JP2006029173A - 送水ポンプ制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】 管路抵抗特性の変動やポンプの運転台数変動に対して最適な圧力制御特性を与えることができる送水ポンプ制御システムを実現する。
【解決手段】 熱交換器に送水する送水ポンプの送水圧力を送水流量に応じて決まる管路抵抗特性の大きさに応じて制御する送水ポンプ制御システムにおいて、
前記熱交換器に送る水の温度と熱交換器から戻ってきた水の温度差となる往還温度差に基づいて前記送水ポンプに設定する送水圧力設定値を調整する設定値調整手段を設けた。
【選択図】 図１

Description

本発明は、熱交換器に送水する送水ポンプの運転を制御する送水ポンプ制御システムに関する。

図８は特許文献１に開示されている従来の送水ポンプ制御システムの一例を示す機能ブロック図である。一次送水ポンプ１は、戻りヘッダ２からの冷水あるいは温水を冷凍機又はヒータ３を介して第１の送りヘッダ４に送る。

二次送水ポンプ５は、インバータ６を備え第１の送りヘッダ４から第２の送りヘッダ７に冷水あるいは温水を送る。流量センサ８は、第２の送りヘッダ７から制御二方弁９と熱交換器１１を介して戻りヘッダ２に送られる冷水あるいは温水の流量を測定する。

差圧センサ１２は、第２の送りヘッダ７と戻りヘッダ２との冷水あるいは温水の差圧を測定する。台数制御コントローラ２１は、流量センサ８と差圧センサ１２との測定値から二次送水ポンプ５に最適運転台数となるように運転台数を指令する。

以上の構成において、一次送水ポンプ１により製造された冷水あるいは温水は、二次送水ポンプ５により、二次側ユースポイントの熱交換器１１へ送水される。熱交換器１１の必要熱交換量に応じ、制御二方弁９が制御されることにより、二次側循環水量は変流量となる。

この時、流量センサ８により循環水流量を検出し、最適運転台数となる様に、台数制御コントローラ２１より、二次送水ポンプ５へ運転指令を出す。同時に、差圧センサ１２により第２の送りヘッダ７と戻りヘッダ２との差圧を検出し、予め設定された必要差圧となるように、インバータ６に対し、回転数制御信号を発信する。

この圧力制御の特徴は、流量センサ８の測定信号を基に、外部入力信号あるいはデータ蓄積部のテーブルに基づいてシステム全体の固定抵抗Ｋ０と管路定数Ｋ１及びＫ２と摩擦損失水頭計算式による定数ｎの数値とを選択して送水圧力設定値を演算し、この設定値と差圧センサ１２で計測された差圧測定値との偏差をＰＩＤ演算して前記インバータの回転数を操作している。

図９は、流量Ｑに対して演算される送水圧力Ｐ１の特性曲線図である。入出力演算部２２１で実行される演算は、次式による。
Ｐ１＝Ｋ０＋Ｋ１・Ｑ＋Ｋ２・Ｑ^ｎ
ここで、Ｐ１は二次ポンプの送水圧力、Ｋ０はシステム全体の固定抵抗、Ｋ１は管路定数、Ｋ２は管路定数、Ｑは二次ポンプの送水流量、ｎは摩擦損失水頭計算式による定数（通常２）である。

加圧送水ポンプシステムにおいては、具体的には例えば、空調システムにおいては、冬季は早朝、夏期には午後に負荷のピークが発生する。また、生産機器がある場合には、稼動状態により、負荷変動による冷温水冷却水の流量変化が発生する。

従って、パラメータ（Ｋ０，Ｋ１，Ｋ２，ｎ）は負荷変動、負荷パターンにより、その都度最適値がある。これらパラメータを、外部信号入力３１である、例えば、外気温度入力信号、生産機器電力使用量入力信号、又はデータ蓄積部２２５に蓄積された種々のテーブル、例えば、季節変動テーブル、稼働率変動テーブル、負荷変動テーブル等を選択して取得する。

このような手法により、外部の環境要因等を考慮して送水流量Ｑに見合った最適な圧力を算出し、この圧力を目標としてポンプの回転数を操作することで予測した管路抵抗特性で圧力変動運転する場合、この管路抵抗特性は、実際の管路抵抗特性の変動幅よりマージンを取って設定する。

図１０は、特性変動幅に対して動作マージンを考慮して設定した管路抵抗特性曲線図であり、変動幅よりやや高めの圧力設定値を演算している。

熱交換器に送水する送水ポンプの運転を制御する送水ポンプ制御システムに関連する先行技術文献としては次のようなものがある。

特開２００３−１０６７３１号公報

従来システムの圧力設定手法では、次のような問題点がある。
（１）管路抵抗特性の変動幅が予想より大きく、図１０の動作マージンを取った特性より上側になってしまった場合には、送水圧力が不足してしまう。このとき、熱交換器に十分な水量の冷温水が送れず、必要な熱交換機能が得られない。

（２）ポンプの運転台数が増加又は減少して場合、流量に見合った圧力を出すエネルギー源がデジタル的に増加又は減少してしまうため、送水ポンプに対して新たに回転数指示をしなおす必要が発生する。このため正しい圧力に到達するまで時間がかかり、最適な制御特性が得られない。

（３）管路抵抗特性のセットを切り替える場合、他の制御パラメータ（ＰＩＤ、ＳＶ上下限値等）がそのままだと、最適な制御特性が得られない。

従って本発明が解決しようとする課題は、管路抵抗特性の変動やポンプの運転台数変動に対して最適な圧力制御特性を与えることができる送水ポンプ制御システムを実現することにある。

このような課題を達成するために、本発明の構成は次の通りである。
（１）熱交換器に送水する送水ポンプの送水圧力を送水流量に応じて決まる管路抵抗特性の大きさに応じて制御する送水ポンプ制御システムにおいて、
前記熱交換器に送る水の温度と熱交換器から戻ってきた水の温度差となる往還温度差に基づいて前記送水ポンプに設定する送水圧力設定値を調整する設定値調整手段を設けたことを特徴とする送水ポンプ制御システム。

（２）前記設定値調整手段は、前記往還温度差と往還温度差の上限値及び下限値に基づいて前記送水圧力設定値に付加するオフセットを算出することを特徴とする（１）に記載の送水ポンプ制御システム。

（３）前記設定値調整手段は、前記往還温度差と往還温度差の設計値に基づいて前記送水圧力設定値に付加するオフセットを算出することを特徴とする（１）に記載の送水ポンプ制御システム。

（４）前記設定値調整手段は、前記往還温度差と往還温度差の設計値に基づいて前記送水圧力設定値を与える関数の係数を算出することを特徴とする（１）に記載の送水ポンプ制御システム。

（５）熱交換器に送水する送水ポンプの送水圧力を送水流量に応じて決まる管路抵抗特性の大きさに応じて制御する送水ポンプ制御システムにおいて、
前記送水ポンプの運転台数情報に基づき前記送水圧力設定値を調整する設定値調整手段を設けたことを特徴とする送水ポンプ制御システム。

（６）前記設定値調整手段は、前記送水ポンプの運転台数変動に基づいて前記送水圧力設定値に付加するオフセットを算出することを特徴とする（５）に記載の送水ポンプ制御システム。

（７）前記設定値調整手段は、前記送水ポンプの運転台数の変動比率値及び感度係数値に基づいて前記送水圧力設定値に付加するオフセットを算出することを特徴とする（５）に記載の送水ポンプ制御システム。

（８）前記設定値調整手段は、前記送水ポンプの運転台数の変動後、指定の時間にわたって前記オフセットを出力するオフセットタイマーを備えたことを特徴とする（６）又は（７）に記載の送水ポンプ制御システム。

（９）熱交換器に送水する送水ポンプの運転を制御する送水ポンプ制御システムにおいて、
前記送水ポンプの送水圧力設定値を与える関数の係数セットを変更する際に、この係数セットに対応した前記圧力調節手段の制御パラメータのセットを調整するパラメータ調整手段を備えたことを特徴とする送水ポンプ制御システム。

（１０）前記パラメータ調整手段は、前記圧力調節手段の制御パラメータのセットに対応して前記送水ポンプの回転数の上限値及び下限値のセットを算出することを特徴とする（９）に記載の送水ポンプ制御システム。

（１１）前記圧力調節手段は、前記熱交換器へ送水するヘッダの圧力を測定値として入力することを特徴とする（１）乃至（１０）のいずれかに記載の送水ポンプ制御システム。

（１２）前記圧力調節手段は、前記熱交換器へ送水するヘッダの圧力と熱交換器から戻ってきた水の圧力との差圧を測定値として入力することを特徴とする（１）乃至（１０）のいずれかに記載の送水ポンプ制御システム。

以上説明したことから明らかなように、本発明によれば次のような効果がある。
（１）熱交換器に送る水の温度と熱交換器から戻ってきた水の温度差となる往還温度差に基づいて送水圧力設定値のオフセット又は関数演算の係数を調整することにより、管路抵抗特性の変動やポンプの運転台数変動等の外乱に対して圧力制御特性を向上せしめることが可能となる。

（２）送水ポンプの運転台数の変動又は変動比率値に基づいて送水圧力設定値に付加するオフセットを算出することにより、管路抵抗特性の変動やポンプの運転台数変動等の外乱に対して圧力制御特性を向上せしめることが可能となる。

（３）送水圧力設定値を与える関数の係数セットを変更する際に、この係数セットに対応した圧力調節手段の制御パラメータのセット又はこのパラメータのセットに対応して送水ポンプの回転数の上限値及び下限値のセットを算出することにより、管路抵抗特性の変動やポンプの運転台数変動等の外乱に対して圧力制御特性を向上せしめることが可能となる。

以下、本発明を図面により詳細に説明する。図１は本発明を適用した送水ポンプ制御システムの一実施形態を示す機能ブロック図である。図８で説明した従来システムと同一要素には同一符号を付し、説明を省略する。以下、本発明の特徴部につき説明する。

図１において、１３は圧力調節手段であり、圧力センサ１２の測定値Ｐを入力し圧力設定値との偏差をＰＩＤ演算した出力で二次送水ポンプ５のインバータ６を操作する。１４は設定値演算手段であり、流量センサ８の測定値Ｑを入力し、これを変数として圧力設定値Ｐ１を従来システムと同様に次式で演算する。
Ｐ１＝Ｋ０＋Ｋ１・Ｑ＋Ｋ２・Ｑ^ｎ

１０１は第２の送りヘッダ７の流体温度を測定する第１温度センサであり、Ｔ１はその温度測定値である。１０２は戻りヘッダ２の流体温度を測定する第２温度センサであり、Ｔ２はその温度測定値である。

点線のブロック２００は設定値調整手段であり、設定値演算手段１４の圧力設定値Ｐ１に付加するオフセットＫを算出する。３００は乗算手段であり、圧力設定値Ｐ１及びオフセットＫを入力し、次式により圧力調節手段１３の圧力設定値Ｐ２を算出する。
Ｐ２＝（１＋Ｋ）×Ｐ１

設定値調整手段２００において、２０１は差分計算手段であり、第１温度センサ１０１の測定値Ｔ１及び第２温度センサ１０２の測定値Ｔ２を入力し、その差である往還温度差ΔＴを算出する。

２０２は判定値計算手段であり、往還温度差ΔＴ，温度差上限設定値，温度差下限設定値ΔＴＬを入力し、次の条件に従って判定値Ｅを算出する。
｜ΔＴ｜＞ΔＴＵであれば、Ｅ＝１
｜ΔＴ｜＜ΔＴＬであれば、Ｅ＝−１
それ以外では、Ｅ＝０

２０３はオフセット算出手段であり、判定値Ｅ，オフセット設定値Ｋ０，オフセット設定値Ｋ１を入力し、次の条件に従ってオフセットＫを算出する。
Ｅ＝１であれば、Ｋ＝Ｋ０
Ｅ＝−１であれば、Ｋ＝Ｋ１
それ以外では、Ｋ＝０

往還温度差ΔＴは、建物設計時に設定されている。温度差がこれよりも小さすぎる場合には、ポンプの送出圧力が高すぎる場合が多い。この場合、マイナスのオフセットＫ１を加えて省エネルギーを図る。同様に、温度差が大きすぎる場合、圧力が低すぎる場合がある。この場合、プラスのオフセットＫ０を加えて、圧力不足を防ぎ、制御特性を向上させる。

図２は往還温度差ΔＴに基づくオフセット付加の他の実施形態を示す機能ブロック図である。図１との差を説明すれば、判定値計算手段２０２は、往還温度差ΔＴ及び温度差の設計値を入力して、判定値Ｅを次式で算出する。
Ｅ＝｜ΔＴ｜−ΔＴＳ

オフセット算出手段２０３は、テーブルを有し、判定値Ｅの極性及びレベルにより、次の条件に従ってテーブルを参照してオフセットＫを算出する。
Ｅ＜−２であれば、Ｋ＝−０．２
−２＜Ｅ＜２であれば、Ｋ＝０
２＜Ｅであれば、Ｋ＝０．２

この実施形態では、測定された往還温度差ΔＴと往還温度差の設計値ΔＴＳとの比較により、付加されるオフセットを調整することでポンプの送出圧力を適正に調整して制御性を向上させている。

図３は、往還温度差ΔＴに基づくオフセット付加の更に他の実施形態を示す機能ブロック図である。図２の実施時形態では、往還温度差ΔＴと往還温度差の設計値ΔＴＳとの比較により、付加されるオフセットを調整したが、この実施形態ではオフセットではなく、設定値演算手段１４で関数演算する係数Ｋ０，Ｋ１，Ｋ２，ｎのセットを変更し、温度差によって管路抵抗のパターンを変更する。

２０４は係数算出手段であり、係数Ｋ０，Ｋ１，Ｋ２，ｎのセットをあらかじめ設定したテーブルを有し、入力した判定値Ｅの値に基づいてこのテーブルより係数のセットを読み出して設定値演算手段１４に渡して管路抵抗のパターンを変更させる。

図４は、送水ポンプの運転台数に基づいて送水圧力設定値に付加するオフセットを算出する設定値調整手段を設けた実施形態を示すブロック図である。２１は台数制御コントローラであり、図８の従来システムと同一機能である。

４００は台数変動検出手段であり、二次送水ポンプ５に設けられたリミットスイッチ手段（図示せず）よりポンプ起動情報を取得し、変動台数信号Ｍを設置値調整手段２００に発信する。

２０５は、設置値調整手段２００に設けたオフセット算出手段であり、テーブル手段を備えていて、変動台数信号Ｍが増加信号であればオフセットＫの値として−０．１を、減少信号であればオフセットＫの値として＋０．２を読み出して乗算手段３００に出力する。

２０６はオフセットタイマーであり、送水ポンプの運転台数の変動後、指定の時間にわたってオフセットＫを出力する。

図５は、送水ポンプの運転台数に基づいて送水圧力設定値に付加するオフセットを算出する他の実施形態を示す機能ブロック図である。図４の実施形態と比較した特徴点は、設定値調整手段２００が、送水ポンプの運転台数の変動比率値及び感度係数値に基づいて前記送水圧力設定値に付加するオフセットを算出する構成にある。

設定値調整手段２００において、２０７は変動比率算出手段であり、変動台数信号Ｍの変動前と変動後の台数変化の比率Ｒを算出する。２０８はオフセット算出手段であり、比率Ｒと設定される感度係数αを入力し、Ｋ＝α×Ｒで算出されるオフセットＫを乗算手段３００に出力する。

オフセットタイマー２０６の機能は、図４と同様であり送水ポンプの運転台数の変動後、指定の時間にわたってオフセットＫを出力する。

図４、図５の実施形態では、送水ポンプの台数増加時に、過大な圧力がかかるのを防ぐと共に、ポンプの減段時に圧力不足になるのを防ぐことができる。図４の実施形態では、変動前の台数と変動後の台数を考慮せず、増加ならＸＸ％、減段ならＹＹ％と一律でオフセットを加えていたが、例えば４台が３台に減る場合は、圧力は４／３倍する必要があり、２台が１台に減る場合は、圧力は２／１倍にする必要がある。

図５の実施形態では、変動前と変動後の台数を使って、変動前台数／変動後台数の比率Ｒに指定した係数αをかけて、タイマーにより指定した時間だけ、圧力設定値にオフセットＫを付加する機能を持たせることで、より高度の制御性を実現している。

図６は、図１乃至図５の設定値調整手段とは異なるパラメータ調整手段５００を備えた実施形態を示す機能ブロック図である。従来システムでは、送水ポンプの送水圧力設定値を与える関数の係数Ｋ０，Ｋ１，Ｋ２，ｎのセットを変更する機能を有していたが、本発明では係数セットを変更する際に、この係数セットに対応した前記圧力調節手段のＰＩＤ制御パラメータのセットを最適値に調整する機能を追加する。更に、必要に応じて送水ポンプの回転数の上限値ＳＨ及び下限値ＳＬのセットを調整する機能を追加する。

５０１は、テーブル手段を備えた係数算出手段であり、季節毎に変更される関数の係数セットに追加されてＰＩＤパラメータ及びＳＨ，ＳＬのセットがテーブル化されており、このテーブルからの読み出し情報により、設定値演算手段１４の関数演算係数のセット及び圧力調節手段１３のＰＩＤ制御パラメータＳＨ，ＳＬのセットが一括して変更される。図７は、係数算出手段５０１のテーブル構成図である。

図１乃至図６の実施形態では、圧力センサ１２は第２お送りヘッダ７の送水圧力を測定する絶対圧力センサの形態を示したが、従来システムで採用されているように第２送りヘッダ７と戻りヘッダ２間の差圧を測定する差圧センサの形態であっても本発明により得られる効果は同一である。

本発明を適用した送水ポンプ制御システムの一実施形態を示す機能ブロック図である。 往還温度差に基づくオフセット付加の他の実施形態を示す機能ブロック図である。 往還温度差に基づくオフセット付加の更に他の実施形態を示す機能ブロック図である。 送水ポンプの運転台数に基づくオフセット付加の実施形態を示すブロック図である。 送水ポンプの運転台数に基づくオフセット付加の他の実施形態を示すブロック図である。 パラメータ調整手段を備えた実施形態を示す機能ブロック図である。 パラメータ調整手段における係数算出手段のテーブル構成図である。 特許文献１に開示されている従来の送水ポンプ制御システムの一例を示す機能ブロック図である。 流量Ｑに対して演算される送水圧力Ｐ１の特性曲線図である。 特性変動幅に対して動作マージンを考慮して設定した管路抵抗特性曲線図である。

符号の説明

１ 一次送水ポンプ
２ 戻りヘッダ
３ 熱源
４ 第１の送りヘッダ
５ 二次送水ポンプ
６ インバータ
７ 第２の送りヘッダ
８ 流量センサ
９ 制御二方弁
１１ 熱交換器
１２ 圧力センサ
１３ 圧力調節手段
１４ 設定値演算手段
１０１ 第１温度センサ
１０２ 第２温度センサ
２００ 設定値調整手段
２０１ 差分計算手段
２０２ 判定値計算手段
２０３ オフセット算出手段
３００ 乗算手段

Claims (12)

1. 熱交換器に送水する送水ポンプの送水圧力を送水流量に応じて決まる管路抵抗特性の大きさに応じて制御する送水ポンプ制御システムにおいて、
   前記熱交換器に送る水の温度と熱交換器から戻ってきた水の温度差となる往還温度差に基づいて前記送水ポンプに設定する送水圧力設定値を調整する設定値調整手段を設けたことを特徴とする送水ポンプ制御システム。
2. 前記設定値調整手段は、前記往還温度差と往還温度差の上限値及び下限値に基づいて前記送水圧力設定値に付加するオフセットを算出することを特徴とする請求項１に記載の送水ポンプ制御システム。
3. 前記設定値調整手段は、前記往還温度差と往還温度差の設計値に基づいて前記送水圧力設定値に付加するオフセットを算出することを特徴とする請求項１に記載の送水ポンプ制御システム。
4. 前記設定値調整手段は、前記往還温度差と往還温度差の設計値に基づいて前記送水圧力設定値を与える関数の係数を算出することを特徴とする請求項１に記載の送水ポンプ制御システム。
5. 熱交換器に送水する送水ポンプの送水圧力を送水流量に応じて決まる管路抵抗特性の大きさに応じて制御する送水ポンプ制御システムにおいて、
   前記送水ポンプの運転台数情報に基づき前記送水圧力設定値を調整する設定値調整手段を設けたことを特徴とする送水ポンプ制御システム。
6. 前記設定値調整手段は、前記送水ポンプの運転台数変動に基づいて前記送水圧力設定値に付加するオフセットを算出することを特徴とする請求項５に記載の送水ポンプ制御システム。
7. 前記設定値調整手段は、前記送水ポンプの運転台数の変動比率値及び感度係数値に基づいて前記送水圧力設定値に付加するオフセットを算出することを特徴とする請求項５に記載の送水ポンプ制御システム。
8. 前記設定値調整手段は、前記送水ポンプの運転台数の変動後、指定の時間にわたって前記オフセットを出力するオフセットタイマーを備えたことを特徴とする請求項６又は７に記載の送水ポンプ制御システム。
9. 熱交換器に送水する送水ポンプの運転を制御する送水ポンプ制御システムにおいて、
   前記送水ポンプの送水圧力設定値を与える関数の係数セットを変更する際に、この係数セットに対応した前記圧力調節手段の制御パラメータのセットを調整するパラメータ調整手段を備えたことを特徴とする送水ポンプ制御システム。
10. 前記パラメータ調整手段は、前記圧力調節手段の制御パラメータのセットに対応して前記送水ポンプの回転数の上限値及び下限値のセットを算出することを特徴とする請求項９に記載の送水ポンプ制御システム。
11. 前記圧力調節手段は、前記熱交換器へ送水するヘッダの圧力を測定値として入力することを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載の送水ポンプ制御システム。
12. 前記圧力調節手段は、前記熱交換器へ送水するヘッダの圧力と熱交換器から戻ってきた水の圧力との差圧を測定値として入力することを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載の送水ポンプ制御システム。
    

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