JP6895170B2

JP6895170B2 - フィードフォワード制御型給湯システムおよび給湯方法

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Publication number: JP6895170B2
Application number: JP2017148999A
Authority: JP
Inventors: 森　真也; 真也森
Original assignee: 株式会社ミヤワキ
Priority date: 2016-10-05
Filing date: 2017-08-01
Publication date: 2021-06-30
Anticipated expiration: 2037-08-01
Also published as: JP2018059699A

Description

本発明は、蒸気と冷水との熱交換により温水を製造する蒸気給湯システムに関し、特にフィードフォワード制御により温度制御を行う給湯システムおよび給湯方法に関する。

蒸気と冷水との熱交換により温水を製造する蒸気給湯装置は、工場に設置されることが多いボイラなどの蒸気源を利用して簡便に温水が得られるものとして知られ、主にＰＩＤ制御（Proportional-Integral-differential Controller）などのフィードバック（ＦＢ）制御で温度制御を行うものが多い。このＦＢ制御では、給湯温度のみに着目して測定し、蒸気調節弁の弁開度を調整することで給湯温度の制御を行っている（例えば特許文献１）。

特開平６−２０１１８８号公報

前記フィードバック制御では、蒸気圧力、給水流量および給水温度は制御を乱す外乱要因として処理されている。給水温度は季節や地域によって大きく変化し、給水流量も工場の稼動状態によっては不安定な供給となることがあるうえ、工場によって使用する蒸気圧力も異なる。このように、外乱要因は変化する要素が多いため、フィードバック制御で設定温度の給湯を可能な限り素早く安定的に供給するには頻繁に制御設定の変更が必要である。しかし、この制御設定の変更には専門的な知識が必要ということもあり、実際の現場では制御設定を変更することは少なく、ＦＢ制御による給湯温度の制御には一定の限界があった。

また、フィードバック制御の場合、給湯温度の検出結果から給湯温度を設定温度にする、いわゆる後追い制御となるため、タイムラグがあって制御から給湯温度を得るまでの立ち上がり時間が長い。そこで、フィードフォワード（ＦＦ）制御が考えられる。しかしながら、蒸気調節弁のバルブ開度が同じでも蒸気圧力が変化すると、熱交換量が変化する。また、熱交換器内では蒸気の潜熱（気化熱）だけではなく、高温ドレンの顕熱でも熱交換を行うため、最終的に排出されるドレンの温度によっても熱交換量が異なってくる。このように必要熱交換量を供給する蒸気調節弁のバルブ開度を演算するためには様々な要素を加味する必要があったため、これまでの蒸気給湯装置ではＦＦ制御が採用されていなかった。

本発明の目的は、短い立ち上がり時間で安定的に設定温度の給湯が可能なフィードフォワード制御型給湯システムおよび給湯方法を提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明に係るフィードフォワード制御型給湯システムは、蒸気と冷水との熱交換により温水を生成する熱交換器と、前記熱交換器に導入される給水の温度を検出する給水温度センサと、前記熱交換器への蒸気供給量を調整する蒸気制御弁と、前記熱交換器を流れる水の流量を検出する水流量計と、前記熱交換器に供給される前記蒸気の圧力または温度を検出する蒸気センサと、前記温水の温度を検出する温水温度センサと、前記温水温度センサで検出された温水温度が設定温度となるように前記蒸気制御弁の開度を調整する温度調整手段とを備えている。前記温度調整手段は、前記給水温度センサで検出された給水温度と前記設定温度との差、前記水流量計で検出された水流量および前記蒸気センサで検出された蒸気圧力または蒸気温度を含む動作パラメータに基づき、前記蒸気制御弁の開度を決定して、この開度となるように前記蒸気制御弁の開度を調整するフィードフォワード制御を行う。

この構成によれば、前記給水温度と前記設定温度との差、前記水流量計で検出された水流量および前記蒸気圧力または蒸気温度に基づき、前記蒸気制御弁の開度を決定し、この開度となるように蒸気制御弁の開度を調整するＦＦ制御が行われる。したがって、ＦＢ制御では、外乱要因として処理されていた給水温度と水流量と蒸気圧力の変動が給湯温度に影響するのを未然に防止でき、安定的に設定温度の給湯が可能となる。また、ＦＢ制御のような後追い制御ではないから、短い立ち上がり時間で給湯が可能となる。

本発明のフィードフォワード制御型給湯システムにおいて、前記温度調整手段は、前記給水温度センサで検出された給水温度と前記設定温度との差ΔＴと、前記水流量Ｍとから、前記熱交換器から導出される給水を前記設定温度に加熱するのに必要な必要熱量Ｅｒを求め、かつ前記蒸気圧力または蒸気温度から前記蒸気制御弁の全開時に得られる最大熱交換量Ｅmaxを求め、前記必要熱量Ｅｒと前記最大熱交換量Ｅmaxとの比から前記蒸気制御弁の開度を決定してもよい。ここで、最大熱交換量Ｅmaxは最大蒸気流量と等価である。この構成によれば、所定の演算式により、外乱要因に左右されることなく設定温度の給湯を得るための必要熱量Ｅｒを蒸気制御弁から熱交換器に過不足なく供給できる。

本発明のフィードフォワード制御型給湯システムにおいて、前記温度調整手段は、前記ＦＦ制御が一定時間継続した後、前記温水温度と前記設定温度との差ΔＴ１が所定値以上であるとき、前記温水温度と前記設定温度との差ΔＴ１に基づき、この差ΔＴ１を小さくするように前記蒸気制御弁の開度を調整するＦＢ制御に切り替えてもよい。この構成によれば、熱交換系の劣化などの発生によりＦＦ制御で適切な制御ができない場合に、ＦＦ制御からＦＢ制御に切り替えて前記蒸気制御弁のバルブ開度を調整でき、ＦＦ制御とＦＢ制御を相互に補完的に併用することで、確実に、短い立ち上がり時間で安定的に設定温度の給湯が可能となる。

前記ＦＦ制御型からＦＢ制御型に切り替える給湯システムにおいて、さらに、ＦＢ制御に切り替える際の前記温度差ΔＴ１と、前記水流量Ｍｃとから熱交換器での熱交換量の変動値を求め、この変動値が小さくなるようにＦＦ制御において求める前記蒸気制御弁の開度を修正する修正手段を有するものであってもよい。この構成によれば、所定の演算式により、ＦＢ制御に切り替える際の前記温度差ΔＴ１と、前記水流量計で検出された水流量Ｍｃとから熱交換器での熱交換量の変動値、つまり、不足分の必要熱量が算出され、この必要熱量を熱交換器に供給できるように、修正手段により、蒸気制御弁の開度を自動的に修正できる。このように、タイムロスなく給湯温度の制御が行えるので、より確実に、短い立ち上がり時間で安定的に設定温度の給湯が可能となる。

本発明のフィードフォワード制御型給湯システムにおいて、前記設定温度を外部からの入力操作により設定する温度設定手段を備えていてもよい。この構成によれば、ユーザーは温度設定手段に対し、外部から任意の設定温度を入力できるので、簡単に入力設定できて操作性に優れる。

本発明のフィードフォワード制御型給湯システムにおいて、さらに、前記動作パラメータに基づき、前記蒸気制御弁の開度を決定するための制御パラメータを作成する自動調整手段を備え、前記自動調整手段は、動作指令を受けて作動し、前記冷水の前記熱交換器への供給を開始させる給水開始部と、前記蒸気制御弁を指定の複数の開度に設定する弁開度設定部と、前記各開度における熱交換量Eと前記開度との関係を示す制御パラメータを作成するパラメータ作成部とを有するものであってもよい。ここで、前記熱交換量Ｅとは、その開度における熱交換可能な最大熱量をいう。この構成によれば、自動調整手段により適切な制御パラメータが得られるので、この制御パラメータを用いて設定温度の給湯を得るための蒸気制御弁の開度を正確に決定することができる。

本発明のフィードフォワード制御型給湯システムにおいて、前記自動調整手段のパラメータ作成部は、前記給水温度センサで検出された給水温度と前記温水温度センサで検出された温水温度との差ΔＴＴと、前記水流量Ｍｃと、前記蒸気圧力または蒸気温度とから熱交換量Ｅを求め、かつ前記蒸気圧力または蒸気温度から前記蒸気制御弁の全開時に得られる最大熱交換量Ｅmaxを求め、前記熱交換量Ｅと前記最大熱交換量Ｅmaxとの比Ｅ/Ｅmaxと、蒸気制御弁の開度との関係を示す制御パラメータを作成し、前記温度調整手段は、前記制御パラメータにおける前記熱交換量Ｅが前記必要熱量Ｅｒとなるときの前記蒸気制御弁の開度を決定するものであってもよい。この構成によれば、例えばシステムの運転開始前に、自動調整手段のパラメータ作成部で、最適な制御パラメータを速やかに作成することができるので、最適な蒸気制御弁の開度で設定温度の給湯を得ることができる。

この発明に係るフィードフォワード制御型給湯方法は、蒸気と冷水との熱交換により設定温度の温水を生成する給湯生成方法であって、前記冷水の温度である給水温度と前記設定温度との差ΔＴＴ、前記冷水の流量、および蒸気圧力または蒸気温度に基づき、前記蒸気の供給量を調整する蒸気制御弁の開度を決定して、この開度となるように前記蒸気制御弁の開度を調整するフィードフォワード制御を行う。

この構成によれば、前記給水温度と前記設定温度との差、前記水流量および前記蒸気圧力または蒸気温度に基づき、前記蒸気制御弁の開度が決定され、この開度となるように蒸気制御弁の開度を調整するＦＦ制御が行われる。したがって、ＦＢ制御では、外乱要因として処理されていた給水温度と水流量と蒸気圧力の変動が給湯温度に影響するのを未然に防止でき、安定的に設定温度の給湯が可能となり、また、ＦＢ制御のような後追い制御ではないから、短い立ち上がり時間で給湯が可能となる。

前記フィードフォワード制御型給湯方法において、前記給水温度と前記設定温度との差ΔＴと、前記冷水の流量である水流量Ｍとから必要熱量Ｅｒを求め、前記蒸気圧力または蒸気温度から前記蒸気制御弁の全開時に得られる最大熱交換量Ｅmaxを求め、前記必要熱量Ｅｒと前記最大熱交換量Ｅmaxとの比から前記蒸気制御弁の開度を決定するフィードフォワード制御を行うものであってもよい。この構成によれば、所定の演算式により、外乱要因に左右されることなく設定温度の給湯を得るための必要熱量Ｅｒを最適な開度に設定した蒸気制御弁から熱交換器に蒸気を過不足なく供給できる。

前記フィードフォワード制御型給湯方法において、さらに、動作指令を受けて前記冷水の供給を開始させ、前記蒸気制御弁を指定の複数の開度に設定し、各開度における前記熱交換量Ｅと前記開度との関係を示す制御パラメータを作成し、この制御パラメータを用いて、前記設定温度となるように蒸気制御弁の開度を決定するものであってもよい。この構成によれば、動作指令を受けると、適切な制御パラメータが得られるので、安定的に設定温度の給湯が可能となる。

前記フィードフォワード制御型給湯方法において、前記給水温度センサで検出された給水温度と前記温水温度との差ΔＴＴと、前記水流量Ｍとから熱交換量Ｅを求め、前記蒸気圧力または蒸気温度から前記蒸気制御弁の全開時に得られる最大熱交換量Ｅmaxを求め、前記熱交換量Ｅと前記最大熱交換量Ｅmaxとの比Ｅ/Ｅmaxと、前記開度との関係を示す制御パラメータを作成し、前記温度調整手段は、前記制御パラメータにおける前記熱交換量Ｅが前記必要熱量Ｅｒとなるときの前記蒸気制御弁の開度を決定するものであってもよい。この構成によれば、例えばシステムの運転開始前に、自動調整手段のパラメータ作成部で最適な制御パラメータを速やかに作成することができるので、最適な蒸気制御弁の開度で設定温度の給湯を得ることができる。

本発明によれば、給水温度と設定温度との差および蒸気圧力に基づき、蒸気制御弁の開度を決定し、この開度となるように蒸気制御弁の開度を調整するＦＦ制御がなされる。これにより、ＦＢ制御のような後追い制御でないことで、外乱要因として処理されていた給水温度と熱交換器を流れる水流量と蒸気圧力の変動が給湯温度へ影響するのを未然に防止でき、短い立ち上がり時間で安定的に設定温度の給湯が可能となる。

本発明の第１実施形態にかかるフィードフォワード制御型給湯システムを示す構成図である。本発明の第２実施形態にかかるフィードフォワード制御型給湯システムを示す構成図である。蒸気圧力と最大熱交換量の関係を示すグラフである。バルブ開度とＥ／Ｅmaxの関係を示すグラフである。本発明の第３実施形態にかかるフィードフォワード制御型給湯システムを示す構成図である熱交換系の個体差、劣化による蒸気圧力と最大熱交換量の関係を示すグラフである。蒸気制御弁の個体差、劣化によるバルブ開度とＥｒ／Ｅmaxの関係を示すグラフである。オートチューニング（ＡＴ）による動作を説明するフロー図である。自動調整手段における蒸気制御弁の蒸気圧力とＥｒ／Ｅmaxの関係を示すグラフである。自動調整手段における蒸気制御弁のバルブ開度とＥｒ／Ｅmaxの関係を示すグラフである。

以下、本発明の第１実施形態について図１を参照しながら説明する。図１は本発明の一実施形態にかかるフィードフォワード（ＦＦ）制御型給湯システムを示す構成図である。同図に示すように、このＦＦ制御型給湯システム１は、蒸気と冷水との熱交換により温水を生成する熱交換器２と、この熱交換器２に導入される給水の温度を検出する給水温度センサ２４と、熱交換器２への蒸気供給量を調整する蒸気制御弁３と、熱交換器２を流れる水の流量を検出する水流量計の一種である給水流量計２３と、熱交換器２に供給される蒸気の圧力を検出する蒸気圧センサ１０と、前記温水の温度（給湯温度）を検出する温水温度センサ３０と、この温水温度センサ３０で検出された温水温度が設定温度となるように蒸気制御弁３の開度（以下、バルブ開度という場合がある）を調整する温度調整手段３４と、を備えている。

蒸気は蒸気通路６を通って熱交換器２に導入されるが、この蒸気通路６には手動開閉弁８と異物除去ストレーナ９と前記蒸気圧センサ１０とが設けられ、異物除去ストレーナ９の下流側で分岐した一方の分岐通路６Ａは熱交換器２に接続され、この熱交換器２の上流側に前記蒸気制御弁３が設けられている。他方の分岐通路６Ｂの下流側には蒸気トラップ７が設けられ、前記熱交換器２に設けられた蒸気トラップ１１からのドレンと合わせて外部へ排出されるようになっている。

タンク４の上部側には給水管のような給水通路１２が配設され、この給水通路１２を通って給水（冷水）がタンク４に導入されるが、給水通路１２には手動開閉弁１３とボールタップ１４とが設けられている。このボールタップ１４はタンク水面の上下動によるボール１４ａの変位がレバー付け根の弁を開閉し、タンク４内の水量が一定量となるように、給水通路１２の開度を制御する。同様に、タンク４の上部側にはユーザー側の使用済みないし余剰の温水をタンク４へ戻す外部循環通路１６が配設されており、この外部循環通路１６にも手動開閉弁１７と落水防止弁１８が設けられている。

さらに、タンク４の下部側と熱交換器２との間には水供給通路２０が設けられ、この水供給通路２０には、上流側から異物除去ストレーナ２１とポンプ２２と給水の流量を検出する給水流量計２３とが設けられ、ポンプ２２と給水流量計２３との間には給水温度センサ２４が設けられている。この給水温度センサ２４ではタンク４からポンプ２２によって熱交換器２に導入される給水の温度が検出され、その検出値の情報が後述するコントローラ３３に入力される。給水流量計２３ではタンク４からポンプ２２で熱交換器２に導入される給水の流量が検出され、その検出値の情報もコントローラ３３に入力される。

熱交換器２とユーザー負荷である給湯側との間には、熱交換器２からの温水を外部の負荷に供給する給湯通路２５が設けられ、この給湯通路２５の下流側に手動の給湯調整弁２６が、その上流側に逆止弁２７がそれぞれ設けられ、給湯調整弁２６と逆止弁２７との間には温水温度を検出する前記温水温度センサ３０と温水圧力を検出する圧力センサ３１とが設けられている。これらの温水温度センサ３０と圧力センサ３１で得た検出値も情報としてコントローラ３３に入力される。

コントローラ３３は、このフィードフォワード制御型給湯システム１のＦＦ制御を有効に動作させるための制御操作盤である。このコントローラ３３は、温水温度センサ３０で検出された温水温度が目標の設定温度となるように蒸気制御弁３のバルブ開度を調整する前記温度調整手段３４を備えている。この温度調整手段３４は、デジタル演算器またはアナログ電子回路で構成され、給水温度センサ２４で検出された給水温度と設定温度との差ΔＴ、および蒸気圧センサ１０で検出された蒸気圧力に基づき、蒸気制御弁３のバルブ開度を所定の演算式から求めて決定し、このバルブ開度となるように蒸気制御弁３のバルブ開度を調整する、ＦＦ制御を行う。

温度調整手段３４による蒸気制御弁３のバルブ開度の調整は、具体的には、まず、つぎの演算式（１）により、給水温度Ｔｃと設定温度Ｔ₀の差ΔＴと、熱交換器２を流れる水の流量である給水流量計２３により検出した給水流量Ｍｃとから、必要熱量Ｅｒを求める。
Ｅｒ＝Ｃ×ΔＴ×Ｍｃ……（１）（Ｃは水の比熱）
ここで、給水流量Ｍｃと給湯通路２５を流れる温水流量とは同一であるから、給湯通路２５に水流量計の一種である温水流量計を設けて、検出された温水流量を給水流量の代わりに用いてもよい。

つぎに、蒸気圧力Ｐｓから蒸気制御弁３の全開時に得られる最大熱交換量（最大蒸気流量）Ｅmaxを求め、これらの必要熱量Ｅｒと最大熱交換量Ｅmaxとの熱量比Ｅｒ／Ｅmaxから蒸気制御弁３のバルブ開度を決定する。実験によれば、図３のグラフに示すように、例えば、バルブ開度１００％とした場合、蒸気圧力Ｐｓと最大熱交換量Ｅmaxは比例関係にあり、蒸気圧力の増加にともない最大熱交換量Ｅmaxが大きくなる。飽和蒸気では蒸気圧力Ｐｓと蒸気温度は一意的に決まる関係であるため，蒸気圧力センサは蒸気温度センサとすることも可能である。これらの蒸気圧力センサと蒸気温度センサは合わせて単に蒸気センサという場合もある。

バルブ開度Ｖｏｐと前記熱量比Ｅｒ／Ｅmaxとの関係は、実験によれば、蒸気圧力Ｐｓの大きさにかかわらず、図４に示した曲線で表される。したがって、熱量比Ｅｒ／Emaxからバルブ開度Ｖｏｐが求まり、温度調整手段３４からの制御信号により、蒸気制御弁３の開度がバルブ開度Ｖｏｐに設定される。こうして、給水温度Ｔｃ、設定温度Ｔ₀および蒸気圧力Ｐｓに基づき、蒸気制御弁３の開度が調整される。図３および図４のグラフは、温度調整手段３４にデータとして記憶されている。

さらに、コントローラ３３は、設定温度Ｔ₀を外部からの入力操作により設定する温度
設定手段３６を備えている。この温度設定手段３６は図示するようにアナログタイプのダイヤルであるが、この他、デジタルタイプのタッチパネル操作ボタンであってもよい。設定温度は、例えば、６０℃、７０℃または９０℃など、用途に応じて適宜選択される。

以上のように構成した本発明によれば、温水温度センサ３０で検出された給湯温度Ｔｗが設定温度Ｔ₀となるように、温度調整手段３４によるＦＦ制御で、給水温度センサ２４で検出された給水温度Ｔｃと設定温度Ｔ₀との差ΔＴ、水流量計で検出された水流量Ｍｃおよび蒸気圧センサ１０で検出された蒸気圧力Ｐｓを含む動作パラメータに基づき、蒸気制御弁３のバルブ開度Ｖｏｐを決定して、この開度となるように蒸気制御弁３のバルブ開度Ｖｏｐを調整できる。これにより、外乱要因として処理されていた給水温度と給水流量Ｍｃと蒸気圧力Ｐｓの給湯の温度への影響を未然に防止できるので、安定的に設定温度の給湯が可能となる。また、ＦＢ制御のような後追い制御ではないから、短い立ち上がり時間で給湯が可能となる。

また、図１のコントローラ３３における温度調整手段３４は、ＦＦ制御により、給水温度Ｔｃと設定温度Ｔ₀との差ΔＴと、給水流量Ｍｃとから必要熱量Ｅｒを求め、蒸気圧力Ｐｓから蒸気制御弁３の全開時に得られる最大熱交換量Ｅmaxを求め、必要熱量Ｅｒと最大熱交換量Ｅmaxとの熱量比Ｅｒ／Ｅmaxから蒸気制御弁３のバルブ開度Ｖｏｐを決定するので、外乱要因に左右されることなく設定温度Ｔ₀の給湯を得るための必要熱量Ｅｒを蒸気制御弁３から熱交換器２に供給できる。

図１に示すように、コントローラ３３に備えられたダイヤルのような温度設定手段３６により設定温度を外部からの入力操作により設定できるので、ユーザーが外部から任意の設定温度を簡単に入力設定できて操作性に優れる。

図２は本発明の第２実施形態にかかるフィードフォワード制御型給湯システムを示す。同図において、第１実施形態に示す給湯システムと同一部分または相当する部分には同一の符号を付してその詳しい説明は省略する。この第２実施形態では、前記第１実施形態におけるコントローラ３３の温度調整手段３４に替えて、ＦＦ・ＦＢ切替え可能な温度調整手段３４Ａと修正手段３５とを備えている。温度調整手段３４Ａは、ＦＦ制御手段４１と、ＦＢ制御手段４２とを含んでおり、ＦＦ制御手段４１によるＦＦ制御が一定時間継続した後、温水温度（給湯温度）Ｔｗと設定温度Ｔ₀との差ΔＴ１が所定値以上（許容誤差以上）であるとき、温水温度センサ３０に検出された温水温度Ｔｗと設定温度Ｔ₀との差、Ｔｗ−Ｔ₀＝Ｔ１に基づき、この差ΔＴ１を小さくするように蒸気制御弁３のバルブ開度Ｖｏｐを調整する、一般的なＦＢ制御に自動的に切り替わる。

この第２実施形態では、温水温度Ｔｗと設定温度Ｔ₀との差ΔＴ１が所定値以上であるとき、熱交換系統に劣化などの異常が発生したものと自動的に判断し、これを図示しないランプの点滅、サイレンの発声などを行うアラーム報知手段によって外部に報知できるようになっている。

前記修正手段３５は、ＦＢ制御に切り替える際の前記温度差ΔＴ１と前記給水流量計２３で検出された給水流量Ｍｃとから、不足分の熱交換量を熱交換器２での熱交換量の変動値として求め、この変動値が極力小さくなってゼロに近づくように図１の蒸気制御弁３の開度を修正する。例えば、給湯温度Ｔｗが設定温度Ｔ₀である６０℃から５℃低下した場合、必要熱量Ｅｒを不足熱量（単位流量を５℃分温度上昇させるための熱量×給水流量Ｍｃ）だけ増えるように、前記必要熱量Ｅｒを所定の演算式（１）により求めた値から修正する。この修正した値Ｅｒを用いて、図４に示すように、縦軸のＥｒ／Ｅmaxから横軸のバルブ開度Ｖｏｐを求める。熱量比Ｅｒ／Ｅmaxの変動値が０．２であれば、Ｅｒ／Ｅmaxの値を０．４から０．６にシフトさせ、これに見合うようにバルブ開度Ｖｏｐを６０％から８０％に修正する。これにより、不足分の蒸気が熱交換器２に供給され、設定温度Ｔ₀の給湯が可能となる。この修正手段３５はＦＦ制御の演算式を自動的に修正できるようになっており、熱交換系の修理が完了するまで引き続きＦＦ制御が行われる。

この第２実施形態によれば、前記温度調整手段３４Ａは、ＦＦ制御が一定時間継続した後、給湯温度Ｔｗと設定温度Ｔ₀との差ΔＴ１が所定値以上であるとき、給湯温度Ｔｗと設定温度Ｔ₀との差ΔＴ１に基づき、この差ΔＴ１を小さくするように蒸気制御弁３の開度を調整するＦＢ制御に切り替えることができる。これにより、ＦＦ制御で適切に給湯制御が行えない場合に、ＦＦ制御からＦＢ制御に自動的に切り替えて蒸気制御弁３のバルブ開度Ｖｏｐを適切に調整できる。このように、ＦＦ制御とＦＢ制御を相互に補完的に併用することで、確実に、短い立ち上がり時間で安定的に設定温度の給湯が可能となる。

さらに、コントローラ３３における修正手段３５により、ＦＢ制御に切り替える際の給湯温度Ｔｗと設定温度Ｔ₀との温度差ΔＴ１と、給水流量計２３で検出された給水流量Ｍｃとに基づき、熱交換器２での熱交換量の変動値を図４で説明したとおりシフトさせることで、設定温度Ｔ₀の給湯を供給するための必要熱量Ｅｒが得られるように蒸気制御弁３のバルブ開度Ｖｏｐが適切に修正される。これにより、一層確実に、タイムロスなく、短い立ち上がり時間で安定的に設定温度の給湯が可能となる。

図５は本発明の第３実施形態にかかるフィードフォワード制御型給湯システムを示す。通常、異なる型式の蒸気給湯器のみならず、同一型式の蒸気給湯器であっても熱交換器や蒸気制御弁の個体差や劣化があると、図６に示すように、蒸気圧力とＥmaxとの関係に設計値である基準値からのずれが生じる。したがって、この関係を用いた、バルブ開度と熱量比Ｅｒ／Ｅmaxの関係にも、図７に示すように、基準値からのずれが生じる。同じ制御パラメータで給湯器を制御すると、制御結果に差が生じる。そこで、この第３実施形態では個々の給湯器に対して最適な制御パラメータを自動算出するプログラムを有し、熱交換特性が変化した場合でも良好な制御が得られるようにしている。

図５に示す第３実施形態においても、第１実施形態に示す給湯システムと同一部分または相当する部分には同一の符号を付してその詳しい説明は省略する。この第３実施形態では、第１実施形態におけるコントローラ３３の温度調整手段３４に加えて、蒸気制御弁３のバルブ開度を決定するための制御パラメータを作成する自動調整（オートチューニング）手段４０を備えている。この自動調整手段４０は、給水温度センサ２４で検出された給水温度Ｔｃと設定温度Ｔ₀との差、水流量計２３で検出された水流量Ｍｃおよび蒸気センサ１０で検出された蒸気圧力または蒸気温度を含む動作パラメータに基づき、制御パラメータを作成する。

自動調整手段４０は、例えばコントローラ３３に設けられたスタートボタン３９を押すことにより、動作指令を受けて作動し、冷水の熱交換器２への供給を開始させる給水開始部４１と、蒸気制御弁３を指定された複数の開度に設定する弁開度設定部４２と、各開度における熱交換可能な最大熱量である熱交換量Ｅと前記各開度との関係を示す制御パラメータを作成するパラメータ作成部４３とを有する。前記指定開度には蒸気制御弁３の全開を含むのが好ましい。なお、同図に示す給湯通路２５には給湯システム１内が異常昇圧した場合にのみ開弁し、タンク４内に圧力を逃がす安全弁４５が備えられているが、この安全弁４５は第１および第２実施形態にも適宜採用できる。

つぎに、自動調整手段４０によるオートチューニング（ＡＴ）動作について図８により具体的に説明する。前述の動作指令を受けて動作が開始すると（ＡＴスタート）、図５に示す給水開始部４１により、まずポンプ２２が作動し、冷水の熱交換器２への供給が開始される（Ｓ１）。つづいて、弁開度設定部４２により、蒸気制御弁３を指定の第１の開度に設定する（Ｓ２）。この場合、指定の第１の開度は例えばバルブ全開である。ただし、バルブ全開に代えて、全開に近い開度を指定してもよい。この指定のバルブ開度を一定時間維持する（Ｓ３）。つぎに、蒸気制御弁３を指定の第２の開度である全閉にして、取得パラメータ、つまり、給水温度センサ２４で検出された給水温度Ｔｃと給湯温度Ｔ_hとの差、水流量計２３で検出された水流量Ｍｃおよび蒸気センサ１０で検出された蒸気圧力（絶対圧）含む動作パラメータをメモリ（図示せず）に保存する（Ｓ４）。

蒸気圧力に代えて蒸気温度を用いてもよい。その後、パラメータ作成部４３により、熱量比Ｅ／Ｅmaxと前記開度との関係を示す制御パラメータＰＡ１を算出する（Ｓ５）。このような動作を複数回（２〜４回）くり返す（Ｓ６）。２回目は例えば蒸気制御弁３を全閉にして制御パラメータＰＡ２を得る。制御パラメータＰＡ１とＰＡ２は図９に示す位置にある。オートチューニングが規定回数に達していない場合、リターンしてＳ２に戻り、規定回数に達するまでくり返し動作する。

ＦＦ制御に必要な情報は、次に示すＡ．蒸気圧力と蒸気制御弁３の全開時の最大熱交換量との関係、Ｂ．バルブ開度と熱交換量／最大熱交換量との関係、の２つである。

Ａ．蒸気圧力と最大熱交換量の関係式
蒸気圧力と最大熱交換量Ｅmaxの関係式は、絶対圧の蒸気圧力をＰ_stA、ゲージ圧の蒸気圧力をＰ_stGとすると、下記のようになる。
絶対圧のとき、
Ｅmax＝aＰ_stA （２）
ゲージ圧のとき、
Ｅmax＝aＰ_stG＋ｂ（３）
このとき、aとｂは常数である。ｂは大気圧における熱交換量Ｅ_A（図９）である。
また、大気圧力（絶対圧）をＰ_Aとすると、絶対圧とゲージ圧の蒸気圧力の関係式は
Ｐ_stA＝Ｐ_stG＋Ｐ_A （４）
となる。

よって、ａとＰ_Aもしくはａとｂを求めることで蒸気圧力Ｐ_stG（ゲージ圧）と最大熱交換量Ｅmaxの関係がわかる。ここでは、図９の特性線の傾きからａを求める。大気圧力Ｐ_Aは測定や仮定（大気圧力は大きく変化することはないので仮定で可）することで求めることが可能である。また、蒸気制御弁３の開度を３つ以上の指定開度に変更して蒸気圧力を２つ以上に変更させることで、ａとｂを求めることも可能である。

Ｂ．バルブ開度と熱交換量／最大熱交換量の関係
前述した２つの指定バルブ開度に加えて、さらに２〜５回の異なるバルブ開度についてデータを取得し、図１０の相関特性曲線を得る。それぞれ取得した蒸気圧力、給水温度、給湯温度および給湯流量の動作パラメータを使用し、蒸気圧力から最大熱交換量を算出し、給水温度、給湯温度および給湯流量から熱交換量Ｅを算出する。算出したバルブ開度と熱交換量Ｅ／最大熱交換量Ｅmaxとの関係をメモリに記憶させる。それぞれの指定バルブ開度において同様の計算を実施することで、図１０に示すバルブ開度と熱交換量／最大熱交換量（Ｅ／Ｅmax）の相関特性曲線を作成する。この図１０で表された制御パラメータを用い、この制御パラメータの縦軸の熱交換量Ｅが演算式（１）で求めた必要熱量Ｅｒとなるときのバルブ開度を求め、第１実施形態で説明した蒸気制御弁３の開度を前記求めたバルブ開度に調整する。

以上のとおり、図面を参照しながら好適な実施形態を説明したが、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、種々の追加、変更または削除が可能である。したがって、そのようなものも本発明の範囲内に含まれる。

１…フィードフォワード（ＦＦ）制御型給湯システム
２…熱交換器
３…蒸気制御弁
２３…給水流量計（水流量計）
２４…給水温度センサ
２６…給湯調整弁
３０…温水温度センサ
３３…コントローラ
３４…温度調整手段
３４Ａ…ＦＦ・ＦＢ切替温度調整手段
３５…修正手段
３６…温度設定手段
４０…自動調整手段
４１…給水開始部
４２…弁開度設定部
４３…パラメータ作成部
４５…安全弁

Claims

蒸気と冷水との熱交換により温水を生成する熱交換器と、
前記熱交換器に導入される給水の温度を検出する給水温度センサと、
前記熱交換器への蒸気供給量を調整する蒸気制御弁と、
前記熱交換器を流れる水の流量を検出する水流量計と、
前記熱交換器に供給される前記蒸気の圧力または温度を検出する蒸気センサと、
前記温水の温度を検出する温水温度センサと、
前記温水温度センサで検出された温水温度が設定温度となるように前記蒸気制御弁の開度を調整する温度調整手段とを備え、
前記温度調整手段は、前記給水温度センサで検出された給水温度と前記設定温度との差、前記水流量計で検出された水流量および前記蒸気センサで検出された蒸気圧力または蒸気温度を含む動作パラメータに基づき、前記蒸気制御弁の開度を決定して、この開度となるように前記蒸気制御弁の開度を調整するフィードフォワード制御を行い、
前記温度調整手段は、前記給水温度センサで検出された給水温度と前記設定温度との差ΔＴと、前記水流量Ｍとから、前記熱交換器から導出される給水を前記設定温度に加熱するのに必要な必要熱量Ｅｒを求め、前記蒸気圧力または蒸気温度から前記蒸気制御弁の全開時に得られる最大熱交換量Ｅmaxを求め、前記必要熱量Ｅｒと前記最大熱交換量Ｅmaxとの比から前記蒸気制御弁の開度を決定するフィードフォワード制御を行うフィードフォワード制御型給湯システム。
蒸気と冷水との熱交換により温水を生成する熱交換器と、
前記熱交換器に導入される給水の温度を検出する給水温度センサと、
前記熱交換器への蒸気供給量を調整する蒸気制御弁と、
前記熱交換器を流れる水の流量を検出する水流量計と、
前記熱交換器に供給される前記蒸気の圧力または温度を検出する蒸気センサと、
前記温水の温度を検出する温水温度センサと、
前記温水温度センサで検出された温水温度が設定温度となるように前記蒸気制御弁の開度を調整する温度調整手段とを備え、
前記温度調整手段は、前記給水温度センサで検出された給水温度と前記設定温度との差、前記水流量計で検出された水流量および前記蒸気センサで検出された蒸気圧力または蒸気温度を含む動作パラメータに基づき、前記蒸気制御弁の開度を決定して、この開度となるように前記蒸気制御弁の開度を調整するフィードフォワード制御を行い、
前記温度調整手段は、前記フィードフォワード制御が一定時間継続した後、前記温水温度と前記設定温度との差ΔＴ１が所定値以上であるとき、前記温水温度と前記設定温度との差ΔＴ１に基づき、この差ΔＴ１を小さくするように前記蒸気制御弁の開度を調整するフィードバック制御に切り替えるフィードフォワード制御型給湯システム。
請求項２に記載のフィードフォワード制御型給湯システムにおいて、さらに、フィードバック制御に切り替える際の前記温度差ΔＴ１と、前記水流量Ｍとから熱交換器での熱交換量の変動値を求め、この変動値が小さくなるようにフィードフォワード制御において求める前記蒸気制御弁の開度を修正する修正手段を有するフィードフォワード制御型給湯システム。
請求項１ないし３のいずれか一項に記載のフィードフォワード制御型給湯システムにおいて、前記設定温度を外部からの入力操作により設定する温度設定手段を備えたフィードフォワード制御型給湯システム。
蒸気と冷水との熱交換により温水を生成する熱交換器と、
前記熱交換器に導入される給水の温度を検出する給水温度センサと、
前記熱交換器への蒸気供給量を調整する蒸気制御弁と、
前記熱交換器を流れる水の流量を検出する水流量計と、
前記熱交換器に供給される前記蒸気の圧力または温度を検出する蒸気センサと、
前記温水の温度を検出する温水温度センサと、
前記温水温度センサで検出された温水温度が設定温度となるように前記蒸気制御弁の開度を調整する温度調整手段とを備え、
前記温度調整手段は、前記給水温度センサで検出された給水温度と前記設定温度との差、前記水流量計で検出された水流量および前記蒸気センサで検出された蒸気圧力または蒸気温度を含む動作パラメータに基づき、前記蒸気制御弁の開度を決定して、この開度となるように前記蒸気制御弁の開度を調整するフィードフォワード制御を行い、
さらに、前記動作パラメータに基づき、前記蒸気制御弁の開度を決定するための制御パラメータを作成する自動調整手段を備え、前記自動調整手段は、
動作指令を受けて作動し、前記冷水の前記熱交換器への供給を開始させる給水開始部と、前記蒸気制御弁を指定の複数の開度に設定する弁開度設定部と、
前記各開度における熱交換量と前記開度との関係を示す制御パラメータを作成するパラメータ作成部とを有する、
フィードフォワード制御型給湯システム。
蒸気と冷水との熱交換により温水を生成する熱交換器と、
前記熱交換器に導入される給水の温度を検出する給水温度センサと、
前記熱交換器への蒸気供給量を調整する蒸気制御弁と、
前記熱交換器を流れる水の流量を検出する水流量計と、
前記熱交換器に供給される前記蒸気の圧力または温度を検出する蒸気センサと、
前記温水の温度を検出する温水温度センサと、
前記温水温度センサで検出された温水温度が設定温度となるように前記蒸気制御弁の開度を調整する温度調整手段とを備え、
前記温度調整手段は、前記給水温度センサで検出された給水温度と前記設定温度との差、前記水流量計で検出された水流量および前記蒸気センサで検出された蒸気圧力または蒸気温度を含む動作パラメータに基づき、前記蒸気制御弁の開度を決定して、この開度となるように前記蒸気制御弁の開度を調整するフィードフォワード制御を行い、
前記温度調整手段は、前記給水温度センサで検出された給水温度と前記設定温度との差ΔＴと、前記水流量Ｍとから、前記熱交換器から導出される給水を前記設定温度に加熱するのに必要な必要熱量Ｅｒを求め、前記蒸気圧力または蒸気温度から前記蒸気制御弁の全開時に得られる最大熱交換量Ｅmaxを求め、前記必要熱量Ｅｒと前記最大熱交換量Ｅmaxとの比から前記蒸気制御弁の開度を決定するフィードフォワード制御を行い、
さらに、前記動作パラメータに基づき、前記蒸気制御弁の開度を決定するための制御パラメータを作成する自動調整手段を備え、前記自動調整手段は、
動作指令を受けて作動し、前記冷水の前記熱交換器への供給を開始させる給水開始部と、前記蒸気制御弁を指定の複数の開度に設定する弁開度設定部と、
前記各開度における熱交換量と前記開度との関係を示す制御パラメータを作成するパラメータ作成部とを有し、
前記自動調整手段のパラメータ作成部は、前記給水温度センサで検出された給水温度と前記温水温度センサで検出された温水温度との差ΔＴＴと、前記水流量Ｍと、前記蒸気圧力または蒸気温度とから熱交換量Ｅを求めるとともに、前記蒸気制御弁の全開時に得られる最大熱交換量Ｅmaxを求め、前記熱交換量Ｅと前記最大熱交換量Ｅmaxとの比Ｅ/Ｅmaxと、蒸気制御弁の開度との関係を示す制御パラメータを作成し、
前記温度調整手段は、前記制御パラメータにおける前記熱交換量Ｅが前記必要熱量Ｅｒとなるときの前記蒸気制御弁の開度を決定する、フィードフォワード制御型給湯システム。
蒸気と冷水との熱交換により設定温度の温水を生成する給湯生成方法であって、
前記冷水の温度である給水温度と前記設定温度との差、前記水流量および蒸気圧力または蒸気温度に基づき、前記蒸気の供給量を調整する蒸気制御弁の開度を決定して、この開度となるように前記蒸気制御弁の開度を調整するフィードフォワード制御を行い、
前記給水温度と前記設定温度との差ΔＴと、前記水流量である水流量Ｍとから必要熱量Ｅｒを求め、前記蒸気圧力または蒸気温度から前記蒸気制御弁の全開時に得られる最大熱交換量Ｅmaxを求め、前記必要熱量Ｅｒと前記最大熱交換量Ｅmaxとの比から前記蒸気制御弁の開度を決定するフィードフォワード制御を行うフィードフォワード制御型給湯方法。
蒸気と冷水との熱交換により設定温度の温水を生成する給湯生成方法であって、
前記冷水の温度である給水温度と前記設定温度との差、前記水流量および蒸気圧力または蒸気温度に基づき、前記蒸気の供給量を調整する蒸気制御弁の開度を決定して、この開度となるように前記蒸気制御弁の開度を調整するフィードフォワード制御を行い、
さらに、動作指令を受けて前記冷水の供給を開始させ、前記蒸気制御弁を指定の複数の開度に設定し、各開度における熱交換量Ｅと前記開度との関係を示す制御パラメータを作成し、この制御パラメータを用いて、前記設定温度となるように蒸気制御弁の開度を決定するフィードフォワード制御型給湯方法。
請求項８に記載のフィードフォワード制御型給湯方法において、前記給水温度センサで検出された給水温度と前記温水の温度との差ΔＴＴと、前記水流量Ｍとから熱交換量Ｅを求め、前記蒸気圧力または蒸気温度から前記蒸気制御弁の全開時に得られる最大熱交換量Ｅmaxを求め、前記熱交換量Ｅと前記最大熱交換量Ｅmaxとの比Ｅ/Ｅmaxと、前記開度との関係を示す制御パラメータを作成し、前記制御パラメータにおける前記熱交換量Ｅが前記必要熱量Ｅｒとなるときの前記蒸気制御弁の開度を決定するフィードフォワード制御型給湯方法。