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摘 要 随着近年来将电动机变频调速技术引入到船舶制冷控制系统中,在设计中仅仅考虑承载压缩机的稳定运转已经不能满足要求,其与负荷的匹配,如何合理利用电能资源,系统动态模型以及模拟仿真技术等也开始被纳入设计范围内。本文从船舶制冷控制系统的动态分析和数据模型分析出发,对提高船舶制冷控制系统的提出了建议和优化措施。
关键词 船舶 制冷控制 动态分析 优化设计
一、船舶制冷控制系统的动态分析
(一)目标函数的确定。
在设计船舶制冷控制系统时,涉及到了制冷系统状态点的温度、压力、压缩机的入口压力P1、出口压力P2、冷循环系统管路的发门开度U及原动机电动机的转速n等,对船舶制冷系统的动态分析,从上述几个方面展开。
(二)控制系统主要部件的压力与温度参数模型分析、仿真。
1.压缩机。
从状态1到状态2是往复式压缩机在热力循环。在等熵压缩过程中,压缩的输出功率为Ne=G(h2一hl)/3600η1(KW),G为质量流量,η1为效率系数,所以功率消耗与排量(质量流量)成正比。对螺杆式压缩机亦基本符合上述规律,其实际排量Q=60Ftn1ηvm3/h ,其F为有效面积,t为螺杆纹节距,输出功率Ne=QPx10-3,P为排出口与吸入口压力差,ηv容积效率。
往复式压缩机的流量表达式中G=60ηvZFSn1,其中n1为压缩机转速,Z为作用汽缸数,S为活塞行程,F为活塞面积,所以流量G与压缩机转速n1,在容积效率不变条件下是成正比的,其比例系数与压缩机的类型、构造、尺寸等有关,由于在上述讨论中得出,Ne与G成正比,G又与n1成正比,而电动机与压缩机传动比一定,所以功率Ne与电动机转速n成正比。
另外,如往复式压缩机转速过低时,由于容积效率等因素的影响,比例系数也会相应的发生变化,但是基本趋势和规律是一定的,即电动机转速升高时,消耗功率相应增大,转速降低时,功率则相应减少。
2.电动机。
由于电动机功率为P=Mω其中M为转矩ω为角速度,所以功率是转矩与转速相乘,压缩机从电动机中获取功率。在传递过程中,电动机功率虽然经过皮带的传动,带动压缩机转动,并经效率的折耗,但最终功率与压缩机功率Ne是平衡的,即Pη0=Ne,又因为压缩机功率Ne是与转速n成正比的,例即Ne =Kn,K是比例系数,而电动机功率P是转矩与转速相乘即=Pω,所以当两者功率平衡时,综合起来就可推断出:因为Pη0= Ne =Kn则Mωη0=Kn,ω=2πn/60 M=K60/2πη0,系数K60/2πη0大小即与转矩相当,因为系数不变,可见压缩机作为电动机负载,它的转矩是不变的,属恒转矩性质。从概念上可以理解,在压缩机出入口压差基本稳定情况下,运转压缩机所需转矩是不变的,而转速高所需功率大,转速低时,功率小,所以在上述分析前提下,电动机所带负载性质为恒定负载,在负载机械特性上表现为垂直性质,属于恒定负荷,所以电动机采用变频调速相配合是比较合适的。
根据电动机的变频调速特性,因为三相异步电动机定子每相电压有效值近似表达式为U=4.44f1N1KN1Фm,f1定子供电频率,N1定子每相绕组串联匝数,KN1绕组系数,Фm每极气隙磁通量,在调速过程中保持U/ f1,为恒定情况下(即Фm为恒定)n与M的机械特性,随f1定子频率的改变将平行上下移动,它与恒转矩负载相匹配,可实现平稳无级调速特性。
二、船舶控制系统的优化设计
系统控制的目标函数是以下列工程实用观点来考虑的,即在系统温度达到要求的前提下,尽量减少系统所消耗的电能为目标,所以温度首先作为一个要求,另一个要求将涉及到控制能量,跟能量直接有关的主要物理量为阀门开度U和电动机转速n,开度U大,所消耗冷剂量大,所以需要更多的制冷量。在转速方面,因为在压缩机出、入口处压力差基本处于不变的条件下,功率与排量成正比,而压缩机排量又与电动机转速成比例的,所以转速的高低可以反应功率消耗的大小,再考虑电动机运转的时间长短,功率与时间相乘,即为电能的消耗。压缩机的入口压力是与制冷系统温度控制要求有关,当温度已经达到控制值时,关闭或减少系统的冷剂阀门开度,自然回流量减少,入口压力随之降低,因为温度己达到设定值,冷剂需要量相对减少,此时电动机可降低转速运行,节省能耗,因此入口压力实际上也是与控制有关联的,而能量控制将依赖于入口压力的波动。可见制冷系统它是一个内含几个闭环系统,例如还有冷却水循环控制系统等,它们互相间关联、交错、重合,系统内部又是非线性的,所以很难用线性的优化控制原理来实现系统的优化闭合,而本系统采用的是在实现设定的温度控制前提下,在其控制范围内能及时调整电动机转速、以节省能量,在实际运行中再来确定最佳参数搭配与参数选择,实现上述方案,则在本文所讨论,在工程上就认为它是优化的系统。
三、结论
船舶制冷系统作为一个非线性系统,但是传统的线性优化控制方案不能应用于这方面,要想真正优化船舶制冷系统,需要从工程操作、运行管理思路上进行探索。节约系统能耗,可以采用电动机变频调速方案,这样可以简化工程的实现,省略压缩机机械附件,卸缸机构等。在必要的时候,甚至可以发展某一区段的连续控制方案。随着制冷系统在船舶上的应用与发展,带动了实践研究的深入,新的优化方案将更多的被开发及应用。
关键词 船舶 制冷控制 动态分析 优化设计
一、船舶制冷控制系统的动态分析
(一)目标函数的确定。
在设计船舶制冷控制系统时,涉及到了制冷系统状态点的温度、压力、压缩机的入口压力P1、出口压力P2、冷循环系统管路的发门开度U及原动机电动机的转速n等,对船舶制冷系统的动态分析,从上述几个方面展开。
(二)控制系统主要部件的压力与温度参数模型分析、仿真。
1.压缩机。
从状态1到状态2是往复式压缩机在热力循环。在等熵压缩过程中,压缩的输出功率为Ne=G(h2一hl)/3600η1(KW),G为质量流量,η1为效率系数,所以功率消耗与排量(质量流量)成正比。对螺杆式压缩机亦基本符合上述规律,其实际排量Q=60Ftn1ηvm3/h ,其F为有效面积,t为螺杆纹节距,输出功率Ne=QPx10-3,P为排出口与吸入口压力差,ηv容积效率。
往复式压缩机的流量表达式中G=60ηvZFSn1,其中n1为压缩机转速,Z为作用汽缸数,S为活塞行程,F为活塞面积,所以流量G与压缩机转速n1,在容积效率不变条件下是成正比的,其比例系数与压缩机的类型、构造、尺寸等有关,由于在上述讨论中得出,Ne与G成正比,G又与n1成正比,而电动机与压缩机传动比一定,所以功率Ne与电动机转速n成正比。
另外,如往复式压缩机转速过低时,由于容积效率等因素的影响,比例系数也会相应的发生变化,但是基本趋势和规律是一定的,即电动机转速升高时,消耗功率相应增大,转速降低时,功率则相应减少。
2.电动机。
由于电动机功率为P=Mω其中M为转矩ω为角速度,所以功率是转矩与转速相乘,压缩机从电动机中获取功率。在传递过程中,电动机功率虽然经过皮带的传动,带动压缩机转动,并经效率的折耗,但最终功率与压缩机功率Ne是平衡的,即Pη0=Ne,又因为压缩机功率Ne是与转速n成正比的,例即Ne =Kn,K是比例系数,而电动机功率P是转矩与转速相乘即=Pω,所以当两者功率平衡时,综合起来就可推断出:因为Pη0= Ne =Kn则Mωη0=Kn,ω=2πn/60 M=K60/2πη0,系数K60/2πη0大小即与转矩相当,因为系数不变,可见压缩机作为电动机负载,它的转矩是不变的,属恒转矩性质。从概念上可以理解,在压缩机出入口压差基本稳定情况下,运转压缩机所需转矩是不变的,而转速高所需功率大,转速低时,功率小,所以在上述分析前提下,电动机所带负载性质为恒定负载,在负载机械特性上表现为垂直性质,属于恒定负荷,所以电动机采用变频调速相配合是比较合适的。
根据电动机的变频调速特性,因为三相异步电动机定子每相电压有效值近似表达式为U=4.44f1N1KN1Фm,f1定子供电频率,N1定子每相绕组串联匝数,KN1绕组系数,Фm每极气隙磁通量,在调速过程中保持U/ f1,为恒定情况下(即Фm为恒定)n与M的机械特性,随f1定子频率的改变将平行上下移动,它与恒转矩负载相匹配,可实现平稳无级调速特性。
二、船舶控制系统的优化设计
系统控制的目标函数是以下列工程实用观点来考虑的,即在系统温度达到要求的前提下,尽量减少系统所消耗的电能为目标,所以温度首先作为一个要求,另一个要求将涉及到控制能量,跟能量直接有关的主要物理量为阀门开度U和电动机转速n,开度U大,所消耗冷剂量大,所以需要更多的制冷量。在转速方面,因为在压缩机出、入口处压力差基本处于不变的条件下,功率与排量成正比,而压缩机排量又与电动机转速成比例的,所以转速的高低可以反应功率消耗的大小,再考虑电动机运转的时间长短,功率与时间相乘,即为电能的消耗。压缩机的入口压力是与制冷系统温度控制要求有关,当温度已经达到控制值时,关闭或减少系统的冷剂阀门开度,自然回流量减少,入口压力随之降低,因为温度己达到设定值,冷剂需要量相对减少,此时电动机可降低转速运行,节省能耗,因此入口压力实际上也是与控制有关联的,而能量控制将依赖于入口压力的波动。可见制冷系统它是一个内含几个闭环系统,例如还有冷却水循环控制系统等,它们互相间关联、交错、重合,系统内部又是非线性的,所以很难用线性的优化控制原理来实现系统的优化闭合,而本系统采用的是在实现设定的温度控制前提下,在其控制范围内能及时调整电动机转速、以节省能量,在实际运行中再来确定最佳参数搭配与参数选择,实现上述方案,则在本文所讨论,在工程上就认为它是优化的系统。
三、结论
船舶制冷系统作为一个非线性系统,但是传统的线性优化控制方案不能应用于这方面,要想真正优化船舶制冷系统,需要从工程操作、运行管理思路上进行探索。节约系统能耗,可以采用电动机变频调速方案,这样可以简化工程的实现,省略压缩机机械附件,卸缸机构等。在必要的时候,甚至可以发展某一区段的连续控制方案。随着制冷系统在船舶上的应用与发展,带动了实践研究的深入,新的优化方案将更多的被开发及应用。