Algorithm for Estimation of Ship Refrigeration Unit Energy Efficiency Using Full Order Observers

Abstract

The article considers the construction of an algorithm for estimation the energy efficiency of a ship refrigeration unit using the minimum required number of sensors. It is established that the existing methods for diagnosing and monitoring the technical condition of ship refrigeration units are imperfect due to the presence of a large number of sensors and the necessity to suspend the unit. The choice of the refrigeration coefficient as an indicator of energy efficiency is justified. A method that allows determining the refrigeration coefficient in real time without the necessity to stop the operation of the ship's refrigeration unit and use pressure sensors is proposed. For this, the method supposes the calculation of the specific cooling capacity and compressor compression work, the mechanical power on the shaft and the mass flow rate of the refrigerant. The algorithm for determining the cooling capacity and compression work using only four temperature sensors is considered. This algorithm supposes the determination of enthalpies at characteristic points of the refrigeration cycle using the equations of the refrigerant state. A method for evaluating the mechanical power on the compressor shaft using full order adaptive state observers is proposed. A decision of using the electromagnetic torque of the compressor motor as a measured quantity is substantiated. A state observer is synthesized using a modal method based on a linearized model of the electric motor. An expression for calculating the geometric mean root and elements of the observer matrix is proposed. The resulting observer structure allows constructing it on the basis of a complete mathematical model of the electric motor and evaluating not only the speed, but also the load torque on the compressor shaft. In the environment of Matlab / Simulink, a simulation model of the compressor motor state observer is built. The obtained simulation results confirm the efficiency of the proposed method. An algorithm for determining the electromechanical parameters of a compressor for a given period of time using three voltage and current sensors is considered. A general algorithm for estimation energy efficiency, which can be the basis for creating a system for diagnosing and monitoring the technical condition of a ship refrigeration unit, is constructed

Стаття розглядає побудування алгоритму оцінки енергетичної ефективності суднової холодильної установки з використанням мінімально необхідної кількості датчиків. Визначено, що існуючі методи діагностики та контролю технічного стану суднових холодильних установок недосконалі через наявність великої кількості датчиків та необхідність припиняти роботу установки. Обґрунтований вибір холодильного коефіцієнту в якості показника енергетичної ефективності. Запропонована методика, яка дозволяє визначати холодильний коефіцієнт в реальному часі без необхідності зупинки роботи суднової холодильної установки та встановлення датчиків тиску. Для цього методика передбачає обчислення питомої холодопродуктивності та роботи стискування компресора, механічної потужності на валу та масової витрати холодильного агента. Розглянутий алгоритм визначення холодопродуктивності та роботи стискування із застосуванням лише чотирьох датчиків температури. Даний алгоритм передбачає визначення ентальпій в характерних точках холодильного циклу з використанням рівнянь стану холодильного агента. Запропонована методика оцінки механічної потужності на валу компресора за допомогою адаптивних спостерігачів стану повного порядку. Обґрунтовано рішення в якості вимірюваної величини використати електромагнітний момент приводного електродвигуна компресора. Синтезований спостерігач стану із застосуванням модального методу на основі лінеаризованої моделі електродвигуна. Запропонований вираз для обчислення середньогеометричного кореня та елементів матриці спостерігача. Отримана структура спостерігача дозволяє будувати його на основі повної математичної моделі електродвигуна та здійснювати оцінку не тільки частоти обертання, а й моменту навантаження на валу компресора. В середовищі Matlab/Simulink побудована імітаційна модель спостерігача стану електродвигуна компресора. Отримані результати моделювання підтверджують працездатність запропонованої методики. Розглянутий алгоритм визначення електромеханічних параметрів компресора за заданий проміжок часу з використанням трьох датчиків напруги та струму. Побудований загальний алгоритм оцінки енергетичної ефективності, який може бути основою для створення системи діагностики та контролю технічного стану суднової холодильної установки.

Статья рассматривает построение алгоритма оценки энергетической эффективности судовой холодильной установки с использованием минимально необходимого количества датчиков. Установлено, что существующие методы диагностики и контроля технического состояния судовых холодильных установок несовершенны из-за наличия большого количества датчиков и необходимости приостанавливать работу установки. Обоснован выбор холодильного коэффициента в качестве показателя энергетической эффективности. Предложена методика, позволяющая определять холодильный коэффициент в реальном времени без необходимости остановки работы судовой холодильной установки и использования датчиков давления. Для этого методика предполагает вычисление удельной холодопроизводительности и работы сжатия компрессора, механической мощности на валу и массового расхода холодильного агента. Рассмотрен алгоритм определения холодопроизводительности и работы сжатия с применением только четырех датчиков температуры. Данный алгоритм предполагает определение энтальпий в характерных точках холодильного цикла с использованием уравнений состояния холодильного агента. Предложена методика оценки механической мощности на валу компрессора с помощью адаптивных наблюдателей состояния полного порядка. Обоснованно решение в качестве измеряемой величины использовать электромагнитный момент приводного электродвигателя компрессора. Синтезирован наблюдатель состояния с применением модального метода на основе линеаризованной модели электродвигателя. Предложено выражение для вычисления среднегеометрического корня и элементов матрицы наблюдателя. Полученная структура наблюдателя позволяет строить его на основе полной математической модели электродвигателя и осуществлять оценку не только частоты вращения, но и момента нагрузки на валу компрессора. В среде Matlab / Simulink построена имитационная модель наблюдателя состояния электродвигателя компрессора. Полученные результаты моделирования подтверждают работоспособность предложенной методики. Рассмотрен алгоритм определения электромеханических параметров компрессора за заданный промежуток времени с использованием трех датчиков напряжения и тока. Построен общий алгоритм оценки энергетической эффективности, который может быть основой для создания системы диагностики и контроля технического состояния судовой холодильной установки.