JP6465080B2 - 流体加熱システム - Google Patents

Description

本発明は、産業プラントで発生した排熱を利用して水その他の流体を加熱する流体加熱システムに関し、排熱を有効利用した省エネ技術に関する。

産業用の加熱システムとしては、例えば特許文献１に記載の加熱システムがある。この加熱システムでは、空気供給路を流れる作動流体（空気）が、直列に配置した排熱回収型ヒートポンプ、ボイラ、及び電気ヒータからなる３つの加熱部で加熱されて高温となる。そして、高温となった作動流体が連続して加熱室に供給される。なお、加熱室からの排ガスの熱は、排熱回収装置によって吸熱導管に一部回収され、その回収された熱が上記排熱回収型ヒートポンプ４で利用される。
この加熱システムでは、系内が必要としている合計熱量と、各加熱部（ヒートポンプ４、電気ヒータ、ボイラ）の効率とを考慮しつつ、経済性評価で各産業用加熱システムの負荷率を算出して、各加熱部のヒートポンプ、電気ヒータ及びボイラを稼動する。

特開２０１１−１４５０４１号公報

排熱回収型ヒートポンプは排熱を利用した省エネ機器ではあるが、発明者らは、より流体の加熱コストを抑えることを考えて、排熱回収型ヒートポンプの代わりに既設の排熱による直接の加熱（排熱回収）による、作動流体としての液体の加熱を考えた。しかし、この場合、排熱回収量では必要熱量が十分ではないため、高温の蒸気を付加するなどの対応が必要であった。
本発明は、上記のような点に着目してなされたものであり、より排熱回収量を最大化して省エネを図りつつ、流体の加熱温度を精度良く制御可能な流体加熱システムの提供を目的とする。

発明者らは、更に、既設の排熱による加熱（排熱回収）と併用して排熱回収型ヒートポンプも利用することで、流体を目標温度まで加熱することを考えた。しかしながら、排熱回収型ヒートポンプと既設の排熱系統の両方を組み合わせて作動流体を加熱する際の最適化について、従来確立していなかった。
ここで、排熱系統からの排熱を熱交換器で回収してそのまま作動流体に付加する場合、排熱系統からの作動流体の排熱回収量を一定に制御することは、別途コストが掛かる。このような排熱系統からの熱回収を考慮した場合、一般には、作動流体が供給される配管の排出口近傍での検出温度（上記加熱装置に供給される作動流体の温度）と目標温度との偏差に応じて、ヒートポンプの負荷を決定する方法を採用すると想定される。しかしながら、この方法では、加熱温度の精度が良くないおそれがある。特に、複数の既設の排熱系統を組み合わせて利用すると特に加熱の変動が大きくなり、複数の既設の排熱系統を組み合わせて加熱する場合における最適化が確立していなかった。

そして、発明者らは、排熱回収系と他の加熱装置とを組み合わせた上で、排熱回収熱量をベースとし、残りの不足熱量をヒートポンプで行わせる制御方法について検討することで、上記の課題を解決した。
すなわち、課題を解決するために、本発明の一態様の流体加熱システムは、管路に供給された流体を目標温度に加熱する流体加熱装置であって、上記管路に供給される流体よりも高温の排熱によって、上記管路に供給された流体を加熱する複数系統の排熱回収機器と、上記管路に供給された流体に対し設定熱量を付加可能な流体加熱装置とを有し、上記複数の排熱回収機器によって、上記管路に供給された流体に排熱回収される熱量である回収熱量を算出する回収熱量算出部と、上記回収熱量算出部が算出した回収熱量に応じて、上記流体加熱装置の設定熱量を決定する負荷演算部と、を備える。

本発明の態様によれば、排熱回収量を最大化し且つヒートポンプなどからなる流体加熱装置の負荷が最小化して、より省エネを図りつつ、加熱精度を向上可能となる。

本発明に基づく実施形態に係る流体加熱システムの構成を示す概念図である。 コントローラの構成を説明する図である。

次に、本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。
ここで、連続焼鈍ラインは、冷間圧延時に冷延材に付着した圧延油を除去する為に、焼鈍工程に入る前に冷延材をクリーニングタンクで温水クリーニングする。このクリーニング温水の温度を例えば７０℃などの設定温度に制御するために、設定温度の温水をクリーニングタンクに連続して供給する。また、クリーニングタンクから排出された温水はスクラバ設備に供給されて洗浄集塵処理が行われ、その洗浄集塵処理後の排温水が、例えば後述の第１の排熱回収機器に供給される。
本実施形態では、上記のクリーニングタンクに設定温度（目標温度）の温水を供給するシステムに、本発明に基づく流体加熱システムを適用する場合を例に挙げて説明する。

＜構成＞
本実施形態の流体加熱システムは、図１に示すように、流体である軟水（工業用水）を目標温度Ｔ^＊に加熱してクリーニングタンク５に供給する。クリーニングタンク５内の温水は、適宜、スクラバ設備１１に排出される。
軟水をクリーニングタンク５に搬送する管路１は、図１に示すように、途中で３つの分岐管路に分岐している。各分岐管路の下流端はそれぞれクリーニングタンク５に接続されている。

ここで、以下の説明では、管路１のうち、分岐するまでの管路部分を第１管路１ａと、分岐した３つの管路部分をそれぞれ、第１分岐管路１ｂ、第２分岐管路１ｃ及び第３分岐管路１ｄと呼ぶ場合もある。
本実施形態では、管路１に供給された軟水を加熱する装置として、２つの排熱回収機器２，３とヒートポンプ４とを備える。ヒートポンプ４は流体加熱装置を構成する。
そして、分岐管路１ａ、１ｂ、１ｃ毎に、２系統の排熱回収機器２，３の一つ、若しくはヒートポンプ４のいずれかをそれぞれ個別に配置している。具体的には、第１分岐管路１ｂの途中に第１の排熱回収機器２が介装され、第２分岐管路１ｃの途中に第２の排熱回収機器３が介装され、第３分岐管路１ｄの途中にヒートポンプ４が介装されている。

ここで、各排熱回収機器２，３は、管路１に供給される軟水よりも高温（＞Ｔ１）の排温水や排ガスなどの排流体が流れる排熱導管と、管路１との間で熱交換を行う熱交換器を備え、排温水や排ガスが有する排熱を回収して管路１を流れる軟水に供給する。
各排熱導管を流れる排流体は、特に限定されるものではない。例えば温水クリーニング処理の後段にあるスクラバ設備１１で処理した排温水や、加熱炉から出てきた製造物を冷却する際に発生する排流体（排熱）を採用する。
ヒートポンプ４の構成は、公知の構成を採用すれば良く、吸熱用の熱源も特に限定されない。吸熱用の熱源としては、例えば、各種プラントで使用されている冷却用循環水などの低温排熱を利用する。

また、第１温度計２１及び第１流量計２２が第１管路１ａに設けられている。第２温度計２３及び第２流量計２４が第１分岐管路１ｂにおける第１の排熱回収機器２の出側に設けられている。第３温度計２５及び第３流量計２６が第２分岐管路１ｃにおける第２の排熱回収機器３の出側に設けられている。また、第４温度計２７及び第４流量計２８が第３分岐管路１ｄにおけるヒートポンプ４の出側に設けられている。
また、クリーニングタンク５内の温度を測定する第５温度計２９を備える。
各温度計２１，２３，２５，２７，２９及び流量計２２，２４，２６，２８の測定値は、コントローラ１０に供給される。

ここで、第１温度計２１の検出値に基づく管路１の入口での軟水の温度、すなわち管路１に供給される軟水の温度をＴ１［℃］とし、その供給流量をＦ１［Ｔ／ｈ］とする。Ｆ１は第１流量計２２によって測定することが出来る。第１の排熱回収機器２の出口温度をＴ２［℃］、第１の排熱回収機器２を通過する軟水の流量をＦ２［Ｔ／ｈ］とする。Ｔ２は第２温度計２３によって測定することが出来る。Ｆ２は第２流量計２４によって測定することが出来る。第２の排熱回収機器３の出口温度をＴ３［℃］、第１の排熱回収機器２を通過する軟水の流量をＦ３［Ｔ／ｈ］とする。Ｔ３は第３温度計２５によって測定することが出来る。Ｆ３は第３流量計２６によって測定することが出来る。また、ヒートポンプ４出側での軟水の温度をＴ４［℃］、ヒートポンプ４を通過する軟水の流量をＦ４［Ｔ／ｈ］とする。Ｔ４は第４温度計２７によって測定することが出来る。Ｆ４は第４流量計２８によって測定することが出来る。また、クリーニングタンク５内の温水の温度をＴ５［℃］とする。Ｔ５は第５温度計２９によって測定することが出来る。

コントローラ１０は、回収熱量算出部１０Ａと負荷演算部１０Ｂとを備える。
回収熱量算出部１０Ａは、２つの分岐管路１ｂ、１ｃに供給された軟水に各排熱回収機器２，３によって排熱回収される熱量である回収熱量Ｑ１、Ｑ２を算出する。回収熱量算出部１０Ａは、例えば、軟水における各排熱回収機器２，３に対する入側での温度と出側での温度との温度差から回収熱量を算出する。
本実施形態の回収熱量算出部１０Ａは、第１分岐管路１ｂでの第１の排熱回収熱量Ｑ１と、第２分岐管路１ｃでの第２の排熱回収熱量Ｑ２とを個別に算出し、その合算値を合計排熱回収熱量Ｑｔとして算出する。

第１の排熱回収熱量Ｑ１は、下記（１）式で算出する。第２の排熱回収熱量Ｑ２は、下記（２）式で算出する。合計排熱回収熱量Ｑｔは下記（３）式で算出する。
第１の排熱回収熱量Ｑ１［ｋｃａｌ／ｈｒ］
＝ （Ｔ２−Ｔ１）［℃］×Ｆ２［ｋｇ／ｈｒ］×１［ｋｃａｌ／℃・ｋｇ］
・・・（１）
第２の排熱回収熱量Ｑ２［ｋｃａｌ／ｈｒ］
＝ （Ｔ３−Ｔ１）［℃］×Ｆ３［ｋｇ／ｈｒ］×１［ｋｃａｌ／℃・ｋｇ］
・・・（２）
合計排熱回収熱量Ｑｔ［ｋｃａｌ／ｈｒ］＝Ｑ１ ＋Ｑ２ ・・（３）
また、負荷演算部１０Ｂは、回収熱量算出部１０Ａが算出した合計排熱回収熱量Ｑｔに応じて、ヒートポンプ４が供給する設定熱量を決定する。負荷演算部１０Ｂは、例えば、管路１に供給される流体を目標温度Ｔ^＊に加熱するのに要する必要熱量と上記回収熱量算出部１０Ａが算出した合計排熱回収熱量とから上記設定熱量を決定する。

本実施形態の負荷演算部１０Ｂは、必要熱量算出部１０Ｂａと熱源負荷算出部１０Ｂｂと稼動制御部１０Ｂｃとを備える。
必要熱量算出部１０Ｂａは、下記（４）式に基づき、供給された軟水を目標温度Ｔ^＊に加熱するために必要な必要熱量Ｑ３を算出する。
必要熱量Ｑ３［ｋｃａｌ／ｈｒ］
＝ （Ｔ^＊−Ｔ１）［℃］×Ｆ１［ｋｇ／ｈｒ］×１［ｋｃａｌ／℃・ｋｇ］
・・・（４）
なお目標温度Ｔ^＊の代わりにクリーニングタンク５内の温度Ｔ５を使用しても良い。

熱源負荷算出部１０Ｂｂは、必要熱量算出部１０Ｂａが算出した必要熱量Ｑ３と回収熱量算出部１０Ａが算出した合計排熱回収熱量Ｑｔとに応じて、下記（５）式で、ヒートポンプ４が負担する熱量である熱源負荷Ｑ４を算出する。
熱源負荷Ｑ４［ｋｃａｌ／ｈｒ］＝ Ｑ３−Ｑｔ ・・・（５）
稼動制御部１０Ｂｃは、熱源負荷算出部１０Ｂｂが算出した熱源負荷Ｑ４に応じたヒートポンプ４出側での熱源目標温度を求め、ヒートポンプ４の出側温度Ｔ４が熱源目標温度となるように、ヒートポンプ４の駆動制御を行う。

ここで、ヒートポンプ４の出口温度である熱源目標温度Ｔｄ［℃］は、下記（６）式で算出することが出来る。
Ｔｄ［℃］ ＝ Ｑ４［ｋｃａｌ／ｈｒ］ ／（Ｆ４［ｋｇ／ｈｒ］×１［ｋｃａｌ／℃・ｋｇ］）＋Ｔ１［℃］・・・（６）
なお、非常用の補填熱源として、高温の蒸気をクリーニングタンク５に供給する蒸気注入装置１２を備える。蒸気注入装置１２は、第５温度計２９が測定した温度Ｔ５となるように蒸気をクリーニングタンク５内に注入する。蒸気注入装置１２は、通常時は作動していないが、例えば目標温度Ｔ^＊よりも所定温度だけ下がった場合に作動してクリーニングタンク５内の温度補償を行うように構成してもよい。

＜動作その他＞
本実施形態の流体加熱システムは、供給される軟水を３つの分岐管路１ｂ、１ｃ、１ｄに分岐し、分岐した軟水はクリーニングタンク５内で再度合流してクリーニングタンク５に供給される。
ここで、第１管路１ａから３つの分岐管路１ｂ、１ｃ、１ｄへの分岐の割合は、各分岐管路１ｂ、１ｃ、１ｄの径や管長などで決まる流路抵抗によって自ずと決定されている。このため、管路に供給される軟水の量が一定であれば、各分岐管路１ｂ、１ｃ、１ｄを流れる流用はほぼ一定に保たれる。

第１分岐管路１ｂを流れる軟水は、第１の排熱回収機器２によって排熱によって加熱される。同様に、第２分岐管路１ｃを流れる軟水は、第２の排熱回収機器３によって排熱によって加熱される。また、第３分岐管路１ｄを流れる軟水は、ヒートポンプ４によって加熱される。
そして、分岐された軟水は、クリーニングタンク５内で再度合流する。このとき、ヒートポンプ４の負荷を制御することで、クリーニングタンク５に供給される軟水の全体としての温度を目標温度Ｔ^＊に調整する。

このとき、本実施形態では、管路１に設置した各流量計および温度計の測定値から、軟水を目標温度Ｔ^＊に加熱するために必要としている必要熱量Ｑ３及び排熱回収可能な熱量Ｑｔを求めることで、排熱回収型ヒートポンプ４が補填すべき熱量Ｑ４を計算にて算出する。
更に、ヒートポンプ４で補填すべき熱量と、排熱回収型ヒートポンプ４の入側での軟水温度Ｔ１と出側での軟水温度である出側温度Ｔ４とから、排熱回収型ヒートポンプ４からクリーニングタンク５に供給される軟水の温水出口温度の目標値を算出し、算出した目標値となるように排熱回収型ヒートポンプ４に対しフィードバック制御を行う。

これによって、本実施形態にあっては、複数の排熱回収機器２，３と排熱回収型ヒートポンプ４を組み合わせたプロセスにおいて、排熱回収量を最大化し、ヒートポンプ稼動量を最小化した最適な機器制御を行わせることができるようになる。
また、軟水を一旦分岐して、各分岐管路を流れる軟水を、それぞれ個別の排熱回収機器２，３若しくはヒートポンプ４で、加熱することで、排熱回収前の軟水温度Ｔ１と排流体の排熱温度との温度差をその分大きく設定出来て、直列に排熱回収機器２，３やヒートポンプ４を直列に配置した場合に比べて、各排流体からの排熱回収の効率が向上する。すなわち、排熱回収系統とヒートポンプ系統を分割して軟水に個別に熱量を供給することで、ヒートポンプで加温する流体流量を最適化し、ヒートポンプ運転効率を最大化でき、省エネ効果を最大限享受することができる。

また、一つの管路１の入口から軟水を供給することで、クリーニングタンク５に供給する、加熱した軟水の供給流量の調整も容易となる。ここで、本実施形態では、軟水を、複数の分岐管路に分岐して流して、クリーニングタンク５で再度合流させる場合を例示している。複数の分岐管路を再度を一つの管路に合流させてからクリーニングタンク５に接続しても良いが、各分岐管路の下流端部を直接クリーニングタンク５に接続した方が、各分岐管路での流路抵抗が小さい。
また、加熱する流体は軟水以外の流体であっても良い。

本実施形態の流体加熱システムは、焼鈍設備に限定されず、冷延設備、メッキ設備など温水などを使用する設備であれば適用可能である。
ここで、上記の実施形態の説明では、利用する排熱が２種類の場合を例示しているが３種類以上の排熱から熱回収を行っても良い。
また流体加熱装置としてヒートポンプ４を例示したが、流体加熱装置がボイラや電気ヒータなどであっても良い。但し、排熱を利用して省エネを達成する観点からは、ヒートポンプ４が好ましい。

１ 管路
１ａ、１ｂ、１ｃ 分岐管路
２ 第１の排熱回収機器
３ 第２の排熱回収機器
４ ヒートポンプ
５ クリーニングタンク
１０ コントローラ
１０Ａ 回収熱量算出部
１０Ｂ 負荷演算部
１０Ｂａ 必要熱量算出部
１０Ｂｂ 熱源負荷算出部
１０Ｂｃ 稼動制御部
１１ スクラバ設備
１２ 蒸気注入装置

Claims (3)

1. 管路に供給された流体を目標温度に加熱する流体加熱システムであって、
   上記管路に供給される流体よりも高温の排熱によって、上記管路に供給された流体を加熱する複数系統の排熱回収機器と、上記管路に供給された流体に対し設定熱量を付加可能な流体加熱装置とを有し、
   上記複数系統の排熱回収機器によって、上記管路に供給された流体に排熱回収される熱量である回収熱量を算出する回収熱量算出部と、
   上記回収熱量算出部が算出した回収熱量に応じて、上記流体加熱装置の設定熱量を決定する負荷演算部と、を備えることを特徴とする流体加熱システム。
2. 上記管路に供給される流体は、複数の分岐管路に分岐して流れたのち再度合流し、
   上記分岐管路毎に、上記複数系統の排熱回収機器の一つ、若しくは上記流体加熱装置のいずれかをそれぞれ配置し、
   上記回収熱量算出部は、上記流体における各排熱回収機器に対する入側での温度と出側での温度との温度差から上記回収熱量を算出し、
   上記負荷演算部は、管路に供給される流体を目標温度に加熱するのに要する必要熱量と上記回収熱量算出部が算出した回収熱量とから上記設定熱量を決定することを特徴とする請求項１に記載した流体加熱システム。
3. 上記流体加熱装置は排熱回収型ヒートポンプであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載した流体加熱システム。

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