SIMULAATIO · R744 · SÄÄTÖLOGIIKKA

HPV ja varaajapaineen säätö

Miten kaasunjäähdyttimen paine, HP-venttiili, varaaja, flashgas-venttiili ja rinnakkaiskompressori vaikuttavat toisiinsa.

HP-venttiilin säätölogiikan ydin

Transkriittisessä CO₂-laitteessa korkeapaine pitää valita – lämpötila ei yksin määrää sitä.

Kriittisen pisteen yläpuolella CO₂ ei lauhdu kaasunjäähdyttimessä samalla tavalla kuin tavallisessa lauhduttimessa. Siksi esimerkiksi 35 °C kaasunjäähdyttimen ulostulossa ei kerro suoraan, mikä paine pitäisi olla. Samalla Tgc-lämpötilalla järjestelmä voisi toimia usealla eri korkeapaineella.

RefrigSim muodostaa korkeapaineelle tavoitteen eri tavalla käyttöalueesta riippuen. Subkriittisellä alueella tavoite perustuu lauhtumispaineeseen ja asetettuun alijäähdytykseen. Lähellä kriittistä pistettä opetusmalli vaihtaa tavoitetta pehmeästi, ja transkriittisellä alueella CoolProp-laskenta etsii sen korkeapaineen, jolla tämän järjestelmämallin COP on paras. HP-venttiilin tehtävä on viedä mitattu Pgc kohti tätä tavoitetta.

1. Mittaa Tgckaasunjäähdyttimen ulostulolämpötila

2. Hae tavoiteCoolProp-käyrältä paras Pgc

3. Vertaatavoite − mitattu = säätövirhe

4. Ohjaa HPV:täavaa, pitää tai kuristaa

Säätövirhe ei tarkoita vikaa. Se on vain ero tavoitteen ja mittauksen välillä. Esim. tavoite 90 bar − mitattu 95 bar = −5 bar → paine on 5 bar liian korkea → HPV avaa enemmän. Jos tulos olisi +5 bar, paine olisi liian matala → HPV kuristaisi.

Putkikaavio ja aktiivinen säädin–

Säätimen tämänhetkinen tulkinta

TRANSKRIITTINEN

RefrigSim-perustavoite–Tgc:n mukaan

Receiver-korjaus–varaajapaineen vaikutus

HPV lopullinen tavoite–

HPV painevirhe–

HPV ohjaussignaali–

Receiver-säädin–

03 · Kokeile häiriötä

Korkeapaineen tavoitekäyräTgc → korkeapaineen tavoite · parametripisteet näkyvissä

Miksi juuri tämä korkeapaine? COP muuttuu, kun Pgc muuttuu vaikka Tgc pysyy samana.

Nykyinen COP – Paras COP – Optimi Pgc –

COP-kartta ladataan…

RefrigSim-tavoitekäyrä

Miksi tavoitekäyrässä on kolme aluetta?

Sininen käyrä on säätimen korkeapainetavoite, ei CO₂:n faasiraja. Se kertoo tavoiteltavan Pgc-paineen kullakin Tgc-arvolla.

SUBKRIITTINEN SÄÄTÖ · Tgc ≤ 20 °CCO₂ lauhtuu. Tavoite seuraa lauhtumispainetta ja asetettua alijäähdytystä.

SIIRTYMÄSÄÄTÖ · 20…31 °COpetusmalli vaihtaa tavoitteen pehmeästi lauhtumiseen perustuvasta säädöstä transkriittiseen COP-optimiin. Rajat ovat säätöstrategian rajoja, eivät faasirajoja.

TRANSKRIITTINEN SÄÄTÖ · noin 31 °C →Normaalia lauhtumista ei enää ole. RefrigSim etsii CoolPropilla korkeapaineen, jolla tämän järjestelmämallin COP on paras.

Log p-h: HPV:n tavoitepiste liikkuu säätökäyrälläSäädä Tgc-, Pgc- ja varaajapainetta vasemmalta

Miten tavoitepistettä luetaan log p-h:ssa?

Sininen pallo on tavoitepiste – ei mitattu toimintapiste. Siksi sen kuuluu pysyä sinisellä tavoiteuralla. Tgc:n muutos siirtää palloa uraa pitkin, ei satunnaisesti sen vasemmalle tai oikealle puolelle.

← Pallo liikkuu vasemmalle uraa pitkinTgc ja kaasunjäähdyttimen ulostulon entalpia pienenevät. Järjestelmä siirtyy kohti subkriittistä käyttöä: CO₂ lauhtuu, ulostulo on nestettä/alijäähtynyttä nestettä ja tarvittava korkeapainetavoite yleensä laskee.

Pallo liikkuu oikealle uraa pitkin →Tgc ja ulostulon entalpia kasvavat. Järjestelmä siirtyy kohti transkriittistä käyttöä, jossa lauhtumista ei enää tapahdu normaalisti ja optimaalinen korkeapainetavoite nousee.

Entä jos mittaus ei ole tavoitteessa? Mitattua Pgc:tä ei esitetä tällä pallolla vaan tummalla vaakaviivalla. Jos mitattu Pgc on tavoiteviivaa ylempänä, paine on liian korkea → HPV avaa enemmän. Jos se on alempana, paine on liian matala → HPV kuristaa. Näin mittaus ajetaan takaisin kohti vihreää korjattua tavoitetta.

Näin säädin ajattelee

Mittaus → tavoite → säätövirhe → toiminta

Arvot päivittyvät liukusäätimien mukana

1. TgcMikä on kaasunjäähdyttimen ulostulolämpötila?

2. TavoiteMikä korkeapaine olisi tähän tilanteeseen sopiva?

3. VaraajakorjausTarvitseeko varaajapaine huomioida?

4. MittausPaljonko Pgc oikeasti on?

5. SäätövirheTavoite − mitattu: kumpaan suuntaan pitää korjata?

6. VenttiiliHPV avaa, pitää tai kuristaa.

Mitä juuri nyt tapahtuu?

Kaksi eri säätöä – älä sekoita niitä: HPV säätää kaasunjäähdyttimen korkeapainetta Pgc. FGBV säätää varaajapainetta Prec.

HP-venttiili (HPV): miten se päättää mitä tehdä?

1. RefrigSim hakee Tgc:n perusteella tavoitepaineen siniseltä käyrältä.

2. Tavoitetta verrataan mitattuun Pgc-paineeseen.

3. Erotus on säätövirhe. Negatiivinen virhe = paine liian korkea → HPV avaa. Positiivinen virhe = paine liian matala → HPV kuristaa.

4. Oikeassa säätimessä PI/PID muuttaa virheen venttiilin ohjaussignaaliksi vähitellen, jotta paine ei heilu edestakaisin.

Flashgas-venttiili (FGBV): mikä on tavoite ja miten ohjaus syntyy?

Tavoite eli säätimen “tahtotila” on varaajapaineen asetusarvo Prec,target. Esimerkiksi 35 bar. Säädin mittaa todellisen varaajapaineen Prec,actual ja vertaa sitä tavoitteeseen.

Säätövirhe: eREC = Prec,target − Prec,actual. Jos varaajapaine on liian korkea, eREC on negatiivinen → FGBV:tä pitää avata enemmän → flashgasia poistuu MT-imupuolelle → varaajapaine laskee. Jos paine on liian matala, venttiiliä suljetaan.

Mistä tämän sivun 9 %-yks./bar tulee? Se ei ole CO₂:n ominaisuus eikä yleinen tehdasasetus. Se on RefrigSimin havainnollinen suhteellinen vahvistus, jolla 1 barin painevirhe näkyy selvästi venttiilin ohjaussignaalissa. Tässä opetusmallissa 0 bar virhe vastaa 50 % ohjausta ja jokainen 1 bar muuttaa ohjausta noin 9 prosenttiyksikköä. Ohjaus rajataan 5…95 %:iin.

Oikeassa säätimessä asetetaan yleensä varaajapaineen tavoite sekä PI/PID-säädön parametreja, kuten vahvistus/proportional band, integraaliaika ja ulostulorajat. Säädin ei tavallisesti käytä juuri tätä 9 %/bar -kaavaa, vaan rakentaa ohjauksen säätövirheestä ajan mukana. Tässä sivussa kaava on tarkoituksella yksinkertaistettu, jotta syy–seuraus näkyy heti.

FGBV-laskenta päivittyy tähän.

Pinch point: miksi se rajoittaa ja mitä tiedolla tehdään?

Pinch point on kaasunjäähdyttimen kohta, jossa CO₂:n ja jäähdyttävän ilman tai veden välinen lämpötilaero ΔT on pienimmillään.

Lämmönsiirto tarvitsee lämpötilaeron “ajavaksi voimaksi”. Kun ΔT pienenee hyvin pieneksi, sama lämmönsiirtoteho vaatii yhä enemmän lämmönsiirtopinta-alaa. Täsmälleen 0 K lähestyminen ei ole käytännössä mahdollinen äärellisellä lämmönsiirtimellä. Siksi pinch point voi rajoittaa sitä, kuinka alas Tgc voidaan todellisuudessa saada.

Onko pieni pinch point huono? Ei automaattisesti. Pieni mutta turvallisen positiivinen ΔT tarkoittaa usein, että lämmönsiirrin käytetään tehokkaasti. Liian pieni arvo tekee kuitenkin järjestelmästä herkemmän olosuhteille ja vaatii suuren lämmönsiirtimen.

Mitä tällä tiedolla tehdään? Pinch point tarkistetaan lämmönsiirtimen mitoituksessa ja käyttötilanteen arvioinnissa. Se kertoo, onko laskettu Tgc ja korkeapaine oikeasti saavutettavissa käytettävällä kaasunjäähdyttimellä. Jos pinch käy liian pieneksi, ratkaisu ei ole “säätää pinch pois” venttiilillä, vaan tarkastella esimerkiksi ilmavirtaa/vesivirtaa, lämmönsiirtopintaa, Tgc-tavoitetta ja korkeapaineen käyttökohtaa.

Tässä RefrigSim-sivussa pinch point on vielä selittävä käsite, ei dynaamisesti laskettu rajoitus.

Termit: Tgc = kaasunjäähdyttimen ulostulolämpötila Pgc = mitattu korkeapaine Popt = laskettu tavoitepaine Prec = varaajapaine säätövirhe = tavoite − mitattu HPV = korkeapaineventtiili FGBV = flashgas-venttiili