СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ РЕФРИЖЕРАТОРНОЙ СИСТЕМОЙ Российский патент 1999 года по МПК F25B49/00 

Изобретение относится к способам управления компрессорами многоцелевой рефрижераторной системы, а именно - к термоэкономически обоснованным способам управления компрессорами многокомпрессорной рефрижераторной системы.

Известен способ управления многокомпрессорной рефрижераторной системой, при котором схема подключения компрессоров в установке и параметры их функционирования определяют в зависимости от массовой загрузки рефрижераторной системы (Техническая инструкция комбинированной морозильной и трюмной рефрижераторной установки пр. ("Атлантик-488", VEB Kuelautomat)). Однако управление по этому способу осуществляется без учета потребности объектов охлаждения в холоде определенной температуры, в результате чего возможно подведение к объектам холода неоправданно низкой температуры и, как следствие, - превышение себестоимости холода сверх необходимости.

Наиболее близким к изобретению является способ управления холодопроизводительностью рефрижераторной системы, при котором в системе используется хотя бы один компрессор с переменной скоростью. Снижение затрат на функционирование установки достигается увеличением точности регулирования посредством плавного изменения скорости компрессора с переменной скоростью и использованием вентиляторов для охлаждения конденсатора (патент США 4.951.475 от 28.08.90, МКИ 25 B 1/00. Способ и устройство для управления производительностью холодильной установки).

При таком подходе сигнал на увеличение скорости компрессора подается при достижении некоего заранее заданного значения давления (давления верхнего уровня), сигнал на снижение скорости компрессора - при достижении заранее заданного давления нижнего уровня, без учета массы и температуры объектов охлаждения и действительной их холодопотребности, вследствие чего такой способ допускает превышение холодопроизводительности установки сверх необходимой.

Задачей, которую решают авторы изобретения, является снижение эксергетических затрат на функционирование рефрижераторной системы и за счет этого - снижение себестоимости холода.

Поставленная цель достигается тем, что в способе управления рефрижераторной системой, включающем регулирование скорости по меньшей мере, одного компрессора, определение перечня подключаемых компрессоров, схема их подключения и режимных параметров производится автоматически при решении задачи минимизации эксергетических затрат на функционирование рефрижераторной установки при выполнении заданных технологических условий.

Задача минимизации решается на основании термоэкономической модели рефрижераторной установки, составленной общепринятыми в термоэкономике способами. Минимизация суммы эксергетических затрат, которая рассматривается как функционал от управляющих параметров - функций времени, производится известными методами минимизации функционала.

При управлении рефрижераторной установкой согласно предлагаемому способу периодически общепринятыми методами производятся измерения температуры окружающей среды, температуры объектов охлаждения. Частота таких измерений определяется скоростью изменения названных температур. В качестве датчиков температуры могут использоваться термопары или термометры сопротивления. Измерения производятся также при изменении масс объектов охлаждения. Предлагаются два варианта практической реализации способа.

В первом варианте используется персональный компьютер. Значения температуры окружающей среды, температуры и масс объектов охлаждения используются при автоматическом расчете коэффициентов термоэкономической модели установки на компьютере. Автоматически же с помощью компьютера производится определение минимально возможных затрат на каждом из принципиально реализуемых режимов и осуществляется выбор режима, обеспечивающего наименьшие эксергетические затраты, и параметров, доставляющих этот минимум. Под режимом авторы понимают перечень подключаемых компрессоров и схему их подключения (одноступенчатый режим с одним или несколькими компрессорами, двухступенчатый режим с одним или несколькими компрессорами в ступени высокого давления и в ступени низкого давления). Программа, реализующая способ, может быть легко написана на большинстве языков программирования высокого уровня и не предъявляет особых требований к производительности и другим характеристикам процессора. Авторами осуществлялся автоматический выбор режимов, занявший менее трех минут на компьютере класса PC XT посредством программы на языке PASCAL.

При невозможности использования персонального компьютера выбор оптимального режима может быть осуществлен посредством использования многомерных таблиц, созданных заранее в лабораторных условиях. При создании таких таблиц интервалы возможного изменения температур и масс, которые измеряются согласно предлагаемому способу, разбиваются на достаточно малые субинтервалы. Середины субинтервалов будут являться точками расчета. Для каждого возможного набора (кортежа) точек расчета в лабораторных условиях производится выбор оптимального режима и реализующих минимум эксергетических затрат параметров так же, как и в первом варианте - посредством вычислительной машины. Результаты (режим как перечень подключаемых компрессоров и схема их подключения и параметры, обеспечивающие наименьшие эксергетические затраты) сводятся в таблицы и используются в рабочих условиях для построения оптимального управления холодильной установкой.

В автоматическом режиме информация с датчиков по каналам связи поступает в компьютер. В автоматизированном варианте результаты измерений могут поступать на самопишущие приборы, считываться оператором и использоваться для определения оптимального режима.

На прилагаемых графических материалах изображено: фиг. 1 - принципиальная схема многоцелевой многокомпрессорной холодильной установки, функционирующей в одноступенчатых режимах; фиг. 2 - термоэкономическая модель, изображенная в виде двух последовательно соединенных зон, вторая из которых разбита на подзоны по числу потребителей холода.

Зона 1 включает в себя компрессор (компрессора) с электродвигателями, конденсатор, насос, обеспечивающий подачу в конденсатор охлаждающей воды, с электродвигателем и регулирующей вентиль.

Зона 2 объединяет батареи непосредственного испарения и вентиляторы (с электродвигателями) для транспортировки воздуха к объектам охлаждения.

Фиг. 3 представляет принципиальную схему многоцелевой многоступенчатой холодильной установки, функционирующей в двухступенчатых режимах; фиг. 4 - термоэкономическая модель, которая в отличие от модели одноступенчатой установки, включает в себя дополнительный компрессор (компрессора) ступени низкого давления и промежуточный сосуд; фиг. 5 - блок-схема алгоритма автоматизированного выбора.

Пример.

Комбинированная морозильная и трюмная холодильная установка траулеров проекта "Атлантик-488" обслуживает два конвейерных морозильных аппарата LBH-31,5 и два трюма с номинальной температурой -26^oC и переменной загрузкой. Установка включает в себя два винтовых компрессора 53-900 и четыре винтовых компрессора 5З-1800. Предусматривается возможность подключения компрессоров шестью способами, которые обеспечивают функционирование установки в одно- и двухступенчатых режимах.

Обеспечение снижения эксергетических затрат производится следующим образом.

Составляются термоэкономические модели установки для всех шести режимов (наборов-перечней компрессоров и схем их подключения) и функционалы эксергетических затрат (ЭЗ). При заданной загрузке установки решается задача минимизации эксергетических затрат на каждом принципиально возможном при заданных технологических условиях режиме. Определяются K=minЭЗ_i ^*, где ЭЗ_i ^* - эксергетические затраты на i-м режиме при оптимальных параметрах. В качестве оптимизирующих параметров для рассматриваемой установки выбираются температурный напор и изменение температуры охлаждающей воды в конденсаторе, изменение температур воздуха в воздухоохладителях, а в случае двухступенчатой схемы - дополнительно, температурный напор в промежуточном сосуде и разности между средними температурами воздуха в воздухоохладителях и температурой кипения хладагента. В качестве рабочего выбирается режим, обеспечивающий минимальный коэффициент K и оптимальные для этого режима параметры.

Величина эксергетических затрат для каждого из режимов рассчитывается по формуле

(переменные, заключенные в скобки, относятся к случаю двухступенчатой схемы),
где e₁₁ - эксергия, необходимая для привода компрессора (компрессоров) ступени низкого давления (в случае использования двухступенчатой схемы подключения компрессоров). B случае параллельной работы нескольких компрессоров
<e₁₂> - эксергия, необходимая для привода компрессора (компрессоров) ступени высокого давления (в случае использования двухступенчатой схемы). В случае работы нескольких компрессоров
e₁₃ - эксергия, необходимая для привода насоса охлаждающей воды;
e₂₂ - эксергии, необходимые для приводов электродвигателей вентиляторов подвода охлаждающего воздуха к i-му объекту охлаждения;
τ_r - расчетное время работы установки.

Задача минимизации решается при функционировании установки периодически для своевременного определения целесообразности схемы подключения компрессоров, их состава и/или управляющих параметров. Компьютерное моделирование работы холодильной установки при различных вариантах нагрузки показывает, что применение предлагаемого способа удешевляет стоимость холода по сравнению со способом (Технологическая инструкция комбинированной морозильной и трюмной рефрижераторной установки пр. "Атлантик - 488" VEB Kuelautomat) на 7-10%.

В способе управления рефрижераторной системой определяют перечень подключаемых компрессоров, схему их подключения и их режимные параметры. Выбор режима производится в зависимости от температуры окружающей среды, температуры и массы объектов охлаждения автоматически посредством минимизации эксергетических потерь. Использование изобретения снизит эксергетические затраты на функционирование рефрижераторной системы и себестоимость холода. 5 ил.

Способ управления рефрижераторной системой, включающий регулирование скорости, по меньшей мере, одного компрессора, отличающийся тем, что определение перечня подключаемых компрессоров, схемы их подключения и их режимных параметров производится в зависимости от температуры окружающей среды, температуры и массы объектов охлаждения автоматически посредством минимизации эксергетических потерь.