PL213870B1 - Sposób optymalizacji funkcjonowania systemu chlodniczego oraz system chlodniczy - Google Patents

Description

Przedmiotowy wynalazek dotyczy sposobu optymalizacji systemu chłodniczego mającego kompresor, skraplacz oraz mającego odparowalnik, oraz dotyczy systemu chłodniczego.

W dużych systemach w skali przemysłowej wydajność może stanowić krytyczny aspekt pracy systemów. Nawet niewielkie usprawnienia wydajności systemu mogą prowadzić do znaczących oszczędności kosztów; podobnie, strata na wydajności może prowadzić do zwiększonych kosztów lub nawet niewydolności systemu. Agregaty chłodnicze stanowią szczególny rodzaj systemu przemysłowego, ponieważ wymagają dużych nakładów energii do funkcjonowania i są poddane zmianom licznych parametrów, które wpływają na wydajność i przepustowość systemu.

Przeważająca większość mechanicznych systemów chłodniczych funkcjonuje w oparciu o podobne, ogólne znane zasady, z wykorzystaniem zamkniętych pętlicowych obwodów płynowych, przez które przepływa czynnik chłodniczy, ze źródłem energii mechanicznej, zwykle kompresorem, dostarczającym siły napędowe dla pompowania ciepła z odparowalnika do skraplacza. W agregacie chłodniczym woda lub solanka jest chłodzona w odparowalniku do użycia w procesie. W typowych systemach, szerzej omówionych poniżej, odparowalnik jest ukształtowany jako zespół równoległych rur tworzących wiązkę rur, w obudowie. Rury mają zakończenia po każdej stronie, w płycie separatora. Woda lub solanka przepływa przez rury, a czynnik chłodzący jest dostarczany po zewnętrznej stronie rur, wewnątrz obudowy.

Skraplacz otrzymuje gorący gaz chłodniczy z kompresora, gdzie jest chłodzony. Skraplacz może również zawierać rury, które na przykład są wypełnione wodą przepływającą do wieży chłodniczej. Ochłodzony czynnik chłodniczy, skroplony do postaci cieczy, przepływa grawitacyjnie do dołu skraplacza, skąd jest podawany przez zawór lub kryzę do odparowalnika.

Kompresor zatem dostarcza siłę napędową do aktywnego pompowania ciepła z odparowalnika do skraplacza. Kompresor zwykle wymaga środka smarnego, aby zapewnić dłuższe funkcjonowanie i umożliwić działanie przy ciasnych tolerancjach mechanicznych. Środkiem smarnym jest olej, mieszalny z czynnikiem chłodniczym. A zatem jest przewidziana miska olejowa do podawania oleju do kompresora oraz separator za kompresorem do wychwytywania i recyrkulacji oleju. Zwykle gazowy czynnik chłodniczy i ciekły środek smarny są separowane grawitacyjnie tak, że skraplacz pozostaje w zasadzie wolny od oleju. Jednakże z czasem olej smarny migruje na zewnątrz kompresora i systemu recyrkulacji oleju smarnego, do skraplacza. Po pojawieniu się w skraplaczu, olej smarny zaczyna mieszać się ze skroplonym czynnikiem chłodniczym i jest przenoszony do odparowalnika. Ponieważ w odparowalniku wyparowuje czynnik chłodniczy, olej smarny zbiera się na spodzie odparowalnika.

Olej w odparowalniku ma skłonność do generowania pęcherzyków i tworzy cienką warstwę na ściankach rur odparowalnika. W niektórych przypadkach, jak w odparowalnikach z rurami żebrowanymi, niewielka ilość oleju zwiększa przenoszenie ciepła, a zatem jest korzystna.

W innych przypadkach, takich jak zarodkowe wrzenie w rurach odparowalnika, obecność oleju, na przykład ponad 1%, powoduje pogorszenie przenoszenia ciepła [zob.: Schlager, L. M., Pate, Μ. B. i Berges, A. E., „A Comparison of 150 and 300 SUS Oil Effects on Refrigerant Evaporation and Condensation in a Smooth Tube and Micro-fin Tube”, ASHRAE Trans., 1989, 95 (I): 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 (I), 727-735 (publikacja nr 95-5-1)].

System chłodniczy jest zwykle sterowany na poziomie systemowym za pomocą jednego z dwóch sposobów: poprzez regulowanie temperatury fazy gazowej u góry odparowalnika (ciepło przegrzania) lub poprzez wyszukiwanie regulacji ilości cieczy (poziom cieczy) wewnątrz odparowalnika. Ze wzrostem obciążenia systemu równowaga w odparowalniku ulega zmianie. Większe obciążenie ciepłem powoduje wzrost temperatur wewnątrz głowicy. Podobnie, większe obciążenie spowoduje wrzenie większej ilości czynnika chłodniczego w jednostce czasu i prowadzi do niższych poziomów cieczy.

Na przykład opis patentowy US 6,318,101 dotyczy sposobu kontrolowania elektrycznego zaworu rozprężnego w oparciu o zaciśnięcie elementu chłodniczego i usuwanie ciepła przegrzania. System wyszukuje dane co do poziomu czynnika chłodniczego w odparowalniku i kontroluje system w oparciu o nie, zapobiegając spowalnianiu cieczy. Zespół sterowania monitoruje określone zmienne, które są wykorzystywane do określenia optymalnego położenia elektronicznego zaworu rozprężnego,

PL 213 870 B1 aby optymalizować sprawność systemu, jak i właściwe wyprowadzanie ciepła przegrzania oraz odpowiedni ładunek środka chłodniczego.

Z kolei opis patentowy US 6,141,980 ujawnia sposób sterowania i system chłodniczy obejmujący odparowalnik, kompresor połączony z odparowalnikiem, skraplacz połączony z kompresorem, zawór rozprężny oraz układ sterujący zaworem rozprężnym, aby zapewnić, że środek chłodniczy wychodzący z kompresora znajduje się w stanie nasyconym i zawiera mieszaninę fazy ciekłej i gazowej.

Opis patentowy US 5,782,131 dotyczy systemu chłodniczego posiadającego zanurzony element chłodzący z czujnikiem poziomu cieczy i ujawnia sposób pomiaru zmian poziomu czynnika chłodniczego.

Każda z tych strategii zapewnia pojedynczą ustaloną wielkość nastawną, która w założeniu jest normalną i pożądaną wielkością nastawną dla funkcjonowania. W oparciu o tę kontrolowaną zmienną zmieniany jest jeden lub więcej parametrów funkcjonowania. Zwykle kompresor albo ma zmienną prędkość napędową, albo zestaw zmiennych kątów łopatek, które odpędzają gazowy czynnik chłodniczy z odparowalnika do kompresora. To moduluje moc oddawaną kompresora.

Ponadto, niektóre rozwiązania mają sterowany zawór rozprężny pomiędzy skraplaczem i odparowalnikiem. Ponieważ istnieje jedna główna zmienna kontrolowana, pozostałe elementy są sterowane łącznie jak w wewnętrznej pętli, aby utrzymać kontrolowaną zmienną przy wielkości nastawnej.

Typowe czynniki chłodnicze są substancjami, które wykazują temperaturę wrzenia (pod ciśnieniem operacyjnym) poniżej żądanej temperatury chłodzenia, a zatem absorbują ciepło z otoczenia w trakcie odparowywania (zmiana fazy) w warunkach operacyjnych. Zatem otoczenie odparowalnika ulega schłodzeniu, a ciepło jest przenoszone w inne miejsce, do skraplacza, gdzie ciepło przemiany fazowej jest oddawane. Czynniki chłodnicze zatem absorbują ciepło wskutek odparowywania w jednym obszarze i oddają je wskutek skroplenia w innym obszarze. W wielu rodzajach systemów żądany czynnik chłodniczy zapewnia możliwie wysokie ciśnienie w odparowalniku, a zarazem możliwie niskie ciśnienie w skraplaczu. Wysokie ciśnienie w odparowalniku pociąga za sobą wysokie gęstości par, a zatem większą przepustowość przenoszenia ciepła przez system dla danego kompresora. Jednakże wydajność pod wyższymi ciśnieniami jest niższa, zwłaszcza jeśli ciśnienie w skraplaczu osiąga ciśnienie krytyczne czynnika chłodniczego.

Na całkowitą wydajność systemu chłodniczego wpływają współczynniki przenoszenia ciepła odpowiednich wymienników ciepła. Większa impedancja termiczna skutkuje niższą wydajnością, ponieważ wpływa to ujemnie na równowagę temperaturową i musi być utrzymywana większa różnica temperatur dla uzyskania takiego samego przenoszenia ciepła. Impedancja przenoszenia ciepła na ogół wzrasta wskutek odkładania się depozytów na ściankach wymienników ciepła, aczkolwiek w niektórych przypadkach przenoszenie ciepła może być ulepszone za pomocą różnych obróbek powierzchniowych i/lub cienkiej warstwy olejowej.

Czynniki chłodnicze muszą spełniać szereg innych wymogów, aby być możliwie najlepszymi, takich jak: kompatybilność ze środkami smarnymi kompresora i materiałami konstrukcyjnymi oprzyrządowania chłodniczego, toksyczność, działanie na środowisko, koszty zakupu oraz bezpieczeństwo. Płynne czynniki chłodnicze, zazwyczaj obecnie stosowane, obejmują halogenowane i częściowo halogenowane alkany, a w tym per(chlorofluoro)węglowodory (CFC), chlorofluorowęglowodory (HFCF), a rzadziej fluorowęglowodory (HFC) i perfluorowęglowodory (PFC). Znanych jest wiele innych czynników chłodzących, a w tym propan i fluorowane etery. Typowe czynniki chłodnicze są oznaczone jako R11, R12, R22, R500 i R502, przy czym każdy czynnik chłodniczy cechuje się charakterystyką, która czyni go odpowiednim do różnych rodzajów zastosowań.

W przemysłowym agregacie chłodniczym, wymiennik ciepła odparowalnika jest dużą konstrukcją zawierającą wiele równoległych rur w wiązkach, wewnątrz dużego naczynia zapatrzonego w powlokę zewnętrzną. Ciekły czynnik chłodniczy i olej tworzą zbiór na dole odparowalnika, wrzący i chłodzący rury oraz ich zawartość. Wewnątrz rur cyrkuluje i jest chłodzone wodne środowisko, takie jak solanka, które następnie jest pompowane do innego rejonu, gdzie solanka chłodzi proces przemysłowy. Taki odparowalnik może przechowywać setki lub tysiące galonów wodnego środowiska z jeszcze większą objętością cyrkulacyjną. Ponieważ odparowywanie czynnika chłodniczego jest niezbędną częścią procesu, ciekły czynnik chłodniczy i olej muszą wypełniać jedynie część odparowalnika.

Znane jest okresowe przedmuchiwanie systemu chłodzącego lub chłodniczego, recyrkulowanie oczyszczonego czynnika chłodniczego przez system dla oczyszczenia systemu. Technika ta jednakże

PL 213 870 B1 na ogół pozwala na dużą zmienność wydajności systemu i pociąga stosunkowo wysokie koszty konserwacji. Ponadto, technika ta na ogół nie potwierdza istnienia optymalnego (niezerowego) poziomu oleju w odparowalniku oraz na przykład skraplaczu. A zatem typowa konserwacja dąży do wytworzenia „czystego” systemu, który może być podoptymalny, będącego przedmiotem przyrostowych zmian po serwisowaniu. Czynnik chłodniczy z systemu chłodniczego może być regenerowany lub recyrkulowany dla oddzielenia oleju dostarczając czysty czynnik chłodniczy, w procesie sterowanym ręcznie wymagającym zamknięcia systemu.

Opis patentowy US 6,260,378 dotyczy przedmuchiwania sytemu chłodniczego, w szczególności aby kontrolować usuwanie nie-skraplających się gazów.

Olej ma tendencję do gromadzenia się w odparowalniku, ponieważ podstawowa konstrukcja nie ma drogi do zawracania oleju do miski olejowej. W przypadku ilości przekraczających optimum, następuje na ogół zmniejszenie wydajności systemu wynikające ze zwiększającego się stężenia oleju w odparowalniku. A zatem nagromadzanie się dużych ilości oleju chłodniczego w odparowalniku zmniejsza wydajność systemu.

Można dołączyć urządzenia do ciągłego usuwania oleju chłodniczego z czynnika chłodniczego wchodzącego do odparowalnika. Urządzenia te obejmują tak zwane pompy strumieniowe oleju, które usuwają olej i czynnik chłodniczy z odparowalnika, zawracają olej do miski olejowej i odparowują czynnik chłodniczy do kompresora. Niewydajność tego ciągłego usuwania jest ogólnie znana, na skutek tego, że część czynnika chłodniczego pomija odparowalnik, potencjalnie źródło ciepła do odparowania lub częściowego destylowania czynnika chłodniczego celem separacji oleju. Zatem tylko niewielki udział czynnika chłodniczego opuszczającego skraplacza może być poddany temu procesowi, co prowadzi do złej kontroli poziomu oleju w odparowalniku i strat wydajności. Nie ma właściwego systemu do sterowania pompą strumieniową. Pompy strumieniowe relatywnie są niedowymiarowane i pracują w sposób ciągły. Pompa strumieniowa nadwymiarowa byłaby niewydajna, ponieważ ciepło parowania nie jest wydajnie wykorzystywane w procesie.

Inną drogą usuwania oleju z odparowalnika jest dostarczenie bocznika dla części mieszanego czynnika chłodniczego mieszanego z olejem w odparowalniku do kompresora, w którym olej jest poddawany zwykłym mechanizmom recyrkulacji. Bocznik ten jednakże może być niewydajny i jest trudny do kontroli. Ponadto trudne jest uzyskanie i utrzymywanie niskich stężeń oleju z wykorzystaniem tej metody.

Opis patentowy US 6,233,967 dotyczy systemu odzyskiwania oleju agregatu chłodniczego, który wykorzystuje wysokie ciśnienie oleju jako płyn napędowy pompy strumieniowej, podobnie jak opisy patentowe US 6,170,286 i 5,761,914.

Zarówno w pompie strumieniowej jak i boczniku, gdy olej osiąga niskie poziomy, np. około 1%, 99% płynu separowanego stanowi czynnik chłodniczy, co prowadzi do znacznej utraty wydajności procesu.

Podkreśla się, że trudno jest dokładnie próbkować i określać stężenie oleju w odparowalniku. Gdy czynnik chłodniczy wrze, stężenie oleju ulega zwiększeniu. Zatem stężenie oleju bliżej wierzchu czynnika chłodniczego jest wyższe niż w masie. Jednakże, gdy wrząca ciecz bulgoce, pojawiają się niejednorodności i dokładne próbkowanie staje się trudne lub niemożliwe. Dalej, nie jest jasne, czy przeciętne stężenie oleju w masie ma stanowić kontrolowaną zmienną, poza oddziaływaniem oleju na różne składniki. Ponieważ trudno jest zmierzyć stężenie oleju, to także trudno jest zmierzyć ilość czynnika chłodniczego w odparowalniku. Trudność dokonania pomiaru czynnika chłodniczego jest tym większa, że w trakcie pracy w odparowalniku wrze i pieni się; pomiar ilości w trakcie zamykania systemu musi brać pod uwagę jakąkolwiek zmianę dystrybucji czynnika chłodniczego między inne składniki systemu.

Wiadome jest, że warunki ładowania agregatu chłodniczego mają istotny wpływ zarówno na przepustowość systemu, jak i wydajność pracy systemu. Oczywiście, jeśli ilość ciekłego czynnika chłodniczego w odparowalniku jest niewystarczająca, system nie może spełniać wymagań chłodniczych i to ogranicza jego przepustowość. A zatem na przykład, aby operować przy większych obciążeniach cieplnych, większa ilość czynnika chłodniczego, co najmniej w odparowalniku, jest konieczna. Jednakże w typowych rozwiązaniach, po dostarczeniu tego ładunku czynnika chłodniczego, wydajność pracy systemu przy zmniejszonych obciążeniach jest mniejsza, wymagając więcej energii na takie samo BTU chłodzenia [Bailey, Margaret B., „System Performance Characteristics of a Helical Rotary Screw Air-Cooled Chiller Operating Over a Range of Refrigerant Charge Conditions”, ASHRAE Trans., 1998, 104 (2)]. Zatem przez poprawny dobór “wielkości” (np. przepustowości chłodzenia)

PL 213 870 B1 agregatu chłodniczego wydajność zostaje zwiększona. Zwykle przepustowość agregatu chłodniczego jest określana poprzez maksymalne spodziewane obciążenie teoretyczne, i dla danego obciążenie teoretycznego w typowym rozwiązaniu ustalana jest wielkość ładunku czynnika chłodniczego. Zatem w celu uzyskania ulepszonej wydajności systemu, wykorzystywana jest technika modulacji naboru, w której jeden lub więcej z wielu podsystemów jest selektywnie aktywowanych w zależności od obciążenia, aby umożliwić efektywne projektowanie każdego podsystemu, zarazem umożliwiając wysoką całkowitą przepustowość obciążeniową przy funkcjonowaniu wszystkich podsystemów [zob.: Trane „Engineer's Newsletter” grudzień, 1996, 25 (5): 1-5]. W innej znanej technice wyszukiwana jest zmiana prędkości obrotowej kompresora, jak na przykład według opisu US 5,651,264. Możliwe jest także kontrolowanie prędkości kompresora z użyciem elektronicznego sterowania silnikiem, lub przepustowości systemu przy ograniczaniu przepływu czynnika chłodniczego do kompresora.

Wydajność agregatu chłodniczego na ogół zwiększa się ze zwiększeniem obciążenia agregatu. Zatem optymalny system wyszukuje system operujący blisko projektu znamionowego. Wyższy poziom ładunku czynnika chłodzącego niż nominalnie pełny poziom powoduje jednakże spadek wydajności. Ponadto, przepustowość obciążeniowa agregatu chłodniczego wyznacza ograniczenie minimalnego ładunku czynnika chłodniczego. Dlatego też należy uwzględnić istnienie optymalnego poziomu ładunku czynnika chłodniczego, dla maksymalizowania wydajności. Jak podano powyżej, ze zwiększeniem poziomu oleju w odparowalniku, obok zastępowania czynnika chłodniczego, wykazywane jest niezależne działanie na wydajność systemu.

Dostępne są systemy do pomiaru wydajności agregatu chłodniczego, tj. systemu chłodniczego, który chłodzi wodę lub roztwór wodny, taki jak solankę. W tych systemach wydajność jest obliczana w oparciu o energię zużytą w watogodzinach (wolty * ampery * godziny) na jednostkę chłodzenia, zwykle tony lub angielskie jednostki ciepła (BTU) (ilość energii wymagana do zmiany jednej angielskiej tony wody o 1°C). A zatem minimalny pomiar wydajności wymaga miernika mocy (układ podstawy czasu, woltomierz, amperomierz), oraz termometrów i przepływomierzy do wlotu i wylotu wody. Zazwyczaj dalsze instrumenty są potrzebne, a w tym miernik ciśnienia wody chłodniczej, mierniki ciśnienia i temperatury odparowalnika i skraplacza. Procesor systemu zbierania danych jest też zwykle obecny, aby obliczać wydajność w BTU/kWh.

Opisy patentowe US 4,437,322; 4,858,681; 5,653,282; 4,539,940; 4,972,805; 4,382,467; 4,365,487; 5,479,783; 4,244,749; 4,750,547; 4,645,542; 5,031,410; 5,692,381; 4,071,078; 4,033,407; 5,190,664; oraz 4,747,449 dotyczą wymienników ciepła itp.

Istnieje wiele znanych metod i urządzeń do oddzielania czynników chłodniczych, a w tym według opisów patentowych US 2,951,349; 4,939,905; 5,089,033; 5,110,364; 5,199,962; 5,200,431; 5,205,843; 5,269,155; 5,347,822; 5,374,300; 5,425,242; 5,444,171; 5,446,216; 5,456,841; 5,470,442; 5,534,151; oraz 5,749,245. Ponadto istnieje wiele znanych systemów odzyskiwania czynnika chłodniczego, w tym według opisów patentowych US 5,032,148; 5,044,166; 5,167,126; 5,176,008; 5,189,889; 5,195,333; 5,205,843; 5,222,369; 5,226,300; 5,231,980; 5,243,831; 5,245,840; 5,263,331; 5,272,882; 5,277,032; 5,313,808; 5,327,735; 5,347,822; 5,353,603; 5,359,859; 5,363,662; 5,371,019; 5,379,607; 5,390,503; 5,442,930; 5,456,841; 5,470,442; 5,497,627; 5,502,974; 5,514,595; oraz 5,934,091.

Znane są również systemy analizowania właściwości czynnika chłodniczego, jak przedstawione w opisach patentowych US 5,371,019; 5,469,714; oraz 5,514,595.

Przemysłowe systemy chłodnicze wymagają odpowiedniej instrumentacji i monitorowania parametrów funkcjonowania systemu. Po pozyskaniu zestawu pomiarów czujnikowych przeprowadza się analizę sprawności w odniesieniu do modelu systemu. Analiza może być następnie wykorzystana do dostosowania parametrów funkcjonalnych systemu, wywołania procedury konserwacji lub do przeprowadzenia analizy opłacalności. Systemy, do których ten sposób może być zastosowany, obejmują między innymi silniki spalinowe wewnętrznego spalania, maszynerię wirnikową, systemy hydrauliczne i pneumatyczne.

Opis patentowy US 6,243,696 dotyczy sposobu generowania modelu instalacji i wprowadzenia go do systemu predykcyjnego do generowania przewidywanych wartości stanowiących wartości operacyjne instalacji. Według rozwiązania, dostarczona jest baza uprzednich danych dotycząca funkcjonowania instalacji i zawierająca dane wejściowe i wejściowe. Dane są pobierane z bazy danych uprzednich i generowany jest zbiór danych odpowiadający danym wyjściowym i wejściowym z bazy danych uprzednich. Generowany jest predykcyjny model off-line z wykorzystaniem zbioru danych, aby przewidywać wydajność instalacji, który to model off-line jest definiowany za pomocą parametrów modelu off-line. Następnie jest generowany model on-line z przewidywanymi wartościami wydajności

PL 213 870 B1 i definiowany przez parametry modelu on-line. Po wygenerowaniu, parametry modelu są odpowiednio zastępowane.

W sposobie według US 6,243,696 wartości wyjściowe wylicza się na podstawie wartości wejściowych, między którymi występują funkcyjne zależności liniowe lub nieliniowe. Wyliczenie wartości wyjściowych jest bardzo czasochłonne z punktu widzenia procesowego, gdyż są to zależności przedstawiane rozbudowanymi zestawieniami, jak na przykład zestawienia pary dotyczące współzależności ciśnienia, objętości, entalpii i temperatury, ewentualnie także dane dotyczące właściwości czynników chłodniczych, parametrów mieszanki, diagramy koncentracji entalpii, ciepła utajone, właściwości termodynamiczne określonych mieszanek i diagramy ciśnienie/entalpia. Co więcej, są to dane pomiarowe zazwyczaj obarczone nieuchronnymi błędami pomiaru.

A zatem rozwiązanie według US 6,243,696 dostarcza model bazujący na modelu uprzednim i nie uwzględnia modelowania systemu w oparciu o bieżącą kontrolę parametrów systemu.

Z kolei opis US 2002/055358 ujawnia bezprzewodowy system do analizy sprzętu/instalacji zlokalizowanej w terenie. Dane zebrane w terenie z użyciem dostępnego sprzętu (dane termodynamiczne, dane elektryczne), przekazuje się do komputera w miejscu przeprowadzania analizy, celem przeprowadzenia poszukiwania i porównania z danymi dostępnymi w bankach danych, aby wyznaczyć bieżącą wydajność systemu, szacunkowy koszt rocznego funkcjonowania, ewentualne problemy sprzętowe, potencjalne oszczędności i określić problemy, które zostały już rozwiązane. W rozwiązaniu według US 2002/055358 wyszukuje się dane do wznowienia funkcjonowania systemu w toku okresowych konserwacji, według z góry zadanej specyfikacji. Rozwiązanie nie przewiduje optymalizacji funkcjonowania systemu w sposób ciągły (który to system jest poddawany oddziaływaniu niekontrolowanych zmiennych), a optymalizacja systemu jest możliwa w następstwie przeprowadzenia konserwacji.

A zatem w stanie techniki nie jest dostarczone ani sugerowane rozwiązanie, w którym w sposób samoczynny, w trakcie funkcjonowania systemu chłodniczego pod określonym obciążeniem (który to system jest podawany oddziaływaniu niekontrolowanych zmiennych) następuje modyfikowanie parametrów pracy w kierunku bardziej optymalnego funkcjonowania systemu, bez przeprowadzania konserwacji off-line. W szczególności, nie jest sugerowane, że kontrolowanie i modyfikowanie ilości czynnika chłodniczego w odparowalniku może być wykorzystane do sterowania systemem chłodniczym i optymalizacji systemu w czasie rzeczywistym.

Przedmiotowy wynalazek dostarcza sposób optymalizacji systemu chłodniczego mającego kompresor, skraplacz oraz mającego odparowalnik wyprowadzający ciepło z procesu, oraz dostarcza system chłodniczy, w którym to sposobie i systemie wykorzystuje się architekturę regulacji do sterowania systemem w czasie rzeczywistym.

Sposób optymalizacji funkcjonowania systemu chłodniczego mającego kompresor, skraplacz, oraz mającego odparowalnik wyprowadzający ciepło z procesu wykazującego zapotrzebowanie na chłodzenie, według wynalazku charakteryzuje się tym, że przeprowadza się pomiar sprawności odparowalnika z użyciem co najmniej jednego czujnika, przeprowadza się pomiar poziomu czynnika chłodniczego w odparowalniku z użyciem co najmniej jednego czujnika, określa się wewnętrzną automatyczną pętlę regulacyjną dla sterowania funkcjonowaniem co najmniej jednego kompresora, aby regulować dopływ ciekłego czynnika chłodniczego do odparowalnika w zależności od stopnia zapotrzebowania na chłodzenie i od sygnału optymalizacji na wejściu; określa się zewnętrzną automatyczną pętlę regulacyjną do optymalizacji poziomu czynnika chłodniczego w odparowalniku i generowania sygnału optymalizacji na wejściu, przy czym zewnętrzna pętla regulacyjna wyznacza poziom dysproporcji pomiędzy szybkością dopływu i szybkością wypływu czynnika chłodniczego, jako sygnał optymalizacji na wejściu dla wewnętrznej pętli regulacyjnej, aby zmienić poziom czynnika chłodniczego w odparowalniku do poziomu optymalnego na podstawie parametrów optymalizacji obliczonych automatycznie w zależności od zmierzonej sprawności odparowalnika przy różnych zmierzonych poziomach czynnika chłodniczego w odparowalniku i przy różnych poziomach zapotrzebowania na chłodzenie; oraz zapewnia się działanie kompresora w zależności od sygnału z wewnętrznej automatycznej pętli regulacyjnej, aby utrzymywać poziom optymalny. Korzystnie sposób obejmuje etap, w którym przewiduje się potrzebę serwisowania systemu chłodniczego. W szczególności, sposób obejmuje etap, w którym dostarcza się bufor do zasilania czynnikiem chłodniczym odparowalnika, przy czym poziom ciekłego czynnika chłodniczego w buforze jest zmieniany w reakcji na zewnętrzną pętlę regulacyjną. Ewentualnie, sposób obejmuje etap, w którym szacuje się migrację oleju do odparowalnika. Korzystnie, zewnętrzna pętla regulacyjna jest dostosowawcza. W szczególności, wewnętrzna pętla regulacyjna zawiera charakterystykę sterowania z wyprzedzeniem. Zewnętrzna pętla

PL 213 870 B1 regulacyjna, zwłaszcza, kompensuje migrację oleju do odparowalnika. Korzystnie, zewnętrzna pętla regulacyjna kompensuje zmiany stanu ładunku czynnika chłodniczego. W szczególności, co najmniej jedna pętla spośród wewnętrznej pętli regulacyjnej i zewnętrznej pętli regulacyjnej przeprowadza optymalizację opłacalności. Korzystnie, co najmniej jedna spośród wewnętrznej pętli regulacyjnej i zewnętrznej pętli regulacyjnej przeprowadza optymalizację opłacalności procesu, która to optymalizacja opłacalności obejmuje system chłodniczy i co najmniej jeden składnik instalacji wykorzystujący system chłodniczy. Ewentualnie sposób obejmuje etap, w którym modyfikuje się sprawność odparowalnika poprzez oddzielanie oleju od czynnika chłodniczego w systemie chłodniczym. Korzystnie, sposób obejmuje etap, w którym dostarcza się model dostosowawczy systemu chłodniczego do przewidywania reakcji systemu na zmiany zmiennej procesowej.

System chłodniczy obejmujący kompresor do sprężania czynnika chłodniczego, skraplacz do skraplania czynnika chłodniczego w ciecz oraz odparowalnik do odparowywania ciekłego czynnika chłodniczego ze skraplacza do postaci gazowej, aby odbierać ciepło z procesu odpowiadające obciążeniu systemu, pamięć do przechowywania parametrów pozyskiwanych z pomiarów sprawności systemu chłodniczego dla mnogich zmierzonych poziomów czynnika chłodniczego w odparowalniku i dla mnogich zróżnicowanych obciążeń systemu, oraz zespół sterowania, według wynalazku charakteryzuje się tym, że zespół sterowania jest przeznaczony do optymalnego sterowania kompresorem dostarczającym ciekły czynnik chłodniczy do odparowalnika, w stopniu dostosowanym do bieżącego obciążenia systemu chłodniczego, jak i poziomem czynnika chłodniczego w odparowalniku, poprzez modyfikowanie dysproporcji pomiędzy dostarczaniem ciekłego czynnika chłodniczego i bieżącym obciążeniem systemu chłodniczego, w oparciu co najmniej o parametry zachowane w pamięci, bieżące obciążenie systemu i zmierzony poziom czynnika chłodniczego w odparowalniku. W szczególności, zespół sterowania wykorzystuje algorytm genetyczny do przewidywania stanu optymalnego. Korzystnie, zespół sterowania obejmuje wewnętrzną pętlę regulacyjną do regulacji dostarczania ciekłego czynnika chłodniczego do odparowalnika, oraz zewnętrzną pętlę regulacyjną do optymalizacji poziomu czynnika chłodniczego w odparowalniku, przy czym zewnętrzna pętla regulacyjna wyznacza stopień dysproporcji pomiędzy szybkością dopływu i szybkością wypływu czynnika chłodniczego dla wewnętrznej pętli regulacyjnej, aby wprowadzać modyfikacje zmierzające do stopnia optymalnego w oparciu o parametry optymalizacji wyznaczane automatycznie, w zależności od co najmniej pomiaru sprawności odparowalnika, pomiaru poziomu czynnika chłodniczego w odparowalniku i obciążenia systemu, a wewnętrzna pętla regulacyjna optymalizuje dostarczanie ciekłego czynnika chłodniczego w oparciu o optymalny poziom czynnika chłodniczego w odparowalniku. Ewentualnie, system zawiera bufor do magazynowania rezerwy ciekłego czynnika chłodniczego. Korzystnie, poziom rezerwy ciekłego czynnika chłodniczego jest kontrolowany przez zewnętrzną pętlę regulacyjną.

W większości znanych systemów chłodniczych, kontrola w zasadzie jest przydawana celem zapewnienia, by ciekły czynnik chłodniczy nie był zawracany do kompresora, a ponadto, aby zapewnić, że poziom czynnika chłodniczego w odparowalniku przypuszczalnie jest na zadanym, ustalonym poziomie.

Według przedmiotowego wynalazku, optymalny poziom czynnika chłodniczego i oleju w odparowalniku nie jest wstępnie zadany. Przeciwnie, jest uwzględnione to, że z czasem charakterystyki systemu mogą ulec zmianie, jak również charakterystyki obciążenia, a optymalna kontrola musi być bardziej złożona. Podobnie, jest zrozumiałe, że bezpośrednie pomiary efektywnych poziomów relewantnych parametrów mogą być niemierzalne, a zatem mogą być przewidziane środki zastępcze.

Według przedmiotowego wynalazku, dostarczona jest para pętli regulacyjnych, pętla wewnętrzna i pętla wewnętrzna. Pętla wewnętrzna kontroluje kompresor, to jest siłę napędową do pompowania ciepła. Ta wewnętrzna pętla regulacyjna otrzymuje pojedynczy sygnał z pętli zewnętrznej i optymalizuje funkcjonowanie kompresora stosownie do niego, na przykład prędkość kompresora, cykl pracy, położenie wlotowych łopatek itp. Jeśli jest obecny sterowany zawór rozprężny (zwykle umieszczony między skraplaczem i odparowalnikiem), to jest również objęty tą wewnętrzną pętlą regulacyjną. A zatem wewnętrzna pętla regulacyjna kontroluje szybkość podawania ciekłego czynnika chłodniczego do odparowalnika.

Zewnętrzna pętla regulacyjna kontroluje podział czynnika chłodniczego między odparowalnik i zespół akumulacji czynnika chłodniczego w obrębie systemu. Akumulator zwykle nie jest elementem „funkcjonalnym” systemu, gdyż ilość czynnika chłodniczego w akumulatorze nie jest zasadniczo istotna; element ten po prostu umożliwia zmienianie ilości czynnika chłodniczego gdziekolwiek w systemie.

PL 213 870 B1

Akumulatorem może być niższa część skraplacza, oddzielny akumulator lub nawet wydzielona część odparowalnika, która istotnie nie jest angażowana w proces chłodzenia.

W trakcie funkcjonowania w stanie ustalonym, podawanie ciekłego czynnika chłodniczego ze skraplacza będzie równe szybkości pobierania gazowego do kompresora. Zatem szybkość absorpcji ciepła w odparowalniku będzie skutecznie kontrolowała wewnętrzną pętlę regulacyjną dla kompresora. Zwykle ta absorpcja ciepła może być mierzona lub szacowana z różnych czujników systemu, a w tym temperatury rozładowywania odparowalnika i ciśnienia, temperatury i ciśnienia wody/solanki na wlocie i wylocie odparowalnika oraz ewentualnie temperatury i ciśnienia przestrzeni głowicowej skraplacza.

Zewnętrzna pętla regulacyjna określa optymalny poziom czynnika chłodniczego w odparowalniku. Bezpośredni pomiar poziomu czynnika chłodniczego w odparowalniku jest utrudniony z dwóch powodów: po pierwsze, odparowalnik jest wypełniony czynnikiem chłodniczym i olejem, a bezpośrednie próbkowanie zawartości odparowalnika, takie jak z użyciem czujnika optycznego do stężenia oleju, zwykle nie daje użytecznych wyników w trakcie funkcjonowania systemu. W tracie zamykania systemu, stężenie oleju może być dokładnie zmierzone, ale takie warunki zamykania systemu zwykle umożliwiają ponowny podział czynnika chłodniczego między różne składniki systemu. Po drugie, w trakcie funkcjonowania, czynnik chłodniczy i olej wydzielają pęcherzyki i pienią się, a więc nie ma konkretnego poziomu do zmierzenia. Przeciwnie, korzystną metodą wnioskowania co do ilości czynnika chłodniczego w odparowalniku, a zwłaszcza zmian w trakcie stosunkowo krótkiego okresu czasu, jest monitorowanie poziomu czynnika chłodniczego w akumulatorze, którym korzystnie jest dolna część skraplacza lub dołączonego do skraplacza. Ponieważ czynnik chłodniczy jest stosunkowo czysty i utrzymywany w warunkach skraplania, poziom jest stosunkowo łatwy do zmierzenia. Ponieważ pozostałe składniki systemu obejmują w zasadzie gazowy czynnik chłodniczy, pomiar poziomu czynnika chłodniczego w skraplaczu lub akumulatorze dostarczy użyteczne informacje co do pomiaru zmian poziomu czynnika chłodniczego w odparowalniku. Jeśli wyjściowe poziomy w akumulatorze albo w skraplaczu oraz w odparowalniku są znane (nawet w trakcie stanu zamykania), to można wyliczyć pomiar absolutny.

Oczywiście, istnieją inne środki do mierzenia lub obliczania ilości czynnika chłodniczego w odparowalniku, a szeroko ujęte realizacje według wynalazku nie są ograniczone do korzystnej metody pomiaru.

Przedmiotowy wynalazek przewiduje, że występuje podział czynnika chłodniczego, poprzez kontrolowanie zmiennej względem ilości w odparowalniku. Zewnętrzna pętla regulacyjna kontroluje ten poziom, aby uzyskać stan optymalny.

W systemie chłodniczym wydajność jest obliczana w kategoriach energii na jednostkę przeniesionego ciepła. Energia może być dostarczana jako elektryczna, gaz, węgiel, para lub z innego źródła, i może być bezpośrednio mierzona. Pomiary zastępcze mogą być także wykorzystywane, co jest znane w stanie techniki. Przenoszenie ciepła można również obliczyć w znany sposób. Na przykład, przenoszenie ciepła do chłodzonej wody procesowej jest obliczane poprzez mierzenie lub szacowanie natężenia przepływu oraz temperatur na wlocie i wylocie.

Aczkolwiek jest możliwe mapowanie algorytmu kontrolnego w kategoriach pożądanego podziału czynnika chłodniczego w różnych sytuacjach obciążenia, to korzystna realizacja według wynalazku dostarcza kontrolę adaptacyjną. Ta adaptacyjna kontrola określa, w trakcie nieustalonych przebiegów systemu, które normalnie zachodzą lub są indukowane, ładunek w wydajności systemu ze zmianami podziału czynnika chłodniczego w danym punkcie operacyjnym. Na przykład, jeśli proces ulega zmianie, wymagając innego obciążenia rozpraszania energii, to będzie odzwierciedlone w zmianie temperatury wody wlotowej i/lub natężenia przepływu. Zmiana ta będzie skutkowała inną szybkością odparowywania czynnika chłodniczego w odparowalniku, a zatem przejściową zmianą podziału. Przed lub w połączeniu z korektą podziału czynnika chłodniczego, zespół kontroli monitoruje wydajność systemu. Monitoring ten umożliwia zespołowi kontroli opracowanie modelu systemu, który następnie pozwala na spodziewanie się optimum powierzchni kontroli. Pętla zewnętrzna ponownie dzieli czynnik chłodniczy dla uzyskania optymalnej wydajności. Należy zaznaczyć, że aczkolwiek wydajność jest zwykle rozważana w kW/tonę, to inne pomiary wydajności mogą być wprowadzone bez materialnej zmiany strategii kontroli. Na przykład, zamiast optymalizowania samego systemu chłodniczego, może być objęty proces przemysłowy. W takim przypadku, można obliczać parametry wytwórcze lub ekonomię procesu, aby zapewnić bardziej wszechstronną optymalizację.

PL 213 870 B1

Przy wszechstronnej optymalizacji, inne systemy mogą także wymagać kontroli lub być wykorzystywane jako wejścia. Te mogą być dostosowywane znanym sposobem.

Z upływem czasu olej migruje z miski olejowej kompresora do odparowalnika. Jeden z aspektów wynalazku przewiduje zespół kontroli, który mierzy zużycie oleju, w celu oszacowania poziomu oleju w odparowalniku. Ten zespół kontroli zatem mierzy olej do uzupełnienia w misce olejowej, powrót oleju z wylotu kompresora i powrót oleju z zaworu rozprężnego. Należy zaznaczyć, że olej w misce olejowej może być zmieszany z czynnikiem chłodniczym, a zatem zwykły miernik poziomu prawdopodobnie będzie wymagał kompensacji, takiej jak wrzenie próbki oleju, aby usunąć czynnik chłodniczy, lub użycia czujnika stężenia oleju, takiego jak czujnik typu optycznego. Stąd też jest możliwe oszacowanie ilości migrującego oleju do odparowalnika, a znając stan wyjściowy lub czysty system, można oszacować całkowitą ilość oleju. Wykorzystując pomiary temperatury i ciśnienia rozładowywania odparowalnika, jak również temperatury i ciśnienia na wlocie i wylocie wody, jest możliwe dalsze oszacowanie współczynników przenoszenia ciepła w wiązce rur oraz ich zaburzenia. Czynnik chłodniczy, olej i zaburzenia przenoszenia ciepła są podstawowymi wewnętrznymi zmiennymi, które wpływają na wydajność odparowalnika. W trakcie krótkiego okresu (przy założeniu, że olej nie jest celowo dodawany do odparowalnika), czynnik chłodniczy jest jedyną efektywną i dostępną kontrolowaną zmienną. W dłuższych okresach, może być kontrolowana pompa strumieniowa oleju, w oparciu o wywnioskowane lub zmierzone stężenie oleju, aby przywrócić poziom oleju w odparowalniku do poziomu optymalnego. W wydłużonych okresach można przeprowadzać konserwację dla skorygowania zaburzeń przenoszenia ciepła oraz oczyszczenia czynnika chłodniczego. Takie wymagania konserwacyjne mogą być wskazane na wyjściu z zespołu kontroli. Na przykład zespół kontroli funkcjonuje automatycznie, aby natychmiast dostosować kontrolowaną zmienną do stanu optymalnego. To dostosowywanie jest uruchamiane wskutek zmiany w warunkach procesowych lub pewnego procesu autodostrajania. Ponadto, z upływem czasu powierzchnia kontroli optymalizacji ulega zmianie. Jeśli zmiana tej powierzchni zmniejsza całkowitą wydajność, to drugorzędne korekcje kontrolne mogą być przywołane, takie jak pompy strumieniowej oleju, przedmuchiwania nie-skraplalnych gazów (zwykle ze skraplacza) itp. W dłuższym okresie czasu zespól kontroli może modelować istotne parametry funkcjonowania systemu w odniesieniu do modelu i określać, kiedy wymagane jest serwisowanie, albo dlatego że system jest uszkodzony, albo dlatego, że oczywista jest istotna niewydolność, taka jak zaburzenie przenoszenia ciepła przez wiązkę rur.

Jak podano powyżej, wewnętrzna pętla regulacyjna jest na ogół izolowana od bezpośredniej reakcji na zmiany w procesie. Dalej, ponieważ odparowalnik jest na ogół na zewnątrz wewnętrznej pętli regulacyjnej, to ta pętla regulacyjna w zasadzie nie obiera niekorzystnych zmian z upływem czasu, z wyjątkiem nagromadzania nie-skraplalnych gazów w skraplaczu, o czym stosunkowo łatwo wnioskować na podstawie ciepła przegrzania, i które są stosunkowo łatwe do przedmuchania. Zatem pętla wewnętrzna może zwykle funkcjonować zgodnie z uprzednio zadaną strategią kontroli i nie wymaga dostosowywania. To z kolei pozwala na wielowariantową kontrolę, na przykład prędkości silnika, położenia łopatek wlotowych i kontrolnego zaworu rozprężnego, dokonywaną w oparciu o statyczny model systemu, aby uzyskać optymalną wydajność w zróżnicowanych warunkach.

Z drugiej strony, zewnętrzna pętla regulacyjna wyszukuje celem kontrolowania krótkookresowe reakcje systemu w zasadzie bazując na optymalizacji pojedynczej zmiennej, podziału czynnika chłodniczego, ze zmianami obciążenia systemu. Wprawdzie statyczny model systemu jest tu trudny lub niemożliwy do implementowania, aby uzyskać wymaganą dokładność, ale kontrola taka jest łatwa do implementowania w trybie dostosowawczym, z kompensowaniem zmian w systemie, i w rzeczy samej z upływem okresu czasu koryguje odchyłki parametrów systemu, które niekorzystnie wpływają na wydajność systemu.

Jest oczywiste, że te pętle regulacyjne i ich algorytmiczna implementacja mogą być połączone, a w rzeczy samej hybrydowe, a generalna strategia pozostaje taka sama. W jakimkolwiek punkcie operacyjnym podział czynnika chłodniczego jest kontrolowany dla uzyskania maksymalnej wydajności. System wyczuwa lub sprawdza wydajność jako funkcję kontrolowanej zmiennej, w celu kompensowania zmian reakcji systemu.

Wynalazek zostanie dalej przedstawiony w odniesieniu do załączonych rysunków, na których: fig. 1 przedstawia schematyczny widok znanego rozwiązania: rur w płaszczu wymiennika ciepła odparowalnika;

PL 213 870 B1 fig. 2 przedstawia widok zakończenia ściany sitowej, pokazując promieniowo symetryczne ułożenie rur w wiązce rur, przy czym każda rura przebiega osiowo wzdłuż wymiennika ciepła odparowalnika;

fig. 3 przedstawia schematycznie szkic systemu częściowej destylacji do usuwania oleju ze strumienia czynnika chłodniczego;

fig. 4 przedstawia schematycznie system pomiaru wydajności agregatu chłodniczego;

fig. 5 przedstawia stylizowany wykres wydajności w odniesieniu do zmian stężenia oleju w odparowalniku;

fig. 6A i 6B przedstawiają, odpowiednio, schemat cyklu sprężania par i wykres temperatura-entropia;

fig. 7A, 7B i 7C przedstawiają, odpowiednio, różne schematy blokowe zespołu kontroli według przedmiotowego wynalazku;

fig. 8 przedstawia pół-schematycznie kontrolowany system chłodniczy według przedmiotowego wynalazku; oraz fig. 9 przedstawia schematycznie kontrolowanie systemu chłodniczego według niniejszego wynalazku.

Przewidziana jest bardziej szczegółowa analiza w oparciu o podział czynnika chłodniczego, w strategii kontroli. Wydajność agregatu chłodniczego zależy od kilku czynników, a w tym temperatury dochładzania i ciśnienia skraplania, które z kolei zależą od poziomu ładunku czynnika chłodniczego, nominalnego obciążenia agregatu chłodniczego i temperatury powietrza na zewnątrz. Po pierwsze, dochładzanie w cyklu termodynamicznym jest poddawane badaniu. Fig. 6A przedstawia schemat cyklu skraplania pary, a fig. 6B przedstawia rzeczywisty diagram temperatura-entropia, przy czym przerywana linia wskazuje cykl idealny. W wyniku wyjścia z kompresora w stanie 2, jak wskazano na fig. 6A, wysokociśnieniowa mieszanka gorącego gazu i oleju przechodzi przez separator oleju przed wejściem do rur oddalonego, chłodzonego powietrzem skraplacza, gdzie czynnik chłodniczy oddaje ciepło Qh do przepływającego powietrza przez wymuszoną konwekcję (lub innego środowiska chłodzącego). W kilku ostatnich szeregach zwojów skraplacza, wysokociśnieniowy nasycony ciekły czynnik chłodniczy powinien być dochładzany, np. 5,6°C do 11,1°C, stosownie do wskazówek wytwórcy, co wskazuje stan 3 na fig. 6B. Ten poziom dochładzania umożliwia urządzeniu za skraplaczem - elektronicznemu zaworowi rozprężnemu - funkcjonować w sposób właściwy. Ponadto, poziom dochładzania jest bezpośrednio uzależniony od przepustowości agregatu chłodniczego. Zmniejszony poziom dochładzania powoduje przesunięcie stanu 3 (na fig. 6B) w prawo i odpowiednie przesunięcie stanu 4 w prawo, co zmniejsza przepustowość usuwania ciepła odparowalnika Q1.

Gdy ładunek czynnika chłodniczego agregatu zwiększa się, to także zwiększa się nagromadzanie czynnika chłodniczego przechowywanego w skraplaczu po stronie wysokociśnieniowej systemu. Wzrost ilości czynnika chłodniczego w skraplaczu następuje również, gdy obciążenie agregatu chłodniczego zmniejsza się wskutek mniejszego przepływu czynnika chłodniczego przez odparowalnik, co powoduje zwiększenie magazynowania (nagromadzanie) w skraplaczu. Zanurzony skraplacz powoduje wzrost wielkości obszaru przenoszenia ciepła jawnego używanego do dochładzania i odpowiedni spadek powierzchni obszaru używanego do przenoszenia ciepła przemiany fazowej lub izotermicznego towarzyszącego skraplaniu. Stąd też zarówno zwiększanie poziomu ładunku czynnik chłodniczego, jak i zmniejszanie obciążenia agregatu chłodniczego skutkuje zwiększeniem temperatur dochładzania i temperatur skraplania.

Według przedmiotowego wynalazku, dostarczone są skraplacz i akumulator dla ograniczenia jakiejkolwiek niewydolności wynikającej ze zmienności przechowywania czynnika chłodniczego. Może być to uzyskane przez statyczną mechaniczną konfigurację lub kontrolowaną zmienną konfigurację.

Zwiększona temperatura powietrza na zewnątrz lub innego ujścia ciepła (środowisko odbierające ciepło skraplacza) mają przeciwstawne działanie na funkcjonowanie skraplacza. Gdy temperatura ujścia ciepła zwiększa się, to większy obszar powierzchni skraplacza jest wykorzystywany do przenoszenia ciepła przemiany fazowej lub izotermicznego, towarzyszącego skraplaniu i następuje odpowiedni spadek obszaru przenoszenia ciepła jawnego używanego do dochładzania. Zatem zwiększenie temperatury ujścia ciepła powoduje zmniejszenie temperatur dochładzania i zwiększenie temperatur skraplania.

Powołując fig. 6B, zwiększenie dochładzania przesuwa stan 3 w lewo, podczas gdy zwiększenie temperatury skraplania przesuwa krzywą łączącą stany 2 i 3 ku górze. Wysokie temperatury skraplania mogą w końcu prowadzić do przeciążenia silnika kompresora i zwiększenia poboru mocy przez

PL 213 870 B1 kompresor lub do obniżenia wydajności. Gdy dochładzanie zwiększa się, ciepło jest doprowadzane do odparowalnika, co sprawia, że krzywa łącząca stany 1 i 4 przesuwa się ku górze. Gdy temperatura parowania zwiększa się, objętość właściwa czynnika chłodniczego wchodzącego do kompresora także zwiększa się, co powoduje zwiększenie poboru mocy przez kompresor. A zatem, warunki zwiększonego poziomu ładunku czynnika chłodniczego i zmniejszenia przepustowości agregatu chłodniczego powodują zwiększenie dochładzania, co prowadzi do zwiększenia poboru mocy kompresora.

Poziom ciepła przegrzania przejawia się w niewielkim zwiększeniu temperatury po tym, jak czynnik chłodniczy opuszcza krzywą nasycenia, co przedstawia stan 1 na fig. 6B. Czynnik chłodniczy w postaci pary opuszcza odparowalnik agregatu chłodniczego i wchodzi do kompresora jako para przegrzana. Według przedmiotowego wynalazku, „koszt” niskich poziomów ciepła przegrzania może ewentualnie być dołączony do optymalizacji, aby uwzględnić ten czynnik. Poza tym, mogą być przewidziane zespoły ograniczające lub kontrolujące takie problemy, umożliwiające funkcjonowanie przy niskich poziomach ciepła przegrzania.

Poziom ciepła przegrzania w skraplaczu może być zwiększony, na przykład przez nagromadzanie nie-skraplających się gazów, co powoduje nieefektywność termodynamiczną. Stąd też, według jednego z aspektów wynalazku, poziom ciepła przegrzania jest monitorowany, a jeśli przekracza wymagany poziom, może być przeprowadzany cykl przedmuchiwania nie-skraplających się gazów lub inne oczyszczanie czynnika chłodniczego. Nie-skraplalne gazy mogą być usuwane na przykład poprzez ekstrahowanie fazy gazowej ze skraplacza i poddanie jej znacznemu dochładzaniu. W przestrzeni głowicowej takiej próbki będą w zasadzie nie-skraplające się gazy, natomiast czynnik chłodniczy w próbce skropli się. Skroplony czynnik chłodniczy może być zawrócony do skraplacza lub podawany do odparowalnika.

Jak omawiano uprzednio, zwiększenie temperatury ujścia ciepła powoduje zwiększenie ciśnienia wypływu, co z kolei sprawia, że ciśnienie ssania kompresora ulega zwiększeniu. Obie krzywe łączące stan 2 i 3 oraz stany 4 i 1 na fig. 6B, ulegną przesunięciu ku górze wskutek zwiększenia temperatury ujścia ciepła. Przesunięcie ku górze krzywych 4 do 1 lub zwiększenie temperatury odparowywania czynnika chłodniczego powoduje zmniejszenie temperatury na podejściu do odparowania. Gdy temperatura na podejściu do odparowania zmniejsza się, natężenie przepływu masowego przez odparowalnik musi ulec zwiększeniu, aby usunąć właściwą ilość ciepła z chłodzonej pętli wodnej. Zatem zwiększenie temperatur ujścia ciepła powoduje zwiększenie ciśnienia odparowywania, co prowadzi do zwiększenia natężenia przepływu masowego czynnika chłodniczego przez odparowalnik. Połączony efekt wyższego natężenia przepływu masowego czynnika chłodniczego i zmniejszonej temperatury na podejściu powoduje zmniejszenie temperatur przegrzania. Istnieje zatem zależność odwrotna pomiędzy temperaturą ujścia ciepła i temperaturami przegrzania.

Ze zmniejszającym się ładunkiem czynnika chłodniczego, krzywa łącząca stany 2 i 3 na fig. 6B ulega przesunięciu ku dołowi i poziom dochładzania zmniejsza się lub stan 3 na diagramie T-s według fig. 6B przesuwa się w prawo. Pęcherzyki zaczynają się pojawiać w linii cieczy prowadzącej do urządzenia rozprężnego wskutek zwiększonej ilości gazowego czynnika chłodniczego, opuszczającego skraplacz. Bez właściwego poziomu dochładzania czynnika chłodniczego wchodzącego do urządzenia rozprężnego (stan 3 na fig. 6B), urządzenie nie funkcjonuje optymalnie. Ponadto, zmniejszenie ładunku czynnika chłodniczego powoduje zmniejszenie ilości ciekłego czynnika chłodniczego, który przepływa do odparowalnika, i dalsze zmniejszanie przepustowości oraz zwiększenie ciepła przegrzania ciśnienia ssania. Istnieje zatem zależność odwrotna między poziomem ładunku czynnika chłodniczego i temperaturą przegrzania.

Według przedmiotowego wynalazku, wypływ ze skraplacza zawiera podatny zbiornik, a zatem może być zapewniona dodatkowa możliwość uzyskania żądanego poziomu dochładzania. Podobnie, ponieważ przewidziany jest zbiornik, ładunek czynnika chłodniczego może występować w nadmiarze względem wymaganego, przy wszystkich okolicznościach funkcjonowania, a zatem nie będzie ograniczany. Możliwe jest również użycie hybrydowej strategii kontroli, w której zbiornik jest niedowymiarowany i przy lekkim obciążeniu czynnik chłodniczy nagromadza się w zbiorniku, podczas gdy przy poważnym obciążeniu ładunek czynnika chłodniczego jest ograniczony. Zespół kontroli według przedmiotowego wynalazku może oczywiście kompensować ten czynnik w znany sposób. Jednakże korzystnie, gdy ładunek czynnika chłodniczego nie jest ograniczony, ciepło przegrzania jest niezależnie kontrolowane. Podobnie, nawet jeśli ładunek czynnika chłodniczego jest wystarczający, odparowalnik może być sztucznie blokowany, w części strategii kontroli.

PL 213 870 B1

W warunkach wyjątkowego niedoładowania czynnika chłodniczego (poniżej -20% ładunku), niedoładowanie czynnika chłodniczego powoduje zwiększenie ciśnienia ssania. Ogólnie, przeciętne ciśnienie ssania zwiększa się ze zwiększającym się ładunkiem czynnika chłodniczego, przy wszystkich poziomach ładunku powyżej -20%. Poziom czynnika chłodniczego jest istotną zmienną przy określaniu zarówno temperatury przegrzania, jak i ciśnienia ssania.

Przewidziany jest zespół i sposób mierzenia, analizowania i operowania przepustowością i wydajnością systemu chłodniczego, poprzez instrumentację systemu chłodniczego, aby mierzyć wydajność, wybierać zmienną procesową do operowania i zmieniać zmienną procesową. Zmienna procesowa może być zmieniana w trakcie funkcjonowania systemu chłodniczego z mierzeniem jego wydajności.

W procesie przemysłowym system chłodniczy musi mieć wystarczającą przepustowość, aby chłodzić docelowo do wymaganego stopnia. Jeśli przepustowość jest niewystarczająca, cały proces może ulec uszkodzeniu, nawet katastroficznemu. Zatem, utrzymywanie wystarczającej przepustowości, a często zachowanie rezerwy, jest wymogiem zasadniczo istotnym. Jest zatem zrozumiałe, że gdy przepustowość jest ograniczona, to odchylenia od optymalnego funkcjonowania systemu mogą być dopuszczane lub nawet pożądane, w celu utrzymania procesu w dopuszczalnych granicach. W dłuższym czasie, muszą być podjęte kroki mające na celu upewnienie się, czy system ma właściwą przepustowość do wydajnego funkcjonowania. Na przykład, konserwacja systemu dla ograniczenia kamienia w wiązkach rur lub innych przeszkód przenoszenie ciepła, czyszczenie czynnika chłodniczego (np. celem usunięcia nadmiaru oleju) i stykających się z czynnikiem powierzchni przenoszenia ciepła, oraz przedmuchiwanie nie-skraplających się gazów, mogą być podjęte indywidualnie lub łącznie.

Wydajność jest też ważna, aczkolwiek system niewydajny niekoniecznie musi być uszkodzony. Wydajność i przepustowość systemu są często powiązane, gdyż niewydajność zwykle ogranicza przepustowość systemu.

Według innej realizacji wynalazku, zestaw pomiarów stanu jest pobierany z systemu chłodniczego, który jest analizowany następnie co do ich wzajemnej zgodności, oraz aby wydobyć podstawowe parametry, takie jak wydajność. Wzajemna zgodność, na przykład, ocenia domniemania nieodłączne dla modelu systemu, a zatem może wskazywać odchylenia funkcjonującego systemu rzeczywistego od funkcjonowania modelu. Jeśli system rzeczywisty odchyla się od modelu, to także pomiary parametrów rzeczywistego systemu odchylają się od ich teoretycznych termodynamicznych odpowiedników. Na przykład, jeśli sprawność wymiennika ciepła spada, na przykład wskutek nagromadzenia kamienia na rurach wiązki, lub wzrasta temperatura przegrzania kompresora, na przykład wskutek nie-skraplających się gazów, to te czynniki będą widoczne w odpowiednim zbiorze pomiarów stanu systemu. Pomiary takie mogą być użyte do oszacowania przepustowości systemu chłodniczego, jak również czynników, które prowadzą do niewydajności systemu. Te z kolei mogą być użyte do oszacowania sprawności ulepszeń, które mogą być dokonane w systemie przez powrót do stanu optymalnego, i do przeprowadzenia analizy opłacalności z uwzględnieniem któregokolwiek z takich przedsięwzięć.

Zwykle, przed przeprowadzeniem rozległej i kosztownej konserwacji systemu, korzystna jest raczej instrumentacja systemu co do monitorowania sprawności w czasie rzeczywistym, aniżeli prosta analiza stanu. Takie modelowanie sprawności w czasie rzeczywistym jest zazwyczaj kosztowne i nie stanowi części normalnego funkcjonowania systemu; natomiast odpowiednie informacje do analizy stanu mogą być na ogół dostępne z kontroli systemu. Wykorzystując zespół monitorowania w czasie rzeczywistym można dokonać oceny charakterystyk funkcjonowania w pulsującym otoczeniu.

Schemat ten można również użyć w innych rodzajach systemu, i nie jest on ograniczony do systemów chłodniczych. Zatem, pozyskiwany jest zestaw pomiarów czujnikowych i analizowany w odniesieniu do modelu systemu. Analiza może być następnie wykorzystana do dostosowania parametrów funkcjonalnych systemu, wywołania procedury konserwacji lub jako część analizy opłacalności. Systemy, do których ten sposób może być zastosowany, obejmują między innymi silniki spalinowe wewnętrznego spalania, maszynerię wirnikową, systemy hydrauliczne i pneumatyczne.

Korzystnie, wydajność jest rejestrowana łącznie ze zmiennymi procesowymi. Zatem, dla każdego systemu może być zmierzona rzeczywista czułość wydajności, wyznaczona bezpośrednio lub przez pomiary zastępcze, na zmienną procesową.

Według kolejnego aspektu wynalazku, dostarczony jest sposób zarządzania do podtrzymywania złożonych systemów oparty na zasadach opłacalności, a nie na typowych kosztach serwisowania lub opłatach jednolitych. Według tego aspektu wynalazku, zamiast serwisowania i podtrzymywania

PL 213 870 B1 systemu za opłatę opartą na kosztach bezpośrednich, kompensacja jest oparta na metryce sprawnościowej systemu. Na przykład mierzona jest linia podstawowa sprawności systemu. Następnie określana jest minimalna przepustowość systemu i system jest inaczej serwisowany przy istotnej swobodzie organizacji serwisowej, w domniemaniu, w oparciu o opłacalność takiego serwisu, przy czym organizacja serwisowa jest rozliczana na podstawie sprawności systemu, na przykład według procentu oszczędności ponad linię podstawową. Według przedmiotowego wynalazku, dane z zespołu kontroli mogą być użyte do określenia pogorszenia parametrów systemu względem stanu wydajności. Wynalazek umożliwia także monitorowanie sprawności systemu i zdalne przekazywanie takich danych sprawności do organizacji serwisowej, takie jak poprzez łącze radiowe, połączenie modemowe, przez linie telefoniczne lub sieć komputerową. Połączenie to może także umożliwiać natychmiastowe powiadamianie organizacji serwisowej o zmianie procesu, potencjalnie w takim czasie, aby zapobiec dalszym i następczym uszkodzeniom systemu.

W takim przypadku, system jest monitorowany pod względem sprawności częstotliwie lub w sposób ciągły, a jeśli przepustowość systemu jest wystarczająca, podejmowane są decyzje, czy po pewnym czasie będzie opłacalne przeprowadzenie określonego serwisu konserwacyjnego, takiego jak oczyszczanie czynnika chłodniczego, odkamienianie lub czyszczenie odparowalnika, przedmuchiwanie nie-skraplających się gazów itp. Zwykle, jeśli przepustowość systemu jest istotnie zmniejszona poniżej zadanej wartości rezerwy (która może zmieniać się sezonowo lub w zależności od innych czynników), to serwisowanie jest wymagane. Jednakże nawet w takim przypadku pogorszenie przepustowości systemu może wynikać z rozmaitych czynników, a najbardziej skuteczny środek zaradczy może być zatem tak dobrany, aby opłacalnie uzyskać właściwą sprawność systemu.

Po serwisowaniu lub konserwacji systemu, zespól kontrolny może być inicjalizowany lub przywrócony, aby zapewnić, że przed-serwisowe lub przed-konserwacyjne parametry nie będą błędnie zarządzać funkcjonowaniem systemu.

Według drugiej realizacji przedmiotowego wynalazku, może być przeprowadzana optymalizacja i kontrola wielu zmiennych. W przypadku analizy i kontroli wielu zmiennych, oddziaływania między zmiennymi lub złożone zestawy stałych czasowych mogą wymagać złożonego zespołu kontroli. Wiele rodzajów kontroli może być implementowanych, aby zoptymalizować funkcjonowanie systemu. Zwykle po wybraniu właściwego rodzaju kontroli należy ją dostosować do systemu, określając wydajne funkcjonowanie i zależność zmiennych wejściowych z czujników względem wydajności systemu. Niejednokrotnie, kontrole często usprawiedliwiają opóźnienia czasowe nieodłącznie związane z systemem, na przykład aby uniknąć niepożądanych drgań lub niestabilności. W wielu przypadkach dokonywane jest upraszczanie założeń lub segmentacja przy analizowaniu przestrzeni operacyjnej, aby dostarczyć tradycyjne rozwiązania analityczne dla problemów kontroli. W innych przypadkach, wykorzystywane są techniki nieliniowe celem analizowania całego zakresu zmiennych wejściowych. Na koniec, techniki hybrydowe są wykorzystywane z użyciem albo technik nieliniowych i upraszczania założeń, albo segmentacji przestrzeni operacyjnej.

Na przykład, w drugiej realizacji według wynalazku, korzystnie zakres warunków operacyjnych jest segmentowany wzdłuż ortogonalnych osi, a czułość systemu na modyfikowanie zmiennych procesowych jest mierzona dla każdej odpowiedniej zmiennej w obrębie segmentu. Na przykład umożliwia to monotoniczną zmianę każdej zmiennej raczej w trakcie testowania lub fazy próbnej, aniżeli wymóg zarówno zwiększania jak i zmniejszania odpowiednich zmiennych, aby mapować całą przestrzeń operacyjną. Z drugiej strony, w przypadku pojedynczej zmiennej korzystne jest, aby zmienna była modyfikowana w sposób ciągły, przy czym pomiary są wykonywane tak, aby uzyskać wysoką szybkość pomiarów.

Oczywiście, może nie być możliwe mierzenie ortogonalnych (nie-oddziaływujących) parametrów. Stąd też inny aspekt wynalazku przewiduje zdolność do pozyskiwania rozmaitych danych dotyczących funkcjonowania i sprawności systemu, oraz analizowania sprawności systemu w oparciu o te dane. Podobnie, w trakcie ciągłego monitorowania sprawności systemu może być możliwe wykorzystywanie istniejących (zwykle występujących) zaburzeń systemu, aby określić charakterystyki systemu. Alternatywnie system może być kontrolowany tak, aby zawierać wystarczający zestaw zaburzeń, aby określić odpowiednie parametry sprawności systemu, w taki sposób, który nie powoduje niewydajnej lub niepożądanej sprawności systemu.

W dostosowawczym zespole kontroli, czułość wydajności funkcjonowania na drobne zaburzenia zmiennych kontrolnych jest mierzona w trakcie rzeczywistego funkcjonowania systemu, a nie w trybie testowania lub ustawiania, jak w systemie auto-dostrajanym, co może być trudne do zrealizowania

PL 213 870 B1 i może być niedokładne lub niepełne, jeśli konfiguracja systemu lub charakterystyki ulegną zmianie po ustawieniu lub testowaniu. Ręcznie dostrajanie, które wymaga aby operator przeprowadził różne testy lub próby oraz procedury błędu dla określenia właściwych parametrów kontrolnych, zwykle nie jest możliwe, gdyż charakterystyki każdej instalacji w całym zakresie funkcjonowania często nie są w pełni scharakteryzowane i podlegają zmianom w czasie. Niektóre ręczne metody dostrajania są ujawnione w D. E. Seborg, T. F. Edgar i D. A. Mellichamp, Process Dynamics and Control, John Wiley & Sons, Nowy Jork (1989) oraz A. B. Corripio, Tuning of Industrial Control Systems, Instrument Society of America, Research Triangle Park, N. C. (1990).

Metody auto-dostrajania wymagają okresowo uruchamianej procedury dostrajania, w trakcie której zespół kontroli przerywa normalną kontrolę procesu, aby automatycznie określić właściwe parametry kontroli. Parametry kontroli tak ustawione pozostają niezmienione aż do następnej procedury dostrajania [K. J. Astrom i T. Hagglund, Automatic Tuning of PID Controllers, Instrument Society of America, Research Triangle Park, N. C. (1988)]. Zespoły kontroli auto-dostrajania mogą być inicjowane przez operatora lub auto-inicjowane, albo w ustalonych okresach, albo w oparciu o zdarzenie zewnętrzne, albo w poparciu o obliczoną odchyłkę od żądanej sprawności systemu.

W przypadku dostosowywanych metod kontroli, parametry kontroli są automatycznie korygowane w trakcie normalnego funkcjonowania, aby dostosować do zmian w dynamikach procesu. Dalej, parametry kontroli są aktualizowane w sposób ciągły, aby zapobiec spadkowi sprawności, który może nastąpić między dostrojeniami według innych metod. Z drugiej strony, dostosowywane metody kontroli mogą powodować niewydajność wskutek koniecznych okresowych wariancji od stanu „optymalnego”, aby testować optymalność. Dalej, metody dostosowawcze mogą być złożone i mogą wymagać wysokiego poziomu wiedzy. Dogodnie, kontrola może monitorować funkcjonowanie systemu i dobierać lub modyfikować odpowiednie zdarzenia do zbierania danych. Na przykład, w systemie funkcjonującym według paradygmatu modulacji szerokości impulsu, szerokość impulsu i/lub częstotliwość mogą być zmieniane w szczególny sposób, aby uzyskać dane o różnych stanach operacyjnych, bez powodowania zbędnego odchylenia systemu od dopuszczalnych zakresów operacyjnych.

Opracowano liczne metody kontroli dostosowawczej [zobacz na przykład: C. J. Harris i S. A. Billings, Self-Tuning and Adaptive Control: Theory and Applications, Peter Peregrinus LTD (1981)]. Istnieją trzy podstawowe podejścia do kontroli dostosowawczej: kontrola dostosowawcza modelu wzorcowego („MRAC”), kontrola auto-dostrojenia i kontrola dostosowawcza rozpoznania profilu („PRAC”). Dwa pierwsze podejścia, MRAC i auto-dostrajanie, polegają na modelach systemu, które na ogół są dość złożone. Złożoność tych modeli w sposób konieczny wynika z wymogu oczekiwania niezwyczajnych lub nienormalnych warunków funkcjonowania. Konkretnie, MRAC angażuje korygowanie parametrów kontroli, aż reakcja systemu na sygnał polecenia nie nastąpi po reakcji modelu wzorcowego. Kontrola z auto-dostrajaniem angażuje określanie parametrów modelu procesu on-line i korygowanie parametrów kontroli w oparciu o parametry modelu procesu. Metody przeprowadzania MRAC i kontroli z auto-dostrajaniem są ujawnione w K. J. Astrom i B. Wittenmark, Adaptive Control, Addison-Wesley Publishing Company (1989). W przemysłowych agregatach chłodniczych, właściwe modele systemu są zazwyczaj niedostępne do implementowania kontroli, tak, że kontrole z auto-dostrajaniem są korzystne w porównaniu z tradycyjnymi MRAC. Z drugiej strony, może być dostępny model wystarczający do oszacowania wydajności systemu i przepustowości, co omówiono powyżej.

W przypadku PRAC, parametry, które charakteryzują profil reakcji zamkniętej pętli, są określane po istotnej zmianie nastawień lub zaburzeniach obciążenia. Parametry kontroli są następnie korygowane w oparciu o charakterystyczne parametry reakcji zamkniętej pętli. Rozpoznawanie profilu przez dostosowawczy zespół sterowania zwany EXACT jest ujawnione przez T. W. Kraus i T. J. Myron, „Self-Tuning PID Controller uses Pattern Recognition Approach”, Control Engineering, s. 106-111, czerwiec 1984, E. H. Bristol i T. W. Kraus, „Life with Pattern Adaptation,”Proceedings 1984 American Control Conference, s. 888-892, San Diego, Kalif. (1984), oraz K. J. Astrom i T. Hagglund, Automatic Tuning of PID Controllers, Instrument Society of America, Research Triangle Park, N. C. (1988) [zob.: również opis patentowy US nr Re. 33,267], Metoda EXACT, jak inne dostosowawcze metody kontroli, nie wymaga interwencji operatora do skorygowania parametrów kontroli przy normalnym funkcjonowaniu. Zanim może rozpocząć się normalne funkcjonowanie, EXACT wymaga staranie nadzorowanego okresu rozruchu i testowania. W trakcie tego okresu technik określa optymalne wartości początkowe dla wzmocnienia zespołu sterowania, czasu przyspieszenia i czasu wyprzedzenia. Technik określa również pasmo spodziewanego szumu i czas maksymalny oczekiwania procesu. Pasmo szumu jest wartością reprezentatywną spodziewanej amplitudy szumu sygnału sprzężenia zwrotnego. MaksymalPL 213 870 B1 ny czas oczekiwania jest maksymalnym czasem, przez który algorytm EXACT czeka na drugi pik sygnału sprzężenia zwrotnego po wykryciu pierwszego piku. Dalej, zanim zespół sterowania oparty na EXACT zostanie wprowadzony do zwykłego użytkowania, operator może również sprecyzować inne parametry, takie jak maksymalny czynnik tłumienia, maksymalne przeregulowanie, limit zmiany parametru, czynnik przyspieszenia i wielkość kroku. W rzeczy samej, zabezpieczenie tych parametrów przez technika-specjalistę jest na ogół właściwe w procesie instalacji dla jakiejkolwiek kontroli dla przemysłowego agregatu chłodniczego, stąd takie ręczne określanie początkowych punktów operacyjnych jest korzystniejsze niż techniki, które są zapoczątkowywane bez założeń a priori, gdyż niekierowane przeszukiwanie przestrzeni operacyjnej może być nieefektywne lub niebezpieczne.

Według niniejszego wynalazku, parametry operacyjne systemu nie muszą być ograniczone do a priori „bezpiecznego” zakresu funkcjonowania, jeśli stosunkowo skrajne wartości parametrów mogłyby zapewnić ulepszoną sprawność, z pozostawieniem marginesu bezpieczeństwa, i wykrywając lub przewidując błędne lub artefaktowe dane czujnika. A zatem, wykorzystując model systemu zbudowany w trakcie funkcjonowania, możliwie z ręcznym wprowadzaniem prawdopodobnych normalnych limitów operacyjnych, system może analizować dane czujnika, aby określać prawdopodobieństwo uszkodzenia systemu, a przez to i bardziej niezawodnie dostosowuje agresywne strategie kontroli. Jeśli prawdopodobieństwo przekracza poziom progowy, może być wskazany błąd lub przedsięwzięta akcja naprawcza.

Drugie znane rozpoznawanie profilu przez dostosowawczy zespól sterowania jest ujawnione przez Chuck Rohrer i Clay G. Nelser w ”Self-Tuning Using a Pattern Recognition Approach, „Johnson Controls, Inc., Research Brief 228 (czewiec 13, 1986). Zespół sterowania Rorhrer'a oblicza optymalne parametry kontroli w oparciu o czynnik tłumienia, który z kolei jest określany z nachyleń sygnału sprzężenia zwrotnego, i wymaga by technik wprowadził wiele wartości początkowych przed rozpoczęciem zwykłego funkcjonowania, takich jak wartości początkowe dla pasma proporcjonalnego, czas przyspieszenia, strefa nieczułości, dostrojenie pasma szumu, dostrojenie czynnika zmiany, filtr wejściowy i filtr wyjściowy. System ten zatem kładzie nacisk na parametry kontroli temporalnej.

Ręczne strojenie pętli może zająć wiele czasu, zwłaszcza przy procesach z powolną dynamiką, a w tym w przemysłowych i handlowych agregatach chłodniczych. Różne metody auto-strojenia zespołów sterujących PID są ujawnione przez Astrom, K. J. i T. Hagglund, Automatic Tuning of PID Controllers, Instrument Society of American, Research Triangle Park, N. C., 1988, oraz Seborg, D. E. T., T. F. Edgar i D. A. Mellichamp, Process Dynamics and Control, John Wiley & Sons, 1989. Kilka metod jest opartych na przejściowej reakcji otwartej pętli na zmianę kroku na wyjściu zespołu sterującego, a inne metody są oparte na reakcji częstotliwościowej, podczas gdy niektóre tworzą kontrole sprzężenia zwrotnego. Metody kroku z reakcją otwartej pętli są czułe na zaburzenia obciążenia, a metody reakcji częstotliwościowej wymagają wiele czasu na dostrojenie systemu ze stałymi długookresowymi. Metoda przejściowej reakcji Ziegle-Nichols'a charakteryzuje reakcje na zmianę kroku na wyjściu sterownika, jednakże implementacja tej metody jest czuła na szumy [zob.: także, Nishikawa, Yoshikazu, Nobuo Sannomiya, Tokuji Ohta i Haruki Tanaka, „A Method for Autotuning of PID Control Parameters”, Automatica, wol. 20, nr 3, 1984],

W przypadku niektórych systemów jest często trudne do określenia, czy proces osiągnął stan ustalony. W wielu systemach, jeśli test zostanie zatrzymany zbyt wcześnie, opóźnienie czasowe i szacunkowe stałe czasowe mogą być znacznie odmienne od wartości rzeczywistych. Na przykład, jeśli test zostanie zatrzymany po trzech stałych czasowych reakcji pierwszego rzędu, to szacunkowa stała czasowa równa się 78% rzeczywistej stałej czasowej, a jeśli test zostanie zatrzymany po dwóch stałych czasowych, to szacunkowa stała czasowa równa się 60% rzeczywistej stałej czasowej. A zatem, ważne jest takie przeanalizowanie systemu, aby dokładnie wyznaczyć stałe czasowe. W systemie auto-strojonym, algorytm może pozyskiwać dane strojenia ze zwykłych zaburzeń systemu, lub przez okresowe sprawdzanie czułości instalacji na umiarkowane zaburzenia wokół punktu operacyjnego kontrolowanej zmiennej (zmiennych). Jeśli system określi, że punkt operacyjny jest nieefektywny, kontrolowane zmienne są zmieniane celem poprawienia wydajności w kierunku optymalnego punktu operacyjnego. Wydajność może być określana w kategoriach absolutnych, takich jak pomiar kilowatogodzin (lub innych metrycznych jednostek zużycie energii) na BTU chłodzenia lub przez zastępcze pomiary zużycia energii lub chłodzenia, takie jak zróżnicowanie temperatur i dane przepływu czynnika chłodniczego w pobliżu kompresora i/lub wody w pętli wtórnej w pobliżu odparowalnika/wymiennika ciepła. Jeśli koszt według BTU nie jest stały, albo dlatego, że są dostępne różne źródła, albo koszt zmienia się w czasie, to wydajność może być mierzona w kategoriach ekonomicznych

PL 213 870 B1 i stosownie optymalizowana. Podobnie, obliczenie wydajności może być modyfikowane przez włączenie innych relewantnych „kosztów”.

System zarządzania pełną mocą (PMS) nie jest konieczny dla optymalizowania wydajności. Jednakże taki PMS może być dostarczony, w zależności od kosztu i dostępności, lub innych uwarunkowań.

W wielu wypadkach parametry zmieniają się liniowo z obciążeniem i są niezależne od innych zmiennych, co upraszcza analizę i umożliwia tradycyjne (tj. liniowe, proporcjonalno-całkowalno-różnicowe (PID)) zaprojektowanie kontroli [zob.: opisy patentowe US 5,568,377, 5,506,768 i 5,355,305]. Z drugiej strony, parametry, które wykazują wieloczynnikowe uzależnienia, nie są łatwe do rozłożenia. W takim przypadku może być korzystne segmentowanie zespołu kontroli na powiązane inwariantowe wieloczynnikowe pętle kontroli oraz zmienne w czasie proste pętle kontroli, które razem efektywnie kontrolują cały system, jak w korzystnej realizacji według wynalazku.

Alternatywnie, do kontroli może być wykorzystywana sieć neuronowa lub sieć neuronowa rozmyta. Do ukierunkowania sieci neuronowej dostępnych jest wiele opcji. Jedna opcja przewiduje specyficzny tryb „szkolenia”, w którym warunki operacyjne są zmieniane, na ogół metodycznie, w całej przestrzeni operacyjnej przez nakładanie sztucznych lub kontrolowanych obciążeń i parametrów zewnętrznych na system, z uprzednio określonymi pożądanymi reakcjami systemu, aby dostarczyć zestaw „szkoleniowy”. Następnie szkolona jest sieć neuronowa, na przykład przez wsteczną propagację błędów, aby wytworzyć wyjście, które przesuwa system w kierunku optymalnego punktu operacyjnego dla rzeczywistych warunków obciążenia. Kontrolowanymi zmiennymi mogą być na przykład stężenie oleju w czynniku chłodniczym i/lub ładunek czynnika chłodniczego [zob.: opis patentowy US 5,579,993].

Inna opcja polega na funkcjonowaniu systemu w trybie ciągłego uczenia, w którym lokalna przestrzeń operacyjna systemu jest mapowana przez kontrole w trakcie funkcjonowania, w celu określenia czułości systemu na zaburzenia zmiennych procesowych, takich jak obciążenie procesu, temperatura otoczenia, stężenie oleju w czynniku chłodniczym i/lub ładunek czynnika chłodniczego. Jeśli system określa, że obecny punkt operacyjny jest podoptymalny, to zmienia punkt operacyjny w kierunku przypuszczalnie bardziej wydajnego stanu. System może także emitować alarm, że konkretne zmiany są zalecane dla przywrócenia systemu do bardziej wydajnego trybu funkcjonowania, gdy takie zmiany już nie są kontrolowane przez sam system. Jeśli proces wykazuje niewystarczającą zmienność do adekwatnego mapowania punktu operacyjnego, algorytm kontrolny może przeprowadzić metodyczne przeszukiwanie przestrzeni lub wprowadzić pseudorandomiczny sygnał do jednego lub wielu kontrolowanych zmiennych usiłując wykryć efekt na wyjściu (wydajność). Na ogół takie techniki przeszukiwania same wykazują jedynie niewielki efekt na wydajność systemu i umożliwiają nauczenie systemu o nowe warunki, bez wyraźnego otwarcia trybu uczenia po każdej zmianie w systemie.

Korzystnie, kontrola tworzy mapę lub model przestrzeni operacyjnej drogą empiryczną, a gdy rzeczywista sprawność systemu odpowiada mapie lub modelowi, wykorzystuje tę mapę lub model do przewidywania optymalnego punktu operacyjnego i bezpośrednio kontroluje system do uzyskania przewidywanego najbardziej wydajnego stanu. Z drugiej strony, gdy rzeczywista sprawność nie odpowiada mapie lub modelowi, kontrola usiłuje wytworzyć nową mapę lub model. Należy zaznaczyć, że taka mapa lub model jako takie mogą mieć niewielkie znaczenie fizyczne, a zatem są na ogół użyteczne do użycia w tej konkretnej sieci, które je wytworzyła [zob.: opis patentowy US 5,506,768], Może być także możliwe ograniczenie sieci do nałożonych obciążeń, które odpowiadają parametrom fizycznym, aczkolwiek takie ograniczenie może prowadzić albo do błędów kontroli albo do niewydajnej implementacji i wykonania.

Zobacz także:

A. B. Corripio, „Tuning of Industrial Control Systems”, Instrument Society of America, Research Triangle Park, NC (1990) s. 65-81.

C. J. Harris & S. A. Billings, „Self-Tuning and Adaptive Control: Theory and Applications”, Peter Peregrinus LTD (1981) s. 20-33.

C. Rohrer & Clay Nesler, „Self-Tuning Using a Pattern Recognition Approach”, Johnson Controls, Inc., Research Brief 228 (13 czerwca, 1986).

D. E. Seborg, T. F. Edgar, & D. A. Mellichamp, „Process Dynamics and Control”, John Wiley & Sons, NY (1989) s. 294-307, 538-541.

PL 213 870 B1

E. H. Bristol & T. W. Kraus, „Life with Pattern Adaptation”, Proceedings 1984 American Control Conference, s. 888-892, San Diego, CA (1984).

Francis Schied, „Shaum's Outline Series-Theory & Problems of Numerical Analysis”, McGrawHill Book Co., NY (1968) s. 236, 237, 243, 244, 261.

K. J. Astrom i B. Wittenmark,”Adaptive Control”, Addison-Wesley Publishing Company (1989) s. 105-215.

K. J. Astrom, T. Hagglund, „Automatic Tuning of PID Controllers”, Instrument Society of America, Research Triangle Park, NC (1988) s. 105-132.

R. W. Haines, „HVAC Systems Design Handbook”, TAB Professional and Reference Books, Blue Ridge Summit, PA (1988) s. 170-177.

S. M. Pandit & S. M. Wu, „Timer Series & System Analysis with Applications”, John Wiley & Sons, Inc., NY (1983) s. 200-205.

T. W. Kraus & T. J. Myron, „Self-Tuning PID Controller Uses Pattern Recognition Approach”, Control Engineering, s. 106-111, czerwiec 1984.

G F Page, J B Gomm & D Williams: „Application of Neural Networks to Modelling and Control”, Chapman & Hall, Londyn, 1993.

Gene F Franklin, J David Powell & Abbas Emami-Naeini: „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., „PAC-MAN, a Precision Alignment Control System for Multiple Laser Beams Self-Adaptive Through the Use of Noise”, Los Alamos National Laboratory, data nieznana.

Kortegaard, B. L., „Superfine Laser Position Control Using Statistically Enhanced Resolution in Real Time”, Los Alamos National Laboratory, SPIE-Los Angeles Technical Symposium, 23-25 stycznia, 1985.

Donald Specht, IEEE Transactions on Neural Networks, „A General Regression Neural Network”, listopad 1991, wol. 2, nr 6, s. 568-576.

Zespoły sterowania na bazie zbiorów rozmytych mogą być szkolone w zasadzie tak, jak są szkolone sieci neuronowe, z użyciem technik wstecznej propagacji, ortogonalnych najmniejszych kwadratów, schematów odszukiwania tablic i najbliższego sąsiedztwa grupowania danych [zob.: Wang, L., Adaptive fuzzy systems and control, New Jersey: Prentice-Hall (1994); Fu-Chuang Chen, „Back-Propagation Neural Networks for Nonlinear Self-Tuning Adaptive Control”, 1990 IEEE Control System Magazine],

A zatem, aczkolwiek model systemu może być użyteczny, zwłaszcza w przypadku dużych zmian w parametrach operacyjnych systemu, to mechanizm dostosowawczy jest korzystny w tym, że nie polega wyraźnie na modelu systemu, w przeciwieństwie do wielu on-line mechanizmów dostosowawczych, takich jak te oparte na metodach Lyapunov'a [zob.: Wang, 1994; Kang, H. i Vachtsevanos, G., „Adaptive fuzzy logic control, „IEEE International Conference on Fuzzy Systems, San Diego, Kalifornia (marzec 1992); Layne, J., Passino, K. i Yurkovich, S., „Fuzzy learning control for antiskid braking systems,” IEEE Transactions on Control Systems Technology 1 (2), s. 122-129 (1993)].

Dostosowawczy zespół sterowania na bazie zbiorów rozmytych (AFC) jest nieliniowym, wielowejściowym i wielowyjściowym (MMO) zespołem sterowania, który sprzęga algorytm kontroli rozmytej z mechanizmem dostosowawczym celem permanentnego udoskonalania sprawności systemu. Mechanizm dostosowawczy modyfikuje położenie funkcji przynależności w reakcji na sprawność systemu. Mechanizm dostosowawczy może być używany off-line, on-line, lub w kombinacji obydwu. AFC może być używany jako sterownik sprzężenia zwrotnego, który działa z użyciem mierzonych zdolności wytwórczych procesu i toru wzorcowego, lub jako sterownik sprzężenia zwrotnego z kompensacją wyprzedzeniową, który działa z użyciem nie tylko mierzonych zdolności wytwórczych procesu i toru wzorcowego, ale także mierzy zaburzenia i inne parametry systemowe [zob.: opisy patentowe US 5,822,740, 5,740,324],

Jak omówiono powyżej, istotną zmienną procesową jest zawartość oleju w czynniku chłodniczym w odparowalniku. Zmienna ta, w rzeczy samej, może być poddana powolnej regulacji, zwykle tylko przez usuwanie, ponieważ jedynie w rzadkich przypadkach zawartość oleju będzie niższa od wymaganej dla jakiejkolwiek znaczącej długości czasu, a usuwanie dodanego oleju jest samo w sobie

PL 213 870 B1 niewydajne. Aby określić algorytm kontroli, zmienna procesowa, np. zawartość oleju, jest zmieniana w sposób ciągły przez częściowe destylowanie czynnika chłodniczego w, lub na wejściu do odparowalnika, aby usunąć olej, dostarczając czysty czynnik chłodniczy do odparowalnika i w procedurze auto- strojenia. Z czasem zawartość oleju osiągnie zero. Sprawność systemu jest monitorowana w trakcie tego procesu. Za pomocą tej metody można określić optymalną zawartość oleju w odparowalniku i czułość na zmiany zawartości oleju. W typowej instalacji, optymalne stężenie oleju w odparowalniku jest bliskie 0%, podczas gdy, jeśli system jest modernizowany o zespół kontroli do kontrolowania zawartości oleju w odparowalniku, to jest znacznie powyżej optimum. Stąd też autostrojenie kontroli może zachodzić jednocześnie z naprawianiem niewydajności.

W rzeczy samej zawartość oleju w odparowalniku może być niezależnie kontrolowana, lub kontrolowana w sposób uzgodniony z innymi zmiennymi, takimi jak ładunek czynnika chłodniczego (lub ładunek efektywny, w przypadku korzystnej realizacji, która przewiduje akumulator do buforowania nadmiaru czynnika chłodniczego i pętlę regulacyjną do regulowania poziomu czynnika chłodniczego w odparowalniku).

Według jednej realizacji przewidziany jest zewnętrzny zbiornik czynnika chłodniczego. Czynnik chłodniczy jest wyprowadzany z odparowalnika, poprzez aparat do częściowej destylacji do zbiornika, z oddzielnym przechowywaniem oleju. W oparciu o optymalizację kontroli, czynnik chłodniczy i olej są oddzielnie zawracane do systemu, tj. pary czynnika chłodniczego do odparowalnika, a olej do pętli kompresora. Tą drogą może być utrzymane optymalne stężenie oleju dla poszczególnych poziomów ładunku. Należy zaznaczyć, że system ten jest na ogół asymetryczny; wyprowadzanie i częściowa destylacja czynnika chłodniczego są stosunkowo wolne, podczas gdy ładowanie systemu czynnikiem chłodniczym i olejem są stosunkowo szybkie. Jeśli wymagane jest szybkie wyprowadzenie oleju, system częściowej destylacji może być czasowo pomijany. Jednakże, zwykle jest bardziej istotne szybkie osiągnięcie ładunków szczytowych niż uzyskanie najbardziej efektywnych parametrów operacyjnych wynikających ze szczytowych ładunków.

Należy zaznaczyć, że według drugiej realizacji przedmiotowego wynalazku, zarówno proporcja czynnika chłodniczego do oleju, jak i wypełnienie czynnikiem chłodniczym mogą być niezależnie kontrolowanymi zmiennymi funkcjonowania systemu.

Kompresor może być także modulowany, na przykład poprzez kontrolowanie proporcji sprężania, prędkości kompresora, cyklu pracy kompresora (częstotliwość impulsu, szerokość impulsu i/lub modulacja hybrydowa), ograniczenia przepływu na wlocie kompresora itp.

Aczkolwiek doraźna wydajność odparowalnika może być zmierzona przy założeniu pojedynczego przedziału w obrębie odparowalnika, a zatem niewielkiego opóźnienia czasowego dla mieszania, to należy zaznaczyć, że faza olejowa może przywierać do ścianek rur odparowalnika. Poprzez przepuszczanie czystego czynnika chłodniczego przez odparowalnik, ta faza olejowa, która wykazuje dłuższą stałą czasową do uwalniania ze ścianek niż proces mieszania czynnika chłodniczego w masie, jest usuwana. Korzystnie, drogą modelowania odparowalnika i monitorowania sprawności systemu, poprzez usuwanie fazy olejowej po stronie czynnika chłodniczego ze ścianek rur odparowalnika, może być oszacowywana obecność kamienia lub innego depozytu na ściankach rur, po stronie wody. Jest to, jak okazuje się, użyteczna metoda określania wpływu na wydajność takich depozytów, i może umożliwić podjęcie przemyślanej decyzji, czy wymagane jest kosztowne i czasochłonne odkamienianie wiązek rur.

Podobnie, poprzez usunięcie nadmiaru warstwy olejowej ze ścianek rur, wydajność może być utrzymana, opóźniając konieczność odkamieniania.

Optymalny poziom ładunku czynnika chłodniczego może podlegać zmianom z nominalnym obciążeniem agregatu chłodniczego i temperaturą instalacji, natomiast powiązane (zależne) zmienne obejmują procentowy uchyb wydajności (kW/tona), temperatury przegrzania, temperatury dochładzania, ciśnienia wyprowadzania, temperatury przegrzania, ciśnienia ssania i temperatury dostarczanej wody ochłodzonej. Można przeprowadzić bezpośrednie pomiary kilowatogodzin na tonę, lub wnioskować z innych zmiennych, korzystnie temperatur procesowych i szybkości przepływów.

Złożone współzależności zmiennych, jak również korzystne zastosowanie zmiennych zastępczych zamiast bezpośrednich danych wydajności, sprzyjają preferowaniu nieliniowego modelu sieci neuronowej, na przykład podobnego do modelu wykorzystywanego przez Bailey, Margaret B., „System Performance Characteristics of a Helical Rotary Screw Air-Cooled Chiller Operating Over a Range of Refrigerant Charge Conditions”, ASHRAE Trans., 1998, 104(2). W tym przypadku model ma warstwę wejściową, dwie warstwy ukryte i warstwę wyjściową. Warstwa wyjściowa zwykle ma jeden węzeł

PL 213 870 B1 dla każdej kontrolowanej zmiennej, podczas gdy warstwa wejściowa zawiera jeden węzeł dla każdego sygnału. Sieć neuronowa Bailey'a zawiera pięć węzłów w pierwszej ukrytej warstwie i dwa węzły dla każdego węzła wyjściowego w drugiej ukrytej warstwie. Korzystnie dane czujnikowe są przetwarzane przed wejściem do modelu sieci neuronowej. Na przykład przetwarzanie liniowe czujnikowych danych wyjściowych, normalizacja danych, przetwarzanie statystyczne itd. mogą być przetwarzane, aby zredukować szumy, dostarczyć odpowiednie zestawy danych lub zredukować topologiczną lub obliczeniową złożoność sieci neuronowej. Wykrywanie błędu może być także zintegrowane w systemie, albo za pomocą dodatkowych elementów sieci neuronowej (lub oddzielnej sieci neuronowej), albo drogą analizy danych czujnikowych przez inne środki.

Strategie kontroli optymalizacji sprzężenia zwrotnego mogą być zastosowane do sytuacji przejściowych i dynamicznych. Ewolucyjna optymalizacja lub genetyczne algorytmy, które celowo wprowadzają niewielkie zaburzenia niezależnej zmiennej kontroli, aby porównać wyniki z funkcją celu, mogą być wykonane bezpośrednio podczas procesu. W rzeczy samej, cała teoria genetycznych algorytmów może być zastosowana do optymalizacji systemów chłodniczych [zob. na przykład: opisy patentowe US 6,496,761, 6,493,686, 6,492,905, 6,463,371, 6,446,055, 6,418,356, 6,415,272, 6,411,944, 6,408,227, 6,405,548, 6,405,122, 6,397,113, 6,349,293, 6,336,050, 6,324,530, 6,324,529, 6,314,412, 6,304,862, 6,301,910, 6,300,872, 6,278,986 , 6,278,962, 6,272,479, 6,260,362, 6,250,560, 6,246,972, 6,230,497, 6,216,083, 6,212,466, 6,186,397, 6,181,984, 6,151,548, 6,110,214, 6,064,996, 6,055,820, 6,032,139, 6,021,369, 5,963,929, 5,921,099, 5,946,673, 5,912,821, 5,877,954, 5,848,402, 5,778,688, 5,775,124, 5,774,761, 5,745,361, 5,729,623, 5,727,130, 5,727,127, 5,649,065, 5,581,657, 5,524,175, 5,511,158],

Według przedmiotowego wynalazku, kontrola może funkcjonować z wykorzystaniem wielu niezależnych lub współzależnych parametrów. Optymalizacja stanu ustalonego może być stosowana na złożonych procesach wykazujących długie stałe czasowe i ze zmiennymi zaburzeń, które rzadko ulegają zmianie. Wykorzystywane są także strategie hybrydowe w sytuacjach angażujących zarówno długookresowe jak i krótkookresowe dynamiki. Algorytmy hybrydowe są na ogół bardziej złożone i wymagają dostosowania przez użytkownika celem faktycznie skutecznej implementacji. Niekiedy może być wykorzystywana kontrola sprzężenia zwrotnego, w określonych sytuacjach, aby osiągnąć optymalną sprawność instalacji.

Według jednej z realizacji wynalazku, pogorszenie przenoszenia ciepła po stronie czynnika chłodniczego czy po stronie wody w wymienniku ciepła odparowalnika, może być rozróżnione poprzez selektywne modyfikowanie składu czynnika chłodniczego, na przykład usuwanie oleju i innych zanieczyszczeń. Na przykład, gdy poziom oleju w czynniku chłodniczym ulega zmniejszeniu, depozyty olejowe po stronie czynnika chłodniczego w rurach wymiennika ciepła również ulegają zmniejszeniu, ponieważ depozyt olejowy jest na ogół rozpuszczalny w czystym czynniku chłodniczym. Wymiennik ciepła może być zatem poddany analizie na co najmniej dwa sposoby. Po pierwsze, jeśli strona czynnika chłodniczego jest całkowicie oczyszczona z depozytów, to jedyne pozostające obniżenie sprawności systemu musi wynikać z depozytów po stronie wody. Po drugie, zakładając liniowość procesu likwidowania pogorszenia po stronie czynnika chłodniczego, wielkość pogorszenia po stronie czynnika chłodniczego może być oszacowana bez rzeczywistego oddzielania całego pogorszenia. Ponieważ, jak podano powyżej, określona ilość oleju może powodować bardziej wydajne funkcjonowanie, niż czysty czynnik chłodniczy, to ten może być dodany ponownie, jeśli konieczne. Ponieważ proces oczyszczania czynnika chłodniczego jest relatywnie prostszy i mniej kosztowny, niż odkamienianie odparowalnika celem usunięcia pogorszenia wymiany ciepła po stronie wody, i jest niezależnie korzystny dla funkcjonowania systemu, to zatem stanowi efektywną procedurę określania konieczności konserwacji systemu. Z drugiej strony, oczyszczanie czynnika chłodniczego zużywa energię, może ograniczać przepustowość i prowadzi do bardzo niskich, być może podoptymalnych stężeń oleju w odparowalniku, a więc ciągłe oczyszczanie na ogół nie jest stosowane.

Zatem widać, iż zaburzenie reakcji systemu w celu określenia parametru systemu, nie jest ograniczone do kontroli kompresora, i na przykład mogą być dokonywane zmiany czystości czynnika chłodniczego, ładunku czynnika chłodniczego, poziomu oleju itp. w celu eksplorowania operacji systemu.

Procesy o wielu zmiennych, w których występuje wiele oddziaływań wzajemnych zmiennych niezależnych, w celu najlepszego zoptymalizowania sprawności systemu, mogą być optymalizowane z użyciem kontroli sprzężenia zwrotnego. To może być szczególnie właściwe w przypadku wewnętrznej pętli regulacji kompresora. Należy zauważyć, że komputer kontroli on-line ocenia konsekwencje

PL 213 870 B1 zmian zmiennej raczej z użyciem modelu, a nie zaburzając sam proces. A zatem taki predykcyjny model matematyczny jest szczególnie użyteczny w przypadku defektu, którego wskaźnikiem jest odchylenie systemu od normalnego stanu funkcjonowania, a ewentualnie wskaźnikiem koniecznej konserwacji systemu w celu odtworzenia funkcjonowania systemu.

Aby wytworzyć użyteczny wynik optymalizacji, model matematyczny w technice sterowania z wyprzedzeniem musi być dokładnym przedstawieniem procesu. Aby zapewnić odpowiedniość jeden do jednego z procesem, model korzystnie jest aktualizowany przed każdym zastosowaniem. Aktualizacja modelu jest wyspecjalizowaną postacią sprzężenia zwrotnego, w której prognozy modelowe są porównywane z rzeczywistym statusem funkcjonującej instalacji. Jakiekolwiek zarejestrowane wariancje są następnie wykorzystywane do skorygowania określonych kluczowych współczynników w modelu, aby wdrożyć wymaganą zgodność. Zwykle takie modele są oparte na elementach procesu fizycznego, a zatem mogą być użyte do nadania rzeczywistych i mierzalnych charakterystyk.

W agregatach chłodniczych wiele relewantnych stałych czasowych jest bardzo długich. Aczkolwiek skraca to zwłokę przy przetwarzaniu, której wymaga sterownik czasu rzeczywistego, to także powoduje powolne implementowanie poprawek i zawiera ryzyko błędu, niestabilności lub oscylacji, jeśli stałe czasowe zostały wyliczone błędnie. Ponadto, w celu dostarczenia sieci neuronowej z bezpośrednią temporalną czułością kontroli, może być wymagana duża liczba węzłów wejścia, aby odwzorować kierunek zmian danych. Korzystnie zatem są przeprowadzane temporalne obliczenia za pomocą metody obliczeń liniowych, z transformowaniem, zmiennych w czasie, danych wejścia do sieci neuronowej. Transformowanie może być na przykład odwzorowaniem czas-częstotliwość lub odwzorowaniem czas-fala elementarna. Na przykład, pierwsza i druga pochodna (lub wyższego rzędu, jeśli stosowne) danych czujnikowych lub odwzorowane dane czujnikowe mogą być obliczane i przekazywane do sieci. Alternatywnie lub dodatkowo, wyjście z sieci neuronowej może być poddane przetwarzaniu, aby generować odpowiednie procesowe sygnały kontroli. Należy zaznaczyć, że na przykład, jeśli ładunek czynnika chłodniczego w agregacie chłodniczym ulega zmianie, to jest prawdopodobne, że krytyczne stałe czasowe systemu także ulegną zmianie. A zatem model, który zakłada, że system ma zestaw niezmiennych stałych czasowych może wytwarzać błędy, i korzystny system według przedmiotowego wynalazku nie wytwarza takich krytycznych domniemań. Zespół kontroli zatem korzystnie wykorzystuje modele elastyczne, aby uwzględnić współzależności zmiennych.

Inne, potencjalnie użyteczne, mierzalne parametry procesowe, obejmują wilgotność, produkty rozpadu czynnika chłodniczego, produkty rozpadu środka smarnego, nie-skraplalne gazy i inne znane zanieczyszczenia w czynniku chłodniczym. Podobnie, występują także parametry mechaniczne, które mogą mieć optymalizowalne wartości, takie jak depozyty mineralne w rurach solanki (niewielka ilość depozytów mineralnych może zwiększać burzliwość a zatem zmniejszać warstwę przyścienną) oraz parametry przepływu powietrza lub wody do chłodzenia skraplacza.

Zazwyczaj istnieje zestaw parametrów procesowych, które teoretycznie mają wartość optymalną 0, ale w praktyce osiągnięcie tej wartości jest trudne lub niemożliwe do uzyskania lub utrzymania. Trudność ta może być wyrażona jako koszt serwisowania lub koszt energii, ale w każdym przypadku zespól kontroli może być nastawiany dla umożliwienia teoretycznie podoptymalnych odczytów parametrów, które w praktyce są dopuszczalne i korzystne do napraw. Może być implementowana bezpośrednia analiza opłacalności (koszt-korzyść). Jednakże, od pewnego progu naprawa na ogół jest uważana za efektywną. Zespół kontroli może zatem monitorować te parametry i albo wskazywać alarm, implementować strategię kontrolną albo działać inaczej. Poziom progu może w rzeczy samej być dostosowywany lub być reaktywny względem innych warunków systemu; na przykład proces naprawczy korzystnie byłby odkładany w czasie w okresach szczytowych obciążeń, jeśli sama naprawa spowodowałaby niekorzystne oddziaływanie na sprawność systemu, a istnieje wystarczająca rezerwowa przepustowość dla kontynuowania funkcjonowania.

Zatem jest widoczne, że w niektórych przypadkach, jak przykładowo w odniesieniu do poziomów oleju w odparowalniku, korzystne jest wstępne (lub okresowe) określenie czułości systemu na odczytywalne parametry, podczas gdy w innych przypadkach korzystny jest dostosowawczy algorytm kontroli.

W przypadku procesów auto-strojenia, po tym jak obliczenia optymalizacji zostaną dokonane, zmienna procesowa np. zawartość oleju w odparowalniku, może być odtworzona do poziomu optymalnego. Należy zaznaczyć, że zmienna procesowa może ulegać zmianie w czasie, np. poziom oleju w odparowalniku zwiększa się tak, że jest pożądane wybranie warunku początkowego, który zapewni maksymalnie efektywną wydajność pomiędzy optymalizacją początkową a dalszym utrzymywaniem,

PL 213 870 B1 aby przywrócić system do efektywnego funkcjonowania. Zatem optymalizacja korzystnie określa optymalną strefę funkcjonowania, a zmienna procesowa jest ustalana na najniższym zakończeniu strefy po pomiarze. Te najniższe zakończenie może wynosić zero, ale nie musi, i może różnić się dla każdego systemu poddanego pomiarowi.

W ten sposób nie jest konieczne ciągłe kontrolowanie zmiennej procesowej, a implementowany algorytm kontroli może na przykład obejmować szeroką strefę nieczułości i ręczną implementację procesu kontroli.

Może być przewidziane monitorowanie zmiennej procesowej, aby określić, kiedy ponowna optymalizacja będzie konieczna. W trakcie optymalizacji nie zawsze jest konieczne przeprowadzenie dalszych pomiarów efektywności; poprzednie pomiary mogą być wykorzystane do ponownego określenia żądanych warunków funkcjonowania.

Zatem po tym, jak pomiary zostają ujęte w granice (np. olej blisko zera lub poza spodziewanymi warunkami funkcjonowania), system zostaje odtworzony, jeśli konieczne, aby uzyskać żądaną pierwotną efektywność, pozwalając na stopniowe wahania, np. nagromadzanie się oleju w odparowalniku, przy zachowaniu odpowiedniego funkcjonowania przez właściwy okres.

Pomiary wydajności lub pomiary zastępcze (np. natężenie prądu kompresora, parametry termodynamiczne) mogą być następnie wykorzystywane do określania, kiedy zmienna procesowa, np. poziom oleju, ulegnie zmianie lub nagromadzi się do wystarczających poziomów, aby to wymagało naprawy. Alternatywnie, mogą być dokonane bezpośrednie pomiary stężenia oleju w czynniku chłodniczym w odparowalniku. W przypadku chłodniczego oleju kompresora, przyrządem kontrolnym może być na przykład czujnik optyczny, taki jak ujawniony w opisie patentowym US 5,694,210.

Urządzenie sprzężenia zwrotnego z zamkniętą pętlą może próbować utrzymywać zmienną procesową w zadanym zakresie. A zatem, miernik bezpośredni stężenia oleju, zwykle refraktometr, mierzy zawartość oleju w czynniku chłodniczym. Kontrola nastawień, proporcjonalna, różnicowa, integracyjna kontrola, kontrola w oparciu o logikę rozmytą itp. jest wykorzystywana do sterowania zaworu bocznikowego urządzenia destylacji czynnika chłodniczego, który zwykle jest nadwymiarowy, i właściwego funkcjonowania w zakresie granic kontroli. Ze zwiększeniem poziomu oleju do poziomu, przy którym efektywność zostaje naruszona, czynnik chłodniczy poddawany jest destylacji w celu usunięcia oleju. Olej, na przykład, jest zawracany do systemu smarowania kompresora, a czynnik chłodniczy jest zawracany do wlotu kompresora. Tym sposobem kontrola sprzężenia zwrotnego z zamkniętą pętlą może być wykorzystywana do utrzymywania systemu w optymalnej wydajności. Należy zaznaczyć, że możliwe jest także wykorzystanie czynnego w linii procesu destylacyjnego, który nie bocznikuje odparowalnika. Na przykład może być wykorzystany system Zugibeast® (Hudson Technologies, Inc.); jednakże system ten jest zazwyczaj większy i bardziej złożony niż ten wymagany dla niniejszego celu. Opis patentowy US 5,377,499 ujawnia urządzenie przenośne do regeneracji czynnika chłodniczego. W tym systemie czynnik chłodniczy może być oczyszczany na miejscu, nie wymagając w każdym przypadku transportowania czynnika chłodniczego do urządzenia regenerującego. Opis patentowy US 5,709,091 także ujawnia sposób i aparaturę do recyklingu czynnika chłodniczego.

W urządzeniu separacyjnym oleju, dogodnie, czynnik chłodniczy jest podawany do komory destylacji frakcjonowanej, tak kontrolowanej, aby jej temperatura była niższa od jego temperatury wrzenia, wskutek czego skrapla się w masę cieczy pozostając w naczyniu. Relatywnie czysty czynnik chłodniczy znajduje się w fazie gzowej, a mniej lotne zanieczyszczenia pozostają w fazie ciekłej. Czysty czynnik chłodniczy jest użyty do ustalania temperatury komory, co dostarcza czuły i stabilny system. Destylowany z frakcjonowaniem czysty ciekły czynnik chłodniczy jest dostępny na jednym wyjściu, a zanieczyszczenia są usuwane przez drugie wyjście. Proces oczyszczania może być ręczny lub zautomatyzowany, ciągły lub periodyczny.

Jedno z rozwiązań według wynalazku wywodzi się z relatywnie nowego poglądu, że optymalny poziom oleju w odparowalniku systemu chłodniczego może ulegać zmianie zależnie od wytwórcy, modelu i szczególnego systemu, i że te zmienne są znaczące dla wydajności procesu, i że mogą ulegać zmianie z upływem czasu. Optymalny poziom oleju nie musi wynosić zero, na przykład w rurach żebrowanych odparowalników optymalny poziom oleju może wynosić od 1 do 5%, przy którym olej wytwarza pęcherzyki i tworzy warstewkę na powierzchniach rur, zwiększając współczynnik przenoszenia ciepła. Z drugiej strony, tak zwane rury zarodkowego wrzenia, do przenoszenia ciepła, mają znacznie niższe stężenie oleju, zwykle poniżej około 1%.

PL 213 870 B1

Usiłowanie utrzymania 0% stężenia oleju może być nieefektywne, ponieważ proces usuwania oleju może wymagać nakładu energii i bocznikowania czynnika chłodniczego, a funkcjonujący system wykazuje niski, ale ciągły poziom wycieku. Ponadto, poziom oleju w skraplaczu może również wpływać na wydajność systemu, w sposób niezgodny ze zmianami wydajności odparowalnika.

A zatem, to rozwiązanie według wynalazku nie zakłada optymalnego poziomu szczególnego zmiennego parametru procesu. Sposób według wynalazku wykorzystuje wartość optymalną, a następnie umożliwia systemowe nastawienie bliskie optimum. Podobnie, sposób raczej umożliwia okresowe dostrajanie systemu, niż wymaga ciągłego ciasnego utrzymywania parametru kontroli, chociaż wynalazek zapewnia także system i sposób ciągłego monitorowania i/lub kontroli.

Systemy chłodnicze lub agregaty chłodnicze mogą być wielkimi urządzeniami przemysłowymi, na przykład urządzeniami 3500 tonowymi, z zasilaniem 4160 V przy 500 A maks. (2 MW). Zatem są nawet niewielkie zmiany wydajności mogą prowadzić do istotnych oszczędności w kosztach energii. Niemniej ważne jest to, że jeśli wydajność spada, to być może agregat chłodniczy nie jest w stanie utrzymać parametru procesu w zadanym zakresie. W trakcie długotrwałego funkcjonowania, na przykład, jest możliwe, że stężenie oleju w odparowalniku zwiększa się powyżej 10%, a całkowita przepustowość systemu spada poniżej 1650 ton. To może spowodować odchylenie lub niewydolność procesu, co może wymagać natychmiastowej lub kosztownej naprawy. Właściwe utrzymywanie z uzyskiwaniem wysokiej, optymalnej wydajności, może być zdecydowanie opłacalne.

Powyższe i inne elementy, cechy i zalety przedmiotowego wynalazku staną się bardziej oczywiste dla specjalisty w dziedzinie, której dotyczy wynalazek, po zapoznaniu się z poniższym szczegółowym opisem jednego z najlepszych trybów realizacji wynalazku, który ilustruje wynalazek nie ograniczając jego zakresu.

P r z y k ł a d 1

Jak pokazano na fig. 1-2, typowa rura w obudowie wymiennika ciepła 1 obejmuje zestaw równoległych rur 2 przebiegających przez cylindryczny płaszcz 3. Rury 2 są utrzymywane w położeniu przez ścianę sitową 4, po jednej z każdego końca 5 rur 2. Ściana sitowa oddziela pierwszą przestrzeń 6, ciągłą z wnętrzem rur 7, od drugiej przestrzeni, ciągłej z zewnętrzem rur 2. Zwykle nakryty kopułą dystrybutor 9 jest dostarczony na każdym zakończeniu płaszcza 3, poza płytą 4 rur, do dystrybucji przepływu pierwszego ośrodka z przewodu 10 przez rury 2 a następnie z powrotem do przewodu 11. W przypadku lotnego czynnika chłodniczego system nie musi być symetryczny, gdyż objętości i natężenia przepływów będą różne po każdej ze stron systemu. Nie przedstawiono ewentualnych przegród lub innych środków dla zapewnienia optymalizowanych profili dystrybucji przepływu w rurach wymiennika ciepła.

Jak pokazano na fig. 3, system czyszczenia czynnika chłodniczego jest zaopatrzony we wlot 112 do otrzymywania czynnika chłodniczego ze skraplacza, system oczyszczania wykorzystujący proces kontrolowanej destylacji oraz wylot 150 do zawracania oczyszczonego czynnika chłodniczego. Ta część systemu jest podobna do systemu ujawnionego w opisie patentowym US 5,377,499.

Kompresor 100 spręża czynnik chłodniczy, a skraplacz 107 rozprasza ciepło w gazie. Niewielka ilość oleju kompresora jest przenoszona z gorącym gazem do skraplacza 107, gdzie ochładza się i skrapla na mieszankową ciecz z czynnikiem chłodniczym, i wychodzi na zewnątrz przez linię 108 i łącznik 14. Zawory odcinające 102 i 109 są dostarczone celem selektywnego włączania aparatu 105 do częściowej destylacji do drogi przepływu czynnika chłodniczego. Czynnik chłodniczy z aparatu 105 do częściowej destylacji jest dostarczany do odparowalnika 103 przez zawór odcinający 102.

Aparat 105 do częściowej destylacji doprowadza do wrzenia zanieczyszczony czynnik chłodniczy w komorze 130 destylacyjnej, przy czym destylacja jest kontrolowana przez dławienie par czynnika chłodniczego. Zanieczyszczony płynny czynnik chłodniczy 120 jest podawany, co przedstawia strzałka kierunkowa 110 przez wlot 112 i zawór 114 regulacji ciśnienia do komory destylacyjnej 116, aby ustalić poziom 118 cieczy. Dostarczono również spust 121 zanieczyszczonej cieczy, z zaworem 123. Przewód o dużym obszarze powierzchni, taki jak spiralna wężownica 122, jest zanurzony poniżej poziomu 118 zanieczyszczonego ciekłego czynnika chłodniczego. Termopara 124 jest umieszczona przy lub blisko środka wężownicy 122, aby mierzyć temperaturę destylacji dla celów zespołu 126 kontroli temperatury, który kontroluje położenie trójdrożnego zaworu 128, aby ustalać temperaturę destylacji frakcjonowanej. Zawór 128 kontroli temperatury, z przewodem bocznikowym 130, działa tak, że pary zbierane w części 132 komory destylacyjnej 116 powyżej poziomu 118 cieczy są podawane przez przewód 134 do kompresora 136 i tworzą gorący gaz wyprowadzany z wylotu 138 kompresora 136, który jest podawany przez zawór 128 trójdrożny pod kontrolą zespołu

PL 213 870 B1 kontroli temperatury 126. W tych sytuacjach, gdy termopara 124 wskazuje temperaturę destylacji frakcjonowanej powyżej progowej, przewód bocznikowy 130 otrzymuje część wypływu z kompresora 136; poniżej progowej wypływ przepływa jak wskazuje strzałka 140 do spiralnej wężownicy 122; w pobliżu progowej, gazy z wypływu z kompresora mogą częściowo przepływać przewodem bocznikowym i częściowo do spiralnej wężownicy, aby utrzymać tę temperaturę. Przepływ przez przewód 130 bocznikowy i ze spiralnej wężownicy 122 w kierunkach, odpowiednio, 142, 144, przechodzi przez wspomagający skraplacz 146 i zawór 148 regulacji ciśnienia z wytworzeniem destylowanego czynnika chłodniczego wyprowadzanego jak wskazuje kierunkowa strzałka 150. Alternatywnie, skraplacz 146 jest kontrolowany przez dodatkowy zespół kontroli temperatury, sterowany przez temperaturę wypływu ze skraplacza. A zatem olej ze skraplacza 107 jest usuwany przed wejściem do odparowalnika 103. Przez okresowe uruchamianie systemu, ilość oleju nagromadzonego w odparowalniku 103 spada, i następuje oczyszczenie systemu.

Fig. 4 przedstawia instrumentalizowany system chłodniczy, pozwalający na periodyczne lub seryjne reoptymalizacje lub pozwalający na ciągłe kontrolowanie zamkniętą pętlą sprzężenia zwrotnego parametrów operacyjnych. Kompresor 100 jest połączony z miernikiem mocy 101, który precyzyjnie mierzy zużycie mocy przez pomiar napięcia i natężenia pobieranego prądu. Kompresor 100 wytwarza gorącą zagęszczoną parę czynnika chłodniczego w linii 106, która jest podawana do skraplacza 107, gdzie ciepło przemiany fazowej parowania i ciepło dodane przez kompresor jest rozpraszane. Czynnik chłodniczy przenosi niewielką ilość oleju smarnego kompresora. W skraplaczu 107 jest mierzona temperatura i ciśnienie za pomocą miernika temperatury 155 i miernika ciśnienia 156. Skroplony, ochłodzony czynnik chłodniczy, zawierający część domieszanego oleju, jest podawany przez linię 108 ewentualnie do aparatu 105 do częściowej destylacji, a dalej do odparowalnika 103. W przypadku braku aparatu 105 do częściowej destylacji, olej ze skraplacza 107 jest akumulowany w odparowalniku 103. W odparowalniku 103 jest mierzona temperatura czynnika chłodniczego i ciśnienie przez miernik temperatury 155 i miernik ciśnienia 156. Ochłodzona woda, w linii 152 wlotowej i linii 154 wylotowej odparowalnika 103, jest poddawana pomiarom temperatury i ciśnienia przez miernik temperatury 155 i miernik ciśnienia 156. Odparowany czynnik chłodzący z odparowalnika 103 zawracany jest do kompresora poprzez linię 104.

Miernik mocy 101, miernik temperatury 155 i miernik ciśnienia 156 dostarczają dane do zespołu zbierania danych (DAS) 157, który wytwarza dane wyjściowe, reprezentatywne co do wydajności agregatu chłodniczego, na przykład w BTU/kWh. Czujnik 159 oleju dostarcza ciągłe pomiary stężenia oleju w odparowalniku 103 i może być użyty do kontrolowania aparatu 105 do częściowej destylacji lub określania potrzeby okresowej reoptymalizacji, w oparciu o optymalne warunki pracy. Miernik mocy 101 lub zespół zbierania danych 157 mogą dostarczać zastępcze pomiary dla oszacowania poziomu oleju w odparowalniku lub, inaczej, konieczności usuwania oleju.

Jak pokazano na fig. 5, wydajność agregatu chłodniczego zmienia się ze stężeniem oleju w odparowalniku 103. Linia 162 pokazuje zależność nie-monotoniczną. Po określeniu zależności, przez wykreślenie wydajności względem stężenia oleju, mogą być zdefiniowane warunki pracy. Ac zkolwiek zazwyczaj po tym jak olej zostanie usunięty z odparowalnika 103, nie jest koniecznie uzupełniany, to dolny limit 160 warunków pracy określa, w dalszej operacji usuwania, granicę, poza którą wyjście nie jest użyteczne. Całkowite usuwanie oleju jest nie tylko kosztowne i bezpośrednio nieefektywne, ale może także spowodować obniżenie wydajności systemu. Podobnie, jeśli poziom oleju przekracza górną granicę 161 warunków pracy, wydajność systemu spada i opłacalne jest serwisowanie agregatu chłodniczego, aby odtworzyć optymalne funkcjonowanie. Zatem w systemie zamkniętej pętli sprzężenia zwrotnego, odległość między dolną granicą 160 i górną granicą będzie znacznie węższa niż w okresowym konserwowaniu systemu. Separator oleju (np. aparat 105 do częściowej destylacji lub inny rodzaj systemu) w systemie zamkniętej pętli sprzężenia zwrotnego jest jako taki zwykle mniej efektywny niż większy system, zwykle wykorzystywany w trakcie okresowej konserwacji, a więc zalety wykazuje każdy rodzaj zestawienia.

P r z y k ł a d 2

Fig. 7 A przedstawia schemat blokowy pierwszej realizacji zespołu kontroli według przedmiotowego wynalazku. W tym zespole, ładunek czynnika chłodniczego jest kontrolowany z użyciem zespołu kontroli 200 dostosowawczej, z kontrolą poziomu ładunku czynnika chłodniczego otrzymywanego z transmitera poziomu 216 (np. Henry Valve Co., Melrose Park IL LCA serii Liquid Level Column z Liquid Level Switches serii E-9400, wyjście cyfrowe, albo K-Tek Magnetostrictive Level Transmitters AT200 lub AT600, wyjście analogowe), ewentualnie z zespołem zużycia energii (kilowatogodziny),

PL 213 870 B1 jak również parametrami, w tym temperaturą wody skraplacza i odparowalnika na wejściu i wyjściu, natężeniami przepływu wody skraplacza i odparowalnika na wejściu i wyjściu, prędkością obrotową (RPM) kompresora, ciśnieniem i temperaturą ssania i wyładowywania, oraz ciśnieniem i temperaturą otoczenia, wszystkie poprzez system zbierania danych dla wejść czujnikowych 201. Zmienne te są podawane do zespołu kontroli 200 dostosowawczej z wykorzystaniem nieliniowego modelu systemu, opartego na technologii sieci 203 neuronowej (NN). Zmienne te są wstępnie przetwarzane z wytworzeniem zestawu zmiennych pochodnych z zestawu wejścia, jak również, aby odwzorować czasowe parametry oparte na zestawie uprzednich danych. Sieć 203 neuronowa ocenia okresowo zestaw danych wejściowych, na przykład co 30 sekund, i wytwarza wyjściowy sygnał 209 kontrolny lub zestaw sygnałów. Po zaimplementowaniu proponowanej kontroli, aktualna reakcja jest porównywana z reakcją przewidywaną w oparciu o model wewnętrzny określony przez sieć 203 neuronową przez podzespół 204 aktualizacji kontroli dostosowawczej, i sieć neuronowa jest aktualizowana 205, aby odzwierciedlić lub wziąć pod uwagę „błąd”. Kolejne wyjście 206 z części diagnostycznej 205, która może być zintegrowana z siecią neuronową, wskazuje prawdopodobny błąd albo w czujnikach i samej sieci, albo kontrolowanej instalacji.

Kontrolowaną zmienną jest na przykład ładunek czynnika chłodniczego w systemie. W celu usunięcia czynnika chłodniczego, ciekły czynnik chłodniczy z odparowalnika 211 jest przenoszony do zbiornika 212 magazynowego przez zawór 210. Aby dodać czynnik chłodniczy, gazowy czynnik chłodniczy może być zawracany do ssania kompresora 214, regulowanego przez zawór 215, lub ciekły czynnik chłodniczy jest pompowany do odparowalnika 211. Czynnik chłodniczy w zbiorniku 212 magazynowym może być podany analizie i oczyszczaniu.

P r z y k ł a d 3

Druga realizacja zespołu kontroli wykorzystuje strategię kontroli optymalizacji przy sterowaniu z wyprzedzeniem, jak pokazano na fig. 7B. Fig. 7B przedstawia schemat blokowy przepływu sygnału w skomputeryzowanym zespole kontroli przy sterowaniu z wyprzedzeniem. Wejściowe zmienne procesowe 220 są mierzone, sprawdzane co do wiarygodności, filtrowane, uśredniane i przechowywane w bazie danych komputera 222. Dostarczony jest system regulacji 223 jako czołowa linia kontroli, aby utrzymać wejściowe zmienne 220 procesowe w zadanych i wymaganych zakresach. Dopasowany zestaw mierzonych zmiennych jest porównywany w systemie regulacji 223 z żądanymi nastawieniami od operatora 224A i z procedury optymalizacji 224B. Wykryte błędy są następnie użyte do wygenerowania działań sterowania, które są przekazywane jako wyjścia 225 do finalnych elementów sterowania w procesie 221. Nastawienia z systemu regulacji 223 pochodzą albo z wejść operatora 224A albo z wyjść z procedury optymalizacji 224B. Należy zaznaczyć, że zespół optymalizacji 226 funkcjonuje bezpośrednio według modelu 227 w dochodzeniu do optymalnych nastawień 224B. Należy również zaznaczyć, że model 227 jest aktualizowany za pomocą specjalnej procedury 228 tuż przed użyciem zespołu optymalizacji 226. Właściwość aktualizacji sprzężenia zwrotnego zapewnia właściwy proces matematyczny opisu pomimo błędów instrumentów, a ponadto kompensuje rozbieżności wynikłe z uproszczonych założeń wprowadzonych do modelu 227. W takim przypadku kontrolowaną zmienną może być na przykład prędkość kompresora, indywidualnie lub w dodatku do poziomu ładunku czynnika chłodniczego.

Zmienne wejściowe są w tym przypadku podobne do tych w przykładzie 2, w tym poziom ładunku czynnika chłodniczego, ewentualnie zużycie energii systemu (kilowatogodziny) jak również parametry termodynamiczne, w tym temperatura wody skraplacza i odparowalnika na wejściu i na wyjściu, natężenia przepływu wody i ciśnienia w skraplaczu i odparowalniku na wejściu i na wyjściu, RPM kompresora, ciśnienie i temperatura ssania i wyładowywania, oraz ciśnienie i temperatura otoczenia.

P r z y k ł a d 4

Jak pokazano na fig. 7C, dostarczony jest zespół kontroli 230, który kontroluje poziom ładunku 231 czynnika chłodniczego, prędkość 232 kompresora i stężenie 233 oleju w czynniku chłodniczym w odparowalniku. Zamiast dostarczania pojedynczego złożonego modelu zespołu, przewidziano w bazie 234 danych liczne uproszczone zależności, które segmentują przestrzeń operacyjną zespołu na wiele obszarów lub płaszczyzn w oparciu o wejścia czujnikowe. Czułość zespołu kontroli 230 na zmienność na wejściach 235 jest dostosowawczo określana przez kontrolę w trakcie funkcjonowania, w celu optymalizowania wydajności energetycznej.

Dane są także przechowywane w bazie 234 danych zapełniając gęstość przestrzeni operacyjnej; gdy zestaw parametrów wejściowych wskazuje mocno zagęszczony obszar przestrzeni operacyjnej, dokonywane jest szybkie przejście, aby uzyskać najbardziej efektywne warunki wyjściowe. Z druPL 213 870 B1 giej strony, jeśli obszar przestrzeni operacyjnej jest słabo zagęszczony, zespół kontroli 230 przewiduje powolne, przeszukiwawcze zmienianie wyjść usiłując przeszukiwać przestrzeń operacyjną, aby określić zestaw optymalnych danych wyjściowych. Ta procedura przeszukiwawcza służy także zagęszczeniu przestrzeni tak, że zespół kontroli 230 unika zbyt prostej strategii po kilku napotkaniach.

Ponadto, dla każdego obszaru przestrzeni operacyjnej określana jest statystyczna zmienność. Jeśli statystyczna zmienność jest niska, to model obszaru jest uważany za dokładny i kontynuowanie przeszukiwania obszaru lokalnego jest ograniczane. Z drugiej strony, jeśli zmienność jest wysoka, zespół kontroli 230 analizuje dane wejściowe, aby określić korelację pomiędzy dostępnym wejściem 235 i wydajnością systemu, poszukując ulepszenia modelu dla tego obszaru przechowywanego w bazie 234 danych. Korelacja ta może być wykryta przez poszukiwanie obszaru drogą sprawdzania czułości zestawu wejściowego na zmiany w jednym lub większej liczbie wyjść 231,232, 233. Dla każdego obszaru korzystnie jest konstruowany model liniowy korelujący zestaw zmiennych wejściowych i optymalnych zmiennych wyjściowych. Alternatywnie, może być wykorzystywana stosunkowo prosta sieć nieliniowa, taka jak sieć neuronowa.

Obszary operacyjne, na przykład segment przestrzeni operacyjnej w obszarach rozdzielonych przez 5% poziom ładunku czynnika chłodniczego, od -40% do +20% projektowanego, zawartość oleju w odparowalniku co 0,5% od 0% do 10% i prędkość kompresora, od minimalnej do maksymalnej z przyrostami 10-100. Możliwe jest również dostarczenie niejednorodnie rozmieszczonych obszarów, lub nawet dostosowawczo wymiarowanych obszarów w oparciu o czułość danych wyjściowych na zmienność wejściowych, w odpowiednich częściach przestrzeni wejścia.

Zespół kontroli dostarcza także zestaw specjalnych trybów rozruchu i zamknięcia systemu. Są one różne od trybów normalnego funkcjonowania, w tym, że efektywność energetyczna nie jest pierwszorzędnym względem w trakcie tych stanów nieustalonych, gdyż inne aspekty kontroli mogą być uznane za ważne. Tryby te także przewidują opcje kontrolowania rozruchu systemu i funkcjonowania bezawaryjnego.

Należy podkreślić, że ponieważ wymagany czas aktualizacji dla systemu jest stosunkowo długi, obliczenia sieci neuronowej mogą być implementowane seriami na komputerze ogólnego użytku, np. z procesorem Intel Pentium IV lub Athlon XP, z systemem operacyjnym Windows XP lub systemie funkcjonującym w czasie rzeczywistym, stąd też wyspecjalizowany sprzęt (poza interfejsem zbierania danych) zwykle nie jest potrzebny.

Korzystnie zespół kontroli dostarcza wyjście diagnostyki 236, które „objaśnia” działania kontroli, na przykład identyfikuje dla każdej danej decyzji kontrolnej wejścia czujnikowe, które mają największy wpływ na stan wyjściowy. W systemach sieci neuronowej, jednakże, często nie jest możliwe całkowite racjonalizowanie danych wyjściowych. Ponadto, jeśli system wykrywa stan nienormalny, zarówno w instalacji kontrolowanej jak i nie-kontrolowanej, korzystnie informacja jest przekazywana operatorowi lub technikowi serwisowemu. Może się to odbywać drogą komunikacji radiowej przechowywanego rejestru, wskaźników wizualnych lub dźwiękowych, telefoniczną, lub internetową itp. W wielu przypadkach, jeśli poważny stan zostanie wykryty i jeśli instalacja nie może być w pełni dezaktywowana, korzystne jest zapewnienie „bezpiecznego w razie uszkodzenia” trybu operacyjnego, aż do przeprowadzenia konserwacji.

Powyższy opis korzystnych realizacji według wynalazku jest przedstawiony celem zilustrowania i ujawnienia wynalazku, natomiast nie jest wyczerpujący, ani też nie ogranicza zakresu wynalazku tylko do postaci tu konkretnie pokazanych, gdyż możliwe jest dokonanie licznych modyfikacji i odmian, w oparciu o powyższe informacje.

Claims (17)

1. Sposób optymalizacji funkcjonowania systemu chłodniczego mającego kompresor, skraplacz, oraz mającego odparowalnik wyprowadzający ciepło z procesu wykazującego zapotrzebowanie na chłodzenie, znamienny tym, że

- przeprowadza się pomiar sprawności odparowalnika z użyciem co najmniej jednego czujnika,

- przeprowadza się pomiar poziomu czynnika chłodniczego w odparowalniku z użyciem co najmniej jednego czujnika,

PL 213 870 B1

- określa się wewnętrzną automatyczną pętlę regulacyjną dla sterowania funkcjonowaniem co najmniej jednego kompresora, aby regulować dopływ ciekłego czynnika chłodniczego do odparowalnika w zależności od stopnia zapotrzebowania na chłodzenie i od sygnału optymalizacji na wejściu;

- określa się zewnętrzną automatyczną pętlę regulacyjną do optymalizacji poziomu czynnika chłodniczego w odparowalniku i generowania sygnału optymalizacji na wejściu, przy czym zewnętrzna pętla regulacyjna wyznacza poziom dysproporcji pomiędzy szybkością dopływu i szybkością wypływu czynnika chłodniczego jako sygnał optymalizacji na wejściu dla wewnętrznej pętli regulacyjnej, aby zmienić poziom czynnika chłodniczego w odparowalniku do poziomu optymalnego na podstawie parametrów optymalizacji obliczonych automatycznie w zależności od zmierzonej sprawności odparowalnika przy różnych zmierzonych poziomach czynnika chłodniczego w odparowalniku i przy różnych poziomach zapotrzebowania na chłodzenie; oraz

- zapewnia się działanie kompresora w zależności od sygnału z wewnętrznej automatycznej pętli regulacyjnej, aby utrzymywać poziom optymalny.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że obejmuje etap, w którym przewiduje się potrzebę serwisowania systemu chłodniczego.

3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że obejmuje etap, w którym dostarcza się bufor do zasilania czynnikiem chłodniczym odparowalnika, przy czym poziom ciekłego czynnika chłodniczego w buforze jest zmieniany w reakcji na zewnętrzną pętlę regulacyjną.

4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że obejmuje etap, w którym szacuje się migrację oleju do odparowalnika.

5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że zewnętrzna pętla regulacyjna jest dostosowawcza.

6. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że wewnętrzna pętla regulacyjna zawiera charakterystykę sterowania z wyprzedzeniem.

7. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że zewnętrzna pętla regulacyjna kompensuje migrację oleju do odparowalnika.

8. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że zewnętrzna pętla regulacyjna kompensuje zmiany stanu ładunku czynnika chłodniczego.

9. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że co najmniej jedna pętla spośród wewnętrznej pętli regulacyjnej i zewnętrznej pętli regulacyjnej przeprowadza optymalizację opłacalności.

10. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że co najmniej jedna spośród wewnętrznej pętli regulacyjnej i zewnętrznej pętli regulacyjnej przeprowadza optymalizację opłacalności procesu, która to optymalizacja opłacalności obejmuje system chłodniczy i co najmniej jeden składnik instalacji wykorzystujący system chłodniczy.

11. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że obejmuje etap, w którym modyfikuje się sprawność odparowalnika poprzez oddzielanie oleju od czynnika chłodniczego w systemie chłodniczym.

12. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że obejmuje etap, w którym dostarcza się model dostosowawczy systemu chłodniczego do przewidywania reakcji systemu na zmiany zmiennej procesowej.

13. System chłodniczy obejmujący kompresor do sprężania czynnika chłodniczego, skraplacz do skraplania czynnika chłodniczego w ciecz oraz odparowalnik do odparowywania ciekłego czynnika chłodniczego ze skraplacza do postaci gazowej, aby odbierać ciepło z procesu odpowiadające obciążeniu systemu, pamięć do przechowywania parametrów pozyskiwanych z pomiarów sprawności systemu chłodniczego dla mnogich zmierzonych poziomów czynnika chłodniczego w odparowalniku i dla mnogich zróżnicowanych obciążeń systemu, oraz zespół sterowania, znamienny tym, że zespół sterowania jest przeznaczony do optymalnego sterowania kompresorem dostarczającym ciekły czynnik chłodniczy do odparowalnika (103, 211), w stopniu dostosowanym do bieżącego obciążenia systemu chłodniczego, jak i poziomem czynnika chłodniczego w odparowalniku (103, 211), poprzez modyfikowanie dysproporcji pomiędzy dostarczaniem ciekłego czynnika chłodniczego i bieżącym obciążeniem systemu chłodniczego, w oparciu co najmniej o parametry zachowane w pamięci, bieżące obciążenie systemu i zmierzony poziom czynnika chłodniczego w odparowalniku (103, 211).

14. System chłodniczy według zastrz. 13, znamienny tym, że zespół sterowania wykorzystuje algorytm genetyczny do przewidywania stanu optymalnego.

PL 213 870 B1

15. System chłodniczy według zastrz. 13, znamienny tym, że zespół sterowania obejmuje wewnętrzną pętlę regulacyjną do regulacji dostarczania ciekłego czynnika chłodniczego do odparowalnika (103, 211), oraz zewnętrzną pętlę regulacyjną do optymalizacji poziomu czynnika chłodniczego w odparowalniku (103, 211), przy czym zewnętrzna pętla regulacyjna wyznacza stopień dysproporcji pomiędzy szybkością dopływu i szybkością wypływu czynnika chłodniczego dla wewnętrznej pętli regulacyjnej, aby wprowadzać modyfikacje zmierzające do stopnia optymalnego w oparciu o parametry optymalizacji wyznaczane automatycznie, w zależności od co najmniej pomiaru sprawności odparowalnika, pomiaru poziomu czynnika chłodniczego w odparowalniku (103, 211) i obciążenia systemu, a wewnętrzna pętla regulacyjna optymalizuje dostarczanie ciekłego czynnika chłodniczego w oparciu o optymalny poziom czynnika chłodniczego w odparowalniku (103, 211).

16. System według zastrz. 15, znamienny tym, że zawiera bufor do magazynowania rezerwy ciekłego czynnika chłodniczego.

17. System według zastrz. 16, znamienny tym, że poziom rezerwy ciekłego czynnika chłodniczego jest kontrolowany przez zewnętrzną pętlę regulacyjną.