基于进化策略的艇用冷水机组群控优化节能技术

基于进化策略的艇用冷水机组群控优化节能技术
张怀亮
【摘要】冷却系统在常规潜艇水下航行期间能耗占比比较大,其主要原因是冷水机组的出力分配不合适及冷冻水泵存在大马拉小车的现象.综合考虑变频冷冻水泵变流量控制的节能效果,以冷却系统整体性能指数为优化目标,采用了改进快速退火算法对冷水机组在不同工况下的出力进行优化分配,解决了常规方法易陷入局域最优或不收敛的问题.通过算例分析佐证了所研究内容的有效性,验证了技术的节能效果.%The energy consumption of cooling system of a submarine accounted for relatively large of total energy consumption on duty,and the main reasons are improper generation arrangement and over-sized system design.This study considered the energy-saving effect by the vary-frequency water pump system,and set the system coefficient of performance as the optimization objective.Applying the enhanced fast simulated annealing algorithm for optimizing the generation arrangement under different duty conditions and the effectiveness of this study has been proven by the following case study.
【期刊名称】《电机与控制应用》
【年(卷),期】2017(044)001
【总页数】6页(P65-70)
【关键词】改进退火算法;冷却系统优化;冷冻水泵;变频节能
【作者】张怀亮
【作者单位】海军装备部装备采购中心,北京100071
【正文语种】中文
【中图分类】TM301.2
常规潜艇有限的能量供给和潜艇作战需求之间的矛盾仍是制约常规潜艇发展的主要矛盾[1]。

随着对常规潜艇战役战术性能要求的提高，如何在有限能量供给的情况下，提升水下续航能力和降低出航暴露率已然成为关键研究课题。

常用的斯特林/AIP技术通过间接燃烧的形式驱动发电机发电，并未完全实现真正意义上的零耗氧，因此液氧的储量是限制常规潜艇水下续航力的短板[2]。

受限于艇内狭小空间的约束，通过增加液氧罐这种“开源”的方式延长水下续航里程并不可行，所以对艇上用电负载进行有效的优化节能控制具有重要意义。

作为常规潜艇最常见的集中冷却形式，间冷式氟利昂冷水机组分别与海水及淡水进行热交换来降低舱内温度[4]。

但由于舱室内的冷负荷波动很大，单台冷水机组的配置(机组按最大冷负荷选型)在系统负荷偏离设计值过大(低制冷工况)时，冷却系统处于低效率运行。

因此，针对高负荷工况、低负荷工况进行双冷水机组配置，使得系统在大部分工况下都具有较高运行效率是未来常规潜艇冷却系统的发展方向。

以往的多机组控制策略多采用以冷负荷来控制冷水机组的起停，一般负荷需求接近一台机组满功率冷量输出时才考虑加载新的机组。

但是单台冷水机组的最佳性能指数一般不出现在满负荷时，因此存在着多机组分摊负荷需求较单机组独立承担更省电的节能空间[5]。

Hankner[6]在1984年提出采用等平均的方法控制冷水机组的出力，即单台冷水机组出力等于总的冷负荷需求乘以负荷率，负荷率是指每台冷水机组的容量与各台容量总和的商，该控制策略简单易行，但不能达到能效最优。

2004年，Yao[7]综合考虑了冷冻水泵的变频节能运行，提出以系统性能指数值最大化为控制目标，从而得出冷水机组的最优控制策略，但是该策略决策过程复杂，
采用的二次规划方法在低负荷工况下不易收敛。

2008年，杨通清[5]等通过多机组加载试验，探索了多台冷水机组在不同需求工况下基于单机最佳性能指数最优的加载点，但是并未明确表述冷却系统是否达到整体用能最优。

基于以上文献回顾，目前多机组群控优化节能技术的难点在于：(1) 冷水机组性能指数随着运行年限发生变化，需持续更新部分负荷下的性能指数才能准确地进行功率优化分配。

(2) 冷却系统的能耗不仅包括冷水机组制冷用电，也包括输送冷冻水的传输能量损耗。

在优化控制决策中应考虑水泵变频运行对系统功耗的综合影响。

(3) 在优化决策时，由于目标方程同时涵盖了多个不同的用能系统，也有不同的条件约束，因此求解最优功率分配时易陷入局部最优或迭代过程收敛慢或者不收敛的情况。

(4) 由于冷负荷的变化具有波动性，应避免在负荷不稳定的情况下系统频繁加载、卸载机组。

本文针对上述四点，提出了基于改进快速模拟退火算法的冷水机组群控优化节能策略，旨在通过冷水机组功率的优化分配，降低冷却系统整体能耗，提升系统运行效率。

潜艇冷却系统通过低温海水热交换替代了民用系统中的一次冷却环节，本文中的变流量冷却系统针对艇上的淡水(蒸馏水)冷却环节，与民用冷冻水冷却环节类似。

变流量系统由变频冷冻水泵、冷水机组、集水器、分水器及管网组成，如图1所示。

集水器汇流各终端冷却系统的升温回水，通过一次泵组输送至各冷水机组，如图2所示。

在蒸发器内低温低压的氟利昂液体与淡水进行热交换，将淡水温度降到5°～8°，氟利昂液体吸收热量后，变成低温低压的氟利昂气体，被压缩机压缩形成高温高压的氟利昂气体。

氟利昂气体进入冷凝器后其热量被经过冷凝器的冷却海水带走而凝结成高压的氟利昂液体，然后经干燥过滤器流入膨胀阀节流成为低温低压的氟利昂液体进入蒸发器，降温后的淡水经过分水器最终输送至各总段冷却设备，如此循环达到制冷目的。

为了实现系统整体能效最优的目标，首先建立初始目标方程如下：
Qchiller，i——第i台冷水机组的制冷功率；
Pchiller，i——第i台冷水机组的用电功率；
Ppump，i——第i台冷冻水泵的用电功率。

一般情况下，冷水机组与冷冻水泵一一对应配置，所以n1=n2。

若将冷水机组的制冷功率用单台性能指标COPi替代，则式(1)可变换为
在某一制冷工况下，冷负荷Q确定，变流量系统的供回水温差恒定，则冷冻水流量由式(3)决定：
Q——冷负荷；
C——冷冻水比热容；
ΔT——供回水温差。

根据水泵的相似性定律，水泵的用电功率可由式(4)求得
P0——额定功率。

将式(4)代入式(2)后，目标方程可变换为
从式(5)可以推论，系统的性能指数SCOP与各冷水机组的负荷分配及在该负荷分配下的单台性能指数COP有关。

由于冷水机组性能指数COP随着运行年限发生变化，因此在进行系统整体性能优化之前，需对单台冷水机组的性能指数进行自适应计算。

部分负荷率R是单台冷水机组的性能指数COP关键关联因素[8]，机组COP与其部分负荷率R的关系可表达为
由于COP是一个时变的参数，所以线性系数a，b，c并非固定不变，其自适应更新可采用以下方法：
上述方法可实时通过部分负荷率R获取系统运行中机组的COP值，从而可以更好地更新目标方程中的单机COP-R关系，若R矩阵不可逆，则可采用最小二乘递归法获取COP-R关系式。

在优化过程中，目标方程受以下条件约束。

根据前文定义，通过最小化式(5)可使系统在满足冷量需求的前提下实现最大的节
能效果。

为了避免在低负荷率下优化过程陷入不易收敛的情境，本文采用改进快速模拟退火算法对式(5)进行最小化求解。

模拟退火算法(Simulated Annealing， SA)作为一种随机优化进化策略，通过以
一定概率接受不优解突破常规随机搜索算法易陷入局域最优的困境。

为了保证SA 的寻优能力，必须满足足够高的初始温度、缓慢的退火速度、大量的迭代次数以及同一温度下足够的扰动次数，因此SA的优化效率一直是阻碍其实践应用的最大问题[9]。

1989年，Ingber针对这一问题提出了快速模拟退火算法，在模型扰动、
接受概率及其退火进程上进行了实用性改进，实现了在限定时间内优化过程，然而其快速优化的特点并没有很好地在实际应用中得到验证。

2006年，陈华根[10]等
在对快速模拟退火算法机理研究的基础上，针对其两大核心技术-退火方式及模型
扰动性上进行优化改进。

改进后的快速模拟退火算法可分为快速全局退火寻优与缓速局域退火寻优两个过程，如图3所示。

过程一，采用较高的初始温度，扰动模型作全局快速寻优，具体步骤如下。

步骤一：依据随机全局扰动方程，生成新的随机解。

r——0与1间的随机数，服从均匀分布；
x——新生成的随机解。

步骤二：将新生成的随机解代入能量方程，若能量值下降则新解被接受作为当前状态下的最优解；若能量上升则依据Boltzmann-Gibbs分布接受概率及Metropolis准则判定是否接受新解作为当前状态下的最优解。

步骤三：若新解被拒绝，则返回步骤一。

步骤四：若新解被接受，则根据退火计划式(14)更新当前温度。

α——温度衰减系数；
j——迭代次数。

过程二，采用较低的初始温度，扰动模型作局部缓速寻优，具体步骤如下。

步骤一：依据随机局域扰动方程，生成新的随机解。

r——0与1间的随机数，服从均匀分布；
xj——新生成的随机解；
xj-1——上一次迭代生成的随机解；
L(j)——搜索限制因子，与迭代次数j正相关。

步骤二：将新生成的随机解代入能量方程，若能量值下降则新解被接受作为当前状态下的最优解，若能量上升则依据Boltzmann-Gibbs分布接受概率及Metropolis准则，下面简称M准则，判定是否接受新解作为当前状态下的最优解。

步骤三：若新解被拒绝，则返回步骤一。

步骤四：若新解被接受，则根据退火计划式(16)更新当前温度。

α——温度衰减系数；
j——迭代次数；
k0——过程一的迭代次数；
β——温升因子。

改进后的快速退火算法改变了快速退火算法单一的扰动方式，不同的退火计划与扰动模式相配合，形成了优化初始全局寻优、优化后期局域寻优的理想优化进程，图4简要地描述了改进退火算法的执行过程。

假设某型常规潜艇配备额定制冷量为50RT及20RT冷水机组各一台以满足潜艇在高、低制冷工况下需求，其部分负荷下性能系数如图5所示。

各机组均可实现功
率间隔为10%的制冷功率调节。

50RT机组配备额定功率为5kW的冷冻水泵一台，20RT机组配备额定功率为2kW的冷冻水泵一台。

基于上述假设，将参数代入式(5)，则式(5)可简化为
P3，N、P4，N——10kW、5kW水泵的额定功率。

在某一系统工况Qd下，目标方程可简写为
图6描述了在需求工况45RT的情况下，冷却系统的功率优化过程。

在前期迭代过程中，全局扰动方程生成随机解。

在温度较高的情况下，非最优解也有较大概率满足Metropolis准则而被接受，所以在优化初期阶段系统性能指数的波动幅度较大。

在迭代过程的中后期，随机解由局域扰动方程生成。

由于温度的快速下降，非最优解满足Metropolis准则的概率逐渐下降为0，所以在优化后期，SCOP收敛，系
统的功率分配达到最优。

图7描述了优化前后，在不同制冷工况需求下的系统性能指数的对比。

优化前，
系统采用了常规的满载增机策略，当20RT机组满载后，开起50RT机组，且冷冻水泵定流量运行。

优化后，系统根据优化结果分配各冷机输出功率，由于大容量机组一般机组性能COP相较于小容量机组高，所以在小工况下也优先开起大容量机组。

由于冷冻水泵由定温差控制变流量运行，所以水泵的功耗由冷量决定。

在小工况下，水泵节省的能耗占比较大，因此优化前后系统性能指数差异较大。

在大工况情况下，由于双机组逐渐满载，冷冻水泵在变流量及定流量下的功耗差异逐渐缩小，所以优化前后的系统性能指数曲线也逐渐合拢。

图8描述了优化前后，系统性能
指数SCOP的差异。

在制冷工况为5RT时，优化后SCOP提升2.36，是所有部分负荷情况下提升最高的。

优化后各负荷工况下，SCOP平均提升0.88。

常规潜艇
长时间处于水下航行的工况，冷却系统处于低工况运行状态，因此在低负荷率下通过各机组的功率优化分配实现节能减耗，对提升作战半径、降低暴露率意义重大。

表1罗列了优化前后系统不同的增减机策略。

相较常规的增减机制度，优化后在
冷负荷发生变动时，机组的功率调整较为频繁。

为了避免冷负荷短期波动性使得系统频繁加载、卸载机组，应对实时测量负荷数据进行光滑处理，降低负荷扰动对系
统稳定性的影响。

许多文献对此有详细描述，不再赘述。

本文采用改进快速退火算法对常规潜艇冷却系统在各制冷工况需求下，对冷水机组的制冷功率进行优化分配，提升系统性整体性能指数SCOP。

目标方程的建立综合考虑了冷冻水泵温差控制变流量措施的节能效果，通过冷冻水泵变频调速满足冷冻水量的输送需求，同时降低了传输过程中的能量损耗。

优化过程中，采用了改进快速SA，通过分阶段优化环节设计，实现了优化初始全局寻优、优化后期局域寻优的理想优化过程，摆脱了常规算法在低负荷率优化时易陷入局域最优的问题，提升了SA的优化效率。

对于机组功率输出的优化结果，强调了负荷波动性对系统造成频繁增减机的影响，建议对负荷的变化采用平滑处理后，作为执行优化控制策略的触发条件。

通过算例分析，运用优化算法将冷却系统的整体性能指标平均提升0.88，在5RT的需求工况下提升了2.36。

计算验证了本文提出的冷水机组群控优化节能技术是有效的，且对于低负荷率下，效果非常明显。