JP6912293B2

JP6912293B2 - 冷却塔

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Publication number: JP6912293B2
Application number: JP2017131399A
Authority: JP
Inventors: 友明宮ノ下; 尾崎　大介; 大介尾崎; 明紘本宮
Original assignee: Organo Corp
Current assignee: Organo Corp
Priority date: 2017-07-04
Filing date: 2017-07-04
Publication date: 2021-08-04
Anticipated expiration: 2037-07-04
Also published as: JP2019015427A

Description

本発明は、循環水を用いて熱交換を行う冷却塔に関する。

各種設備の温調などに、循環水（冷却水）を用いて熱交換を行う冷却塔が用いられる。この冷却塔においては、その内部にスライムないし藻類（スライム／藻類）や、スケールが発生しやすい。そこで、循環水には、スライムや藻類の発生を抑制する殺菌剤（スライムコントロール剤）や、スケール発生を防止するスケール防止剤などの処理剤が注入される。また、所定の頻度で、循環水をブローして系内の循環水を新しいものに入れ換えている。

また、処理剤の濃度管理には、処理剤にイオン電極で測定可能なトレーサを添加しておき、このトレーサ濃度に応じて処理剤の注入量を制御するなどの手法が採用されている。さらに、循環水中の硬度を導電率計もしくは硬度センサで測定し、循環水のブローおよび入れ換えのタイミングを管理している。

なお、冷却塔は、循環水により熱交換器に循環する冷媒を冷却する形式のものの他、循環水を冷媒として利用するシステムもある。

特許第４２９２３８０号公報特許第４３４４９１６号公報特許第４５７９６５９号公報

ここで、循環水に注入する処理剤は、通常、安全をみて過剰に注入される場合が多い。また、処理剤にトレーサを添加しておきイオン電極を用いて自動制御も行われているが、この場合は電極のメンテナンスが比較的煩雑であり、また処理剤にトレーサ物質を配合する必要もある。

さらに、スケール発生のし易さを示す循環水中の硬度について導電率計で簡易的にモニタリングすることも行われているが、正確に定量できているわけではない。従って、スケール防止剤の注入量は安全を見て多めになる。また、硬度センサを用いる場合には、定期的な測定における測定試薬のランニングコストや、硬度センサ自体のメンテナンスも必要となる。

本発明は、循環水を用いて熱交換を行う冷却塔であって、冷却塔内部における循環水と接触する場所に設置され、循環水が接触する試験部と、前記試験部を撮影する撮影手段と、前記撮影手段で得られた画像を解析し、前記試験部の表面におけるスケールの発生状態を判定し、判定結果に基づき循環水を系外に排出するブロー弁の開閉を制御する制御部と、を含み、前記試験部は、循環水の飛沫が接触する位置に配置される。

また、循環水にスケール防止剤を含む処理剤を注入する注入手段を備え、前記制御部は、ブロー時間と、スケールの発生状態の関係に応じて前記処理剤の注入量を制御するとよい。

また、気温または循環水温度を測定する温度測定手段を備え、前記制御部は、気温または循環水温度と、ブロー時間と、スケールの発生状態の関係に応じて前記処理剤の注入量を制御するとよい。

また、前記試験部は、循環水の飛沫が接触する位置に配置されるとよい。

また、本発明は、循環水を用いて熱交換を行う冷却塔であって、循環水にスケール防止剤を含む処理剤を注入する注入手段と、冷却塔内部における循環水と接触する場所に設置され、循環水が接触する試験部と、前記試験部を撮影する撮影手段と、前記撮影手段で得られた画像を解析し、前記試験部の表面におけるスケールの発生状態を判定し、判定結果に基づき循環水への前記処理剤の注入量を制御する制御部と、を含み、前記試験部は、循環水の飛沫が接触する位置に配置される。

本発明によれば、スケールの発生状態を検出して、処理剤の注入量やブロー頻度をより適切なものにできる。

実施形態に係る冷却塔の全体構成を示す図である。監視部６０の構成を示す図である。試験部７０の構成の一例を示す図である。試験部７０の構成の他の例を示す図である。スケール対策についての処理を示すフローチャートである。スライム／藻対策についての処理を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。なお、本発明は、ここに記載される実施形態に限定されるものではない。

「全体構成」
図１は、実施形態に係る冷却塔の全体構成を示す図である。冷却塔１０は、筒状のハウジング１２を有し、その内部に熱交換器１４が配置されている。熱交換器１４の上方には、ファン１６が配置され、ハウジング１２の熱交換器１４の下方の開口部１８から吸い込んだ空気を上方に向けて排出する。

ハウジング１２の上部からは、循環水（冷却水）が供給される。熱交換器１４は、上方から供給される循環水が表面に衝突しながら落下する迂回路を形成するようになっている。このため、熱交換器１４の内部を流通する冷媒と外側に接触する循環水との熱交換が効果的に行われ、循環水の蒸発熱なども利用して熱交換器１４内に流通する冷媒が冷却される。なお、冷媒は、温調すべき場所（例えば冷却装置）に循環される。

ハウジング１２の底部は、循環水貯留部２０が設けられている。循環水貯留部２０の水位が所定値以下になった場合には、補給水を追加して、水位を維持するようになっている。この例では、ボールタップバルブ２２を利用して、補給水の補給を制御している。補給水には、工業用水や水道水が用いられる。

循環水貯留部２０に溜まった循環水は、循環水ポンプ２４によって、冷却塔１０の上部に循環され、熱交換器１４の上方から散布される。また、循環水貯留部２０内の循環水は、ブローバルブ２６を開くことによって、ブロー水として排出できるようになっている。

スライムや藻類などを処理する殺菌剤や、スケール発生を防止するスケール防止剤を含む処理剤を貯留する処理剤タンク３０が設けられ、ここから処理剤が注入手段としての処理剤ポンプ３２により、循環水貯留部２０に供給されるようになっている。これら処理剤は、循環水の循環系に供給できれば、他の場所に処理剤を供給してもよい。

ここで、冷却塔１０の内部の化学洗浄を行ったり、循環水のブローによる全量入れ換えを行った後は、処理剤濃度が所定値（初期濃度）となるように、処理剤を注入する。また、冷却塔１０の運転期間中は、処理剤濃度を分析し処理剤濃度が所定になるように調整する。処理剤濃度は、後述する水質センサ４０によって検出してもよいし、分析によってもよい。

また、循環水貯留部２０には、水質センサ４０が配置され、循環水の水質（例えば、電気伝導度）を検出する。また、冷却塔１０のハウジング１２内には気温を検出する温度センサ４２が設けられ、循環水貯留部２０には循環水温度を検出する水温センサ４４が設けられ、これらセンサの検出値が制御部５０に供給される。なお、これら温度センサ（温度測定手段）も気温、循環水温度、循環水水質が計測できれば、他の場所に設置してもよい。

そして、冷却塔１０内の循環水貯留部２０の脇に監視部６０が設けられている。この監視部６０は、後述するように、循環水と接触する試験部の画像を得るものであり、この監視部６０で得られた画像も制御部５０に供給される。

制御部５０は、システム全体を制御するものであり、供給される各種信号などに基づいて、循環水への処理剤の供給や、循環水のブローを制御する。すなわち、監視部６０で得られた画像を解析することで、スライム／藻類や、スケールの発生を検出し、循環水への処理剤の供給や、循環水のブローを制御する。

なお、補給水としては、工業用水などが使用でき、処理剤として殺菌剤、スケール防止剤、防食剤の混合液であるオルガビートＳＰ（商品名）などが使用可能である。なお、処理剤としてスライム／藻抑制剤である殺菌剤、スケール防止剤、防食剤を別々に添加し、その添加量を別途制御することも好適である。

「監視部の構成」
図２には、監視部６０の構成を示してある。撮影手段としてのカメラ６２は、ハウジング１２の内面であって、循環水貯留部２０の少し上方に設けられている。カメラ６２の下方にはレンズ６４が設けられ、レンズ６４の下方の画像を撮影する。また、カメラ６２の下面には、光源６６が設けられ、下方に向けて照明光を照射する。なお、カメラ６２には防水対策が施してある。

また、カメラ６２の下方には、試験部７０が設けられ、この試験部には、スライム／藻類観測プレート７２、スケール観測プレート７４が設けられている。スライム観測／藻類観測プレート７２は、循環水貯留部２０に溜まった循環水がその上方を流れるように配置されている。この例においては、スライム／藻類観測プレート７２に対してハウジング１２の周方向外側（プレート７２とプレート７４の間）に流路７６が形成されており、循環水がこの流路を通り循環水貯留部２０に戻ることができる。また、スケール観測プレート７４に対してハウジング１２の周方向内側（プレート７４と流路７６）には隔壁７８があり、循環水がスケール観測プレート７４に直接流れないようになっている。スケール観測プレート７４には、循環水の飛沫が付着する。

ここで、スケールは、カルシウムなどの無機物を主成分とし基本的に白色である。従って、スケール観測プレート７４は、黒色であることが好ましい。一方、スライム／藻類は、水中に藻類・細菌（バクテリア）・真菌（カビ）などの微生物と、それらから分泌される粘性有機物であり、灰色やグリーンである。スライム／藻類を識別するために、スライム／藻類観測プレート７２は、白色や赤色がよい。なお、両プレートとも、材質はなんでもよいが、プラスチックやセラミックなどが好適である。

両プレートとも、交換可能とすることが好適である。例えば、前面が開放されたホルダにプレートを挿入して保持することができる。

また、スケール発生により、循環水を交換するタイミングで、両プレートを交換するとよいが、それ以外のタイミングでもよい。プレートの画像を画像解析するため、前の画像との比較で、スライム／藻、スケールの発生を検出できるため、スライム／藻、スケールが発生したことで、すぐにプレートを交換する必要はない。

図３には、この試験部７０の他の例が示されており、この例では、スケール観測プレート７４は、水面上方に位置し、傾斜している。従って、熱交換器１４から落下する循環水による飛沫がスケール観測プレート７４にかかり、循環水が表面に接触する。また、スライム／藻類観測プレート７２は、水面下に位置しており、その表面上を循環水が流れる。

なお、スケール観測プレート７４は、循環水の飛沫がかかる場所であり、撮影できる場所であれば、他の場所に設置してもよく、スライム／藻類観測プレート７２も、循環水が表面上を流れ、撮影できる場所であれば他の場所に設置してもよい。

図４には、スライム／藻類観測プレート７２、スケール観測プレート７４の他の例を示してある。この例では、一枚のプレートが、循環水貯留部２０の循環水の中に一部埋没している。この例では、カメラ６２により撮影しやすいように、プレートは水面に対して斜めになっている。熱交換器１４より落下してくる循環水によって、波立っているため、循環水貯留部２０の水位は一定ではなく、また飛沫も生じる。従って、水位より少し上方の辺りが、スケールがつきやすい状態になり、スケール観測プレート７４として機能する。

また、プレートの常時水面下となっている部分は、スライム／藻類がつきやすい状態となるため、この部分をスライム／藻類観測プレート７２として機能させることもできる。

なお、この例の場合、カメラ６２は、斜め上方から、プレートを撮影するとよい。プレートは、周方向に向いていても、径方向に向いていてもよい。

「制御部による処理」
上述のように、制御部５０は、カメラ６２からの画像を画像解析する。図１〜図３の例では、スライム／藻類観測プレート７２、スケール観測プレート７４の両方が入った画像を画像解析し、それぞれのプレートの状態を検出するが、１つのカメラでそれぞれのプレートの画像を別々に得てもよいし、２つのカメラでそれぞれのプレートの画像を得てもよい。

＜スケール対策についての処理＞
制御部５０におけるスケール対策についての処理を図５に基づいて説明する。まず、カメラ６２から送られて来るスケール観測プレート７４の画像を取得し（Ｓ１１）、取得した画像について画像解析する（Ｓ１２）。そして、画像解析結果から、スケール発生の有無を判定する（Ｓ１３）。この判定結果で、スケール発生が認められたら（わずかでも発生したら）（Ｓ１３のＹＥＳ）、補給水を停止した状態でブローバルブ２６を開き、冷却塔１０内の循環水をブローする（Ｓ１４）。循環水が排出されたら、ブローバルブ２６を閉じ、補給水を導入することで、冷却塔１０内の循環水のほぼ全量を補給水と入れ替える。入れ替えが終了した場合、およびスケールが発生していなかった場合には（Ｓ１３のＮＯ）、処理を繰り返す。

また、スケールの発生状態に応じて、スケール防止用の処理剤の注入量を制御することも好適である。例えば、スケール発生までの期間を計測しておき、この期間が所定より短かったら、スケール防止用の処理剤の注入量を増加するとよい。例えば、循環水ブローの頻度を予め定めておき、その期間内にスケールが発生した場合には、循環水をブローし、処理剤の添加量を増加する（例えば１０％）。一方、スケール発生がないことが数回継続した場合に、処理剤の添加量を減少する（例えば１０％）ことが考えられる。このような制御に電気伝導度の計測値などを合わせることで、より適切な処理剤の注入制御を行うことができる。

なお、スケールの発生状態に応じたスケール防止用の処理剤の注入量制御は行わず、ブロータイミングの制御のみを行ってもよいし、スケール発生状態に応じたブロータイミングの制御は行わず、スケール防止用の処理剤の注入量制御のみを行ってもよい。

＜スライム／藻類対策についての処理＞
制御部５０におけるスライム／藻対策についての処理を図６に基づいて説明する。カメラ６２から送られて来るスライム／藻類観測プレート７２の画像を取得し（Ｓ２１）、取得した画像について画像解析する（Ｓ２２）。そして、画像解析結果から、スライム／藻類の有無を判定する（Ｓ２３）。判定結果においてスライム／藻類がわずかでも発生したと判定された場合には（Ｓ２３のＹＥＳ）、処理剤注入率を上昇させる（Ｓ２４）。

例えば、処理の処理剤注入率（処理剤維持濃度）をｑであった場合に、スライム／藻類が発生した場合には（Ｓ２３のＹＥＳ）、処理剤注入率をｑ×１．１に増加させ、ｑ＝１．１ｑとし（Ｓ２４）、判定の処理を継続する。所定期間スライム／藻類の発生が認められなければ（Ｓ２３のＮＯ、Ｓ２５のＹＥＳ）、処理剤注入率をｑ×０．９に減少させ、これを注入率ｑとし（Ｓ２６）、判定の処理を継続する。このようにして、所定期間ごとのスライム／藻類の発生状況に応じて、処理剤の注入率を随時変更する。

＜データの蓄積＞
冷却塔１０には水温センサ４４、温度センサ４２、水質センサ４０が設けられており、これらの検出結果が制御部５０に供給される。また、監視カメラのデータ、処理剤の注入率、ブローバルブ２６の開閉情報は、制御部５０において把握している。そこで、気温、水温、水質と、これに応じた藻類やスライムの発生状態、スケールの発生状態を制御部５０は記憶する。そして、所定の期間に蓄積したデータを解析することで、これらの関係を解析することができる。従って、解析結果を利用して、最適な処理剤の注入率、ブロー弁の開閉時間（ブロー時間）を求め、その結果を運転制御に活用する。このような制御は、自動制御が好ましいが、運転員が季節ごとの最適なパラメータをデータサーバから入手することで制御部５０における設定条件を変更してもよい。なお、気象情報（気温、湿度、気圧等）は気象庁等のデータを取り込み、これを解析利用することも好適である。

「外部システムの利用」
ここで、図１の循環システムでは、制御部５０に通信装置５２が接続されており、インターネットなどの通信ネットワークを介し外部との通信が可能になっている。この例では、通信装置５２には、通信ネットワークを介し、データサーバ５４が接続されており、このデータサーバ５４に通信装置５２から送信されてくる各種データが蓄積される。また、このデータサーバ５４には、演算装置５６が接続されており、データサーバ５４内のデータを利用して各種演算処理を行う。

また、演算装置５６での演算結果は、データサーバ５４に記憶され、外部に送信することもできる。さらに、データサーバ５４は、図示されている事業所Ａの通信装置５２だけでなく、他の事象所（事業所Ｂ，Ｃ）とも通信が可能であり、複数の事業所におけるデータが記憶される。

なお、データサーバ５４および演算装置５６をクラウド型のシステムとすることが好適である。

そこで、データサーバ５４は、多くの事業所における循環システムの運転データについて、随時蓄積していく。もちろん、各事業所の循環システムの仕様についても必要なデータを記憶しておく。このため、事業所毎に、どのような処理を行い、またどのような洗浄を実施したかのデータが、時間の経過とともに蓄積されていく。特に、各事業所において、操作員の経験などの相違により各種の運転条件における運転データを蓄積できる。

そして、ある程度のデータが収集できた場合には、演算装置５６は、データサーバ５４に記憶されているデータに基づいて、各事業所における循環システムの運転方法について各種の制御データを算出し、これを各事業所に送信する。そして、各事業所では送られてきた制御データを受信し、これを参考にして、装置の運転制御を行う。さらに、運転が継続されていれば、データの収集は引き続いて行うことで、より多くのデータが蓄積され、演算装置５６による制御データの精度が向上する。

例えば、スライム／藻、スケールは、比較的高温で発生しやすい。そこで、水温、気温のデータとの相関を求めることで、それらの発生予測が容易になる。また、電気伝導度とスケールの発生には、相関があり、これらデータも蓄積することで、発生予測に利用できる。また、画像解析において、スライム／藻、スケールの発生と確認できない場合においても、他の検出結果と総合して、スライム／藻、スケールの発生を検出することもできる。

特に、本実施形態では、本システム（事業所Ａ）における循環システムについての各種データがデータサーバ５４に送られるとともに事業所Ｂ、Ｃからのデータもデータサーバに送られる。演算装置５６では、送られて来るデータを解析して、最適な処理剤の注入率、ブロー弁の開閉時間（ブロー時間）を求め、その結果を事業所Ａの制御部５０に送る。従って、制御部５０においては、送られて来るデータに基づいた運転制御を行うことができる。このように、１つの事業所だけのデータではなく、複数の事業所のデータを利用することで最適な運転条件を短い時間で求めることが可能になる。

また、複数の事業所におけるデータを外部のデータサーバ５４に蓄積し、演算装置５６でデータ解析することで、各事業所の運転条件と、運転状況の関係から、事業所毎の冷却塔の運転状況の管理が容易に確認でき、事業所毎の設置環境の変動に合わせた処理剤注入制御を行うことが可能になる。

「その他」
上記実施形態では、スライム／藻、スケールを対象とした。ここで、これらと関連して腐食の問題もある。特に、鉄系の材料においては、腐食を生じやすい。そこで、錆監視プレートを設けることができる。この場合、鉄や、比較的錆びやすい鋼材、比較的錆びやすいステンレスなどを錆監視プレートとして、スケール観測プレート７４と同様に設置し、カメラ６２によって監視するとよい。すなわち、カメラ６２の画像から、錆監視プレートの画像を解析し、腐食状態を監視し、腐食防止剤の添加量を制御することができる。錆監視プレートを比較的錆が発生しやすい材質とすることで、冷却塔１０において、錆が発生する前に対処ができる。

「実施形態の効果」
冷却塔１０の内部にスライム／藻類観測プレート７２、スケール観測プレート７４などの試験用のプレートを配置し、このプレートの画像を解析することによって、スライム／藻類や、スケールの発生を検出する。従って、より直接的なスライム／藻類、スケールの検出が行える。従って、過剰に注入されている処理剤注入量を最適化することができる。

また、複数の事業所におけるデータを外部のデータサーバ５４に蓄積し、演算装置５６でデータ解析することで、多数のデータの収集が容易で適切な制御手法を得ることができる。また、各事業所の運転条件と、運転状況の関係から、事業所毎の冷却塔の運転状況の管理が容易に確認でき、事業所毎の設置環境の変動に合わせた処理剤注入制御を行うことが可能になる。

１０冷却塔、１２ハウジング、１４熱交換器、１６ファン、１８開口部、２０循環水貯留部、２２ボールタップバルブ、２４循環水ポンプ、２６ブローバルブ、３０処理剤タンク、３２処理剤ポンプ、４０水質センサ、４２温度センサ、４４水温センサ、５０制御部、５２通信装置、５４データサーバ、５６演算装置、６０監視部、６２カメラ、６４レンズ、６６光源、７０試験部、７２藻類観測プレート、７４スケール観測プレート。

Claims

循環水を用いて熱交換を行う冷却塔であって、
冷却塔内部における循環水と接触する場所に設置され、循環水が接触する試験部と、
前記試験部を撮影する撮影手段と、
前記撮影手段で得られた画像を解析し、前記試験部の表面におけるスケールの発生状態を判定し、判定結果に基づき循環水を系外に排出するブロー弁の開閉を制御する制御部と、
を含み、
前記試験部は、循環水の飛沫が接触する位置に配置される、
冷却塔。
請求項１に記載の冷却塔において、
循環水にスケール防止剤を含む処理剤を注入する注入手段を備え、
前記制御部は、ブロー時間と、スケールの発生状態の関係に応じて前記処理剤の注入量を制御する、
冷却塔。
請求項２に記載の冷却塔において、
気温または循環水温度を測定する温度測定手段を備え、
前記制御部は、気温または循環水温度と、ブロー時間と、スケールの発生状態の関係に応じて前記処理剤の注入量を制御する、
冷却塔。
循環水を用いて熱交換を行う冷却塔であって、
循環水にスケール防止剤を含む処理剤を注入する注入手段と、
冷却塔内部における循環水と接触する場所に設置され、循環水が接触する試験部と、
前記試験部を撮影する撮影手段と、
前記撮影手段で得られた画像を解析し、前記試験部の表面におけるスケールの発生状態を判定し、判定結果に基づき循環水への前記処理剤の注入量を制御する制御部と、
を含み、
前記試験部は、循環水の飛沫が接触する位置に配置される、
冷却塔。
請求項４に記載の冷却塔において、
気温または循環水温度を測定する温度測定手段を備え、
前記制御部は、気温または循環水温度と、スケールの発生状態の関係に応じて前記処理剤の注入量を制御する、
冷却塔。