JP2023160199A - 冷却設備の運転制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】熱負荷の変動に対応する冷却能を、オペレーターが安全率を高く設定せずに安定して発揮でき、省エネを実現可能にした冷却設備の運転制御方法を提供する。【解決手段】本発明の冷却設備の運転制御方法は、熱交換器と循環ポンプと冷却ファンを有する冷却塔とを備え、冷却塔および循環ポンプの運転条件を設定し、受熱流体の出口温度、冷却ファンおよび循環ポンプの消費電力を算出する第１演算工程と、熱交換器の運転条件を設定し、所定の演算を繰り返すことによって、与熱流体の出口温度を算出する第２演算工程と、冷却ファンおよび循環ポンプの出力周波数の組み合わせを変えて入力し、第１および第２演算工程を実行する第３演算工程と、第３演算工程で算出した演算データの中から、与熱流体の出口温度が規定上限値以下でかつ冷却ファンおよび循環ポンプの最適運転条件である特定演算データを抽出する最適運転条件抽出工程と、を含む。【選択図】図１

Description

本発明は、冷却設備の運転制御方法に関する。

発電プラント、化学プラント、冷空調プラント等の設備プラントでは、大量の熱を発生または回収しながらプラントを操業している。これら大量に発生または回収した熱を制御しながらプラントを継続的に安定して操業するためには、水等の各種流体で構成される与熱流体および受熱流体を冷却設備で繰り返し使用して運転している。
従来、冷却ファンを備える冷却塔、循環ポンプ、熱交換機を備える冷却設備では、設備プラントにおけるボイラー等の冷却対象物の熱負荷となる熱量と、設備プラントが設置されている環境の気象条件に応じて冷却設備の省エネ運転を行っている。しかし、省エネ運転を１つの目的とする冷却設備の運転制御方法は、冷却設備の性能による相違および運転管理体制または運営方法の相違によって、以下の３パターンに大別される。

第１の運転制御方法は、冷却ファン、循環ポンプの運転制御機能がなく、常に一定運転するものである。第２の運転制御方法は、熱負荷の熱量、気象条件によって冷却ファンや循環ポンプのインバーター運転を、オペレーターによる各種条件の手動入力によって運転制御するものである。第３の運転制御方法は、熱負荷の熱量、水温に基づき、最適運転値になるよう全自動制御により運転するものである。
これらの運転制御方法のうち、第３の運転制御方法が最も理想的であるが、第３の運転制御方法は、高価な全自動制御システムを導入にすることが必要であり、運用コストに見合う省エネメリットが得られないことから、現在、多くの冷却設備では、第２の運転制御方法が広く採用されている。しかし、従来の第２の運転制御方法においても、十分な省エネルギー（以下、略して「省エネ」という場合がある。）のメリットを達成できていないため、省エネメリットが十分に達成できるような新規な第２の運転制御方法の開発が求められている。

例えば、特許文献１は、冷凍機を有する冷凍機設備と、フリークーリング熱交換器を有するフリークーリング設備と、を備え、前記冷凍機設備および前記フリークーリング設備で製造した冷水を熱負荷設備に供給する熱源システムの運転計画システムであって、前記第１システム効率と前記第２システム効率とを比較し、前記第１システム効率が前記第２システム効率よりも効率がよい場合、前記フリークーリング設備を運転すると判定する前記運転計画判定部を備えている。しかし、いずれも、気象予報を利用するものであるが、運転システムを選択するものであって、積極的に省エネ運転を制御するものではない。
また、特許文献２は、過去の運用データと類似する運用パターンを決定し、ＤＲ要求量を予測する予測部と、決定された運用パターンを用いて空調設備の制御計画を作成し、当該制御計画における電力消費量からＤＲ応答量を決定する受付部とを有し、前記受付部は、少なくとも一つの個別制御計画を作成し、制御計画を作成するエネルギー管理システムである。しかし、気象予報と熱負荷に応じて運転条件を選択し冷却塔の運転制御するエネルギー管理システムであるが、現在の運転状況から類似する運転パターンを決定し制御計画を作成するもので、その場の状態に応じて制御するものではなく、省エネの効果が大きくない。
また、特許文献３は、冷却塔が設置されている地域付近における気温と相対湿度を示す気象データを、インターネットを介して受信する気象データ受信部と、気象データに応じた湿球温度を求める湿球温度算出部と、冷却塔から流出する冷却水の検出温度、および湿球温度に基づいて、冷却塔のファンモータの動作を制御する制御部と、を備えた冷却塔の制御装置である。しかし、気象データを利用して冷却塔のファンの制御するものであって、設備プラントにおける冷却ファン、循環ポンプを含む冷却設備における省エネ運転を制御するものではない。

特開２０１７－１３８０２５号公報 特開２０１９－２１６５２２号公報 特開２０２０－１１５０５４号公報

したがって、本発明の課題は、上記問題点に鑑みて、冷却対象物の熱負荷に応じて、気象予測情報から予め定めた所定期間内における冷却ファンおよび循環ポンプの運転条件の適正化を図ることによって、熱負荷の変動に対応する冷却能を、オペレーターが安全率を過剰に高く設定することなく安定して発揮することができ、省エネを実現可能にした冷却設備の運転制御方法を提供することである。

以下に、本発明の実施形態の特徴を説明する。
（１）冷却対象物から発生した熱を、与熱流体に伝達させる熱交換器と、
伝達した前記与熱流体の熱を、前記熱交換器内を循環する受熱流体に伝達させる循環ポンプと、
伝達した前記受熱流体の熱を、前記受熱流体に対して直接または間接的に接触させる空気を供給するとともに、供給した前記空気を外部に放出することによって放熱する冷却ファンを有する冷却塔と、
を備える冷却設備の運転制御方法であって、
前記冷却設備の運転制御方法は、
前記冷却対象物の熱負荷に応じて、前記冷却塔および前記循環ポンプの運転条件を設定し、前記冷却塔における前記受熱流体の出口温度、前記冷却ファンの消費電力および前記循環ポンプの消費電力を算出する第１演算工程と、
前記熱交換器の運転条件を設定し、前記第１演算工程で算出した結果と前記熱交換器の運転条件とが収束するまで演算を繰り返すことによって、前記熱交換器における前記与熱流体の出口温度を算出する第２演算工程と、
前記冷却ファンおよび前記循環ポンプのそれぞれ変更可能な出力周波数の範囲内で、前記冷却ファンの出力周波数および前記循環ポンプの出力周波数の組み合わせを変えて入力し、前記第１演算工程と前記第２演算工程を実行する第３演算工程と、
前記第３演算工程で算出した演算データの中から、前記熱交換器における前記与熱流体の出口温度が規定上限値以下であり、かつ、前記冷却ファンの消費電力と前記循環ポンプの消費電力とを合計した合計消費電力が最小となるときの前記冷却ファンおよび前記循環ポンプの最適運転条件である特定演算データを抽出する最適運転条件抽出工程と、を含む、冷却設備の運転制御方法。

（２）前記冷却塔の運転条件は、大気圧下における乾球温度および相対湿度を含む気象予測情報から求められる、所定期間内における最大湿球温度を含む、（１）に記載の冷却設備の運転制御方法。
（３）前記冷却塔の運転条件は、前記冷却ファンの稼働台数、前記冷却塔における前記受熱流体の入口温度、および前記冷却塔の効率をさらに含む、（１）に記載の冷却設備の運転制御方法。
（４）前記循環ポンプの運転条件は、稼働台数および前記受熱流体の流量をさらに含む、（１）に記載の冷却設備の運転制御方法。
（５）前記熱交換器の運転条件は、前記熱交換器における前記与熱流体の入口温度および流量、ならびに汚れ係数をさらに含む、（１）に記載の冷却設備の運転制御方法。
（６）前記冷却設備の運転制御方法は、前記冷却ファンおよび前記循環ポンプの最適運転条件である特定演算データと、実際に生じた実測データとを比較し、比較した前記特定演算データと前記実測データとの差が所定値以上大きかった場合に、前記冷却ファン、前記循環ポンプおよび前記熱交換器の稼働状況ならびに前記与熱流体および前記受熱流体の状態を確認するためのメッセージを表示する表示工程をさらに含む、（１）に記載の冷却設備の運転制御方法。

本発明によれば、冷却対象物の熱負荷に応じて、気象予測情報から予め定めた所定期間内における冷却ファンおよび循環ポンプの運転条件の適正化を図ることによって、熱負荷の変動に対応する冷却能を、オペレーターが安全率を過剰に高く設定することなく安定して発揮することができ、省エネを実現可能にした冷却設備の運転制御方法を提供することができる。

本発明の冷却設備の運転制御方法を実施する冷却設備制御支援システムの一実施形態の構成を示す図である。 本発明の冷却設備の運転制御方法における冷却設備の消費電力の最小値を求めるフローチャートを示す図である。 従来の冷却設備の運転制御方法における熱負荷と冷却塔排熱量との関係を示す図である。 本発明の冷却設備の運転制御方法における熱負荷と冷却塔排熱量との関係を示す図である。 冷却設備を５日間稼働させた場合において、本発明の冷却設備の運転制御方法によって制御したときの冷却ファンおよび循環ポンプの合計消費電力と、従来の制御方法によって制御したときの冷却ファンおよび循環ポンプの合計消費電力をプロットしたときのグラフである。

以下に、本発明の実施の形態を説明する。以下の説明は、本発明における実施の形態の一例であって、特許請求の範囲を限定するものではない。

本発明の冷却設備の運転制御方法は、冷却対象物から発生した熱を、与熱流体に伝達させる熱交換器と、伝達した与熱流体の熱を、熱交換器内を循環する受熱流体に伝達させる循環ポンプと、伝達した受熱流体の熱を、受熱流体に対して直接または間接的に接触させる空気を供給するとともに、供給した空気を外部に放出することによって放熱する冷却ファンを有する冷却塔と、を備える冷却設備の運転制御方法であって、冷却対象物の熱負荷に応じて、冷却塔および循環ポンプの運転条件を設定し、冷却塔における受熱流体の出口温度、冷却ファンの消費電力および循環ポンプの消費電力を算出する第１演算工程と、熱交換器の運転条件を設定し、第１演算工程で算出した結果と熱交換器の運転条件とが収束するまで演算を繰り返すことによって、熱交換器における与熱流体の出口温度を算出する第２演算工程と、冷却ファンおよび循環ポンプのそれぞれ変更可能な出力周波数の範囲内で、冷却ファンの出力周波数および循環ポンプの出力周波数の組み合わせを変えて入力し、第１演算工程と第２演算工程を実行する第３演算工程と、第３演算工程で算出した演算データの中から、熱交換器における与熱流体の出口温度が規定上限値以下であり、かつ、冷却ファンの消費電力と循環ポンプの消費電力とを合計した合計消費電力が最小となるときの冷却ファンおよび循環ポンプの最適運転条件である特定演算データを抽出する最適運転条件抽出工程と、を含む。

図１を参照して実施の形態に係る冷却設備の運転制御方法について説明する。図１は、本発明の冷却設備の運転制御方法を実施する冷却装置制御支援システムの一実施形態の構成を示す図である。
冷却設備の消費電力制御システム１００は、図１に示すように、冷却対象物７の熱負荷となるボイラー等の熱源と接続している。さらに、冷却設備の消費電力制御システム１００は、入力装置１、ＬＡＮ回線２２、制御装置４、冷却設備１１０として冷却塔５１、循環ポンプ５２および熱交換器６、その他に給水ポンプ６１を備えている。その他に、冷却設備の消費電力制御システム１００をウェブ上に配置することで、インターネット２、中間サーバー３に接続することができる。

入力装置１は、冷却設備１１０を運転するための運転条件をオペレーター８が入力する入力部１１を有している。オペレーター８が入力した運転条件、および、冷却設備１１０等の運転状況を表示する表示部１２を備えている。
入力装置１は、インターネット２を介さずに直接にＬＡＮ回線２１を通して制御装置４に接続していてもよい。また、入力装置１は、外部のデータサーバー１４とＬＡＮ回線、電話回線等で接続し、必要な気象予測情報を得ることができる。また、入力装置１は、ＬＡＮ回線２２を通してインターネット２に接続していることで制御装置４と接続させてもよい。同様に、インターネット２は、多数の中間サーバー３１、３２に接続していて、例えば、気象予測情報を扱う気象予測サーバー３１、その他に、演算処理をする演算処理サーバー３２、自動制御を処理する中間サーバー（図示せず）などに接続している。その他に、ここに図示しないが、入力装置１の制御状態情報を収集する中間サーバー、制御状態情報に基づき入力装置１の制御状態を解析する中間サーバーなどが設けられていてもよい。

制御装置４は、入力装置１からの運転条件の指示を受信し、その受信内容に従って計算して冷却設備１１０への運転条件を計算する。この計算は、計算する受信・演算部４１と、運転条件を冷却設備１１０の冷却ファン５１、循環ポンプ５２に送信する条件出力部４２を備えている。制御装置４における受信・演算部４１は、分散制御システム（ＤＣＳ）として冷却設備の消費電力制御システム１００の一部を構成する。また、分散制御システム（ＤＣＳ）を備える制御装置４はインターネット２で入力装置１と接続され、相互に通信することで、効率的な制御を実施することができる。

冷却設備１１０は、冷却ファン５１を備える冷却塔５、循環ポンプ５２、受熱流体である冷却水を循環させる循環パイプライン５３、熱交換器６を備えている。冷却設備１１０は、受熱流体を繰り返し利用するために、熱を受けて高温になっている受熱流体を冷却し、繰り返し使用している。ここで、受熱流体は、熱を受けて回収し、次に、熱を放出することができる流体であれば材質は問わない。比熱が高く、液体で使用に便利な水が利用されることが多い（以下、特に断らない限り、受熱流体は「冷却水」と記す。）。

冷却塔５は、冷却水の温度を降温させる冷却ファン５１を備えている。冷却ファン５１は、伝達した冷却水の熱を、冷却水に対して直接または間接的に接触させる空気を供給するとともに、供給した空気を外部に放出することによって放熱する。この冷却ファン５１の回転数、風量を制御するために大量の電力を消費する。また、循環ポンプ５２は、伝達した与熱流体の熱を、熱交換器６内を循環する冷却水に伝達させるため冷却水を循環させている。この循環する冷却水の量を制御するために大量の電力を消費している。また、冷却水は、冷却塔５と熱交換器６との間を輸送パイプライン５３で接続されている。

熱交換器６は、給水ポンプ６１により冷却対象物７で熱を受けて高温になった与熱流体と冷却設備１１０側の冷却水とで熱交換する。与熱流体も多くの場合、水を利用することが多い。熱交換器６で、与熱流体の温度を制御することで、冷却対象物７につながる様々のプラントの操業における能率が大きく左右される。

本発明の冷却設備の運転制御方法は、オペレーター８が、入力装置１に運転条件を入力し、制御装置４を介して冷却設備１１０を運転操業する。このときに、本発明の冷却設備１１０の運転制御方法における冷却水および与熱流体の温度を条件にして、冷却設備１１０における冷却ファン５１の消費電力、循環ポンプ５２の消費電力の合計消費電力が最小となる制御方法を見出した。
図２は、本発明の冷却設備の運転制御方法における冷却設備の消費電力の最小値を求めるフローチャートを示す図である。以下に、この合計消費電力が最小となるフローチャートを説明する。
基本的には、熱交換器６の伝熱量を、式（１）を用いて、調整する冷却水側のパラメータは送水量と送水温度であり、冷却ファン５１および循環ポンプ５２の運転条件を最適化することで、最適な省エネ運転を行うことができる。
式（１）：Ｑ＝Ｕ×Ａ×ΔＴ_ｌｍ
Ｑ：伝熱量
Ｕ：総括伝熱係数
Ａ：伝熱面積
ΔＴ_ｌｍ：対数平均温度差

図２に示すように、始めに、冷却設備の運転開始条件の設定をする（ステップＳ１）。運転開始条件を設定するのは、例えば、冷却ファン５１、循環ポンプ５２、熱交換器６、および循環する与熱流体などが挙げられる。
冷却ファン５１では、冷却ファン５１の設置台数、電動機出力、ファン軸動力、ファン効率、風量、循環水量、冷却塔５の入口温度および出口温度を設定する。このなかで、特に、冷却塔５の出口温度は、熱交換器６に入る与熱流体の温度であり、熱交換器６における熱源からの高温に昇温している与熱流体の冷却に大きく作用する点で非常に重要な項目である。また、気象条件が大きく作用し、熱交換器６の出口温度にも大きく影響を与える。また、冷却ファン５１の設置台数に合わせた電動機出力を設定する。この電動機出力の消費電力の改善を図っている。
また、循環ポンプ５２では、循環ポンプ５２の設置台数、電動機出力、ポンプ効率、吐出量、全揚程、実揚程を設定する。この電動機出力の消費電力を評価し、消費電力の改善を図っている。
また、熱交換器６は、伝熱面積、与熱流体の入口温度・出口温度、与熱流体の出口温度の上限、冷却水の入口温度・出口温度、総括伝熱係数（Ｕ値）を設定する。このなかで、特に、与熱流体の出口温度は、熱交換器６から出る与熱流体の温度であり、熱交換器６における冷却対象物７からの高温に昇温している与熱流体の冷却に大きく作用する点で非常に重要な項目である。
また、冷却対象物７側および冷却設備１１０側の与熱流体の流量、比熱を設定する。与熱流体としては、水を用いることが多い。蒸発熱等の特性も明確であり、特に、比熱が高いことから安定して用いることができる。

次に、冷却ファン５１および循環ポンプ５２側のシミュレーションをする第１演算工程として、冷却対象物７における熱負荷に応じて、冷却ファン５１および循環ポンプ５２の運転条件を設定し、冷却塔５における受熱流体の出口温度、冷却ファン５１の消費電力および循環ポンプ５２の消費電力を算出する（ステップＳ２）。運転条件としては、冷却ファン５１の稼働台数、冷却ファン５１の消費電力、冷却ファン５１の出力周波数、冷却水の循環水量、冷却水の入口水温、冷却塔５の効率、循環ポンプ５２の稼働台数、循環ポンプ５２の消費電力、循環ポンプ５２の出力周波数と気象条件の乾球温度、相対湿度、大気圧から求められる湿球温度がある。このときに、乾球温度、相対湿度、大気圧の気象条件から湿球温度を計算する。冷却ファン５１および循環ポンプ５２側の運転条件としては、大気圧下における乾球温度および相対湿度を含む気象予測情報から求められる、予め定められる所定期間内における最大湿球温度が含まれる。これから、冷却塔出口水温、冷却ファン消費電力、循環ポンプ消費電力を算出する。

冷却ファン５１および循環ポンプ５２側の運転条件としては、予め定められる所定期間内に最大湿球温度の値を入力する。最大湿球温度によって、冷却設備１１０が負うべき冷却対象物７の熱負荷が決定される。この熱負荷を最大に設定することで、冷却設備１１０の能力を過不足なく制御することでき、省エネの効果を得ることができる。以下に、詳細に説明する。

冷却設備の消費電力制御システム１００の中で、従来の冷却設備の運転制御方法は、先に説明した第２の運転制御パターンにおいて、運転条件の変更頻度・程度はオペレーター８の経験に依存している。熱負荷の熱量や気象条件の定量データに基づく判断ではないため、経験豊富なオペレーター８であっても設定ミスによる冷却不足の運転トラブルを起こすリスクがある。
図３は、従来の冷却設備の運転制御方法における熱負荷と冷却塔排熱量との関係を示す図である。横軸は時間を表し、縦軸は熱量を表している。図３に示す左側半図では、従来の冷却設備の運転制御方法における熱負荷と冷却塔排熱量との関係を示す図である。白抜線は、プラントに発生する熱負荷であって、外部に放出すべき熱量である熱負荷を表している。実線は、操業している冷却設備の冷却塔から外部に放出されている冷却塔排熱量を表している。図３に示す左側半図のように、冷却塔から外部に放出している排熱量が、気象条件によって変化しても、白抜線のプラントの熱負荷の熱量が、冷却塔排熱量を超えない限り、冷却設備１１０は安定して操業することができる。

それに対して、例えば、図３に示す右側半図では、冷却設備１１０の発生する熱量に対応して、制御１および制御２をプラントの冷却塔排熱量に仮定する。それに対して、オペレーターは、白抜線のように、気象条件に合わせて冷却設備１１０の操業により可能な熱負荷を設定する。実線に示す冷却塔排熱量は、例えば、一日の気温の変化により、処理できる排熱量が異なってくる。したがって、図３に見られるように、制御１は、省エネを考慮して、冷却塔から外部に放出する排熱量を低めに制御している場合である。また、制御２は、安全率を考慮して冷却塔から外部に放出する排熱量を高めに制御している場合である。制御１では、図３に示すように、冷却塔排熱量が相対的に低い時間帯である、下側に凸の曲線の部分に相当する時間帯が、熱負荷（白抜線）の熱量よりも低い冷却塔排熱量であるため、運転条件として冷却塔排熱量が十分ではなく、冷却不足が発生していることがわかる。これに対して、制御２では、図３に示すように、冷却塔排熱量が相対的に低い時間帯である、下側に凸の曲線の部分に相当する時間帯が、熱負荷（白抜線）の熱量よりも過剰に高くなっていることから、必要以上に冷却しすぎて、エネルギーロスが発生する結果、無駄な電力を消費していることがわかる。

図４は、本発明の冷却設備の運転制御方法における熱負荷と冷却塔排熱量との関係を示す図である。本発明の冷却設備の消費電力制御システム１００では、入力装置１が、外部のデータベース１３またはインターネット２の中間サーバー３１から、予め定める所定期間内の気象予測情報から最大湿球温度を計算して入力し、冷却塔５における冷却ファン５１、循環ポンプ５２の電力の合計値が最小となる運転条件を計算し、制御装置４に運転条件を指示する。

これを具体的に、冷却設備の消費電力制御システム１００を用いて行う本発明の冷却設備の運転制御方法について説明する。オペレーター８が気象予測情報からある時間範囲内の最大湿球温度を計算する。この最大湿球温度を求めることで、冷却設備１１０における熱負荷を求めることができる。予め定めた所定期間内（ここでは、時間ｔで表している。）を図４の右図に破線で示すように、冷却設備１１０の熱負荷を段階的に高くして制御する。その所定期間内では、その時の気象条件により冷却設備１１０の冷却塔排熱量が破線で示すように推移する。本発明の冷却設備の運転制御方法では、気象予測情報に予め定めた所定期間内の最大湿球温度を採用することで、計算上の冷却設備１１０の冷却能力が、予測した予め定めた所定期間内で、常に低くなることで、計算上の冷却塔排熱量は熱負荷を超えることはない。
したがって、第１演算工程では、所定期間内の最大湿球温度を冷却塔側のシミュレーションの条件とし、安定して運転させることができる冷却ファン５１の消費電力、循環ポンプ５２の出力電力を計算することができる。しかし、冷却塔側の入口温度、出口温度だけでは、熱交換器側の温度管理まで計算していないために、冷却設備１１０全体の安定した運転操業の条件となっていない。

次に、熱交換器６側のシミュレーションをする第２演算工程として、熱交換器６の運転条件を設定し、第１演算工程で算出した結果と熱交換器６の運転条件とが収束するまで演算を繰り返すことによって、熱交換器６における与熱流体の出口温度を算出する（ステップＳ３）。熱交換器側の運転条件としては、与熱流体の入口温度および流量、冷却水の入口温度、出口温度および流量、汚れ係数をあげることができる。
ここでは、第２演算工程の結果が第１演算工程に影響する可能性があるため、２つ演算の結果が収束するまで繰返し実行する。

次に、任意条件のもとで反復計算する第３演算工程として、冷却ファン５１および循環ポンプ５２のそれぞれ変更可能な出力周波数の範囲内で、冷却ファン５１の出力周波数および循環ポンプ５２の出力周波数の組み合わせを変えて入力し、第２演算工程と第３演算工程を実行する（ステップＳ４）。

次に、目的条件を抽出する最適運転条件抽出工程として、第３演算工程で算出した演算データの中から、熱交換器６における与熱流体の出口温度が規定上限値以下であり、かつ、冷却ファン５１の消費電力と循環ポンプ５２の消費電力とを合計した合計消費電力が最小となるときの冷却ファン５１および循環ポンプ５２の最適運転条件である特定演算データを抽出する（ステップＳ５）。

次に、冷却設備運転支援システム１００を用いて行った冷却設備１１０の運転制御方法を説明する。初めに、オペレーター８は、入力装置２の入力部２１の計算で、また、受信する制御装置４の受信・演算部４１で、熱負荷側の運転を一定に保った上で、上述したように冷却ファン５１、循環ポンプ５２の電力の合計値が最小となる最適運転条件を計算する。これを、入力装置２の表示部２２で表示する。オペレーター８は表示された最適運転条件を入力装置２から内蔵する分散制御システム（ＤＣＳ）を備える制御装置４に入力し、運転制御を行う。用いる最適運転条件は、次回の運転制御を行うまでの予め定めた所定期間内の湿球温度が最大となる値を採用する。したがって、予め定めた所定期間を経過後は、再度、同様の計算をして運転条件を計算し、オペレーター８が入力装置２から最適運転条件である特定演算データ入力し、これを繰り返して冷却設備１１０の運転を制御する。

また、冷却設備１１０の運転制御方法は、入力装置１が、冷却水の運転状態を確認することをオペレーター８に警告する。入力装置１、制御装置４、インターネット２上の中間サーバー３１のいずれかには、冷却塔５、熱交換器６の運転状態に関する情報、運転状態の解析結果を収集する記録装置を設けられている。冷却ファン５１および循環ポンプ５２の最適運転条件である特定演算データと、実際に生じた実測データとを比較し、比較した特定演算データと実測データとの差が所定値以上大きかった場合に、冷却ファン５１、循環ポンプ５２および熱交換器６の稼働状況ならびに与熱流体および冷却水（受熱流体）の状態を確認するためのメッセージを表示する表示工程をさらに備える。

この収集している情報と異なる運転状態の情報が見出された場合に、その異常な状態を表示部１２上に表示することで、オペレーター８に警告するようにすることができる。
また、入力装置１から離れた制御装置４で、冷却水の冷却塔５、与熱流体の熱交換器６に異常な状態を検知した場合に、制御装置４から入力装置１のオペレーター８に、異常を知らせ、入力装置１の制御条件の変更を促す警告を出すことができる。これによって、オペレーター８は、インターネット２を介して現場に対し迅速かつ的確に運転条件を変更することができる。また、この際、ＬＡＮ回線２１によってインターネット２を介さずに運転条件を変更することができる。

以上説明したように、最大湿球温度から予め定めた所定期間内の冷却設備１１０が実施すべき熱負荷を計算し、次に、熱負荷を実施するための冷却設備１１０である冷却ファン５１と循環ポンプ５２の消費電力合計が最小となる条件を計算して、この運転条件を入力して、冷却設備を最小のエネルギーによる省エネで運転することができる。

以下に本発明の形態とその効果を、具体的な実施例で詳細に説明する。ここで記載する実施例は本発明の形態の一例を示すものであって、下記の実施例を以って本発明の範囲や効果を制限するものではない。
この実施例は、冷却対象物を有する仮想プラントでシミュレーションを、以下に示す順序で実施した。

仮想プラントとは、機器としては、冷却ファン、循環ポンプ、熱交換器、および循環する冷却水、与熱流体を備えている。また、気象予測情報は、ある地域の５日間における実際の気象データを用いて、１日１回の湿球温度を計算した。制御する予め定めた所定時間としては、０：００から２４：００までの２４時間とする。
表１に１～５日目の湿球温度の最大値と時刻を示している。
表１に示す最大湿球温度によって、下記シミュレーションを実施した。以下は、1日目の最大湿球温度２１℃において、冷却塔における受熱流体（冷却水）の出口温度（℃）を制御した場合と、熱交換器における与熱流体の出口温度（℃）を制御した場合とをそれぞれ比較例、実施例として示している。実際の操業では冷却塔の運転調整で熱交換器の冷却を制御することは困難である。

（比較例）
運転条件としては、比較例（従来技術）は、冷却塔出口水温の管理上限温度を３２℃に設定し、循環ポンプの出力周波数を定格（一定）で動作させ、冷却ファンの周波数で調整した。このときに、冷却塔出口水温を３２．００℃以下になる冷却ファンの周波数と循環ポンプの出力周波数が冷却設備を安定して動作できる温度であると設定した。その結果を表２に示している。安定して動作する範囲を太い破線で囲んでいる。

さらに、表３は、表２の結果に対応した冷却ファンの周波数と循環ポンプの周波数の値を示している。ここで、実際の現地における運転操業では、詳細な計算または設定する時間がなく、冷却ファンの周波数と循環ポンプの周波数のいずれかを定格のまま作動させて、冷却ファンの周波数と循環ポンプの周波数の一方を制御して冷却水の温度を合わせている。また、このときに、冷却塔出口水温を３２．００℃以下になる冷却ファンの周波数と循環ポンプの周波数の値のみを表３に示している。したがって、冷却塔出口水温を３２．００℃以上では斜線を引いている。
ここでは、合計消費電力として、循環ポンプの出力周波数が最大値５０Ｈｚの定格で運転した時の消費電力を、合計消費電力の最小値としている。これは、実際の操業において、オペレーターが冷却ファンと循環ポンプとの双方を検討して合計消費電力の最小値を計算することは困難であり、運転制御が必要な場合は、冷却ファンと循環ポンプのいずれかを定格に固定して、他方の周波数を変えて合計消費電力の最小値を計算していることに依拠している。したがって、比較例は、冷却塔出口水温を３２．００℃以下になるように循環ポンプの出力周波数は５０Ｈｚに固定し、冷却ファンの出力周波数が４４Ｈｚで制御した時の冷却ファンと循環ポンプの合計消費電力の最小値は０．３７ＭＷになる。

(実施例)
また、実施例は、熱交換器の与熱流体出口温度の上限温度を７０℃に設置し、冷却ファンと循環ポンプのインバーター制御にて調整し、熱交換器の与熱流体出口温度を７０．００℃以下にする冷却ファンの周波数と循環ポンプの周波数の値を決定した。その結果を表４に示している。安定して動作する範囲を太い破線で囲んでいる。

表５は、表４の結果に対応して、熱交換器の与熱流体出口温度の上限温度を７０℃以下になった時の冷却ファンの周波数と循環ポンプの周波数の値のみを示している。与熱流体出口温度の上限温度を７０℃以上では、斜線を引いている。この表５に示すように、冷却ファンの周波数と循環ポンプの周波数で計算して、最小の消費電力を計算することができる。本発明の実施例は、比較例と異なり、オペレーターが冷却ファンと循環ポンプとの双方を検討して合計消費電力の最小値を計算することが容易にできることから、冷却ファンの出力周波数が３５Ｈｚ、循環ポンプの周波数が４７Ｈｚの時に合計消費電力の最小値０．２８ＭＷと計算することができる。

次に、表６は、1日目には表１～表５に示した結果から、比較例（従来技術）と実施例における、冷却ファンと循環ポンプの出力周波数とそれぞれの消費電力を示している。さらに、表６は、２～５日目も同様のシミュレーションを行って演算した冷却ファンと循環ポンプの出力周波数とそれぞれの消費電力を示している。また、この結果を図５に示している。

表６および図５より、１～５日目までの間でいずれの日も、実施例の方が比較例（従来技術）に比べて消費電力が少なくなった。
このことから、本発明の冷却設備の運転制御方法を用いることで、熱負荷の変動に対応する冷却能を安定して発揮することができ、省エネルギーが達成できていることがわかった。

１ 入力装置
１１ 入力部
１２ 表示部
２ インターネット
２１、２２ 接続回線
３ 中間サーバー
４ 制御装置
４１ 受信・演算部
４２ 条件出力部
５ 冷却塔
５１ 冷却ファン
５２ 循環ポンプ
５３ 循環パイプライン
６ 熱交換器
６１ 給水ポンプ
７ 冷却対象物
８ オペレーター
１００ 冷却設備の消費電力制御システム
１１０ 冷却設備

Claims (6)

1. 冷却対象物から発生した熱を、与熱流体に伝達させる熱交換器と、
   伝達した前記与熱流体の熱を、前記熱交換器内を循環する受熱流体に伝達させる循環ポンプと、
   伝達した前記受熱流体の熱を、前記受熱流体に対して直接または間接的に接触させる空気を供給するとともに、供給した前記空気を外部に放出することによって放熱する冷却ファンを有する冷却塔と、
   を備える冷却設備の運転制御方法であって、
   前記冷却設備の運転制御方法は、
   前記冷却対象物の熱負荷に応じて、前記冷却塔および前記循環ポンプの運転条件を設定し、前記冷却塔における前記受熱流体の出口温度、前記冷却ファンの消費電力および前記循環ポンプの消費電力を算出する第１演算工程と、
   前記熱交換器の運転条件を設定し、前記第１演算工程で算出した結果と前記熱交換器の運転条件とが収束するまで演算を繰り返すことによって、前記熱交換器における前記与熱流体の出口温度を算出する第２演算工程と、
   前記冷却ファンおよび前記循環ポンプのそれぞれ変更可能な出力周波数の範囲内で、前記冷却ファンの出力周波数および前記循環ポンプの出力周波数の組み合わせを変えて入力し、前記第１演算工程と前記第２演算工程を実行する第３演算工程と、
   前記第３演算工程で算出した演算データの中から、前記熱交換器における前記与熱流体の出口温度が規定上限値以下であり、かつ、前記冷却ファンの消費電力と前記循環ポンプの消費電力とを合計した合計消費電力が最小となるときの前記冷却ファンおよび前記循環ポンプの最適運転条件である特定演算データを抽出する最適運転条件抽出工程と、
   を含む、冷却設備の運転制御方法。
2. 前記冷却塔の運転条件は、大気圧下における乾球温度および相対湿度を含む気象予測情報から求められる、所定期間内における最大湿球温度を含む、請求項１に記載の冷却設備の運転制御方法。
3. 前記冷却塔の運転条件は、前記冷却ファンの稼働台数、前記冷却塔における前記受熱流体の入口温度、および前記冷却塔の効率をさらに含む、請求項１に記載の冷却設備の運転制御方法。
4. 前記循環ポンプの運転条件は、稼働台数および前記受熱流体の流量をさらに含む、請求項１に記載の冷却設備の運転制御方法。
5. 前記熱交換器の運転条件は、前記熱交換器における前記与熱流体の入口温度および流量、ならびに汚れ係数をさらに含む、請求項１に記載の冷却設備の運転制御方法。
6. 前記冷却設備の運転制御方法は、前記冷却ファンおよび前記循環ポンプの最適運転条件である特定演算データと、実際に生じた実測データとを比較し、比較した前記特定演算データと前記実測データとの差が所定値以上大きかった場合に、前記冷却ファン、前記循環ポンプおよび前記熱交換器の稼働状況ならびに前記与熱流体および前記受熱流体の状態を確認するためのメッセージを表示する表示工程をさらに含む、請求項１に記載の冷却設備の運転制御方法。

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