JP7071601B1 - 冷凍機の制御方法、冷凍機の制御プログラム及び冷凍機 - Google Patents
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Abstract
Description
特許文献2の方法では構成機器が多くなり、装置の故障リスク及びコストが高まるため、より簡便な装置が望ましい。また本用途においては、系内の圧力損失増加による冷凍能力の低下を防止するため、空調設備用冷凍機などに採用されるインレットガイドベーンは設けない。
超電導電力機器向けの冷凍機は、クールダウンが完了し膨張タービンが冷却されれば、ターボ式の圧縮機の設計流量が確保でき、サージングの可能性は少ない。そのため、非定常であるクールダウン時においてサージングを防止する制御を加えれば運転上差し支えない。
前記バイパス弁を開とする工程1と、
前記膨張タービンを起動する工程2と、
前記ターボ式の圧縮機を無負荷運転が可能な回転数で起動する工程3と、
前記ターボ式の圧縮機の回転数を圧縮機流量と圧力比の関係が運転可能領域の範囲内における低流量高圧力比側を推移するように増速する工程4と、
前記バイパス弁を閉とする工程5と、
前記測定手段の測定値が所定の値になるまでクールダウンする工程6と、
を含む冷凍機の制御方法。
[2] 前記測定手段が、前記膨張タービンの入口側若しくは出口側又は前記副熱交換器の出口側の前記第1の冷媒の温度を測定する温度計、前記ターボ式の圧縮機の出口側の前記第1の冷媒の流量を測定する流量計、及び前記ターボ式の圧縮機の入口側と出口側の前記第1の冷媒の圧力差を測定する差圧計からなる群から選択される少なくとも1種である、[1]に記載の冷凍機の制御方法。
[3] 前記工程3の直後に前記バイパス弁の開度を中間開度に変更する、[1]又は[2]に記載の冷凍機の制御方法。
[4] 前記工程4において、圧縮機流量と圧力比の関係が運転可能領域の範囲内における低流量高圧力比側末端を推移するように前記ターボ式の圧縮機の回転数を増速した後、予め定めた一定の回転数で保持した後、前記バイパス弁を閉とする、[1]~[3]のいずれかに記載の冷凍機の制御方法。
[5] 前記工程4、前記工程5及び前記工程6を同時に実行する、[1]~[3]のいずれかに記載の冷凍機の制御方法。
[6] [1]~[5]のいずれかに記載の冷凍機の制御方法をコンピュータに実行させる、冷凍機の制御プログラム。
[7] [6]に記載の冷凍機の制御プログラムを搭載した制御装置を備える、冷凍機。
「サージング」とは、圧縮機吐出流体の逆流・脈動により激しい音響と大きな振動を伴い、圧縮機自体又はその配管を損傷させてしまう現象をいう。
「チョーク」とは、圧縮機内部又は出口の流速が音速に達し運転ができない流量をいう。
(第1の実施形態)
図1は、本発明の第1の実施形態に係る冷凍機101の概略構成図である。
冷凍機101は、第1の冷媒M1が循環する第1の循環経路L1と、第2の冷媒M2が循環する第2の循環経路L2とを備えている。
バイパス弁12の開閉は制御装置21によって制御される。
制御装置21とバイパス弁12とは通信ラインC1で接続されている。
制御装置21と第1のインバータ22は通信ラインC2で接続され、第1のインバータ22と第2のインバータ23とは通信ラインC3で接続されている。
第1のインバータ22とターボ式の圧縮機11とは通信ラインC4で接続されている。
第2のインバータ23と膨張タービン15とは通信ラインC5で接続されている。
制御装置21と温度計16とは通信ラインC6で接続され、温度計16の測定値は制御装置21に入力される。
ターボ式の圧縮機11は第1のインバータ22からの指令により、膨張タービン15は第2のインバータ23からの指令により、それぞれ、運転及び回転数の調整が可能である。
第1のインバータ22は、制御装置21により電力供給及び制御入出力がなされ、第2のインバータ23は、第1のインバータ22を介して制御装置21により電力供給及び制御入出力がなされる。第2のインバータ23への電力供給及び制御入出力は、第1のインバータ22を介さず、制御装置21から直接なされてもよいし、制御装置21とは独立した制御装置からなされてもよい。
バイパス弁12は、制御装置21からの指令により駆動する自動弁であり、全開/全閉のみ切替え可能な電磁弁又は開度調節可能な調節弁である。
バイパス弁12は、冷凍機常温起動時に開度全開において極力サージライン近辺の流量となるようなサイズを選定することが好ましい。バイパス弁本体及び周辺配管のコストが高くなるという欠点はあるが、裕度を持たせてサイズの大きいバイパス弁を用いてもよい。
図2は、本発明の第2の実施形態に係る冷凍機102の概略構成図である。
以下では本発明の第2の実施形態に係る冷凍機102と本発明の第1の実施形態に係る冷凍機101との相違点を中心に説明する。
制御装置21と流量計17とは通信ラインC7で接続され、流量計17の測定値は制御装置21に入力される。
図3は、本発明の第3の実施形態に係る冷凍機103の概略構成図である。
以下では本発明の第3の実施形態に係る冷凍機103と本発明の第2の実施形態に係る冷凍機102及び本発明の第1の実施形態に係る冷凍機101との相違点を中心に説明する。
制御装置21と差圧計18とは通信ラインC8で接続され、差圧計18の測定値は制御装置21に入力される。
また、第1の冷媒M1の流量を測定する流量計17がターボ式の圧縮機11の出口側又は入口側に配置されていてもよい。この場合、制御装置21と流量計17とは通信ラインで接続され、流量計17の測定値は制御装置21に入力される。
(第1の実施形態)
本発明の第1の実施形態に係る冷凍機101の制御方法は、以下の工程1から工程6までを含む(図4参照)。
(1)バイパス弁12を開とする工程1
(2)膨張タービン15を起動する工程2
(3)ターボ式の圧縮機11を無負荷運転が可能な回転数で起動する工程3
(4)ターボ式の圧縮機11の回転数を圧縮機流量と圧力比の関係が運転可能領域の範囲内における低流量高圧力比側を推移するように増速する工程4
(5)バイパス弁12を閉とする工程5
(6)温度計16の測定値が所定の値になるまでクールダウンする工程6
工程1から工程6までは、この順に実行することが好ましい。
(1)バイパス弁12を「開」とし、(2)膨張タービン15を起動する。次いで、(3)ターボ式の圧縮機11を無負荷運転が可能な回転数で起動する。第1の冷媒M1の流量(圧縮機流量)及び圧力比が増加する。(4)ターボ式の圧縮機11の回転数を圧縮機流量と圧力比の関係が運転可能領域の範囲内における低流量高圧力比側を推移するように増加させる。(5)バイパス弁12を「閉」として、バイパスラインL3を通過する冷媒M1の流量をゼロ又は微小とする。(6)温度計16の測定値が所定の値になるまでクールダウンする。その後は、ターボ式の圧縮機11をPID制御などの制御モードに切り替えて、温度計16の測定値が一定の値になるように回転数を制御して、圧縮機のサージングを防止するとともに、高い圧力比を得て、クールダウン速度を向上させる。
(1)バイパス弁12を「開」とし、(2)膨張タービン15を起動する。次いで、(3)ターボ式の圧縮機11を無負荷運転が可能な回転数で起動する。第1の冷媒M1の流量(圧縮機流量)及び圧力比が増加する。(3)-1:その直後にバイパス弁12の開度を調整開とし、バイパスラインL3の流量を下げる操作を実行する。(4)ターボ式の圧縮機11の回転数を圧縮機流量と圧力比の関係が運転可能領域の範囲内における低流量高圧力比側を推移するように増加させる。(5)バイパス弁12を「閉」として、バイパスラインL3を通過する冷媒M1の流量をゼロ又は微小とする。(6)温度計16の測定値が所定の値になるまでクールダウンする。その後は、ターボ式の圧縮機11をPID制御などの制御モードに切り替えて、温度計16の測定値が一定の値になるように回転数を制御して、圧縮機のサージングを防止するとともに、高い圧力比を得て、クールダウン速度を向上させる。
(1)バイパス弁12を「開」とし、(2)膨張タービン15を起動する。次いで、(3)ターボ式の圧縮機11を無負荷運転が可能な回転数で起動する。第1の冷媒M1の流量(圧縮機流量)及び圧力比が増加する。(4)ターボ式の圧縮機11の回転数を圧縮機流量と圧力比の関係が運転可能領域の範囲内における低流量高圧力比側を推移するように増加させる。(4)-1:圧縮機流量と圧力比の関係が運転可能領域の範囲内における低流量高圧力比側末端を推移するように回転数を増速した後、一定の圧縮機回転数を保持してクールダウンを実行し、最後に(5)バイパス弁12を「閉」として、バイパスラインL3を通過する冷媒M1の流量をゼロ又は微小とする。その後は、ターボ式の圧縮機11をPID制御などの制御モードに切り替えて、温度計16の測定値が一定の値になるように回転数を制御して、圧縮機のサージングを防止するとともに、高い圧力比を得て、クールダウン速度を向上させる。
(1)バイパス弁12を「開」とし、(2)膨張タービン15を起動する。次いで、(3)ターボ式の圧縮機11を無負荷運転が可能な回転数で起動する。第1の冷媒M1の流量(圧縮機流量)及び圧力比が増加する。その後、以下の(4)、(5)、(6)を同時に実行する。
(4)ターボ式の圧縮機11の回転数を圧縮機流量と圧力比の関係が運転可能領域の範囲内における低流量高圧力比側を推移するように増加させる。
(5)バイパス弁12を「閉」として、バイパスラインL3を通過する冷媒M1の流量をゼロ又は微小とする。
(6)温度計16の測定値が所定の値になるまでクールダウンする。
温度計16の測定値が所定の値になるまでクールダウンしたら、ターボ式の圧縮機11をPID制御などの制御モードに切り替えて、温度計16の測定値が一定の値になるように回転数を制御して、圧縮機のサージングを防止するとともに、高い圧力比を得て、クールダウン速度を向上させる。
第1の実施形態では、温度計16の測定値が所定の値になるまでクールダウンし、その後は温度計16の測定値が一定の値になるように回転数を制御したが、第2の実施形態では、流量計17の測定値が所定の値になるまでクールダウンし、その後は流量計17の測定値が一定の値になるように回転数を制御する。このとき事前にサージライン及びチョークラインが確認された状態であり、圧縮機流量と回転数の関係から圧力比を推定する。第1の実施形態と同様に、圧縮機のサージングを防止するとともに、高い圧力比を得て、クールダウン速度を向上させることができる。
第1の実施形態では、温度計16の測定値が所定の値になるまでクールダウンし、その後は温度計16の測定値が一定の値になるように回転数を制御したが、第3の実施形態では、差圧計18の測定値が所定の値になるまでクールダウンし、その後は差圧計18の測定値が一定の値になるように回転数を制御する。このとき事前にサージライン及びチョークラインが確認された状態であり、圧力比と回転数の関係から圧縮機流量を推定する。第1の実施形態と同様に、圧縮機のサージングを防止するとともに、高い圧力比を得て、クールダウン速度を向上させることができる。
図8は、冷凍機101で従来の冷凍機の制御方法を実行した場合の、ターボ式の圧縮機11の出口側の第1の冷媒M1の流速(流速、横軸)とターボ式の圧縮機11の出口側の第1の冷媒M1の圧力と入口側の第1の冷媒M1の圧力の比の値(圧力比、縦軸)との関係を示すグラフである。
以下の工程1’から工程6’までを実行する。
工程1’:バイパス弁12を開
工程2’:膨張タービン15を起動
工程3’:ターボ式の圧縮機11を低回転数で起動
工程3’-1:バイパス弁12の開度調整
工程4’:ターボ式の圧縮機11の回転数を中回転数まで徐々に増加
工程5’:温度計16の測定値が所定値になるまでクールダウン
工程6’:バイパス弁12を閉
本発明の冷凍機の制御方法と比べると、サージラインとチョークラインの中央付近で動作を進めているため、各回転数で圧力比のピークから外れていて、クールダウン速度が遅くなる。また、工程5と工程6が逆になっていることで、クールダウン中に流量が増加方向になるため圧力比が下がり、クールダウン速度の向上ができず、クールダウンに時間がかかる。
本発明の冷凍機の制御プログラムは、上述した冷凍機の制御方法をコンピュータに実行させる冷凍機の制御プログラムである。
本発明の冷凍機の制御プログラムは、例えば、制御装置21に搭載されており、制御装置21に内蔵されたプロセッサによって実行される。
本発明の冷凍機の制御方法は、クールダウン中に第1の冷媒の流量が増加方向にならずターボ式の圧縮機の出口側と入口側の冷媒の圧力比が下がらないため、クールダウン速度を向上できる。
12 バイパス弁
13 主熱交換器
14 副熱交換器
15 膨張タービン
16 温度計
17 流量計
18 差圧計
21 制御装置
22 第1のインバータ
23 第2のインバータ
101,102,103 冷凍機
C1,C2,C3,C4,C5,C6,C7,C8 通信ライン
L1 第1の循環経路
L2 第2の循環経路
L3 バイパスライン
M1 第1の冷媒
M2 第2の冷媒
Claims (7)
- 第1の冷媒が循環する第1の循環経路と、第2の冷媒が循環する第2の循環経路と、前記第1の循環経路に配置され、前記第1の冷媒を断熱圧縮するターボ式の圧縮機と、前記第1の循環経路に配置され、前記ターボ式の圧縮機により断熱圧縮される前の前記第1の冷媒と前記ターボ式の圧縮機により断熱圧縮された後の前記第1の冷媒との熱交換を行う主熱交換器と、前記第1の循環経路に配置され、前記第1の冷媒を断熱膨張する膨張タービンと、前記第1の循環経路及び前記第2の循環経路に配置され、前記第1の冷媒と前記第2の冷媒との熱交換を行う副熱交換器と、前記第1の循環経路に配置された測定手段と、前記ターボ式の圧縮機を制御する第1のインバータと、前記膨張タービンを制御する第2のインバータと、前記第1のインバータ及び前記第2のインバータの一方又は両方を制御する制御装置と、前記ターボ式の圧縮機の下流側で、かつ前記主熱交換器の上流側に前記ターボ式の圧縮機で断熱圧縮された前記第1の冷媒を前記ターボ式の圧縮機に戻すバイパスラインと、前記バイパスライン上に前記バイパスラインを開閉するバイパス弁と、を備える冷凍機の制御方法であって、
前記バイパス弁を開とする工程1と、
前記膨張タービンを起動する工程2と、
前記ターボ式の圧縮機を無負荷運転が可能な回転数で起動する工程3と、
前記ターボ式の圧縮機の回転数を圧縮機流量と圧力比の関係が運転可能領域の範囲内における低流量高圧力比側を推移するように増速する工程4と、
前記バイパス弁を閉とする工程5と、
前記測定手段の測定値が所定の値になるまでクールダウンする工程6と、
を含む冷凍機の制御方法。 - 前記測定手段が、前記膨張タービンの入口側若しくは出口側又は前記副熱交換器の出口側の前記第1の冷媒の温度を測定する温度計、前記ターボ式の圧縮機の出口側の前記第1の冷媒の流量を測定する流量計、及び前記ターボ式の圧縮機の入口側と出口側の前記第1の冷媒の圧力差を測定する差圧計からなる群から選択される少なくとも1種である、請求項1に記載の冷凍機の制御方法。
- 前記工程3の直後に前記バイパス弁の開度を中間開度に変更する、請求項1又は2に記載の冷凍機の制御方法。
- 前記工程4において、圧縮機流量と圧力比の関係が運転可能領域の範囲内における低流量高圧力比側末端を推移するように前記ターボ式の圧縮機の回転数を増速した後、予め定めた一定の回転数で保持した後、前記バイパス弁を閉とする、請求項1~3のいずれか1項に記載の冷凍機の制御方法。
- 前記工程4、前記工程5及び前記工程6を同時に実行する、請求項1~3のいずれか1項に記載の冷凍機の制御方法。
- 請求項1~5のいずれか1項に記載の冷凍機の制御方法をコンピュータに実行させる、冷凍機の制御プログラム。
- 請求項6に記載の冷凍機の制御プログラムを搭載した制御装置を備える、冷凍機。
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