JP2014059091A - 冷温水供給システムにおける熱源機運転制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】エネルギー原単位が相対的に小さい蒸気のみを熱源機側に投入可能とする、省エネ性に優れた熱源機運転制御技術を提供する。
【解決手段】異なるエネルギー原単位の蒸気を製造する複数の蒸気発生源と、該蒸気発生源の蒸気により冷温水を製造する複数の熱源機と、を備えた冷温水供給システムにおいて、エネルギー原単位の小さな蒸気発生源の蒸気のみを熱源機系統に供給するように、予め設定された起動優先順位に従って各熱源機の起動・停止制御を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、蒸気を駆動源とする冷温水供給システムの熱源機運転制御技術に関する。

従来、分散型電源（コジェネ）の廃熱や蒸気ボイラから供給される蒸気を駆動源とする蒸気焚冷凍機及び蒸気熱交換器を組み合わせた冷温水供給システムが公知である。蒸気焚冷凍機については、効率向上を目的とした技術（例えば特許文献１、２）、部分負荷効率向上を目的とした技術（例えば特許文献３）が提案されている。
蒸気焚冷凍機の運転に際しては、省エネ性向上の観点からエネルギー原単位が相対的に大きい蒸気ボイラによる蒸気よりも、エネルギー原単位が相対的に小さいコジェネ蒸気等を優先活用すべきということになる。

一方、従来の蒸気を駆動源とする複数熱源機を備えた冷温水供給システムでは、各蒸気焚冷凍機は個別に出口温度、高温再生器温度・圧力に対応して蒸気弁開度を調整し、また、蒸気熱交換器は出口温度に対応して蒸気弁開度を調整して、それぞれ蒸気投入量を制御している。

特開２００１−５６１６０号公報 特開２００１−５６１６１号公報 特開２０００−２８３５８９号公報

上述のような制御を採用すると、蒸気消費量が大きい場合、蒸気系統の圧力低下に伴いエネルギー原単位が相対的に大きな蒸気ボイラが起動することになり、省エネ運転を維持することができないという問題がある。
本発明はこのような課題を解決すべく、エネルギー原単位が相対的に小さい蒸気のみを熱源機側に投入可能とする、省エネ性に優れた熱源機運転制御技術を提供することを目的とする。

本発明は以下の内容を要旨とする。すなわち、本願発明に係る冷温水供給システムの熱源機運転制御方法は、
（１）異なるエネルギー原単位の蒸気を製造する複数の蒸気発生源と、該蒸気発生源の蒸気により冷温水を製造する複数の熱源機と、を備えた冷温水供給システムにおける熱源機運転制御方法であって、
特定のエネルギー原単位の蒸気発生源の蒸気（以下、特定蒸気という）のみを該熱源機系統に供給するように、予め設定された起動優先順位に従って、各熱源機の起動・停止制御を行うことを特徴とする冷温水供給システムにおける熱源機運転制御方法。

本発明において、「冷温水供給システム」とは、熱源機により製造された冷水又は温水を使用先に配管供給して、空調、温水供給を行うシステムをいう。
「エネルギー原単位」とは、単位生産蒸気量に対する投入一次エネルギー量や、単位生産蒸気量に対する投入エネルギーコストや、単位生産蒸気量に対する投入エネルギーの二酸化炭素排出量を表す指標で、ユーザーが運転の目的に合わせて選択することができる。

（２）上記発明において、前記特定蒸気の供給蒸気量総和（ΣＳs）が、現在運転中の熱源機の消費蒸気量総和（ΣＳd）を上回る場合であって（供給余裕蒸気量：ΔＳ＝ΣＳs−ΣＳd＞０）、現在運転停止中の起動優先順位最上位の熱源機（次発熱源機）を起動させる場合において、
該次発熱源機の運転可能最低蒸気量（Ｓd_min(k)）が、供給余裕蒸気量（ΔＳ）を上回る場合には、
起動優先順位に拘わらず、最低蒸気量（Ｓd_min(k)）が供給余裕蒸気量（ΔＳ）以下となる熱源機を、順次繰り上げて起動させる、
ことを特徴とする。

熱源機起動には運転可能最低蒸気量が必要であり、この条件を満たさずに運転した場合、当該熱源機は特定蒸気製造量以上に蒸気を消費してしまい、結果的にエネルギー原単位の大きな蒸気（例えばボイラ蒸気）が供給されることになる。
本発明による制御により、熱源機系統は特定蒸気（例えばコージェネ蒸気）のみを最大限活用した運転が可能となる。
また、運転可能最低蒸気量条件を満足する熱源機を１台でも多く運転することにより、特定蒸気を無駄にすることのないオペレーションが可能となり、省エネ性向上を図ることができる。

（３）上記各発明において、現在運転中の熱源機（ｋ）の能力制御を行う場合において、
該熱源機（ｋ）の現在消費蒸気量Ｓd(k)と、熱源機（ｋ）が消費可能な最大蒸気量Ｓd_max(k)と、の差に基づいて、
熱源機ごとに設けた蒸気弁の上限開度（αｋ）を、予め定めた増加又は減少幅（β％、γ％）づつ、所定の時間ごとに増減制御することを特徴とする。
但し、Ｓd_max(k)＝ΣＳs(i)−(ΣＳd(j)−Ｓd(k))
本発明によれば、熱源機（ｋ）の蒸気弁上限開度（αk）の調整により、特定蒸気の発生量以上に熱源機が蒸気を消費することを防止することができる。

本発明によれば、コージェネ廃熱等、エネルギー原単位の小さな蒸気（特定蒸気）のみを駆動源として熱源機を運転制御するため、省エネルギーや低コスト、二酸化炭素排出量抑制を追求した空調用冷水の製造が可能となる。

熱源機運転制御システム１の全体構成を示す図である。 第一の実施形態における運転制御フローを示す図である。 実施例において、供給余裕度（ΔＳ）が次発機の運転可能最低蒸気量（Ｓd_min(k)）を上回る状態を模式的に示す図である。 同上において、供給余裕度（ΔＳ）が次発機の運転可能最低蒸気量（Ｓd_min(k)）を下回る状態を模式的に示す図である。 同上において、供給余裕度（ΔＳ）が次々発機の運転可能最低蒸気量（Ｓd_min(k)）を上回る状態を模式的に示す図である。 ｋ機起動後の蒸気弁開度制御フローを示す図である。

以下、本発明の各実施形態についてさらに詳細に説明する。なお、本発明の範囲は特許請求の範囲記載のものであって、以下の実施形態に限定されないことはいうまでもない。
＜第一の実施形態＞
本実施形態は、エネルギー原単位の異なる複数の蒸気駆動源を備えたシステムにおける熱源機台数制御の態様に係る。
図１を参照して、本実施形態に係る熱源機運転制御システム１は、各熱源機側に蒸気を供給する蒸気供給系統１Ａと、蒸気を駆動源として冷水・温水を製造して負荷側（図示せず）に供給する熱源機系統１Ｂと、システム全体の制御を行う制御系統１Ｃと、により構成されている。

蒸気供給系統１Ａは、蒸気発生源である複数のＣＧＳ（コージェネレーション・システム）４（請求項における特定蒸気）、及び、一又は複数の蒸気ボイラ５と、発生蒸気を一旦貯蔵して熱源機系統１Ｂ側に分散供給する供給ヘッダー６と、を主要構成として備えている。
熱源機系統１Ｂは、複数（ｎ台）の蒸気焚冷凍機２（２(１)〜２(ｎ)）（以下、適宜、熱源機２(１)〜２(ｎ)と表記する）と、複数の蒸気熱交換器３と、を主要構成として備えている。

熱源機系統１Ｂの各熱源機には、表１に示す起動優先順位ｋ（ｋ＝１〜ｎ）が設定されており、後述する制御フロー（図２）において、各熱源機の起動・停止は同表の優先順位に従って行われるように構成されている。
起動優先順位の設定は、エネルギー原単位に基づき行われる。本実施形態では、エネルギー原単位の小さいコージェネ廃熱蒸気が、特定蒸気として優先される。
なお、表１では蒸気焚冷凍機２（ｎ）が常に熱交換器３より上位に設定されているが、後述するように負荷条件によって熱交換器３が蒸気焚冷凍機２（ｋ）（ｋ≧２）より上位に設定される場合もある。

以上の構成により、蒸気供給系統１Ａにおいてコジェネ廃熱又はボイラ加熱により製造した蒸気を、ヘッダー６を介して両系統を結ぶ配管７ａ乃至７ｃにより熱源機系統１Ｂに駆動源として供給し、熱源機系統１Ｂにおいて冷温水を製造して負荷側（図示せず）に供給するように構成されている。

熱源機運転制御システム１の制御系統１Ｃは、蒸気供給系統１Ａの各配管７ａ経路中に配設される蒸気流量計８ａと、熱源機系統１Ｂの各分岐配管７ｃに配設される蒸気流量計８ｂ及び蒸気弁９と、これら各流量計及び蒸気弁の計測値に基づいて後述の各演算を行い、熱源機系統１Ｂ側に運転指令を行う制御部１０と、により構成されている。
制御部１０は、表１の起動優先順位に基づいて以下の台数制御、すなわち各熱源機の起動・停止制御を行う。なお、各熱源機の能力制御は、それぞれの出口温度、圧力等に基づいて熱源機ごとに行われる。

熱源機運転制御システム１は以上のように構成されており、次に図２を参照して、制御部１０が行う熱源機台数制御の態様について説明する。
制御中は蒸気流量計８ａ、８ｂにより供給側及び消費側の蒸気流量Ｓs(i)，Ｓd(j)（ｉ：各蒸気発生源、ｊ：各熱源機）が計測され、制御部１０に集められる（Ｓ１０１）。

次いで、その現在時点における供給総蒸気量（ΣＳs(i)）と消費総蒸気量（ΣＳd(j)）の比較が行われる（Ｓ１０２）。ここに、供給総蒸気量とはコジェネ（ＣＧＳ４）廃熱（特定蒸気）の総和であり、消費総蒸気量とは熱源機側の消費蒸気量の総和をいう。
ΣＳs＜ΣＳdの場合には（Ｓ１０２においてＮ）、蒸気供給余力がないため所定時間経過後（Ｓ１１０においてＹ）、優先度最下位の熱源機を運転停止する（Ｓ１１２）。

Ｓ１０２においてＹ、すなわちΣＳs≧ΣＳdの場合には、供給余力があるため熱源機２(１)〜２(ｎ)の起動順序フローに移行する（Ｓ１０３〜Ｓ１０９）。
具体的には特定蒸気を使用した運転の可否を、各熱源機（ｋ＝１からｋ＝ｎ）について順次判定していく。
以下、フローが進行した状態（ｋ＜ｎ；Ｓ１０４においてＮ）を想定する。供給蒸気量（ΣＳs(i)）と消費蒸気量（ΣＳd(j)）の差ΔＳ（＝ΣＳs(i)−ΣＳd(j)）が、熱源機２(k)の最小能力運転に必要な蒸気量（Ｓd_min(k)）以上か否かが判定される（Ｓ１０５）。

ΔＳ≧Ｓd_min(k)の場合には（Ｓ１０５においてＹ）、さらに熱源機２(k)が運転中であるか否かが判定される（Ｓ１０６）。運転中ではない場合には（Ｓ１０６においてＮ）、優先順位に従って次発対象の熱源機を起動させる（Ｓ１０８）。
Ｓ１０６においてＹ，すなわち熱源機２(k)が運転中の場合には、さらに熱源機２(k)より優先順位下位（ｋ＝ｋ＋１）について（Ｓ１０７）、上述のフロー（Ｓ１０４〜Ｓ１０６）が適用される。

以上の各フロー中、熱源機の起動、停止、増段、減段等に際しては、熱源機タイプにより起動特性、安定化時間等がそれぞれ異なることを考慮して、熱源機タイプごとに予め設定されたステップ移行時間（インターバル）が採用されている（Ｓ１０９）。

なお本実施形態では、Ｓ１０２において特定蒸気の供給余力がない場合に、優先度最下位の熱源機を運転停止する例を示したが、運転停止することなく蒸気ボイラ５の蒸気を使用する形態とすることもできる。さらに、蒸気供給可能な別システムと連系制御する形態とすることもできる。

＜第二の実施形態＞
本実施形態は、図２フローのＳ１０８において、ｋ機起動後のｋ機蒸気弁９の開度制御フローに関する。
ｋ機蒸気弁９は、上限開度をαｋとして ０％≦αｋ≦１００％ の範囲で開度制御される。また、開度を増加又は減少させる場合の幅は、それぞれβ％、γ％に設定されている。なお、β、γは、予め蒸気使用設備の蒸気変化率に対する許容度を考慮して、定めることができる。

図３を参照して、ｋ機起動時において（Ｓ２０１）、ｋ機の蒸気弁の上限開度αｋは０％であるとする（Ｓ２０２）。以下の説明では、制御が進行した状態（上限開度αｋ）を想定する。
制御中は蒸気供給系統１Ａ，熱源機系統１Ｂの蒸気流量計により、ｋ機の消費蒸気量（Ｓd(k)）（Ｓ２０３）、及び、それぞれの各蒸気流量Ｓs(i)，Ｓd(j)が計測される。次いで、蒸気供給系統内の供給蒸気量（ΣＳs(i)）と熱源機系統側の消費蒸気量（ΣＳd(j)）の演算が行われ（Ｓ２０４）、さらに、ｋ機が消費可能な最大蒸気量Ｓd_max(k)の演算が行われる（Ｓ２０５）。ここに、Ｓd_max(k)は下式で示される。
Ｓd_max(k)＝ΣＳs(i)−(ΣＳd(j)−Ｓd(k))

次に、ｋ機について使用可能な最大蒸気量Ｓd_max(k)と、現在消費蒸気量Ｓd(k)との比較が行われ、さらなる使用余地の有無が判定される（Ｓ２０６）。
ΔＳd(k)（＝Ｓd_max(k)−Ｓd(k)）＝０の場合には、現状蒸気弁上限開度αｋが維持される（Ｓ２０７）。
ΔＳd(k)＞０の場合には使用余地があると判定され、蒸気弁上限開度αｋがβ％増加される（Ｓ２０８）。
Ｓd_max(k)＜０の場合には使用余地なしと判定され、蒸気弁上限開度αｋがγ％減少される（Ｓ２０９）。

変更後のαｋにより（Ｓ２１０）、上記Ｓ２０３〜Ｓ２０９のフローが繰り返し行われる。なお、本制御中に、ΔＳ（＝ΣＳs(i)−ΣＳd(j)）＜０の条件に至った場合には、図２のＳ１０２によりｋ機の運転は停止となる。

次に、第一の実施形態における熱源機運転制御システム１の構成を単純化した例により、図２のＳ１０４−Ｓ１０８のフローをさらに詳細に説明する。
本実施例において、蒸気供給系統１Ａは３台の蒸気発生源（ＣＧＳ−１，２）により構成され、各駆動源の発生蒸気量を表２のとおりとする。また、熱源機系統１Ｂは、２台の蒸気焚冷凍機（ＮＣ−１，２）と１台の熱交換器（ＨＥＸ１）により構成されており、運転時消費蒸気量、起動優先順位を表３のとおりとする。なお、蒸気ボイラについては、本制御には関係しないため無視している。
表２より、特定蒸気の最大蒸気供給量ΣＳs(i)は５５０kg/hである。なお、以下では単位表示を省略し、数量表示のみとする。

以下、初期状態（Ｓ１０３においてｋ＝１）において熱源機系統側はＮＣ−１のみ稼働の状態を想定し、その消費蒸気量Ｓd(1)が２５０、４００である２つのケースについて説明する。
（ａ）ケース１（Ｓd(1)＝２５０の場合）
Ｓ１０３においてｋ＝１として、ΣＳs(i)＝５５０、ΣＳd(j)＝２５０であるから、ΔＳ＝５５０−２５０＝３００となり、ΔＳ＞Ｓd_min(1)、すなわちＳ１０５においてＹとなる。

次いで、ｋ機（ｋ＝１）は運転中であるから（Ｓ１０６においてＹ）、ｋ＝２となり（Ｓ１０７）、Ｓ１０４に戻る。ｋ＜３であるから（Ｓ１０４おいてＹ）、さらにＳ１０５に進み、ここでΔＳ＝２５０、Ｓd_min(2)＝２００ より、ΔＳ＞Ｓd_min(2)、すなわちＳ１０５においてＹとなる。この状態を模式的に示すと、図３（ａ）の通りであり、
δ＝ΔＳ−Ｓd_min(2)＞０ より、供給余裕があることが分かる。
さらにｋ機（ｋ＝２）は運転中でないから（Ｓ１０６においてＮ）、ｋ＝２であるＮＣ−２が起動となる（Ｓ１０８）。

（ｂ）ケース２（Ｓd(1)＝４００の場合）
Ｓ１０３においてｋ＝１として、ΣＳs(i)＝５５０、ΣＳd(j)＝４００であるから、ΔＳ＝５５０−４００＝１５０となり、ΔＳ＜Ｓd_min(1)、すなわちＳ１０５においてＮとなる。

次いで、Ｓ１０７にスキップしてｋ＝２となりＳ１０４に戻る。ｋ＜３であるので（Ｓ１０４においてＹ）、Ｓ１０５に移行する。ΔＳ＝１５０、Ｓd_min(2)＝２００ より、ΔＳ＜Ｓd_min(2)（Ｓ１０５においてＮ）、すなわちＮＣ−２は起動不可となる。この状態を模式的に示すと図３（ｂ）の通りとなる。
さらにＳ１０７に進み、ｋ＝２＋１＝３となり、ＨＥＸ−１の起動判定となる。この場合には、ΔＳ＝５５０−４００＝１５０、Ｓd_min(3)＝１００であるから、ΔＳ＞Ｓd_min(3)、すなわちＳ１０５においてＹとなる。ＨＥＸ−１は停止中であるから、これを起動することになる（Ｓ１０８）。この状態を模式的に示すと図３（ｃ）の通りであり、
δ＝ΔＳ−Ｓd_min(3)＞０ より、供給余裕があることが分かる。

本発明は、地域熱供給、業務用・産業用空調・熱供給等、用途を問わず未利用蒸気を駆動源とする冷温水供給システムに広く適用可能である。

１・・・・・熱源機運転制御システム
１Ａ・・・・蒸気供給系統
１Ｂ・・・・熱源機系統
１Ｃ・・・・制御系統
２・・・・・蒸気焚冷凍機
３・・・・・蒸気熱交換器
４・・・・・ＣＧＳ（コージェネレーション・システム）
５・・・・・蒸気ボイラ
６・・・・・供給ヘッダー
７ａ、７ｂ、７ｃ・・・・・蒸気配管
８ａ、８ｂ・・・・・蒸気流量計
９・・・・・蒸気弁
１０・・・・制御部

Claims (3)

1. 異なるエネルギー原単位の蒸気を製造する複数の蒸気発生源と、該蒸気発生源の蒸気により冷温水を製造する複数の熱源機と、を備えた冷温水供給システムにおける熱源機運転制御方法であって、
   特定のエネルギー原単位の蒸気発生源の蒸気（以下、特定蒸気という）のみを該熱源機系統に供給するように、予め設定された起動優先順位に従って、各熱源機の起動・停止制御を行うことを特徴とする冷温水供給システムにおける熱源機運転制御方法。
2. 前記特定蒸気の供給蒸気量総和（ΣＳs）が、現在運転中の熱源機の消費蒸気量総和（ΣＳd）を上回る場合であって（供給余裕蒸気量：ΔＳ＝ΣＳs−ΣＳd＞０）、現在運転停止中の起動優先順位最上位の熱源機（次発熱源機）を起動させる場合において、
   該次発熱源機の運転可能最低蒸気量（Ｓd_min(k)）が、供給余裕蒸気量（ΔＳ）を上回る場合には、
   起動優先順位に拘わらず、最低蒸気量（Ｓd_min(k)）が供給余裕蒸気量（ΔＳ）以下となる熱源機を、順次繰り上げて起動させる、
   ことを特徴とする請求項１に記載の冷温水供給システムの熱源機運転制御方法。
3. 現在運転中の熱源機（ｋ）の能力制御を行う場合において、
   該熱源機（ｋ）の現在消費蒸気量Ｓd(k)と、熱源機（ｋ）が消費可能な最大蒸気量Ｓd_max(k)と、の差に基づいて、
   熱源機ごとに設けた蒸気弁の上限開度（αｋ）を、予め定めた増加又は減少幅（β％、γ％）づつ、所定の時間ごとに増減制御することを特徴とする請求項１又は２に記載の冷温水供給システムの熱源機運転制御方法。
   但し、Ｓd_max(k)＝ΣＳs−(ΣＳd−Ｓd(k))
   
   

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