JP6498411B2 - 熱源システム及びその冷却水制御装置並びに制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、熱源システム及びその冷却水制御装置並びに制御方法に関するものである。

ターボ冷凍機などの冷凍機においては、冷却塔等によって冷却された冷却水が凝縮器に供給され、冷媒の冷却に用いられる（例えば、特許文献１、２参照）。従来、凝縮器に供給される冷却水の流量制御方法として、冷却水の温度に基づく方法（例えば、特許文献１参照）、冷凍機負荷に基づく方法（例えば、特許文献２参照）が提案されている。

特開２０００−２８３５２７号公報 特開２０１０−２３６７２８号公報

上述した従来の流量制御方法は、例えば、冷凍機の生産熱量に応じて流量を制御する方法であり、生産熱量が低下すると冷却水流量を絞る傾向にある。このような制御方法では、図７に示すような負のスパイラルに陥る可能性がある。すなわち、冷凍機の運転条件が厳しくなって出力制限がかかると（図７の状態Ａ）、圧縮機等の仕事量を低下させるなどの制御が働き、冷凍機の生産熱量が落ちる（図７の状態Ｂ）。これにより、排熱量が低下するため（図７の状態Ｃ）、冷却水流量も絞る方向に制御される（図７の状態Ｄ）。冷却水流量が絞られると、冷却水温度が上昇する（図７の状態Ｅ）。冷却水温度が上昇すると、圧縮機の仕事量が増えるので、運転制限がかかる方向に制御される（図７の状態Ａ）。結果、上記状態Ａ〜Ｅを繰り返すことになる。

このような状態Ａ〜Ｅの繰り返しは、冷凍機の故障に繋がる可能性がある。また、生産熱量が低下し続けることにより、冷水出口温度が設定値を守れなくなる可能性もある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、冷凍機の出力制限による著しい能力低下を回避することができるとともに、安定した運転を実現することのできる熱源システム及びその冷却水制御装置並びに制御方法を提供することを目的とする。

本発明の第１態様は、冷凍機の負荷に関するパラメータ及び冷却水温度に関するパラメータの少なくともいずれかと冷却水目標流量とが関連付けられた情報を用いて、冷却水目標流量を設定する目標設定手段と、前記冷凍機が備える圧縮機モータに流れる電流が所定の上限値以上である場合に実行される電流制限状態またはサージングに関する所定の条件を満たした場合に実行されるサージング制限状態にある場合に、前記冷却水目標流量を増加方向に補正する目標補正手段とを具備する熱源システムの冷却水制御装置である。

上記熱源システムの冷却水制御装置によれば、目標設定手段により、冷凍機の負荷に関するパラメータ及び冷却水温度に関するパラメータの少なくともいずれかと冷却水目標流量とが関連付けられた情報を用いて、冷却水目標流量が設定される。この場合において、冷凍機が備える圧縮機モータに流れる電流が所定の上限値以上である場合に実行される電流制限状態またはサージングに関する所定の条件を満たした場合に実行されるサージング制限状態にある場合、目標補正手段によって、冷却水目標流量が増加する方向に補正される。これにより、冷凍機が制限状態にある場合には、通常制御よりも多めの冷却水が冷凍機に供給されることとなる。冷却水流量が増えると、圧縮機の仕事量が減るので、厳しい運転状態を緩和させることが可能となる。これにより、制限状態を早めに解除することが可能となる。

本発明の第２態様は、冷凍機の負荷に関するパラメータ及び冷却水温度に関するパラメータの少なくともいずれかと冷却水目標流量とが関連付けられた情報を用いて、冷却水目標流量を設定する目標設定手段と、冷却水入口温度と冷却水出口温度との差分、または、冷却水入口温度、あるいは、冷却水出口温度が、予め設定されている閾値以上である場合に、前記冷却水目標流量を増加方向に補正する目標補正手段とを具備する熱源システムの冷却水制御装置である。

上記熱源システムの冷却水制御装置によれば、目標設定手段により、冷凍機の負荷に関するパラメータ及び冷却水温度に関するパラメータの少なくともいずれかと冷却水目標流量とが関連付けられた情報を用いて、冷却水目標流量が設定される。この場合において、
冷却水入口温度と冷却水出口温度との差分、または、冷却水入口温度、あるいは、冷却水出口温度が、予め設定されている閾値以上である場合は、目標補正手段によって、冷却水目標流量が増加する方向に補正される。
冷却水入口温度または冷却水出口温度あるいは冷却水入口温度と冷却水出口温度との差分が、予め設定されている閾値以上である場合は、電流制限状態やサージング制限状態に入りやすい状態といえる。したがって、このような状態を検知した場合に、冷却水目標流量を増加させる制御を行うことで、電流制限状態やサージング制限状態に入る頻度を低下させることが可能となる。

上記熱源システムの冷却水制御装置において、前記目標補正手段は、一定の変化レートに従って前記冷却水目標流量を増加させることとしてもよい。また、このとき、前記目標補正手段は、前記制限状態の制限値と計測値との差分が大きいほど、前記変化レートを大きくすることとしてもよい。

このように、制限状態の制限値と計測値との差分が大きいほど、つまり、冷凍機が厳しい状態におかれているほど、多くの冷却水を供給することで、冷却水を一定レートで増加させる場合よりも早期の制限状態の解除が期待できる。

上記熱源システムの冷却水制御装置において、前記目標補正手段は、前記冷却水目標流量を定格値に変更することとしてもよい。

このように、冷却水目標流量を定格値に変更することによって、冷凍機に供給する冷却水流量を一気に増加させることが可能となる。これにより、所定レートに従って徐々に冷却水を増加させる場合よりも早期の制限状態の解除が期待できる。

上記熱源システムの冷却水制御装置は、前記冷凍機の制限状態が解除されたときの前記冷却水目標流量を用いて前記情報を更新する情報更新手段を更に備え、前記目標設定手段は、更新後の前記情報を用いて前記冷却水目標流量を設定することとしてもよい。

上記熱源システムの冷却水制御装置によれば、冷凍機の制限状態が解除されたときの冷却水目標流量を取得し、この冷却水目標流量に基づいて情報を更新するので、以降においては、通常の制御よりも流量が多めに設定された情報を用いて、目標設定手段による冷却水目標流量の設定が行われる。これにより、冷凍機の凝縮器に供給される冷却水の量が通常よりも多めになるので、圧縮機の仕事を緩和させることが可能となる。これにより、制限状態に入る頻度を低下させることが可能となる。

本発明の第３態様は、冷凍機と、上記熱源システムの冷却水制御装置とを具備する熱源システムである。

本発明の第４態様は、冷凍機の負荷に関するパラメータ及び冷却水温度に関するパラメータの少なくともいずれかと冷却水目標流量とが関連付けられた情報を用いて、冷却水目標流量を設定する目標設定ステップと、前記冷凍機が備える圧縮機モータに流れる電流が所定の上限値以上である場合に実行される電流制限状態またはサージングに関する所定の条件を満たした場合に実行されるサージング制限状態にある場合に、前記冷却水目標流量を増加方向に補正する目標補正ステップとを含む熱源システムの冷却水制御方法である。
本発明の第５態様は、冷凍機の負荷に関するパラメータ及び冷却水温度に関するパラメータの少なくともいずれかと冷却水目標流量とが関連付けられた情報を用いて、冷却水目標流量を設定する目標設定ステップと、冷却水入口温度と冷却水出口温度との差分、または、冷却水入口温度、あるいは、冷却水出口温度が、予め設定されている閾値以上である場合に、前記冷却水目標流量を増加方向に補正する目標補正ステップとを含む熱源システムの冷却水制御方法である。

本発明によれば、冷凍機の出力制限による著しい能力低下を回避することができるとともに、安定した運転を実現することができるという効果を奏する。

本発明の第１実施形態に係る熱源システムの概略構成を示した図である。 本発明の第１実施形態に係る冷凍機の概略構成を示した図である。 本発明の第１実施形態に係るシステム制御装置の機能ブロック図である。 冷却水流量テーブルの一例を示した図である。 本発明の第２実施形態に係るシステム制御装置の機能ブロック図である。 テーブル更新部による更新後の冷却水流量テーブルの一例を示した図である。 従来の課題について説明するための図である。

〔第１実施形態〕
以下に、本発明の第１実施形態に係る熱源システム及びその冷却水制御装置並びに制御方法について、図面を参照して説明する。
図１は、本実施形態に係る熱源システムの全体構成を概略的に示した図である。図１に示すように、熱源システム１は、冷凍機１０、冷凍機１０に供給される冷却水を冷却する冷却塔２、冷却塔２からの冷却水を冷凍機１０に圧送する送水ポンプ３を備えている。また、送水ポンプ３は、インバータ４によって周波数が可変とされている。インバータ４の制御は、システム制御装置（冷却水制御装置）５により行われる。また、冷却塔２から冷凍機１０に冷却水を供給する往配管には冷却水入口温度Ｔｃｗｉを計測する温度センサ３１が、冷凍機１０にから冷却塔２に冷却水を戻す戻配管には冷却水出口温度Ｔｃｗｏを計測する温度センサ３２及び冷却水流量Ｆｃを計測する流量センサ３５が設けられている。なお、流量センサ３５は、往配管に設けられていてもよい。

図２は、冷凍機１０の一構成例を示した図である。ここでは、ターボ冷凍機を例に挙げて説明するが、ターボ冷凍機に限定されず、吸収冷凍機などの他の冷凍機であってもよい。
図２に示すように、本実施形態に係る冷凍機１０は、冷媒を圧縮する圧縮機１１、圧縮機１１によって圧縮された高温高圧のガス冷媒を凝縮する凝縮器１２、凝縮器１２からの液冷媒を膨張させる膨張弁１３、膨張弁１３によって膨張させられた液冷媒を蒸発させる蒸発器１４、及び冷凍機１が備える各部の制御を行う冷凍機制御装置２０を備えている。

また、冷凍機１０には、蒸発器１４に供給される冷水温度（冷水入口温度）Ｔｓｗｉを計測する温度センサ３３、蒸発器１４から図示しない外部の負荷に供給される冷水温度（冷水出口温度）Ｔｓｗｏを計測する温度センサ３４、冷水流量Ｆｓを計測する流量センサ３６が設けられている。上述した冷却水入口温度Ｔｃｗｉ、冷却水出口温度Ｔｃｗｏ、冷却水流量Ｆｃ、冷水入口温度Ｔｓｗｉ、冷水出口温度Ｔｓｗｏ，冷却水流量Ｆｃ、冷水流量Ｆｓの情報は冷凍機制御装置２０に送信される。冷凍機制御装置２０は、これらの計測値に基づいて、冷凍機１０の各部の制御、例えば、圧縮機１１の回転数制御、膨張弁１３の開度制御等を行う。

また、冷凍機制御装置２０とシステム制御装置５（図１参照）とは双方向通信が可能な構成とされている。例えば、冷凍機制御装置２０は、冷凍機負荷率Ｌｆ、制限状態にあることを示す情報、及び上記各センサによって計測されたセンサ値等、後述するシステム制御装置５の制御に必要となる情報を一定の時間間隔でシステム制御装置５に通知する。なお、冷却水入口温度Ｔｃｗｉ、冷却水出口温度Ｔｃｗｏ、冷却水流量Ｆｃについては、直接的にシステム制御装置５に入力される構成としてもよい。なお、情報の取得形態については、この例に限られず、適宜適切な手法を利用することが可能である。

システム制御装置５及び冷凍機制御装置２０は、例えば、ＣＰＵ（中央演算装置）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）等のメモリ、及びコンピュータ読み取り可能な記録媒体等かを備えている。後述の各種機能を実現するための一連の処理の過程は、プログラムの形式で記録媒体等に記録されており、このプログラムをＣＰＵがＲＡＭ等に読み出して、情報の加工・演算処理を実行することにより、後述の各種機能が実現される。

図３は、システム制御装置５が備える機能のうち、冷却水流量制御の機能を抽出して示した機能ブロック図である。図３に示すように、システム制御装置５は、記憶部２１、目標設定部２２、及び目標補正部２４を備えている。

記憶部２１には、冷凍機負荷率Ｌｆと冷却水目標流量とが関連付けられた冷却水流量テーブルが格納されている。図４に冷却水流量テーブルの一例を示す。図４において、横軸は冷凍機負荷率［％］、縦軸は冷却水目標流量［％］である。本実施形態では、冷却水目標流量は、定格流量に対する割合として表されているが、この例に限定されない。
また、冷却水流量テーブルは、冷却水温度毎に複数設けられていてもよい。この場合、冷却水温度（例えば、冷却水出口温度Ｔｃｗｏ）に対応して設けられている冷却水流量テーブルを参照して、冷凍機負荷率Ｌｆに対応する冷却水目標流量を取得すればよい。
更に、図４に示すようなテーブルとして用意されている態様に限定されず、例えば、冷却器負荷率Ｌｆをパラメータとして含む関数として用意されていてもよい。

また、本実施形態では、冷凍機負荷率Ｌｆに応じて冷却水目標流量を設定することとしているが、これに代えて、例えば、冷却水入口温度、または、冷却水出口温度、あるいは、冷却水入口温度と冷却水出入口温度との差分に応じて冷却水目標流量を設定することとしてもよい。この場合、これらパラメータと冷却水目標流量とを関連付けた冷却水流量テーブルを用意しておけばよい。
目標設定部２２は、記憶部２１に格納されている冷却水流量テーブルを参照して、現在の冷凍機負荷率Ｌｆに対応する冷却水目標流量を取得し、目標補正部２４に出力する。

目標補正部２４は、冷凍機１０が予め設定されているいずれかの制限状態にある場合に、目標設定部２２によって設定された冷却水目標流量を増加方向に補正する。冷凍機１０が制限状態にあるか否かについては、冷凍機制御装置２０から通知される情報に基づいて判定することが可能である。
制限状態とは、例えば、電流制限、高圧制限、サージングによる制限等をいう。電流制限は、圧縮機モータに流れる電流が所定の上限値以上である場合に実行される。高圧制限は、凝縮器１２の冷媒圧力が規定値以上の場合に実行される。サージングによる制限は、サージングに関する所定の条件を満たした場合に実行される。

目標補正部２４は、予め設定されている一定の変化レートに従って冷却水目標流量を増加させる。ここで、目標補正部２４は、制限状態の制限値と現在の計測値との差分が大きいほど、変化レートを大きくする設定してもよい。例えば、電流制限中であれば、電流制限値と現在の電流値との差分（ここで、モータ電流＞電流制限値）が大きいほど、変化レートを大きくする。このように、制限に係る計測値と制限値との乖離が大きいほど、冷却水流量を増加させる方向に補正することで、圧縮機１１の仕事量を減らすことができ、これにより、例えば、モータ電流を低減する方向に向かわせることが可能となる。この結果、早めの制限状態解除が期待できる。
また、目標補正部２４は、冷凍機１０が制限状態にない場合には、補正を行わずに、目標設定部２２によって設定された冷却水目標流量をそのまま出力する。

次に、上記構成を備えるシステム制御装置５によって実行される冷却水制御の手順について説明する。
システム制御装置５は、制御に必要となる各種情報を各種センサ３１〜３６及び冷凍機制御装置２０から定期的に取得する。例えば、冷凍機負荷率Ｌｆ、制限状態か否かを示す情報、冷却水入口温度Ｔｃｗｉ、冷却水出口温度Ｔｃｗｏ、冷却水流量Ｆｃ、冷水入口温度Ｔｓｗｉ、冷水出口温度Ｔｓｗｏ，冷却水流量Ｆｃ、冷水流量Ｆｓ等を取得する。

次に、目標設定部２２は、記憶部２１に格納されている冷却水流量テーブルを参照して、現在の冷凍機負荷Ｌｆに対応する冷却水目標流量を取得し、目標補正部２４に出力する。目標補正部２４は、冷凍機１０が制限状態であるか否かを判定し、制限状態でなければ、目標設定部２２によって設定された冷却水目標流量を補正せずに、そのまま出力する。一方、冷凍機１０が制限状態である場合には、現在の制限状態が解除されるまで、冷却水目標流量を一定レートで増加させた冷却水目標流量を出力する。

目標補正部２４から出力された冷却水目標流量は、例えば、不図示の流量制御部に入力される。流量制御部では、現在の冷却水流量Ｆｃを冷却水目標流量に一致させるための制御指令が生成され、この制御指令に基づいてインバータ４が駆動される。これにより、冷却水流量Ｆｃを冷却水目標流量に一致させることが可能となる。
そして、制限状態が解除された場合には、目標補正部２４によって、その時の冷凍機負荷率Ｌｆに応じた冷却水目標流量まで一定レートで冷却水目標流量が減少する方向に補正される。

以上説明したように、本実施形態に係る熱源システム及びその冷却水制御装置並びに制御方法によれば、目標設定部２２により、冷凍機負荷率Ｌｆと冷却水目標流量とが関連付けられた冷却水流量テーブルを用いて、現在の冷凍機負荷率Ｌｆに対応する冷却水目標流量が設定され、流量補正部２４に出力される。そして、冷凍機１０が予め設定されている制限状態にある場合、目標補正部２４によって、冷却水目標流量が増加する方向に補正される。このように、冷凍機１０が制限状態にある場合には、通常制御よりも多めの冷却水を冷凍機１０に供給するので、圧縮機１１の仕事量を低下させることが可能となり、制限状態の解除を早めることが可能となる。

ここで、本実施形態において、目標補正部２４は、冷却水入口温度Ｔｃｗｉまたは冷却水出口温度Ｔｃｗｏあるいは冷却水入口温度と冷却水出口温度との差分が、予め設定されている閾値以上である場合においても、上述した冷却水目標流量を増加方向に補正することとしてもよい。

例えば、冷却水入口温度Ｔｃｗｉまたは冷却水出口温度Ｔｃｗｏあるいは冷却水入口温度と冷却水出口温度との差分が、予め設定されている閾値以上である場合は、上述した制限状態に入りやすい状態といえる。したがって、このような状態が検知された場合に、冷却水目標流量を増加させる制御を行うことで、制限状態に入る頻度を低下させることが可能となる。

また、本実施形態では、冷凍機１０が制限状態にある場合に、目標補正部２４が一定レートで冷却水目標流量を増加させることとしたが、これに代えて、冷却水目標流量を定格値に変更することとしてもよい。
このように、冷却水目標流量を定格値に変更することによって、冷凍機１０に供給する冷却水流量を一気に増加させることが可能となる。これにより、一定レートに従って徐々に冷却水を増加させる場合よりも早めに制限状態を解除することが可能となる。

〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２実施形態に係る熱源システム及びその冷却水制御装置並びに制御方法について、図面を参照して説明する。
図５は、本実施形態に係るシステム制御装置２０´の機能ブロック図である。図５に示すように、本実施形態に係るシステム制御装置２０´は、記憶部２１に格納されている冷却水流量テーブルを更新するテーブル更新部２５を更に備えている点で、上述した第１実施形態と異なる。以下、本実施形態について、第１実施形態と共通する点については説明を省略し、異なる点について主に説明する。

テーブル更新部２５は、冷凍機１０の制限状態が解除された場合に、流量補正部２４から出力されている冷却水目標流量と、その時の冷凍機負荷率Ｌｆとを記憶する。そして、このときの冷却水目標流量と冷凍機負荷率Ｌｆとを用いて、記憶部２１に格納されている冷却水流量テーブルを更新する。例えば、冷凍機１０の制限状態が解除されたときの冷却水目標流量がａ、冷凍機負荷率がｂであった場合、テーブル更新部２５は、図６に示すように、冷却水目標流量ａと冷凍機負荷率ｂとで特定される点をテーブル上にプロットし、この点と現在の特性の端点とを結ぶことで、冷却水流量テーブルを更新する。なお、図６では、直線で互いを結んだ場合について示しているが、緩やかな曲線で結ぶこととしてもよい。
そして、以降においては、更新後の冷却水流量テーブル（図６における実線の制御線）を参照して、目標設定部２２による冷却水目標流量の設定が行われる。

このように、冷凍機１０の制限状態が解除されたときの冷却水目標流量およびそのときの冷凍機負荷率に基づいて冷却水流量テーブルを更新するので、以降においては、以前の制御よりも流量が多めに設定された冷却水流量テーブルを用いて、目標設定部２２による冷却水目標流量の設定が行われる。これにより、圧縮機１１の仕事量を低減させることができ、制限状態に入る頻度を低下させることが可能となる。

そして、冷凍機１０が制限状態に入り、それが解除される度に、テーブル変更部２５による冷却水流量テーブルの更新が行われることにより、制限状態に入りにくい冷却水流量制御を実現することが可能となる。

本発明は、上述の実施形態のみに限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施が可能である。
例えば、上記実施形態では、システム制御装置５が冷却水流量制御の機能を有する場合について述べたが、例えば、熱源機側、例えば、冷凍機制御装置２０に冷却水流量制御の機能を持たせることとしてもよい。

１ 熱源システム
２ 冷却塔
３ 送水ポンプ
４ インバータ
５ システム制御装置
１０ 冷凍機
１１ 圧縮機
１２ 凝縮器
１３ 膨張弁
１４ 蒸発器
２０ 冷凍機制御装置
２１ 記憶部
２２ 目標設定部
２４ 目標補正部
２５ テーブル更新部
３１〜３４ 温度センサ
３５、３６ 流量センサ

Claims (9)

1. 冷凍機の負荷に関するパラメータ及び冷却水温度に関するパラメータの少なくともいずれかと冷却水目標流量とが関連付けられた情報を用いて、冷却水目標流量を設定する目標設定手段と、
   前記冷凍機が備える圧縮機モータに流れる電流が所定の上限値以上である場合に実行される電流制限状態またはサージングに関する所定の条件を満たした場合に実行されるサージング制限状態にある場合に、前記冷却水目標流量を増加方向に補正する目標補正手段と
   を具備する熱源システムの冷却水制御装置。
2. 冷凍機の負荷に関するパラメータ及び冷却水温度に関するパラメータの少なくともいずれかと冷却水目標流量とが関連付けられた情報を用いて、冷却水目標流量を設定する目標設定手段と、
   冷却水入口温度と冷却水出口温度との差分、または、冷却水入口温度、あるいは、冷却水出口温度が、予め設定されている閾値以上である場合に、前記冷却水目標流量を増加方向に補正する目標補正手段と
   を具備する熱源システムの冷却水制御装置。
3. 前記目標補正手段は、一定の変化レートに従って前記冷却水目標流量を増加させる請求項１または請求項２に記載の熱源システムの冷却水制御装置。
4. 前記目標補正手段は、前記制限状態の制限値と計測値との差分が大きいほど、前記変化レートを大きくする請求項３に記載の熱源システムの冷却水制御装置。
5. 前記目標補正手段は、前記冷却水目標流量を定格値に変更する請求項１または請求項２に記載の熱源システムの冷却水制御装置。
6. 前記冷凍機の制限状態が解除されたときの前記冷却水目標流量を用いて前記情報を更新する情報更新手段を備え、
   前記目標設定手段は、更新後の前記情報を用いて前記冷却水目標流量を設定する請求項１から請求項５のいずれかに記載の熱源システムの冷却水制御装置。
7. 冷凍機と、
   請求項１から請求項６のいずれかに記載の熱源システムの冷却水制御装置と
   を備える熱源システム。
8. 冷凍機の負荷に関するパラメータ及び冷却水温度に関するパラメータの少なくともいずれかと冷却水目標流量とが関連付けられた情報を用いて、冷却水目標流量を設定する目標設定ステップと、
   前記冷凍機が備える圧縮機モータに流れる電流が所定の上限値以上である場合に実行される電流制限状態またはサージングに関する所定の条件を満たした場合に実行されるサージング制限状態にある場合に、前記冷却水目標流量を増加方向に補正する目標補正ステップと
   を含む熱源システムの冷却水制御方法。
9. 冷凍機の負荷に関するパラメータ及び冷却水温度に関するパラメータの少なくともいずれかと冷却水目標流量とが関連付けられた情報を用いて、冷却水目標流量を設定する目標設定ステップと、
   冷却水入口温度と冷却水出口温度との差分、または、冷却水入口温度、あるいは、冷却水出口温度が、予め設定されている閾値以上である場合に、前記冷却水目標流量を増加方向に補正する目標補正ステップと
   を含む熱源システムの冷却水制御方法。

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