JP5495499B2 - ターボ冷凍機および冷凍システムならびにこれらの制御方法 - Google Patents
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Description
このような冷凍システムでは、外部負荷から要求される熱負荷が小さい低熱負荷時であっても運転を継続したいという要求がある。低熱負荷であっても運転を継続する方法としては、特許文献1及び2に記載された技術が知られている。
すなわち、本発明にかかるターボ冷凍機は、冷媒を圧縮するターボ圧縮機と、圧縮された冷媒を凝縮させる凝縮器と、凝縮された冷媒を膨張させる膨張弁と、膨張された冷媒を蒸発させ、冷水を冷却する蒸発器と、該蒸発器にて冷却された前記冷水の温度である冷水出口温度を所望値となるように運転を制御する冷凍機側制御部とを備えたターボ冷凍機において、前記冷凍機側制御部には、前記冷水の出力先から目標熱負荷が与えられ、前記冷凍機側制御部は、前記目標熱負荷が定格の20%以下でかつ外部負荷に供給される前記冷水の温度に影響を与えない程度の小さな熱負荷を出力する待機運転を行う場合に、前記蒸発器に流入する前記冷水の現在の温度である現在値冷水入口温度と、目標の冷水出口温度である目標冷水出口温度とに基づいて、該目標冷水出口温度および前記目標熱負荷を満足する前記冷水の目標冷水流量を出力することを特徴とする。
そこで、本発明は、冷凍機側制御部が、現在値冷水入口温度と目標冷水出口温度に基づいて、目標熱負荷を満足する目標冷水流量を出力することとした。この目標冷水流量に基づいて冷水がターボ冷凍機に供給されれば、目標熱負荷が低い場合であっても目標冷水出口温度に温度制御できる温度調節運転が実現される。
なお、ターボ冷凍機の停止動作を行う現在値冷水流量の閾値については、目標冷水流量に応じて変化させることが好ましい。例えば、目標冷水流量の60%といったように所定割合の流量を下回った場合に停止動作を行うこととする。これにより、目標冷水流量に応じ適切に閾値を設定することができる。ただし、定格流量の2%といったように極低流量となった場合には必ず停止動作を行うこととして機器の保護を図る。
さらに、バックアップとして、蒸発器の液冷媒温度や、現在の冷水出口温度を用いることとしても良い。
「温度調節手段」としては、ターボ圧縮機の冷媒ガス吸込口に設けられた吸込冷媒ガス量の調整を行う入口ベーン(容量制御用のインレットガイドベーン)が挙げられる。
そこで、本発明は、冷凍機側制御部が、現在値冷水入口温度と目標冷水出口温度に基づいて、目標熱負荷を満足する目標冷水流量を出力することとした。この目標冷水流量に基づいて冷水がターボ冷凍機に供給されれば、目標熱負荷が低い場合であっても目標冷水出口温度に温度制御できる温度調節運転が実現される。
図1には、一実施形態にかかる冷凍システムの全体構成が示されている。
冷凍システム1は、ビルや工場設備に設置される。この冷凍システム1は、空調機やファンコイル等の外部負荷3に供給する冷水に対して冷熱を与える第1乃至第3のターボ冷凍機11,12,13を3台備えている。これら第1乃至第3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。
なお、冷水ポンプについては、各冷凍機に対して複数台設けた構成とし、回転数可変だけでなく台数制御により可変流量制御を行うようにしても良い。
冷水ポンプ21,22,23の制御は、冷凍システム1全体の制御を統括する設備側制御部によって行われる。
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、各ターボ冷凍機11,12,13に送られる。
第1冷水ポンプ21と第1ターボ冷凍機11との間から分岐して、バイパス回路33へと接続される第1バイパス流路25が設けられている。第1バイパス流路25には、冷水流量を計測する第1バイパス流量計26、及び、第1バイパス弁27が設けられている。第1バイパス流量計の出力は、設備側制御部40(図2参照)へと送られる。第1バイパス弁27は、設備側制御部によってその開度が制御される。
第1ターボ冷凍機11の上流側の冷水配管には、第1ターボ冷凍機11へと流入する冷水温度を計測するための第1冷水入口温度センサ29が設けられている。この第1冷水入口温度センサ29の出力は、設備側制御部40へと送られる。
リターンヘッダ32の上流側の冷水配管には、外部負荷3から戻される冷水の温度を検出するための温度センサ29bが設けられている。
設備側制御部40からは、目標熱負荷、目標冷水出口温度、現在値冷水入口温度が冷凍機側制御部42へと送られる。
目標熱負荷は、サプライヘッダ31にて合流する冷水温度に影響を与えない程度に許容できる熱負荷を意味する。すなわち、増段する際に併入しようとするターボ冷凍機が要求される冷水出口温度(目標冷水出口温度)を満足しつつ、他のターボ冷凍機から供給された冷水が合流するサプライヘッダ31の冷水温度に影響を与えない程度の熱負荷を意味する。
目標冷水出口温度は、外部負荷3が要求する冷水温度に依存し、設備側制御部において決定される。
現在値冷水入口温度は、現在における冷水入口温度を意味し、第1冷水入口温度センサ29から設備側制御部40が所定周期にて得ている。
Q=(Ti−To)×G×γ×λ ・・・・・(1)
ここで、γは、冷水出入口の平均温度における冷水の比重、λは、冷水出入口の平均温度における冷水の比熱を意味する。
ターボ冷凍機の増段時を例として説明する。具体的には、第2ターボ冷凍機12及び第3ターボ冷凍機13が起動しており、第1ターボ冷凍機11が併入前となっている状態を想定して説明する。
第2ターボ冷凍機12及び第3ターボ冷凍機13によって例えば8℃とされた目標冷水出口温度が維持されている。例えば通り雨が近づき急激な湿度上昇が予想されるといったように、近い将来に導入外気の湿度上昇により除湿のための熱負荷が急激に増大することが予測される場合には、設備側制御部40からの指令により、起動指令があれば即座に熱負荷を出力できるように第1ターボ冷凍機11は早期起動用待機モードに入る。この早期起動用待機モードは、目標冷水出口温度の冷水を供給する一方で、外部負荷へ影響を与えない程度の小さな熱負荷を出力しながら待機運転を行うものである。このときの熱負荷は、例えば定格の20%以下、好ましくは定格の10%以下といった超低負荷とされる。
例えば、冷水出入口の定格温度差が5℃で、現在値冷水入口温度が8℃、目標冷水出口温度が5℃、目標熱負荷が2%の場合には、次のようになる。定格温度差5℃に対して現在の温度差が8℃−5℃=3℃となるので、冷水流量が定格の場合には、3/5×100%=60%の出力でターボ冷凍機は運転されることとなる。一方、要求される目標熱負荷が2%なので、熱出力を2/60×100%=3.3%に絞る必要があるので、目標冷水流量は定格流量の3.3%ということになる。
このように得られた目標冷水流量は、冷凍機側制御部42から設備側制御部42へと出力される。
設備側制御部42は、この目標冷水流量を実現するように、第1冷水ポンプ21および第1バイパス弁27をフィードバック制御する。
この状態で第1ターボ冷凍機11は運転され、将来の急激な負荷上昇に備える。
例えば通り雨が到来し、除湿のために急激な負荷上昇が設備側制御部40から要求されると、第1ターボ冷凍機11は、既に目標冷水出口温度に調整されているので、速やかに負荷を上げることができる。
冷凍機側制御部42は、設備側制御部40から現在の冷水流量(現在値冷水流量)を得ることとする。そして、現在値冷水流量が目標冷水流量から求められる閾値を下回った場合には、冷水が伝熱管内で止まって凍結するおそれがあると判断して、ターボ冷凍機の停止動作を開始する。
閾値の設定は、具体的には、図3のように行う。同図において、横軸は、目標冷水流量であり、定格時の冷水流量に対する百分率で示してある。縦軸は、ターボ冷凍機の停止動作を開始する冷水流量の閾値である。
同図に示されているように、定格の30%以下の目標冷水流量となると、目標冷水流量の60%を閾値とする。したがって、定格30%流量のときは、その60%の18%が閾値となる。このように、目標冷水流量に応じて閾値を変化させることができるので、運転状態に応じた適切な閾値を設定することができる。
しかし、目標冷水流量がさらに低下していっても、閾値が2%を下回らないようにする。このようにして、絶対的な下限となる閾値を設けることにより機器の保護を図る。
さらに、センサの故障等のバックアップのために、蒸発器の液冷媒温度や、現在の冷水出口温度を用いることとしても良い。
冷水の温度制御は、IGVの開度を変化させることによって行う。このIGV開度は、現在値冷水出口温度をフィードバック制御(例えばPID制御やPI制御)することによって与えられる。このフィードバック制御の際の制御出力の感度を、現在値冷水流量の低下に応じて落とすこととする。
通常の定格運転では、IGV開度を得る際の制御ゲインは、冷水流量が定格の場合を基準として設定されたものが用いられる。しかし、早期起動用待機モードでは、冷水流量が定格よりも大幅に小さくなるので、定格時の制御ゲインを用いると感度が過剰となりすぎてオーバーシュートしてしまうおそれがある。そこで、現在値冷水流量の低下に応じて、IGV開度を得る際のフィードバック制御出力の感度を落とすこととして、制御性を確保するようになっている。例えば、比例ゲインを冷水流量に反比例させることとする。あるいは、積分ゲインの積分時間を冷水流量に反比例させても良い。
また、ターボ冷凍機の段数については、本実施形態の3段に限定されるものではなく、2段あるいは4段以上であっても良い。
また、上述の早期起動用待機モードが可能なターボ冷凍機は1台のみであってもよく、また一部の複数台のターボ冷凍機でもあってもよく、さらには全台のターボ冷凍機であっても良い。
11 第1ターボ冷凍機
12 第2ターボ冷凍機
13 第3ターボ冷凍機
21 第1冷水ポンプ
22 第2冷水ポンプ
23 第3冷水ポンプ
24 第1冷水流量計
25 第1バイパス流路
26 第1バイパス流量計
27 第1バイパス弁
29 第1冷水入口温度センサ
33 バイパス回路
40 設備側制御部
42 冷凍機側制御部
Claims (7)
- 冷媒を圧縮するターボ圧縮機と、圧縮された冷媒を凝縮させる凝縮器と、凝縮された冷媒を膨張させる膨張弁と、膨張された冷媒を蒸発させ、冷水を冷却する蒸発器と、該蒸発器にて冷却された前記冷水の温度である冷水出口温度を所望値となるように運転を制御する冷凍機側制御部とを備えたターボ冷凍機において、
前記冷凍機側制御部には、前記冷水の出力先から目標熱負荷が与えられ、
前記冷凍機側制御部は、前記目標熱負荷が定格の20%以下でかつ外部負荷に供給される前記冷水の温度に影響を与えない程度の小さな熱負荷を出力する待機運転を行う場合に、前記蒸発器に流入する前記冷水の現在の温度である現在値冷水入口温度と、目標の冷水出口温度である目標冷水出口温度とに基づいて、該目標冷水出口温度および前記目標熱負荷を満足する前記冷水の目標冷水流量を出力することを特徴とするターボ冷凍機。 - 前記冷凍機側制御部は、現在の冷水流量である現在値冷水流量を得て、該現在値冷水流量が前記目標冷水流量を下回る所定値以下となった場合には、当該ターボ冷凍機の運転を停止させる動作を行うことを特徴とする請求項1に記載のターボ冷凍機。
- 前記冷凍機側制御部は、前記蒸発器内の蒸発圧力を得て、該蒸発圧力が所定値以下となった場合には、当該ターボ冷凍機の運転を停止させる動作を行うことを特徴とする請求項1又は2に記載のターボ冷凍機。
- 前記冷水の温度を制御する温度調節手段に対して与えるフィードバック制御出力の感度を、現在値冷水流量の低下に応じて落とすことを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載のターボ冷凍機。
- 複数のターボ冷凍機と、
これらターボ冷凍機から供給される冷水を外部負荷へ供給する冷水供給手段と、
前記冷水の流量および温度を制御する設備側制御部を備えた冷凍システムにおいて、
前記複数のターボ冷凍機の少なくとも1つが請求項1から4のいずれかに記載されたターボ冷凍機とされ、
該ターボ冷凍機の前記冷凍機側制御部は、前記設備側制御部から前記目標冷水出口温度および前記目標熱負荷を得るとともに、前記設備側制御部に対して前記目標冷水流量を出力することを特徴とする冷凍システム。 - 冷媒を圧縮するターボ圧縮機と、圧縮された冷媒を凝縮させる凝縮器と、凝縮された冷媒を膨張させる膨張弁と、膨張された冷媒を蒸発させ、冷水を冷却する蒸発器と、該蒸発器にて冷却された前記冷水の温度である冷水出口温度を所望値となるように運転を制御する冷凍機側制御部とを備えたターボ冷凍機の制御方法において、
前記冷凍機側制御部には、前記冷水の出力先から得られる目標熱負荷が与えられ、
前記冷凍機側制御部は、前記目標熱負荷が定格の20%以下でかつ外部負荷に供給される前記冷水の温度に影響を与えない程度の小さな熱負荷を出力する待機運転を行う場合に、前記蒸発器に流入する前記冷水の現在の温度である現在値冷水入口温度と、目標の冷水出口温度である目標冷水出口温度とに基づいて、該目標冷水出口温度および前記目標熱負荷を満足する前記冷水の目標冷水流量を出力することを特徴とするターボ冷凍機の制御方法。 - 複数のターボ冷凍機と、
これらターボ冷凍機から供給される冷水を外部負荷へ供給する冷水供給手段と、
前記冷水の流量および温度を制御する設備側制御部を備えた冷凍システムの制御方法において、
前記複数のターボ冷凍機の少なくとも1つが請求項1から4のいずれかに記載されたターボ冷凍機とされ、
該ターボ冷凍機の前記冷凍機側制御部は、前記設備側制御部から前記目標冷水出口温度および前記目標熱負荷を得るとともに、前記設備側制御部に対して前記目標冷水流量を出力することを特徴とする冷凍システムの制御方法。
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