Квалиметрические модели контроля эксплуатационных параметров аммиачной холодильной установки

УДК 681.3 621.56

С. С. Путилин, В. Ф. Шуршев

КВАЛИМЕТРИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ КОНТРОЛЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ АММИАЧНОЙ ХОЛОДИЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

S. S. Putilin, V. F. Shurshev

QUALIMETRIC MODELS OF OPERATION PARAMETERS CONTROL OF THE AMMONIAC REFRIGERATING MACHINES

Разработана модель для идентификации эксплуатационных параметров холодильной установки, учитывающая оценку риска эксплуатации холодильных установок на основе квалимет-рической модели. Модель представлена в виде «дерева» и служит основой для определения комплексного показателя эффективности - показателя высшего (нулевого) ранга. Представлена одна из разработанных квалиметрических моделей - «Повышение расхода электроэнергии на привод компрессора».

Ключевые слова: модель, анализ, холодильная установка, идентификация эксплуатационных параметров.

The model for identification of operational parameters of the refrigerating machinery considering an estimation of risk of the refrigerating machinery operation on the basis of qualimetric model is developed. The model is presented in the form of a "tree" and serves a basis for definition of a complex indicator of efficiency - an indicator of the highest (zero) rank. One of the developed qualimetric models - "Increase of energy consumption for a compressor driver" is shown.

Key words: model, analysis, refrigerating machine, identification of operational parameters.

Введение

Аммиачные холодильные установки являются объектами повышенной опасности вследствие токсичности используемого холодильного агента, поэтому эксплуатация таких технических объектов предусматривает обязательный контроль эксплуатационных параметров, необходимый для поддержания штатного режима работы оборудования. Следует отметить, что выход значений контролируемых параметров за предельные величины предотвращается приборами автоматической защиты [1, 2]. Изменение контролируемых параметров в безопасном диапазоне значений, а точнее приведение контролируемых параметров к рациональным величинам, осуществляется обслуживающим персоналом, который в данном случае является лицом, принимающим решения, и обязан выработать техническое решение и подать управляющее воздействие при отклонении значения контролируемого параметра от допустимых величин. Для осуществления последнего требуется соответствующая подготовка, квалификация и профессиональный опыт. Кроме этого, выработка правильного управляющего воздействия (и своевременность его подачи) зависит от физического, морального, психического состояния человека. С целью исключить человеческий фактор из системы управления таким сложным и опасным техническим объектом, как холодильная установка, необходима разработка технического комплекса, включающего в себя следующие компоненты: комплект дополнительных измерительных устройств; система передачи измеренных данных; программное обеспечение; управляющие приборы, которые позволят выработать адекватное сложившейся обстановке техническое решение [3].

Целью исследований являлась разработка модели анализа эксплуатационных параметров холодильной установки с учетом изменения внешних условий и «дерева событий» квалиметри-ческой модели.

Анализ эксплуатационных параметров холодильной установки имеет особенности, связанные с тем, что многие значения контролируемых параметров зависят не только от эффективности и качества работы как отдельных узлов, так и установки в целом, но и от внешних условий. Холодильная установка - это тепловая машина, передающая теплоту от объекта охлаждения в окружающую среду (рис. 1), для этого производится работа (N). Поэтому для контроля и анализа технического состояния необходимо анализировать не только эндогенные, но и экзогенные характеристики холодильной установки, совокупность которых можно разделить на следующие группы:

— не зависящие от окружающей среды: объемная производительность компрессора, площадь поверхности теплообмена испарителя и конденсатора и т. п.;

— зависящие от состояния окружающей среды: температура и давление конденсации, температура кипения и т. п.

Рис. 1. Передача теплоты от объекта охлаждения в окружающую среду

Другой особенностью анализа характеристик холодильной установки является многофакторность и взаимозависимость критериев, когда значение одной характеристики зависит от множества других (даже случайных) величин. Например, температура нагнетания компрессора (Тн), контроль которой ведется в обязательном порядке, т. к. ее величина является одним из параметров, характеризующих эффективность работы холодильной установки и предвестником аварийной ситуации. Ее значение зависит от ряда факторов, в том числе температуры конденсации, которая, в свою очередь, зависит от температуры охлаждающей среды, загрязнения теплообменной поверхности и других критериев.

При анализе цикла холодильной машины (рис. 2) видно, что значение температуры нагнетания определяется на пересечении адиабаты сжатия 1 - 2-1/2-2 (Тн-2-1) с изобарой давления конденсации Рк-1 или Рк-2. Сжатие в компрессоре может происходить и по политропе 1-3 или 1-4 (Тн-4). В первом случае работа, затрачиваемая на привод компрессора, будет меньше, а следовательно, меньше и энергозатраты. Сжатие пара холодильного агента по политропе 1-4 увеличивает работу сжатия и, соответственно, затраты на привод компрессора (по сравнению с адиабатическим сжатием). Процесс 1-3 можно осуществить при лучшем охлаждении цилиндров компрессора. При плохом охлаждении цилиндров компрессора процесс сжатия будет происходить по политропе 1-4. Таким образом, Тн может характеризовать эффективность процесса в компрессоре. Но температура нагнетания (см. Тн-4) может быть получена при политропиче-ском процессе сжатия 1-4 до давления Рк-1 (точка 4), а также при адиабатическом процессе сжатия (от точки 1 до точки 2-2) до давления конденсации Рк-2. Температура нагнетания Тн-4, принадлежащая точке конца сжатия 2-2, характеризует хороший процесс в компрессоре, но плохой процесс в конденсаторе (например, вследствие загрязнения аппарата или недостаточного расхода охлаждающей среды) или повышение температуры охлаждающей среды. Температура нагнетания Тн-4, принадлежащая точке конца сжатия 4, характеризует плохой процесс в компрессоре.

Рис. 2. Цикл одноступенчатой холодильной машины

Это позволяет сделать вывод, что температура нагнетания:

— зависит от вида холодильного агента, вида цикла холодильной машины;

— зависит от внешних условий (температуры охлаждающей среды);

— характеризует качество процесса в компрессоре (достаточность охлаждения, наличие перетечек в клапанах и перетечек в кольцах);

— характеризует процесс в конденсаторе (загрязнение теплообменной поверхности, наличие воздуха в холодильном агенте, неполадки вентилятора или насоса охлаждающей среды);

— характеризует (точка 1) процесс в испарителе и по длине всасывающего трубопровода недостаточное количество холодильного агента в испарителе, некачественная изоляция всасывающего трубопровода);

— характеризует процесс в объекте охлаждения (дополнительный теплоприток, например от внешней среды);

— отчасти характеризует величину открытия регулирующего вентиля.

Для оценки эффективности работы холодильной установки разработана модель, графически представленная на рис. 3.

Характеристики

окружающей

среды

Характеристики

объекта

охлаждения

V

Условия

эксплуатации

Характеристики холодильного агента

Расчетные Заданные

V

Характеристики цикла холодильной машины

Расчетные

Заданные

Нормативные

рекомендации

Проектные данные холодильной машины

Расчетные данные холодильной машины

Блок анализа № 1

Параметры по нормативной документации

V

Дополнительные

параметры

Блок анализа № 2

V

Измеренные параметры

Выработка

управляющего

воздействия

База

эксплуатационных

знаний

V 7 Обратные связи

Холодильная машина

Рис. 3. Модель анализа эффективности холодильной установки

Следует отметить, что расчетные блоки, характеризующие объект охлаждения, цикл холодильной машины, свойства холодильного агента, а также блок нормативных рекомендаций, в достаточной мере представлены в технической литературе. Недостающим элементом является блок «База эксплуатационных знаний». Опыт эксплуатации холодильных установок, выраженный в рекомендациях и указаниях для обслуживающего персонала, также представлен в нормативных документах. Недостающим звеном настоящей модели является идентификация эксплуатационных параметров с целью анализа эффективности эксплуатации холодильной установки и выработки управляющего воздействия, корректирующего ее работу.

Для идентификации эксплуатационных параметров холодильной установки была разработана модель, учитывающая оценку риска эксплуатации холодильных установок на основе квалиметрической модели [4, 5].

Модель представлена в виде «дерева» и служит основой для определения комплексного показателя эффективности - показателя высшего (нулевого) ранга. На основе такой модели были построены модели для идентификации эксплуатационных параметров холодильной установки.

На рис. 4 представлена одна из разработанных квалиметрических моделей - «Повышение расхода электроэнергии на привод компрессора», а соответствующее ей ранжирование эксплуатационных параметров представлено в таблице. Разработанное дерево целей служит основой для определения комплексного показателя эффективности - повышения расхода электроэнергии на привод компрессора, а ее корень является высшим (нулевым) рангом.

го

О

СО

а)

сц

А

1-й ранг

Г

2-й ранг

Г“

А1

3-й ранг

А А А А

А11 АІІІ

І9

А112

А121

А12 А122 і

А13 і

А132

4-й ранг

А1211

А1217

А1221 —  А1223 '

А1311

А1312

А1321 --  А1324 '

А211 А2111 —

А2 А21

А2113Г

Рис. 4. Квалиметрическая модель оценки риска «Повышение расхода электроэнергии на привод компрессора»

Аналогично проводится ранжирование по всем эксплуатационным параметрам холодильной установки с выделением (4-й ранг) первопричин изменения параметра 1-го ранга. Подобное ранжирование эксплуатационных параметров позволяет установить первопричину изменения анализируемого параметра. Это действие обычно выполняет обслуживающий персонал. С целью автоматизированного выявления причин изменения эксплуатационных параметров необходим комплекс дополнительного измерительного оборудования. Этот комплекс в модели, представленной на рис. 3, выделен как блок «Дополнительные параметры». Так, для выявления дефектов, определенных в таблице как «Дефекты насоса или вентилятора», необходима дополнительная установка датчика разности давления до и после нагнетателя (вентилятора или насоса); а для установления дефекта «Недостаточно эффективный теплообмен» необходимо установить датчик разности значений температуры (до и после теплообменной поверхности).

Ранжирование эксплуатационных параметров холодильной установки

Ранг 4 Ранг 3 Ранг 2 Ранг 1 Нулевой ранг

Естественные Повышение

условия температуры

Местный нагрев охлаждающей среды

Дефекты в подшипниках

Дефекты колеса или крыльчатки

Прикрыты или закрыты жалюзи Дефекты в насосе или вентиляторе

Прикрыт или закрыт вентиль

Загрязнение трубопровода

Загрязнение (засорение) Недостаточный расход

подающего воздуховода охлаждающей среды Повышение давления

Засорение фильтра воды конденсации

Неполадки в общей системе энергоснабжения Дефекты и, как следствие, Повышение

Неполадки в пусковых устройствах в энергоснабжении повышение температуры

Неполадки в линиях энергоснабжения вентилятора или насоса насоса или вентилятора нагнетания электроэнергии на привод компрессора

Загрязнение теплообменной поверхности со стороны охлаждающей среды Дефекты теплообменной поверхности

Загрязнение наружной теплообменной поверхности конденсатора Недостаточно эффективный теплообмен

Работа системы на вакуум

Подсос воздуха через фланцы Воздух в системе

Некачественное удаление воздуха из системы

Неполадки в работе воздухоотделителя

Выход из строя измерительного устройства Недостаточная Условное (расхождение

Несвоевременная поверка приборов контроля организация Неработоспособность контролирующей

Отсутствие контроля за приборами производства тельного значения) повышение давления конденсации

Отсутствие инструкции Недостаточность подготовки кадров

Недостаточная подготовка обслуживающего персонала

Заключение

Разработанная модель анализа эксплуатационных параметров холодильной установки

с учетом изменения внешних условий позволяет учитывать оценку риска эксплуатации холодиль-

ных установок на основе квалиметрической модели. Полученные модели позволят разработать систему поддержки принятия управленческих решений при эксплуатации холодильных установок.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Шуршев В. Ф., Абзалов А. В. Система идентификации предаварийных ситуаций на аммиачной холодильной установке // Прикаспийский журнал: управление и высокие технологии. - 2008. - № 1. - С. 56-59.

2. Шуршев В. Ф., Абзалов А. В. Идентификация предаварийных ситуаций на аммиачной холодильной установке // Датчики и системы. - 2009. - № 5. - С. 31-34.

3. Шуршев В. Ф., Бялецкая Е. М. Алгоритм экспертной оценки показателей контрольно-измерительной

системы жилого объекта // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Управление, вычислительная тех-

ника и информатика. - 2010. - № 2. - С. 117-121.

4. Методика оценки опасности аммиачной холодильной установки / И. Б. Жильцов, В. П. Гаврилкин и др. / Наука - производству. - 2001. - № 4 (42). - С. 50-52.

5. Оценка риска при эксплуатации аммиачных холодильных установок / И. Б. Жильцов, В. П. Гаврилкин и др. / Тез. докл. Межрегион. науч.-практ. конф. «Научные разработки ученых - решению социальноэкономических задач Астраханской области», 5-6 июня 2001 г., Астрахань. - Астрахань, 2001. - С. 302.

Статья поступила в редакцию 15.12.2011 ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ

Путилин Сергей Сергеевич - Астраханский государственный технический университет; аспирант кафедры «Холодильные машины»; hakish@yandex.ru.

Putilin Sergey Sergeevich - Astrakhan State Technical üniversity; Postgraduate Student of the Department «Refrigerating machines»; hakish@yandex.ru.

Шуршев Валерий Фёдорович - Астраханский государственный технический университет; д-р техн. наук, профессор; профессор кафедры «Информационные системы»; v.shurshev@mail.ru.

Shurshev Valeriy Fedorovich - Astrakhan State Technical üniversity; Doctor of Technical Science, Professor; Professor of the Department "Information Systems"; v.shurshev@mail.ru.