JP5517667B2

JP5517667B2 - 熱源システムおよびその制御方法

Info

Publication number: JP5517667B2
Application number: JP2010035000A
Authority: JP
Inventors: 智二階堂
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2010-02-19
Filing date: 2010-02-19
Publication date: 2014-06-11
Anticipated expiration: 2030-02-19
Also published as: JP2011169533A

Description

本発明は、複数台のターボ冷凍機を備えた熱源システムおよびその制御方法に関するものである。

ターボ冷凍機を複数台用いた熱源システムが知られている。この熱源システムは、外部負荷が要求する要求熱量に応じてターボ冷凍機の起動台数を制御する。この台数制御を行う際に、起動されたターボ冷凍機を高効率で運転させることにより、省エネルギー効果を得ることが求められる。
下記特許文献１には、運転時の冷却水温度等から決まるヘッドから演算式を用いて成績係数が高い適性冷凍能力範囲をターボ冷凍機ごとに得て、適正冷凍能力範囲内でターボ冷凍機を運転させる発明が開示されている。

特開２００９−２０４２６２号公報

しかし、特許文献１に開示された発明は、その図３に示されているように、各ターボ冷凍機の適正冷凍能力範囲内での運転は可能とされているものの、同一の負荷率にて各ターボ冷凍機を運転させることが前提となっている。しかし、回転数可変とされたインバータ駆動のターボ圧縮機を備えた可変速ターボ冷凍機では、冷凍機ごとに適正冷凍能力範囲も異なるし、最も効率が良い最適点も異なる。したがって、各ターボ冷凍機の負荷率を同一として運転させても、各ターボ冷凍機の最適点に近い運転とはなっておらず、さらなる効率向上の余地がある。

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、複数台の可変速ターボ冷凍機を運転する場合に高効率にて運転が可能とされた熱源システムおよびその制御方法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、本発明の熱源システムおよびその制御方法は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかる熱源システムは、回転数可変とされたインバータ駆動のターボ圧縮機と、該ターボ圧縮機によって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を備えた複数台の可変速ターボ冷凍機と、該可変速ターボ冷凍機のそれぞれに設けられ、前記冷水を外部負荷へ向けて送水するとともに、該冷水の流量を可変に制御する可変速用冷水ポンプと、各前記可変速ターボ冷凍機および前記可変速用冷水ポンプを制御する制御部とを備えた熱源システムにおいて、前記制御部は、前記可変速ターボ冷凍機のそれぞれの適正冷凍能力範囲に基づいて、前記可変速用冷水ポンプのそれぞれの吐出流量を制御することを特徴とする。

可変速ターボ冷凍機ごとに異なる適正冷凍能力範囲を有する。そこで、各可変速用冷水ポンプの吐出流量を個別に制御することとした。各可変速用冷水ポンプの吐出流量を制御することにより、各可変速ターボ冷凍機の熱出力を個別に決定することができる。これにより、各可変速ターボ冷凍機を可能な限り最適点にて運転させることができ、熱源システムの効率向上を図ることができる。
なお、適正冷凍能力範囲は、例えば、ターボ圧縮機の特定の運転点における流量係数および圧力係数と、所定の係数とを用いてヘッドおよび冷凍能力との関係を示した演算式から、同一のヘッドにおいて略最大の成績係数をとりえる冷凍能力を用いて前記係数を最適係数として得て、該最適係数を含む所定範囲の適正運転係数範囲を演算し、該適正運転係数範囲と運転時のヘッドとを用いて前記演算式から得ることができる（特許文献１参照）。

さらに、本発明の熱源システムでは、前記制御部は、前記可変速ターボ冷凍機のそれぞれの前記適正冷凍能力範囲に応じて、前記可変速用冷水ポンプの吐出流量を分配することを特徴とする。

各可変速ターボ冷凍機のそれぞれの適正冷凍能力範囲に応じて、可変速用冷水ポンプの吐出流量を分配することとしたので、各可変速ターボ冷凍機の最適点に近づけて運転させることができる。具体的には、各可変速ターボ冷凍機の適正冷凍能力範囲内の最適点をそれぞれ得て、各最適点の冷凍能力に応じて可変速用冷水ポンプの吐出流量を比例配分する。

さらに、本発明の熱源システムでは、固定速のターボ圧縮機と、該ターボ圧縮機によって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を備えた固定速ターボ冷凍機と、該固定速ターボ冷凍機に設けられ、該固定速ターボ冷凍機からの熱出力を受け取る冷水を外部負荷へ向けて送水するとともに、該冷水の流量を可変に制御する固定速用冷水ポンプとを備え、前記制御部は、各前記可変速冷水ポンプの吐出流量の制御に優先して、前記固定速ターボ冷凍機が定格運転となるように前記固定速用冷水ポンプの流量を制御することを特徴とする。

固定速ターボ冷凍機は、定格（負荷率１００％）にて最も効率よく運転できるように設計されている。したがって、他の可変速ターボ冷凍機に優先して、固定速ターボ冷凍機を定格にて運転するように固定速用冷水ポンプの吐出流量を制御することとした。これにより、固定速ターボ冷凍機を備えた熱源システムであっても高効率にて運転させることができる。

さらに、本発明の熱源システムでは、前記外部負荷へ冷水を供給する冷水往配管と前記外部負荷から冷水が返送される冷水還配管との間に設けられ、冷水を前記冷水往配管から前記冷水還配管へと流して前記外部負荷をバイパスさせる冷水バイパス配管と、該冷水バイパス配管に設けられた冷水バイパス弁とを備え、前記制御部は、前記冷水バイパス配管の両端の差圧を一定に制御するとともに、前記冷水バイパス弁の開度が目標値となるように前記外部負荷に供給する冷水流量を制御することを特徴とする。

冷水バイパス配管の両端の差圧が一定となるように冷水バイパス弁の開度が制御されている。一方で、冷水バイパス弁の開度の目標値が設定されており、この目標値となるように冷水流量が制御される。すなわち、外部負荷の冷水需要が多くなると外部負荷の冷水制御弁が開き外部負荷の抵抗が小さくなり、冷水バイパス配管の両端差圧が低下するので、一定差圧を維持するために冷水バイパス弁開度は閉まる方向に制御される。一方で、冷水バイパス弁開度を目標値に近づけるために、冷水流量を増大させて冷水バイパス配管の両端差圧を増大させて冷水バイパス弁を開ける方向（目標値に近づく方向）に動作させる。これにより、外部負荷が要求する冷水需要を満たすことができる。

また、本発明の熱源システムの制御方法は、回転数可変とされたインバータ駆動のターボ圧縮機と、該ターボ圧縮機によって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を備えた複数台の可変速ターボ冷凍機と、該可変速ターボ冷凍機のそれぞれに設けられ、前記冷水を外部負荷へ向けて送水するとともに、該冷水の流量を可変に制御する可変速用冷水ポンプと、各前記可変速ターボ冷凍機および前記可変速用冷水ポンプを制御する制御部と、前記外部負荷へ冷水を供給する冷水往配管と前記外部負荷から冷水が返送される冷水還配管との間に設けられ、冷水を前記冷水往配管から前記冷水還配管へと流して前記外部負荷をバイパスさせる冷水バイパス配管と、該冷水バイパス配管に設けられた冷水バイパス弁とを備えた熱源システムの制御方法において、前記制御部は、前記可変速ターボ冷凍機のそれぞれの適正冷凍能力範囲に基づいて、前記可変速用冷水ポンプのそれぞれの吐出流量を制御し、かつ、前記冷水バイパス配管の両端の差圧を一定に制御するとともに、前記冷水バイパス弁の開度が目標値となるように前記外部負荷に供給する冷水流量を制御することを特徴とする。

可変速ターボ冷凍機ごとに異なる適正冷凍能力範囲を有する。そこで、各可変速用冷水ポンプの吐出流量を個別に制御することとした。各可変速用冷水ポンプの吐出流量を制御することにより、各可変速ターボ冷凍機の熱出力を個別に決定することができる。これにより、各可変速ターボ冷凍機を可能な限り最適点にて運転させることができ、熱源システムの効率向上を図ることができる。

本発明によれば、それぞれの可変速用冷水ポンプの吐出流量を制御することにより、各可変速ターボ冷凍機の熱出力を個別に決定することとしたので、それぞれの可変速ターボ冷凍機を可能な限り最適点に近い運転点にて運転させることができ、熱源システムの効率向上を図ることができる。

本発明の一実施形態にかかる熱源システムを示した概略構成図である。図１の熱源システムに用いられる可変速ターボ冷凍機を示した図である。図１の熱源システムの制御方法を示したフローチャートである。図１の熱源システムの制御方法を示したフローチャートである。図１の熱源システムの制御方法を示したフローチャートである。可変速ターボ冷凍機の負荷率に対するＣＯＰを示したグラフである。

以下に、本発明にかかる実施形態について、図面を参照して説明する。
図１には、本発明の一実施形態にかかる熱源システムの全体構成が示されている。
熱源システム１は、ビルや工場設備に設置される。この熱源システム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。
第１ターボ冷凍機１１及び第２ターボ冷凍機は、後述するようにターボ圧縮機が可変速とされた可変速ターボ冷凍機とされており、第３ターボ冷凍機１３はターボ圧縮機が固定速とされた固定速ターボ冷凍機とされている。

外部負荷３と各ターボ冷凍機１１，１２，１３との間には、サプライヘッダ３１と、リターンヘッダ３２が設けられている。サプライヘッダ３１と外部負荷３との間には冷水往主管４が設けられ、リターンヘッダ３２と外部負荷３との間には冷水還主管５が設けられている。この冷水還主管５には、外部負荷３の需要に応じて開度が制御される外部負荷側制御弁７が設けられている。

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、冷水を圧送する第１乃至第３の冷水ポンプ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。第１冷水ポンプ２１及び第２冷水ポンプ２２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。一方、第３冷水ポンプ２３は、一定回転数で駆動される固定流量式のポンプとなっている。

サプライヘッダ３１には、各ターボ冷凍機１１，１２，１３において得られ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。サプライヘッダ３１の下流側には、外部負荷３へ供給される冷水の主管冷水往温度Ｔｓを計測する冷水往温度センサ３７が設けられている。この冷水往温度センサ３７の出力は、図示しない制御部へと送られる。
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。リターンヘッダ３２の上流側には、主管冷水還温度Ｔｒを計測する冷水還温度センサ３６と、冷水の主管流量Ｆｔを計測する主管冷水流量計３５が設けられている。これら冷水還温度センサ３６及び冷水主管流量計３５の出力は、図示しない制御部へと送られる。
リターンヘッダ３２に流れ込んだ冷水は、分岐され、各ターボ冷凍機１１，１２，１３へと分配される。

サプライヘッダ３１とリターンヘッダ３２との間には、主管バイパス管（冷水バイパス管）３３が設けられている。この主管バイパス管３３には、主管バイパス弁（冷水バイパス弁）３４が設けられており、この主管バイパス弁３４によって、サプライヘッダ３１からリターンヘッダ３２へと流れる冷水のバイパス流量が制御される。主管バイパス弁３４の開度は、図示しない制御部によって制御される。

第１冷水ポンプ２１の下流側には、第１冷水ポンプ２１から流出する流量を計測する第１冷水流量計２４が設けられている。この第１冷水流量計２４の出力は、図示しない制御部へと送られる。
第２ターボ冷凍機１２及び第３ターボ冷凍機１３に対しても、第１ターボ冷凍機１１と同様に、第２冷水流量計２５及び第３冷水流量計２６がそれぞれ設けられている。これら第２冷水流量計２５及び第３冷水流量計２６の出力は、図示しない制御部へと送られる。
また、各ターボ冷凍機１１，１２，１３の冷水入口と冷水出口には、冷水入口温度ｔｒ及び冷水出口温度ｔｓを計測する温度センサ１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂが設けられている。

図２には、可変速ターボ冷凍機とされた第１ターボ冷凍機１１及び第２ターボ冷凍機１２の詳細が示されている。同図では、理解の容易のため、一方の第１ターボ冷凍機１１のみが示されている。
第１ターボ冷凍機１１は、一例として、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。このターボ冷凍機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、インバータ７０によって回転数制御された電動モータ７２によって駆動されている。インバータ７０は、制御盤７４によってその出力が制御されている。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。センサＰｃの出力は、制御部に送信される。
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３７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管８０が挿通されている。冷却水流量は流量計Ｆ２により、冷却水入口温度は温度センサTcoutにより、冷却水出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、再び凝縮器６２及びサブクーラ６３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管８２が挿通されている。冷水流量は流量計２４（図１参照）により、冷水出口温度ｔｓは温度センサ１１ｂにより、冷水入口温度ｔｒは温度センサ１１ａ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７６が設けられている。そして、ホットガスバイパス管７６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、ターボ冷凍機１１の容量制御が可能となっている。

固定速ターボ冷凍機とされた第３ターボ冷凍機１３は、図２に示した可変速ターボ冷凍機におけるターボ圧縮機６０のようにインバータ７０による回転数可変制御とされておらず、一定の回転数で動作する固定速の圧縮機とされている点が相違し、その他は同様の構成とされている。したがって、その構成図については省略する。

次に、図３乃至図５のフローチャートを用いて、上記構成の熱源システム１の制御方法について説明する。
図３に示すように、先ず、起動するターボ冷凍機１１，１２，１３の運転台数を決定する（ステップＳ１）。
具体的には、ステップＳ２にて、外部負荷３側への送水（冷水）データをセンサにより取得する。すなわち、冷水の主管流量Ｆｔは主管流量計３５（図１参照）から、冷水往温度Ｔｓは冷水往温度センサ３７（図１参照）から、冷水還温度Ｔｒは冷水還温度センサ３６（図１参照）から得る。
次に、制御部にて、熱源システム１が供給している設備全体の熱負荷Ｑｔを下式により演算する（ステップＳ３）。
Ｑｔ＝Ｆｔ×（Ｔｒ−Ｔｓ）×Ｃｐ×ρ ・・・（１）
ここで、Ｃｐは冷水の比熱、ρは冷水の比重である。
そして、ステップＳ４にて、外部負荷３が必要とする流量Ｆｔ及び熱量Ｑｔに応じて、ターボ冷凍機１１，１２，１３の運転台数の増減を判断する。この際に、ターボ冷凍機１１，１２，１３の運転順位が予め決定されており（ステップＳ５）、この運転順位に基づいて、どのターボ冷凍機が起動するか、又は停止するかが決定される。なお、運転台数の決定は、ステップＳ４に示したように流量Ｆｔ及び熱量Ｑｔで判断する場合に限らず、流量Ｆｔのみ、又は熱量Ｑｔのみで判断しても良い。

次に、冷水の全体流量目標値を決定する（ステップＳ１０）。この演算には、主管バイパス弁３４の開度、ステップＳ４にて決定された起動するターボ冷凍機の冷水の最大流量および最低流量が用いられる（ステップＳ１１）。冷水の最大流量および最低流量は、冷水ポンプ２１，２２，２３の容量等に応じて予め決定されている。

そして、ステップＳ１２にて、冷水全体流量目標値Ｆｇが演算される。具体的には、以下のように全体流量目標値Ｆｇが決定される。
サプライヘッダ３１とリターンヘッダ３２との間の差圧（以下「ヘッダ間差圧」という。）が一定となるように主管バイパス弁３４の開度がＰＩＤ制御されている。そして、主管バイパス弁３４の目標開度ＳＰを設定し、この目標開度ＳＰに現在開度ＰＶが近づくように全体流量目標値Ｆｇが演算される。主管バイパス弁３４の目標開度ＳＰは、冷水がバイパスすることによる熱損失を低減させるために０％付近に設定されることが好ましい。また、全体流量目標値Ｆｇは、起動中の各ターボ冷凍機の各冷水ポンプの最低流量の合計流量と、各冷水ポンプの最大流量の合計値との間に設定されるように演算される。

例えば、主管バイパス弁３４の目標開度ＳＰを１０％とした場合、以下のように全体流量目標値Ｆｇが決定される。
（１）外部負荷３の冷房負荷が上がり、外部負荷３が要求する冷水流量が１００ｍ^３／ｈから１２０ｍ^３／ｈへ増大した場合
この場合、外部負荷３の冷水流量を制御する制御バルブ７（図１参照）が開いていき、外部負荷３の抵抗が小さくなりヘッダ間差圧が小さくなる。ヘッダ間差圧が小さくなると、主管バイパス弁３４の現在開度ＰＶは、設定差圧を維持するように、バランスしていた１０％から例えば８％へと絞られる。一方、目標開度ＳＰは１０％とされているので、設定差圧を維持しつつ目標開度１０％を達成するために、全体流量目標値Ｆｇが現在値の１００ｍ^３／ｈよりも増大された値とされる。この制御を繰り返すことにより、全体流量目標値Ｆｇは漸次１２０ｍ^３／ｈに近づく。
（２）外部負荷３の冷房負荷が下がり、外部負荷３が要求する冷水流量が１００ｍ^３／ｈから８０ｍ^３／ｈへ減少した場合
この場合、外部負荷３の冷水流量を制御する制御バルブ７（図１参照）が閉まっていき、外部負荷３の抵抗が大きくなりヘッダ間差圧が大きくなる。ヘッダ間差圧が大きくなると、主管バイパス弁３４の現在開度ＰＶは、設定差圧を維持するように、バランスしていた１０％から例えば１２％へと大きくなる。一方、目標開度ＳＰは１０％とされているので、設定差圧を維持しつつ目標開度１０％を達成するために、全体流量目標値Ｆｇが現在値の１００ｍ^３／ｈよりも減少した値とされる。この制御を繰り返すことにより、全体流量目標値Ｆｇは漸次８０ｍ^３／ｈに近づく。

以上のようにターボ冷凍機の運転台数および冷水の全体流量目標値Ｆｇが決定された後、各ターボ冷凍機への負荷配分が決定される。
先ず、ステップ２０では、冷水ポンプが一定流量（固定流量）とされたターボ冷凍機（図１のターボ冷凍機１３）への負荷配分が行われる。つまり、固定流量とされた冷水ポンプでは、冷水流量調整による負荷配分ができないので、最初に負荷分担を決定してしまう。
ステップＳ２１にて、可変速でない冷水ポンプ（固定速ポンプ）が運転状態か否かを判断する。固定速ポンプが運転状態でない場合（Ｎｏ）は、そのままステップＳ３０へと進む。一方、固定速ポンプが運転状態の場合（Ｙｅｓ）は、対応するターボ冷凍機の冷水流量Ｆｆは定格流量となり（ステップＳ２２）、全体流量目標値Ｆｇから流量Ｆｆを減算する。これにより、吐出する冷水流量が可変とされた変流量ポンプを備えたターボ冷凍機が担当する冷水流量である冷水需要（変流量分）Ｆｖが演算される（ステップＳ２３）。

次に、図４に示すように、ステップＳ３０にて、変流量ポンプを備えたターボ冷凍機への負荷配分を行う。
先ず、ステップＳ３１にて、固定速冷凍機が運転状態か否かを判断する。運転状態でない場合（Ｎｏ）には、ステップＳ４０へ進む（後述する）。運転状態の場合（Ｙｅｓ）には、ステップＳ３２へと進み、固定速機のベースロード運転（定格運転）を行う。
具体的には、センサから冷凍機冷水入口温度ｔｒ及び冷凍機冷水出口温度ｔｓを得て（ステップＳ３３）、ステップＳ３４にて、下式により固定速冷凍機の流量ｆｖを演算する。
ｆｖ＝ｃｖ／｛（ｔｒ−ｔｓ）×Ｃｐ×ρ｝・・・（２）
ここで、ｃｖは固定速機の定格冷凍能力である。上式により、定格冷凍能力を出力するための冷水流量ｆｖが演算される。
そして、ステップＳ３５にて、ｆｖが定格流量ｆｖ＿ｍａｘ以下か否かを判断する。定格流量ｆｖ＿ｍａｘを超えていた場合は、流量ｆｖはｆｖ＿ｍａｘとされる（ステップＳ３６）。これにより、定格流量を超えないように流量ｆｖが決定される。なお、冷水ポンプが定格流量を超えて流量を流すことができるいわゆる過流量制御が可能とされている場合には、最大流量を超えないように流量ｆｖが決定される。

次に、ステップＳ３７にて、吐出流量可変とされた変流量ポンプを有する可変速ターボ冷凍機（図１のターボ冷凍機１１，１２）が担当する流量である冷水需要（INV機分）Ｆｉを下式により演算する。
Ｆｉ＝Ｆｖ−Σｆｖ・・・（３）
すなわち、冷水需要（変流量分）Ｆｖ（ステップＳ２３参照）から、固定速機が担当する流量ｆｖの合計（固定速機が１台の場合は１台分）を減算し、冷水需要（INV機分）Ｆｉを得る。
そして、ステップＳ３８にて、冷水需要（INV機分）Ｆｉが、運転している他の可変速ターボ冷凍機（INV冷凍機）のそれぞれの最低冷水流量ｆｉ＿ｍｉｎの総和（Σｆｉ＿ｍｉｎ）以上であるか否かを判断する。この総和よりも冷水需要（INV機分）Ｆｉが小さい場合には、ステップＳ３９へと進み、下式により、総和流量（Σｆｉ＿ｍｉｎ）を確保するように、固定速機が担当する流量ｆｖを減じて再調整する。
ｆｖ＝（Ｆｖ−Σｆｉ＿ｍｉｎ）×ｃｖ／Σｃｖ・・・（４）
上式に示されているように、固定速機が複数台ある場合には、固定速機の定格冷凍能力ｃｖに応じて按分される。

以上のように、固定速機の冷水流量が決定された後に、ステップＳ４０へ進み、可変速機（図１のターボ冷凍機１１，１２）の負荷分配を行う。
まず、ステップ４１にて、各INV冷凍機（可変速ターボ冷凍機，図１のターボ冷凍機１１，１２）にて最適負荷率（適正冷凍能力範囲）の演算を行う。具体的には、特許文献１（特開２００９−２０４２６２号公報）に記載されているように、ターボ圧縮機の特定の運転点における流量係数および圧力係数と、所定の係数とを用いてヘッドおよび冷凍能力との関係を示した演算式から、同一のヘッドにおいて略最大の成績係数をとりえる冷凍能力を用いて前記係数を最適係数として得て、該最適係数を含む所定範囲の適正運転係数範囲を演算し、該適正運転係数範囲と運転時のヘッドとを用いて前記演算式から得る。
そして、ステップＳ４１で得られた最適負荷率を示す適正冷凍能力範囲のデータから、同範囲における最適点ｒｏ，同範囲における負荷率が高側の高側適正点ｒ_Ｈ，同範囲負荷率が低側の低側適正点ｒ_Ｌを取得する（ステップＳ４２）。
次に、ステップＳ４３にてセンサ（図１の温度センサ１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂ）から冷凍機冷水入口温度ｔｒ及び冷凍機冷水出口温度ｔｓを得て、最適点、高側適正点および低側適正点における冷水流量を下式のように演算する（ステップＳ４４）。
ｆｏ＝（ｒｏ×ｃｉ）／｛（ｔｒ−ｔｓ）×Ｃｐ×ρ｝・・・（５）
ｆ_Ｈ＝（ｒ_Ｈ×ｃｉ）／｛（ｔｒ−ｔｓ）×Ｃｐ×ρ｝・・・（６）
ｆ_Ｌ＝（ｒ_Ｌ×ｃｉ）／｛（ｔｒ−ｔｓ）×Ｃｐ×ρ｝・・・（７）
ここで、ｃｉは、INV冷凍機の定格冷凍能力（１００％負荷率）を意味する。

次に、図５に示したステップＳ４５に進み、各INV冷凍機の最適負荷に応じて、下式のように冷水の目標流量ｆｏ’を比例配分する。
ｆｏ’＝Ｆｉ×ｆｏ／Σｆｏ・・・（８）
そして、ステップＳ４６にて、それぞれの流量ｆ_Ｌ，ｆｏ’，ｆ_Ｈが冷凍機の運転可能範囲内か否かを判断し、運転可能範囲内にない場合は、運転可能範囲内となるように最低流量ｆｉ＿ｍｉｎや定格流量ｆｉ＿ｍａｘに読み替える（ステップＳ４７）。

ステップＳ４８では、上述のように算出した冷水最適流量の下限値の合計（Σｆ_Ｌ）と上限値の合計（Σｆ_Ｈ）との間の運転可能範囲内に、起動しているINV冷凍機が担当する冷水需要（INV機分）Ｆｉが入っているか否かを判断する。
運転可能範囲内に入っていない場合（Ｎｏ）は、以下のように運転可能範囲内で冷水流量を配分する（冷凍機運転台数の増減は行わない）。ステップＳ５３では、目標流量ｆｏ’が最低流量ｆｉ＿ｍｉｎ未満の場合（Ｎｏ）には目標流量を最低流量ｆｉ＿ｍｉｎと読み替えてステップＳ５８へ進む。目標流量ｆｏ’が最低流量ｆｉ＿ｍｉｎ以上の場合（Ｙｅｓ）には、ステップＳ５５へ進み、目標流量ｆｏ’が定格流量ｆｉ＿ｍａｘよりも多い場合（Ｎｏ）には目標流量を定格流量ｆｉ＿ｍａｘと読み替えてステップＳ５８へ進む。目標流量ｆｏ’が定格流量ｆｉ＿ｍａｘ以下の場合（Ｙｅｓ）には、ステップＳ５７へ進み、目標流量をｆｏ’に決定する。
ステップＳ４８にて運転可能範囲に入っている場合（Ｙｅｓ）は、ステップＳ４９へ進み、目標流量ｆｏ’が最適流量低側ｆ_Ｌ未満の場合（Ｎｏ）には目標流量を最適流量低側ｆ_Ｌと読み替えてステップＳ５８へ進む。目標流量ｆｏ’が最適流量低側ｆ_Ｌ以上の場合（Ｙｅｓ）には、ステップＳ５１へ進み、目標流量ｆｏ’が最適流量高側ｆ_Ｈよりも多い場合（Ｎｏ）には目標流量を最適流量高側ｆ_Ｈと読み替えてステップＳ５８へ進む。目標流量ｆｏ’が最適流量高側ｆ_Ｈ以下の場合（Ｙｅｓ）には、ステップＳ５７へ進み、目標流量をｆｏ’に決定する。

ステップＳ５８では、読み替えた流量ｆｏ’を冷水需要（INV機分）Ｆｉから減算し、この減算後の冷水需要（INV機分）Ｆｉを用いて残りの他の冷凍機の流量配分の計算を行う。

次に、図４乃至図５のフローチャートを用いて説明した熱源システム１の制御方法の具体例について説明する。下表には、図１のように３台のターボ冷凍機が運転される場合の諸元値が示されている。TR-1は図１のターボ冷凍機１１に相当し、TR-2は図１のターボ冷凍機１２の相当し、TR-3は図１のターボ冷凍機１３に相当する。

外部負荷３へ供給される冷水流量である主管流量を459ｍ^３／ｈ、冷水往温度を7℃、冷水還温度12℃の負荷がある場合を仮定する。
（１）運転冷凍機の決定（図３のステップＳ１〜Ｓ５に対応）
熱負荷は、全体で459×(12-7)/3.024=760RTとなる。
負荷率90％にて各ターボ冷凍機の台数制御を行うとすると、以下の増段方法となる。
増段流量閾値１→２台； 136.1m³/h
〃２→３台； 353.8m³/h
増段熱量閾値１→２台； 225RT
〃２→３台； 585RT
以上から、459m³/h、760RTの負荷需要がある場合は３台のターボ冷凍機全てを起動させることになる。
（２）全体流量目標値の決定（図３のステップＳ１０〜Ｓ１２に対応）
図３のステップＳ１０〜Ｓ１２に対応にて説明したように、実際にはＰＩＤ制御にて全体流量目標値Ｆｇを決定するが、ここでは計算例を示すことが目的なので全体目標流量Ｆｇを負荷需要の459m³/hとする。
（３）固定流量ポンプを備えたターボ冷凍機への負荷配分（図３のステップＳ２０〜Ｓ２３に対応）
（i）TR-3（図１のターボ冷凍機１３）は固定速ポンプ（図１の第３冷水ポンプ２３）を備えているため、冷水流量f_fは表１から181.4m³/hと決定される（図３のステップＳ２２）。
このとき、TR-3の負荷は181.4×(12-7)/3.024=300RTとなる。これは、冷水がバイパスしないように全体の流量を制御しているため、冷凍機の冷水出入口温度は設備の往還温度と等しいと仮定したものである。
（ii）変流量ポンプ（図１の第１冷水ポンプ２１，第２冷水ポンプ２２）を備えたINVターボ冷凍機（図１のターボ冷凍機１１，１２）の冷水流量担当分は、Fv=459-181.4=277.6m³/hとなる（図３のステップＳ２３）。
（４）変流量ポンプを備えた固定速ターボ冷凍機への負荷配分（図４のステップＳ３１〜Ｓ３８）
（i）本計算例では該当冷凍機は存在しない。
（ii）変流量ポンプを備えたINVターボ冷凍機の冷水流量担当分は、Fi=Fv=277.6m³/hとなる。
（５）変流量ポンプを備えたINVターボ冷凍機への負荷配分（図４及び図５のステップＳ４０〜Ｓ５７）
（i）INVターボ冷凍機のそれぞれの最適負荷範囲データを取得する（図４のステップＳ４１〜Ｓ４２）。例えば、図６に示すように、冷却水入口温度（図２のTcin）が３２℃とされた場合における負荷率とCOPとの関係を示したグラフから取得する。
TR-1 r_H＝100%
r_O＝85%
r_L＝70%
TR-2 r_H＝80%
r_O＝70%
r_L＝55%
（ii）INVターボ冷凍機の冷水出入口温度差ΔT=12-7＝5℃より、最適負荷時の流量を演算する（図４のステップＳ４３〜Ｓ４４）。
TR-1 f_H＝241.9m³/h
f_O＝205.6m³/h
f_L＝169.3m³/h
TR-2 f_H＝121.0m³/h
f_O＝105.8m³/h
f_L＝83.2m³/h
（iii）最適負荷に応じて流量を配分する（図５のステップＳ４６）
Σf_O=205.6+105.8=311.5m³/hとなるので、各INVターボ冷凍機の最適流量f_O’は以下の通りとなる。
TR-1のf_O’=Fi×f_O/Σf_O=277.6×205.6/311.5=183.7m³/h
TR-2のf_O’=Fi×f_O/Σf_O=277.6×105.8/311.5=94.5m³/h
（iv）最適負荷範囲内となるように調整する（図５ステップＳ４６〜Ｓ５７）
Σf_H=241.9+121.0=362.9m3/h,Σf_L=169.3+83.2=252.5m3/hとなり、
Σf_L(252.5m3/h)≦Fi(277.6m3/h)≦Σf_H(362.9m3/h)となることから、TR-1及びTR-2は最適負荷範囲内で運転可能と判断する。
TR-1及びTR-2ともf_L≦f_O’≦f_Hの範囲内に入っているので、流量設定値は現在のf_O’で決定される。
このとき、TR-1の負荷は、183.7×(12-7)/3.024=303.7RT（負荷率76%）、
TR-2の負荷は、94.5×(12-7)/3.024=156.3RT（負荷率63%）となる。
従来の変流量制御の場合、TR-1及びTR-2とも同一負荷率とされるので、共に71%となる。これに対して、本実施形態では上述のようにINVターボ冷凍機ごとに最適負荷配分を行なったことで、COPの高い部分で運転させることが可能となる。

以上の通り、本実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
可変速ターボ冷凍機（第１ターボ冷凍機１１，第２ターボ冷凍機１２）ごとに異なる適正冷凍能力範囲を有することに対応して、各可変速用冷水ポンプ（第１冷水ポンプ２１，第２冷水ポンプ２２）の吐出流量を個別に制御することとした。このように各可変速用冷水ポンプの吐出流量を制御することにより、各可変速ターボ冷凍機の熱出力を個別に決定することで、各可変速ターボ冷凍機を可能な限り最適点にて運転させることができ、熱源システム１の効率向上を図ることができる。

各可変速ターボ冷凍機のそれぞれの適正冷凍能力範囲に応じて、可変速用冷水ポンプの吐出流量を比例配分することとしたので（図５のステップＳ４５）、各可変速ターボ冷凍機の最適点に近づけて運転させることができる。

他の可変速ターボ冷凍機に優先して、固定速ターボ冷凍機を定格にて運転するように固定速用冷水ポンプの吐出流量を制御することとしたので（図４のステップＳ３０〜Ｓ３８）、固定速ターボ冷凍機を備えた熱源システム１であっても高効率にて運転させることができる。

主管バイパス配管３３の両端の差圧（ヘッダ間差圧）が一定となるように主管バイパス弁３４の開度が制御する一方で、主管バイパス弁３４の開度の目標値を設定し、この目標値となるように冷水流量を制御することとしたので、外部負荷３が要求する冷水需要を要求通りに満たすことができる。

１熱源システム
３外部負荷
１１第１ターボ冷凍機（可変速ターボ冷凍機）
１２第２ターボ冷凍機（可変速ターボ冷凍機）
１３第３ターボ冷凍機（固定速ターボ冷凍機）
２１第１冷水ポンプ（可変速用冷水ポンプ）
２２第２冷水ポンプ（可変速用冷水ポンプ）
２３第３冷水ポンプ（固定速用冷水ポンプ）
３３主管バイパス配管（冷水バイパス配管）
３４主管バイパス弁（冷水バイパス弁）
６０ターボ圧縮機
６２凝縮器
６４高圧膨張弁（膨張弁）
６５低圧膨張弁（膨張弁）
６６蒸発器

Claims

回転数可変とされたインバータ駆動のターボ圧縮機と、該ターボ圧縮機によって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を備えた複数台の可変速ターボ冷凍機と、
該可変速ターボ冷凍機のそれぞれに設けられ、前記冷水を外部負荷へ向けて送水するとともに、該冷水の流量を可変に制御する可変速用冷水ポンプと、
各前記可変速ターボ冷凍機および前記可変速用冷水ポンプを制御する制御部と、
前記外部負荷へ冷水を供給する冷水往配管と前記外部負荷から冷水が返送される冷水還配管との間に設けられ、冷水を前記冷水往配管から前記冷水還配管へと流して前記外部負荷をバイパスさせる冷水バイパス配管と、
該冷水バイパス配管に設けられた冷水バイパス弁と、
を備えた熱源システムにおいて、
前記制御部は、前記可変速ターボ冷凍機のそれぞれの適正冷凍能力範囲に基づいて、前記可変速用冷水ポンプのそれぞれの吐出流量を制御し、かつ、
前記冷水バイパス配管の両端の差圧を一定に制御するとともに、前記冷水バイパス弁の開度が目標値となるように前記外部負荷に供給する冷水流量を制御することを特徴とする熱源システム。
前記制御部は、前記可変速ターボ冷凍機のそれぞれの前記適正冷凍能力範囲に応じて、前記可変速用冷水ポンプの吐出流量を分配することを特徴とする請求項１に記載の熱源システム。
固定速のターボ圧縮機と、該ターボ圧縮機によって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を備えた固定速ターボ冷凍機と、
該固定速ターボ冷凍機に設けられ、該固定速ターボ冷凍機からの熱出力を受け取る冷水を外部負荷へ向けて送水するとともに、該冷水の流量を可変に制御する固定速用冷水ポンプと、
を備え、
前記制御部は、各前記可変速冷水ポンプの吐出流量の制御に優先して、前記固定速ターボ冷凍機が定格運転となるように前記固定速用冷水ポンプの流量を制御することを特徴とする請求項１又は２に記載の熱源システム。
回転数可変とされたインバータ駆動のターボ圧縮機と、該ターボ圧縮機によって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を備えた複数台の可変速ターボ冷凍機と、
該可変速ターボ冷凍機のそれぞれに設けられ、前記冷水を外部負荷へ向けて送水するとともに、該冷水の流量を可変に制御する可変速用冷水ポンプと、
各前記可変速ターボ冷凍機および前記可変速用冷水ポンプを制御する制御部と、
前記外部負荷へ冷水を供給する冷水往配管と前記外部負荷から冷水が返送される冷水還配管との間に設けられ、冷水を前記冷水往配管から前記冷水還配管へと流して前記外部負荷をバイパスさせる冷水バイパス配管と、
該冷水バイパス配管に設けられた冷水バイパス弁と、
を備えた熱源システムの制御方法において、
前記制御部は、前記可変速ターボ冷凍機のそれぞれの適正冷凍能力範囲に基づいて、前記可変速用冷水ポンプのそれぞれの吐出流量を制御し、かつ、
前記冷水バイパス配管の両端の差圧を一定に制御するとともに、前記冷水バイパス弁の開度が目標値となるように前記外部負荷に供給する冷水流量を制御することを特徴とする熱源システムの制御方法。