JP5830909B2 - 集塵機システムの省エネ制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、製鉄所等において使用される集塵機システムの省エネ制御装置に関するものである。

製鉄所、例えば、熱延ラインでは、微細な鉄くず等のダストや、油分を含むヒューム（Ｆｕｍｅ：煙霧）が発生する。このため、熱延ラインでは、スラブを圧延するラインの上方にフードを設置し、このフードからダストやヒュームを吸い込んで集塵処理を行っている。このような集塵機システムでは、ファンを使用し、ダストやヒュームを含む空気をフードから吸い込み、ヒューム等を取り除いた空気を外部に排出する。従来では、ファンを商用周波数（最大）で運転させて必要な風量を確保し、ダンパーによって風量の調整を行っていた。

しかし、このような運用では、ファンでの消費エネルギーが大きくなり、省エネルギー（以下、単に「省エネ」ともいう）化を図ることができない。そこで、最近では、集塵機システムに、ファンをインバータ制御するための装置を導入することが多くなってきている（例えば、特許文献１乃至３参照）。かかるシステムであれば、例えば、ラインで製品を生産している時は周波数を上げて必要な風量を確保し、製品を生産していない時は周波数を下げて省エネ化を図ることができる。

特開平５−２８５３２５号公報 特開２００１−３８１２８号公報 特開２００８−６４４３４号公報

上記構成の集塵機システムでは、システム全体を考慮した抵抗曲線とファンの特性とに基づいて、インバータによる周波数制御を行っている。

なお、集塵機システムでは、ダストやヒュームが、配管内やファンのブレード等に経年的に堆積する。上記抵抗曲線は流量の二乗で表すことができるため、ダストやヒュームの堆積によって流量が変化することにより、抵抗曲線は経年的に変化してしまう。同様に、ファンの特性についても、化学成分を持った粉塵等があるとブレードに堆積しやすくなる可能性もあることから、その影響を受けて経年的に変化する。

このため、例えば、特許文献２に記載のものにおいて初期に最適周波数を設定しても、抵抗曲線及びファン特性の経年変化から、その制御周波数が、時間の経過と共に最適点からずれてしまうといった問題があった。即ち、省エネ運転を長期に渡って維持することはできず、場合によっては、設備に必要な流量が確保できなくなる恐れもあった。

また、熱延ラインでは、圧延するスラブの種類によって、発生するダストやヒュームの種類・量が異なる。このため、上記抵抗曲線の変化やファン特性の変化は、集塵機システム毎に異なる挙動を示す。また、集塵機システムでは、配管や煙突の清掃といったメンテナンスが定期・不定期で行われることがあり、かかる場合は、抵抗曲線やファン特性が、それまでのものとは不連続的に変化してしまう。

このような理由から、特許文献１に記載のものでは、システム内に種々の測定器を取り付けて、設備状態の把握を行っている。しかし、熱延ラインは設備環境が悪く、測定器の故障等が発生し易い。また、配管等も大型であり、配管内の圧力や温度、風量等、測定器の値そのものにも誤差が含まれる可能性がある。このため、特許文献１に記載のものでは、設備状態を正確に把握することができず、インバータによる適切な周波数制御を実現することが困難であった。

なお、特許文献３に記載の集塵機システムでは、多数の配管、ファン、フィルターが用いられており、システム全体の等価抵抗曲線、ファン全体の総合特性等を正確に求めることができない。このため、特許文献３に記載のものでは、排ガスの温度や集塵量を測定し、その測定結果に基づいて周波数制御を行っている。しかし、このものにおいても、上記特許文献１に記載のものと同様の問題が発生してしまう。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、熱延ラインのような設備環境が極めて悪い状況下においても、インバータによるファンの周波数制御を正確且つ簡単に行うことができ、最適な省エネ運転を実現することができる集塵機システムの省エネ制御装置を提供することである。

この発明に係る集塵機システムの省エネ制御装置は、フードから吸い込んだ空気を、配管及び集塵機を経由させて外部に排出するための気流を発生させるファンと、ファンを駆動するモータと、モータを制御する制御装置と、を備え、制御装置は、モータを周波数制御するインバータ制御部と、モータの消費電力データを時系列に蓄積するデータ蓄積部と、データ蓄積部に蓄積された消費電力データに基づいて、ファンの特性の劣化による電力低下と気流に関する抵抗曲線の劣化による電力低下とから消費電力のトレンドを把握し、省エネ周波数を算出する演算部と、を備えたものである。

この発明に係る集塵機システムの省エネ制御装置であれば、熱延ラインのような設備環境が極めて悪い状況下においても、インバータによるファンの周波数制御を正確且つ簡単に行うことができる。このため、最適な省エネ運転を実現することができる。

この発明の実施の形態１における省エネ制御装置を備えた集塵機システムを示す構成図である。 他の集塵機システムの例を示す構成図である。 省エネ運転の一例を示す図である。 ファン特性と抵抗曲線との関係を示す図である。 ファン特性と抵抗曲線との関係を示す図である。 ファン特性と抵抗曲線との時間推移を示す図である。 集塵機の必要圧力の時間推移を示す図である。 モータの消費電力の時間推移を示す図である。 運転及びメンテナンスを繰り返した時のモータの消費電力トレンドを示す図である。 この発明の実施の形態１における集塵機システムの省エネ制御装置の動作を示すフローチャートである。 流量と圧力との関係を定量的に説明するための図である。

この発明をより詳細に説明するため、添付の図面に従ってこれを説明する。なお、各図中、同一又は相当する部分には同一の符号を付しており、その重複説明は適宜に簡略化ないし省略する。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１における省エネ制御装置を備えた集塵機システムを示す構成図である。
図１において、１は熱延ラインである。熱延ライン１では、圧延機で圧延されるスラブから、微細なダストや油分を含むヒューム（Ｆｕｍｅ：煙霧）が発生する。このため、熱延ライン１には、ダストやヒュームを収集・処理するための集塵機設備が備えられている。なお、熱延ライン１向けの集塵機設備は、製鉄所の中でも比較的簡単な構成を有するものである。

集塵機設備には、例えば、フード２、ＥＰ集塵機（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｏｒ）３、ファン（Ｆａｎ）４、煙突５、配管６が備えられている。フード２は、例えば、圧延機の上方等に設置される。熱延ライン１で発生したダスト・ヒュームを含む空気は、フード２から配管６に吸引され、ＥＰ集塵機３に送られる。ＥＰ集塵機３では、吸い込んだ空気からダストやヒュームを吸着・除去する。ダスト・ヒュームが除去された空気は、ＥＰ集塵機３から下流側の配管６へと送られ、煙突５から施設外部へと排出される。

ファン４は、例えば、ＥＰ集塵機３の下流側に設けられる。ファン４は、熱延ライン１上方の空気をフード２から吸い込み、その空気を配管６やＥＰ集塵機３を経由させて煙突５から外部に排出するための気流を発生させる。７はファン４を駆動するためのモータである。ファン４及びモータ７は、フード２から吸い上げた空気を大気に排出するまでの圧力損失に打ち勝つだけの十分な容量のものが選ばれる。モータ７（ファン４の回転）は、制御装置８によって制御される。
制御装置８には、インバータ制御部９、データ蓄積部１０、演算部１１、判定部１２が備えられている。

なお、図２は他の集塵機システムの例を示す構成図であり、ダンパーを用いた従来の電気炉（ＥＡＦ：Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ａｒｃ Ｆｕｒｎａｃｅ）用の集塵機システムを示している。図２において、１３は炉、１４はフード、１５はダンパー（Ｄａｍｐｅｒ）、１６は熱交換器（Ｈｅａｔ Ｅｘｃｈａｎｇｅｒ）、１７はバッグフィルター（Ｂａｇ Ｆｉｌｔｅｒ）、１８はファン、１９は配管である。
このような多数の配管１９、ファン１８を備えたシステムにおいても、ダンパー１５に代えて、上記制御装置８を採用することが可能である。

上記インバータ制御部９は、インバータ制御機能を司る。インバータ制御部９は、モータ７の周波数制御を行い、モータ７を最適な周波数で駆動する。
図３はこれらの設備に対する省エネ運転の基本的考え方の例を示す図である。熱延ライン１の圧延機でスラブを圧延している運転中は、圧延を行っていないアイドル中よりも、ダストやヒュームが多く発生する。このため、十分な流量（風量）を得るために必要なファン４の周波数は、図３に示すように、アイドル中よりも運転中の方が当然に高くなる。

インバータ制御部９は、十分な流量を確保した上で、ファン４での消費エネルギーがなるべく少なくなるように設定された周波数で、モータ７を駆動する。例えば、インバータ制御部９は、ラインの運転中とアイドル中とにおいて、異なる周波数でモータ７を駆動する。

データ蓄積部１０は、モータ７で消費した電力の情報を時系列に蓄積する機能を有している。データ蓄積部１０は、例えば、この電力情報を時刻情報とともに記憶することにより、消費電力データの蓄積を行う。

演算部１１は、データ蓄積部１０に蓄積された消費電力データに基づいて、現状設備に最適な、即ち、ファン４の特性と設備全体の（上記気流に関する）抵抗曲線とを考慮した省エネ周波数を算出する機能を有している。なお、省エネ周波数とは、現状設備において省エネ運転を実現するための周波数である。即ち、省エネ周波数は、現在の運転周波数よりも低い値である必要がある。

一方、演算部１１によって算出された省エネ周波数は、省エネ運転が実現できることの他に、設備に必要な最低流量が確保できるものでなければならない。なお、最低流量とは、ヒューム等を含む空気が熱延ライン１上に滞留することがないように、上記気流を形成するための最低限必要な流量のことである。判定部１２は、演算部１１によって算出された省エネ周波数でモータ７を駆動した時の流量と、所定の最低流量とを比較し、上記省エネ周波数によって最低流量が確保できるか否かを判定する。

以下に、図４乃至図１０も参照し、データ蓄積部１０、演算部１１、判定部１２の機能について具体的に説明する。
図４はファン特性と抵抗曲線との関係を示す図である。図４において、Ａ及びＢはファン４の特性曲線である。特性曲線Ａ及びＢは、流量が増加するにつれて圧力が低下し、その低下幅も流量が大きいほど大きくなることを示している。なお、Ａは周波数６０Ｈｚの時の特性曲線、Ｂは周波数４５Ｈｚの時の特性曲線である。

図４に示すＣ及びＤは本集塵機設備の抵抗曲線である。抵抗曲線Ｃ及びＤは、流量が増加するにつれて圧力も増加し、その増加幅も流量が大きいほど大きくなることを示している。抵抗曲線Ｃは、集塵機設備内、例えば、配管６内や煙突５内に堆積したヒューム等の量が少ない（或いは、ない）場合のものを示している。集塵機設備が稼動した後は、配管６内や煙突５内にヒューム等が徐々に堆積していく。ヒューム等が堆積することによって集塵機設備全体としての抵抗は増加する。このため、ヒューム等が堆積することによって抵抗曲線はその傾きが大きくなり、曲線としては立ち上がった状態となる。抵抗曲線Ｄは、配管６内や煙突５内にヒューム等が一定量堆積した時のものを示している。

例えば、集塵機設備の抵抗曲線がＣで示す状態の場合、ファン４を６０Ｈｚ及び４５Ｈｚの周波数で駆動しても、設備に必要な最低流量Ｑ１を十分に確保できる。このため、インバータ制御部９は、周波数を６０Ｈｚと４５Ｈｚとに切り替えながら、モータ７を駆動することができる。集塵機設備の抵抗曲線がＤで示す状態の時も、最低流量Ｑ１は確保できる。しかし、周波数４５Ｈｚの時の流量は、最低流量Ｑ１に既にかなり接近している。その後、ヒューム等が配管６内に更に堆積すると、例えば、周波数が６０Ｈｚの時は最低流量Ｑ１が確保できるものの、周波数４５Ｈｚでは最低流量Ｑ１が確保できない状態となる。かかる場合、インバータ制御部９では、周波数を４５Ｈｚに落とすことはできず、６０Ｈｚでモータ７を駆動しなければならない。その後、ヒューム等が配管６内に更に堆積すると、抵抗曲線はＥの状態となる。かかる場合は、周波数を６０Ｈｚにしても最低流量Ｑ１を確保することができない。このため、インバータ制御部９では、周波数を６０Ｈｚ以上の所定の値に設定して、モータ７を駆動する必要がある。

図５はファン特性と抵抗曲線との関係を示す図である。図５において、Ａ１はファン４をある所定の期間使用した後における、周波数６０Ｈｚのファン４の特性曲線を示している。周波数６０Ｈｚにおけるファン４の特性曲線は、設備稼働当初は、例えば、Ａの状態にある。しかし、ファン４自体が経年変化したりヒューム等がブレードに付着したりすることにより、ファン４の性能は徐々に劣化し、その特性曲線は、時間の経過とともに変化する。このため、特性曲線がＡ１に変化した状態では、同一周波数（６０Ｈｚ）でファン４を駆動しても、流量・圧力は、当初の流量（特性曲線がＡの時の流量・圧力）よりも値が小さくなる。

なお、集塵機設備では、配管６やファン４、煙突５の清掃といったメンテナンスが定期・不定期で行われることがある。また、そのメンテナンスも、集塵機設備全体に対して行われたり、配管６のみ、ファン４のみ、煙突５のみといったように部分的に行われたりする。メンテナンスによって集塵機設備全体を稼動初期の状態に戻すことができれば、例えば、図４のＥの状態まで悪化した抵抗曲線をＣの状態まで戻すことができる。しかし、配管６等の経年変化もあり、稼動後の集塵機設備を、メンテナンスによって稼動初期の状態に戻すことは困難である。集塵機設備全体をメンテナンスした直後の抵抗曲線は、例えば、図４において、抵抗曲線Ｃの左側に近接した位置に描かれる。また、集塵機設備の一部をメンテナンスした直後の抵抗曲線は、例えば、図４において、抵抗曲線Ｃの左側に近接した、或いは離れた位置に描かれる。

ファン４についても同様に、設備が稼動した後では、図５のＡ１まで悪化した特性曲線をＡの状態まで戻すことは困難である。ファン４をメンテナンスした直後の特性曲線は、例えば、図５において、特性曲線Ａの下側に近接した位置に描かれる。

図６はファン特性と抵抗曲線との時間推移を示す図である。上述したように、ファン４の特性曲線は種々の要因によって経年的に変化し、ＡからＡ１に示す状態に徐々に劣化する。また、抵抗曲線も同様に経年的に変化し、ヒューム等が堆積していない場合はＣからＣ１に示す状態に、ヒューム等が堆積している場合はＤからＤ１に示す状態に徐々に劣化する。

ある時間において流量と圧力とを実測した場合、その実測値は、特性曲線Ａの抵抗曲線Ｃ及びＤに挟まれた部分が時間的に推移して形成される湾曲面Ｆに含まれる。即ち、湾曲面Ｆは、集塵機設備が持つ制御領域を示している。
なお、ファン４の特性曲線や設備の抵抗曲線は、メンテナンスによって不連続的に変化する場合がある。このため、ある時間に流量と圧力とを実測したとしても、実測値からだけでは、その値が大局的にどのような状況で得られたのかを判断することは難しい。例えば、メンテナンスの前後では、流量・圧力の実測値は、大きく異なる値を示す。しかし、メンテナンスの前後で測定された値は、双方とも上記湾曲面Ｆに含まれている。

図７は集塵機の必要圧力の時間推移を示す図である。集塵に必要な（吸着）圧力は、例えば、集塵機内の目詰まり等により、時間の経過とともに増加し、清掃前に最大値を示す。清掃によって目詰まりを解消すると、必要（吸着）圧力は大幅に減り、その後は上記挙動を繰り返す。なお、実際の必要圧力は、ファン特性の変化やヒューム等の堆積状況にも影響を受ける。

なお、モータ７の消費電力は、次式で表すことができる。
Ｌ＝αＱ^３
＝βＰ×Ｑ^２
上式において、Ｌは電力、Ｑは流量、Ｐは圧力、α及びβは係数である。

このため、データ蓄積部１０に蓄積される消費電力データは、図７とは逆の挙動を示す。即ち、モータ７の消費電力は、設備の稼動初期に最大値を示し、時間の経過とともに減少する。そして、清掃（メンテナンス）が行われると、消費電力は大幅に増加し、その後は上記挙動を繰り返す。なお、消費電力についても、当然に、ファン特性の変化やヒューム等の堆積状況（抵抗曲線の変化）の影響を受ける。

図８はモータの消費電力の時間推移を示す図であり、圧力及び流量と消費電力との関係を示している。例えば、稼動開始直後、集塵機設備は、駆動周波数におけるファン４の特性曲線と抵抗曲線との交点Ｇが示す圧力・流量で操業される。この時のモータ７の消費電力は、最大値Ｈを示す。そして、時間の経過とともに抵抗曲線の傾きが大きくなると、流量・圧力の変化に伴い、モータ７の消費電力が減少する。その後、設備のメンテナンス前に特性曲線と抵抗曲線との交点がＪの位置に達し、モータ７の消費電力が極値Ｋとなる。

この時点で設備のメンテナンスが行われると、設備の抵抗曲線は、理想的には稼動開始直後の状態となり、ファン４の特性曲線と抵抗曲線との交点はＧの位置に戻る。しかし、メンテナンスによって全てのヒュームを除去することは困難であり、また、配管６やファン４にも経年変化が発生する。このため、メンテナンス直後は、ファン４の特性曲線が操業開始直後の状態よりも僅かに下方に移動したり、抵抗曲線の傾きが操業開始直後の状態よりも僅かに大きくなったりする。

しかし、メンテナンスが行われることにより、ファン４の特性曲線と抵抗曲線との交点はＧの近傍の位置まで戻り、モータ７の消費電力も上記最大値Ｈ付近の値Ｈ１にまで戻る。そして、時間の経過とともに、上記挙動を繰り返す。

なお、モータ７の消費電力の傾き（減少度合い）は、集塵機設備毎に異なる値を示す。また、設備によっては、Ｈ１の値がＨの大きさよりも極端に減少したりもする。更に、設備によっては、時間の経過に伴い、モータ７の消費電力の傾きが大きくなる場合もある（即ち、Ｈ１からＫ１に至るまでの時間が、ＨからＫに至るまでの時間よりも短くなる設備もある）。これらの挙動は、その設備に固有のものである。

そこで、本制御装置８では、データ蓄積部１０にモータ７の消費電力データを蓄積していくことにより、演算部１１は、このデータ蓄積部１０に蓄積された消費電力データに基づいて、その設備の挙動、即ち、ファン特性の変化や抵抗曲線の変化に伴う集塵能力の劣化を学習、推定する。

図９は運転及びメンテナンスを繰り返した時のモータの消費電力トレンドを示す図である。集塵機設備が運転とメンテナンスとを繰り返し行うことにより、モータ７の消費電力の変化の中で、抵抗曲線が影響するもの、ファン特性が影響するものが顕在化し、図９に示すようなトレンドを把握することが可能となる。演算部１１は、データ蓄積部１０に蓄積された消費電力データからそのトレンドを把握して、現状における最適な周波数を算出する。

なお、ある時間にモータ７の消費電力を測定しても、その値だけでは、設備がどのような状態にあるのかを把握することはできず、演算部１１は、現状における最適な周波数を導くことはできない。データ蓄積部１０にモータ７の消費電力データを時系列に蓄積していくことにより、現状設備における消費電力のトレンドを把握することができ、省エネ運転に最適な周波数を導くことができる。

図１０はこの発明の実施の形態１における集塵機システムの省エネ制御装置の動作を示すフローチャートである。
図１０に示すように、制御装置８では、集塵機設備が商用運転されている間、モータ７の消費電力をデータ蓄積部１０に時間情報とともに逐一記録する（Ｓ１）。次に、制御装置８では、演算部１１が、データ蓄積部１０に蓄積された消費電力データに基づいて、ファン特性と抵抗曲線とから導くことができる制御空間（図６における湾曲面Ｆに相当）を学習・推定する（Ｓ２）。

上記制御空間を導くことにより、現状設備における消費電力トレンドを把握することができる。例えば、演算部１１は、集塵能力に対するメンテナンス期間やメンテナンス場所の寄与率を数値化して設備の現状を把握し、現状の設備において実施可能な省エネ周波数を算出する（Ｓ３）。

Ｓ３において省エネ周波数が算出されると、次に、判定部１２が、算出された周波数によって、設備の最低流量が確保できるか否かを判定する（Ｓ４）。Ｓ４において最低流量が確保できていれば（最低流量以上であれば）、制御装置８では、Ｓ３で算出された省エネ周波数を用いて、インバータ制御部９による制御を行う（Ｓ５）。一方、Ｓ４において最低流量が確保できていない（最低流量より少ない）場合、制御装置８は、メンテナンスを促すためのメッセージを外部に出力する（Ｓ６）。

この発明の実施の形態１によれば、熱延ライン１のような設備環境が極めて悪い状況下においても、インバータによるファン４の周波数制御を正確且つ簡単に行うことができ、最適な省エネ運転を実現することができる。本省エネ制御装置では、演算部１１が省エネ周波数を算出する際に、測定値として、モータ７の消費電力しか利用していない。即ち、本省エネ制御装置では、モータ７の消費電力以外に、圧力や流量、温度といった、測定しなければ現状の値が分からない他の物理値を利用することなく、省エネ周波数の算出を行っている。モータ７の消費電力は、モータ７に備えられた電力計から正確な値を簡単に取得することができ、デジタル処理も可能である。

なお、図１０のＳ２において制御空間を学習・推定する方法としては、様々な数理統計学・遺伝子アルゴリズムを利用することができる。演算部１１においてこのような予測モデルを使用する場合は、制御装置８の記憶部（図示せず）に、所定の予測モデルを予め記憶させておけば良い。

このような設備は、図１１を用いて定量的に論ずることができる。ファン特性の経年変化や抵抗曲線の経年変化を考慮した本方式も、図１１と同様に論じることができる。

以上のように、本省エネ制御装置であれば、操業者・保全者に対しても可視化された方式を提示することができ、運転により状態が変化する設備に対して、省エネ運転を継続して提供することができるようになる。

なお、図６及び図８に示す操業データを取得することができれば、その設備に最適な運転領域を把握することができる。このため、所定の数理統計処理やシミュレータ等を使用することにより、最適な設備仕様を提案することも可能となる。

１ 熱延ライン
２、１４ フード
３ ＥＰ集塵機
４、１８ ファン
５ 煙突
６、１９ 配管
７ モータ
８ 制御装置
９ インバータ制御部
１０ データ蓄積部
１１ 演算部
１２ 判定部
１３ 炉
１５ ダンパー
１６ 熱交換器
１７ バッグフィルター

Claims (2)

1. フードから吸い込んだ空気を、配管及び集塵機を経由させて外部に排出するための気流を発生させるファンと、
   前記ファンを駆動するモータと、
   前記モータを制御する制御装置と、
   を備え、
   前記制御装置は、
   前記モータを周波数制御するインバータ制御部と、
   前記モータの消費電力データを時系列に蓄積するデータ蓄積部と、
   前記データ蓄積部に蓄積された消費電力データに基づいて、前記ファンの特性の劣化による電力低下と前記気流に関する抵抗曲線の劣化による電力低下とから消費電力のトレンドを把握し、省エネ周波数を算出する演算部と、
   を備えた集塵機システムの省エネ制御装置。
2. 前記演算部によって算出された省エネ周波数で前記モータを駆動した時の流量が、所定の最低流量を確保できているか否かを判定する判定部と、
   を更に備えたことを特徴とする請求項１に記載の集塵機システムの省エネ制御装置。

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