JP5971964B2 - ターボ冷凍機 - Google Patents

Description

本発明はターボ冷凍機に関する。

ターボ冷凍機は、冷却負荷に対して一定の冷水温度を供給するように、冷水出口温度制御が行われるため、消費電力は成行きとなる。

特開２００９−２０４２６２号公報

電力需要が不足する状況で、ターボ冷凍機の消費電力を制限する必要がある場合でも、ターボ冷凍機は冷水出口温度制御を実施するため、消費電力を制限する運転が難しいという欠点があった。

消費電力を制限する手段として、電動機入力電流値を制限する機能をもったターボ冷凍機も存在するが、電圧変動などの影響により消費電力を厳密に制限することは困難であった。特にインバータ駆動ターボ冷凍機の場合、圧縮機回転数に応じて、電動機入力電圧も変化するため、電動機入力電流で消費電力を制限することはできないという問題があった。

上記課題を解決するため、本発明のターボ冷凍機は、圧縮機と、圧縮機から吐出された冷媒を凝縮させる凝縮器と、減圧装置と、冷媒を蒸発させる蒸発器とを順次接続して構成される冷凍サイクルと、蒸発器に冷水を流入させて冷媒と熱交換させた後に流出させる冷水系統とを備え、目標冷水出口温度に基づいて冷凍サイクルを制御する冷水出口温度制御モードと、消費電力が目標消費電力以下となるように冷凍サイクルを制御する消費電力制御モードとを備える。

本発明のターボ冷凍機によれば、消費電力が設定値以内になるように制御することができる。

ターボ冷凍機のサイクルを示す系統図。 消費電力制御実施のフローチャート。 冷水出口温度別の消費電力特性図。 容量制御方式別の消費電力特性図。

以下、本発明に係るターボ冷凍機の実施形態について説明する。
本発明に係るターボ冷凍機は、圧縮機１、蒸発器２、凝縮器３、減圧装置１０を順次接続して構成される冷凍サイクルを備え、圧縮機１で遠心羽根車により冷媒ガスは圧縮されて高温、高圧の冷媒ガスとなって凝縮器３に送られる。高温、高圧の冷媒ガスは、凝縮器３内を流れる冷却水によって凝縮液化し、冷媒液となって減圧装置１０を通過して減圧し、蒸発器２に送られる。蒸発器２に送られた冷媒液は蒸発器２内を流れる冷水に加熱されて蒸発器し、冷媒蒸気となって圧縮機１に送られる。冷水系統には、冷水出口温度センサー４、冷水入口温度センサー５を備え、所定の冷水温度となるように、容量制御弁７を制御部８により制御している。

また、インバータ駆動ターボ冷凍機の場合は、冷水出口温度センサー４、冷水入口温度センサー５の他に、冷却水入口温度センサー７を備えており、これらの条件からインバータ９からの周波数指令により、圧縮機１の回転数を制御することで冷水温度を制御することができる。

以下に実施例を図２を用いて説明する。
図２は、インバータ駆動ターボ冷凍機において、本発明における消費電力制御実施のフローチャートを示したものである。消費電力制御モードへの切替え手段がＯＦＦの時には通常の冷水出口温度制御を行い、消費電力制御モードへの切替え手段がＯＮの時には消費電力制御運転が行われる。この場合、消費電力が設定電力値以下の時は、消費電力制御は実施せず、通常の冷水出口温度制御中となる。冷却負荷の上昇や、冷却水温度の上昇などにより、消費電力が上昇し設定電力値以上となった時に冷水出口温度制御から消費電力制御に切替る。

消費電力制御に切替ると、圧縮機回転数が圧縮機下限回転数より高いか比較を行う。この圧縮機下限回転は、冷却水入口温度や冷水入口温度、冷水出口温度などの条件から算出される圧縮機がサージングと呼ばれる不安定挙動を起こさず安定して運転可能な下限回転数である。サージング現象とは圧縮機吸い込み風量と圧力比によって発生する現象である。圧力比は、蒸発器２内の蒸発圧力と凝縮器３内の凝縮圧力によって決まる値である。この蒸発圧力と凝縮圧力は、冷水出口温度と冷却水出口温度の影響を大きく受ける。冷水出口温度制御ではなく消費電力制御を実施する場合は、消費電力の制約から冷水出口温度が消費電力を低下させるほど上昇する。その結果、冷水出口温度は、最大で冷水入口温度からターボ冷凍機の運転最少能力分のみ低い温度まで上昇することが可能ある。例えば、冷水入口温度が１２℃、運転最少冷水温度差が１℃の場合、冷水出口温度は１１℃まで上昇することが可能となる。冷水出口温度が上昇するほど蒸発圧力が上昇し、圧力比は低下するので、圧縮機運転下限回転数は低下し、消費電力も低下することで、消費電力が設定値以下で制御することになる。

インバータ駆動ターボ冷凍機の場合、圧縮機回転を極力低下させることで高効率な運転となっている。ただし、冷却負荷が減少し、冷水出口温度から算出される圧縮機運転下限回転数まで圧縮機回転数が低下した場合、サージング現象を避けるため、圧縮機回転数はこれ以下にはできない。そのため、さらに冷却負荷を減少させる場合は、容量制御弁により、所定の冷却負荷に制御する。この冷水出口温度から算出される圧縮機運転下限回転状態の時に消費電力制御を実施する場合は、冷水出口温度の条件からは圧縮機回転数は下げられないが、圧縮機回転数を低下させた時に、冷却負荷が減少し、冷水出口温度が上昇すれば、蒸発圧力が上昇した結果、サージング運転とならない。

以上の特徴から、消費電力制御では、冷水入口温度を基準に圧縮機回転数を低下させた時に上昇する冷水出口温度を事前に算出し、そこから圧縮機運転下限回転数を算出することで、圧縮機回転数の低下速度があがり、消費電力が設定以下に早く制御可能となる。

消費電力制御に切替り、圧縮機回転数が前記で説明した圧縮機下限回転数より高い場合、インバータ９からの周波数指令値を一定量低下させ、圧縮機回転数が低下する。圧縮機回転数が低下することで、消費電力が減少、冷凍能力の低下、冷水出口温度が上昇する。これに伴い、冷却負荷に対して冷凍能力が減少することで、冷水入口温度も上昇する場合もある。また、冷凍能力が低下すると、ターボ冷凍機放熱量が低下することから、冷却塔負荷の減少し、冷却水入口温度が低下する場合もある。

前記により消費電力が低下しても、消費電力が設定電力値より高く、圧縮機回転数が圧縮機下限回転数より高い場合は、再度圧縮機回転数を低下させる。このサイクルは、消費電力が設定電力値より高く、圧縮機回転数が圧縮機下限回転数より高い間繰り返される。この間、冷凍能力の低下により、冷水入口温度の上昇や冷却水入口温度の上昇があった場合、圧縮機下限回転数が低下更新されることになる。

圧縮機回転数が圧縮機下限回転数まで低下した場合は、サージング現象を避けるために圧縮機回転数は低下できないので、容量制御弁を閉動作することで、消費電力を低下させる。容量制御弁の閉動作は、消費電力が設定電力値まで低下するか、容量制御弁開度が最低開度まで低下するまで繰り返される。この容量制御弁の最低開度は、機械毎に予め運転最少容量制御範囲となるように設定された値である。

一方、消費電力量を設定値以下に制限するための運転をしている時に、運転上検討が変化し消費電力量が設定電力量より低くなり、電力量に余裕ができたときには、冷水出口温度が冷水出口温度設定値より低くならない範囲で、冷凍機の能力を増加するように操作する。この時はまず、最大開度以下の範囲内で容量制御弁開度を優先して開方向に制御し、その後さらに電力量に余裕がある場合には、上限回転数以下の範囲で圧縮機回転数を増加させる。

以上の消費電力制御のフローにより、ターボ冷凍機の消費電力は、設定電力値以下で制御される。しかし、設定電力値が小さく、圧縮機回転数が圧縮機下限回転数となり、かつ容量制御弁開度が最低開度となっても消費電力が設定電力値以下とならない場合は、運年可能な最少消費電力状態で運転することもある。

上記の実施例において、消費電力量は冷凍機用電源の電力量測定系からの信号を用いて制御を行う。あるいは、ターボ冷凍機の運転状態量、すなわち圧縮機回転数、冷水出入口温度、冷却水入口温度、凝縮器圧力、蒸発器圧力等の信号やインバータ効率等の情報を取り込み、このうちのいくつかの情報を用いて推定した消費電力量を用いることも可能である。

インバータ駆動ターボ冷凍機において、冷却水入口温度２８℃一定時の冷水出口温度毎の消費電力特性を図３に示す。横軸は冷凍能力（％）を、縦軸は消費電力（％）を示す。ターボ冷凍機は定格冷水入口温度１２℃、定格冷水出口温度７℃、定格冷却水入口温度３２℃の場合であり、定格運転時の消費電力を１００％としている。実線が冷水出口温度７℃の場合、破線が冷水出口温度１２℃とした場合の消費電力特性である。図より、インバータ駆動ターボ冷凍機の場合、冷水出口温度が上昇し、圧縮機回転数を低下させることで、消費電力が大幅に減少することが分かる。これは、冷却水温度が高い、夏期や中間期においても、冷水出口温度が上昇することで、消費電力を大幅に低下させることができることを示している。

冷却水入口温度２８℃一定時に容量制御方式別の消費電力特性を図４に示す。横軸は冷凍能力（％）を、縦軸は消費電力（％）を示している。消費電力は冷却水２８℃、冷凍能力１００％時を基準である。太線が圧縮機回転数制御と容量制御弁制御併用時の場合、細線が容量制御弁制御のみの場合である。図より、圧縮機回転数を制御することで、制御しない場合と比較し、消費電力が大きく減少することが分かる。これは、圧縮機回転数を優先的に制御することで、効率良く、消費電力を低下できることを示している。本発明においても、図２のフローチャートで示したように、容量制御弁より先に圧縮機回転数を低下させることで、設定電力値で最大限の冷凍能力とし、効率が高い運転とすることができる。

以上、本発明のターボ冷凍機は、圧縮機と、圧縮機から吐出された冷媒を凝縮させる凝縮器と、減圧装置と、冷媒を蒸発させる蒸発器とを順次接続して構成される冷凍サイクルと、蒸発器に冷水を流入させて冷媒と熱交換させた後に流出させる冷水系統とを備え、目標冷水出口温度に基づいて冷凍サイクルを制御する冷水出口温度制御モードと、消費電力が目標消費電力以下となるように冷凍サイクルを制御する消費電力制御モードと、を備える。また目標消費電力を任意の値で設定可能とする。また、消費電力制御モードは、消費電力が所定の設定値より高くなる場合には冷水出口温度制御に優先して消費電力量を低減するための制御を行い、消費電力量が所定の設定値より低い場合には冷水出口温度制御を行う。また、圧縮機より上流側に配置される容量制御弁を備え、消費電力制御モードでは、消費電力が目標消費電力以下となるように、容量制御弁を制御する。また、圧縮機はインバータ駆動されるインバータ圧縮機であり、ターボ冷凍機は圧縮機回転数制御と容量制御弁制御の両方を用いて容量制御を行うとともに、圧縮機回転数をできるだけ低くするように優先して制御し、容量制御弁を補助的に制御する。また、圧縮機の回転数が下限回転数となる時に消費電力が所定の設定値以上の場合に、容量制御弁を制御する。また、下限回転数は、冷水入口温度に基づいて決定される。

１ 圧縮機
２ 蒸発器
３ 凝縮器
４ 冷水出口温度センサー
５ 冷水入口温度センサー
６ 冷却水入口温度センサー
７ 容量制御弁
８ 制御部
９ インバータ
１０ 減圧装置

Claims (5)

1. 圧縮機と、前記圧縮機から吐出された冷媒を凝縮させる凝縮器と、減圧装置と、冷媒を蒸発させる蒸発器とを順次接続して構成される冷凍サイクルと、蒸発器に冷水を流入させて冷媒と熱交換させた後に流出させる冷水系統とを備え、
   目標冷水出口温度に基づいて冷凍サイクルを制御する冷水出口温度制御モードと、消費電力が目標消費電力以下となるように冷凍サイクルを制御する消費電力制御モードと、を備え、
   前記目標消費電力を任意の値で設定可能とする、ターボ冷凍機。
2. 前記圧縮機より上流側に配置される容量制御弁を備え、
   前記消費電力制御モードでは、消費電力が前記目標消費電力以下となるように、前記容量制御弁を制御する、請求項１に記載のターボ冷凍機。
3. 前記圧縮機は、インバータ駆動されるインバータ圧縮機であり、
   前記ターボ冷凍機は圧縮機回転数制御と前記容量制御弁制御の両方を用いて容量制御を行うとともに、前記圧縮機回転数をできるだけ低くするように優先して制御し、前記容量制御弁を補助的に制御する、請求項２に記載のターボ冷凍機。
4. 前記圧縮機の回転数が下限回転数となる時に消費電力が所定の設定値以上の場合に、前記容量制御弁を制御する、請求項３に記載のターボ冷凍機。
5. 前記下限回転数は、冷水入口温度に基づいて決定される、請求項４に記載のターボ冷凍機。