大型船舶冷媒水系統(tǒng)輔助決策技術(shù)應(yīng)用

(中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064)

現(xiàn)代大型船舶冷媒水船舶冷媒水系統(tǒng)一般為閉式循環(huán)的管路，采用供、回水總管的設(shè)計(jì),統(tǒng)一供給冷源[1]，由總管就近分出所需支管，向各用戶供冷。系統(tǒng)具有管網(wǎng)、設(shè)備多且分布廣的特點(diǎn)，依靠傳統(tǒng)的輔助系統(tǒng)管理方式需要花費(fèi)較多的人力資源，隨著船舶信息化、自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，這種落后的管理逐漸趨不能滿足現(xiàn)代船舶的發(fā)展要求[2]。由于大型船舶冷源需求是動(dòng)態(tài)變化的，特別是空調(diào)用戶的差異性很大，對(duì)冷源的準(zhǔn)確供應(yīng)帶來了挑戰(zhàn)，需要更加合理地調(diào)節(jié)冷媒水系統(tǒng)的運(yùn)行工況，及時(shí)應(yīng)對(duì)系統(tǒng)用戶的使用需求，實(shí)現(xiàn)資源統(tǒng)一調(diào)度[3]。針對(duì)上述問題，大型船舶逐步開始裝備應(yīng)用輔機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)冷媒水系統(tǒng)管網(wǎng)及主要設(shè)備的監(jiān)控。依托現(xiàn)代通信技術(shù)，針對(duì)冷水機(jī)組、管網(wǎng)隔離閥的狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障報(bào)警和遠(yuǎn)程控制功能較為容易實(shí)現(xiàn)，而冷媒水管網(wǎng)的冷量平衡供應(yīng)往往需要通過人工判斷和決策，動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力不足。決策過程缺乏計(jì)算機(jī)輔助和數(shù)據(jù)支撐，信息化程度不高。為此，對(duì)冷媒水管網(wǎng)的冷水機(jī)組加減機(jī)輔助決策技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用分析，實(shí)現(xiàn)大型船舶冷媒水系統(tǒng)管網(wǎng)的冷量計(jì)算，并根據(jù)系統(tǒng)的固有特性給出冷水機(jī)組加減機(jī)輔助決策建議。

1 輔助決策系統(tǒng)的構(gòu)建

大型船舶典型冷媒水系統(tǒng)管網(wǎng)形式見圖1。

圖1 典型冷媒水管網(wǎng)原理圖

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)冷水機(jī)組加減機(jī)輔助決策功能，需要采集冷媒水系統(tǒng)必要的運(yùn)行工況數(shù)據(jù)，作為系統(tǒng)的計(jì)算輸入，這些數(shù)據(jù)主要有：全船冷媒水各用戶支路的實(shí)時(shí)流量及供水溫度、回水溫度，全船各冷水機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)，如冷媒水出水溫度、冷媒水回水度、出水溫度下降速率、冷水機(jī)組累計(jì)運(yùn)行時(shí)間和運(yùn)行狀態(tài)、冷媒水泵運(yùn)行狀況、冷卻水泵運(yùn)行狀況等，冷水機(jī)組與管網(wǎng)閥件的邏輯聯(lián)動(dòng)關(guān)系。

上述系統(tǒng)運(yùn)行工況數(shù)據(jù)的獲取，需要在冷媒水系統(tǒng)各用戶支路增設(shè)流量傳感器、溫度傳感器，在系統(tǒng)總管設(shè)置遙控型管網(wǎng)隔斷閥，并搭建一套數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)或依托大型船舶的輔機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采集傳感器、閥門的數(shù)據(jù)。

考慮到冷水機(jī)組、管路傳感器、管網(wǎng)隔斷閥的布置一般較為分散，實(shí)施系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集時(shí)，可以由冷水機(jī)組自帶控制箱就近采集冷水機(jī)組出水溫度、回水溫度、機(jī)組運(yùn)行參數(shù)、冷卻水泵運(yùn)行參數(shù)、冷媒水泵運(yùn)行參數(shù)，由分布設(shè)置的數(shù)據(jù)采集設(shè)備采集管網(wǎng)溫度傳感器、流量傳感器及管網(wǎng)隔斷閥的數(shù)據(jù)。監(jiān)控計(jì)算機(jī)統(tǒng)一收集分析冷水機(jī)組控制箱、數(shù)據(jù)采集設(shè)備傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。典型的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構(gòu)成見圖2。

圖2 冷媒水系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構(gòu)成

監(jiān)控計(jì)算機(jī)運(yùn)行輔助決策軟件，分析冷媒水機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，綜合計(jì)算全船冷源的負(fù)荷狀況，比對(duì)當(dāng)前處于運(yùn)行狀態(tài)的冷水機(jī)組最大制冷能力，特別是回水溫度，利用合適的判據(jù)進(jìn)行冷水機(jī)組加機(jī)、減機(jī)需求計(jì)算，通過適當(dāng)?shù)乃惴Q策出需要啟動(dòng)或停止運(yùn)行的冷水機(jī)組，向用戶提供輔助決策建議。輔助決策流程見圖3。

圖3 冷媒水系統(tǒng)輔助決策流程

2 全船冷源負(fù)荷計(jì)算

當(dāng)冷媒水系統(tǒng)管網(wǎng)隔離閥打開，全船冷媒水管網(wǎng)合并運(yùn)行時(shí)，需計(jì)算全船所有用戶支路的冷源能量負(fù)荷；當(dāng)冷媒水系統(tǒng)管網(wǎng)隔離閥關(guān)閉，全船冷媒水管網(wǎng)分區(qū)獨(dú)立運(yùn)行時(shí)，需計(jì)算該分區(qū)所有用戶支路的冷源能量負(fù)荷，并按分區(qū)提供輔助決策建議。

全船或分區(qū)的冷源能量負(fù)荷計(jì)算公式如下。

(1)

式中：Qc為全船或分區(qū)內(nèi)當(dāng)前冷媒水系統(tǒng)冷源能量負(fù)荷，該值為動(dòng)態(tài)變量，隨冷源用戶的變化而變化；C1為計(jì)算系數(shù)，含單位換算系數(shù)；N為全船或分區(qū)內(nèi)冷媒水系統(tǒng)用戶支路數(shù)量；qk為全船或分區(qū)內(nèi)冷媒水系統(tǒng)用戶支路的流量；to(k)為全船或分區(qū)內(nèi)冷媒水系統(tǒng)用戶支路供水溫度；ti(k)為全船或分區(qū)內(nèi)冷媒水系統(tǒng)用戶支路回水溫度。

3 冷水機(jī)組加機(jī)輔助決策

3.1 系統(tǒng)加機(jī)需求判斷

1)將計(jì)算得到的系統(tǒng)當(dāng)前負(fù)荷Qc和冷水機(jī)組額定總制冷量進(jìn)行比對(duì)，Qc應(yīng)高于運(yùn)行冷水機(jī)組當(dāng)前工況最大制冷能力的一定比例，判據(jù)如下。

(2)

式中：C2為常數(shù)，一般取值0.9～1.0；M為全船或分區(qū)內(nèi)當(dāng)前正處于正常工況狀態(tài)的冷水機(jī)組的數(shù)量，若為0時(shí)，則直接建議冷水機(jī)組加機(jī)1臺(tái)；Qr(k)為單臺(tái)冷水機(jī)組的額定制冷量。

2)當(dāng)前所有處于運(yùn)行中的冷水機(jī)組冷媒水出水溫度均高于X1(X1值一般為5 ℃～10 ℃)。

3)當(dāng)前所有處于運(yùn)行中的冷水機(jī)組出水溫度下降速率小于Y(Y值一般不大于1 ℃/min)。

在滿足以上三項(xiàng)條件后，可視為冷媒水系統(tǒng)冷源供應(yīng)不足，有增加冷水機(jī)組投入運(yùn)行的需求。

3.2 冷水機(jī)組加機(jī)策略

1)每次決策只給加機(jī)1臺(tái)的建議。

2)每次決策時(shí)從未開機(jī)的冷水機(jī)組中選擇累積運(yùn)行時(shí)間最短的冷水機(jī)組(還可以優(yōu)先啟動(dòng)位于管網(wǎng)中部的冷水機(jī)組，有利于兼顧艏艉區(qū)域用戶)，以圖文形式給出啟動(dòng)運(yùn)行該冷水機(jī)組的輔助決策建議。

3)根據(jù)冷媒水系統(tǒng)的配置情況，聯(lián)動(dòng)建議打開或關(guān)閉對(duì)應(yīng)的管路附件，如工況調(diào)節(jié)閥等。

4)每次執(zhí)行完成加機(jī)操作后，應(yīng)至少間隔30 min才允許進(jìn)行下一次決策，且該時(shí)間間隔應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的水力特性確定，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)予以標(biāo)定。

決策出建議啟動(dòng)的冷水機(jī)組后，向用戶發(fā)出提示，并引導(dǎo)用戶進(jìn)行操作。

4 冷水機(jī)組減機(jī)輔助決策

4.1 系統(tǒng)減機(jī)需求判斷

1)當(dāng)前運(yùn)行的冷水機(jī)組多于1臺(tái)。

2)將計(jì)算得到的系統(tǒng)當(dāng)前負(fù)荷Qc和冷水機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)額定制冷量進(jìn)行比對(duì)，Qc應(yīng)低于減機(jī)后系統(tǒng)最大制冷能力的一定比例，判據(jù)如下。

(3)

式中：M為全船或分區(qū)內(nèi)當(dāng)前正常工況狀態(tài)的冷水機(jī)組的數(shù)量，應(yīng)大于1,當(dāng)M=1時(shí)，若式(3)成立，建議關(guān)閉當(dāng)前運(yùn)行的冷水機(jī)組，直接用系統(tǒng)中的海水-淡水換熱器(若有時(shí))進(jìn)行冷源供應(yīng)。

3)當(dāng)前所有處于運(yùn)行中的冷水機(jī)組冷媒水出水溫度均高于X2(X1值一般為5 ℃～10 ℃，且X2

在滿足以上三項(xiàng)條件后，認(rèn)為冷媒水系統(tǒng)冷源供應(yīng)有富余，有減少冷水機(jī)組運(yùn)行的需求，可以減至少1臺(tái)冷水機(jī)組運(yùn)行。

4.2 冷水機(jī)組減機(jī)策略

1)每次決策只給減機(jī)1臺(tái)的建議。

2)每次決策時(shí)從已開機(jī)的冷水機(jī)組中選擇累積運(yùn)行時(shí)間最長(zhǎng)的冷水機(jī)組(還可以優(yōu)先關(guān)閉位于管網(wǎng)艏艉部的冷水機(jī)組，保留舯部的冷水機(jī)組)，以圖文形式給出停止運(yùn)行該冷水機(jī)組的輔助決策建議。

3)根據(jù)冷媒水系統(tǒng)的配置情況，聯(lián)動(dòng)建議打開或關(guān)閉對(duì)應(yīng)的管路附件，如工況調(diào)節(jié)閥等。

4)每次執(zhí)行完成減機(jī)操作后，應(yīng)至少間隔30 min才進(jìn)行下一次決策，根據(jù)系統(tǒng)的水力特性確定該時(shí)間間隔，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)予以標(biāo)定。

決策出建議啟動(dòng)的冷水機(jī)組后，向用戶發(fā)出提示，并引導(dǎo)用戶進(jìn)行操作。

5 冷媒水管網(wǎng)合并與分區(qū)原則

1)根據(jù)船舶本身使命任務(wù)確定冷媒水管網(wǎng)的合并或分區(qū)，如夏季冷卻需求最大，可以將管網(wǎng)合并運(yùn)行，輪流使用冷水機(jī)組向全船供冷；冬季空調(diào)冷卻需求小，特種設(shè)備換熱需求大，可以分區(qū)運(yùn)行。

2)為了節(jié)約全船冷量資源，實(shí)現(xiàn)冷源的合理供應(yīng)，可在平時(shí)打開隔斷閥使全船管網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行[4]，使用數(shù)量較少的冷水機(jī)組供應(yīng)全船用戶。

3)在某些特定工況下，需要專用保障時(shí)，或需要長(zhǎng)期穩(wěn)定供應(yīng)冷源、避免其他用戶對(duì)特殊用戶的影響，可關(guān)閉隔離閥將管網(wǎng)分區(qū)運(yùn)行，開啟分區(qū)內(nèi)的單臺(tái)或多臺(tái)冷水機(jī)組供應(yīng)特殊用戶。

4)局部管路破損時(shí)，應(yīng)當(dāng)分區(qū)運(yùn)行，減少破損處對(duì)全船冷媒水系統(tǒng)的影響。

當(dāng)冷媒水管網(wǎng)分區(qū)運(yùn)行時(shí)，由于分區(qū)內(nèi)冷水機(jī)組數(shù)量一般很少，一般只有1或2臺(tái)，進(jìn)行冷水機(jī)組加減機(jī)輔助決策的實(shí)際意義已經(jīng)不大。因此，冷媒水系統(tǒng)輔助決策技術(shù)僅對(duì)配置有多臺(tái)(建議3臺(tái)以上)冷水機(jī)組的大型船舶有較好的應(yīng)用價(jià)值。

6 冷媒水系統(tǒng)輔助決策軟件開發(fā)

結(jié)合圖1表達(dá)的輔助決策流程，進(jìn)行輔助決策軟件設(shè)計(jì)。某大型船舶的冷媒水輔助決策軟件基于冷媒水系統(tǒng)監(jiān)控軟件，采用面向?qū)ο缶幊陶Z言VB進(jìn)行開發(fā)，與冷水機(jī)組控制箱、數(shù)據(jù)采集設(shè)備(用于采集管網(wǎng)支路溫度、流量參數(shù))之間采用Modbus TCP通信協(xié)議。軟件將所有采集到的參數(shù)均以測(cè)點(diǎn)ID(如61110010)的方式表達(dá)。

輔助決策功能集成在冷媒水管網(wǎng)監(jiān)控頁面，見圖4，設(shè)“決策查詢”功能按鈕，用于手動(dòng)啟動(dòng)輔助決策程序，程序代碼以腳本形式在后臺(tái)運(yùn)行。

圖4 冷媒水系統(tǒng)監(jiān)控與決策軟件界面

軟件運(yùn)行流程見圖5。

圖5 輔助決策軟件流程

啟動(dòng)輔助決策軟件的程序算法表述如下。

1)運(yùn)行輔助決策程序時(shí)，先比對(duì)軟件當(dāng)前時(shí)間與冷媒水系統(tǒng)中最后一臺(tái)冷水機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)(啟動(dòng)或停止)變更的時(shí)間間隔，若大于30 min，則開始本次輔助決策運(yùn)算;若不大于30 min，則提示等待系統(tǒng)達(dá)到平衡。

2)進(jìn)入輔助決策運(yùn)算，采用遍歷法計(jì)算所有當(dāng)前處于運(yùn)行狀態(tài)的冷水機(jī)組的額定總制冷量，利用式(1)計(jì)算當(dāng)前冷媒水管網(wǎng)所有支路的冷量負(fù)載，利用加機(jī)需求判斷的3個(gè)判據(jù)檢查加機(jī)條件是否滿足，若滿足則進(jìn)入加機(jī)決策，進(jìn)入第3)步；若不滿足，則進(jìn)入減機(jī)條件判斷，轉(zhuǎn)第4)。軟件相應(yīng)設(shè)置若干標(biāo)志位。

3)若進(jìn)入加機(jī)決策，利用查詢最小值算法找出當(dāng)前處于停機(jī)狀態(tài)的冷水機(jī)組中找出累計(jì)運(yùn)行時(shí)間最短的機(jī)組，在人機(jī)交互界面給出建議啟動(dòng)該機(jī)組的信息，并提示相應(yīng)閥件的聯(lián)動(dòng)關(guān)系。

4)若無加機(jī)需求，則利用冷水機(jī)組減機(jī)需求判斷的3個(gè)判據(jù)檢查減機(jī)條件是否滿足。若不滿足，則本次輔助決策結(jié)束，給出提示“建議保持系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)”；若滿足，則利用查詢最大值算法找出當(dāng)前處于停機(jī)狀態(tài)的冷水機(jī)組中找出累計(jì)運(yùn)行時(shí)間最長(zhǎng)的機(jī)組，在人機(jī)交互界面給出建議保留運(yùn)行的機(jī)組信息，并提示相應(yīng)閥件的聯(lián)動(dòng)關(guān)系。

7 結(jié)論

通過輔助決策技術(shù)的實(shí)施，可以進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行工況，更加合理地搭配使用，將設(shè)計(jì)思想貫穿到系統(tǒng)使用過程中，驗(yàn)證冷媒水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，為優(yōu)化改進(jìn)提供反饋，統(tǒng)一調(diào)度冷媒水資源。關(guān)于冷媒水管網(wǎng)的合并與分區(qū)輔助決策技術(shù)，需要進(jìn)一步研究算法，通過數(shù)據(jù)計(jì)算給出分區(qū)或合并決策建議。