воздуха, %; Ыкр -мощность, затрачиваемая приводом компрессора, кВт- ч; Квентво - мощность, затрачиваемая приводом вентиляторов воздухоохладителей, кВт • ч; Кн. тн - мощность, затраченная приводом насоса теплоносителя, кВт ■ ч; Кн. воды - мощность, затраченная насосом воды, кВт' ч; N вент. гр -мощность, затраченная вентилятором градирни, кВт' ч.
3. Параметры (и характеристики), получаемые на основе измеренных величин: То - температура кипения, получаемая по давлению кипения (всасывания) по программе расчета свойств хладагента, К; Рк - давление конденсации, МПа, получаемое по программе расчета свойств хладагента - давление насыщения при температуре Тк = tw2 + (2^4) + 273, К; Тк - температура конденсации (насыщения), получаемая по давлению конденсации (Рк) по программе расчета свойств хладагента, К; Токр.ср = ^кр.ср + 273 - температура наружного воздуха, К; Ткам = ^ам + 273 -средняя температура по объему камеры, °С; А = (^с + 273) - То - перегрев пара на всасывании компрессора, К; Тн = tн + 273 - температура нагнетания по шкале Кельвина, К; Т3 = tж + 273 -температура жидкого хладагента в т. 3; ¡1 - энтальпия пара холодильного агента в т. 1 цикла, кДж/кг, вычисляется по программе расчета свойств хладагента на основании ввода давления Ро и температуры Твс; 51 - энтропия пара хладагента в т. 1 цикла, кДж/(кг' К), вычисляется по программе расчета свойств хладагента на основании ввода давления Ро и температуры Твс; - эн-
тальпия пара на выходе из испарителя, кДж/кг, вычисляется по программе расчета свойств хладагента на основании ввода давления Ро и температуры Т1’ = То + + А /2; 51’ - энтропия пара хладагента в т. 3’ цикла, кДж/(кг' К), вычисляется по программе расчета свойств хладагента на основании ввода давления Ро и температуры Т1 = То + А ^с/2; ¡2 - энтальпия пара хладагента в конце сжатия (т. 2 цикла), вычисляется по программе расчета свойств хладагента на основании ввода давления Рк и температуры Тн, кДж/кг; 52 - энтропия пара хладагента в т. 2 цикла, кДж/(кг' К), вычисляется по программе расчета свойств хладагента на основании ввода давления Р2 и температуры Т2; ¡3’ - энтальпия жидкого хладагента на линии насыщения (т. 3’ цикла), вычисляется по программе расчета свойств хладагента на основании ввода давления Рк кДж/кг; 53’ - энтропия жидкого хладагента на линии насыщения в т. 3’ цикла, кДж/(кг' К), вычисляется по программе расчета свойств хладагента на основании ввода давления Рк; ¡3 - энтальпия жидкого переохлажденного хладагента (т. 3 цикла), вычисляется по программе расчета свойств хладагента на основании ввода давления Рк и температуры на выходе из конденсатора Т3, кДж/кг; 53’ - энтропия жидкого переохлажденного хладагента в т. 3 цикла, кДж/(кг' К), вычисляется по программе расчета свойств хладагента на основании ввода давления Рк и температуры Т3, кДж/(кг' К); ¡4 = ¡3 - энтальпия жидкого хладагента (т. 4 цикла), принимается равной ¡3, кДж/кг; 54 - энтропия жидкого хладагента после дросселирования (т. 4 цикла), кДж/(кг' К), вычисляется по программе расчета свойств хладагента на основании ввода давления Ро и энтальпии ¡3, кДж/(кг' К); р 1 - плотность пара хладагента на всасывании в компрессор (т. 1 цикла), кг/м3, вычисляется по программе расчета свойств хладагента на основании ввода давления Ро и температуры Т1; ^кр - коэффициент подачи компрессора, вычисляемый по уравнению в зависимости от Рн и Ро; Уд = = Уъ' ^кр. - действительная объемная производительность компрессора, м3/с.
Последовательность эксергетического расчета
1. Работоспособность (максимальная полезная работа, эксергия) системы, состоящей из источника работы и окружающей среды, определяется выражением
1тах е (¡1 - ¡0) - ^окр.ср(*^1 - ^0).
Здесь индексы 1 и 0 относятся соответственно к начальному (неравновесному) и конечному (равновесному) состояниям этой системы.
2. Техническое совершенство машины, работающей по обратному циклу, определяется ее КПД:
П ^вых / ^вх ,
где евых - эксергия вырабатываемого холода или теплоты; евх - полная энергия, затраченная в установке.
3. Изменение эксергии холодильного агента в испарителе [6]:
^ еи е1 — е4 ^1 — ^4 — Токр.ср (^1 — ^4).
Это изменение эксергии складывается из двух составляющих: часть эксергии (етн) отводится теплоносителем (полезный расход эксергии):
полезн _ /1 гр /гр ч
еи Чо(1 - Т окр.ср/Т тн).
Другая часть эксергии теряется из-за необратимости процесса теплообмена в испарителе:
1 / „ полезн
аИ (е1 — е4) — еи .
4. Изменение эксергии потока в трубопроводе (всасывающем): dтр = ег - е1 .
5. Подводимая в компрессоре эксергия вычисляется по уравнению: екр = Ые / Gха .
Внутренние и внешние потери эксергии в компрессоре составят: dкр екр - 1кртеор.
6. Изменение эксергии холодильного агента в конденсаторе: dк = е2 - е3 .
7. Потери эксергии из-за необратимости при дросселировании: dдрос = е3 - е4 .
8. Экономические составляющие. Для оценки эффективности эксплуатации холодильных установок необходимо использовать величину стоимости выработанной или потерянной эксер-гии в виде функции [7]:
Ср = ^ Цт • Т + ^ Ц, • 2 ,
где Ср - стоимость выработанного холода; Цт - цена топлива (электроэнергии), затраченного на выработку холода; Ц,, 2 - стоимость и количество дисконтированных затрат, банковского процента и т. п.
Т. В. Морозюк отмечает [4], что эта методика неоднократно была апробирована как для стран со стабильной экономической ситуацией, так и для стран переходного нестабильного экономического периода и дала положительные результаты. При этом рекомендуется проводить расчеты с учетом региональной политики ценообразования.
9. Проверка работоспособности программы термоэкономического расчета. Выполнена для примера, приведенного в [8] - расчет одноступенчатого цикла холодильной машины. Результаты расчетов имеют сходимость 2-3 %. Аналогичная проверка (с аналогичными результатами) выполнена для одноступенчатой холодильной машины, работающей в режиме кондиционирования воздуха, эксергетический расчет которой приведен в [8]. Разработанная программа термоэкономического расчета аммиачной холодильной установки дала удовлетворительную сходимость результатов анализа конденсатора аммиачной абсорбционной холодильной установки [9].
Указанные алгоритмы являются основополагающими для разрабатываемой автоматизированной системы управления холодильной установкой. Программа, заложенная в микроконтроллер в режиме реального времени, отслеживает эксплуатационные параметры, регулирует холодильный процесс не только безопасно, но и, благодаря проведенным расчетам, экономически целесообразно.
Выводы
1. Алгоритм идентификации эксплуатационных параметров основывается на исследовании аммиачной холодильной установки, т. к. данная тепловая машина характеризуется четко выраженной зависимостью эксплуатационных параметров от характеристик окружающей среды.
2. На основании литературных данных выбран метод и принцип идентификации эксплуатационных параметров и разработана блок-схема управления.
3. Подготовлена программа определения эффективности холодильной установки в длительном периоде эксплуатации.
4. Проведен эксергетический расчет аммиачной холодильной установки.
5. Итоговая разработанная система управления учитывает изменения наружных условий, что обеспечивает безопасность и экономичность эксплуатации, в отличие от существующих систем управления аммиачными холодильными установками.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Филоненко А. В. Идентификация предаварийных ситуаций установки получения серы методом Клауса: автореф. дис. ... канд. техн. наук. - Астрахань, 2005. - 20 с.
2. Проталинский О. М., Савицкая Т. В. Применение методов искусственного интеллекта при автоматизации технологических процессов. - Астрахань: Изд-во АГТУ, 2004. - 184 с.
3. Егоров А. Ф. Управление безопасностью химических производств на основе информационных технологий. - М.: Колос, 2004. - 416 с.
4. Морозюк Т. В. Теория холодильных машин и тепловых насосов. - Одесса: Негоциант, 2006. - 712 с.
5. ПБ 09-595-03. Правила безопасности аммиачных холодильных установок.
6. Бродянский В. М. Эксергетический метод термодинамического анализа. - М. : Энергия, 1973. - 324 с.
7. Оносовский В. В. Моделирование и оптимизация холодильных установок. - Л.: Изд-во Ленинград. ун-та, 1990. - 208 с.
8. Пахомов М. М. Эксергетический анализ парокомпрессионной холодильной установки. - СПб.: Изд-во Санкт-Петербург. гос. ун-та, 2009. - 22 с.
9. Гуиди Т. К. Анализ эффективности промышленных аммиачных холодильных систем на основе термодинамического метода: дис. ... канд. техн. наук. - Астрахань, 2010. - 148 с.
REFERENCES
1. Filonenko A. V. Identifikatsiia predavariinykh situatsii ustanovki polucheniia sery metodom Klausa. Avtoref. dis. ... kand tekhn. nauk [Identification of pre-crash situations of the unit for sulfur extraction by Clause method]: Astrakhan, 2005. 20 p.
2. Protalinskii O. M., Savitskaia T. V. Primenenie metodov iskusstvennogo intellekta pri avtomatizatsii tekhnologicheskikh protsessov [Application of the methods of artificial intellect at automation of technological processes]. Astrakhan, AGTU Publ., 2004. 184 p.
3. Egorov A. F. Upravlenie bezopasnost'iu khimicheskikh proizvodstv na osnove informatsionnykh tekhnologii [Control of chemical production security on the basis of information technologies]. Moscow, Kolos, 2004. 416 p.
4. Moroziuk T. V. Teoriia kholodil'nykh mashin i teplovykh nasosov [Theory of refrigerating machines and heat pumps]. Odessa, Negotsiant, 2006. 712 p.
5. PB 09-595-03. Pravila bezopasnosti ammiachnykh kholodil’nykh ustanovok [Regulations on ammoniac refrigerating machine safety].
6. Brodianskii V. M. Eksergeticheskii metod termodinamicheskogo analiza [Exergy method of thermodynamic analysis]. Moscow, Energiia, 1973. 324 p.
7. Onosovskii V. V. Modelirovanie i optimizatsiia kholodil’nykh ustanovok [Modeling and optimization of refrigerating machines]. Leningrad, Izd-vo Leningrad. un-ta, 1990. 208 p.
8. Pakhomov M. M. Eksergeticheskii analiz parokompressionnoi kholodil’noi ustanovki [Exergy analysis of steam compression refrigerating machine]. Saint Petersburg, Izd-vo Sankt-Peterburg. gos. un-ta, 2009. 22 p.
9. Guidi T. K. Analiz effektivnosti promyshlennykh ammiachnykh kholodil’nykh sistem na osnove termodinamicheskogo metoda. Diss. kand. tekhn. nauk [Analysis of efficiency of industrial ammoniac refrigerating systems on the basis of thermodynamic analysis. Cand. tech. sci. diss.]. Astrakhan, 2010. 148 p.
Статья поступила в редакцию 12.12.2012, в окончательном варианте - 24.12.2012
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРЕ
Путилин Сергей Сергеевич — Астраханский государственный технический университет; аспирант кафедры «Холодильные машины»; hakish@ya.ru.
Putilin Sergey Sergeevich — Astrakhan State Technical University; Postgraduate Student of the Department "Refrigerating Machines"; hakish@ya.ru.
