JP2009002635A - 熱源機およびその制御方法、並びに、熱源システムおよびその運転方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 制御部は、外部負荷へ出力される負荷が所定の低負荷範囲となった場合に、当該熱源機の停止および起動を繰り返して制御する低負荷モードと、外部負荷へ出力される負荷が低負荷範囲よりも低い超低負荷範囲であっても運転を継続し、超低負荷範囲の下限値となった場合にターボ冷凍機1を停止する超低負荷モードとを有し、超低負荷モードにおけるホットガスバイパス弁45aの開度は、通常演算開度よりも大きな開度とされた超低負荷用開度とされていることを特徴とする。
【選択図】 図3
Description
また、例えば10%負荷を下回る低負荷にて待機運転ができる熱源機を提供することを目的とする。
また、低負荷運転での適正な入口ベーン開度を実現するホットガスバイパス弁の開度制御を備えた熱源機を提供することを目的とする。
また、凝縮圧力が低下した場合であっても冷却冷媒のバランスを適正に保つ熱源機を提供することを目的とする。
すなわち、本発明にかかる熱源機は、冷媒を圧縮する圧縮機と、該圧縮機の吸込冷媒流量を調整する入口ベーンと、前記圧縮機によって圧縮された冷媒を凝縮させる凝縮器と、
該凝縮器によって凝縮された冷媒を膨張させる膨張弁と、該膨張弁によって膨張された冷媒を蒸発させる蒸発器と、該蒸発器によって熱交換された冷水を外部負荷に対して供給する冷水配管と、前記圧縮機の冷媒吐出側と冷媒吸込側との間に設けられ、前記凝縮器および前記蒸発器をバイパスするとともに、ホットガスバイパス弁を備えたホットガスバイパス管と、前記外部負荷へ供給される冷水の温度が設定温度となるように前記入口ベーンを制御する制御部とを備え、該制御部は、前記圧縮機の回転数、冷凍能力、冷媒の凝縮圧力、冷媒の蒸発圧力等から得られる圧縮機の特性に基づいて前記入口ベーンの開度毎に前記ホットガスバイパス弁の開度を通常演算開度として演算する熱源機において、前記制御部は、前記外部負荷へ出力される負荷が所定の低負荷範囲となった場合に、当該圧縮機の停止および起動を繰り返して制御する低負荷モードと、前記外部負荷へ出力される負荷が前記低負荷範囲よりも低い超低負荷範囲であっても運転を継続し、該超低負荷範囲の下限値となった場合に当該熱源機を停止する超低負荷モードとを有し、該超低負荷モードにおける前記ホットガスバイパス弁の開度は、前記通常演算開度よりも大きな開度とされた超低負荷用開度とされていることを特徴とする。
また、外部負荷が熱源機に対して要求する負荷が低負荷範囲よりも低下して例えば10%〜0%(超低負荷範囲)であっても圧縮機の運転を継続し、当該熱源機が導入されている熱源システムが許されている最低基準温度を上回る超低負荷時最低温度を冷水入口温度が下回った場合に熱源機を停止する超低負荷モードを設けている。この超低負荷モードでは、負荷が低負荷範囲を下回っても熱源機を停止させず、冷水入口温度または冷水出口温度が超低負荷時最低温度を下回った場合に初めて熱源機を停止させる。つまり、低負荷となっても熱源機が停止しにくく連続運転が可能なモードが達成される。
本発明では、超低負荷モードにおけるホットガスバイパス弁の開度が、通常演算開度よりも大きな開度(超低負荷用開度)とされているので、通常よりも多くの流量がホットガスバイパス管に流れることになる。これにより、循環損失が大きくなるので、必要な冷凍出力を得ようとして入口ベーンの開度が大きく開くように制御が行われる。入口ベーンは小さな開度であるほど圧縮機吸込冷媒流量の制御幅が大きい、つまり小さな開度領域では吸込冷媒の調整分解能が著しく低下する。したがって、低負荷モードよりも負荷が低く運転の継続が困難な超低負荷モードであっても入口ベーンの適切な制御範囲を維持できるので、超低負荷での熱源機の待機運転を確保することができる。
また、補正係数を負荷に応じて変化させることによって、超低負荷範囲の下限値から上限値に行くにつれて超低負荷開度を通常演算開度に近付けることができる。例えば、超低負荷範囲の下限値での補正係数を1.5、上限値での補正係数を1.0としておき、これら下限値と上限値との間の補正係数は負荷に応じて按分すると良い。
特に、上記の発明のように、通常演算開度と超低負荷用開度との差が、超低負荷範囲の下限値から上限値に行くにつれて小さくなる構成とすれば、低負荷モードと超低負荷モードとを円滑に接続することができる。
これに対して、本発明では、冷媒流出配管から流出する冷媒流量を制限することにより、モータケース内の圧力を所定値以上に保つことにより、羽根車ケース側から潤滑油がモータケースに流出する可能性が無くなる。
また、外部負荷が熱源機に対して要求する負荷が低負荷範囲よりも低下して例えば10%〜0%(超低負荷範囲)であっても熱源機の運転を継続し、超低負荷範囲の冷水入口温度または冷水出口温度が超低負荷時最低温度となった場合に熱源機を停止する超低負荷モードを設けている。この超低負荷モードでは、負荷が低負荷範囲を下回っても圧縮機を停止させず、冷水入口温度または冷水出口温度が超低負荷時最低温の下限値となった場合に初めて熱源機を停止させる。つまり、低負荷となっても熱源機が停止しにくく連続運転が可能なモードが達成される。
本発明では、超低負荷モードにおけるホットガスバイパス弁の開度が、通常演算開度よりも大きな開度(超低負荷用開度)とされているので、通常よりも多くの流量がホットガスバイパス管に流れることになる。これにより、循環損失が大きくなるので、必要な冷凍出力を得ようとして入口ベーンの開度が大きく開くように制御が行われる。したがって、低負荷モードよりも負荷が低く運転の継続が困難な超低負荷モードであっても入口ベーンの適切な制御範囲を維持できるので、超低負荷での熱源機の待機運転を確保することができる。
外部負荷が熱源機に対して要求する負荷が低負荷範囲よりも低下した超低負荷範囲であっても熱源機の運転を継続し、冷水入口温度または冷水出口温度が超低負荷時最低温度となった場合に熱源機を停止する超低負荷モードを設けたので、低負荷となっても熱源機が停止しにくい連続運転を可能とすることができる。また、冬季における熱源機導入時の調整運転であっても、低負荷モードによって停止してしまう負荷よりも大きな冷熱負荷を与えるためのボイラ等を別途設置する必要がなく、冬季における低負荷のままで調整運転が可能となる。
図1には、本発明のターボ冷凍機(熱源機)1の概略構成が示されている。
図1に示されているように、ターボ冷凍機1は、冷媒を圧縮するターボ式の圧縮機3と、圧縮機3により圧縮された冷媒を凝縮させる凝縮器5と、凝縮器5によって凝縮された液冷媒を膨張させる膨張弁7と、膨張弁7によって膨張させられた冷媒を蒸発させる蒸発器9とを備えている。
圧縮機3の冷媒吸込口には、吸込冷媒の流量を調整する入口ベーン12が設けられている。この入口ベーン12の開度は、ターボ冷凍機1の制御部によって制御される。
膨張弁7の開度は、ターボ冷凍機1の制御部によって制御されるようになっている。
圧縮機3は、電動モータによって駆動され、所定周波数で回転させられる。入口ベーン12は、制御部によって、設定温度(例えば、冷水出口温度7℃)を達成するようにその開度が調整される。
また、圧縮機3から吐出された高温高圧のガス冷媒は、その一部がホットガスバイパス管45を通りホットガスバイパス弁45aで冷媒流量が調整された後、圧縮機3へと導かれるようになっている。
凝縮器5において、冷却塔から冷却水配管5a,5bを介して導かれる冷却水によって高圧のガス冷媒は略等圧に冷却され、高圧の液冷媒となる。高圧の液冷媒は、膨張弁7へと導かれ、この膨張弁7によって等エンタルピー膨張させられる。このように膨張させられた冷媒は、蒸発器9において蒸発し、伝熱管37内を流れる冷水から熱を奪う。これにより、冷水還配管34から12℃で流入した冷水は、7℃まで冷却され、冷水往配管35を介して外部負荷側に返送される。このとき、冷水出口温度および冷水入口温度は、それぞれ温度センサ40,42によって計測される。
蒸発器9において蒸発した低圧ガス冷媒は、圧縮機3へと導かれ、再び圧縮される。
ホットガスバイパス弁45aの開度は、現在の圧縮機3の特性に基づいて、必要な最小開度(通常演算開度)が演算される。圧縮機3の特性は、制御部の内部データとして格納されており、冷媒物性に応じて、凝縮圧力、蒸発圧力、圧縮機の回転数、冷凍能力等をパラメータとして予め得られている。冷凍能力は、冷水入出温度および冷水流量から得られる。圧縮機3の特性は入口ベーン12の開度毎で異なるので、入口ベーン12の開度毎に通常演算開度が決定される。
ターボ冷凍機1は、低負荷モードおよび超低負荷モードを備えている。
低負荷モードは、外部負荷へ出力される負荷が所定の低負荷範囲となった場合に、ターボ冷凍機の停止および起動を繰り返して制御するものである。具体的には、定格負荷の10〜20%の低負荷範囲にて行われる。
超低負荷モードは、外部負荷へ出力される負荷が低負荷範囲よりも低い超低負荷範囲であっても運転を継続し、超低負荷範囲の下限値となった場合にターボ冷凍機を停止するものである。具体的には、冷水入口温度が超低負荷時最低温度(超低負荷範囲の下限値)まで連続して運転することができるモードである。
ターボ冷凍機1を起動すると、先ず、ステップS0にて、標準運転中における負荷が10%以上であるかを判断する。この判断は、外部負荷からの情報を得た上で、ターボ冷凍機1の制御部にて行われる。
ステップS11にて、所定の起動インターロックに該当するか否かを判断する。起動ウインターロックに該当する場合には、アラーム停止を行う(S12)。
起動インターロックに該当しない場合は、所定の起動シーケンスを行い(S13)、電動機を起動し(S14)、通常運転を行う(S14)。
通常運転を行っている間は、ステップS16にて、冷水入口温度が軽負荷温度未満か否かを判断する。この軽負荷温度は、低負荷範囲に対応する冷水入口温度が選定され、例えば負荷10%に対応する冷水入口温度が選定される。
ステップS16にて、冷水入口温度が軽負荷温度未満であると判断されると、軽負荷停止となり、圧縮機3が停止される(S17)。その後、冷水入口温度が復帰温度以上となった場合に、ステップS11へと戻り、圧縮機3が再起動される。
このように、低負荷モードでは、停止起動を繰り返すことにより、低負荷での運転を行う。
ステップS21にて、所定の起動インターロックに該当するか否かを判断する。超低負荷モードでは、低負荷モードとは異なり、起動インターロックとして冷却水温度25℃以上という項目が含まれている。これは、冷却水温度が25℃以上の場合には、一定以上の負荷がターボ冷凍機1に要求されていると考えられるので、このような場合には超低負荷モードを行わないようにする。なお、冷却水温度の閾値である25℃は、他の温度を用いてもよく、任意に変更できるものである。
起動インターロックに該当する場合には、アラーム停止を行う(S22)。起動インターロックに該当しない場合は、所定の起動シーケンスを行い(S23)、電動機を起動し(S24)、通常運転を行う(S24)。
通常運転を行っている間は、ステップS26にて、冷水入口温度または冷水出口温度が停止温度未満か否かを判断する。この停止温度は、当該熱源機が導入されている熱源システムが許されている最低基準温度を上回る温度が選定される。
ステップS26にて、冷水入口温度または冷水出口温度が軽負荷温度未満であると判断されると、軽負荷停止となり、圧縮機3が停止される(S27)。その後、冷水入口温度が復帰温度以上となった場合に、ステップS21へと戻り、圧縮機3が再起動される。
このように、超低負荷モードでは、超低負荷範囲の下限値に対応する停止温度まで連続してターボ冷凍機が運転されることになる。
図3には、ホットガスバイパス弁の制御方法が示されている。同図において、横軸はターボ冷凍機1の負荷を示す。負荷10%未満を超低負荷範囲とし、負荷10%以上20%未満を低負荷範囲とする。
同図に示されているように、負荷が20%を下回り低下して行くにつれて、入口ベーン開度は小さくなる。これに伴い、ホットガスバイパス弁(HGBP弁)開度は、20%を下回ったあたりから徐々に大きくなるように制御される。この領域のホットガスバイパス弁開度は、上述した通常演算開度とされる。
また、超低負荷範囲の下限値から上限値に行くに従い、すなわち負荷が増大するにつれて、通常演算開度と超低負荷用開度との差を小さくし、超低負荷用開度から通常演算開度に近づくようにした。これにより、超低負荷範囲から低負荷範囲に入った際に、ホットガスバイパス弁45aの開度が通常演算開度よりも過度に大きな開度に設定され、入口ベーン開度が過剰となることを防止できる。
図4には、圧縮機3の冷媒冷却を行うシステムが示されている。
圧縮機3は、冷媒を圧縮する羽根車を収納する羽根車ケース3aと、羽根車ケース3aに接続されるとともに羽根車を回転させるモータを収納するモータケース3bとを備えている。
モータケース3bには、凝縮器から冷媒を導く冷媒導入配管13と、蒸発器へと冷媒を流出させる冷媒流出配管15とが接続されている。
モータケース3b内のモータ等の各機器は、冷媒導入配管13、モータケース3b内、そして冷媒流出配管15を流れる冷媒によって冷却されるようになっている。
また、冷媒流出配管15には、流量調整バルブ(流量制限手段)17が設けられている。この流量調整バルブ17は、完全締め切りとはせずに、100%〜50%の範囲で開度調整ができるようになっている。流量調整バルブ17は、制御部によって、モータケース3b内の圧力が低下したときに開度が小さくなるように制御される。
通常運転では、凝縮圧力と蒸発圧力との差圧が十分に確保されているので、流量調整バルブ17を全開として運転する。これにより、凝縮器から導かれる液冷媒によって、モータケース3b内の各機器が冷却される。
一方、低負荷モードや超低負荷モードでは、冬季のように外気温が低いときに実施されるので、凝縮器の圧力が低くなる傾向にあり、モータケース3b内の圧力が低くなる。一方、羽根車を通過する主系統の冷媒は、羽根車によって圧縮されるので一定レベルの圧力を有している。羽根車ケース3aとモータケース3bとは接続されておりシールが設けられている。しかし、シール前後の圧力勾配に応じてわずかに冷媒がケース間を流通するので、冷媒導入配管13、モータケース3b及び冷媒流出配管15を通過する冷媒冷却ラインと、羽根車を流れる主系統との圧力バランスが設計条件から外れてしまうと、モータケース3b内の圧力が羽根車ケース3a内の圧力よりも低くなり、羽根車ケース3a側から潤滑油がモータケース3bに流出する恐れがある。このような場合には、流量調整バルブ17を閉める方向に制御することにより、羽根車ケース3a側から潤滑油がモータケース3bに流出する可能性がなくなる。
本実施形態のターボ冷凍機を複数台備えた熱源システムでは、以下のような運転が可能となる。
このような熱源システムは、工場内の製造設備に必要な冷水を供給するターボ冷凍機と、工場内の空調を行う空調用ターボ冷凍機とを備えている。
工場内の製造設備に必要な冷水を供給するターボ冷凍機については、所定の負荷が見込まれるので、低負荷モードが選択された状態で運転される。一方、空調用ターボ冷凍機については、冬季の場合には冷房負荷がないので、超低負荷モードが選択され、待機運転とされる。そして、通り雨のように一時的に湿度が上昇した場合に、待機運転としたターボ冷凍機の負荷を増大させることによって除湿が行われる。
外部負荷が熱源機に対して要求する負荷が低負荷範囲よりも低下して超低負荷範囲であってもターボ冷凍機1の運転を継続し、超低負荷範囲の下限値となった場合にターボ冷凍機1を停止する超低負荷モードを設けることとしたので、低負荷となっても停止させずにターボ冷凍機を連続して運転させることができる。
また、熱源機としては、ターボ冷凍機を例として説明したが、他の形式の熱源機でも良く、例えばスクリューチラーであっても良い。
3 圧縮機
5 凝縮器
7 膨張弁
9 蒸発器
34 冷水還配管
35 冷水往配管
40 冷水入口温度センサ
42 冷水出口温度センサ
45 ホットガスバイパス管
45a ホットガスバイパス弁
Claims (9)
- 冷媒を圧縮する圧縮機と、
該圧縮機の吸込冷媒流量を調整する入口ベーンと、
前記圧縮機によって圧縮された冷媒を凝縮させる凝縮器と、
該凝縮器によって凝縮された冷媒を膨張させる膨張弁と、
該膨張弁によって膨張された冷媒を蒸発させる蒸発器と、
該蒸発器によって熱交換された冷水を外部負荷に対して供給する冷水配管と、
前記圧縮機の冷媒吐出側と冷媒吸込側との間に設けられ、前記凝縮器および前記蒸発器をバイパスするとともに、ホットガスバイパス弁を備えたホットガスバイパス管と、
前記外部負荷へ供給される冷水の温度が設定温度となるように前記入口ベーンを制御する制御部とを備え、
該制御部は、前記圧縮機の回転数、冷凍能力、冷媒の凝縮圧力、冷媒の蒸発圧力等から得られる圧縮機の特性に基づいて前記入口ベーンの開度毎に前記ホットガスバイパス弁の開度を通常演算開度として演算する熱源機において、
前記制御部は、前記外部負荷へ出力される負荷が所定の低負荷範囲となった場合に、当該圧縮機の停止および起動を繰り返して制御する低負荷モードと、前記外部負荷へ出力される負荷が前記低負荷範囲よりも低い超低負荷範囲であっても運転を継続し、該超低負荷範囲の下限値となった場合に当該熱源機を停止する超低負荷モードとを有し、
該超低負荷モードにおける前記ホットガスバイパス弁の開度は、前記通常演算開度よりも大きな開度とされた超低負荷用開度とされていることを特徴とする熱源機。 - 前記通常演算開度と前記超低負荷用開度との差が、前記超低負荷範囲の下限値から上限値に行くにつれて小さくなることを特徴とする請求項1記載の熱源機。
- 前記通常演算開度に補正係数を乗ずることによって、前記超低負荷用開度が演算されることを特徴とする請求項1又は2記載の熱源機。
- 前記制御部によって、前記低負荷モードと前記超低負荷モードとが前記外部負荷へ出力される負荷に応じて連続的に接続されることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の熱源機。
- 前記超低負荷範囲は、計測される冷水入口温度が冷水出口温度を下回る状態を含み、当該熱源機が導入される熱源システムが許容する最低基準温度を考慮して設定された最低基準温度を上回る超低負荷時最低温度を下回ったときを超低負荷時の停止温度とすることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の熱源機。
- 前記圧縮機は、冷媒を圧縮する羽根車を収納する羽根車ケースと、該羽根車ケースに接続されるとともに前記羽根車を回転させるモータを収納するモータケースと、を備え、
前記モータケースには、前記凝縮器から冷媒を導く冷媒導入配管と、前記蒸発器へと冷媒を流出させる冷媒流出配管とが接続され、
前記モータケース内の各機器は、前記冷媒導入配管、該モータケース及び前記冷媒流出配管を流れる冷媒によって冷却され、
前記低負荷モード時及び/又は前記超低負荷モード時に、前記冷媒流出配管から流出する冷媒流量を制限する流量制限手段が設けられていることを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載の熱源機。 - 請求項1から6のいずれかに記載された熱源機を少なくとも1台備えていることを特徴とする熱源システム。
- 冷媒を圧縮する圧縮機と、
該圧縮機の吸込冷媒流量を調整する入口ベーンと、
前記圧縮機によって圧縮された冷媒を凝縮させる凝縮器と、
該凝縮器によって凝縮された冷媒を膨張させる膨張弁と、
該膨張弁によって膨張された冷媒を蒸発させる蒸発器と、
該蒸発器によって熱交換された冷水を外部負荷に対して供給する冷水配管と、
前記圧縮機の冷媒吐出側と冷媒吸込側との間に設けられ、前記凝縮器および前記蒸発器をバイパスするとともに、ホットガスバイパス弁を備えたホットガスバイパス管と、
前記外部負荷へ供給される冷水の温度が設定温度となるように前記入口ベーンを制御する制御部とを備え、
該制御部は、前記圧縮機の回転数、冷凍能力、冷媒の凝縮圧力、冷媒の蒸発圧力等から得られる圧縮機の特性に基づいて前記入口ベーンの開度毎に前記ホットガスバイパス弁の開度を通常演算開度として演算する熱源機の制御方法において、
前記制御部は、前記外部負荷へ出力される負荷が所定の低負荷範囲となった場合に、当該熱源機の停止および起動を繰り返して制御する低負荷モードと、前記外部負荷へ出力される負荷が前記低負荷範囲よりも低い超低負荷範囲であっても運転を継続し、該超低負荷範囲の下限値となった場合に当該熱源機を停止する超低負荷モードとを有し、
該超低負荷モードにおける前記ホットガスバイパス弁の開度は、前記通常演算開度よりも大きな開度とされた超低負荷用開度とされていることを特徴とする熱源機の制御方法。 - 熱源システムに冷水を供給する熱源機の運転方法であって、
熱源システムに負荷が生じていない状態において、熱源システムの発生が予想される負荷に対応するために待機運転が前記超低負荷モードにて可能とされていることを特徴とする熱源システムの運転方法。
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