JP5755013B2 - 熱源システムの冷却水流量制御方法 - Google Patents
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第一方式:冷凍機の起動時の当初から変流量制御を適用
第二方式:冷凍機の起動から一定時間(例えば、10〜30分程度)が経過するまでは定格流量とするが、一定時間経過後に、冷却水変流量制御へ移行
しかし、第一方式においては、冷凍機起動時の能力上昇に冷却水流量の増加が追いつかず、排熱できずに冷却水温度、ひいては冷媒の温度が急騰することによって凝縮圧力高による故障のおそれがある。第二方式は第一方式のこの問題を回避するために、一定時間は必ず定格流量で冷却水を流すが、定格流量が必要でない条件下(例えば冬場などの低負荷時)では過剰な冷却水を冷却水ポンプが流してしまうので搬送動力にロスが生じ、システム効率を低下させる。
つまり、外気条件である湿球温度が高い場合、必要とされる冷却水流量が増加し、仮に冷却水流量を増加させない場合、熱負荷が高くかつ冷却水温度が高くなるため、凝縮圧力高故障が発生するおそれがある。また湿球温度が低い場合、必要とされる冷却水流量は減少するが、仮に冷却水流量を減少させない場合、熱負荷が低くかつ冷却水温度が低いため、過剰に冷却水を流してしまい、システム効率の低下を招く(図13(a)参照)。
以上の理由より、起動後の所定時間内において、外気条件である湿球温度に対応した冷却水流量下限値を用いることにより、湿球温度に対応した適切な冷却水流量範囲を得ることができ、実際の流量をその範囲内に制御することで、凝縮圧力高故障や、ポンプ動力過剰による効率低下を防止可能となる。
すなわち本願の第1発明は、冷媒を圧縮するターボ圧縮機、ターボ圧縮機によって圧縮された冷媒を凝縮液化させる凝縮器、凝縮器によって凝縮液化された冷媒を膨張させる膨張弁、及び、膨張弁によって膨張された冷媒を外部負荷から送給される冷水と熱交換させることで蒸発させる蒸発器、を備えたターボ冷凍機と、凝縮器にて熱交換を行うことによって冷媒を冷却する冷却水を、外気と接触させることにより熱交換させて冷却する冷却塔と、を備える熱源システムにおける、凝縮器に冷却水を供給する流量を制御する冷却水流量制御方法であって、ターボ冷凍機が起動してから所定時間内は、外気温度に応じて設定される冷却水流量下限値に基づいて、凝縮器に冷却水を供給する流量を制御する、ことを特徴とする。
そこで、このような環境に対応するために本発明は、外気温度に加えて、ターボ冷凍機の熱負荷率をも考慮して設定される冷却水流量下限値に基づいて、凝縮器に冷却水を供給する流量を制御することが好ましい。そうすることで、外気温度と熱負荷に相関が見られない環境においてもシステム効率の低下を防止しつつ、冷媒温度増による凝縮圧力高故障を防止できる。
計測に基づく場合には、蒸発器に流入する冷水の計測温度及び蒸発器から流出する冷水の計測温度が用いられる。
設定された熱負荷率として、熱源システムが複数のターボ冷凍機を備える場合に、各々のターボ冷凍機に割り当てられる熱負荷率を用いることができる。
前者は、計測に基づく蒸発器の蒸発能力と、ターボ圧縮機を駆動する電動機の計測に基づく駆動電力と、に基づいて求める、というものである。
後者は、計測に基づく蒸発器の蒸発能力と、既知である熱負荷量とCOP(成績係数)の関係情報と、に基づいて求める、というものである。
はじめに、本実施の形態に係る熱源システム1について説明する。この熱源システム1は、追って説明する。第1実施形態〜第5実施形態に共通な基本的な構成を備えている
熱源システム1は、可変速機型のターボ冷凍機10を備えたものであり、ターボ冷凍機10は、ターボ圧縮機11と、凝縮器12と、電子膨張弁13と、蒸発器14と、ターボ圧縮機11を回転駆動する電動モータ(交流モータ)15と、冷媒流通路16と、コントローラ17と、を備えている。
ターボ圧縮機11は、インバータ22によって回転数が制御される電動モータ15によって駆動される。インバータ22は、コントローラ17によってその出力が制御されている。ターボ圧縮機11はその冷媒吸入口に、吸入冷媒流量を制御するインレットガイドベーンを設けることで容量制御が可能となっている。なお、本発明が適用されるターボ冷凍機は可変速機型に限るものでなく、固定速機型のターボ冷凍機にも本発明を適用できることはいうまでもない。
蒸発器14には冷水配管14aが配置されており、冷水配管14aを通して、外部負荷50から冷水W2が送給され、蒸発器14にて冷却された冷水W2が外部負荷50に供給される。
インバータ22は、商用電源(図示省略)から電力を受け、周波数制御した電流を電動モータ15に供給して電動モータ15を駆動し、これによりターボ圧縮機11を回転駆動する。
コントローラ17は、インバータ22を介して、電動モータ15の回転数を制御する。つまり、コントローラ17はターボ圧縮機11の駆動を制御する。
コントローラ17は、冷却水ポンプ12bの出力を調整することで、冷却塔21から凝縮器12に供給される冷却水量を制御する。
コントローラ17に関しては、上記以外にも冷却水量を制御するのに必要なデータ類を保持しているが、それらについては各実施形態において説明する。
そのためには、蒸発器14の飽和温度は冷水W2の温度よりも低いことが必要であり、凝縮器12の飽和温度は冷却水W1の温度よりも高いことが必要である。
飽和温度は圧力で決まるので、蒸発器14と凝縮器12の間にターボ圧縮機11を設けて、蒸発器14からは冷媒ガスを吸引して蒸発器14内の圧力を減圧し、その冷媒ガスを凝縮器12に吐出して凝縮器12内の圧力を加圧するようにしたものがターボ冷凍機10である。
このため、外気温が高く冷却水W1の温度が高い夏場にはターボ圧縮機11の回転数を上げて吐出圧力(ヘッド)を高くし、その一方で、外気温が低く冷却水W1の温度が低い冬場にはターボ圧縮機11の回転数を下げて吐出圧力(ヘッド)を低くするのが理想的な運転方法である。可変速機型のターボ冷凍機10は、このような運転を実現することにより高効率を達成している。
第1実施形態は、起動後所定時間内において、外気条件の一つである湿球温度(WB)に応じて設定される冷却水流量下限値を下回らないよう、図2に示すロジックで冷却水変流量制御を行う。
図2のロジックは、冷却水ポンプ12b、つまりターボ冷凍機10が起動(図2 S101)してから開始される。コントローラ17は、冷却水ポンプ12bが起動してから所定時間が経過するまでは(図2 S103 NO)、湿球温度計23で計測された湿球温度WBに基づいて冷却水流量下限値を演算により求める(図2 S110)。以下、この点について詳述する。
そこで、計測された湿球温度に対応して冷却水流量下限値を設定し、外気条件に添った適切な冷却水流量範囲を得ることにより、実際の流量をその範囲内にコントロールすることで、凝縮圧力高故障や、ポンプ動力過剰による効率低下を防止できる。なお、この冷却水流量下限値の設定は、冷却水ポンプ12bが起動してから所定時間が経過するまでの範囲で行われる。
このように冷却水ポンプ12bが起動してから所定時間が経過するまでは、湿球温度が低ければ冷却水流量下限値を下げ、逆に、湿球温度が高ければ冷却水流量下限値を上げる。
次いで、コントローラ17は、冷却水流量目標値を設定する(図2 S107)。この目標値は、コントローラ17が最適として演算により求められた冷却水流量制御値と冷却水流量下限値により得られる。つまり、冷却水流量制御値が冷却水流量下限値を上回った場合、目標値として冷却水流量制御値を用い、下回った場合、目標値として冷却水流量下限値を用いる。起動時にはこの冷却水流量制御値を用いると、負荷の上昇により冷却水流量が不足する恐れがあるためである。
冷却水流量目標値が設定されたならば、コントローラ17は、この目標値に基づいて、冷却水ポンプ12bの周波数を制御することで、冷却水流量を制御する(図2 S109)。この制御は、所定時間が経過するまで行われる。
ターボ冷凍機10の負荷状態を示す指標として、ターボ冷凍機10の冷却水出口温度(例えば、特許文献2)、あるいは、冷却水出口温度と冷却水入口温度との差(冷却水出入口温度差)を用いることができる。前者の場合には冷却水出口温度を所定値に保つように冷却水流量制御値が定められ、後者の場合には冷却水出入口温度差を所定値に保つように冷却水流量制御値が定められる。
また、ターボ冷凍機10の負荷状態を示す指標として、ターボ冷凍機10の部分負荷率を用いることができる(例えば、特許文献3)。この場合、冷却水流量制御値(冷却水ポンプ流量)とターボ冷凍機部分負荷率とを線形関係の一次式として表しておけば、部分負荷率の増減に応じて冷却水流量の増減を行う制御が極めて簡便なものにできる。
上記以外にも、ターボ冷凍機10の負荷状態に応じて冷却水流量制御値を設定することを、本発明は許容する。
次いで、コントローラ17は、冷却水流量目標値を設定する(図2 S107)。この目標値は所定時間が経過するまでと同様に、冷却水流量制御値が冷却水流量下限値を上回った場合、目標値として冷却水流量制御値を用い、下回った場合、目標値として冷却水流量下限値を用いる。ただし、ここで用いられる冷却水流量下限値がターボ冷凍機10における冷却水流量の下限値である点で、所定時間が経過するまでと相違する。
冷却水流量目標値が設定されたならば、この目標値に基づいて、コントローラ17は、冷却水ポンプ12bの周波数を制御することで、冷却水流量を制御する(図2 S109)。
第1実施形態では、湿球温度に応じて冷却水流量下限値を設定することで、適正な冷却水流量を実現しようとした。ところが、第1実施形態では湿球温度の大小に対して、冷却塔21の性能の大小及び熱負荷の大小の相関があるということが前提とされている。そのため湿球温度が低下しても熱負荷が低下しないような環境においては、第1実施形態をそのまま適用するのは困難である。例えば、冷却塔21の性能を無視した場合、湿球温度が低下しても熱負荷が変わらないとすれば、湿球温度が低下しても必要な冷却水流量は変わらないことを意味する。つまり、冬場は熱負荷が「低い」と仮定しているが、冬場でも熱負荷が「高い」環境では、必要な冷却水流量が多いため、第1実施形態のように冷却水流量下限値を低く設定すると、高圧トリップを発生させるリスクが存在する。ここで、冬場でも熱負荷が「高い」環境とは、工場内で機械・設備を冷却する場合が例示される。
コントローラ17は、熱負荷率を求めるために、第1温度計24で計測される流入冷水温度T1、第2温度計25で計測される流出冷水温度T2を取得する。コントローラ17は、取得した流入冷水温度T1及び流出冷水温度T2と、冷水W2の流量と、からターボ冷凍機10の熱負荷を算出する。既知であるターボ冷凍機10の冷凍定格能力に対する求めた熱負荷の比率を熱負荷率として求める。
湿球温度が上限湿球温度と下限湿球温度の間であれば、熱負荷率に応じて、50%〜100%の範囲から冷却水流量下限値が設定される。図5の例では、50%〜100%を比例配分しているが、これに限るものではないことは第1実施形態と同じである。
第2実施形態では熱負荷率を考慮して冷却水流量下限値を設定した。これは、熱負荷に応じて、必要とされる冷却水側での凝縮能力が異なっているためであった。しかるに、熱負荷が高くても、圧縮機の性能が高い場合と低い場合とでは、必要とされる凝縮能力は異なる。圧縮機性能が高い場合、圧縮機を駆動する電動モータ15で費やされる電力も少なくなるため、これに応じて必要とされる凝縮能力も少なくて済む。一方、圧縮機性能が低い場合、必要とされる圧縮機の電動機電力も多くなるため、これに応じて必要とされる凝縮能力も高くなる(図13(b)参照)。そこで、第3実施形態では、ターボ圧縮機11の性能、換言すると電動モータ15で費やされる電力(電動機電力)をも考慮して冷却水流量下限値を設定する。
そして、図7に示すように、凝縮能力Qcは蒸発能力と電動機電力の和として与えられる。一方、許容冷却水温度差Δtcは、冷却水入口温度T3と許容冷却水出口温度T4の差として与えられる。コントローラ17は、凝縮能力、電動機電力、冷却水入口温度T3及び許容冷却水出口温度T4を取得して、これらの演算を実行する。ここで、許容冷却水出口温度T4は、冷凍機凝縮器高圧トリップ設定を考慮して設定される値である。凝縮器12の高圧トリップ設定値が高ければ、許容冷却水出口温度T4も高くなり、冷却水流量下限値も低くなる。この関係を、図13(c)に示しておく。
コントローラ17は、凝縮能力Qc(熱負荷量)は第2実施形態で示したのと同様に計測、演算により取得し、電動機電力はインバータ22から取得し、冷却水入口温度は第3温度計26より取得する。得られた凝縮能力Qcと許容冷却水温度差Δtcから、冷却水流量下限値を求め、それに基づいて冷却水ポンプ12bを動作させて冷却水流量を制御する。
第3実施形態では、凝縮能力Qcを蒸発能力及び電動機電力を用いて算出するために、電動機電力を計測する必要があった。しかし、通常、冷凍機の性能は、運転中にリアルタイムに導出しなくても、予め把握できている。例えば、図8(特許文献1より)に示すように、各冷却水温度(CD)に応じて、熱負荷量とCOP(成績係数)の関係が既知である。つまり、冷却水温度と熱負荷量を用いることで、その冷凍機のCOP、つまり冷凍機の性能を把握できるので、電動機電力の計算が不要となる。
そこで第4実施形態では、熱負荷量とCOPの関係マップを用いて、冷却水温度と熱負荷量から凝縮能力を算出(推定)し、第3実施形態と同様に冷却水流量下限設定値を算出する(図9 S140)。
すなわち、蒸発能力(熱負荷量)及び冷却水入口温度がわかれば、熱負荷量とCOPの関係マップ(例えば、図8)よりCOPが求められる。さらに、COP及び蒸発能力から凝縮能力を算出して推定することができる。なお、よく知られているように、凝縮能力=(1+COP)×蒸発能力÷COP、が成り立ち、これにより凝縮能力Qcが求められる。そうすれば、第3実施形態と同様に、冷却水流量下限値を設定することができる。
第2実施形態〜第4実施形態においては、熱負荷率又は熱負荷量を計測して、それを用いて冷却水流量下限値を設定していた。しかし、起動後所定時間における制御手法であり、同時間内においては、負荷が変動する。例えば、起動直後は負荷がゼロであり、その後に負荷が上昇していく。そのため、刻々と変動する熱負荷を用いて冷却水流量下限値を設定する場合、負荷の急な上昇に対して、冷却水流量の上昇が追いつかず、高圧トリップ発生のリスクが未だ存在する。
そこで第5実施形態では、複数の冷凍機を制御する制御装置内に格納された「各冷凍機に対して設定された熱負荷率」情報を用い、第2実施形態〜第4実施形態を実行する。なお、本実施形態は、第2実施形態〜第4実施形態における「負荷率(負荷量)」の計算方法に関するものであって、本実施形態が適用されるのは複数台のターボ冷凍機10が存在し、かつ1台目のターボ冷凍機10が起動してからである。1台目の起動時には全体負荷が把握できていないため、上記情報が未だ特定できていないためである。ここで言う「各冷凍機に対して設定された熱負荷率」情報は、上記制御装置により各冷凍機に割り当てられる熱負荷率であり、各冷凍機が達成する蒸発能力目標値となる。複数台のターボ冷凍機10がある場合には、一般的に図8の冷凍機性能特性に基づき、システム全体効率が最適となるよう、各冷凍機へ負荷を分配する。
その場合の制御ロジックを図11の特にS150に示す。なお、この制御ロジックは第2実施形態に適用したものである。例えば、図12に示すように4台のターボ冷凍機10a〜10dを一台のコントローラ27で制御する場合を想定する。通常、ターボ冷凍機10a〜10dは、要求される冷凍能力に応じて順に起動される。例えば、はじめにターボ冷凍機10aが起動された後に、ターボ冷凍機10aだけでは必要な冷凍能力が得られないと、次にターボ冷凍機10bが起動され、さらに、ターボ冷凍機10aとターボ冷凍機10bでは必要な冷凍能力が得られないと、次にターボ冷凍機10cが起動される、という具合である。この例の場合、コントローラ27は、ターボ冷凍機10a、ターボ冷凍機10b、ターボ冷凍機10cの各々に熱負荷(熱負荷率)を割り当てる。例えば、ターボ冷凍機10a及びターボ冷凍機10bが40%、ターボ冷凍機10cが20%、と割り当てられる。そうすると、各ターボ冷凍機10a〜10dに設けられるコントローラ17a〜17dは、割り当てられた熱負荷率を当該ターボ冷凍機10a〜10dの熱負荷率として設定する。第5実施形態では、この熱負荷率と湿球温度WBとから冷却水流量下限値を第2実施形態と同様に求める。なお、始めに起動されたターボ冷凍機10aについては、冷却水流量下限値を第2実施形態と同様に求める。
10,10a〜10d ターボ冷凍機
11 ターボ圧縮機
12 凝縮器
12a 冷却水配管
12b 冷却水ポンプ
13 電子膨張弁
14 蒸発器
14a 冷水配管
15 電動モータ
16 冷媒流通路
17,17a〜17d,27 コントローラ
21 冷却塔
22 インバータ
23 湿球温度計
24 第1温度計
25 第2温度計
26 第3温度計
50 外部負荷
Qc 凝縮能力
W1 冷却水
W2 冷水
Claims (8)
- 冷媒を圧縮するターボ圧縮機、前記ターボ圧縮機によって圧縮された冷媒を凝縮液化させる凝縮器と、凝縮器によって凝縮液化された冷媒を膨張させる膨張弁、及び、前記膨張弁によって膨張された冷媒を外部負荷から送給される冷水と熱交換させることで蒸発させる蒸発器を備えたターボ冷凍機と、
前記凝縮器にて熱交換を行うことによって冷媒を冷却する冷却水を、外気と接触させることにより熱交換させて冷却する冷却塔と、
を備える熱源システムにおける、前記凝縮器に前記冷却水を供給する流量を制御する冷却水流量制御方法であって、
前記ターボ冷凍機が起動してから所定時間内は、
外気温度に応じて設定される冷却水量下限値に基づいて、前記凝縮器に供給される前記冷却水の流量を制御する、
ことを特徴とする熱源システムの冷却水流量制御方法。 - 前記外気温度と、前記ターボ冷凍機の熱負荷率と、に応じて設定される前記冷却水流量下限値に基づいて、前記凝縮器に前記冷却水を供給する流量を制御する、
請求項1に記載の熱源システムの冷却水流量制御方法。 - 前記熱負荷率は、
前記蒸発器に流入する前記冷水の計測温度及び前記蒸発器から流出する前記冷水の計測温度に基づいて求められる、
請求項2に記載の熱源システムの冷却水流量制御方法。 - 前記熱負荷率として、設定された前記熱負荷率が用いられる、
請求項2に記載の熱源システムの冷却水流量制御方法。 - 前記設定された前記熱負荷率は、
複数の前記ターボ冷凍機を備える前記熱源システムにおいて、各々の前記ターボ冷凍機に割り当てられる熱負荷率である、
請求項4に記載の熱源システムの冷却水流量制御方法。 - 冷媒を圧縮するターボ圧縮機、前記ターボ圧縮機によって圧縮された冷媒を凝縮液化させる凝縮器と、凝縮器によって凝縮液化された冷媒を膨張させる膨張弁、及び、前記膨張弁によって膨張された冷媒を外部負荷から送給される冷水と熱交換させることで蒸発させる蒸発器を備えたターボ冷凍機と、
前記凝縮器にて熱交換を行うことによって冷媒を冷却する冷却水を、外気と接触させることにより熱交換させて冷却する冷却塔と、
を備える熱源システムにおける、前記凝縮器に前記冷却水を供給する流量を制御する冷却水流量制御方法であって、
前記ターボ冷凍機が起動してから所定時間内は、
前記凝縮器における凝縮能力と前記冷却塔における許容冷却水温度差に応じて設定される冷却水流量下限値に基づいて、前記凝縮器に供給する前記冷却水の流量を制御する、
ことを特徴とする熱源システムの冷却水流量制御方法。 - 前記凝縮能力は、
計測に基づく前記蒸発器の蒸発能力と、前記ターボ圧縮機を駆動する電動機の計測に基づく駆動電力と、に基づいて求められる、
請求項6に記載の熱源システムの冷却水流量制御方法。 - 前記凝縮能力は、
計測に基づく前記蒸発器の蒸発能力と、前記冷却水の温度における熱負荷量とCOP(成績係数)との既知である関係情報と、に基づいて求められる、
請求項6に記載の熱源システムの冷却水流量制御方法。
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