JP2012032055A - ターボ冷凍機の性能評価装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】計画ＣＯＰを逐次演算すること。
【解決手段】ターボ冷凍機の運転データを入力データとして取得するデータ取得部１０１と、逆カルノーサイクルのＣＯＰ特性を用いて表わされた実機理想ＣＯＰの算定式に対して、実際の環境下で発生する損失に相当する補正値を与えた計画ＣＯＰ推定式を記憶する記憶部１０２と、データ取得部１０１によって取得された運転データと、記憶部１０２に記憶された計画ＣＯＰ推定式とを用いて、現在の運転点における計画ＣＯＰを推定する演算部１０３とを備え、前記補正値は、ターボ冷凍機の負荷率を変数とする第１演算式から算出される第１補正値と、冷却水出口温度と冷水出口温度の差分を変数とする第２演算式から算出される第２補正値とを含み、該第２補正値には、冷却水入口温度に応じた前記第１補正値のオフセット量が含まれているターボ冷凍機の性能評価装置を提供する。
【選択図】図３
【解決手段】ターボ冷凍機の運転データを入力データとして取得するデータ取得部１０１と、逆カルノーサイクルのＣＯＰ特性を用いて表わされた実機理想ＣＯＰの算定式に対して、実際の環境下で発生する損失に相当する補正値を与えた計画ＣＯＰ推定式を記憶する記憶部１０２と、データ取得部１０１によって取得された運転データと、記憶部１０２に記憶された計画ＣＯＰ推定式とを用いて、現在の運転点における計画ＣＯＰを推定する演算部１０３とを備え、前記補正値は、ターボ冷凍機の負荷率を変数とする第１演算式から算出される第１補正値と、冷却水出口温度と冷水出口温度の差分を変数とする第２演算式から算出される第２補正値とを含み、該第２補正値には、冷却水入口温度に応じた前記第１補正値のオフセット量が含まれているターボ冷凍機の性能評価装置を提供する。
【選択図】図３
Description
本発明は、固定速のターボ圧縮機を備えるターボ冷凍機の性能評価装置に関するものである。
近年、地球温暖化対策として、エネルギー消費量削減やＣＯ２排出量削減への関心が社会的に高まっている中、ターボ冷凍機においては性能評価のニーズが増えている。一般的に、ターボ冷凍機の性能評価は、ＣＯＰ(成績係数)という指標を用いて行われる（例えば、特許文献１参照）。このＣＯＰは、以下の式から求められ、ＣＯＰが高いほどエネルギー効率が高いと評価される。
ＣＯＰ＝冷凍能力［ｋＷ］／消費動力［ｋＷ］
ターボ冷凍機の性能をユーザに的確に把握させる方法の一つとして、ターボ冷凍機が性能上出し得る最大ＣＯＰ（以下「計画ＣＯＰ」という。）に対して、現在のＣＯＰ（以下「実測ＣＯＰ」という。）がどの程度であるかを提示することが考えられる。この場合、ターボ冷凍機の計画ＣＯＰは、冷水温度、冷却水温度、負荷率、冷媒循環量等によって時々刻々と変化するため、計画ＣＯＰと実測ＣＯＰとを対比させてユーザに提示するためには、計画ＣＯＰの逐次計算が不可欠となる。
しかしながら、従来、計画ＣＯＰの算出は、ターボ冷凍機の膨大な運転データからターボ冷凍機の構成である熱交換機の性能、圧縮機の性能、冷媒の熱物性等をそれぞれ求め、これらの性能値を専用のプログラムに導入して多くの収束計算を行わなければならなかった。このため、時々刻々と変化する計画ＣＯＰを逐次計算することは現実的ではなく、その上、このような計画ＣＯＰの計算を処理能力に制限がある冷凍機の制御盤において実行することはほぼ不可能であった。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、計画ＣＯＰの逐次計算を可能とするターボ冷凍機の性能評価装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明は、固定速のターボ圧縮機を備えるターボ冷凍機の性能評価装置であって、ターボ冷凍機の運転データを入力データとして取得するデータ取得手段と、逆カルノーサイクルのＣＯＰ特性を用いて表わされた実機理想ＣＯＰの算定式に対して、実際の環境下で発生する損失に相当する補正値を与えた計画ＣＯＰ推定式を記憶する記憶手段と、前記データ取得手段によって取得された運転データと、前記記憶手段に記憶された計画ＣＯＰ推定式とを用いて、現在の運転点における計画ＣＯＰを推定する演算手段とを備え、前記補正値は、ターボ冷凍機の負荷率を変数とする第１演算式から算出される第１補正値と、冷却水出口温度と冷水出口温度の差分を変数とする第２演算式から算出される第２補正値とを含み、該第２補正値には、冷却水入口温度に応じた前記第１補正値のオフセット量が含まれているターボ冷凍機の性能評価装置を提供する。
本発明は、固定速のターボ圧縮機を備えるターボ冷凍機の性能評価装置であって、ターボ冷凍機の運転データを入力データとして取得するデータ取得手段と、逆カルノーサイクルのＣＯＰ特性を用いて表わされた実機理想ＣＯＰの算定式に対して、実際の環境下で発生する損失に相当する補正値を与えた計画ＣＯＰ推定式を記憶する記憶手段と、前記データ取得手段によって取得された運転データと、前記記憶手段に記憶された計画ＣＯＰ推定式とを用いて、現在の運転点における計画ＣＯＰを推定する演算手段とを備え、前記補正値は、ターボ冷凍機の負荷率を変数とする第１演算式から算出される第１補正値と、冷却水出口温度と冷水出口温度の差分を変数とする第２演算式から算出される第２補正値とを含み、該第２補正値には、冷却水入口温度に応じた前記第１補正値のオフセット量が含まれているターボ冷凍機の性能評価装置を提供する。
本発明によれば、逆カルノーサイクルのＣＯＰ特性を示すＣＯＰ算定式を用いて理想環境下における実機理想ＣＯＰの特性を表現し、更に、負荷率及び冷却水入口温度によって変化する損失分を、負荷率によって決定される第１補正値と、冷却水出口温度と冷水出口温度の差分を変数とする第２演算式から算出される第２補正値とで表現している。このように、従来は非常に複雑な演算式で表わされていた計画ＣＯＰの演算式を簡易な演算式で十分に表現することにより、計画ＣＯＰの逐次演算を実現させることが可能となる。更に、ターボ冷凍機が備える制御盤のような処理能力に制限がある装置であっても計画ＣＯＰの逐次演算を実現させることができるという格別な効果が得られる。
上記ターボ冷凍機の性能評価装置において、前記計画ＣＯＰ推定式が前提としている定格仕様条件の設計点とは異なる定格仕様条件の設計点でターボ冷凍機が運用される場合に、設計点の違いによる冷媒比体積の変化量が補償された負荷率を用いて前記第１補正値を算出することとしてもよい。
これにより、定格仕様条件の設計点に起因する誤差を解消することができ、計画ＣＯＰ推定式に、より汎用性を持たせることが可能となる。
上記ターボ冷凍機の性能評価装置において、前記第２補正値には、熱交換時に発生する熱損失を補償する温度補償が含まれていてもよい。
ターボ冷凍機における熱交換時に発生する熱損失を補償するので、計画ＣＯＰの算出精度を更に向上させることができる。
上記ターボ冷凍機の性能評価装置は、前記演算手段によって算出された前記計画ＣＯＰを現在の実測ＣＯＰとともに表示する表示手段を備えていてもよい。
表示手段を備えているので、演算手段によって算出された計画ＣＯＰと実測ＣＯＰとを共にユーザに提供することができる。
上記ターボ冷凍機の性能評価装置は、ターボ冷凍機の制御盤に搭載されていてもよい。
例えば、ターボ冷凍機とは離れた別の場所に設置された装置において計画ＣＯＰを算出する場合、ターボ冷凍機において得られた運転データを通信媒体等を介してリアルタイムで該装置まで送らなければならない。これに対し、ターボ冷凍機の制御盤には、ターボ冷凍機の制御を行うために常に運転データが入力されているため、制御盤に計画ＣＯＰを算出する機能を搭載することにより、制御に使用する運転データを用いて計画ＣＯＰの算出も行うことが可能となり、上述したような煩わしいデータ通信を不要とすることができる。
本発明によれば、計画ＣＯＰを逐次演算することができるという効果を奏する。
以下に、本発明の一実施形態に係るターボ冷凍機の性能評価装置について、図面を参照して説明する。
まず、ターボ冷凍機の性能評価装置が適用されるターボ冷凍機の構成について、図１及び図２を用いて簡単に説明する。図１は、本実施形態に係るターボ冷凍機を備える熱源システムの概略構成を示した図である。熱源システム１は、例えば、ビルや工場設備に設置されており、空調機やファンコイル等の外部負荷３に供給する冷水（熱媒）に対して冷熱を与える３台のターボ冷凍機１１，１２，１３を備えている。これらターボ冷凍機１１，１２，１３は、外部負荷３に対して並列に設置されている。
まず、ターボ冷凍機の性能評価装置が適用されるターボ冷凍機の構成について、図１及び図２を用いて簡単に説明する。図１は、本実施形態に係るターボ冷凍機を備える熱源システムの概略構成を示した図である。熱源システム１は、例えば、ビルや工場設備に設置されており、空調機やファンコイル等の外部負荷３に供給する冷水（熱媒）に対して冷熱を与える３台のターボ冷凍機１１，１２，１３を備えている。これらターボ冷凍機１１，１２，１３は、外部負荷３に対して並列に設置されている。
冷水流れからみた各ターボ冷凍機１１，１２，１３の上流側には、それぞれ、冷水を圧送する冷水ポンプ２１，２２，２３が設置されている。これら冷水ポンプ２１，２２，２３によって、リターンヘッダ３２からの冷水が各ターボ冷凍機１１，１２，１３へと送られる。各冷水ポンプ２１，２２，２３は、インバータモータによって駆動されるようになっており、これにより、回転数を可変とすることで可変流量制御される。
サプライヘッダ３１には、各ターボ冷凍機１１，１２，１３を経由した冷水が集められるようになっている。サプライヘッダ３１に集められた冷水は、外部負荷３に供給される。外部負荷３にて空調等に供されて昇温した冷水は、リターンヘッダ３２に送られる。冷水は、リターンヘッダ３２において分岐され、上述の如く、各ターボ冷凍機１１，１２，１３に送られる。
図２には、ターボ冷凍機１１の詳細構成が示されている。ターボ冷凍機１１，１２，１３の構成は同じため、ここでは、ターボ冷凍機１１を代表例として説明する。
ターボ冷凍機１１は、２段圧縮２段膨張サブクールサイクルを実現する構成となっている。具体的には、ターボ冷凍機１１は、冷媒を圧縮するターボ圧縮機６０と、ターボ圧縮機６０によって圧縮された高温高圧のガス冷媒を凝縮する凝縮器６２と、凝縮器６２にて凝縮された液冷媒に対して過冷却を与えるサブクーラ６３と、サブクーラ６３からの液冷媒を膨張させる高圧膨張弁６４と、高圧膨張弁６４に接続されるとともにターボ圧縮機６０の中間段および低圧膨張弁６５に接続される中間冷却器６７と、低圧膨張弁６５によって膨張させられた液冷媒を蒸発させる蒸発器６６とを備えている。
ターボ冷凍機１１は、２段圧縮２段膨張サブクールサイクルを実現する構成となっている。具体的には、ターボ冷凍機１１は、冷媒を圧縮するターボ圧縮機６０と、ターボ圧縮機６０によって圧縮された高温高圧のガス冷媒を凝縮する凝縮器６２と、凝縮器６２にて凝縮された液冷媒に対して過冷却を与えるサブクーラ６３と、サブクーラ６３からの液冷媒を膨張させる高圧膨張弁６４と、高圧膨張弁６４に接続されるとともにターボ圧縮機６０の中間段および低圧膨張弁６５に接続される中間冷却器６７と、低圧膨張弁６５によって膨張させられた液冷媒を蒸発させる蒸発器６６とを備えている。
ターボ圧縮機６０は、遠心式の２段圧縮機であり、回転数一定で駆動する固定速機である。ターボ圧縮機６０の冷媒吸入口には、吸入冷媒流量を制御するインレットガイドベーン（以下「ＩＧＶ」という。）７６が設けられており、ターボ冷凍機１１の容量制御が可能となっている。
凝縮器６２には、凝縮冷媒圧力を計測するための凝縮冷媒圧力センサＰＣが設けられている。
サブクーラ６３は、凝縮器６２の冷媒流れ下流側に、凝縮された冷媒に対して過冷却を与えるように設けられている。サブクーラ６３の冷媒流れ下流側直後には、過冷却後の冷媒温度を計測する温度センサＴｓが設けられている。
凝縮器６２及びサブクーラ６３には、これらを冷却するための冷却伝熱面８０が設置されている。冷却水流量は流量計Ｆ２により、冷却水出口温度は温度センサTcoutにより、冷却水入口温度は温度センサTcinにより計測されるようになっている。冷却水は、図示しない冷却塔において外部へと排熱された後に、再びサブクーラ６３及び凝縮器６２へと導かれるようになっている。
サブクーラ６３は、凝縮器６２の冷媒流れ下流側に、凝縮された冷媒に対して過冷却を与えるように設けられている。サブクーラ６３の冷媒流れ下流側直後には、過冷却後の冷媒温度を計測する温度センサＴｓが設けられている。
凝縮器６２及びサブクーラ６３には、これらを冷却するための冷却伝熱面８０が設置されている。冷却水流量は流量計Ｆ２により、冷却水出口温度は温度センサTcoutにより、冷却水入口温度は温度センサTcinにより計測されるようになっている。冷却水は、図示しない冷却塔において外部へと排熱された後に、再びサブクーラ６３及び凝縮器６２へと導かれるようになっている。
中間冷却器６７には、中間圧力を計測するための圧力センサＰＭが設けられている。
蒸発器６６には、蒸発圧力を計測するための圧力センサＰＥが設けられている。蒸発器６６において吸熱されることによって定格温度（例えば７℃）の冷水が得られる。蒸発器には、外部負荷へ供給される冷水を冷却するための冷水伝熱面８２が設置されている。冷水流量は流量計Ｆ１により、冷水出口温度は温度センサToutにより、冷水入口温度はTinにより計測されるようになっている。
蒸発器６６には、蒸発圧力を計測するための圧力センサＰＥが設けられている。蒸発器６６において吸熱されることによって定格温度（例えば７℃）の冷水が得られる。蒸発器には、外部負荷へ供給される冷水を冷却するための冷水伝熱面８２が設置されている。冷水流量は流量計Ｆ１により、冷水出口温度は温度センサToutにより、冷水入口温度はTinにより計測されるようになっている。
凝縮器６２の気相部と蒸発器６６の気相部との間には、ホットガスバイパス管７９が設けられている。そして、ホットガスバイパス管７９内を流れる冷媒の流量を制御するためのホットガスバイパス弁７８が設けられている。ホットガスバイパス弁７８によってホットガスバイパス流量を調整することにより、ＩＧＶ７６では制御が十分でない非常に小さな領域の容量制御が可能となっている。
図２において、圧力センサＰＣ等の各種センサによって計測された計測値は、制御盤７４へ送信される。また、制御盤７４は、ＩＧＶ７６及びホットガスバイパス弁７８の弁開度の制御を行う。
図２において、圧力センサＰＣ等の各種センサによって計測された計測値は、制御盤７４へ送信される。また、制御盤７４は、ＩＧＶ７６及びホットガスバイパス弁７８の弁開度の制御を行う。
図２に示したターボ冷凍機１１では、凝縮器６２及びサブクーラ６３を設け、冷却塔において外部へと排熱した冷却水と冷媒との間で熱交換を行い、冷却水を温める場合について述べたが、例えば、凝縮器６２及びサブクーラ６３に代えて空気熱交換器を配置し、空気熱交換器において外気と冷媒との間で熱交換を行うような構成としてもよい。また、ターボ冷凍機１１，１２，１３は、上述した冷房機能のみを有する場合に限定されず、例えば、暖房機能のみ、或いは、冷房機能及び暖房機能の両方を有しているものであってもよい。また、冷媒と熱交換される媒体は、水でも空気でもよい。
次に、上述したターボ冷凍機１１が備える制御盤７４において行われるターボ冷凍機の性能評価のうち、特に、計画ＣＯＰの算出方法について図を参照して説明する。
制御盤７４は、例えば、図示しないＣＰＵ（中央演算装置）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、及びコンピュータ読み取り可能な記録媒体等から構成されている。後述の各種機能を実現するための一連の処理の過程は、例えば、プログラムの形式で記録媒体等に記録されており、このプログラムをＣＰＵがＲＡＭ等に読み出して、情報の加工・演算処理を実行することにより、後述の各種機能が実現される。
図３は、制御盤７４が備える機能を展開して示した機能ブロック図である。図３に示されるように、制御盤７４は、データ取得部１０１、記憶部１０２、演算部１０３を備えている。
制御盤７４は、例えば、図示しないＣＰＵ（中央演算装置）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、及びコンピュータ読み取り可能な記録媒体等から構成されている。後述の各種機能を実現するための一連の処理の過程は、例えば、プログラムの形式で記録媒体等に記録されており、このプログラムをＣＰＵがＲＡＭ等に読み出して、情報の加工・演算処理を実行することにより、後述の各種機能が実現される。
図３は、制御盤７４が備える機能を展開して示した機能ブロック図である。図３に示されるように、制御盤７４は、データ取得部１０１、記憶部１０２、演算部１０３を備えている。
データ取得部１０１は、ターボ冷凍機１１の運転データを入力データとして取得する。運転データとしては、例えば、温度センサTcinにより計測された冷却水入口温度、温度センサToutにより計測された冷水出口温度、温度センサTinにより計測された冷水入口温度、現在の負荷率等が挙げられる。
記憶部１０２には、計画ＣＯＰを算出するための各種演算式が格納されている。ここで、計画ＣＯＰとは、各運転点においてターボ冷凍機が性能上出し得る最大ＣＯＰの値である。
以下、この計画ＣＯＰの推定に用いられる各種演算式について説明する。
以下、この計画ＣＯＰの推定に用いられる各種演算式について説明する。
まず、計画ＣＯＰは、実機と同じ冷凍サイクルにおいて、機械損失等をなしとした理想的な環境下で計算されたＣＯＰ（以下、「実機理想ＣＯＰ」という。）に、実際の環境下で発生する損失を考慮することで求めることができる。
本実施形態では、実機理想ＣＯＰの特性が逆カルノーサイクルにおけるＣＯＰ特性とほぼ同じ特性を有している点に着目し、実機理想ＣＯＰの算定式として逆カルノーサイクルにおけるＣＯＰ特性の算定式を採用し、更にこの算定式に対して、各種損失に相当する補正を与えることにより、計画ＣＯＰを推定することとした。
このように、実機理想ＣＯＰの算定式として、逆カルノーサイクルにおけるＣＯＰ特性の算定式を採用することにより、非常に簡易な数式により実機理想ＣＯＰを表現することが可能となる。
本実施形態では、実機理想ＣＯＰの特性が逆カルノーサイクルにおけるＣＯＰ特性とほぼ同じ特性を有している点に着目し、実機理想ＣＯＰの算定式として逆カルノーサイクルにおけるＣＯＰ特性の算定式を採用し、更にこの算定式に対して、各種損失に相当する補正を与えることにより、計画ＣＯＰを推定することとした。
このように、実機理想ＣＯＰの算定式として、逆カルノーサイクルにおけるＣＯＰ特性の算定式を採用することにより、非常に簡易な数式により実機理想ＣＯＰを表現することが可能となる。
計画ＣＯＰは、以下の（１）式で与えられる。
ＣＯＰct＝ＣＯＰcarnot／Ｃｆ （１）
ＣＯＰcarnot＝（ＴＬＯ+２７３．１５）／（ＴＨＯ−ＴＬＯ＋Ｔｄ） （２）
ＣＯＰcarnot＝（ＴＬＯ+２７３．１５）／（ＴＨＯ−ＴＬＯ＋Ｔｄ） （２）
上記（１）式において、ＣＯＰctは計画ＣＯＰ、ＣＯＰcarnotは実機理想ＣＯＰであり、Ｃｆは各種損失に相当する補正値である。
また、実機理想ＣＯＰは、（２）式で表わされ、（２）式において、ＴＬＯは冷水出口温度、ＴＨＯ冷却水出口温度、Ｔｄは補正値である。通常、逆カルノーサイクルでは、その算定に蒸発温度、凝縮温度を用いるところ、上記（２）式では、これらに代えて、比較的容易に計測できる冷水出口温度ＴＬＯ、冷却水出口温度ＴＨＯを用いている。従って、熱交換器における熱損失に相当する誤差を解消するために、補正値Ｔｄが付加されている。ここでの補正値Ｔｄは、所定の定数である。
また、実機理想ＣＯＰは、（２）式で表わされ、（２）式において、ＴＬＯは冷水出口温度、ＴＨＯ冷却水出口温度、Ｔｄは補正値である。通常、逆カルノーサイクルでは、その算定に蒸発温度、凝縮温度を用いるところ、上記（２）式では、これらに代えて、比較的容易に計測できる冷水出口温度ＴＬＯ、冷却水出口温度ＴＨＯを用いている。従って、熱交換器における熱損失に相当する誤差を解消するために、補正値Ｔｄが付加されている。ここでの補正値Ｔｄは、所定の定数である。
また、本実施形態において、上記冷却水出口温度ＴＨＯは、冷却水入口温度ＴＨＩと負荷率Ｋを以下の（３）式に用いることにより、演算により求めることとしている。
ＴＨＯ＝（ＴHOSP−ＴHISP）＊Ｋ／Ｆｒct＋ＴＨＩ （３）
（３）式において、ＴHOSPは定格仕様条件の冷却水出口温度の設定値、ＴHISPは定格仕様条件の冷却水入口温度の設定値、Ｋは冷凍機の負荷率、Ｆｒctは定格仕様条件の冷却水流量の設定値に対する現在の冷却水流量の比、ＴＨＩは冷却水入口温度である。
次に、上記補正値Ｃｆについて説明する。補正値は、実機におけるＣＯＰ特性のデータ、すなわち、各種損失を受けた実機のＣＯＰ特性（以下、「実機ＣＯＰ特性」という。）を実際に求め、この実機ＣＯＰ特性と上記（２）式を用いて算出される実機理想ＣＯＰ特性とを比較することで求めることが可能である。
従って、実際に実機において各冷却水入口温度、負荷率における運転データを取得し、この運転データから実機ＣＯＰを算出し、この実機ＣＯＰを用いて図４に示すようなグラフを作成した。図４において、横軸はターボ冷凍機の負荷率[％]を示し、縦軸は実機理想ＣＯＰを実機ＣＯＰで除算した値、換言すると、補正値Ｃｆを示している。ここで用いられた実機理想ＣＯＰは、実機と同じ冷凍サイクル、冷媒物性を前提としたものである。
図４からわかるように、冷却水入口温度によって負荷率に対する補正値の特性が異なる。従って、計画ＣＯＰを算出する一つの方法としては、各冷却水入口温度における負荷率と補正値との関係を記憶しておき、これらの関係の中から現在の運転点の冷却水入口温度、負荷率に対応する補正値を取得し、取得した補正値を上記（１）式に代入することが考えられる。しかしながら、この方法では、冷却水入口温度毎にそれぞれ負荷率と補正値との関係を記憶しておかなければならず、データ量が増加する上、処理が煩雑になる。
ここで、図４に示された各冷却水入口温度に対する負荷率と補正値との関係に着目すると、いずれの曲線もほぼ同じカーブを描いている。つまり、一つの曲線をｙ軸方向にシフトさせれば、それぞれの冷却水入口温度における負荷率と補正値との関係が表わせることとなる。
本実施形態では、上記特徴に着目し、図４に示した各冷却水入口温度における複数の特性曲線から一本の補正曲線を導き、この補正曲線を表わす多項式（以下「第１演算式」という。）を用いて現在の負荷率に対応する補正値を求めることとし、また、冷却水入口温度が異なることによるｙ軸方向におけるシフト分については、更なる演算式の簡略化を図るために、上記（２）式で表わされる実機理想ＣＯＰの算定式に含まれる補正値Ｔｄに組み込むこととした。
（４）式は、補正値Ｃｆ１を算定するための第１演算式（以下、（４）式で表わされる補正値Ｃｆを「第１補正値」という。）を示している。（５）式は、冷却水入口温度が異なることに伴う第１補正値Ｃｆ１のオフセット量を、上述の補正値Ｔｄに組み込んだ補正値Ｔｄ´（以下、この補正値を「第２補正値」という。）を算出するための第２演算式を示している。
本実施形態では、上記特徴に着目し、図４に示した各冷却水入口温度における複数の特性曲線から一本の補正曲線を導き、この補正曲線を表わす多項式（以下「第１演算式」という。）を用いて現在の負荷率に対応する補正値を求めることとし、また、冷却水入口温度が異なることによるｙ軸方向におけるシフト分については、更なる演算式の簡略化を図るために、上記（２）式で表わされる実機理想ＣＯＰの算定式に含まれる補正値Ｔｄに組み込むこととした。
（４）式は、補正値Ｃｆ１を算定するための第１演算式（以下、（４）式で表わされる補正値Ｃｆを「第１補正値」という。）を示している。（５）式は、冷却水入口温度が異なることに伴う第１補正値Ｃｆ１のオフセット量を、上述の補正値Ｔｄに組み込んだ補正値Ｔｄ´（以下、この補正値を「第２補正値」という。）を算出するための第２演算式を示している。
Ｃｆ１＝ｆ１（Ｋ） （４）
Ｔｄ´＝ｆ２（ＴＨＯ−ＴＬＯ）＝ａ＊（ＴＨＯ−ＴＬＯ）＋ｂ （５）
Ｔｄ´＝ｆ２（ＴＨＯ−ＴＬＯ）＝ａ＊（ＴＨＯ−ＴＬＯ）＋ｂ （５）
（４）式において、第１演算式ｆ１（Ｋ）は、図４に示した補正曲線を表わす多項式で与えられる。換言すると、第１補正値Ｃｆ１は、負荷率Ｋを変数とする多項式により求められる。
（５）式において、ａ、ｂは定数である。（５）式に示すように、第２補正値Ｔｄ´は、冷却水出口温度ＴＨＯと冷水出口温度ＴＬＯの差分を変数とした１次関数で与えられる。
以下、この第２補正値Ｔｄ´について説明する。
（５）式において、ａ、ｂは定数である。（５）式に示すように、第２補正値Ｔｄ´は、冷却水出口温度ＴＨＯと冷水出口温度ＴＬＯの差分を変数とした１次関数で与えられる。
以下、この第２補正値Ｔｄ´について説明する。
固定速機の場合、可変速機のように圧縮機回転数制御で運転状態の変化に追従することはできないため、容量制御はＩＧＶのベーン制御等で行われることとなり、機器損失はほぼＩＧＶのベーン開度に依存する。
図５に、各冷却水入口温度、ＩＧＶの開度、及び効率における流量変数と圧力変数との関係を示す。図５において、横軸は流量変数、縦軸は圧力変数を示し、各冷却水入口温度における特性は実線で、ＩＧＶの各開度における特性は破線で、各効率における関係は一点鎖線で示されている。冷凍能力は流量変数に比例する。圧力変数は、蒸発器６６と凝縮器６２の圧力差を意味しており、冷却水出口温度ＴＨＯと冷水出口温度ＴＬＯの差分に相当する。
図５に、各冷却水入口温度、ＩＧＶの開度、及び効率における流量変数と圧力変数との関係を示す。図５において、横軸は流量変数、縦軸は圧力変数を示し、各冷却水入口温度における特性は実線で、ＩＧＶの各開度における特性は破線で、各効率における関係は一点鎖線で示されている。冷凍能力は流量変数に比例する。圧力変数は、蒸発器６６と凝縮器６２の圧力差を意味しており、冷却水出口温度ＴＨＯと冷水出口温度ＴＬＯの差分に相当する。
図５において、各冷却水入口温度における流量変数と圧力変数との関係は、いずれもほぼ同じ傾きを示しており、また、同じＩＧＶ開度における、冷却水入口温度が変化することによる圧力変数の変化量は一定である。従って、圧力変数、言い換えれば、冷却水出口温度ＴＨＯと冷水出口温度ＴＬＯの差分に比例する第２補正値を用いれば、図４に示した補正曲線のｙ軸方向におけるシフト量を調整することができ、冷却水入口温度が異なることによる損失の変化量を上手く表現することが可能となる。
以上のことより、最終的に計画ＣＯＰ推定式は、以下の（６）式で与えられる。
ＣＯＰct＝{（ＴＬＯ+２７３．１５）／（ＴＨＯ−ＴＬＯ＋Ｔｄ´）}／Ｃｆ１（６）
更に、本実施形態では、計画ＣＯＰを簡易に算出するために、計画ＣＯＰ推定式において、本来であれば実機理想ＣＯＰを採用しなければならないところ、これに代えて逆カルノーサイクルから算定されるＣＯＰを採用している。このため、わずかではあるが、誤差が発生する。このような誤差を解消するために、以下の（７）式で示すように、上記（６）式の計画ＣＯＰ推定式を用いて逐次算出される計画ＣＯＰを補正する。
ＣＯＰct´＝ＣＯＰct＊ＣＯＰrp／ＣＯＰdp （７）
上記（７）式において、ＣＯＰct´は補正後の計画ＣＯＰ、ＣＯＰctは（６）式を用いて逐次推定される計画ＣＯＰ、ＣＯＰrpは所定のプログラムによって予め求められた定格仕様条件の設計点におけるより正確な計画ＣＯＰの値、ＣＯＰdpは上記（６）式を用いて算出された定格仕様条件の設計点における計画ＣＯＰである。このように、（６）式の計画ＣＯＰ推定式を用いて逐次算出される計画ＣＯＰに対して、予め所定のプログラムにて求めた定格仕様条件の設計点における計画ＣＯＰを（６）式を用いて算出した定格仕様条件の設計点の計画ＣＯＰで除算した値（ＣＯＰrp／ＣＯＰdp）を補正値として乗じることにより、更に高い精度で計画ＣＯＰを推定することが可能となる。
図６は、上記（６）式を用いて算出した計画ＣＯＰを（７）式を用いて補正した計画ＣＯＰ（以下「演算計画ＣＯＰ」という。）と、実機において実際に測定した計画ＣＯＰ（以下「実測計画ＣＯＰ」という。）とを比較して示した図である。図６において、実線は演算計画ＣＯＰ、点線は実測計画ＣＯＰを示している。図６に示すように、各冷却水入口温度における演算計画ＣＯＰと実測計画ＣＯＰの特性はほぼ同じであり、再現性が確認できた。
以上の経緯から、逆カルノーサイクルのＣＯＰ特性を用いて表わされた実機理想ＣＯＰの算定式に対して、実際の環境下で発生する損失に相当する第１補正値Ｃｆ１及び第２補正値Ｔｄ´を与えた計画ＣＯＰ推定式を用いることで、各運転点における計画ＣＯＰを十分な精度で求めることが可能であることが分かった。
次に、ターボ冷凍機１１の運転中における制御盤７４の処理について図７を参照して説明する。
まず、記憶部１０２には、計画ＣＯＰを算出するのに必要となる情報、例えば上記（３）式から（６）式、これらの演算式で用いられる各種パラメータを演算するための付随的な演算式、定格仕様条件の各設定値等が予め記憶されている。
まず、記憶部１０２には、計画ＣＯＰを算出するのに必要となる情報、例えば上記（３）式から（６）式、これらの演算式で用いられる各種パラメータを演算するための付随的な演算式、定格仕様条件の各設定値等が予め記憶されている。
ターボ冷凍機１１の運転中において、データ取得部１０１は、所定のタイミングで、現在の冷却水入口温度、負荷率、冷却水流量等を入力データとして取得し、これら入力データを演算部１０３に出力する（図７のステップＳ１）。
演算部１０３は、データ取得部１０１によって入力データが取得されると、記憶部１０２から各種演算式を読み出し、これら演算式を用いて現在の運転点における計画ＣＯＰを推定する。
具体的には、上記（４）式を用いて第１補正値Ｃｆ１を算出し（ステップＳ２）、（３）式を用いて冷却水出口温度ＴＨＯを算出し（ステップＳ３）、ステップＳ３で得た冷却水出口温度ＴＨＯを（５）式に用いて第２補正値Ｔｄ´を算出し（ステップＳ４）、ステップＳ２で得た第１補正値Ｃｆ１及びステップＳ４で得た第２補正値Ｔｄ´を（６）式に用いて計画ＣＯＰを算出し（ステップＳ５）、ステップＳ５で算出した計画ＣＯＰを（７）式を用いて補正する（ステップＳ６）。
また、詳細な説明は省略するが、制御盤７４では、上記計画ＣＯＰの演算と並行して、出力熱量、現在の運転点における実測ＣＯＰ（出力熱量[ｋＷ]を消費電力[ｋＷ]で除算した値）等が演算される。
演算部１０３は、データ取得部１０１によって入力データが取得されると、記憶部１０２から各種演算式を読み出し、これら演算式を用いて現在の運転点における計画ＣＯＰを推定する。
具体的には、上記（４）式を用いて第１補正値Ｃｆ１を算出し（ステップＳ２）、（３）式を用いて冷却水出口温度ＴＨＯを算出し（ステップＳ３）、ステップＳ３で得た冷却水出口温度ＴＨＯを（５）式に用いて第２補正値Ｔｄ´を算出し（ステップＳ４）、ステップＳ２で得た第１補正値Ｃｆ１及びステップＳ４で得た第２補正値Ｔｄ´を（６）式に用いて計画ＣＯＰを算出し（ステップＳ５）、ステップＳ５で算出した計画ＣＯＰを（７）式を用いて補正する（ステップＳ６）。
また、詳細な説明は省略するが、制御盤７４では、上記計画ＣＯＰの演算と並行して、出力熱量、現在の運転点における実測ＣＯＰ（出力熱量[ｋＷ]を消費電力[ｋＷ]で除算した値）等が演算される。
制御盤７４において演算された計画ＣＯＰ（補正値）、実測ＣＯＰ、出力熱量等や計測された消費電力等は、通信媒体を介して図示しない監視装置へ送信され、監視装置が備えるモニタに表示される（ステップＳ７）。これにより、ユーザは監視装置のモニタに表示されたこれらの性能値を確認することにより、計画ＣＯＰに対する実測ＣＯＰを把握することができ、より効率的な運転を実施することが可能となる。
以上、説明してきたように、本実施形態に係るターボ冷凍機の性能評価装置によれば、実機理想ＣＯＰを逆カルノーサイクルにおけるＣＯＰ算定式で表現するので、実機理想ＣＯＰの特性を簡易な演算式で表現することが可能となる。更に、この逆カルノーサイクルにおけるＣＯＰ算定式に、実際の環境下で発生する損失に相当する補正値として、負荷率を変数とする第１演算式から求められる第１補正値Ｃｆ１と、冷却水入口温度に応じた第１補正値Ｃｆ１のオフセット量に相当する補正量を含む第２補正値Ｔｄ´とを与えるので、負荷率、冷却水入口温度に依存する実機ＣＯＰの特性を上記逆カルノーサイクルにおけるＣＯＰ算定式に十分に取り入れることができ、各運転点における計画ＣＯＰを十分な精度で求めることが可能となる。
そして、計画ＣＯＰを演算するための演算式を簡易な演算式で表現できたことにより、制御盤７４のような処理能力に制限がある装置であっても計画ＣＯＰの逐次演算を実現させることが可能となる。
このように、本実施形態に係るターボ冷凍機の性能評価装置によれば、リアルタイムで、かつ、十分な精度で、計画ＣＯＰを算出することができるという格別な効果が得られる。
そして、計画ＣＯＰを演算するための演算式を簡易な演算式で表現できたことにより、制御盤７４のような処理能力に制限がある装置であっても計画ＣＯＰの逐次演算を実現させることが可能となる。
このように、本実施形態に係るターボ冷凍機の性能評価装置によれば、リアルタイムで、かつ、十分な精度で、計画ＣＯＰを算出することができるという格別な効果が得られる。
なお、ターボ冷凍機の機器構成条件を決定した定格仕様条件（以下「定格仕様条件（主）」という。）とは異なる定格仕様条件（以下「定格仕様条件（従）」という。）でターボ冷凍機を運転するような場合、例えば、異なる冷水温度の設計点で運転させる場合には、冷媒比体積の変化によりＩＧＶのベーン開度が変化するため、冷媒比体積の補正を行う必要がある。（８）式は、冷媒比体積の補正を考慮したときの第１演算式である。
Ｃｆ２＝ｆ１（Ｋ´） （８）
ただし、０＜Ｋ´≦１
Ｋ´＝Ｋ＊（ｖＴ／ｖｓｐ） （９）
ただし、０＜Ｋ´≦１
Ｋ´＝Ｋ＊（ｖＴ／ｖｓｐ） （９）
（９）式において、ｖＴは定格仕様条件（従）の圧縮機吸込冷媒比体積であり、ｖｓｐは定格仕様条件（主）の圧縮機吸込冷媒比体積である。
また、上記（８）式において、Ｋ´＞１の場合はＫ´＝１、Ｋ´＜０の場合はＫ´＝０として計算を行う。
また、上記（８）式において、Ｋ´＞１の場合はＫ´＝１、Ｋ´＜０の場合はＫ´＝０として計算を行う。
このように、冷媒比体積の補正を行うことにより、設計点に起因する誤差を解消することができ、制御盤７４に搭載させる計画ＣＯＰの演算式に、より高い汎用性を持たせることができる。
また、上記実施形態において、監視装置のモニタへの表示態様は特に限定されない。例えば、計画ＣＯＰと実測ＣＯＰとをそのまま表示させてもよいし、実測ＣＯＰを計画ＣＯＰで除算した値を表示することとしてもよい。また、図８に示すような各冷却水入口温度における負荷率と計画ＣＯＰとの特性を描いたグラフ上に、現在の運転点における実測ＣＯＰと計画ＣＯＰとをプロットして表示することとしてもよい。
７４ 制御盤
１０１ データ取得部
１０２ 記憶部
１０３ 演算部
１０１ データ取得部
１０２ 記憶部
１０３ 演算部
Claims (5)
- 固定速のターボ圧縮機を備えるターボ冷凍機の性能評価装置であって、
ターボ冷凍機の運転データを入力データとして取得するデータ取得手段と、
逆カルノーサイクルのＣＯＰ特性を用いて表わされた実機理想ＣＯＰの算定式に対して、実際の環境下で発生する損失に相当する補正値を与えた計画ＣＯＰ推定式を記憶する記憶手段と、
前記データ取得手段によって取得された運転データと、前記記憶手段に記憶された計画ＣＯＰ推定式とを用いて、現在の運転点における計画ＣＯＰを推定する演算手段と
を備え、
前記補正値は、ターボ冷凍機の負荷率を変数とする第１演算式から算出される第１補正値と、冷却水出口温度と冷水出口温度の差分を変数とする第２演算式から算出される第２補正値とを含み、該第２補正値には、冷却水入口温度に応じた前記第１補正値のオフセット量が含まれているターボ冷凍機の性能評価装置。 - 前記計画ＣＯＰ推定式が前提としている定格仕様条件の設計点とは異なる定格仕様条件の設計点でターボ冷凍機が運用される場合に、設計点の違いによる冷媒比体積の変化量が補償された負荷率を用いて前記第１補正値を算出する請求項１に記載のターボ冷凍機の性能評価装置。
- 前記第２補正値には、熱交換時に発生する熱損失を補償する温度補償が含まれている請求項１または請求項２に記載のターボ冷凍機の性能評価装置。
- 前記演算手段によって算出された前記計画ＣＯＰを現在の実測ＣＯＰとともに表示する表示手段を備える請求項１から請求項３のいずれかに記載のターボ冷凍機の性能評価装置。
- 請求項１から請求項３のいずれかに記載のターボ冷凍機の性能評価装置を制御盤に搭載したターボ冷凍機。
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