JP2736348B2 - 冷却塔の省動力運転制御方法 - Google Patents

冷却塔の省動力運転制御方法

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JP2736348B2 JP59014065A JP1406584A JP2736348B2 JP 2736348 B2 JP2736348 B2 JP 2736348B2 JP 59014065 A JP59014065 A JP 59014065A JP 1406584 A JP1406584 A JP 1406584A JP 2736348 B2 JP2736348 B2 JP 2736348B2
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    • F28HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28FDETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F27/00Control arrangements or safety devices specially adapted for heat-exchange or heat-transfer apparatus
    • F28F27/003Control arrangements or safety devices specially adapted for heat-exchange or heat-transfer apparatus specially adapted for cooling towers

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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は,定風量タイプの冷却塔の稼動台数と可変風
量タイプの冷却塔の風量の両方を制御することにより必
要動力を最小限にする冷却塔の運転方法に関する。 従来,冷却塔の性能向上に関する努力は,充填物の熱
交換性能の向上,送風機の効率の向上,通気・散水抵抗
の低減などに向けられ,その運用技術の改善は等閑に付
されてきた感じがある。例えば冷却塔の冷却能力は外気
状態によって変化するのであるが,工業的冷却塔のよう
に負荷が年間を通じて存在する場合には冷却塔を数セル
に分割してその運転台数を制御することによってこれに
対応する運転処方が通常採用されているが,このような
台数制御による運転では,段階的な能力制御となること
のほかに,プロセス側の負荷変動や外気変動に対応した
運転を手動で行うことは困難であるため,必要とされる
以上の台数の冷却塔を運転して,プロセスへの送水温度
がその上限値を越えないような運転法を採らざるを得な
い状況にあった。 もし,これらの変動に対応できる連続的な能力制御型
の冷却塔が実現できれば,不必要なエネルギー消費を回
避した運転が可能となり,極めて大きな省動力が達成で
きるであろう。 本発明はこの要求を満足することを目的としてなされ
たものであり,定風量タイプの冷却塔と可変風量タイプ
の冷却塔を組合せ,前者の稼動台数制御と後者の風量制
御の両方を,動力費が最少になるように制御する運転方
法を提供するものである。 一般に,冷却塔は,水と空気を直接接触させて熱交換
するものであり,エンタルピー;〔kcal/kg′〕基準で
熱的設計が行われる。エンタルピー基準の伝熱係数をK
とすると、交換熱量Q〔kcal/h〕は,(1)式で表せ
る。 dQ=Ka(iw−i)dV ・・・(1) ただし, K :エンタルピー基準伝熱係数〔Kcal/m2hΔi〕 a :充填物単位容積当り接触面積〔m2/m3〕 i,iw:空気,水のエンタルピー〔kcal/kg′〕 この交換熱量は,また次の(2)式でも表せる。 dQ=L・Δtw=G・Δi ・・・(2) ただし, L:水量〔kg/h〕,G:空気量〔kg/h〕 Δtw:水側温度差〔℃〕(比熱1.0として) Δi:空気側エンタルピー〔kcal/kg′〕 この(1)式と(2)式を積分して,水側,空気側そ
れぞれに, が得られ,(3)式を塔特性値(Tower Characteristi
c),(4)式を移動単位数(Number of Transfer Uni
t)と称する。またKaをエンタルピー基準総括容量伝熱
係数〔Kcal/m3hΔi〕としている。 これらの値は,すべて実験的に求められるものであ
り,充填物の種類,水負荷L/A〔Kg/m2h〕,空気負荷G/A
〔Kg/m2h〕によって異なった値を示す。実験値はN(=
L/G:水・空気比)で整理され,設計に供されている。 ところで,冷却塔の基本は,前述のように外気と水と
の熱交換である。外気状態はつねに変動するが,冷却塔
の外気設計条件は,湿球温度tG1′〔℃〕≒エンタルピ
ーi1〔Kcal/Kg′〕のみで与えられ,我国では特別な地
域を除くと,この値として25〜27℃が用いられている。 しかしながら,このような湿球温度の出現は年間を通
じて極めて稀であり,多くの場合,1%以下である。外気
湿球温度が低下すれば,当然,塔内伝熱熱量も増大して
冷却塔出口水温tw1〔℃〕も下がってくる。 一例として,冷却塔入口室温tw1=45℃,出口水温tw2
=31℃,湿球温度tG1′=27℃にて設計された塔で,入
口水温tw1を一定として,湿球温度tG1′が低下した場合
の出口水温tw2を,塔特性値を用いて算出した結果を第
1図に示したが,例えば湿球温度tG1′=0℃のとき,
入口水温45℃で,出口水温は21℃にもなる。このとき,
湿球温度の年間出現率に着目すると,これは第1図の上
部に示したが(関西地方5ケ年の湿球温度出現時間を集
計したものを百分率で表示している),これより,冷却
塔設備では,年間運転時間のほとんどを,設計条件に対
してかなり余裕のある状態で運用されていることが推定
できる。 したがって,一定温度レベル以下の冷却水温度を必要
なプロセスにおいて,外気あるいは負荷の変動に応じて
水量または空気量を制御して水温を一定に保つようにす
れば,動力の無駄をなくすることができる。前出の設計
条件の冷却塔において出口水温31℃を一定という条件
で,tG1′に応じた必要空気量Gを求めると第2図に示す
ような結果となる。第2図は,水量Lを一定として,縦
軸に,設計空気量G0に対する必要空気量Gの比率を,ま
た横軸に湿球温度tG1′を示しているが,これより,湿
球温度が僅かに低下しても,必要空気量はかなり少なく
なることがわかる。ファン動力は,ファン比例法則によ
り,空気量の3乗に比例することから,この必要空気量
の減少は非常に大きな動力節減に結びつく(第2図の動
力比の曲線参照)ことになる。そして,第1図の湿球温
度の出現分布を合わせ見るとその効果の大きさはより明
確である。 一方,年間を通すと割合フラットな分布を示す湿球温
度の出現率も,月別に整理すると,第3図に示すような
ものとなり,季節ごとに特徴のある分布を示す。従来よ
り,複数セルの冷却塔設備をもつユーザーでは,これら
の減少に対処するために,運転ファンの台数制御という
方法を採ってきたが,その多くは,シーズンごとの手動
台数制御であり,極めて粗い操作となっていた。例えば
第4図は,夏期の一日の湿球温度の変動を表している
が,手動台数制御でこれを吸収するのは,ほとんど不可
能である。 本発明は,以上のような基本原則のもとに,負荷状況
に応じた能力制御を行い,変動する外気条件を吸収する
ことによって冷却塔消費動力の節減を図るとともに,時
間的変動に対応した能力運転制御法を提供しようとする
ものであり,ある負荷系統に対して一定レベル以下の温
度の冷却水を供給するための冷却塔を,各々独立運転可
能な複数の冷却塔群に分割してなる冷却塔設備におい
て,この冷却塔群のうち複数基を可変風量機構(例えば
冷却塔ファンの翼ピッチ角を変化させる機構または冷却
塔ファンの電動モータの回転数をインバータによって変
化させる機構などの無段階能力制御機,他の複数基を定
風量の非能力制御機に構成し,マイクロコンピューター
によって或る負荷状態での冷却塔の必要な運転能力を該
冷却塔群への入口水温と外気湿球温度を基にして計算
し,この計算された運転能力を最小動力で満たすに必要
な非能力制御機の台数と能力制御機で処理すべき能力と
を該コンピユーターによって演算し,この演算に基づき
非能力制御機の稼働台数と共に複数台の能力制御機の風
量を同時に(同一容量で)フィードフォワード制御する
ことを特徴とするものである。 本発明に従う最適台数の選定並びに能力制御機の制御
値について,以下に詳述する。 ある冷却塔設備における全塔数をNT,そのうち能力制
御機の設置される塔数をNVとする。説明を簡単にするた
めに,各塔の特性が同一であるとし,かつ最大能力を1
〔Kcal〕とすれば,設備全体の最大能力はNT〔Kcal〕で
ある。 このとき,ある負荷状態でZ〔Kcal〕の能力が必要で
あるとする。Zは実数であり,〔Z〕をZの整数部とし
て整数(非能力制御機〕の少数(能力制御機)に分割
し, と表す(この式を(5)式と呼ぶ)。ここに,iは能力制
御機の稼動台数であり,この(5)式の右辺第1項が非
能力制御機で処理すべき能力,右辺第2項が能力制御機
で処理すべき能力と表現する。 非能力制御機と能力制御機の組合せによって,得られ
る動力値は異なった値となり,最少動力を示す組合せを
求めることが必要となる。 ここで,1つの能力制御機の能力X〔Kcal〕と,冷却塔
群の総合計動力Rx〔Kw〕の関係は, Px=ao+a1X+a2X2+・・anXn ・・(6) に近似でき,能力は0≦X≦1であるから,ao+a1+a2
・・an=1とすると,動力は0≦Px≦1となる。 (6)式を用いると,(5)式の時の動力は, となる。ただし,複数の能力制御機は同時制御され,ま
た 0≦K≦NV−1 ・・・(8) K+1≦ik≦NV ・・・(9) である。 この時,(7)式を最少にするようなKとikを求める
ことによって,設備全体で最適なファン稼動・組合せが
定まる。Pzは比例定数,ao・・anは定数項であり,動力
と冷却塔運転台数の関数として予め求められる。 この制御のフローを第5図に示した。この制御フロー
を説明すると, .DIPスイッチにより,セットしてあるシステム定数を
メモリ内に読み込む。 .システムの立ち上げ時には,冷却塔群入口水温T1
外気湿球温度TWとにより冷却負荷を計算し,その最大能
力で運転を開始する。 .その後,冷却塔群出口水温T2を入力し計算値と比較
して塔定数α,βを補正する。この塔定数の補正を塔特
性補正ルーチンと呼ぶ。塔特性は次式で近似する。 U/N=KaV/L=α×Nβ(αとβは定数) 補正ルーチンはこのα,βを補正する。 .冷却塔群入口水温T1と外気湿球温度TWを入力する。 .冷却塔群入口水温T1と外気湿球温度TWから所要熱量
を計算する。 .所要熱量から所要動力を計算する。 .所要動力から(7)式に従って解析し,非能力制御
機台数([Z]=NT−ik),能力制御機台数(ik),能
力制御機容量(風量)〔(Z+K−[Z])/ik)の最
適値を決定する(能力制御機と非能力制御機の最適台数
NOおよび能力制御機の最適風量NQを決定する)。 .能力制御機と非能力制御機の最適台数NOおよび能力
制御機の最適風量NQを出力する。 .その後、冷却塔群出口水温T2を入力し,設定温度TT
より低い場合には,能力制御機の容量を微調整するため
にPI制御を行ない(第5図の右側), .冷却塔群入口水温T2が設定温度TTより高い場合には
P塔特性の補正を行う。 第5図右側のP1制御では,冷却塔群入口水温T1,冷却
塔群出口水温T2,外気湿球温度TWを入力し,出口水温T2
が設定値TTに対して制御偏差εの許容範囲であるか否か
を判断し,許容範囲を超えていれば,その原因が風量Q
が最大風量QHに等しいかそれ以上,或いは最少風量QLに
等しいかそれ以下となっていることにある場合には,前
項に戻る。そうでない場合には,PI制御操作量を計算
し,制御風量を出力し,出口水温T2が設定値TTに対し制
御偏差ε内に納まるようにする。
【図面の簡単な説明】 第1図は関西地方での年間湿球温度の出現率と湿球温度
が変化したときの冷却塔出口水温の変動を示す関係図,
第2図は外気湿球温度と冷却塔の必要風量との関係図,
第3図は関西地方の湿球温度の月別分布を示す図,第4
図は関西地方の夏期における気象条件を示す図,第5図
は本発明方法に従う制御フロー図,である。
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭55−56599(JP,A) 特開 昭59−157495(JP,A) 特開 昭55−143398(JP,A)

Claims (1)

  1. (57)【特許請求の範囲】 1.ある負荷系に対して一定レベル以下の温度の冷却水
    を供給するための冷却塔を各々独立運転可能な多数の冷
    却塔群に分割してなる冷却塔設備において、この冷却塔
    群のうちその複数基を可変風量機構をもつ能力制御機、
    他の複数基を定風量の非能力制御機に構成し、マイクロ
    コンピューターによって或る負荷状態での冷却塔の必要
    な運転能力を該冷却塔群への入口水温と外気湿球温度を
    基にして計算し、この計算された運転能力を最小動力で
    満たすに必要な非能力制御機の台数と能力制御機で処理
    すべき能力の組合せを、能力制御機の冷却能力の高次近
    似式で表された全送風動力値が最小になるように該コン
    ピューターによって演算して求め、この演算に基づき非
    能力制御機の稼働台数と共に複数台の能力制御機の風量
    を同時にフィードフォワード制御することを特徴とする
    冷却塔の省動力運転制御方法。
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