[RU]

1. Устройство для моделирования холодильной системы, содержащее: (a) базу данных для сохранения параметров модели холодильной системы, зависящих от конфигурации холодильной системы и полученных от измерений, по меньшей мере, действительных рабочих параметров температур, давления и потоков холодильной системы; (b) при этом модель содержит параметры, представляющие, по меньшей мере, теплопередачу испарителя, теплопередачу конденсатора, работу, совершенную компрессором, изменения в состояниях температурных и энтропийных испарителя и изменения в температурных и энтропийных состояниях конденсатора на основании, по меньшей мере, следующего: (i) по меньшей мере одного измерения температуры и по меньшей мере одного измерения давления конденсатора, (ii) по меньшей мере одного измерения температуры и по меньшей мере одного измерения давления испарителя, (iii) по меньшей мере одного измерения температуры и по меньшей мере одного измерения давления процесса при охлаждении холодильной системой и (iv) по меньшей мере одного параметра потока, соответствующего потоку холодильного агента в холодильной системе; (c) по меньшей мере один вход для приема рабочих физических параметров холодильной системы, содержащих физические параметры, полученные во время работы действительной холодильной системы, достаточные для определения как отклонения рабочего состояния действительной холодильной системы от рабочего состояния модели холодильной системы, при котором модель была разработана, так и возможной вероятности отклонения; (d) процессор, выполненный с возможностью: (i) выполнения термодинамического анализа холодильной системы на основании, по меньшей мере, входных данных и конфигурации холодильной системы в соответствии с моделью для определения как отклонения рабочего состояния действительной холодильной системы от рабочего состояния модели холодильной системы, так и возможной вероятности отклонения, (ii) определения стоимости эксплуатации при соответствующем рабочем состоянии холодильной системы на основании, по меньшей мере, параметров модели, сохраненных в базе данных, и (iii) корректирования параметров модели, сохраненных в базе данных, включая, по меньшей мере, теплопередачу испарителя, теплопередачу конденсатора, работу, совершенную компрессором, изменения в состояниях температурных и энтропийных испарителя и изменения в температурных и энтропийных состояниях конденсатора, на основании данных, полученных по меньшей мере с одного входа; и (e) выход для представления информации, полученной из термодинамического анализа и соответствующей стоимости эксплуатации.

2. Устройство по п.1, в котором процессор дополнительно выполнен с возможностью определения разницы в стоимости эксплуатации между двумя соответственно отличающимися рабочими состояниями холодильной системы.

3. Устройство по п.1 или 2, в котором процессор дополнительно выполнен с возможностью определения оптимального изменения по меньшей мере в одном рабочем физическом параметре по отношению к стоимости эксплуатации.

4. Устройство по любому из пп.1-3, в котором стоимость эксплуатации включает, по меньшей мере, стоимость работы и стоимость изменения рабочего состояния.

5. Устройство по любому из пп.1-4, в котором процессор дополнительно выполнен с возможностью генерирования выходных данных для изменения переменной процесса холодильной системы.

6. Устройство по любому из пп.1-5, дополнительно содержащее выход для управления изменением концентрации масла в испарителе холодильной системы.

7. Устройство по любому из пп.1-6, дополнительно содержащее выход для управления зарядом холодильного агента холодильной системы.

8. Устройство по любому из пп.1-7, в котором рабочие физические параметры изменяются в зависимости от состояния технического обслуживания холодильной системы, а процессор дополнительно выполнен с возможностью выдачи выходных данных, указывающих на необходимость технического обслуживания холодильной системы.

9. Устройство по любому из пп.1-8, в котором техническое обслуживание включает экономические затраты, а рабочие физические параметры связаны с экономической стоимостью эксплуатации, при этом процессор выполнен с возможностью прогнозирования экономически эффективного интервала между техническими обслуживаниями в зависимости от экономических затрат на техническое обслуживание и экономической стоимости эксплуатации.

10. Устройство по любому из пп.1-9, в котором процессор дополнительно выполнен с возможностью оценки холодопроизводительности холодильной системы.

11. Способ моделирования холодильной системы устройством по любому из пп.1-10, включающий сохранение термодинамических параметров термодинамической модели холодильной системы, полученных от конфигурации холодильной системы и количественных измерений действительных рабочих термодинамических параметров холодильной системы; выполнение термодинамического анализа работы холодильной системы на основании термодинамической модели и полученных количественных измерений рабочих термодинамических параметров холодильной системы; определение стоимости эксплуатации при соответствующем термодинамическом рабочем состоянии холодильной системы на основании, по меньшей мере, сохраненных термодинамических параметров термодинамической модели; корректирование сохраненных термодинамических параметров на основании полученных количественных измерений рабочих термодинамических параметров и представление информации, полученной из термодинамического анализа и соответствующей стоимости эксплуатации.

12. Способ по п.11, дополнительно включающий определение разницы в стоимости эксплуатации между двумя отличающимися рабочими состояниями холодильной системы.

13. Способ по п.11 или 12, дополнительно включающий определение оптимального изменения по меньшей мере в одном рабочем физическом параметре по отношению к стоимости эксплуатации.

14. Способ по любому из пп.11-13, в котором стоимость эксплуатации включает, по меньшей мере, стоимость работы и стоимость изменения рабочего состояния.

15. Способ по любому из пп.11-14, дополнительно включающий изменение переменной процесса холодильной системы в зависимости по меньшей мере от одного указанного определения.

16. Способ по любому из пп.11-15, дополнительно включающий управление концентрацией масла в испарителе холодильной системы.

17. Способ по любому из пп.11-16, дополнительно включающий управление зарядом холодильного агента холодильной системы.

18. Способ по любому из пп.11-17, в котором рабочие физические параметры изменяют в зависимости от состояния технического обслуживания холодильной системы, при этом способ дополнительно включает выдачу указания на необходимость технического обслуживания холодильной системы.

19. Способ по любому из пп.11-18, в котором техническое обслуживание включает экономические затраты, а рабочие физические параметры связаны с экономической стоимостью эксплуатации, при этом способ дополнительно включает прогнозирование экономически эффективного интервала между техническими обслуживаниями, который зависит от экономических затрат на техническое обслуживание и экономической стоимости эксплуатации.

20. Способ по любому из пп.11-19, дополнительно включающий оценку холодопроизводительности холодильной системы.

(57) Реферат / Формула:

1. Устройство для моделирования холодильной системы, содержащее: (a) базу данных для сохранения параметров модели холодильной системы, зависящих от конфигурации холодильной системы и полученных от измерений, по меньшей мере, действительных рабочих параметров температур, давления и потоков холодильной системы; (b) при этом модель содержит параметры, представляющие, по меньшей мере, теплопередачу испарителя, теплопередачу конденсатора, работу, совершенную компрессором, изменения в состояниях температурных и энтропийных испарителя и изменения в температурных и энтропийных состояниях конденсатора на основании, по меньшей мере, следующего: (i) по меньшей мере одного измерения температуры и по меньшей мере одного измерения давления конденсатора, (ii) по меньшей мере одного измерения температуры и по меньшей мере одного измерения давления испарителя, (iii) по меньшей мере одного измерения температуры и по меньшей мере одного измерения давления процесса при охлаждении холодильной системой и (iv) по меньшей мере одного параметра потока, соответствующего потоку холодильного агента в холодильной системе; (c) по меньшей мере один вход для приема рабочих физических параметров холодильной системы, содержащих физические параметры, полученные во время работы действительной холодильной системы, достаточные для определения как отклонения рабочего состояния действительной холодильной системы от рабочего состояния модели холодильной системы, при котором модель была разработана, так и возможной вероятности отклонения; (d) процессор, выполненный с возможностью: (i) выполнения термодинамического анализа холодильной системы на основании, по меньшей мере, входных данных и конфигурации холодильной системы в соответствии с моделью для определения как отклонения рабочего состояния действительной холодильной системы от рабочего состояния модели холодильной системы, так и возможной вероятности отклонения, (ii) определения стоимости эксплуатации при соответствующем рабочем состоянии холодильной системы на основании, по меньшей мере, параметров модели, сохраненных в базе данных, и (iii) корректирования параметров модели, сохраненных в базе данных, включая, по меньшей мере, теплопередачу испарителя, теплопередачу конденсатора, работу, совершенную компрессором, изменения в состояниях температурных и энтропийных испарителя и изменения в температурных и энтропийных состояниях конденсатора, на основании данных, полученных по меньшей мере с одного входа; и (e) выход для представления информации, полученной из термодинамического анализа и соответствующей стоимости эксплуатации.

2. Устройство по п.1, в котором процессор дополнительно выполнен с возможностью определения разницы в стоимости эксплуатации между двумя соответственно отличающимися рабочими состояниями холодильной системы.

3. Устройство по п.1 или 2, в котором процессор дополнительно выполнен с возможностью определения оптимального изменения по меньшей мере в одном рабочем физическом параметре по отношению к стоимости эксплуатации.

4. Устройство по любому из пп.1-3, в котором стоимость эксплуатации включает, по меньшей мере, стоимость работы и стоимость изменения рабочего состояния.

5. Устройство по любому из пп.1-4, в котором процессор дополнительно выполнен с возможностью генерирования выходных данных для изменения переменной процесса холодильной системы.

6. Устройство по любому из пп.1-5, дополнительно содержащее выход для управления изменением концентрации масла в испарителе холодильной системы.

7. Устройство по любому из пп.1-6, дополнительно содержащее выход для управления зарядом холодильного агента холодильной системы.

8. Устройство по любому из пп.1-7, в котором рабочие физические параметры изменяются в зависимости от состояния технического обслуживания холодильной системы, а процессор дополнительно выполнен с возможностью выдачи выходных данных, указывающих на необходимость технического обслуживания холодильной системы.

9. Устройство по любому из пп.1-8, в котором техническое обслуживание включает экономические затраты, а рабочие физические параметры связаны с экономической стоимостью эксплуатации, при этом процессор выполнен с возможностью прогнозирования экономически эффективного интервала между техническими обслуживаниями в зависимости от экономических затрат на техническое обслуживание и экономической стоимости эксплуатации.

10. Устройство по любому из пп.1-9, в котором процессор дополнительно выполнен с возможностью оценки холодопроизводительности холодильной системы.

11. Способ моделирования холодильной системы устройством по любому из пп.1-10, включающий сохранение термодинамических параметров термодинамической модели холодильной системы, полученных от конфигурации холодильной системы и количественных измерений действительных рабочих термодинамических параметров холодильной системы; выполнение термодинамического анализа работы холодильной системы на основании термодинамической модели и полученных количественных измерений рабочих термодинамических параметров холодильной системы; определение стоимости эксплуатации при соответствующем термодинамическом рабочем состоянии холодильной системы на основании, по меньшей мере, сохраненных термодинамических параметров термодинамической модели; корректирование сохраненных термодинамических параметров на основании полученных количественных измерений рабочих термодинамических параметров и представление информации, полученной из термодинамического анализа и соответствующей стоимости эксплуатации.

12. Способ по п.11, дополнительно включающий определение разницы в стоимости эксплуатации между двумя отличающимися рабочими состояниями холодильной системы.

13. Способ по п.11 или 12, дополнительно включающий определение оптимального изменения по меньшей мере в одном рабочем физическом параметре по отношению к стоимости эксплуатации.

14. Способ по любому из пп.11-13, в котором стоимость эксплуатации включает, по меньшей мере, стоимость работы и стоимость изменения рабочего состояния.

15. Способ по любому из пп.11-14, дополнительно включающий изменение переменной процесса холодильной системы в зависимости по меньшей мере от одного указанного определения.

16. Способ по любому из пп.11-15, дополнительно включающий управление концентрацией масла в испарителе холодильной системы.

17. Способ по любому из пп.11-16, дополнительно включающий управление зарядом холодильного агента холодильной системы.

18. Способ по любому из пп.11-17, в котором рабочие физические параметры изменяют в зависимости от состояния технического обслуживания холодильной системы, при этом способ дополнительно включает выдачу указания на необходимость технического обслуживания холодильной системы.

19. Способ по любому из пп.11-18, в котором техническое обслуживание включает экономические затраты, а рабочие физические параметры связаны с экономической стоимостью эксплуатации, при этом способ дополнительно включает прогнозирование экономически эффективного интервала между техническими обслуживаниями, который зависит от экономических затрат на техническое обслуживание и экономической стоимости эксплуатации.

20. Способ по любому из пп.11-19, дополнительно включающий оценку холодопроизводительности холодильной системы.

---

Евразийское 027469 (13) B1
патентное
ведомство
(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ЕВРАЗИЙСКОМУ ПАТЕНТУ
(45) Дата публикации и выдачи патента 2017.07.31
(21) Номер заявки 201001292
(22) Дата подачи заявки
2003.12.09
(51) Int. Cl. F25B 49/02 (2006.01)
(54) СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПТИМИЗАЦИИ ХОЛОДИЛЬНЫХ СИСТЕМ
(31) 60/431,901; 60/434,847; 10/730,791
(32) 2002.12.09; 2002.12.19; 2003.12.09
(33) US
(43) 2011.12.30
(62) 200500945; 2003.12.09
(71) (73) Заявитель и патентовладелец:
ХАДСОН ТЕКНОЛОДЖИЗ, ИНК.
(US)
(72) Изобретатель:
Зугибе Кевин, Папар Рияз (US)
(74) Представитель:
Медведев В.Н. (RU)
(56) SU-A1-1818509 US-A-5311745 JP-A-6082131 US-A-4970870
(57) Холодильная система содержит компрессор для сжатия холодильного агента; конденсатор для конденсации холодильного агента в жидкость; испаритель для испарения жидкого холодильного агента из конденсатора в пар; внутренний контур управления для оптимизации подачи жидкого холодильного агента в испаритель и внешний контур управления для оптимизации уровня холодильного агента в испарителе, при этом внешний контур управления определяет скорость подачи для внутреннего контура управления на основании оптимизации, включающей измерение производительности испарителя, а внутренний контур управления оптимизирует подачу жидкого холодильного агента на основании заданной скорости подачи. Независимые переменные, такие как пропорция масла в холодильном агенте, количество холодильного агента, загрязняющие вещества, неконденсирующиеся вещества, накипь и другие осадки на теплопередающих поверхностях, могут быть оценены или измерены. Модель системы и/или термодинамическую модель, аппроксимирующую систему, например, полученную на основании температуры и давления, измеренных датчиками, а также вычислений или измерений мощности, используют для определения или оценки влияния отклонения от оптимального состояния на коэффициент полезного действия. Различные способы предложены для возврата системы в оптимальное состояние и для вычисления эффективности затрат при использовании таких способов.
Родственные заявки
По заявке на данное изобретение испрашивается приоритет на основании предварительных заявок на патенты США № 60/431901, поданной 9 декабря 2002 г, и № 60/434847, поданной 19 декабря 2002 г, каждая из которых специально включена в настоящее описание посредством ссылки.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способам и устройствам для оптимизации работы холодильной системы.
Предпосылки создания изобретения
В крупных системах промышленного масштаба коэффициент полезного действия может быть критической эксплуатационной характеристикой. Даже небольшое повышение коэффициента полезного действия системы может привести к значительному снижению расходов; точно так же снижение коэффициента полезного действия может привести к повышенным затратам или даже к отказу системы. Охладители представляют собой важную часть промышленной системы, поскольку они являются энергоемкими в эксплуатации, и в них изменяются несколько параметров, которые оказывают влияние на коэффициент полезного действия и производительность системы.
Подавляющее большинство механических холодильных систем работает в соответствии с одними и теми же, хорошо известными принципами, согласно которым используется схема циркуляции текучей среды с замкнутым контуром, по которому протекает холодильный агент, при этом источник механической энергии, обычно компрессор, создает движущие силы для нагнетания теплоты из испарителя в конденсатор. В охладителе вода или рассол охлаждаются в испарителе, чтобы использоваться в процессе. В системе общего типа, рассмотренной более подробно ниже, испаритель выполнен в виде набора параллельных труб, образующего пучок труб внутри кожуха. На каждой стороне трубы заканчиваются сепараторной пластиной. Вода или рассол протекает по трубам, а холодильный агент отдельно находится внутри кожуха с внешней стороны труб.
Конденсатор получает горячий пар холодильного агента из компрессора, где он охлаждается. Конденсатор также может иметь трубы, которые заполнены, например водой, которая протекает в башенную градирню. Охлажденный холодильный агент конденсируется в виде жидкости и протекает под действием силы тяжести в нижнюю часть конденсатора, откуда он подается через клапан или диафрагму в испаритель.
Соответственно, компрессор создает движущую силу для активного нагнетания теплоты из испарителя в конденсатор. Для компрессора обычно требуется смазка для обеспечения продленного ресурса и обеспечения возможности работы с небольшими технологическими отклонениями. Смазка представляет собой масло, которое способно смешиваться с холодильным агентом. Поэтому предусмотрен масляный резервуар для подачи масла в компрессор, а после компрессора предусмотрен сепаратор для улавливания и возврата масла. Обычно парообразный холодильный агент и жидкий холодильный агент разделяются под действием силы тяжести, так что конденсатор остается относительно свободным от масла. Однако со временем смазочное масло мигрирует из компрессора и его системы рециркуляции в конденсатор. Иногда в конденсаторе смазочное масло смешивается со сжиженным холодильным агентом и переносится в испаритель. Поскольку в испарителе холодильный агент испаряется, смазочное масло накапливается на дне испарителя.
Для масла в испарителе характерна тенденция образования пузырьков и образования пленки на стенках труб испарителя. В некоторых случаях, например в испарителях с ребристыми трубами небольшое количество масла повышает теплопередачу и, следовательно, является полезным. В других случаях, например в трубах испарителя с пузырьковым кипением присутствие масла, например, в количестве более 1% приводит к снижению теплопередачи. См. Schlager L.M., Pate M.B. and Berger A.E., "А comparison of 150 and 300 SUS oil effects on refrigerant evaporation and condensation in smooth, tube and micro-fintube", ASHRAE Trans. 1989, 95(1):387-97; Thome J.R., "Comprehensive thermodynamic approach to modelling refrigerant-lubricating oil mixtures", Intl. J. HVAC &R Research (ASHRAE), 1995, 110-126; Poz M.Y., "Heat exchanger analysis for nonazeotropic refrigerant mixtures", ASHRAE Trans. 1994, 100(1), 727-735 (Paper No. 95-5-1).
На системном уровне холодильная система обычно управляется одним из двух способов: путем регулирования температуры паровой фазы в верхней части испарителя (перегрева) или путем осуществления регулирования количества жидкости (уровня жидкости) в испарителе. Когда нагрузка на систему возрастает, равновесие внутри испарителя нарушается. При более высокой тепловой нагрузке температура в верхнем свободном пространстве будет повышаться. Точно так же при более высокой нагрузке будет закипать большее количество холодильного агента в единицу времени, и это приведет к снижению уровня жидкости.
Например, в патенте США № 6318101, специально включенном в настоящее описание посредством ссылки, описан способ управления электрическим расширительным клапаном на основании сужения сечения охладителя и нагнетаемой теплоты перегрева. В этой системе определяется предполагаемый уровень холодильного агента в испарителе и на основе его производится управление системой, при этом предотвращается выпадение осадка из жидкости. Контролируются некоторые переменные, которые ис
пользуются для определения оптимального положения электронного расширительного клапана для оптимизации характеристик системы, получения надлежащего значения нагнетаемой теплоты перегрева и соответствующего заряда холодильного агента. См. также патент США № 6141980, специально включенный в настоящее описание посредством ссылки.
Патент США № 5782131, специально включенный в настоящее описание посредством ссылки, относится к холодильной системе, имеющей охладитель затопленного типа с датчиком уровня жидкости.
Каждая из этих стратегий обеспечивает единственную фиксированную заданную точку, которая предполагается нормальной и желаемой заданной точкой для работы. На основании этой управляющей переменной изменяют один или несколько параметров режима работы. Обычно компрессор имеет привод с регулируемой частотой вращения или набор поворотных лопастей, которые отводят парообразный холодильный агент из испарителя в компрессор. Таким образом модулируется производительность компрессора. В дополнение к этому в некоторых конструкциях имеется управляемый расширительный клапан между конденсатором и испарителем. Поскольку имеется единственная управляющая переменная, то для сохранения управляющей переменной в заданной точке остальные элементы регулируются совместно в качестве внутреннего контура.
Типичные холодильные агенты представляют собой вещества, которые имеют точку кипения (при рабочем давлении) ниже желаемой температуры охлаждения, и поэтому при рабочих условиях поглощают теплоту из окружающей среды во время испарения (изменения фазы). Таким образом, окружающая среда испарителя охлаждается, в то время как теплота передается к конденсатору, где скрытая теплота испарения испускается. Поэтому холодильные агенты поглощают теплоту путем испарения с одной поверхности и отведения ее с помощью конденсации к другой поверхности. В системах многих типов желательно, чтобы холодильный агент создавал как можно более высокое давление в испарителе и в то же самое время как можно более низкое давление в конденсаторе. Высокие давления в испарителе влекут за собой высокие плотности паров и, следовательно, более высокую теплопередающую способность системы в случае заданного компрессора. Однако эффективность при более высоких давлениях ниже, особенно когда давление в конденсаторе приближается к критическому давлению холодильного агента.
На суммарный коэффициент полезного действия холодильной системы оказывают влияние коэффициенты теплопередачи соответствующих теплообменников. Более высокий тепловой импеданс приводит к более низкому коэффициенту полезного действия, поскольку температурное равновесие нарушается, и для достижения той же самой теплопередачи должна поддерживаться более высокая разность температур. Тепловой передающий импеданс обычно возрастает в результате образования осадков на стенках теплообменников, хотя в некоторых случаях теплопередача может быть улучшена посредством различных поверхностных обработок и/или с помощью масляной пленки.
Холодильные агенты должны удовлетворять нескольким другим требованиям, по возможности включающим совместимость с компрессорными смазками и с материалами конструкции холодильного оборудования, токсичность, воздействие на окружающую среду, доступность затрат и безопасность. Жидкие холодильные агенты, широко используемые в настоящее время, в основном включают галоиди-рованные или частично галоидированные алканы, включающие хлорфторуглероды (CFS), гидрохлор-фторуглероды (HFCF) и более редко используемые гидрофторуглероды (HFC) и перфторуглероды (PFC). Известен ряд других холодильных агентов, включающих пропановые и фторуглеродные эфиры. Некоторые общеизвестные холодильные агенты обозначены как R11, R12, R22, R500 и R502, при этом каждый холодильный агент имеет характеристики, которые делают его пригодным для различных применений.
В промышленном охладителе теплообменник испарителя представляет собой большую конструкцию, содержащую множество параллельных труб в пучке внутри большего резервуара, имеющего кожух. Жидкий холодильный агент и масло образуют ванну на дне испарителя, имеющего кипящие и охлаждающие трубы и их содержимое. Внутри труб циркулирует и охлаждается водная среда, например рассол, который затем закачивается в другую область, где рассол охлаждает производственный процесс. Такой испаритель может вмещать сотни или тысячи галлонов водной среды при еще большем циркулирующем объеме. Поскольку испарение холодильного агента является необходимой частью процесса, жидкий холодильный агент и масло должны заполнять только часть испарителя.
Также известна периодическая очистка холодильного агента или охладительной системы путем возвращения через систему очищенного холодильного агента для очищения системы. Однако при использовании такого способа обычно допускаются довольно значительное изменение эффективности системы и относительно большие расходы на техническое обслуживание. Кроме того, при использовании такого способа обычно не допускается, чтобы уровень масла был оптимальным (ненулевым) в испарителе и, например, в конденсаторе. Поэтому типовое техническое обслуживание осуществляют, чтобы получать "чистую" систему, которая может быть субоптимальной, подвергаемой возрастающим изменениям после обслуживания. Холодильный агент из холодильной системы может быть востребован или возвращен обратно для отделения масла и получения чистого холодильного агента путем выполнения ручной обработки, для которой требуется остановка системы.
Патент США № 6260378, специально включенный в настоящее описание посредством ссылки, относится к системе для очистки холодильного агента, в частности для управляемого удаления неконденсирующихся паров.
Для масла характерна тенденция к скоплению в испарителе, поскольку в основной конструкции отсутствует собственная часть для возврата масла в маслосборник. Когда его количество превышает оптимальное, эффективность системы обычно снижается вследствие повышения концентрации масла в испарителе. Следовательно, накопление больших количеств масла холодильника внутри испарителя будет снижать эффективность системы.
Для непрерывного удаления масла из холодильного агента холодильника, входящего в испаритель, могут быть предусмотрены встроенные устройства. Эти устройства включают так называемые отводные части для масла, посредством которых масло и холодильный агент удаляются из испарителя, при этом масло возвращается в маслосборник, а парообразный холодильный агент в компрессор. Эффективность этих устройств для непрерывного удаления обычно зависит от степени обхода испарителя частью холодильного агента и от потенциальной возможности источника теплоты испарять или частично дистиллировать холодильный агент для отделения масла. Поэтому только небольшая часть холодильного агента, выходящего из конденсатора, может быть подвергнута воздействию этого процесса, что приводит к плохому регулированию уровня масла в испарителе и к потере эффективности. Не имеется адекватной системы для управления отводной частью. Предпочтительно, чтобы отводная часть была относительно небольшого размера и функционировала непрерывно. Отводная часть большого размера будет относительно неэффективной, поскольку теплота испарения используется в процессе неэффективно.
Другой способ удаления масла из испарителя заключается в создании шунта для передачи части смеси жидкого холодильного агента и масла из испарителя в компрессор, при этом масло подвергают обычной обработке с возвратом в систему. Однако такой шунт может быть неэффективным и трудно управляемым. Кроме того, используя этот способ, трудно получать и поддерживать низкую концентрацию масла.
Патент США № 6233967, специально включенный в настоящее описание посредством ссылки, относится к системе регенерации масла в холодильной установке, в которой масло при высоком давлении используется для продвижения текучей среды в отводной части. См. также патенты США № 6170286 и 5761914, специально включенные в настоящее описание посредством ссылки.
Как при отводной части, так и при шунте в случае, когда количество масла достигает уровня, например, около 1%, то 99% отделяемой текучей среды составляет холодильный агент, что приводит к значительному снижению эффективности процесса.
Следует отметить, что трудно точно сделать замер и определить концентрацию масла в испарителе. При кипении холодильного агента концентрация масла возрастает. Поэтому концентрация масла вблизи поверхности холодильного агента выше, чем в объеме. Однако, когда кипящая жидкость перемешивается, возникают неоднородности и становится трудно или невозможно сделать точный замер. Кроме того, неясно, что средняя объемная концентрация масла представляет собой значащую управляющую переменную, не говоря уже о влиянии масла на различные элементы. Поскольку концентрацию масла измерить трудно, то также трудно измерить количество холодильного агента в испарителе. Трудность измерения количества холодильного агента усугубляется тем, что во время работы в испарителе происходят кипение и пенообразование; при измерении количества во время остановки системы необходимо считаться с любым изменением распределения холодильного агента между другими элементами системы.
Известно, что условия зарядки охладителя могут оказывать существенное влияние как на производительность системы, так и на коэффициент полезного действия системы. Очевидно, что при недостаточном количестве жидкого холодильного агента в испарителе система не может удовлетворять требованиям в части охлаждения, и это ограничивает производительность. Поэтому, чтобы манипулировать с большей тепловой нагрузкой, требуется большее количество холодильного агента, по крайней мере в испарителе. Однако в типовых конструкциях при образовании такого большого заряда холодильного агента коэффициент полезного действия системы при пониженных нагрузках уменьшается, и поэтому для того же самого охлаждения в единицах БТЕ (БТЕ - британская тепловая единица) требуется больше энергии. См. статью: Bailey Margaret В., "System performance characteristics of a helical rotary screw air-cooled chiller operating over a range of refrigerant charge conditions", ASHRAE Trans. 1998, 104(2), специально включенную в настоящее описание посредством ссылки. Следовательно, при правильном выборе "размера" (например холодильной производительности) охладителя коэффициент полезного действия повышается. Обычно производительность охладителя определяется максимальной ожидаемой расчетной нагрузкой, и следовательно, для любой заданной расчетной нагрузки количество заряда холодильного агента в типовой конструкции является предписанным. Поэтому для получения повышенной эффективности системы используют способ модуляции активности, в соответствии с которым в зависимости от нагрузки избирательно приводят в действие одну или несколько из большого количества подсистем, чтобы обеспечить возможность эффективной работы каждой подсистемы с получением высокой нагрузочной способности всей системы при всех работающих подсистемах. См. Trane "Engineer's Newsletter", December 1996, 25(5):1-5. В другом известном способе осуществляют изменение частоты вращения ком
прессора. См. патент США № 5651264, специально включенный в настоящее описание посредством ссылки. Кроме того, можно регулировать частоту вращения компрессора, используя электронное управление двигателем, или производительность системы путем ограничения холодильного агента, входящего в компрессор.
Эффективность охладителя обычно повышается с ростом нагрузки охладителя. Поэтому в случае оптимальной системы работа системы происходит вблизи номинального значения. Однако использование уровня заряда холодильного агента, более высокого по сравнению с номинальным полным уровнем, приводит к резкому падению эффективности. Кроме того, нагрузочная способность охладителя накладывает ограничение на минимальный уровень заряда холодильного агента. Поэтому видно, что для максимальной эффективности существует оптимальный уровень заряда холодильного агента. Как указывалось выше, когда уровень масла в испарителе повышается, оно замещает холодильный агент и оказывает независимое влияние на эффективность системы.
Существуют системы для измерения коэффициента полезного действия охладителя, т.е. холодильной системы, в которой охлаждение осуществляется водой или водным раствором, например рассолом. В этих системах коэффициент полезного действия вычисляется на основании потребляемой электроэнергии Вт-ч (ВхАхч) на единицу охлаждения, обычно тонну или БТЕ (британскую тепловую единицу), количество энергии, необходимой для изменения температуры одной британской тонны воды на 1°C. Поэтому для измерения коэффициента полезного действия требуются, как минимум, измеритель электроэнергии (измеритель времени, вольтметр, амперметр), термометры и измерители расхода на впуске и выпуске воды. Обычно предусматривают дополнительные приборы, в том числе манометр для воды в охладителе, измерители давления и температуры в испарителе и в конденсаторе. Для вычисления коэффициента полезного действия в БТЕ/кВт-ч также предусматривают процессор системы регистрации данных.
Патенты США № 4437322, 4858681, 5653282, 4539940, 4972805, 4382467, 4365487, 5479783,
4244749, 4750547, 4645542, 5031410, 5692381, 4071078, 4033407, 5190664 и 4747449, специально включенные в настоящее описание посредством ссылки, относятся к теплообменникам и к аналогичным устройствам.
Существует ряд известных способов и устройств для отделения холодильных агентов, описанных в
патентах США № 2951349, 4939905, 5089033, 5110364, 5199962, 5200431, 5205843, 5269155, 5347822,
5374300, 5425242, 5444171, 5446216, 5456841, 5470442, 5534151 и 5749245, специально включенных в настоящее описание посредством ссылки. Кроме того, существует ряд известных систем регенерации холодильного агента, описанных в патентах США № 5032148, 5044166, 5167126, 5176008, 5189889,
5195333, 5205843, 5222369, 5226300, 5231980, 5243831, 5245840, 5263331, 5272882, 5277032, 5313808, 5327735, 5347822, 5353603, 5359859, 5363662, 5371019, 5379607, 5390503, 5442930, 5456841, 5470442,
5497627, 5502974, 5514595 и 5934091, специально включенных в настоящее описание посредством ссылки. Также известны системы для анализа свойств холодильного агента, рассмотренные в патентах США № 5371019, 5469714 и 5514595, специально включенных в настоящее описание посредством ссылки.
Сущность изобретения
Согласно настоящему изобретению предлагаются устройство и способ для оптимизации работы холодильной системы.
В большей части известных холодильных систем управление выражается в основном в том, что обеспечивается отсутствие возврата жидкого холодильного агента в компрессор или же гарантируется, что предполагаемое количество холодильного агента в испарителе соответствует заранее определенному заданному уровню.
Согласно настоящему изобретению оптимальный уровень холодильного агента и масла в испарителе не является заранее определенным. Точнее, подразумевается, что со временем характеристики системы, как и характеристики нагрузки, могут изменяться и что для оптимального управления требуется большая сложность. Точно так же подразумевается, что непосредственные измерения эффективных значений относительных параметров могут быть невозможными, и поэтому могут быть образованы заменители.
Согласно настоящему изобретению образована пара контуров управления, внутренний контур и внешний контур. Внутренний контур регулирует компрессор, т.е. движущая сила для перекачки тепла. Этот внутренний контур управления получает единственный входной сигнал из внешнего контура и в соответствии с ним оптимизирует работу компрессора, например, частоту вращения компрессора, продолжительность включения, положение входных лопастей и т.п. Управляемый расширительный клапан (обычно расположенный между конденсатором и испарителем), если он имеется, также включен в этот внутренний контур управления. Поэтому внутренний контур управления регулирует скорость подачи жидкого холодильного агента в испаритель.
Внешний контур управления регулирует распределение холодильного агента между испарителем и аккумуляторным элементом холодильного агента в системе. Аккумулятор обычно не является "функциональным" элементом системы в том смысле, что количество холодильного элемента в аккумуляторе
не является критичным, просто этот элемент обеспечивает возможность изменения количества холодильного агента где-либо в системе. Аккумулятором может быть нижняя часть конденсатора, отдельный аккумулятор или даже резервная часть испарителя, которая не принимает существенного участия в процессе охлаждения.
Во время работы в установившемся режиме подача жидкого холодильного агента из конденсатора равна расходу парообразного холодильного агента, подаваемого в компрессор. Поэтому скорость поглощения теплоты в испарителе будет эффективно регулировать внутренний контур управления, предназначенный для компрессора. Обычно это поглощение теплоты может быть измерено или оценено большим количеством датчиков системы, включая измерения температуры и давления на выпуске испарителя, температуры и давления воды/рассола на впуске и выпуске испарителя и, возможно, температуры и давления в верхнем свободном пространстве конденсатора.
Наружный контур управления определяет оптимальный уровень холодильного агента в испарителе. Непосредственное измерение уровня холодильного агента в испарителе затруднительно по двум причинам: во-первых, испаритель заполнен холодильным агентом и маслом, и непосредственный замер содержимого испарителя во время работы системы, например путем использования оптического датчика концентрации масла, обычно не дает полезных результатов. Во время остановки системы концентрация масла может быть измерена точно, но в условиях такой остановки обычно становится возможным перераспределение холодильного агента в различные элементы системы. Во-вторых, во время работы холодильный агент и масло кипят и пенятся и поэтому уровень определять непросто. Точнее, предпочтительный способ получения заключения о количестве холодильного агента в испарителе, особенно об изменениях в течение короткого периода времени, заключается в контроле уровня холодильного агента в аккумуляторе, который предпочтительно представляет собой нижнюю часть конденсатора или связан с конденсатором. Поскольку этот холодильный агент является относительно чистым и удерживается в состоянии конденсации, то уровень относительно легко измерить. Вследствие того, что остальные элементы системы содержат в основном пар холодильного агента, то измерение уровня холодильного агента в конденсаторе или в аккумуляторе обеспечивает получение полезной информации для определения изменений уровня холодильного агента в испарителе. Если начальные уровни как в аккумуляторе или в конденсаторе, так и в испарителе известны (даже во время состояния остановки), то могут быть вычислены абсолютные показатели.
Конечно, существуют другие средства для измерения или вычисления количества холодильного агента в испарителе, и широкие варианты осуществления изобретения не ограничены предпочтительным способом измерения.
Однако согласно настоящему изобретению обеспечивается отделение холодильного агента с регулированием переменной относительно количества в испарителе. Внешний контур регулирует этот уровень до достижения оптимального состояния.
Для холодильной системы коэффициент полезного действия вычисляют в единицах энергии на единицу теплопередачи. Энергия может быть приложена в виде электричества, газа, угля, пара или другого источника и может быть измерена непосредственно. Как известно из уровня техники, также можно использовать оценку по косвенным показателям. Теплопередача также может быть вычислена известным способом. Например, теплопередачу к воде для охлаждаемого процесса вычисляют путем измерения или оценки расхода и температур на впуске и выпуске.
Хотя можно отобразить алгоритм управления в зависимости от желаемого распределения холодильного агента при большом количестве состояний нагрузки, в предпочтительном варианте осуществления изобретения производят адаптивное управление. При таком адаптивном управлении во время переходного процесса в системе, который может обычно происходить или инициироваться, определяют изменение коэффициента полезного действия системы при изменениях распределения холодильного агента в заданной рабочей точке. Например, если процесс изменяется, и при этом требуется другое рассеяние теплоты нагрузки, то это будет отображено изменением температуры воды на впуске и/или расхода. Следствием этого изменения будет другая скорость испарения холодильного агента в испарителе и, следовательно, переходное изменение распределения. До или в сочетании с корректировкой распределения холодильного агента блоком управления контролируется коэффициент полезного действия системы. Этим контролем обеспечивается возможность управления разработкой модели системы, которая затем дает возможность прогнозировать оптимальную поверхность управления. Внешний контур распределяет холодильный агент для получения оптимального коэффициента полезного действия. Следует отметить, что, хотя обычно коэффициент полезного действия выражается в кВт/т, другие показатели коэффициента полезного действия могут быть использованы без существенного изменения стратегии управления. Например, вместо оптимизации самой холодильной системы может быть учтен производственный процесс. В этом случае для получения более глобальной оптимизации могут быть рассчитаны параметры продукции или экономические показатели процесса.
При глобальной оптимизации может также потребоваться управление другими системами или использование их для получения входных данных. Это может быть осуществлено известным способом.
Со временем масло перемещается из маслосборника компрессора в испаритель. Согласно одному аспекту изобретения предусмотрена управляющая система, посредством которой измеряется расход масла для оценивания уровня масла в испарителе. Поэтому посредством этой управляющей системы измеряются пополнение маслом маслосборника, возврат масла из выпускного отверстия компрессора и возврат масла из отводной части. Следует отметить, что масло в маслосборнике может быть смешано с холодильным агентом, и поэтому для простого измерителя уровня, видимо, потребуется компенсация, такая как кипячение пробы масла для удаления холодильного агента или использование датчика концентрации масла, например датчика оптического типа. Таким образом, можно оценить степень миграции масла в испаритель и в случае известного начального состояния или чистой системы оценить общее количество масла. Используя результаты измерений температуры и давления на выходе испарителя, а также температуры и давления воды на впуске и выпуске, также можно оценить коэффициенты теплопередачи в пучке труб и их ухудшение. Ухудшение качества холодильного агента, масла и теплопередачи представляют собой основные внутренние переменные, с помощью которых регулируется эффективность испарителя. На протяжении небольшого периода времени (и в предположении, что намеренно масло не добавлялось в испаритель) холодильный агент является исключительно эффективным и пригоден в качестве управляющей переменной. На протяжении больших периодов времени можно осуществлять регулирование отводной части для масла на основании предполагаемой или измеренной концентрации масла для возврата некоторого количества масла в испаритель до достижения оптимального уровня. На протяжении расширенных интервалов времени может осуществляться техническое обслуживание для корректировки ухудшения теплопередачи и очистки холодильного агента. Требования к такому техническому обслуживанию могут быть выражены в виде выходного сигнала управляющей системы. Например, управляющая система автоматически срабатывает для немедленной подстройки управляющей переменной до оптимального состояния. Эта подстройка инициируется изменением условий процесса или некоторого адаптивного самонастраивающегося процесса. Кроме того, за пределами установленного времени оптимизация поверхности управления будет изменяться. Когда эта поверхность изменяется со снижением общего коэффициента полезного действия, могут быть применены средства вторичной корректировки, такие как отводная часть для масла, очистка неконденсирующегося пара (обычно из конденсатора) и т.п. На протяжении длительного периода времени управляющей системой могут моделироваться важные параметры работы системы, связанные с моделью, и может определяться, когда требуется техническое обслуживание вследствие того, что система перестает действовать или заметна реальная низкая производительность, например пониженная теплопередача через пучок труб.
Как указывалось выше, внутренний контур управления обычно изолирован от непосредственного реагирования на изменения процесса. Кроме того, поскольку испаритель обычно находится снаружи внутреннего контура управления, то этот контур управления обычно не претерпевает неблагоприятных изменений с течением времени, за исключением скопления неконденсирующихся паров в конденсаторе, которые относительно легко прогнозируются на основании значения перегрева и относительно легко удаляются. Поэтому внутренний контур управления обычно может работать в соответствии с заранее определенной стратегией управления, и нет необходимости в том, чтобы он был адаптивным. Этим, в свою очередь, обеспечивается возможность многосвязного регулирования, например, частоты вращения двигателя, положения входных лопастей, и управления расширительным клапаном, осуществляемых на основании статической модели системы для достижения оптимальной эффективности при многообразных условиях.
С другой стороны, в случае изменений нагрузки системы внешний контур управления осуществляет регулирование кратковременной реакции системы преимущественно на основе оптимизации единственной переменной, распределения холодильного агента. В то время как статическую модель системы трудно или невозможно реализовать и при этом получать требуемую точность, такое управление легко реализовать адаптивным способом для компенсации изменений в системе, а на протяжении периода времени фактически для корректировки отклонений параметров системы, которые неблагоприятно влияют на эффективность системы.
Конечно, видно, что эти контуры управления и их алгоритмическая реализация могут быть объединены, и несомненно, что гибридизированная общая стратегия останется той же самой. В любой рабочей точке распределение холодильного агента регулируется для достижения максимальной эффективности. Система обнаруживает или тестирует эффективность как функцию управляющей переменной, чтобы компенсировать изменения характеристики системы.
Обеспечивается более детальный анализ основ распределения холодильного агента в качестве стратегии управления. Эффективность охладителя зависит от нескольких факторов, включая температуру переохлаждения и давление конденсации, которые, в свою очередь, зависят от уровня заряда холодильного агента, номинальной нагрузки охладителя, и температуры наружного воздуха. Сначала следует проанализировать переохлаждение в пределах термодинамического цикла. На фиг. 6А показана схема цикла сжатия паров, а на фиг. 6В показан реальный график зависимости температуры от энтропии, при этом пунктирной линией отражен идеальный цикл. При выходе компрессора в состояние 2, как показано на фиг. 6А, находящаяся под высоким давлением смесь горячего пара и масла проходит через масляный
сепаратор до поступления в трубы удаленного, охлаждаемого воздухом конденсатора, где холодильный агент отдает теплоту (Qh) воздуху, который перемещается посредством принудительной конвекции (или другой охлаждающей среды). В нескольких последних рядах змеевиков конденсатора находящийся под высоким давлением насыщенный жидкий холодильный агент должен переохлаждаться, например, в пределах от 10 до 20°F (от 5,6 до 11,1 °C) в соответствии с рекомендациями производителя, что показано состоянием 3 на фиг. 6В. Эта степень переохлаждения обеспечивает возможность надлежащей работы расположенного после конденсатора устройства, электронного расширительного клапана. Кроме того, степень переохлаждения находится в прямой связи с производительностью охладителя. Пониженная степень переохлаждения приводит к сдвигу состояния 3 вправо (на фиг. 6В) и к соответствующему сдвигу состояния 4 вправо, в результате чего снижается производительность испарителя при удалении теплоты (Q1).
Когда заряд холодильного агента в охладителе повышается, скопление холодильного агента, накапливаемого в конденсаторе на стороне высокого давления системы, также возрастает. Повышение количества холодильного агента в конденсаторе также происходит, когда нагрузка на охладитель уменьшается вследствие меньшего потока холодильного агента через испаритель, что приводит к повышенному накоплению (скоплению) в конденсаторе. Затопленный конденсатор является причиной повышения размера чувствительной к теплопередаче поверхности, используемой для переохлаждения, и соответствующего уменьшения площади поверхности, используемой для скрытой или изотермической теплопередачи, связанной с конденсацией. Поэтому как повышение величины заряда холодильного агента, так и снижение нагрузки охладителя приводят к повышенным температурам переохлаждения и температурам конденсации.
Поэтому согласно настоящему изобретению конденсатор или аккумулятор предусмотрен для снижения любой неэффективности, являющейся следствием изменяющегося заряда холодильного агента. Это может быть достигнуто посредством статической механической конфигурации или управляемой переменной конфигурации.
Повышенные температуры наружного воздуха или иного стока теплоты (среды, отводящей теплоту конденсатора) оказывают противоположное воздействие на работу конденсатора. По мере того как температура стока теплоты повышается, все большая площадь поверхности конденсатора используется для скрытой или изотермической теплопередачи, связанной с конденсацией, и соответствующая уменьшенная, чувствительная к теплопередаче поверхность используется для переохлаждения. Поэтому повышение температуры стока теплоты приводит к пониженным температурам переохлаждения и к повышенным температурам конденсации.
Как видно из фиг. 6В при повышении температуры переохлаждения состояние 3 сдвигается влево, тогда как при повышении температуры конденсации сдвигается кверху кривая, соединяющая состояния 2 и 3. Высокие температуры конденсации могут в конечном итоге приводить к перегрузке двигателя компрессора и к повышенному потреблению энергии компрессором или к пониженной эффективности. По мере возрастания переохлаждения в испаритель добавляется теплота, что приводит к сдвигу кверху кривой, соединяющей состояния 1 и 4. По мере повышения температуры испарения удельный объем холодильного агента, входящего в компрессор, также возрастает, приводя к повышенной мощности, подводимой к компрессору. Поэтому повышенные уровни заряда холодильного агента и пониженная нагрузка охладителя приводят к повышенному переохлаждению, которое приводит к повышенной мощности, подводимой к компрессору.
Как показано вблизи состояния 1 на фиг. 6В, степень перегрева выражается в небольшом повышении температуры после отхода холодильного агента от кривой насыщения. Испарившийся холодильный агент выходит из испарителя охладителя и входит в компрессор в виде перегретого пара. Согласно настоящему изобретению степень перегрева не является постоянной, а может быть изменена с учетом рабочих условий для достижения эффективности. В некоторых системах предпочтительно, чтобы обеспечивался минимальный перегрев, например 2,2°C, для исключения преждевременного отказа из-за образования капель и эрозии или выпадения осадка из жидкости. Однако любая степень перегрева обычно означает неэффективность. Согласно настоящему изобретению "издержки" из-за низких уровней перегрева при желании могут быть включены в оптимизацию с целью учета этого фактора. Или же в системах, допускающих низкие рабочие уровни перегрева, может быть предусмотрено ослабление или регулирование таких проблем.
Степень перегрева в конденсаторе может быть повышена, например, путем накопления неконденсирующихся паров, которые обусловливают термодинамическую неэффективность. Поэтому согласно одному аспекту изобретения степень перегрева контролируют и, если она повышается за пределы заданного уровня, может быть проведен цикл отделения неконденсирующихся паров или выполнена иная очистка холодильного агента. Неконденсирующиеся пары могут быть удалены, например, путем извлечения паровой фазы из конденсатора и подвергания ее значительному переохлаждению. В верхнем пространстве этой пробы будут преимущественно неконденсирующиеся пары, тогда как холодильный агент в пробе будет сжиженным. Сжиженный холодильный агент может быть возвращен в конденсатор или направлен
в испаритель.
Как рассматривалось ранее, повышение температуры стока теплоты вызывает повышение давления на выходе, которое, в свою очередь, обусловливает повышение давления во всасывающем трубопроводе компрессора. Обе кривые, соединяющие состояния 2 и 3 и состояния 4 и 1 на фиг. 6В, сдвигаются кверху вследствие повышения температуры стока теплоты. Сдвиг кверху кривых с 4 по 1 или повышение температуры испарения: холодильного агента приводит к снижению разности температур испарения. По мере снижения разности температур массовый расход через испаритель должен возрастать для удаления соответствующего количества теплоты из контура охлажденной воды. Поэтому повышение температуры стока теплоты вызывает повышение давления испарения, что приводит к повышенному массовому расходу холодильного агента через испаритель. Совместное действие более высокого массового расхода холодильного агента через испаритель и пониженной разности температур вызывает снижение температур перегрева. Следовательно, между температурой стока теплоты и температурами перегрева существует обратная зависимость.
При уменьшении заряда холодильного агента кривая, соединяющая на фиг. 6В состояния 2 и 3, сдвигается книзу, а степень переохлаждения уменьшается или состояние 3 на температурной диаграмме на фиг. 6В перемещается вправо. В жидкостном трубопроводе, проходящем к расширительному устройству, начинают появляться пузырьки вследствие повышенного количества парообразного холодильного агента, выходящего из конденсатора. Без соответствующей степени переохлаждения в холодильном агенте, входящем в расширительное устройство (состояние 3 на фиг. 6В), устройство не работает оптимальным образом. Кроме того, уменьшение заряда холодильного агента обусловливает уменьшение количества холодильного агента, который проходит в испаритель, и соответствующее снижение производительности и повышение перегрева и давления всасывания. Таким образом, между уровнем заряда холодильного агента и температурой перегрева существует обратная зависимость.
Согласно настоящему изобретению отвод из конденсатора включает упругий резервуар, и поэтому может обеспечиваться благоприятная возможность для достижения желаемого уровня переохлаждения. Точно так же, поскольку предусмотрен резервуар, заряд холодильного агента предполагается избыточным относительно того, какой требуется при всех рабочих условиях, и поэтому он не будет ограничивающим. Также можно иметь гибридную стратегию управления, когда резервуар выполнен небольшого размера, и следовательно, при малой нагрузке холодильный агент собирается в резервуаре, тогда как при большой нагрузке заряд холодильного агента является ограничивающим. Управляющая система согласно настоящему изобретению может, конечно, компенсировать этот фактор соответствующим образом. Однако предпочтительно, чтобы в случае, когда заряд холодильного агента не является ограничивающим, температура перегрева регулировалась независимо. Точно так же, даже если заряд холодильного агента достаточен, в испаритель может быть искусственно осуществлена недостаточная подача холодильного агента как часть стратегии управления.
При экстремальных условиях недозарядки холодильным агентом (ниже -20% заряда) недозарядка холодильным агентом вызывает повышение давления всасывания. В общем случае среднее давление всасывания повышается с увеличением заряда холодильного агента при всех уровнях заряда выше -20%. Уровень заряда холодильного агента представляет собой важную переменную при определении как температуры перегрева, так и давления всасывания.
Предложены система и способ измерения, анализа и управления производительностью и коэффициентом полезного действия холодильной системы путем оснащения холодильной системы приборами для измерения коэффициента полезного действия, выбора переменной процесса для управления и изменения переменной процесса. Переменная процесса может быть изменена во время работы холодильной системы при измерении коэффициента полезного действия.
При производственном процессе холодильная система должна иметь достаточную производительность для охлаждения объекта до желаемой степени. Если производительность недостаточна, основной процесс может прекратиться, иногда катастрофически. Следовательно, поддержание достаточной производительности, а часто и резерва установленной мощности является критичным требованием. Поэтому понятно, что, когда производительность является ограничивающей, отклонения от оптимальной работы системы могут быть допустимыми и даже желательными для поддержания процесса в пределах допустимых уровней. На протяжении длительного периода времени могут быть использованы этапы, выполнение которых гарантирует, что система имеет адекватную производительность для эффективной работы. Например, техническое обслуживание системы для удаления накипи в пучке труб или другого препятствия для теплопередачи, очистка холодильного агента (например, для удаления излишнего масла) и теплопередающих поверхностей на стороне холодильного агента и продувка неконденсирующихся паров могут выполняться отдельно или совместно.
Эффективность также является важной, хотя неэффективная система необязательно отказывает. Эффективность и производительность системы часто связаны, поскольку неэффективность обычно снижает производительность системы.
Согласно другому варианту осуществления обеспечивают набор измерений состояний холодильной системы, который затем анализируют для выявления непротиворечивости и извлечения основных пара
метров, таких как эффективность. Например, посредством непротиворечивости оцениваются допущения, присущие модели системы, и поэтому она может отражать отклонения реальной работы системы от модельной работы. Когда реальная система слишком отклоняется от модели, реальные измерения параметров системы будут отклоняться от их термодинамических теоретических заменителей. Например, когда характеристика теплообменника ухудшается вследствие, например, скопления накипи на пучке труб или температура перегрева в компрессоре повышается, например, из-за неконденсирующихся паров, эти факторы выявляются в соответствующем наборе измерений состояния системы. Такие измерения могут быть использованы для оценки производительности холодильной системы, а также факторов, которые приводят к неэффективности системы. Они, в свою очередь, могут быть использованы для оценки улучшения характеристик, которая может быть осуществлена для системы путем возврата ее в оптимальное состояние, и для выполнения анализа затрат и выгод в интересах любых таких попыток.
Обычно до выполнения обширного и дорогостоящего технического обслуживания предпочтительно оснастить систему приборами для контроля характеристик в реальном времени, а не для простого анализа состояния. Моделирование таких характеристик в реальном времени обычно требует больших затрат и не является частью нормальной работы системы; тогда как адекватная информация для анализа состояния может быть получена в основном на основании контроля системы. При использовании системы контроля в реальном времени анализ рабочих характеристик может быть выполнен в условиях флуктуации.
Эта схема также может быть использована в системах других видов, а не ограничена холодильными системами. Тем самым набор измерений с датчиков получают и анализируют относительно модели системы. Затем анализ может быть использован для подстройки рабочих параметров системы, инициирования процедуры технического обслуживания или в качестве части анализа затрат и выгод. Системы, в которых такой способ может быть осуществлен, включают двигатели внутреннего сгорания, турбины, гидравлические и пневматические системы.
Предпочтительно, чтобы эффективность регистрировалась совместно с переменными процесса. Поэтому для каждой системы может быть измерена реальная чувствительность эффективности, обнаруженная непосредственно или с помощью косвенных измерений, к переменной процесса.
Согласно дополнительному аспекту изобретения предложен экономический способ эксплуатации комплексной системы на основе снижения затрат, а не на основе обычных затрат на техническое обслуживание или на основе твердой суммы. Согласно этому аспекту изобретения вместо технического обслуживания и эксплуатации системы на основе отчислений, исходя из ее непосредственной стоимости, компенсация базируется на метрических характеристиках системы. Например, измеряют характеристики базовой системы. После этого задают минимальную производительность системы, и систему обслуживают иным образом при значительной свободе действия сервисной организации, предположительно на основе затрат и результата такого технического обслуживания, при этом с сервисной организацией расплачиваются на основе характеристик системы, например, в процентах снижения затрат относительно базовой системы. Согласно настоящему изобретению данные от управляющей системы могут быть использованы для определения ухудшения параметров системы относительно эффективного состояния. Согласно изобретению также обеспечивается возможность контроля характеристик системы и дистанционной передачи данных о таких характеристиках в сервисную организацию, например, по радиоканалу восходящей связи, с помощью модемной связи по телефонным линиям или по компьютерной сети. Эта передача может также обеспечить возможность экстренного сообщения сервисной организации о потенциальной возможности отклонения процесса с течением времени, чтобы предотвратить последующий и вытекающий из этого отказ системы.
В этом случае характеристики системы контролируют часто или непрерывно и, если производительность системы достаточна, в каждый момент времени решают, будет ли иметься экономическая эффективность при выполнении некоторого технического обслуживания, такого, как очистка холодильного агента, удаление накипи из испарителя или его очистка, продувка неконденсирующихся паров и т.п. Обычно в случае, если производительность системы упала ниже предварительно заданного резервного значения (которое можно изменять сезонно или на основании других факторов), может потребоваться техническое обслуживание. Однако даже в этом случае падение производительности системы может быть следствием многочисленных факторов, и после этого может быть выбран наиболее эффективный вариант ликвидации последствий для экономичного достижения адекватных характеристик системы.
После технического обслуживания или ремонта системы управляющая система может быть приведена в исходное состояние или перенастроена для гарантии того, что работа системы не будет ошибочно находиться под управлением параметров до технического обслуживания или до ремонта.
Согласно второму основному варианту осуществления настоящего изобретения могут быть выполнены многомерная оптимизация и управление. В случае многомерного анализа и управления вследствие взаимодействия между переменными или комплексным набором постоянных времени может потребоваться сложная управляющая система. Для оптимизации работы системы могут быть осуществлены способы управления нескольких видов. Обычно после выбора управления соответствующего вида его необходимо подстроить к системе и тем самым установить границы эффективной работы и связь входных переменных с датчиков с эффективностью системы. Часто при управлении учитываются временные за
держки, присущие системе, например, для исключения нежелательного колебания или неустойчивости. Во многих случаях при анализе рабочего пространства могут быть сделаны упрощающие предположения или выполнено деление на сегменты для получения традиционных аналитических решений задач управления. В других случаях для анализа всей области входных переменных применяют нелинейные методы. Наконец, применяют гибридные методы, используя как нелинейные методы, так и упрощающие предположения или сегментацию рабочего пространства.
Например, во втором основном варианте осуществления изобретения предпочтительно, чтобы область рабочих условий была разделена на сегменты по ортогональным очертаниям, а чувствительность системы к управлению переменной процесса измерялась для каждой соответствующей переменной в сегменте. Этим обеспечивается возможность, например, монотонного изменения каждой переменной во время фазы тестирования или обучения вместо требования увеличения и уменьшения соответствующих переменных для отображения всего рабочего пространства. С другой стороны, для обеспечения высокой скорости измерения в случае одной переменной предпочтительно, чтобы переменная во время измерений изменялась непрерывно.
Конечно, может оказаться невозможным измерение ортогональных (автономных) параметров. Поэтому согласно другому аспекту изобретения обеспечивается возможность получения множества данных, относящихся к работе и к характеристикам системы, и анализа характеристик системы на основании этих данных. Точно так же во время непрерывного контроля характеристик системы можно использовать существующие (обычно возникающие) возмущения в системе для определения характеристик системы. В качестве альтернативы система может быть выполнена регулируемой для включения достаточного набора возмущений для определения соответствующих характеристик системы способом, который не будет причиной неэффективности или нежелательных характеристик системы.
В адаптивной управляющей системе чувствительность коэффициента полезного действия к небольшим возмущениям управляющих переменных измеряется во время действительной работы системы, а не в режиме тестирования или обучения, как в самонастраивающейся системе, что может оказаться трудным для осуществления, а измерения могут быть неточными или неполными, если конфигурацию или характеристики системы изменяют после обучения или тестирования. Ручная подстройка, при которой от оператора требуется выполнять различные тестовые процедуры или процедуры метода проб и ошибок для определения соответствующих параметров управления, обычно неосуществима, поскольку характеристики каждой установки на протяжении всего рабочего диапазона часто полностью не охарактеризованы и испытывают изменения со временем. Некоторые способы ручной подстройки описаны в Seborg D.E., Edgar T.F. and Mellichamp D.A., Process dynamics and control, John Wiley &Sons, New York (1989), и Corripio А.В., "Tuning of industrial control systems", Instruments Society of America, Research
Triangle Park, N.C. (1990).
Для способов автоподстройки требуется периодически инициируемая подстройка, во время которой контроллером прерывается обычный процесс управления для автоматического определения соответствующих параметров управления. Поэтому параметры управления остаются неизменными до следующей процедуры подстройки. Некоторые процедуры автоподстройки описаны в Astrom K.J. and Hagglund Т., "Automatic tuning of PID controllers", Instrument Society of America, Research Triangle Park, N.C. (1988). Контроллеры автоподстройки могут запускаться оператором или самостоятельно через фиксированные периоды времени либо на основании внешнего действия, либо на основании вычисленного отклонения от заданных характеристик системы.
В случае способов адаптивного управления управляющие параметры автоматически корректируются во время нормальной работы для подгонки к изменениям динамики процесса. Кроме того, управляющие параметры непрерывно обновляются для предотвращения ухудшения характеристик, которое может происходить между подстройками другими способами. С другой стороны, способы адаптивного управления могут привести к неэффективности вследствие необходимости периодического отклонения от "оптимального" условия для проверки оптимальности. Кроме того, адаптивное управление может быть сложным и может потребоваться высокий уровень интеллекта системы. С достижением преимущества при управлении может контролироваться работа системы и могут выбираться или видоизменяться соответствующие действия для регистрации данных. Например, в системе, работающей в соответствии с парадигмой широтно-импульсной модуляции, длительность и/или частоту импульсов можно изменять особым образом для получения данных относительно различных рабочих состояний без побуждения системы к ненужному отклонению от допустимого эксплуатационного диапазона.
Разработаны многочисленные способы адаптивного управления. См., например, Harris C.J. and Billings S.A., "Self-tuning and adaptive control: Theory and application", Peter Peregrinus LTD (1981). Существуют три основных способа адаптивного управления: адаптивное управление с эталонной моделью (MRAC), управление с самонастройкой и адаптивное управление с распознаванием образов (PRAC). Первые два способа, адаптивное управление с эталонной моделью и самонастройка, основаны на моделях системы, которые обычно являются очень сложными. Сложность моделей вызвана необходимостью предвидения необычных или ненормальных рабочих условий. В частности, адаптивное управление с эталонной моделью включает корректировку управляющих параметров до тех пор, пока реакция систе
мы на командный сигнал не будет повторять реакцию эталонной модели. Управление с самонастройкой включает определение параметров модели процесса в истинном масштабе времени и корректировку управляющих параметров, основанную на параметрах модели процесса. Способы осуществления адаптивного управления с эталонной моделью описаны в Astrom K.J. and Wittenmark В., "Adaptive control", Addison-Wesley Publishing Company (1989). В промышленных охладителях адекватные модели обычно недоступны для осуществления управления, так что управление с самонастройкой предпочтительнее по сравнению с традиционным адаптивным управлением с эталонной моделью. С другой стороны, как рассматривалось выше, удовлетворительная модель может быть доступна для оценки эффективности и производительности системы.
В случае адаптивного управления с распознаванием образов параметры, которые характеризуют образы реакции замкнутого контура, определяются после существенных изменений заданных величин или возмущений нагрузки. Затем управляющие параметры корректируются на основе характеристических параметров реакции замкнутого контура. Адаптивный контроллер с распознаванием образов, известный как EXACT, описан в Kraus T.W. and Myron T.J., "Self-tuning PID controller uses pattern recognition approach", Control Engineering, pp. 106-111, June 1984, Bristol E.H. and Kraus T.W., "Life with pattern adaptation", Proceedings 1984 American Control Conference, pp. 888-892, San Diego, Calif. (1984) и Astrom K.J. and Hagglund T. "Automatic tuning of PID controllers", Instrument Society of America, Resears Triangle Park, N.C. (1988). См. также патент США № Re. 33267, специально включенный в настоящее описание посредством ссылки. В способе EXACT, аналогично другим способам адаптивного управления, при нормальной работе не требуется вмешательства оператора в корректировку управляющих параметров. До начала нормальной работы для способа EXACT необходим период времени для осторожного контролируемого пуска и тестирования. В течение этого периода времени инженер определяет оптимальные начальные значения для коэффициента усиления контроллера, постоянной времени интегрирующего звена и постоянной времени дифференцирующего звена. Инженер также определяет предполагаемую полосу частот шумов и максимальное время ожидания процесса. Полоса частот шумов представляет собой величину, представляющую ожидаемую амплитуду шума в сигнале обратной связи. Максимальное время ожидания представляет собой максимальное время, в течение которого алгоритм EXACT будет находиться в ожидании второго пика в сигнале обратной связи после обнаружения первого пика. Кроме того, до прихода контроллера в режим нормальной эксплуатации оператор может также точно определить другие параметры, такие как максимальный коэффициент демпфирования, максимальный выброс, предел изменения параметров, коэффициент отклонения и размер шага. В действительности, подготовка этих параметров квалифицированным инженером обычно соответствует установочному процессу для любого управления промышленным охладителем, и поэтому такое ручное определение начальных рабочих точек предпочтительно перед способами, которые начинаются без априорных предположений, поскольку неуправляемое исследование рабочего пространства может быть неэффективным или опасным.
Согласно настоящему изобретению рабочие параметры системы не должны ограничиваться априорным "безопасным" рабочим диапазоном, когда относительно экстремальные значения параметров могут обеспечивать улучшенные характеристики при сохранении запаса безопасности, при этом с обнаружением или предсказанием ошибочных или искаженных данных датчиков,. Поэтому при использовании модели системы, сконструированной во время работы, возможно, чтобы, наряду с ручным вводом вероятных нормальных эксплуатационных пределов, система анализировала данные датчиков для определения вероятности отказа системы, и следовательно, с большей надежностью можно внедрять действенные стратегии управления. Если вероятность превышает пороговую величину, может быть отображена ошибка или приняты другие меры по исправлению положения.
Второй известный адаптивный контроллер с распознаванием образов описан в Rohrer Chuck and Nelser Clay G., "Self-tuning using a pattern recognition approach", Johnson Controls, Inc., Research Brief 228 (Jun. 13, 1986). Контроллер Rohler вычисляет оптимальные управляющие параметры на основе коэффициента демпфирования, который, в свою очередь, определяется спадом сигнала обратной связи и необходим инженеру при вводе множества начальных значений до того, как может начаться нормальная работа, таких как начальные значения для диапазона пропорционального регулирования, постоянная времени интегрирующего звена, зона нечувствительности, настройка полосы частот шумов, настройка коэффициента изменений, входного фильтра и выходного фильтра. Следовательно, в этой системе особое значение придается временным управляющим параметрам.
Ручная подстройка контуров может быть долгосрочной, особенно для процессов с медленной динамикой, охватывающей промышленные и коммерческие охладители. Различные способы для автоподстройки пропорционально-интегральных дифференциальных контроллеров описаны в Astrom K.J. and Hagglund Т., "Automatic tuning of PID controllers", Instrument Society of America, Research Triangle Park, N.C., 1988, и Seborg D.E.T., Edgar T.F. and Mellichamp D.A., "Process dynamics and control", John Wiley &Sons, 1989. Отдельные способы основаны на динамическом отклике разомкнутого контура на ступенчатое изменение выходного сигнала контроллера, а другие способы основаны на частотном отклике при некоторой форме управления с обратной связью. Способы ступенчатого отклика разомкнутого
контура чувствительны к возмущениям нагрузки, а для способов частотного отклика требуется значительное время для подстройки систем с большими постоянными времени. Способ динамического отклика согласно Ziegler-Nichols отражает отклик на ступенчатое изменение выходного сигнала контроллера, однако реализация этого способа чувствительна к шуму. См. также Nishikawa Yoshikazu, Nobuo Sannomiya, Tokuji Ohta and Haruki Tanaka, "A method for autotuning of PID control parameters", Automatica,
volume 20, No. 3, 1984.
Для некоторых систем часто трудно определить достиг ли процесс установившегося состояния. Во многих системах, если проверка прекращается слишком рано, оценки временной задержки и постоянной времени могут значительно отличаться от действительных значений. Например, если проверка прекращается спустя время, равное трем постоянным времени реакции первого порядка, то оцененная постоянная времени будет равна 78% действительной постоянной времени, а если проверка прекращается спустя время, равное двум постоянным времени, то оцененная постоянная времени будет равна 60% действительной постоянной времени. Следовательно, важно анализировать систему таким образом, чтобы можно было точно определять постоянные времени. Поэтому в самонастраивающейся системе с помощью алгоритма можно получать данные о подстройке на основании обычных возмущений системы или путем периодического тестирования чувствительности установки к умеренным возмущениям вокруг рабочей точки управляемой переменной (управляемых переменных). Если системой определяется, что рабочая точка неэффективна, управляемая переменная (управляемые переменные) изменяется, чтобы повысить коэффициент полезного действия путем перемещения к оптимальной рабочей точке. Коэффициент полезного действия может быть определен на абсолютной основе, например, путем измерения потребленной электроэнергии в кВт-ч (или в другой системе показателей потребления энергии) на одну БТЕ (БТЕ -британская тепловая единица) охлаждения или путем косвенных измерений потребления электроэнергии или охлаждения, например разностей температур и данных о потоке холодильного агента вблизи компрессора и/или воды во вторичном контуре вблизи испарителя/теплообменника. Когда затраты на единицу БТЕ не являются постоянными вследствие того, что имеются различные источники или затраты изменяются со временем, коэффициент полезного действия может быть определен в экономических терминах и соответствующим образом оптимизирован. Точно так же расчет коэффициента полезного действия может быть видоизменен путем включения других относительных "затрат".
Полная система регулирования мощности не требуется для оптимизации коэффициента полезного действия. Однако в зависимости от стоимости и доступности или по другим соображениям такая система регулирования мощности может быть предусмотрена.
Во многих случаях параметры изменяются линейно с нагрузкой и не зависят от других переменных, при этом упрощается анализ и обеспечивается возможность использования традиционной (например, линейной пропорционально-интегральной дифференциальной схемы управления). См. патенты США № 5568377, 5506768 и 5355305, специально включенные в настоящее описание посредством ссылки. С другой стороны, параметры, которые имеют многофакторные зависимости, легко не разрешаются. В этом случае может оказаться предпочтительным сегментирование управляющей системы на связанные инвариантные многофакторные контуры управления и простые, изменяющиеся во времени контуры управления, которые совместно эффективно управляют всей системой, как в предпочтительном варианте осуществления изобретения.
В качестве альтернативы может быть использовано управление на основе нейронной сети или нейронной сети с нечеткой логикой. Для обучения нейронной сети имеется ряд факультативных возможностей. Одна факультативная возможность заключается в создании особого режима обучения, в котором для получения обучающего множества рабочие условия изменяют, обычно систематически на протяжении всего рабочего пространства, путем придания системе искусственных или регулируемых нагрузок и внешних параметров с заранее заданными желаемыми реакциями системы. После этого нейронную сеть обучают, например, с помощью алгоритма обратного распространения ошибок, для образования выходных сигналов, которыми система смещается к оптимальной рабочей точке при реальных нагруженных состояниях. Управляемыми переменными могут быть, например, концентрация масла в холодильном агенте и/или заряд холодильного агента. См. патент США № 5579993, специально включенный в настоящее описание посредством ссылки.
Другая факультативная возможность заключается в работе системы в режиме непрерывного обучения, в котором локальное рабочее пространство системы отображается во время работы посредством управляющей системы для определения чувствительности системы к возмущениям переменных процесса, таким, как нагрузка процесса, окружающая температура, концентрация масла в холодильном агенте и/или заряд холодильного агента. Когда система определяет, что имеющаяся рабочая точка является субоптимальной, она смещает рабочую точку к предполагаемому более эффективному состоянию. Система может также выдать предупредительный сигнал о наличии особых изменений, который является рекомендацией для возврата системы к более эффективному рабочему режиму, когда такие изменения не могут быть отрегулированы самой системой. Если процесс имеет недостаточную изменчивость для адекватного отображения рабочей точки, с помощью алгоритма управления может быть выполнено методичное исследование пространства или инжекция псевдослучайного сигнала в одну или несколько управ
ляемых переменных, осуществляемая для обнаружения воздействия на производительность (эффективность). Обычно сами по себе такие способы исследования оказывают только небольшое влияние на эффективность системы и обеспечивают возможность обучения системы в новых условиях без явного вхождения в режим обучения после каждого изменения в системе.
Предпочтительно, чтобы управляющая система создавала отображение или модель рабочего пространства на основании опыта и в том случае, когда реальные характеристики системы соответствуют отображению или модели, использовала это отображение или модель для предсказания оптимальной рабочей точки и непосредственного управления системой для достижения предсказанного наиболее эффективного состояния. С другой стороны, когда реальные характеристики не соответствуют отображению или модели, осуществляется управление для создания нового отображения или модели. Следует отметить, что само по себе такое отображение (или модель) имеет небольшое физическое значение, и поэтому обычно полезно для применения только в конкретной сети, в которой оно создано. См. патент США № 5506768, специально включенный в настоящее описание посредством ссылки. Кроме того, можно наложить ограничение на сеть, чтобы иметь веса, которые соответствуют физическим параметрам, хотя это ограничение может привести к ошибкам в управлении или к неэффективному осуществлению или реализации.
См. также:
А, В, Corripio, "Tuning of Industrial Control Systems", Instrument Society of America, Research Triangle Park, NC (1990) pp. 65-81.
C. J. Harris & S. A. Billings, "Self-Tuning and Adaptive Control: Theory and Applications", Peter Peregrimis LTD (1981) pp. 20-33.
C. Rohrer & Clay Nesler, "Self-Tuning Using a Pattern Recognition Approach", Johnson Controls, Inc., Research Brief 228 (Jun. 13,1986).
D. E. Seborg, T. F. Edgar, Sc. D. A. Mellichamp, "Process Dynamics and Control", John Wiley & Sons, NY (1989) pp. 294-307,538-541.
E. H. Bristol & T. W. Kraus, "Life with Pattern Adaptation", Proceedings 1984 American Control Conference, pp. 888-892, San Diego, CA (1984).
Francis Schied, "Shaura's Outline Series-Theory & Problems of Numerical Analysis", McGraw-Hill Book Co., NY (1968) pp. 236,237,243,244,261.
K. J. Astrom and B. Wittenmark, "Adaptive Control", Addison-Wesley Publishing Company (1989) pp. 105-215.
K. J. Astrom, T. Hagglund, "Automatic Tuning of PID Controllers", Instrument Society of America, Research Triangle Park, NC (1988) pp. 105-132.
R. W. Haines, "HVAC Systems Design Handbook", TAB Professional and Reference Books, Blue Ridge Summit, PA (1988) pp. 170-177.
S. M. Pandit & S. M. Wu, "Timer Series & System Analysis with Applications", John Wiley & Sons, be, NY (1983) pp. 200-205.
T. W. Kraus 7 T. 3. Myron, "Self-Tuning PIP Controller Uses Pattern Recognition Approach", Control Engineering, pp. 106-111, Jun. 1984.
G F Page, J В Gomm & D Williams: "Application of Neural Networks to Modelling and Control", Chapman & Hall, London, 1993.
Gene F Franklin, J David Powell & Abbas Emami-Naehii: "Feedback Control of Dynamic Systems", Addison-Wesley Publishing Co. Reading, 1994.
George E P Box & Gwilym M Jenkins: "Time Series Analysis: Forecasting and Control", Holden Day, San Francisco, 1976.
Sheldon G Lloyd & Gerald D Anderson: Industrial Process Control", Fisher Controls Co., Marshalltown, 1971.
Kortegaard, B. L., "РАС-MAN, a Precision Alignment Control System for Multiple Laser Beams Self-Adaptive Through the Use of Noise", Los Alamos National Laboratory, date unknown.
Kortegaard, B. L., "Superfine Laser Position Control Using Statistically Enhanced Resolution in Real Time", Los Alamos National Laboratory, SPIE-Los Angeles Technical Symposium, Jan. 23-25, 1985.
Donald Specht, IEEE Transactions on Neural Networks, "A General Regression Neural Network", Nov. 1991, Vol. 2,No. 6, pp. 568-576.
Контроллеры с нечеткими алгоритмами могут быть обучены способом, во многом подобным способу обучения нейронных сетей, путем использования способов обратного распространения, ортогональных наименьших квадратов, схем поиска в таблице и выделения ближайших соседних кластеров с общими признаками. См. Wang L., "Adaptive fuzzy systems and control", New Jersey: Ptentice-Hall (1994); Chen Fu-Chuang, "Back-propagation neural networks for nonlinear self-tuning adaptive control", 1990 IEEE Control System Magazine.
Поэтому, хотя модель системы может быть полезной, особенно в случае больших изменений рабочих параметров системы, но этот механизм адаптации выгоден тем, что он не основан на формальной модели системы, в отличие от многих механизмов адаптации в реальном времени, таких как те, которые основаны на методах Ляпунова. См. Wang, 1994; Kang H. and Vachtsevanos G., "Adaptive fuzzy logic control", IEEE International Conference on Fuzzy Systems, San Diego, Calif. (Mar. 1992); Layne J., Passino K. and Yurkovich S., "Fuzzy learning control for antiskid braking systems", IEEE Transactions on Control Systems Technology, 1(2), p. 122-129 (1993).
Адаптивный контроллер с нечетким алгоритмом - это нелинейный контроллер со многими входами и выходами, который связывает нечеткий алгоритм управления с механизмом адаптации для непрерывного улучшения характеристик системы. Механизм адаптации изменяет местоположение выходных функций принадлежности в ответ на изменение характеристик системы. Механизм адаптации может быть использован автономно, совместно с основным оборудованием или при сочетании обоих режимов. Адаптивный контроллер с нечетким алгоритмом может быть применен как контроллер с обратной связью, при работе которого используются измеренные выходные данные процесса и эталонная траектория, или как контроллер с обратной связью и упреждающей компенсацией, при работе которого используются не только измеренные выходные данные процесса и эталонная траектория, но также измеренные возмущения и другие параметры системы. См. патенты США № 5822740 и 5740324, специально включенные в настоящее описание посредством ссылки.
Как рассматривалось выше, важной переменной процесса является содержание масла в холодильном агенте, находящемся в испарителе. В действительности, эта переменная может быть медленно регулируемой, обычно только при удалении, поскольку только в редких случаях содержание масла будет ниже желаемого уровня на протяжении любого значительного промежутка времени, а удаление добавляемого масла само по себе неэффективно. Чтобы задать алгоритм управления, переменную процесса, например содержание масла, непрерывно изменяют путем частичной дистилляции холодильного агента возле испарителя или входящего в испаритель для удаления масла, при этом в течение процедуры автоподстройки в испаритель подается чистый холодильный агент. С течением времени содержание масла будет приближаться к нулю. Во время этого процесса контролируют характеристики системы. С помощью этого способа можно определить оптимальное содержание масла в испарителе и чувствительность к изменениям содержания масла. В типовой установке оптимальная концентрация масла в испарителе близка к 0%, тогда как в случае, если система дооснащена управляющей системой для регулирования содержания масла в испарителе, она значительно выше оптимальной. Поэтому автоподстройка управляющей системы может происходить одновременно с ликвидацией неэффективности.
В действительности, содержание масла в испарителе можно регулировать независимо или регулировать совместно с другими переменными, такими, как заряд холодильного агента (или эффективный заряд в случае предпочтительного варианта осуществления, в котором предусмотрены аккумулятор для промежуточного накопления излишнего холодильного агента и контур управления для регулирования уровня холодильного агента в испарителе).
В соответствии с одной конструкцией для холодильного агента предусмотрен внешний резервуар. Холодильный агент извлекается из испарителя в резервуар через установку для частичной дистилляции, при этом масло аккумулируется отдельно. С учетом оптимизации управления холодильный агент и масло раздельно возвращаются в систему, т.е. пар холодильного агента в испаритель, а масло в контур компрессора. Этим способом при соответствующих уровнях заряда холодильного агента концентрация масла может поддерживаться оптимальной. Следует отметить, что эта система обычно является асимметричной; извлечение и частичная дистилляция холодильного агента происходят относительно медленно, тогда как зарядка системы холодильным агентом и маслом протекает относительно быстро. Если желательно быстрое извлечение холодильного агента, система для частичной дистилляции может быть на время обойдена. Однако обычно более важно быстро реагировать на пиковые нагрузки, чем получать более эффективные рабочие параметры вслед за пиковыми нагрузками.
Необходимо отметить, что согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения как отношение количества холодильного агента к количеству масла, так и заполнение холодильным агентом могут быть независимо управляемыми переменными работы системы.
Кроме того, работа компрессора может быть модулирована, например, путем регулирования степени сжатия, рабочего цикла компрессора (частоты импульсов, длительности импульсов и/или путем применения смешанной модуляции), путем ограничения потока на впуске компрессора и т.п.
Хотя мгновенная эффективность испарителя может быть измерена, исходя из того, что единственная камера внутри испарителя и, следовательно, небольшая временная задержка для смешивания, также
отмечается, что масляная фаза может прилипать к стенкам труб испарителя. При прохождении чистого холодильного агента через испаритель эта масляная фаза, которая имеет большую постоянную времени для отделения от стенок по сравнению с постоянной времени смешивания холодильного агента-наполнителя, удаляется. С достижением преимущества путем моделирования характеристик испарителя и системы контроля при удалении масляной фазы со стенок труб испарителя на стороне холодильного агента можно сделать оценку накипи или другого осадка на стенке трубы на стороне воды. Отсюда вытекает, что этот способ является полезным для определения влияния таких осадков на эффективность и может обеспечить возможность принятия разумного решения в отношении того, когда потребуется дорогостоящее и отнимающее много времени удаление накипи с пучка труб. Аналогично этому путем удаления излишнего масла со стенки трубы можно поддерживать эффективность, откладывая необходимость удаления накипи.
Оптимальный уровень заряда холодильного агента может подвергаться изменению при номинальных значениях нагрузки охладителя и температуры установки, при этом связанные (зависимые) переменные включают эффективность (кВт/т), температуру перегрева, температуру переохлаждения, давление на выходе, температуру перегрева, давление на всасывании и процентную погрешность температуры подаваемой охлажденной воды. Можно выполнить непосредственное измерение коэффициента полезного действия в кВт-ч/т или вывести его из других переменных, предпочтительно из температур процесса и расходов.
Сложные взаимозависимости переменных, а также предпочтительное использование заменяющих переменных вместо непосредственных данных об эффективности, говорят в пользу нелинейной модели нейронной сети, например модели, аналогичной использованной в: Bailey Margaret В., "System performance characteristics of a helical rotary screw air-cooled chiller operating over a range of refrigerant charge conditions", ASHRAE Trans. 1998, 104(2). В этом случае модель имеет входной слой, два скрытых слоя и выходной слой. Выходной слой обычно имеет один узел для каждой управляемой переменной, тогда как входной слой содержит один узел для каждого сигнала. Нейронная сеть Bailey включает пять узлов в первом скрытом слое и два узла для каждого выходного узла во втором скрытом слое. Предпочтительно, чтобы данные датчиков обрабатывались до ввода в модель нейронной сети. Например, линейная обработка выходных сигналов датчиков, нормирование данных, статистическая обработка и т.д. могут быть выполнены для снижения шума, получения соответствующих наборов данных или для уменьшения топологической или вычислительной сложности нейронной сети. В систему также может быть встроено обнаружение неисправностей с помощью дополнительных элементов нейронной сети (или отдельной нейронной сети) или путем анализа данных датчиков другим способом.
Стратегии оптимизации управления с обратной связью могут быть применены в переходных и динамических ситуациях. Эволюционная оптимизация (или генетические алгоритмы), при реализации которой специально вводят небольшие возмущения независимых управляющих переменных для сравнения результата с целевой функцией, может быть осуществлена непосредственно на самом процессе. Фактически, вся теория генетических алгоритмов может быть применена для оптимизации холодильных систем. См., например, патенты США № 6496761, 6493686, 6492905, 6463371, 6446055, 6418356, 6415272, 6411944, 6408227, 6405548, 6405122, 6397113, 6349293, 6336050, 6324530, 6324529, 6314412, 6304862, 6301910, 6300872, 6278986, 6278962, 6272479, 6260362, 6250560, 6246972, 6230497, 6216083, 6212466, 6186397, 6181984, 6151548, 6110214, 6064996, 6055820, 6032139, 6021369, 5963929, 5921099, 5946673, 5912821, 5877954, 5848402, 5778688, 5775124, 5774761, 5745361, 5729623, 5727130, 5727127, 5649065,
5581657, 5524175, 5511158, каждый из которых специально включен в настоящее описание посредством ссылки.
Согласно настоящему изобретению управляющая система может работать с множеством независимых или взаимозависимых параметров. Оптимизация установившегося состояния может быть использована относительно сложных процессов, имеющих большие постоянные времени, с переменными возмущения, которые изменяются нечасто. Кроме того, гибридные стратегии используют в ситуациях, включающих долговременную и кратковременную динамику. Гибридные алгоритмы обычно более сложные, а для их истинно эффективной реализации требуется разработка по индивидуальному заказу. Иногда управление с обратной связью может быть использовано в определенных ситуациях для достижения оптимальных характеристик установки.
Согласно одному варианту осуществления изобретения ухудшение теплопередачи на стороне холодильного агента по сравнению со стороной воды в теплообменнике испарителя можно различить при избирательном изменении состава холодильного агента, например, путем удаления масла и других примесей. Например, когда уровень масла в холодильном агенте уменьшается, корка затвердевшего масла на теплообменных трубах стороны холодильного агента также уменьшается, поскольку корка затвердевшего масла обычно растворяется в чистом холодильном агенте. В таком случае анализ теплообменника можно выполнить по меньшей мере двумя различными способами. Во-первых, если сторона холодильного агента полностью очищена от корки, то любое остальное ухудшение характеристик системы должно быть обусловлено корками на стороне воды. Во-вторых, в предположении линейности процесса устранения ухудшения на стороне холодильного агента степень ухудшения на стороне холодильного агента мо
жет быть оценена без фактического устранения всего ухудшения. Как указывалось выше, в том случае, когда определенное количество масла может привести к более эффективной работе по сравнению с чистым холодильным агентом, при необходимости оно может быть добавлено обратно. Поскольку этот процесс очистки холодильного агента относительно более простой и менее затратный по сравнению с очисткой накипи испарителя для устранения ухудшения теплообмена на стороне воды и оказывает независимое благотворное воздействие на работу системы, то поэтому он обеспечивает возможность реализации эффективной процедуры для определения необходимости технического обслуживания системы. С другой стороны, при очистке холодильного агента потребляется энергия и может снижаться производительность, а результатом будут очень низкие, возможно субоптимальные, концентрации масла в испарителе, так что непрерывная очистка обычно не используется.
Таким образом, видно, что возмущение характеристики системы для определения параметра системы не ограничено регулированием компрессора, и для исследования работы системы могут быть выполнены изменения, например, чистоты холодильного агента, заряда холодильного агента, уровня масла и т.п.
Многопеременные процессы, в которых имеются многочисленные интерактивные воздействия независимых переменных на характеристики процесса, могут быть оптимизированы наилучшим образом путем использования управления с предсказанием. Однако необходима адекватная предсказательная математическая модель процесса. Например, это может быть особенно применимо к внутреннему контуру управления процессора. При этом управляющий в реальном времени компьютер будет оценивать последовательности изменений переменных, используя модель, а не возмущение самого процесса. Поэтому такая предсказательная математическая модель является особенно применимой при его нарушении, которое является указывающим на отклонение системы от номинального рабочего состояния и, возможно, указывающим на необходимость технического обслуживания системы для восстановления работы системы.
Для получения жизнеспособного результата оптимизации математическая модель в способе с предсказанием должна быть точным представлением процесса. Для гарантии взаимно однозначного соответствия с процессом предпочтительно, чтобы модель корректировалась непосредственно перед каждым использованием. Корректировка модели представляет собой обратную связь специализированного вида, в которой предсказания модели сравниваются с текущими рабочими состояниями установки. Любые замеченные изменения затем используются для корректировки определенных ключевых коэффициентов в модели для достижения необходимого совпадения. Обычно такие модели основаны на элементах физических процессов и поэтому могут быть использованы для выражения реальных и измеряемых характеристик.
В охладителях многие относительные постоянные времени являются очень большими. Хотя это снижает требования к контроллеру, работающему в реальном времени, относительно сокращения задержки обработки, но при этом также медленно осуществляются корректировки и появляется опасность возникновения ошибки, неустойчивости или колебания в случае, если постоянные времени неправильно вычислены. Кроме того, чтобы образовать нейронную сеть с чувствительностью к непосредственному управлению во времени, может потребоваться большое число входных узлов для представления трендов данных. Поэтому предпочтительно, чтобы вычисления во времени производились с помощью линейного вычислительного способа с вводом преобразованных, изменяющихся во времени данных в нейронную сеть. Преобразование может быть сделано, например, в представлении время-частота или в представлении время-вейвлет. Например, первая и вторая производные (или более высокого порядка, когда это может быть целесообразным) данных датчиков или преобразованные данные датчиков могут быть вычислены и введены в сеть. В качестве альтернативы или дополнительно выходной сигнал нейронной сети может быть подвергнут обработке для формирования сигналов управления процессом. В случае, если, например, заряд холодильного агента в охладителе изменяется, то вероятно, что критические постоянные времени системы также будут изменяться. Поэтому модель, в которой предполагается, что система имеет набор инвариантных постоянных времени, может давать погрешности, и в предпочтительной системе согласно настоящему изобретению такие критичные предположения не делаются. Таким образом, в управляющей системе предпочтительно использовать гибкие модели для учета взаимосвязи переменных.
Другие, потенциально полезные для измерения параметры процесса включают влажность, продукты разложения холодильного агента, продукты разложения смазки, неконденсирующиеся пары и другие известные примеси в холодильном агенте. Аналогично, имеются также механические параметры, которые могут иметь оптимизируемые значения, такие как минеральные отложения в трубах для рассола (при небольшом количестве минеральных отложений может возрастать турбулентность и, следовательно, уменьшаться поверхностный пограничный слой) и параметры потока воздуха или воды для охлаждения конденсатора.
Обычно имеется набор параметров процесса, которые теоретически имеют оптимальное значение 0, тогда как на практике такое значение получать трудно или невозможно получать или поддерживать. Эта трудность может быть выражена в виде затрат на техническое обслуживание или платы за энергию, но в любом случае для управляющей системы может быть поставлена задача обеспечения возможности счи
тывания теоретически субоптимальных параметров, которые являются практически приемлемыми и предпочтительными для восстановления. Может быть осуществлен непосредственный анализ затрат и выгод. Однако при некоторых пороговых значениях восстановление, как правило, считается неэффективным. Поэтому управляющая система может контролировать эти параметры и отображать сигнал тревоги, осуществлять стратегию управления или иное действие. На самом деле, пороговые значения могут быть адаптивными или чувствительными к другим состояниям системы; например, предпочтительно, чтобы в течение периодов пиковой нагрузки процесс восстановления откладывался, если само восстановление будет неблагоприятно влиять на характеристики системы и существует достаточный резерв производительности для продолжения работы.
Поэтому понятно, что в некоторых случаях, примерами которых являются уровни масла в испарителе, предпочтительно исходное (или периодическое) определение чувствительности системы к измеренным параметрам, тогда как в других случаях предпочтителен адаптивный алгоритм управления.
В случае процессов автоподстройки после завершения оптимизационных расчетов переменная процесса, например содержание масла в испарителе, может быть восстановлена до оптимального уровня. Такая переменная процесса может изменяться с течением времени, например, уровень масла в испарителе будет повышаться, так что желательно выбирать начальное условие, при котором будет обеспечиваться максимальный эффективный коэффициент полезного действия между исходной оптимизацией и последующим техническим обслуживанием для возврата системы к эффективной работе. Поэтому предпочтительно, чтобы при оптимизации определялась оптимальная рабочая зона, а после измерения переменная процесса устанавливалась на нижнем конце зоны. Этот нижний конец может быть нулевым, но в этом нет необходимости, и может изменяться для каждой оцененной системы.
В этом способе нет необходимости непрерывно регулировать переменную процесса, а вместо этого реализуемый алгоритм управления может включать, например, широкую зону нечувствительности и ручное осуществление процесса управления.
Чтобы определять момент, когда необходима повторная оптимизация, для переменной процесса может быть предусмотрено контрольно-измерительное устройство. Во время повторной оптимизации не всегда необходимо проводить дополнительные измерения эффективности; вместо этого предшествующие измерения могут быть использованы для повторного определения желаемого рабочего режима.
Поэтому после того как результаты измерений собираются до предела (например, вблизи нулевой точки масла или за пределами ожидаемого рабочего режима), при необходимости система восстанавливается для достижения желаемой исходной эффективности с обеспечением возможности постепенных изменений, например накопления масла в испарителе, но все же с сохранением надлежащей работы в течение подходящего периода времени.
Результат измерения эффективности или результат косвенного измерения (измерений) (например, тока компрессора в амперах, термодинамических параметров) впоследствии могут быть использованы для определения момента, когда переменная процесса, например уровень масла, изменяется или накапливается до уровней, достаточных для возникновения необходимости в восстановлении. В качестве альтернативы может быть выполнено непосредственное измерение концентрации масла в холодильном агенте испарителя. Например, в случае компрессорного масла в холодильном агенте контрольно-измерительным устройством может быть оптический датчик, такой как раскрытый в патенте США № 5694210, специально включенном в настоящее описание посредством ссылки.
Устройство обратной связи с замкнутым контуром может осуществлять поддержание переменной процесса в пределах заданного диапазона. Поэтому содержание масла в холодильном агенте измеряется непосредственным измерителем концентрации масла, обычно рефрактометром. Управление по заданной контрольной точке, пропорциональное, дифференциальное, интегральное управление, управление на принципах нечеткой логики и т.п. используют для управления перепускным клапаном для устройства дистилляции холодильного агента, которое обычно имеет объем с превышением номинала и хорошо работает в пределах регулирования. Когда уровень масла возрастает до уровня, при котором эффективность снижается, холодильный агент дистиллируют для удаления масла. Масло возвращают, например, в систему смазки компрессора, тогда как холодильный агент возвращают во впускное отверстие компрессора. Таким способом управление с обратной связью при замкнутом контуре может быть использовано для поддержания оптимальной эффективности системы. Также можно использовать активный замкнутый процесс дистилляции без обхода испарителя. Например, может быть использована система Zugibeast(r) (Hudson Technologies, Inc.), однако обычно эта система больше и сложнее, чем необходимо для этой цели. Поэтому в патенте США № 5377499, специально включенном в настоящее описание посредством ссылки, предложено малогабаритное устройство для улучшения качества холодильного агента. В этой системе холодильный агент может быть очищен на месте вместо требуемой в каждом случае транспортировки холодильного агента в оборудование для повторной переработки. Кроме того, в патенте США № 5709091, специально включенном в настоящее описание посредством ссылки, раскрыты способ и устройство для возврата холодильного агента в повторное использование.
С достижением преимущества в устройстве для отделения масла холодильный агент подают в камеру для фракционной дистилляции, при этом управление осуществляют так, что он находится при тем
пературе ниже точки кипения и поэтому конденсируется в объем жидкого холодильного агента, оставшегося внутри сосуда. Относительно чистый холодильный агент находится в паровой фазе, тогда как менее летучие примеси остаются в жидкой фазе. Чистый холодильный агент используется для установления температуры в камере, и тем самым образуется чувствительная и устойчивая система. Очищенный фракционной дистилляцией жидкий холодильный агент подают из одного отверстия, тогда как примеси удаляют через другое отверстие. Процесс очистки может быть ручным, автоматизированным, непрерывным или прерывистым.
Один аспект изобретения вытекает из относительно нового понимания того, что оптимальный уровень масла в испарителе холодильной системы может изменяться производителем, моделью и конкретной системой и что эти переменные являются важными для эффективности процесса и могут изменяться с течением времени. Оптимальный уровень масла не должен быть равен нулю, например, в испарителях с ребристыми трубами оптимальный уровень масла может быть в пределах 1-5%, при котором масло пузырится и образует пленку на поверхностях труб, повышая коэффициент теплопередачи. С другой стороны, в теплообменных трубах с так называемым пузырьковым кипением оптимальная концентрация масла значительно ниже, обычно меньше чем около 1%.
Усилие по поддержанию концентрации масла на уровне 0% может быть неэффективным как таковое, поскольку для процесса удаления масла могут потребоваться затраты энергии и обходной путь холодильного агента, а работающая система имеет низкий, но постоянный уровень утечки. Кроме того, уровень масла в конденсаторе может также оказывать влияние на эффективность системы, в некоторой степени несогласованным образом с изменениями эффективности испарителя.
Поэтому согласно этому аспекту изобретения не предполагается оптимальный уровень конкретного параметра переменной процесса. Вместо этого в способе согласно изобретению выявляют оптимальное значение и затем дают возможность системе установиться вблизи оптимума. Более того, в способе обеспечивается возможность периодической "отладки" системы вместо требования непрерывного трудного технического обслуживания управляющего параметра, хотя согласно изобретению также предложены система и способ для выполнения непрерывного контроля и/или управления.
Холодильные системы или охладители могут быть большими промышленными устройствами, например устройствами с производительностью 3500 т, которые при напряжении 4160 В потребляют максимальный ток 500 А (2 МВт). Поэтому даже небольшие изменения коэффициента полезного действия могут привести к значительной экономии платы за электроэнергию. Возможно, более важно то, что при падении коэффициента полезного действия охладитель может оказаться неспособным к поддержанию параметра процесса в пределах заданного диапазона.
Например, во время длительной работы концентрация масла в испарителе может возрасти до величины свыше 10%, а общая производительность системы упасть ниже 1500 т. Это может привести к отклонениям процесса от технических условий или к его прекращению, для устранения чего может потребоваться немедленное или требующее больших затрат восстановление. Надлежащее техническое обслуживание для достижения высокого оптимального коэффициента полезного действия может быть вполне экономически выгодным.
Краткое описание чертежей
Теперь изобретение будет описано со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых изображено:
фиг. 1 - схематичный вид известной трубы в испарителе с кожуховым теплообменником;
фиг. 2 - вид с торца трубной решетки, иллюстрирующий радиально симметричное размещение труб в пучке труб, при этом каждая труба проходит в осевом направлении вдоль длины испарителя с теплообменником;
фиг. 3 - схематичный вид устройства для частичной дистилляции, предназначенного для удаления масла из протекающего потока холодильного агента;
фиг. 4 - структурная схема устройства для измерения эффективности охладителя;
фиг. 5 - стилизованный график характерной зависимости коэффициента полезного действия от изменений концентрации масла в испарителе;
фиг. 6А и 6В - структурная схема цикла сжатия пара и график зависимости температуры от энтропии, соответственно;
фиг. 7А, 7В и 7С - соответственно различные структурные схемы управляющей системы согласно настоящему изобретению;
фиг. 8 - частично схематичное графическое представление холодильной системы, управляемой согласно настоящему изобретению;
фиг. 9 - структурная схема управления холодильной системой согласно настоящему изобретению.
Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления
Вышеупомянутые и другие задачи, признаки и преимущества настоящего изобретения легко станут более очевидными для специалистов в области техники, к которой относится изобретение, при обращении к нижеследующему подробному описанию одного из наилучших вариантов осуществления изобретения, рассматриваемого в сочетании с сопровождающими чертежами, при этом предпочтительные варианты осуществления изобретения описаны только для иллюстрации, но не для ограничения.
Пример 1.
Как показано на фиг. 1, 2, типичная: труба в кожуховом теплообменнике 1 состоит из ряда параллельных труб 2, проходящих в основном через цилиндрический кожух 3. Трубы 2 удерживаются в заданном положении посредством трубных решеток 4, при этом на каждом конце 5 труб 2 предусмотрена одна трубная решетка. Трубная решетка 4 отделяет первое пространство 6, непрерывное с внутренней областью труб 2, от второго пространства 8, непрерывного с внешней областью труб 2. Обычно на каждом конце кожуха 3 после трубной решетки 4 предусмотрен куполообразный распределитель 9 потока, предназначенный для распределения потока первой среды из трубопровода 10 через трубы 2, а оттуда -снова в трубопровод 11. В случае летучего холодильного агента нет необходимости в том, чтобы система была симметричной, поскольку объемы и скорости потоков будут особыми на каждой стороне системы. Не показаны необязательные отражательные перегородки или другие средства, предназначенные для обеспечения оптимизированных картин распределений потоков в теплообменных трубах.
Как показано на фиг. 3, система очистки холодильного агента снабжена впускной трубой 112 для приема холодильного агента из конденсатора, при этом в системе очистки используется управляемый дистилляционный процесс, и выпускной трубой 150 для возврата очищенного холодильного агента. Эта часть системы аналогична системе, описанной в патенте США № 5377499, специально включенном в настоящее описание посредством ссылки.
Компрессор 100 сжимает холодильный агент, тогда как конденсатор 107 отводит теплоту из пара. Небольшое количество компрессорного масла переносится вместе с горячим паром в конденсатор 107, где оно охлаждается и конденсируется с образованием жидкостной смеси с холодильным агентом, и выходит через линию 108 и фитинг 114. Изолирующие клапаны 102, 109 предусмотрены для обеспечения возможности избирательного включения установки 105 для частичной дистилляции в путь потока холодильного агента. Холодильный агент из установки 105 для частичной дистилляции поступает в испаритель 103 через изолирующий клапан 102.
В установке 105 для частичной дистилляции обеспечивается возможность кипения загрязненного холодильного агента в дистилляционной камере 130, при этом дистилляция регулируется дросселированием пара холодильного агента. Как показано направляющей стрелкой 110, загрязненный жидкий холодильный агент 120 подается через впускную трубу 112 и клапан 114 регулирования давления в дистил-ляционную камеру 116 до установления уровня 118 жидкости. Кроме того, предусмотрена спускная труба 121 загрязненной жидкости, снабженная клапаном 123. Трубопровод с большой площадью поверхности, например спиральный змеевик 122, погружен ниже уровня 118 загрязненного жидкого холодильного агента. Термоэлектрический элемент 124 помещен в или вблизи центральной части змеевика 122 для измерения температуры дистилляции, необходимой для блока 126 регулирования температуры, который управляет положением трехходового клапана 128 для установления температуры частичной дистилляции. Клапан 128 управления температурой работает совместно с перепускным трубопроводом 130, так что, когда пар собирается в части 132 дистилляционной камеры 116 выше уровня 118 жидкости, он будет подаваться по трубопроводу 134 в компрессор 136 для получения выпуска горячего пара на выходе 138 компрессора 136, который затем подается через трехходовой клапан 128, находящийся под управлением блока 126 регулирования температуры. В таких ситуациях, когда термоэлектрический элемент 124 показывает на температуру частичной дистилляции выше пороговой, в перепускной трубопровод 130 проходит некоторая часть выпуска компрессора 136; как показано стрелкой 140, при температуре ниже пороговой выпуск будет проходить в спиральный змеевик 122; при температуре вблизи пороговой для поддержания этой температуры обеспечивается возможность частичного прохождения паров из выхода компрессора по перепускному трубопроводу и частичного входа в спиральный змеевик. Поток по перепускному трубопроводу 130 и из спирального змеевика 122, соответственно в направлениях 142, 144, будет проходить через вспомогательный конденсатор 146 и клапан 148 регулирования давления с образованием выпуска дистиллированного холодильного агента, показанного направляющей стрелкой 150. В качестве альтернативы конденсатор 146 управляется дополнительным блоком регулирования температуры по данным температуры на выходе конденсатора. Поэтому из конденсатора 107 масло удаляется до поступления в испаритель 103. При работе системы с течением времени скопление масла в испарителе 103 будет снижаться и тем самым будет очищаться система.
На фиг. 4 показана охладительная система, обеспечивающая возможность периодической или единовременной повторной оптимизации или обеспечивающая возможность непрерывного управления рабочими параметрами по замкнутому контуру обратной связи. Компрессор 100 подключен к измерителю 101 мощности, который точно измеряет потребляемую мощность путем измерения напряжения и отбираемого тока. Компрессор 100 вырабатывает в линию 106 горячий плотный пар холодильного агента,
который подается в конденсатор 107, где отбираются скрытая теплота испарения и теплота, добавленная компрессором 100. Холодильный агент переносит небольшое количество компрессорного смазочного масла. Температура и давление в конденсаторе 107 измеряются термометром 155 и манометром 156. Сжиженный охлажденный холодильный агент, включающий порцию примешанного масла, подается по линии 108 в необязательную установку 105 для частичной дистилляции и, следовательно, в испаритель 103. В отсутствие установки 105 для частичной дистилляции масло из конденсатора 107 собирается в испарителе 103. Температура и давление в испарителе 103 измеряются термометром 155 и манометром 156. Температура и давление охлажденной воды во впускной линии 152 и в выпускной линии 154 испарителя 103 также измеряются термометром 155 и манометром 156. Испарившийся холодильный агент возвращается из испарителя 103 в компрессор по линии 104.
Каждый измеритель 101 мощности, термометр 155 и манометр 156 обеспечивает данные для системы 157 регистрации данных, которая формирует выходной сигнал 158, характеризующий коэффициент полезного действия охладителя, выраженный, например, как БТЕ/кВт-ч (БТЕ - британская тепловая единица). Датчик 159 масла обеспечивает непрерывное измерение концентрации масла в испарителе 103 и может быть использован для управления установкой 105 для частичной дистилляции или определения необходимости в периодической повторной оптимизации, основанной на оптимальном рабочем режиме. Измеритель 101 мощности или система 157 регистрации данных может выдавать результаты косвенных измерений для оценивания уровня масла в испарителе или же необходимости удаления масла.
Как показано на фиг. 5, коэффициент полезного действия охладителя изменяется в зависимости от концентрации масла в испарителе 103. Кривая 162 отражает немонотонную зависимость. После определения зависимости путем построения кривой коэффициента полезного действия как функции концентрации масла может быть определен рабочий режим. Поскольку обычно после удаления масла из испарителя 103 оно непроизвольно пополняется, для последующей операции удаления задают нижний предел 160 рабочего режима, границу, за которую нежелательно заходить. Полное удаление масла не только является дорогостоящей и явно неэффективной операцией, но результатом его также может быть снижение коэффициента полезного действия системы. Точно так же, когда уровень масла превышает верхнюю границу 161 рабочего режима, коэффициент полезного действия системы падает, и это требует фактических затрат на техническое обслуживание для восстановления оптимальной работы охладителя. Поэтому в системе обратной связи с замкнутым контуром промежуток между нижней границей 160 и верхней границей должен быть намного уже, чем в системе с периодическим техническим обслуживанием.
Маслоотделитель (например, установка 105 для частичной дистилляции или система другого типа) в системе обратной связи с замкнутым контуром сам по себе менее эффективен по сравнению с более крупной системой, обычно используемой во время периодического технического обслуживания, так что устройство каждого типа обладает достоинствами.
Пример 2.
На фиг. 7А показана структурная схема первого варианта осуществления управляющей системы согласно настоящему изобретению. В этой системе заряд холодильного агента регулируется путем использования адаптивного управления 200, при этом производится контроль уровня 216 заряда полученного холодильного агента (датчиком уровня, например, фирмы Henry Valve Co., Melrose Park, IL, датчиком уровня столба жидкости серии LCA с переключателями уровня жидкости серии Е-9400 и цифровым выходом или магнитострикционным датчикам уровня АТ200 или АТ600 фирмы K-Tek с аналоговым выходом), при желании потребления электроэнергии (кВт-ч), а также термодинамических параметров, включая температуру воды на входах и выходах конденсатора и испарителя, расходы и давления потоков воды на входах и выходах конденсатора и испарителя, частоту вращения компрессора, давление и температуру на всасывании и на выходе и давление и температуру окружающей среды, при этом все это осуществляется посредством системы регистрации данных по входным сигналам 201 с датчиков. Эти переменные подаются на блок 200 адаптивного управления, в котором используется нелинейная модель системы, основанная на технологии нейронной сети 203. Переменные предварительно обрабатываются для получения набора производных переменных на основании входного набора, а также для представления временных параметров, основанных на наборах предшествующих данных. В нейронной сети 203 входные данные периодически оцениваются, например каждые 30 с, и формируется выходной управляющий сигнал 209 или набор сигналов. После того как предложенное управление реализовано, действительная реакция сравнивается с предсказанной реакцией, основанной на внутренней модели, определенной нейронной сетью 203, посредством подсистемы 204 коррекции адаптивного управления, а нейронная сеть 203 корректируется для отображения или учета "погрешности". На дополнительном выходе 206 системы из диагностической части 205, который может соединяться с нейронной сетью или может быть самостоятельным, имеется сигнал вероятной погрешности датчиков или самой сети, или управляемой установки.
Управляемой переменной является, например, заряд холодильного агента в системе. Чтобы удалить холодильный агент, жидкий холодильный агент из испарителя 211 направляется в резервуар 212 для хранения через клапан 210. Для добавления холодильного агента парообразный холодильный агент может быть возвращен на вход всасывания компрессора 214, регулируемый клапаном 215, или жидкий хо
лодильный агент может быть закачен в испаритель 211. Холодильный агент в резервуаре 212 для хранения может быть подвергнут анализу и очистке. Пример 3.
Второй вариант осуществления управляющей системы, в которой использованы стратегии оптимизации управления с упреждением, показан на фиг. 7В. На фиг. 7B показаны структурная схема и потоки сигналов компьютеризированной системы оптимизации управления с упреждением. Переменные 220 процесса измеряются, для надежности проверяются, фильтруются, усредняются и сохраняются в компьютерной базе 222 данных. Система 223 регулирования предусмотрена в качестве предварительного блока управления для поддержания значений переменных 220 процесса на заданном и желаемом уровне. В системе 223 регулирования сформированный набор измеренных переменных сравнивается с желаемыми значениями 224А, заданными оператором, и с заданными значениями 224В, полученными в результате выполнения операции оптимизации. Обнаруженные погрешности затем используются для формирования управляющих воздействий, которые далее передаются в качестве выходных сигналов 225 на конечные управляющие элементы в процессе 221.
Заданные значения для системы 223 регулирования берутся либо со входа 224А оператора, либо с выходов 224В блока оптимизации. Отметим, что блок 226 оптимизации работает непосредственно на основании модели 227, формируя набор заданных значений 224В на оптимальном уровне. Также отметим, что модель 227 корректируется с помощью специализированной программы 228 непосредственно перед использованием блоком 227 оптимизации. Особенность корректировки по цепи обратной связи гарантирует адекватное описание математического процесса, несмотря на небольшие инструментальные погрешности, и в дополнение к этому обеспечивает компенсацию несоответствий, обусловленных упрощающими предположениями, использованными в модели 227. В этом случае управляемой переменной может быть, например, частота вращения компрессора наряду с или в дополнение к уровню заряда холодильного агента.
В этом случае входные переменные, как и в примере 2, включают уровень заряда холодильного агента, при желании потребление электроэнергии (кВт-ч) системой, а также термодинамические параметры, включая температуру воды на входах и выходах конденсатора и испарителя, расходы и давления потоков воды на входах и выходах конденсатора л испарителя, частоту вращения компрессора, давление и температуру на всасывании и на выходе и давление и температуру окружающей среды.
Пример 4.
Как показано на фиг. 7С, предусмотрена управляющая система 230, посредством которой осуществляется управление уровнем 231 заряда холодильного агента, частотой 232 вращения компрессора и концентрацией 233 масла для холодильной установки в испарителе. Вместо образования единственной сложной модели системы база 234 данных снабжена несколькими упрощенными соотношениями, с помощью которых рабочее пространство системы сегментируется на основании входных сигналов с датчиков на несколько областей или плоскостей. Чтобы оптимизировать энергетический коэффициент полезного действия, чувствительность управляющей системы 230 к изменениям входных сигналов 235 определяется адаптивно путем регулирования во время работы.
Кроме того, в базе 234 данных хранятся данные относительно плотности заполнения рабочего пространства; когда из набора входных данных выявляется полностью заполненная область рабочего пространства, осуществляется быстрый переход для достижения расчетных наиболее эффективных выходных состояний. С другой стороны, если область рабочего пространства заполнена плохо, управляющая система 230 обеспечивает медленное поисковое изменение выходных сигналов, пытаясь выявить рабочее пространство для определения оптимального набора выходных сигналов. Такая поисковая процедура также используется для заполнения пространства, так что управляющая система 230 после нескольких попыток исключает простую стратегию.
В дополнение к этому для каждой области рабочего пространства определяется статистическая изменчивость. Если статистическая изменчивость низкая, модель для области полагается точной, и непрерывный поиск локальной области сокращается. С другой стороны, если изменчивость высокая, управляющая система 230 анализирует набор входных данных для определения корреляции между любым имеющимся входным сигналом 235 и эффективностью системы, пытаясь улучшить модель для этой области, запомненной в базе 234 данных. Эта корреляция может быть обнаружена путем поиска области посредством исследования чувствительности набора входных сигналов к изменениям одного или нескольких выходных сигналов 231, 232, 233. Предпочтительно для каждой области конструировать линейную модель, связывающую набор входных переменных и оптимальные выходные переменные. В качестве альтернативы может быть использована относительно простая нелинейная сеть, например нейронная сеть.
Например, рабочими областями рабочее пространство разделяется на области, различающиеся на 5% по уровню заряда холодильного агента при отклонении от расчетного значения в пределах от -40 до 20%, на 0,5% по содержанию масла в испарителе при отклонении от 0 до 10 и по частоте вращения компрессора с 10-100 шагами приращения при изменении от минимальной до максимальной. Кроме того, можно создавать области с неравномерной протяженностью или даже области с адаптивным размером на
основе чувствительности выходных сигналов к изменениям входных сигналов на соответствующих участках входного пространства.
Кроме того, управляющая система обеспечивает набор специальных режимов для пуска и остановки системы. Они отличаются от обычных рабочих режимов тем, что энергетический коэффициент полезного действия как правило не имеет существенного значения во время этих переходов вследствие того, что другие проблемы управления могут считаться важными. Кроме того, эти режимы обеспечивают дополнительные возможности для инициализации управляющей системы и надежной работы.
Следует отметить, что, поскольку время, необходимое для корректировки системы, является относительно большим, вычисления в нейронной сети могут осуществляться последовательно на компьютере общего назначения, например на Pentium IV с процессором Intel или Athlon XP, работающим под управлением Windows XP или операционной системы реального времени, и поэтому обычно не требуется специализированное программное обеспечение (исключая интерфейс регистрации данных).
Предпочтительно, чтобы управляющая система была снабжена диагностическим выходом 236, сигнал которого "интерпретирует" действия управляющей системы, например, для любого данного управляющего решения осуществляет идентификацию входных сигналов с датчиков, которые имеют наибольшее влияние на выходное состояние. Однако в нейронных сетевых системах часто невозможно полностью привести выходной сигнал к рациональному виду. Кроме того, когда системой обнаруживается ненормальное состояние либо управляемой установки, либо самого контроллера, то предпочтительно, чтобы информация передавалась оператору или инженеру по эксплуатации. Это может быть сделано с помощью регистрируемой диаграммы, визуальных или звуковых индикаторов, телефона или связи по Интернету, связи по опорной сети или связи по локальной сети, радиосвязи и т.п. Во многих случаях, когда обнаруживается вызывающая опасение ситуация и когда установка не может быть полностью отключена, предпочтительно, чтобы обеспечивался надежный рабочий режим до того, как может быть выполнен текущий ремонт.
Приведенное выше описание предпочтительного варианта осуществления изобретения представлено с целью иллюстрации, и описание не предполагается исчерпывающим или ограничивающим изобретение точными раскрытыми формами, поскольку в свете приведенной выше идеи возможны многочисленные модификации и варианты. Некоторые модификации рассмотрены в описании, а другие могут быть найдены специалистами в области техники, к которой относится изобретение.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Устройство для моделирования холодильной системы, содержащее:
(a) базу данных для сохранения параметров модели холодильной системы, зависящих от конфигурации холодильной системы и полученных от измерений, по меньшей мере, действительных рабочих параметров температур, давления и потоков холодильной системы;
(b) при этом модель содержит параметры, представляющие, по меньшей мере, теплопередачу испарителя, теплопередачу конденсатора, работу, совершенную компрессором, изменения в состояниях температурных и энтропийных испарителя и изменения в температурных и энтропийных состояниях конденсатора на основании, по меньшей мере, следующего:
(i) по меньшей мере одного измерения температуры и по меньшей мере одного измерения давления конденсатора,
(ii) по меньшей мере одного измерения температуры и по меньшей мере одного измерения давления испарителя,
(iii) по меньшей мере одного измерения температуры и по меньшей мере одного измерения давления процесса при охлаждении холодильной системой и
(iv) по меньшей мере одного параметра потока, соответствующего потоку холодильного агента в холодильной системе;
(c) по меньшей мере один вход для приема рабочих физических параметров холодильной системы, содержащих физические параметры, полученные во время работы действительной холодильной системы, достаточные для определения как отклонения рабочего состояния действительной холодильной системы от рабочего состояния модели холодильной системы, при котором модель была разработана, так и возможной вероятности отклонения;
(d) процессор, выполненный с возможностью:
(i) выполнения термодинамического анализа холодильной системы на основании, по меньшей мере,
входных данных и конфигурации холодильной системы в соответствии с моделью для определения как
отклонения рабочего состояния действительной холодильной системы от рабочего состояния модели
холодильной системы, так и возможной вероятности отклонения,
(ii) определения стоимости эксплуатации при соответствующем рабочем состоянии холодильной системы на основании, по меньшей мере, параметров модели, сохраненных в базе данных, и
(iii) корректирования параметров модели, сохраненных в базе данных, включая, по меньшей мере, теплопередачу испарителя, теплопередачу конденсатора, работу, совершенную компрессором, измене
(ii)
ния в состояниях температурных и энтропийных испарителя и изменения в температурных и энтропийных состояниях конденсатора, на основании данных, полученных по меньшей мере с одного входа; и
(e) выход для представления информации, полученной из термодинамического анализа и соответствующей стоимости эксплуатации.
2. Устройство по п.1, в котором процессор дополнительно выполнен с возможностью определения разницы в стоимости эксплуатации между двумя соответственно отличающимися рабочими состояниями холодильной системы.
3. Устройство по п.1 или 2, в котором процессор дополнительно выполнен с возможностью определения оптимального изменения по меньшей мере в одном рабочем физическом параметре по отношению к стоимости эксплуатации.
4. Устройство по любому из пп.1-3, в котором стоимость эксплуатации включает, по меньшей мере, стоимость работы и стоимость изменения рабочего состояния.
5. Устройство по любому из пп.1-4, в котором процессор дополнительно выполнен с возможностью генерирования выходных данных для изменения переменной процесса холодильной системы.
6. Устройство по любому из пп.1-5, дополнительно содержащее выход для управления изменением концентрации масла в испарителе холодильной системы.
7. Устройство по любому из пп.1-6, дополнительно содержащее выход для управления зарядом холодильного агента холодильной системы.
8. Устройство по любому из пп.1-7, в котором рабочие физические параметры изменяются в зависимости от состояния технического обслуживания холодильной системы, а процессор дополнительно выполнен с возможностью выдачи выходных данных, указывающих на необходимость технического обслуживания холодильной системы.
9. Устройство по любому из пп.1-8, в котором техническое обслуживание включает экономические затраты, а рабочие физические параметры связаны с экономической стоимостью эксплуатации, при этом процессор выполнен с возможностью прогнозирования экономически эффективного интервала между техническими обслуживаниями в зависимости от экономических затрат на техническое обслуживание и экономической стоимости эксплуатации.
10. Устройство по любому из пп.1-9, в котором процессор дополнительно выполнен с возможно-
стью оценки холодопроизводительности холодильной системы.
11. Способ моделирования холодильной системы устройством по любому из пп.1-10, включающий
сохранение термодинамических параметров термодинамической модели холодильной системы, по-
лученных от конфигурации холодильной системы и количественных измерений действительных рабочих
термодинамических параметров холодильной системы;
выполнение термодинамического анализа работы холодильной системы на основании термодинамической модели и полученных количественных измерений рабочих термодинамических параметров холодильной системы;
определение стоимости эксплуатации при соответствующем термодинамическом рабочем состоянии холодильной системы на основании, по меньшей мере, сохраненных термодинамических параметров термодинамической модели;
корректирование сохраненных термодинамических параметров на основании полученных количественных измерений рабочих термодинамических параметров и
представление информации, полученной из термодинамического анализа и соответствующей стоимости эксплуатации.
12. Способ по п.11, дополнительно включающий определение разницы в стоимости эксплуатации между двумя отличающимися рабочими состояниями холодильной системы.
13. Способ по п.11 или 12, дополнительно включающий определение оптимального изменения по меньшей мере в одном рабочем физическом параметре по отношению к стоимости эксплуатации.
14. Способ по любому из пп.11-13, в котором стоимость эксплуатации включает, по меньшей мере, стоимость работы и стоимость изменения рабочего состояния.
15. Способ по любому из пп.11-14, дополнительно включающий изменение переменной процесса холодильной системы в зависимости по меньшей мере от одного указанного определения.
16. Способ по любому из пп.11-15, дополнительно включающий управление концентрацией масла в испарителе холодильной системы.
17. Способ по любому из пп.11-16, дополнительно включающий управление зарядом холодильного агента холодильной системы.
18. Способ по любому из пп.11-17, в котором рабочие физические параметры изменяют в зависимости от состояния технического обслуживания холодильной системы, при этом способ дополнительно включает выдачу указания на необходимость технического обслуживания холодильной системы.
19. Способ по любому из пп.11-18, в котором техническое обслуживание включает экономические затраты, а рабочие физические параметры связаны с экономической стоимостью эксплуатации, при этом способ дополнительно включает прогнозирование экономически эффективного интервала между техническими обслуживаниями, который зависит от экономических затрат на техническое обслуживание и
12.
экономической стоимости эксплуатации.
20. Способ по любому из пп.11-19, дополнительно включающий оценку холодопроизводительности холодильной системы.
Фиг. 7В
Фиг. 7С
Евразийская патентная организация, ЕАПВ Россия, 109012, Москва, Малый Черкасский пер., 2
027469
- 1 -
(19)
027469
- 1 -
(19)
027469
- 1 -
(19)
027469
- 1 -
(19)
027469
- 4 -
(19)
027469
- 25 -