Оптимізація режимів роботи суднового морозильного комплексу

Размещено на http://www.allbest.ru/

ОДЕСЬКА НАЦІОНАЛЬНА МОРСЬКА АКАДЕМІЯ

УДК 629.562.064:621.56:681.51(043.3)

Спеціальність 05.08.05 - Суднові енергетичні установки

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Оптимізація режимів роботи суднового морозильного комплексу

Логвиненко Вадим Віталійович

Одеса - 2004



Дисертація є рукописом

Роботу виконано в Одеській національній морській академії Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник - доктор технічних наук, професор Коханський Анатолій Йосипович, завідувач кафедрою “Автоматизація суднових паросилових установок” Одеської національної морської академії

Офіційні опоненти - доктор технічних наук, професор Радченко Анатолій Петрович, завідувач кафедрою “Основи суднової електроенергетики” Одеської національної морської академії

кандидат технічних наук, доцент Гапонов Сергій Андрійович, доцент кафедри “Кондиціонуваннята рефрижерація” Українського державного морського технічного університету

Провідна установа - Одеський національний морський університет, кафедра “Суднові енергетичні установки та їх технічна експлуатація”

Захист відбудеться 19 лютого 2004 р. о 13.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д41.106.01 в Одеській національній морській академії за адресою: 65029, м. Одеса, вул. Дідріхсона, 8, у залі засідань спеціалізованої вченої ради

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Одеської національної морської академії (м. Одеса, вул. Дідріхсона, 8)

Автореферат розіслано 19 січня 2004 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради д.т н., проф. Голіков В.А.



Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Економія паливно-енергетичних ресурсів є однією з найважливіших задач, що стоять перед господарським комплексом України. Рибна промисловість, і особливо її промисловий флот, - енергоємна галузь народного господарства. Вартість дизельного палива, витрачуваного рибним господарством, у загальних матеріальних витратах на виробництво рибної продукції сягає більше 20 % і становить понад 7 % її собівартості. Значна частина електроенергії (приблизно 50 %) на промислових судах витрачається холодильними установками виробничого призначення. Найбільш енергоємні технологічні процеси на судах - охолодження і заморожування риби. При цьому холодильні установки рибопромислових суден майже 50 % промислового часу працюють у режимах, при яких питома витрата енергії перевищує мінімальні значення більше ніж на 30-40 %. Тому у даний час важливою задачею для науки є пошук шляхів підвищення економічності енергетичних установок суден флоту рибної промисловості. Особлива увага приділяється розробці рішень, спрямованих на підвищення ефективності паливовикористання на рибопромислових суднах із повітряними конвеєрними морозильними апаратами і гвинтовими компресорними агрегатами.

Витрата енергії і, відповідно, палива на роботу суднових морозильних комплексів залежить від наступних чинників: прийнятих при проектуванні технічних рішень і типу холодильного та технологічного устаткування; технічного стану устаткування; рівня експлуатації холодильної установки; якості обробленої холодом рибопродукції; району промислу. Для суден, що перебувають в умовах промислу, основним напрямком економії енергії і палива є раціональна експлуатація та організація виробництва на судні. Експлуатаційні витрати містять цілий ряд статей. Оскільки вироблення холоду - це енергетичний процес, то найбільшу питому вагу в структурі витрат має витрата електроенергії. У зв'язку з цим загальновизнано, що одним із основних напрямків підвищення ефективності суднових холодильних установок є скорочення витрат енергії на виробництво холоду в умовах промислової роботи. Зменшити витрати електроенергії на виробництво рибної продукції можна як шляхом модернізації устаткування, так і за допомогою оптимізації режиму роботи в різних умовах експлуатації. Основними параметрами, що визначають режим роботи холодильної установки, є температура кипіння і температура конденсації холодоагенту. За деякими даними, підвищення температури конденсації на 1 єC збільшує витрату електроенергії в середньому на 3,5 %. При зниженні температури кипіння на 1 єC витрата електроенергії зростає залежно від режиму роботи на 2,6-4,5 %.

Оцінка енергетичної ефективності холодильних циклів при параметрах, що змінюються в часі, може бути здійснена двома шляхами. Перший - розрахунок усереднених оцінок для проміжних умовно усталених режимів; другий - оцінка з урахуванням динаміки процесів виробництва штучного холоду в компресійній холодильній машині. Традиційно розрахунок холодильних установок виконується для заздалегідь визначених статичних режимів. Проте у зв'язку з тим, що судновий морозильний комплекс безперервно піддається різним зовнішнім і внутрішнім впливам, набагато частіше спостерігаються нестаціонарні і квазістаціонарні режими роботи. Регулювання параметрів роботи забезпечується за допомогою ряду локальних систем керування. Їх основне призначення - підтримка постійного значення регульованого параметра шляхом компенсації наслідків від збурних діянь. Тоді як локальні регулятори виконують автономні функції, окремі контури регулювання взаємозалежні між собою. Тому, щоб забезпечити потрібну якість регулювання, необхідно провести синтез і аналіз об'єднаної системи керування.

У зв'язку з усім вищевикладеним, визначення режимів роботи суднового морозильного комплексу, при яких забезпечується мінімум енергоспоживання, і створення системи керування, що забезпечує дані режими роботи, становить собою важливу задачу в економії паливно-енергетичних ресурсів і актуальну наукову проблему.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась у відповідності з державною бюджетною темою № 96-63 “Дослідження та розробка систем автоматичного керування транспортними рефрижераторними установками по критерію мінімуму енерговитрат”, номер ДР 0193U03970. Результати роботи були враховані при виконанні держбюджетної теми 96-63, і публікації [14, 15] включені в перелік публікацій по темі. Робота є ініціативною в рамках пріоритетних напрямів розвитку науки і техніки на період до 2006 р., визначених у Законі України від 11 липня 2001 р. № 2623-III “Про пріоритетні напрями розвитку науки і техніки”, розділ “Новітні технології та ресурсозберігаючі технології в енергетиці, промисловості та агропромисловому комплексі”.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертації є забезпечення мінімуму питомих енерговитрат на заморожування і розробка автоматичної системи комплексної оптимізації режимів мінімального питомого енергоспоживання.

Задачі дослідження, відповідно до поставленої мети, полягають у наступному:

- проведення аналізу режимів роботи суднового морозильного комплексу, що забезпечують мінімальні питомі витрати енергії на заморожування;

- розробка системи пошуку оптимальних режимів роботи суднового морозильного комплексу для різних умов експлуатації;

? одержання нелінійної динамічної моделі суднового морозильного комплексу;

? дослідження й розробка систем автоматичного керування судновим морозильним комплексом, які б забезпечували його оптимальні режими роботи.

Об'єктом дослідження є процеси в судновому морозильному комплексі і їх автоматизація.

Предметом дослідження є режими роботи суднового морозильного комплексу, що визначають мінімум питомих енерговитрат на заморожування, а також системи автоматичного керування, що забезпечують дані оптимальні режими.

Методи дослідження. Для розв'язання поставлених задач у роботі застосовувалися наступні методи. Методи теорії тепломасообміну і термодинаміки, апроксимація числових даних і графічних характеристик аналітичними виразами - для побудови статичної і динамічної моделей суднового морозильного комплексу. Методи оптимізації і теорії ймовірностей - для побудови системи екстремального керування судновим морозильним комплексом. Методи теорії автоматичного керування - для розробки системи автоматичного регулювання режимів роботи суднового морозильного комплексу, динамічної моделі компресорного комплексу і локальної системи керування симетричною роботою компресорів. Методи числового моделювання на ЕОМ - для аналізу статичних і динамічних характеристик суднового морозильного комплексу і дослідження системи автоматичного регулювання режимів роботи суднового морозильного комплексу і локальної системи керування симетричною роботою компресорів.

Наукові положення, що захищаються автором:

Питома витрата енергії на заморожування в судновому морозильному комплексі, що залежить від основних робочих параметрів - температур кипіння і конденсації холодоагенту, являє собою параболічну поверхню, що має плаваючу точку мінімуму;

Визначення точки мінімуму питомого споживання енергії на заморожування забезпечується самонавчальною системою багатомірного екстраполяційного пошуку оптимальних режимів роботи.

Наукова новизна роботи також визначається наступними результатами:

Уперше визначено умови одержання мінімуму питомих енерговитрат при роботі морозильного комплексу;

Одержала подальший розвиток нелінійна динамічна модель суднового морозильного комплексу, яка враховує наявність природного запізнювання;

Уперше розроблено багатомірну замкнуту систему автоматичного регулювання температури повітря у морозильній камері і температури конденсації холодоагенту в судновому морозильному комплексі;

Вперше отримано нелінійну динамічну модель компресорів в умовах їх паралельної роботи; судновий морозильний енергоспоживання автоматичний

Уперше синтезовано систему керування роботою двох компресорів, яка забезпечує їх симетричну роботу.

Практичне значення одержаних результатів. Практична цінність роботи полягає в тому, що запропоновані моделі і системи керування дозволяють знаходити і підтримувати режими роботи, що мінімізують питомі витрати енергії на заморожування в судновому морозильному комплексі при різних умовах експлуатації.

Матеріали дисертаційної роботи розглянуті на засіданні технічної ради ВАТ “Чорноморсуднопроект”. Зазначено їх актуальність і практичну значимість. Зроблено висновок стосовно того, що результати дисертаційної роботи будуть прийняті до впровадження при проектуванні морозильних комплексів рефрижераторних суден. Також, з огляду на практичну цінність і актуальність, матеріали дисертаційної роботи рекомендовані до впровадження в ТОВ “Антарктика”. Крім того, деякі результати дисертації використовуються в навчальному процесі Одеської національної морської академії: при вивченні дисципліни “Автоматизація суднових холодильних установок і систем кондиціонування повітря” і при виконанні практичних занять за курсом “Проектування систем автоматики”.

Особистий внесок здобувача. Усі роботи [1-16] опубліковані здобувачем разом із науковими керівниками. У роботах [1, 2, 3, 5, 15] здобувач розробив математичну модель суднового морозильного комплексу, одержав його статичні характеристики і провів аналіз зміни питомого енергоспоживання. У роботах [6, 9] здобувач розробив систему екстремального керування судновим морозильним комплексом. У роботах [4, 7, 8, 16] здобувач розробив динамічні моделі морозильного і компресорного комплексів і системи автоматичного керування ними. У роботах [10, 11, 12, 13, 14] здобувач розробив трирівневу систему комплексної оптимізації режимів роботи і мікропроцесорну систему керування судновим морозильним комплексом.

Апробація результатів дисертації. Основні наукові положення і результати роботи доповідалися й обговорювалися на Всесоюзній науково-технічній конференції “Холод - народному хозяйству” (м. Ленінград, 15-17 жовтня 1991 р.), на Міжреспубліканській науково-практичній конференції “Совершенствование холодильной техники и технологии для эффективного хранения и переработки сельскохозяйственной продукции” (м. Краснодар, вересень 1992 р.), на 6-й Українській конференції з автоматичного керування “Автоматика-99” (м. Харків, 10-13 травня 1999 р.), на Науково-практичній конференції “Оптимизация управления, информационные системы и компьютерные технологии” (м. Одеса, 30 вересня - 1 жовтня 1999 р.), на Міжнародній конференції з керування “Автоматика - 2001” (м. Одеса, 10-14 вересня 2001 р.), на Першій міжнародній виставці-симпозіумі “Миллениум 2002” - конференція “С инновациями в XXI век” (м. Одеса, 11-14 квітня 2002 р.), на Міжнародній конференції “Кораблебудування: освіта, наука, виробництво” (м. Миколаїв, 24-25 вересня 2002 р.), на Міжнародній науково-технічній конференції “Проблеми математичного моделювання сучасних технологій” (м. Хмельницький, 2-4 жовтня 2002 р.), на Другій міжнародній науково-практичній конференції “Морские технологии: проблемы и решения” (м. Керч, 16-17 вересня 2003 р.), на Науковій і науково-методичній конференціях професорсько-викладацького складу і курсантів (м. Одеса: ОДМА, 2000 р., 2001 р.).

Публікації. Основний зміст дисертації опублікований у шістнадцяти друкованих працях, дев'ять з них - у наукових фахових виданнях. Шість наукових статей опубліковано в науково-технічних збірниках, три - у збірниках наукових праць, одна - у науково-технічному журналі, три доповіді опубліковано у матеріалах конференцій, на трьох конференціях опубліковано тези доповідей.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, шести розділів, висновків, списку використаних джерел із 222 найменувань, п'яти додатків. Загальний обсяг роботи ? 295 сторінок. Вона містить 150 сторінок основного тексту, 60 рисунків (усі рисунки на окремих сторінках), 4 таблиці. Обсяг списку використаних джерел ? 21 сторінка. Обсяг додатків ? 64 сторінки.



Основний зміст роботи

У вступній частині показано, що морозильний комплекс, який входить до складу суднової енергетичної установки, є основним видом технологічного обладнання рибопромислових суден, обґрунтовано актуальність роботи, сформульовано мету і задачі дослідження, визначено наукову новизну і практичну цінність.

У першому розділі розглянуто різні методики визначення енергетичних витрат при експлуатації суднової холодильної установки. Проаналізовано існуючі статичні моделі холодильних установок і методи їх статичної оптимізації. Проведено огляд існуючих динамічних моделей елементів холодильних установок і динамічних моделей холодильних систем. Вивчено способи розв'язання задач керування і розглянуто застосовувані технічні засоби автоматизації холодильних установок. Визначено доцільність виконання роботи по забезпеченню режимів мінімального питомого енергоспоживання при експлуатації суднового морозильного комплексу. Поставлено задачі дослідження.

У другому розділі обґрунтовано вибір напрямку дисертаційних досліджень. Розроблено загальну методику проведення досліджень, що припускає використання теоретичних методів рішення поставлених задач і підтвердження отриманих результатів експериментальними даними. Проведено поділ теоретичної частини на основні проблемні компоненти. Для аналізу кожного проблемного напрямку обрані відповідні їм наукові теорії. У рамках кожної наукової дисципліни зроблений вибір певних застосовуваних методів рішення поставлених задач.

Також у другому розділі розроблено статичну модель морозильного комплексу траулерів серії “Горизонт”. В основу математичної моделі морозильного комплексу покладено розв'язок системи рівнянь теплового балансу. Заключним розділом моделі є визначення питомого енергоспоживання на заморожування.

На початку розрахунку визначаємо тривалість заморожування блоку риби Tz = f(tп, tпр, tкц) (год) за формулою Д.Г. Рютова, де tп - температура повітря у морозильній камері (°C), tпр - початкова температура риби (°C), tкц - кінцева температура риби в центрі блоку (°C). Теплове навантаження на морозильну камеру Qма (Вт) визначаємо як суму різних теплопритоків. Крім навантаження Qма визначаємо продуктивність повітроохолоджувача Qisp (Вт). Оскільки установка працює у стаціонарному режимі, приймаємо: Qisp(tп) = Qма(tп). На підставі даної рівності знаходимо значення tп і Qма. Визначаємо номінальну холодопродуктивність Qоном (Вт) і номінальну споживану потужність Nеном (кВт) компресора для заданих значень температур кипіння tо (°C) і конденсації tк (°C) холодоагенту. Визначаємо реальну холодопродуктивність Qo (Вт) і коефіцієнт завантаження компресора kz (%), виходячи з умови стаціонарності режиму роботи: Qо = Qма. Визначаємо процентну величину споживаної потужності Npr = f(kz). Обчислюємо ефективну потужність компресора: Nе = NеномNpr/100 (кВт). Визначаємо тепло, що відводиться мастилом від холодоагенту в компресорі Qм (Вт), розв'язуючи рівняння Qм = QмH, де QмH (Вт) ? тепло, сприймане мастилом від холодоагенту. Знаходимо теплове навантаження на конденсатор Qк, із умови, що система працює у стаціонарному режимі: Qк = Qма + 1000Ne ? Qм (Вт). Залежно від об'ємної витрати охолодної води на конденсатор Vwк (м3/с) визначаємо температуру води на виході конденсатора twк (°C) і температуру конденсації tк. Внаслідок чого знаходимо значення tк і Qк, розв'язуючи систему з двох рівнянь: Qк = f(tк) і tк = f(Qк). Визначаємо сумарну енергію Ws (кВт•год), споживану морозильним комплексом за весь час роботи, і питому енергію, витрачувану на заморожування 1 кг продукту: Wпит = Ws/Gма (кВт•год/кг), де Gма (кг) ? загальна кількість продукту.

На основі математичної моделі і використовуючи розроблений графо-аналітичний спосіб отримано статичні характеристики суднового морозильного комплексу для різних режимів роботи, які показують, що він є істотно нелінійним об'єктом. Морозильний комплекс є багатомірним замкнутим об'єктом із численними зворотними зв'язками, який описується сімействами характеристик. Для нього є характерним високий ступінь взаємного впливу перемінних. З метою визначення режимів мінімального питомого енергоспоживання було укладено спеціальну програму розрахунку Wпит мовою BASIC. Одержано: Wпит, як функція двох перемінних tо і Vwк, становить собою параболічну поверхню, що має точку мінімуму, яка зміщується у просторі при зміні зовнішнього теплового навантаження - температурах зовнішнього повітря tзп і забортної води tw, а також при зміні режиму роботи компресорів. Найбільш енергетично вигідним є режим роботи компресорів з однаковою продуктивністю. На рис. 1 наведено приклад залежностей Wпит(tо, Vwк).

У третьому розділі проведено розробку самонавчальної системи, екстраполяційного пошуку мінімуму Wпит. Процес самонавчання полягає у поступовому накопиченні інформації про поведінку поверхні Wпит і зміну алгоритму керування: від екстраполяційного пошуку мінімуму Wпит на безпосередню видачу керуючих сигналів на базі накопиченої інформації. Досліджується залежність Wпит(tп, tк), що представлена у вигляді двомірного квадратичного полінома. Враховуючи це, для пошуку координат її екстремуму використовується метод Хука-Дживса, поєднаний із методом двомірної параболічної інтерполяції. Процедура пошуку проводиться кілька разів зі зменшуваним кроком. По її закінченні вважаємо, що виконано один цикл вимірів і визначено координати екстремуму ? значення tп* і tк* для заданих зовнішніх умов ? значень tзп і tw. При зміні tзп або tw виконуємо наступний цикл пошуку координат екстремуму ? визначаємо значення tп* і tк*. За результатами кожного циклу вимірів (для різних значень tзп і tw) знайдені координати екстремуму (значення tп* і tк*) заносяться в базу даних. По мірі її заповнення і накопичення інформації будуються моделі залежностей координат екстремуму від зовнішніх умов: tпм = f(tзп, tw) і tкм = f(tзп, tw). Загальний вигляд цих моделей представимо інтерполяційними поліномами:

Для побудови моделей tпм і tкм спочатку з моделей загального вигляду перебираємо окремо для кожної перемінної tп і tк різні типи моделей

при роботі двох компресорів з однаковою продуктивністю:

а) tзп = 20 С, tw = 16 С; б) tзп = 40 С, tw = 30 С.

tпм = f(tзп, tw) і tкм = f(tзп, tw) простого вигляду, поступово переходячи до моделей більш складного вигляду. Коефіцієнти ci і di визначаємо окремо для кожної моделі симплекс-методом Нелдера-Міда. Кожну з розглянутих моделей перевіряємо на адекватність за F ? критерієм Фішера. Адекватні моделі розглядаємо як конкурентноздатні і обираємо з них для використання найкращі варіанти згідно коефіцієнтам множинної кореляції.

У четвертому розділі розроблено динамічну багатомірну нелінійну модель суднового морозильного комплексу. Оскільки значення tп може змінюватися за проміжок часу t залежно від зміни режиму роботи, то визначається середнє значення tпср за час Tz:

, °C

Тривалість заморожування Tz залежить від довжини шляху LC (м), що його проходить блок риби у морозильній камері, і від швидкості руху конвеєра Vк (м/год). Величина Vк регулюється, забезпечуючи відповідність процесу заморожування змінюваним умовам роботи морозильного комплексу. Отже, при змінюваному залежно від умов роботи значенні tп, повинне постійно забезпечуватися задане значення tкц. Для цього необхідно безперервно обчислювати Tz таким чином, щоб підінтегральна різниця завжди дорівнювала LC:

Змінювання температури повітря tп у часі залежить від зміни теплових потоків ДQ(t) = Qма(t) ? Qo(t) у морозильній камері:

,

де cп і mп ? теплоємність (Дж/(кг•°C)) і маса (кг) повітря.

Теплове навантаження на морозильну камеру Qма(t) залежить від коливань теплопритоку від рибопродукта Q2, який у динамічному режимі роботи є величиною перемінною. Відповідно, для визначення Qма(t) розраховується середня кількість теплоти Q2ср (Вт), що надходить від риби, яка знаходиться в морозильній камері, за час заморожування Tz:

Холодопродуктивність Qo залежить від тисків усмоктування pуc і нагнітання pн. Величина рус, взаємопов'язана з tо, регулюється шляхом зміни коефіцієнта kz. Величина pн взаємопов'язана з tк, яка залежить від twк (°C):



,

де B ? параметр, що залежить від теплоємності води, маси води і площі теплопередавальної поверхні конденсатора;

tfw ? температурне поле, створюване в конденсаторі дією фреону.

Величина twк залежить від початкової температури охолодної води tw і від її витрати Uw (%). Величини kz і Uw змінюються внаслідок дії виконавчих механізмів.

Знайдені в результаті роботи системи екстремального керування значення tп* і tк*, що забезпечують режим мінімального енергоспоживання для діючих значень tзп і tw, передаються як задавальні впливи tпзд і tкзд на вхід системи автоматичного регулювання температури повітря у морозильній камері і температури конденсації холодоагенту. За базові алгоритми системи регулювання були обрані пропорційно-інтегральні закони. Для збільшення запасу стійкості системи і зниження її чутливості щодо змін параметрів об'єкту керування (морозильного комплексу) у регулятори були введені прогнозуючі коригувальні зв'язки типу “попереджувач Сміта”. Ця прогнозуюча корекція є негативним зворотним зв'язком, який охоплює регулятор. Передатні функції прогнозуючої корекції задані в наступному вигляді:

,

де Kпр, Tпр, фпр ? настроювальні параметри прогнозуючої корекції.

На початку завантаження морозильної камери подача риби на заморожування до моменту заповнення конвеєра створює для системи регулювання лінійно-зростаюче збурення. При ПІ-законі регулювання величина tп під час дії збурення буде вищою, ніж задана, а кінцева температура риби в центрі блоку tкц у цей період не досягне заданого значення. Щоб запобігти виникненню “швидкісної” помилки, регулятор температури повітря tп має астатизм другого порядку. Система автоматичного регулювання і динамічна модель суднового морозильного комплексу реалізовані у програмному середовищі SIMULINK пакету MATLAB. Настроювальні параметри регуляторів оптимізовані за наступним критерієм якості:

,

де Tмод ? час проведення одного машинного моделюючого експерименту;

Nм ? кількість машинних експериментів, відповідних різним умовам експлуатації морозильного комплексу, що являє собою один “крок” процедури оптимізації.

Пропонований критерій якості оцінює середню сумарну якість перехідних процесів при різних умовах експлуатації суднового морозильного комплексу по обом регульованим перемінним, нормованим щодо їх заданих значень.

У п'ятому розділі для забезпечення мінімуму енерговитрат при одночасній роботі двох компресорів у складі морозильного комплексу розроблено і досліджено локальну систему керування симетричною роботою компресорів. Основна функція даної системи ? забезпечення рівномірного перерозподілу завантаження компресорів після залучення в роботу другого компресора. Система підтримує після ввімкнення другого компресора однакове значення температури нагнітання tн. Компресор, який другим починає роботу, є веденим по відношенню до працюючого спочатку ? ведучого компресора.

Щоб забезпечити однакове завантаження компресорів після ввімкнення другого компресора, з'єднання між ними реалізовано у вигляді взаємозалежних слідкуючих підсистем регулювання положенням золотникових механізмів kz1 і kz2. Початковий сигнал kzзд, що надходить на вхід системи, перерозподіляється на підсистеми регулювання kz1 і kz2. Сигнал про стан kz2 надходить у вигляді зворотного зв'язку на вхід системи керування. Алгоритм регулювання слідкуючих підсистем - трипозиційний. Він враховує розміри (“ширину”) зон нечутливості і повернення (гістерезиса) трипозиційного регулятора. При його реалізації видається керуючий вплив , що надходить на золотникові механізми ведучого і веденого компресорів. Функція визначення моменту вмикання і вимикання веденого компресора враховує наступні перемінні: а) положення золотника ведучого компресора kz1, б) середню величину струму, споживаного ведучим компресором I1ср. Увімкнення веденого компресора здійснюється, коли досягнуто гранично припустиме значення якої-небудь із зазначених перемінних, а його вимкнення при зниженні kz1 і I1ср нижче максимальних значень на задану величину. В ході експлуатації компресорів відбувається їх поступовий технічний знос. Швидкість зносу вища у компресора, який працює більше. У зв'язку з цим з метою підвищення ефективності роботи компресорів і рівномірного розподілу їхнього зносу ведучим компресором має бути компресор, який має більш високий показник ефективності роботи. Це реалізовано за допомогою функції порівняння фактичної ефективності роботи компресорів, яка визначає їх статус. Порівняння ефективності роботи компресорів здійснюється за осередненими на ковзних інтервалах часу споживаними струмами навантаження двигунів компресорів після закінчення перехідних процесів з симетрування kz і tн. Алгоритм визначення статусу компресорів за допомогою функції us представлений виразом:



де I1ср і I2ср ? середні значення струмів навантаження двигунів;

Tоср ? інтервал осереднення;

tн1 і tн2 - температури нагнітання на виході ведучого і веденого компресорів;

q - функція, що сигналізує про завершення перехідних процесів з симетрування tн.

Для підтримки однакового значення температури нагнітання ця температура на виході ведучого компресора tн1 є задавальним впливом для підсистеми регулювання температури нагнітання tн2 веденого компресора. За алгоритм регулювання температури tн2 обрано ПІ-закон із прогнозуючою корекцією на час запізнювання вперед. У блок симетрування tн1 і tн2 введено також коригувальну ланку, яка забезпечує інваріантість регульованої перемінної tн2 по відношенню до передісторії задавальної перемінної tн1. Передатна функція коригувальної ланки задана виразом:

де Tкр і Tкр1 ? параметри коригувальної ланки.

Моделювання об'єкта керування по каналу “kz ? tн” здійснюється за допомогою передатної функції:



При цьому враховуються динамічні властивості датчика температури tн і використовується гіпотеза “заморожених” коефіцієнтів для параметра ktн. Золотниковий виконавчий механізм двигуна компресора є інтегруючою нелінійною ланкою. Нелінійність, зокрема, обумовлена обмеженнями на переміщення золотника при досягненні ним крайніх положень і люфтом при зміні напрямку його руху. Динамічна модель компресорного комплексу і локальної системи керування симетричною роботою компресорів реалізована у програмному середовищі SIMULINK пакета MATLAB. Для оцінки якості роботи системи керування і настроювання її параметрів було застосовано інтегральний квадратичний критерій якості.

У шостому розділі на основі вищенаведених досліджень одержано, що є доцільним створення трирівневої системи, загальний вигляд якої подано на рис. 2. Верхній рівень забезпечує пошук режиму роботи з мінімальними питомими енерговитратами, залежного від зовнішніх експлуатаційних умов. Задавальні впливи передаються на другий рівень керування, який забезпечує підтримку заданого режиму і високу якість перехідних процесів, виникаючих при переході від одного режиму роботи до іншого. Система регулювання другого рівня визначає коефіцієнт завантаження двох компресорних агрегатів, що входять у морозильний комплекс, і передає відповідний задавальний вплив на нижній рівень керування - локальну систему керування симетричною роботою компресорів, яка забезпечує однаковий режим роботи двох компресорів і мінімізацію енерговитрат на їх роботу.

З метою реалізації всіх алгоритмів системи комплексної оптимізації режимів роботи суднового морозильного комплексу розроблено дворівневу мікропроцесорну систему керування. Її програмне забезпечення написане мовою С++ і умовно поділене на відносно незалежні модулі, виконувані в режимі реального часу. В ролі ЕОМ верхнього рівня використовується IBM-сумісний комп'ютер із процесором Pentium. Як контролер використовується модель MicroPC 6040 фірми Octagon Systems.



Висновки

Аналіз існуючих установок і систем керування судновими морозильними комплексами показав необхідність проведення досліджень з підвищення енергетичної ефективності процесу заморожування. При оптимізації теплообмінних процесів потрібна розробка оптимальних систем керування.

На підставі аналізу статичних характеристик одержано, що судновий морозильний комплекс є істотно нелінійним багатомірним об'єктом із численними зворотними зв'язками. Для нього є характерним високий ступінь взаємного впливу перемінних.

Встановлено, що питома витрата енергії на заморожування у морозильному комплексі, залежно від температури кипіння холодоагенту і витрати охолодної води на конденсатори, є параболічною поверхнею, що має точку мінімуму, яка зміщується у просторі при зміні різних експлуатаційних параметрів.

Розроблена програма розрахунку питомого споживання енергії на заморожування дозволяє визначати оптимальні режими роботи морозильного комплексу. Виконані розрахунки показують, що підтримання оптимального режиму дозволяє зменшити питому витрату енергії на заморожування у середньому на 2-7 %.

Встановлено, що підтримання режиму роботи компресорів з однаковою холодопродуктивністю дозволяє зменшити питому витрату енергії на заморожування, для розглянутих умов експлуатації морозильного комплексу даного типу, на 3,27 % порівняно з варіантом роботи компресорів з різною холодопродуктивністю. Тривалість заморожування при цьому зростає на 2,48 %.

Розроблені алгоритми пошуку мінімуму питомого споживання енергії на заморожування і побудови регресійних моделей залежностей координат екстремуму від зовнішніх умов з підвищенням рівня їх адекватності дозволяють знайти оптимальні режими роботи суднового морозильного комплексу і значно знизити втрати на пошук екстремуму в умовах плавання судна.

Запропоновану систему автоматичного пошуку оптимальних режимів роботи суднового морозильного комплексу можна розглядати як самонавчальну. Це дозволяє максимально використовувати накопичувану інформацію з метою зниження питомих енерговитрат і зняти обмеження на тип морозильного комплексу, з яким може працювати система.

Розроблена динамічна модель суднового морозильного комплексу описує поведінку теплоенергетичних процесів, що відбуваються в усіх можливих діапазонах зміни режимів роботи та умов плавання. Модель є істотно нелінійною і містить у собі ланки з перемінним транспортним запізнюванням.

Адекватність моделі підтверджується експериментальними даними. Відхилення тривалості перехідних процесів в одержаній моделі від експериментальних даних становить не більше 10 %.

Розроблена багатомірна замкнута система автоматичного регулювання забезпечує підтримку заданих значень температури повітря у морозильній камері і температури конденсації холодоагенту при роботі суднового морозильного комплексу в різних умовах експлуатації.

Пропоновані в роботі регулятори, порівняно з ПІ-регуляторами, при зростаючому збуренні по тепловому навантаженню у період заповнення морозильної камери, підтримують температуру повітря в камері точніше на 2,2 % і температуру конденсації холодоагенту точніше на 1,4 %. Залежно від умов експлуатації це зменшує питоме споживання енергії на 1-2,5 % і скорочує час досягнення заданої температури продукту при запуску морозильного апарата на 2-4 години.

Пропонований у роботі критерій якості системи регулювання режимів роботи оцінює середню сумарну якість перехідних процесів при різних умовах експлуатації суднового морозильного комплексу за кількома регульованими перемінними, нормованими щодо їх заданих значень. Це дозволяє встановити такі значення параметрів регуляторів, які гарантують високу якість регулювання в середньому по всіх перемінних у різних режимах роботи.

Розроблена динамічна модель компресорного комплексу дозволяє точно описувати перебіг перехідних процесів, оскільки враховує нелінійності типу люфт, обмеження, а також транспортне запізнювання.

Запропонована локальна система керування симетричною роботою двох компресорів забезпечує вибір ведучого і веденого компресорів, залучення в роботу і вимкнення веденого компресора на підставі аналізу необхідної продуктивності, рівномірний перерозподіл завантаження при одночасній роботі компресорів і однакове значення температури нагнітання після ввімкнення другого компресора. Це гарантує необхідний режим роботи, рівномірний технічний знос компресорів і зменшує питоме споживання енергії на заморожування, залежно від умов експлуатації, на 5,4 %.

Спільні заходи, спрямовані на пошук оптимального режиму роботи для заданих умов експлуатації, забезпечення високих показників якості при переході в заданий режим та його стабілізації, а також ефективне керування роботою компресорів забезпечують мінімізацію питомих енерговитрат при роботі суднового морозильного комплексу і підтримують задані технологічні умови, що підвищує якість заморожуваного продукту.

Розроблена дворівнева мікропроцесорна система з відповідним програмним забезпеченням дозволяє здійснити технічну реалізацію і виконання всіх необхідних алгоритмів керування системи комплексної оптимізації режимів роботи суднового морозильного комплексу. Запропонована структура мікропроцесорної системи і використання мови програмування високого рівня, орієнтованого на застосування в сучасному керуючому контролері, дозволяє реалізовувати складні алгоритми керування, надає значної гнучкості системі і розширює функціональні можливості технічних засобів автоматизації суднових енергетичних установок.

Проведені дисертаційні дослідження, розроблені схеми і програми мають практичну цінність при дослідженні, розробці та експлуатації систем керування судновими морозильними комплексами і можуть знайти широке застосування як у розробці перспективних суднових систем заморожування продуктів, так і при модернізації існуючих.



Список опубликованих праць здобувача за темою дисертації

1. Логвиненко В.В., Коханский А.И., Алехин Н.Б. Анализ энергозатрат производственной холодильной установкой судна типа “Горизонт”. //Судовые энергетические установки: научно-технический сборник. - Одесса: ОГМА, 1998. - Вып. 2. - с. 28-34.

2. Логвиненко В.В., Коханский А.И. Анализ статических характеристик судовой холодильной установки. //Судовые энергетические установки: научно-технический сборник. - Одесса: ОГМА, 1999. - Вып. 3. - с. 49-57.

3. Логвиненко В.В., Коханский А.И. Идентификация судовой холодильной установки для определения минимума энергозатрат. //Автоматизация судовых технических средств: научно-технический сборник. - Одесса: ОГМА, 1999. - Вып. 3. - с. 91-98.

4. Логвиненко В.В., Коханский А.И., Алехин Н.Б. Синтез системы управления работой компрессоров. //Автоматизация судовых технических средств: научно-технический сборник. - Одесса: ОГМА, 1999. - Вып. 4. - с. 78-84.

5. Логвиненко В.В., Коханский А.И. Обоснование оптимальной системы управления судовым рыбоморозильным комплексом. //Вісник Харьківського державного політехнічного університету. Системний аналіз, управління і інформаційні технології. Збірка наукових праць. - Харьків: ХДПУ, 1999. - Випуск 71. - с. 88-93.

6. Логвиненко В.В., Коханский А.И. Система экстремального управления судовым морозильным комплексом. //Оптимизация управления, информационные системы и компьютерные технологии. Труды Украинской академии экономической кибернетики (Южный научный центр). - Киев-Одесса: ИСЦ, 1999. - Вып. 1. - Ч. 1. - с. 220-228.

7. Логвиненко В.В., Коханский А.И. Разработка и исследование системы управления симметричной работой винтовых компрессоров судового морозильного комплекса. //Холодильна технiка i технологiя. Науково-технічний журнал. - Одеса: ОДАХ, 2001. - № 5 (74). - с. 64-69.

8. Логвиненко В.В., Коханский А.И. Система автоматического регулирования режимов работы судового морозильного комплекса. //Автоматизация судовых технических средств: научно-технический сборник. - Одесса: ОГМА, 2001. - Вып. 6. - с. 66-76.

9. Логвиненко В.В., Коханский А.И. Система минимизации энергозатрат судового морозильного комплекса. //Труды Одесского политехнического университета. Научный и производственно-практический сборник по техническим и естественным наукам. - Одесса: ОНПУ, 2001. - Вып. 3 (15). - с. 54?58.

10. Логвиненко В.В., Коханский А.И. Программно-техническая реализация системы автоматического управления судовым морозильным комплексом. //Автоматизация судовых технических средств: научно-технический сборник. - Одесса: ОГМА, 2002. - Вып. 7. - с. 86-90.

11. Логвиненко В.В., Коханский А.И. Система автоматического управления судовым морозильным комплексом. //Матеріали Міжнародної конференції з управління “Автоматика - 2001”, 10-14 вересня 2001 р., м. Одеса, Україна: у 2-х т. - Одеса: ОДПУ, 2001. - Т. 1. - с. 161.

12. Логвиненко В.В., Коханский А.И. Повышение эффективности эксплуатации судового морозильного комплекса. //Первая международная выставка-симпозиум “Миллениум 2002”. Конференция “С инновациями в XXI век”. 11-14 апреля 2002. Официальный каталог. Сборник докладов. - Одесса: ВЦ “Морские технологии”, 2002. - с. 321-325.

13. Логвиненко В.В., Коханский А.И. Адаптивная иерархическая система управления судовым морозильным комплексом. //Кораблебудування: освіта, наука, виробництво. Матеріали міжнародної конференції 24-25 вересня 2002 р.: У 2-х т. - Миколаїв: УДМТУ, 2002. - Т. II. - с. 130-132.

14. Алехин Н.Б., Логвиненко В.В. Микропроцессорная система управления морозильными агрегатами. //Всесоюзная научно-техническая конференция “Холод - народному хозяйству”. 15-17 октября 1991 г.: Тезисы докладов. - Л.: ЛТИХП, 1991. - с.104-105.

15. Алехин Н.Б., Логвиненко В.В. Анализ потребления энергии морозильным аппаратом. //Совершенствование холодильной техники и технологии для эффективного хранения и переработки сельскохозяйственной продукции: Тезисы докладов межреспубл. научно-практ. конф. /Под редакцией В.М. Шляховецкого. - Краснодар: изд. КДНТ, 1992. - с. 25.

16. Логвиненко В.В., Коханский А.И. Динамическая модель процесса замораживания в судовом морозильном комплексе. //Проблеми математичного моделювання сучасних технологій. Міжнародна конференція (Хмельницький, 2-4 жовтня 2002 р.): Тези доповідей. - Хмельницький: ТУП, 2002. - с. 80.



Анотації

Логвиненко В.В. Оптимізація режимів роботи суднового морозильного комплексу. ? Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.08.05 ? Суднові енергетичні установки. ? Одеська національна морська академія, Одеса, 2003.

Дисертація присвячена дослідженню режимів роботи суднового морозильного комплексу, що забезпечують мінімум питомих енерговитрат на заморожування, і розробці автоматичної системи комплексної оптимізації даних режимів.

Розроблено статичну нелінійну модель із зворотними зв'язками морозильного комплексу рибальського траулера типу “Горизонт”. Проаналізовано питоме споживання енергії, що витрачається на заморожування продукту залежно від режиму роботи. Запропоновано самонавчальну систему екстраполяційного пошуку режимів мінімуму питомого споживання енергії. На основі статичної моделі розроблено і проаналізовано динамічну багатомірну модель суднового морозильного комплексу. Запропоновано систему автоматичного регулювання температури повітря у морозильній камері і температури конденсації холодоагенту. Розроблено і проаналізовано динамічну нелінійну модель компресорного комплексу і локальну систему керування симетричною роботою компресорів. Запропоновано мікропроцесорну реалізацію об'єднаної системи автоматичного керування судновим морозильним комплексом.

Ключові слова: мінімізація споживання енергії, судновий морозильний комплекс, система автоматичного керування.



Логвиненко В.В. Оптимизация режимов работы судового морозильного комплекса. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.08.05 - Судовые энергетические установки. ? Одесская национальная морская академия, Одесса, 2003.

Диссертация посвящена исследованию режимов работы судового морозильного комплекса, обеспечивающих минимум удельных энергозатрат на замораживание, и разработке автоматической системы комплексной оптимизации данных режимов.

Разработана статическая нелинейная модель с обратными связями морозильного комплекса рыболовного траулера типа “Горизонт”. Проанализировано удельное потребление энергии, расходуемой на замораживание продукта, в зависимости от режима работы. Предложена самообучающаяся система экстраполяционного поиска режимов минимума удельного потребления энергии. На основе статической модели разработана и проанализирована динамическая многомерная модель судового морозильного комплекса. Предложена система автоматического регулирования температуры воздуха в морозильной камере и температуры конденсации хладагента. Разработаны и проанализированы динамическая нелинейная модель компрессорного комплекса и локальная система управления симметричной работой компрессоров. Предложена микропроцессорная реализация объединенной системы автоматического управления судовым морозильным комплексом.

Ключевые слова: минимизация потребления энергии, судовой морозильный комплекс, система автоматического управления.



Logvynenko V.V. Optimization of Ship Refrigerating Complex' Operational Modes. ? Manuscript.

Candidate's dissertation in technical sciences (PhD), speciality 05.08.05 - Ships' Power Plants. - Odessa National Marine Academy, Odessa, 2003.

The dissertation is dedicated to studying ships' refrigerating complex' operational modes, providing for minimum freezing relative energy consumption, and developing an automatic control system for these modes' complex optimization.

Introduction shows that a refrigerating complex, as a part of ship's power plant, is a principal type of fishing vessels' process equipment. The aim and tasks of the study are subsequently formulated.

Chapter One is a summary of techniques for determining energy demands when operating the ships' refrigerating complex. Current static and dynamic models of refrigerating plants are reviewed, and their optimization methods analysed. Methods of their automatic control and control equipment complement are studied.

Chapter Two elaborates on a static model of freezing complex of “Horizont” type fishing trawler, offered by the author. The model is based on solving heat balance equations. Its conclusive part is determining the minimum freezing relative energy consumption. Thus derived sets of ship's refrigerating complex' static models for various operational modes show that the complex is an essentially non-linear, multi-dimensional object with multiple feedbacks. Moreover, it is characterised by a high degree of variables' cross-influence.

To determine minimum freezing relative energy consumption operational modes, special program in BASIC was designed. It was found out that the function of relative energy consumption depending on freezing agent boiling temperature and cooling water flow through condensers, is a parabolic surface with a minimum, displacing in parametric space upon changes in external heat load: outside air and sea water temperatures. In this case the operation of compressors with an equal capacity provides for minimal energy consumption.

Chapter Three offers a self-learning system for extrapolation search of an energy consumption minimum. Used for the purpose is a Hooke-Jeeves' method combined with a method of two-dimensional parabolic interpolation. And, as operational data are gathered, the models of extremum coordinates' dependencies from environmental conditions are gradually developed. Models' coefficients are determined by Helder-Mead's simplex method. Models are then checked for adequacy with Fisher F-criterion, and the best of them are chosen by multiple correlation coefficients.

Chapter Four presents a refrigerating complex' dynamic model derived from its static model. A subsequent analysis shows that it is essentially non-linear and comprises elements with variable transport lag.

To stabilize set values of freezing chamber air and freezing agent condensation temperatures, a multi-dimensional closed-loop automatic control system was designed. Offered by the author control algorithms with a second-order astatism and use of “Smith's Anticipator” type provide for keeping system's high dynamic characteristics stable with variable control object's parameters and lengthy linearly changing heat influxes.

Automatic regulation system and dynamic model of ship's freezing complex are realized in a SIMULINK software environment of the MATLAB package. Setting parameters of controllers are optimised by quality criterion based on a typical integral quadratic criterion. Said criterion estimates an average overall quality of transient processes in various conditions of ships' refrigerating complex operation by both controlled variables, normalized relative to their set values.

Chapter Five outlines the dynamic model of compressor complex accounting for non-linearities of dead zone, limiting and transport lag types.

The local system of automatically controlling a symmetrical operation of two compressors is developed and analysed. It provides for choosing the follow-up compressor and its putting in/out of operation, based on required capacity demand, redistribution of loads and equal discharge temperatures during simultaneous compressors' operation. This ensures a set operational mode, uniform wear of both compressors and provides for minimizing the minimum freezing relative energy consumption.

The dynamic model of ship's freezing complex is also realized in a SIMULINK software environment of the MATLAB package. To estimate the control system's operation quality, and set its parameters, an integral quadratic quality criterion is used.

Chapter Six offers a three-level automatic control system for ships' refrigerating complex operational modes' optimization. Its upper level effects a search of an energy consumption minimum. Setting actions are transferred to the second control level, providing for a change-over to a set operational mode and its stabilization. In the process, compressors' load factors are determined, and corresponding values of setting actions transferred to the lowest level, the local system of automatically controlling a symmetrical operation of two compressors.

For implementing control algorithms, two-level microprocessor control system is designed. Its software is in C++ language. An IBM-compatible PC with the Pentium processor is used as an upper-level computer. The 6040 model MicroPC of Octagon Systems make is used as the controller. Inputting pick-up signals and outputting control actions are via normalizing converters and output modules of Analog Devices and Grayhill make.

Keywords: energy consumption minimum, ship's freezing complex, automatic control system.

Размещено на Allbest.ru