JP5680415B2 - 冷却塔のための統合ファン駆動システム - Google Patents

Description

［関連出願の相互参照］
本出願は、２００７年１０月１０日出願のアメリカ仮出願第６０／９７８,９１６号の利益を請求するものである。当該出願第６０／９７８,９１６号の全部の開示事項は参照によりここに組み込まれる。

本発明は、総体的に、湿式冷却塔のためのファン駆動システムに関する。

湿式冷却塔は周知の技術であり、水のような冷却液が種々の工業において用いられている。大規模な工業用冷却塔システムの主要な用途は、発電所、石油精製所、石油化学および化学プラント、天然ガス処理プラント、およびその他の工業設備で用いられる循環式冷却水系で吸収された熱を取り除くことである。吸収熱は、機械的強制または誘導通風塔において幾分かの冷却水の蒸発によって大気中に捨てられる。

冷却塔は石油精製業において広く使われている。石油の精製は冷却塔なしでは実行できない。製油所は高温高圧で炭化水素を処理する。冷却水は、作業温度および圧力を制御するのに用いられる。製油所内の循環冷却水の喪失は、処理ユニットの即時の閉鎖を必要とする不安定で危険な作業状況を引き起こしてしまう。冷却塔は石油精製業にとって「使命の重要な資産」となっている。自動車用および航空機用燃料のような高品位製品に対する要求は高くなりそして製油能力が減少するので、製油所は、低位の副産物から水素を取り出して高位の燃料に再結合する、収率を向上する多くの新しい処理法を取り入れている。これらの処理法の多くは、製品の収率および品質の最適化を冷却に依存している。過去１０年間、製油所の多くは、低品位燃料製品を航空機および自動車用ガソリンのような高品位で高利益の製品に再生する処理法を加えつつある。これらの処理法は、製品の品質、処理収率および処理の安全性に影響する処理温度および圧力を制御するのに冷却塔に高度に依存する。加えて、これらの処理法は、冷却塔の冷却能力を相当程度用いるため、高温の日には製油所の冷却能力が限界状態に保たれてしまい、障害にさえなっていた。アメリカの製油所が９０％を優に越える稼働率で、しかも投資対象として魅力的な利益幅で操業している状況において、製油所の操業は営業利益の確保にとっても過去１０年亘る工程改良資金の返済にとっても、極めて重要である。

典型的に、湿式冷却塔システムは、産業施設における処理冷却機および凝縮機を循環する冷却水を保持する貯水部を備える。冷却水は冷却または凝縮するのに必要な熱処理流から熱を吸収し、そして吸収された熱は循環する水を温める。暖められた循環水は冷却塔の頂部に運ばれて、冷却塔内の充填部材上へ滴り落ちる。充填部材は水と空気との間に最大の接触面、そして最大の接触時間を提供するように形成される。水は充填部材上へ滴り落ちるとき、自然通風または冷却塔内の大きな送風機を用いた強制通風のいずれかにより冷却塔を吹き上がる外気と接触する。多くの湿式冷却塔は複数のセルを備え、そこにおいて前述の技術に従って各セルで水の冷却が行われる。冷却塔は、SPX Cooling Technologies, Inc. 社より発行された、John C. Henseley 氏編集の「冷却塔要旨（Cooling Tower Fundamentals）」第２版、2006年、の論文に広範に記載されている。

現在使用されている多くの冷却塔は、前述したように、外気を供給するために大きな送風機を用いている。送風機は、冷却塔の送風機デッキに配置された送風機シリンダ内に囲い込まれる。送風機を駆動および回転するために駆動システムが用いられる。冷却塔の能力および生産効率は送風機駆動システムの能力に大きく依存する。冷却塔環境における送風機駆動システムに要求されるデューティサイクルは、厳しい湿度、着氷条件、ウインドシェア力、腐食性水処理薬品並びに機械的駆動要件の要求により過度である。

一般的に用いられている従来の駆動システムは、農業で用いられているのと同様な複雑で機械的な送風機駆動システムである。このタイプの従来の送風機駆動システムはパワートレインを駆動するモータを用いている。パワートレインは、送風機に結合されて駆動するギアボックス、ギア減速機または速度減速機に連結される。従来の送風機駆動システムは頻繁な停止、所望以下のＭＴＢＦ（平均故障間隔）に悩まされ、そして、有効に作動させるために、定期的なオイル交換のような、保守点検を頻繁に必要とする。さらに、従来のギアボックスは典型的に回転方向を逆転させるために分離装置を必要としている。従来のギアボックス型の送風機駆動装置に用いられる機械的駆動システムの一つの一般的なタイプでは、５本の回転シャフト、８個のベアリング、３つの軸封装置（２つは高速用）、および４つの歯車（２つは噛合う）を用いている。このパワートレインは総出力の約３％を吸収する。この特有な従来の送風機駆動システムは魅力的な初期投資を有するが、冷却塔のエンドユーザは、送風機駆動要素の破損を防止するために、種々の要素を含むギアボックスや接手のような追加の機械要素を購入しなければならないことに気づく。多くの冷却塔のエンドユーザはまた、低油圧遮断装置、逆転防止クラッチおよびオイルバスヒータのようなそのたのオプションも追加している。かくして、従来の機械的送風機駆動システムのライフサイクルコストはその初期購入価格に比較すると公平ではない。

石油工業で一般的に用いられているタイプのような、複数セル型冷却塔において、各セルと協働される送風機および従来型機械的送風機駆動システムがある。かくして、特定のセルと協働される機械的送風機駆動システムがシャットダウンすると、そのセルは「セル機能停止」を蒙る。セル機能停止は石油精製の生産の減少に繋がる。例えば、「セル機能停止」が１日続くだけで、何千バーレルもの石油精製ロスに繋がる。多数のセルが１日以上機能停止を続けると、精製所の生産効率は著しく低下されてしまう。従来の機械的送風機駆動システムの無能性によりある期間に渡る生産性の損失は総冷却塔−冷却ポテンシャルにおけるパーセントロスとして測定できる。より多くのセル機能停止が特定の時間枠内で生じると、総冷却塔−冷却ポテンシャルにおけるパーセントロスは増大する。このことは、次に、精製の製品生産高および収益性を減少してエンドユーザーに精製製品コストを増加させてしまう。たとえ僅少であっても、石油精製所の生産高における減少は常態ではなく、石油のバーレル当りの価格を増大させ、それ故、消費者へのガソリン価格を増大させる。石油製品価格の衝撃に関するセル機能停止の影響は、２００７年３月、アメリカエネルギー省の「製油所機能停止：石油製品価格の特徴と影響可能性（Refinery Outage: Description and Potential Impact On Petroleum Product Prices）」の報告書に述べられている。

Ｖベルト駆動システムのような、その他のタイプの従来の送風機駆動システムもまた、整備、ＭＴＢＦおよび性能に関する多くの問題を現し、そして従来のギアボックス型の送風機駆動システムと繋がる問題を克服または除去していない。従来のギアボックス型の送風機駆動システムと繋がる問題を除去する一つの試みは従来の油圧駆動送風機システムである。このようなシステムはアメリカ特許第４,９５５,５８５号、「水冷却塔のための油圧駆動送風機システム」に記載されている。

それ故、精製石油製品の融通性のない供給連鎖の供給中断を防止するために、冷却塔の信頼性および後続の性能は改善されそして製油所の生産および利益を得るための主要なキーとして管理されねばならない。相対的に高い冷却効果を維持して生産における中断を防止するために有効で信頼できる送風機駆動システムが要求されている。

アメリカ特許第４,９５５,５８５号公報

SPX Cooling Technologies, Inc. 社発行、「冷却塔要旨（Cooling Tower Fundamentals）」第２版、2006年、John C. Henseley 編集の論文 ２００７年３月、アメリカエネルギー省発行、「製油所機能停止：石油製品価格の特徴と影響可能性（Refinery Outage: Description and Potential Impact On Petroleum Product Prices）」の報告書

従って、本発明の目的は、上述した従来のギアボックス型送風機駆動システムの持つ問題および欠点を実質的に排除した送風機駆動システムを提供することにある。

かくして、本発明は、一観点において、回転自在なシャフトを有する高トルク、低速度、永久磁石モータと、回転自在なシャフトに直接結合されたハブとハブに取り付けられた複数の送風羽根とから構成された送風機と、永久磁石モータの回転速度を制御するように永久磁石モータと電気信号で通信する可変周波駆動装置とから構成される送風機駆動システムを指向している。可変周波駆動装置はＡＣ電力を受け取るための入力と高トルク、低速度永久磁石モータの作動速度を制御する電気信号を供給するための出力とを有する可変周波制御器を有する。可変周波駆動装置はまた使用者がモータ速度制御データを入力できるように可変周波制御器と電子データ信号で通信するユーザーインターフェイスを備える。

関連する観点において、本発明は、送風機デッキと、送風機デッキ上に配置される送風機シリンダと、送風機シリンダ内に置かれる送風機とを有する湿式冷却塔の組合せを指向している。送風機はそこに複数の送風羽根を結合されたハブから構成される。この組合せはさらに、ハブに結合された回転自在なシャフトを有する高トルク、永久磁石モータと、永久磁石モータの回転速度を制御するように永久磁石モータと電気信号で通信する可変周波駆動装置とを備える。可変周波駆動装置は、ＡＣ電力を受け取るための入力と高トルク、永久磁石モータの作動速度を制御する電気信号を供給するための出力とを有する可変周波制御器と、所望のモータ速度を現すデータを使用者が入力できるように可変周波制御器と電子データ信号で通信するユーザーインターフェイスとから構成される。この組合せはさらに、高トルク、永久磁石モータの軸受けでの振動および発熱と、モータステータの発熱と、送風機の回転により生じる空気の流れとを表わす感知データ信号を供給するようにユーザーインターフェイスと電子データ信号で通信する複数のセンサから構成される。

本発明の特有の特色、構成要素および利点と同様に、本発明のその他の目的は後述の説明および添付の図面から解明され或いは明らかとなる。

本発明およびその種々の様相は添付の図面を参照することにより容易にされ、添付の図面例示の目的でのみ示されているものであり、本発明の範囲を限定する意図ではないことを理解すべきである。

図１は、冷却塔の送風機デッキにより支持された送風機シリンダと、送風機シリンダ内の送風機と、従来のギアボックス型送風機駆動システムの部分断面立面図である。 図２Ａは、冷却塔の送風機デッキにより支持された送風機シリンダと、送風機シリンダ内の送風機と、本発明の送風機駆動システムの部分断面立面図である。 図２Ｂは、本発明の送風機駆動システムの一実施例で用いられる高トルク、低速度永久磁石モータのモータ速度対馬力のプロットである。 図３は、本発明の送風機駆動システムのブロックダイアグラムである。 図４は、本発明の送風機駆動システムと、可変速度誘導モータを用いる従来のギアボックス型送風機駆動システムとの間の性能の比較を示すグラフである。 図５は、複数の性能監視センサを備えた本発明の送風機駆動システムを示す模式的な図である。

図１を参照すると、従来の機械的送風機駆動システムと、湿式冷却塔の一部とが示されている。湿式冷却塔の残りの部分は湿式冷却塔の構造および動作が周知であるので示されていない。送風機シリンダ１０が冷却塔の送風機デッキ１２に配置される。従来の機械的送風機駆動システムは、誘導モータ１４と、駆動シャフト１６と、カップリング１８および２０と、直角ギアボックス２２とから構成される。モータ１４は送風機デッキ１２に着座または固定される。ギアボックスまたはギア減速機２２は送風機デッキ１２に装着またはそれにより支持される。ギアボックス２２は駆動シャフト１６の回転時に回転する垂直シャフト２４を有する。図１に示すように、送風機２７が送風機シリンダ１０内に配置されそしてハブ２８とハブ２８に取り付けられた送風羽根３０とから構成される。垂直シャフト２４は送風ハブ２８に結合される。かくして、垂直シャフト２４が回転すると、送風ハブ２８および送風羽根３０を回転させる。

図２Ａを参照すると、本発明の送風機駆動システムが示されている。図１と同様に、冷却塔の一部だけが図２Ａに示されている。本発明の送風機駆動システムは、可変周波駆動（ＶＦＤ）装置５０とモータ５２とから構成される。本発明に従って、モータ５２は高トルク、低速度永久磁石モータである。永久磁石モータ５２は高磁束密度を有する。その優れた点は、後述する永久磁石モータ５２に起因する利点および利益を呈する。ＶＦＤ装置５０および永久磁石モータ５２は送風機デッキ１２に装着または支持される。ＶＦＤ装置５０はケーブルまたはワイヤ５４を介して永久磁石モータ５２と電気信号を通信する。永久磁石モータ５２は適当な電気信号が永久磁石モータ５２に加えられたときに回転するシャフト５６を有する。シャフト５６は送風ハブ２８に結合される。かくして、垂直シャフト５６の回転は送風ハブ２８および送風羽根３０を回転させる。

図２Ａおよび３を参照すると、ＶＦＤ装置５０は可変周波制御器６０とユーザーまたはオペレータインターフェイス６２とから構成される。ＶＦＤ装置５０は永久磁石モータ５２の速度、方向（すなわち、時計方向または反時計方向）、およびトルクを制御する。ＡＣ入力電力が入力６４を介して可変周波制御器６０に入力される。可変周波制御器６０はＡＣ入力電力をＤＣ中間電力に変換する。可変周波制御器６０は次いでＤＣ電力を、永久磁石モータ５２に供給される準正弦波ＡＣ電力に変換させる。ユーザーインターフェイス６２は操作者が永久磁石モータ５２をスタートおよび停止しそしてモータ５２の作動速度を調整するための手段を提供する。好適な実施例において、ユーザーインターフェイス６２はマイクロプロセッサ、モータ５２の動作について情報を提供するための英数字表示器および／または表示ランプおよびメータから構成される。ユーザーインターフェイス６２はさらに、使用者が所望のモータ作動速度を入力できるキーパッドおよびキーパッドディスプレイを備える。ＶＦＤ装置５０はプッシュボタン、スイッチおよびその他のオペレーターインターフェイス装置または信号制御器に接続するための入力および出力端子７０および７２を備える。好適な実施例において、ＶＦＤ装置５０はコンピュータを用いてＶＦＤ装置５０を設定、調整、監視および制御できるシリアルデータ通信ポート８０をさらに備える。一実施例において、ＶＦＤ装置５０はセンサ出力信号を受信するためのセンサ信号入力８２、８４、８６、８８および８９を備える。これらのセンサの目的は後に説明する。

図２Ａおよび５を参照すると、永久磁石モータ５２は送風ハブ２８に直接結合されている。永久磁石モータ５２はＶＦＤ装置５０により提供される電気信号によってのみ制御されるので、図１に示された従来のギアボックス型駆動システムに見られるような駆動シャフト、カップリング、ギアボックスまたは関連するコンポーネントはない。本発明によれば、永久磁石モータ５２は高トルク、低速度モータである。永久磁石モータ５２は簡単な設計のものであり、２つの軸受け９０および９２（図５参照）のみを用いている。永久磁石モータ５２はステータ９４を備える。このような単純化された設計は改善および費用対効果のあるモータ製造と同様に相対的に高い信頼性を提供する。永久磁石モータ５２は潤滑間隔３年間という相対的に低いメンテナンスを有する。永久磁石モータ５２は密封軸受けで形作ることができる。永久磁石モータ５２はプレミアム効率誘導モータの効率に相当またはそれを超える。永久磁石モータ５２は従来の誘導モータ送風機駆動システムで通常必要であったサービスおよびメンテナンスに伴うマンアワーを実質的に減少する。いくつかの例において、永久磁石モータ５２は１０００マンアワーのメンテナンスおよびサービスまでも排除できる。このような信頼性はセル障害の量を減少し、製品生産高を著しく改善する。一実施例において、永久磁石モータ５２は次の作動および性能特性を有する。
速度範囲： ０−２５０ＲＰＭ
最大出力： １３３ＨＰ／１００ＫＷ
極 数： １６
モータサービスファクタ： １：１
定格電流： ６２Ａ（ｒｍｓ）
ピーク電流： ９５Ａ
定格電圧： ６００Ｖ
駆動入力： ４６０Ｖ、３相、６０Ｈｚ、９５Ａ（ｒｍｓ 最大連続）
図２Ｂは、高トルク、低速度永久磁石モータ５２の速度対馬力のプロット図である。しかしながら、前述した動作および性能特性は永久磁石モータ５２の一例だけに関係するものであり、特定の適用形態に適合するその他の動作および性能特性を提供するようにモータ５２を変形し得るものであることを理解すべきである。

図４を参照すると、本発明の送風機駆動システムと従来の可変速度、誘導モータを用いた送風機駆動システムとの「効率％」対「モータ速度（ＲＰＭ）」を示すグラフが示されている。曲線１００は本発明に関し、曲線１０２は前述の従来の送風機駆動システムに関するものである。このグラフから解るように、本発明の効率は約６０ＲＰＭと約１２０ＲＰＭの間のモータ速度で従来の送風機駆動システムよりも相対的に高い。

図５を参照すると、好適な実施例において、本発明の送風機駆動システムは、ＶＦＤ装置５０のセンサ信号入力８２、８４、８６、８８および８９にセンサ信号をそれぞれ提供する複数のセンサ２００、２０２、２０４、２０６および２０８によりさらに構成される。センサ２００および２０２は振動および熱を感知するために永久磁石モータ５２の軸受け９０および９２の近傍にそれぞれ配置される。センサ２０４はステータ９４の熱を監視するために永久磁石モータ５２のステータ９４に配置される。センサ２０６は気流を計測するために送風機２７により作られる空気の流れの下流に配置される。図５を単純化するために、送風機２７は示されていない。センサ２０８は湿式冷却塔の水槽（図示なし）内の水温を検知するために水槽内に配置される。センサ信号入力８２、８４、８６、８８および８９に適用されるすべてのセンサ出力信号はＶＦＤ装置５０のユーザーインターフェイス６２に入力され、そしてデータポート８０を介してコンピュータ３００のような外部処理装置に送られる。コンピュータ３００はセンサ２００、２０２、２０４、２０６および２０８により出力されたデータを使用者または操作者が視覚的に監視できる表示スクリーン装置３０２を備える。コンピュータ３００は操作者がコマンドを入力できるユーザーインターフェイス、例えばキーボード（図示なし）をさらに備える。コンピュータ３００はセンサ２００、２０２、２０４、２０６および２０８により出力されたデータを用いて信頼性アルゴリズムを実行し、そしてそれに応答して、データポート８０を介してユーザーインターフェイス６２に入力される適合制御信号を出力するように構成される。このような制御信号はモータ５２の速度を調節するように使用できる。かくして、センサおよびコンピュータ３００は、次のようなフィードバックループを提供する：
ａ） モータ５２の軸受けの振動および熱を監視し；
ｂ） モータ５２のステータの熱を監視し；
ｃ） 送風機２７により作られる送風量を監視し；
ｄ） 冷却塔水槽の水の温度を監視し；
ｅ） 冷却塔構造の送風機不平衡慣性（例えば「フラ効果」）を補整するようにトリ ムバランスを提供し；
ｆ） 「羽根故障」状態およびモータ５２の速度の自動的な減衰を操作者に警告し；
ｇ） 共振を発生する特定のモータ速度を閉鎖し；
ｈ） 送風羽根３０への着氷および自動的な解氷作業の開始を操作者に警告し；そし て
ｉ） 産業プロセス全体でほかの調整を行うように使用できるリアルタイムの冷却フ ィードバック情報を提供するために産業プロセスのほかの部分に水槽の水温デ ータを送る。

かくして、本発明の送風機駆動システムは、次の事項を含む多くの優位性とメリットを提供する：
ａ） 従来のギアボックス型の送風機駆動装置に見られる駆動シャフト、カップリン グ、軸受けシールなどのような多くのコンポーネントを排除すること；
ｂ） オイル交換を排除すること：
ｃ） サービスおよびメンテナンスの有意な減少；
ｄ） 永久磁石モータの速度を相対的に広範な速度範囲に変化できること；
ｅ） いかなる追加のコンポーネントも用いるなしに永久磁石モータの向きを逆転で きること；
ｆ） 従来のギアボックス型送風機駆動と比較して非常に低いエネルギ消費量である こと；
ｇ） 既設の送風機に容易に追加導入でき、それにより冷却塔を新規に建造する必要 を排除すること；
ｈ） セル障害の発生時における有意な減少；そして
ｉ） 従来のギアボックス型送風機駆動システムと比較してかなり大きな冷却能力を 供給すること。

本発明の運用ロジックおよびシステム構築はエネルギ効率化のために（例えば、寒いときの夜中に）冷却塔を最適化し、そして暑い日またはプロセスが追加の冷却を要求するときに冷却を最大限にするかまたは蓄熱器や熱交換器のような補助システムの複雑化を避ける可能性を提供する。

上述の説明は石油産業への本発明の適用について説明したが、本発明は湿式冷却塔を用いるいかなる産業にも恩恵を与えものであることを理解すべきである。かくして、本発明は、発電、石油化学、紙パルプ、化学、ガラス、鉱業、鉄鋼、アルミ産業のような、大量のエネルギを消費し、プロセス集中である多くの産業に適用性を有する。

かくして、前述の、上述の説明においてまたはそれから明らかなった目的は効果的に達成され、そして本発明の範囲を逸脱することなしに上述の構成および／または方法にある程度の変更が可能であるので、上述の説明に含まれる事項または限定の意図ではなく例示の意図と解釈されるべき添付の図面に示される事項のすべてを含むものである。また、後述の請求の範囲はここで述べた本発明の一般的および特定の特色をカバーする意図であることを理解されたい。

１０ 送風機シリンダ
１２ 送風機デッキ
２７ 送風機
２８ 送風ハブ
３０ 送風羽根
５０ 可変周波駆動（ＶＦＤ）装置
５２ 永久磁石モータ
６０ 可変周波制御器
６２ ユーザーインターフェイス
９０、９２ 軸受け
９４ ステータ
２００、２０２、２０４、２０６、２０８ センサ
３００ コンピュータ
３０２ 表示スクリーン装置

Claims (5)

1. 産業プロセスで用いられる、液体を冷却する湿式冷却塔の送風機を回動するための直結型駆動システムであって、
   前記送風機はハブと、該ハブに取り付けられた複数の送風羽根とから構成され、
   前記直結型駆動システムは、
   ケーシングと、ステータと、送風機のハブに直接結合された回転自在なシャフトを 有し、さらに回転自在なシャフトをケーシングに配置して支持する１対の軸受けを含 む永久磁石モータと、
   永久磁石モータの回転速度、回転方向およびトルク制御するように永久磁石モータ と電気信号で通信する可変周波駆動装置と、
   軸受けの振動を計測し、計測された振動を表わす信号を出力するための振動センサ と、
   ステータの熱および軸受けの熱を計測し、計測された熱を表わす信号を出力するた めの熱センサと、
   可変周波駆動装置とデータ信号で通信し、振動センサおよび熱センサにより出力さ れた信号を処理するように設定され、そして、その処理結果に応じて永久磁石モータ の回転速度を制御および調節するように可変周波駆動装置に入力される信号を生成す る信号処理資源と
   から構成される、直結型駆動システム。
2. 可変周波駆動装置が、
   ＡＣ電力を受け取るための入力と、永久磁石モータに電力信号を供給するための出 力とを有する可変周波制御器と、
   キーパッドとマイクロプロセッサとから構成され、使用者が永久磁石モータを始動 および停止しかつ永久磁石モータの運転速度を調節できるように可変周波制御器と電 子データ信号で通信するユーザーインターフェイスと、
   可変周波駆動装置を設定、調節および制御するデータ信号を受け取りかつ可変周波 駆動装置を監視するように用いられる信号を出力するための、信号処理資源がデータ 信号で通信するデータ通信ポートと
   から構成される、請求項１に記載の直結型駆動システム。
3. 送風機の回転によって作られた空気の流れを計測するための空気の流れセンサをさらに含み、信号処理資源により処理される信号は空気の流れセンサにより出力される信号を含む、請求項２に記載の直結型駆動システム。
4. 信号処理資源はコンピュータを含む、請求項３に記載の直結型駆動システム。
5. 振動、熱および空気の流れセンサにより出力された信号を表示するための、コンピュータと電子データ信号で通信する表示装置をさらに含む、請求項４に記載の直結型駆動システム。

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