JPS5860199A - 機械通風冷却塔の送水温度制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は機械通風冷却塔の送水温度制御方法に関する。

工業用冷却設備の省エネルギ一対策の１つとして、冷却
塔送風機の能力制御（例えば、回転数制御や翼ピツチ角
制御）によって送水温度を制御する方式が提案され、最
近その実績も増加傾向にある。しかしながら、この方式
における制御方法は、いまだに確立されておらず、その
省エネ効果も十分に発揮されていないのが現状である。

この方式における省エネ効果を明らかにするために、例
として、３台の送風機を有する冷却塔の場合について検
討すると、第５図の様になり、能力制御機を無段階に連
続制御することにより大きな省エネ効果が発揮されるこ
とがわかる。また、第６図に送風機を無段階連続制御し
た場合に冷却水出口設定水温を２８℃〜３１℃に変えた
場合の消費電力の変化を示す。冷却水出口設定水温の設
定値の違いが大きく省エネ効果に寄与することがわかる
。

したがって、この方式による省エネルギー効果を増大さ
せるためには、冷却水を必要とするプラント側での要求
水温の上限に冷却塔の設定温度をセツトし、設定温度に
制御可能な制御システムを組めばよいのであるが、従来
の制御方式では、外乱によって偏差やオーバーシュート
が発生するので、設定温度を要求水温の上限より低くセ
ツトしているのが通常である。したがって、この偏差や
オーバーシュートの発生を改善できるならば、省エネル
ギー効果の優れた制御システムとなる。

ところが、従来提案されている冷却塔送水温度の制御方
式は、偏差が発生した場合に、回転数またはピツチ角を
あらかじめ定められた回転数またはピツチ角に制御する
方式である。この様な方式においては、あらかじめ定め
られたステツプ巾でしか回転数または、ピツチ角の設定
が出来ないので、第５図に示した無段階連続制御は出来
ない。

また制御分類では、フイードバツク制御であり、本質的
には、偏差の発生を防止することはできない。例えば、
特開昭５６−５３３８４号公報に記載の制御方式はフイ
ードバツク制御であって、偏差の発生を防ぐことはでき
ない。また、この公報記載の方式では水槽の熱容量の変
化が考慮外にされているのでその応答性の精密さには限
界があるように思われるし、充填物下の多点測定を必要
としている。

本発明は、従来のこのようなフイードバツク制御方式に
代えて、偏差等を予防する制御方式としてフイードフオ
ワード制御方式を冷却塔送水温度制御に適用し、制御精
度の向上を図り、システムの省エネルギー効果の増大を
促進するものである。

以下に本発明によるフイードフオワード方式の冷却塔送
水温度制御法を具体的に説明する。

冷却塔においてフイードフオワード制御を行なうには、
まずその冷却塔の塔特性（ＫａＶ／Ｌ）の把握が必要で
ある。この塔特性は各種の充填物および充填物高さにお
ける値が実験的によって確認できるが、実際の使用にあ
たっては、外気湿球温度や入口水温度の変動によって変
化すると考えられ、同じ仕様の冷却塔でもこのＫａＶ／
Ｌ値にはバラツキが発生し、また経年的にも変化するも
のである。したがって、冷却塔において制御性の優れた
フイードフオワード制御を行なうには、その実際の冷却
塔（実機）の塔特性を把握し、この値に基いて制御動作
を行なう必要がある。

本発明はこの実機の塔特性の値を把握してこれに基づい
て送風機の能力制御を行なうものであり、その制御フロ
ーを第１図に示した。この実施例は、第２図のような複
数台（セル）からなる工業用冷却塔の場合に、その台数
（直列制御）するものである。実際の省エネ効果は、運
転機を同時に制御する方式（並列制御）がすぐれている
が、この選択は設備側の運転形態にあわせて適宜選択す
ればよい。なお、第２図において、１は充填物、２は送
風機、３は可変速電動機または翼ピツチ角可変装置、４
は冷却水入口管（戻り水管）、５は冷却水出口管（送水
管）、６は冷却水入口水温（戻り水温度）検出器、７は
外気湿球温度検出器、８は冷却水出口温度（送水温度）
検出器であり、また、１０は動力盤（制御盤）、１１は
入出力装置、１２はμ−コンを表わしている。入出力装
置１１における〔Ｏ〕は出力装置、〔Ｉ〕は入力装置で
あり、またμ−コン１２におけるａは出力ソフト、ｂは
能力制御設定ソフト、Ｃは塔特性把握ソフト、ｄは入力
ソフトを示している。この第２図に示されるように、本
発明による冷却塔の送水温度を一定に保つための制御法
の骨子は、翼ピツチ角または回転数を変えることにより
送水能力を制御できるようにした送風機の能力制御設定
条件を決定するにさいして、適当な外気湿球温度範囲（
区分）および適当な戻り広温度範囲ごと、または戻り水
に変化が少ない場合は外気湿球温度ごとの実機の塔特性
（ＫａＶ／Ｌ）を求めかつそのデータを保管する装置（
ｃ）を用意し、そのデータと、外気湿球温度と、戻り広
温度と、送水目標値温度とから前記送風機の設定条件を
決定し（ｂ）、この条件に従って能力制御機３の運転条
件を制御することを特徴とするものである。

以下に、μ−コン１２によるフイードフオワード制御方
式について第２図の制御フローに従ってそのプロセス内
容を説明する。まず使用する記号は次のものを表わして
いる。

ＫａＶ／Ｌ；塔特性 Ｋａ；エンタルピ基準総容積熱伝達率（Ｋｃａｌ／ｍ３
ｈ△ｉ）ｖ；冷却塔容積（ｍ３） Ｌ；水量（ｋｇ／ｈ） Ｆ；セル一台の冷却水量（ｋｇ／ｓ） Ｖ；セル一台の水槽容量（ｋｇ） ＴＯ；冷却水出口温度（℃） ＴＦ；充填物下水温（全負荷運転） ＴＦＣ；能力制御機設定充填物下温度 ＴＳ；設定冷却水出口温度 ＴＦＮ；能力下制御していないセル（充填物下水温度）
ＴＭ；能力下限運転セル（充填物下水温度）Ｎ；全セル
数 Ｍ；能力下限運転台数 Ｐ；送風機停止セル数 ｔ；制御時間間隔 ＴＩＮ；冷却水入口水温 Ｓ；能力制御セルの充填物下水温（並列制御の場合）添
字１；ｔ＝０の場合 　　２；ｔ＝ｔの場合 （１）初期値セツト 設定温度（冷却水出口温度）、送風機台数、能力制御機
台数、上下限のピツチ角または回転数、槽容量、冷却水
循環水量をセツトする。

（２）ＩＮＰＵＴ 冷却水入口水温、冷却水出口水温、外気湿温度、ピツチ
角（または回転数）、運転停止台数、次の（３）用の制
御信号、（７）用の制御信号をそれぞれインプツトする
。

（３）制御時間 ＩＮＰＵＴデーターより判断する。

（４）冷却水出入口温度差による能力を積算冷却水出入
口温度差から冷却熱量を積算する。

冷却塔の熱収支を模式的に示すと第３図に示すようにな
る。第３図において、 ＱＥＸＴ；冷却熱量 ＱＩＮ；塔内への流入熱量（冷却水入口温度より積算）
ＱＯＵＴ；塔外への流出熱量（冷却水出口温度より積算
）△ＱＶ；塔内の蓄熱量 である。したがって、時刻Ｔ１とＴ２の間の熱収支は、
ＱＩＮ−ＱＯＵＴ＝ＱＥＸＴ＋△ＱＶ であるから、 ＱＥＸＴ＝ＱＴＮ−ＱＯＵＴ−△ＱＶ・・・（１）とな
る。ＱＩＮとＱＯＵＴは冷却水の出入口水温を測定する
ことによって積算できるが、ΔＱＶは槽の特性の把握が
必要である。

ＱＥＸＴ≫ΔＱＶ・・・（２） の条件を満たせば、ΔＱＶの誤差がＱＥＸＴに与える影
響が相対的に減少し、ΔＱＶを水槽内の代表点温度によ
って近似することが可能である。（１）式の条件を満す
には、時間ｔを長く設定すれば可能となる。すなわち、 ＱＥＸＴ＝（ＴＩＮ）−ＴＯＵＴ）・Ｎ・Ｆ・ｔ・Ｃｐ
−Ｖ（Ｔ０２−Ｔ０１）Ｃｐただし、ＴＩＮ；ＴＩＮの
平均値 　　　　ＴＯＵＴ；ＴＯＵＴの平均値 （５）ＫａＶ／Ｌ（塔特性）とＬ／Ｇ（水空気比）より
求めた冷却能力を積算 設計値（ＫａＶ／Ｌ＝ｆ（Ｌ／Ｇ））とより各セルにつ
いて充填物下の水温をプログラムで計算し、 ＱＥＸＴ＝∫ｑＥＸＴｄｔ より冷却能力を計算する。

（６）平均外気湿球温度 時刻Ｔ１〜Ｔ２間の平均外気湿球温度を求める。

（７）時間規定以上 ＩＮＰＵＴ信号より判断する。

（８）先の（４）と（５）よりＫａＶ／Ｌの補正係数を
求める。

補正係数Ｋ＝（４）／（５） （９）適当な外気湿球温度範囲ごとに（８）をストア適
当な外気湿球温度範囲ごとにＫ値をストアする。

（１０）先の（４）、（５）、（６）、（７）をクリア
ー（１１）能力制御機設定充填物下水温（ＴＦＣ）の計
算能力制御機の設定水温は、他セルの運転状況によって
左右され、冷却水出口水温（Ｄｅｍａｎｄ側の要求する
水温）と一致しない。さらに、冷却塔保有水温が冷却水
出口水温と異る場合は、その偏差に相当する蓄熱量の除
去が必要となる。

したがって、 ＴＦＣ＝（外乱、運転状況より計算される設定水温）＋
（保有水の偏差蓄熱除去に相当する設定温度差）である
。これは次のようにして求められる。

（ａ）外乱，運転状況により計算される設定水温Ｔｓ・
Ｆ・Ｎ＝Ｔ′ＦＣ−Ｆ＋ＴＦ・（Ｎ−Ｍ−Ｐ−１）・Ｆ
＋ＴＭ・Ｍ・Ｆ＋ＴＩＮ・Ｐ−Ｆ Ｔ′ＦＣ＝｛ＴＳ・Ｆ・Ｎ−ＴＦ・（Ｎ−Ｍ−Ｐ−１）
・Ｆ−ＴＭ・Ｍ・Ｆ−ＴＩＮ・Ｐ・Ｆ｝／Ｆ （ｂ）保有水の偏差蓄熱除去に相当する設定温度差制御
方式自体はフイードフオワード制御であるが、この部分
についてはフイードバツク系であり、いわばバツクアツ
プ的機能の部分である。

槽の応答問題については汎用性のある精度の高い計算式
を求めるのは困難であるが、バツクアツプ的機能要素で
あるからこの動作が制御精度におよぼす影響は少いと考
えられるので、槽の応答を完全混合の場合とし、蓄熱効
率（η）を０．６として計算を行なう。

第４図は冷却塔水槽を模式的に示す。第４図において、 ＴＩＮ；入口水温（℃） ＴＯＵＴ；出口水温（℃） Ｖ；槽容量 Ｆ；流量 η；蓄勢効率 ただし、この蓄熱効率ηは、 ｔＣ；コイル出口温度　Ｖ；蓄熱槽容量ｔＳ；蓄熱温度
　Ｑ；蓄熱量 で定義されるものである。

ｔ＝０でＴ００ｔ＝Ｔ０１ ｔ＝ｔでＴ００ｔ＝ＴＳ （ｃ）この（ａ）と（ｂ）とから、ＴＦＣは、で求める
ことができる。

同様に並列制御の場合は、 で求めることができる。

（１２）能力制御後設定Ｌ／Ｇ（水空気比）の計算を行
なう。

設計値（ＫａＶ／Ｌ＝ｆ（Ｌ／Ｇ）と、（１０）により
修正されたによる結果が一致するＬ／Ｇ の値を計算する。

（１３）設定ピツチ角（または回転数）の計算あらかじ
め、送風量とピツチ角（または回転数）との関係を近似
式でまとめておき、（１２）の結果からピツチ角（また
は回転数）を計算する。

（１４）ピツチ角（または回転数）または台数の制御を
出力する。

以上のようにしてフイードフオワード方式により、要求
側の設定水温に冷却水出口温度をバラツキなくかつ精度
よく制御することができ、省エネルギー効果を十分に発
揮することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明法に従う制御フローを示すブロツク図、
第２図は本発明法に従う制御系統を示す機器配置系統図
、第３図は冷却塔の熱収支を示す模式図、第４図は冷却
塔水槽の模式図である。また、第５図は制御方式別の外
気湿球温度と電力比との関係図、第６図は冷却水出口設
定温度を変えた場合の消費電力の変化を示した図である
。 １…充填物 ２…送風機 ３…能力制御機 ６…戻り水温検出器 ７…外気湿球温度検出器 ８…送水温度検出器 １０…動力盤（制御盤） １１…入出力装置 １２…μ−コン 出願人　高砂熱学工業株式会社 代理人　和田　憲治 第２図 噸轡慟□１−□−−響慟−−１−譬優−――−−＋・−
□弄−□□−□轡−□ｉ　　「−曲一一第４図 第５図 ′外気湿球異ｉ（℃１ 第６図 冷却水出口設定幅度（℃）Ｑ又 計 点 手続補正書（自発） 昭和５６年１１月１２日 特許庁長官　島田春樹殿 １、事件の表示 昭和５６年特許　願第１５６５４２　号２、　発明の名
称　　機械通風冷却塔の送水温度制御方法３、　補正を
する者 事件との関係　特許出願人 代表者　日　景　−部 ４・代理人〒１６２ ６、補正の内容 （１）−明細書２頁１４行の［冷許水出口丁を「冷却水
出口」に補正する。 （２）図面第２図を添付図面のとおりに補正する。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 翼ピツチ角または回転数の制御によって送風量を可変に
   した冷却塔において、この可変能力制御送風機の設定条
   件を決定するにさいし、外気湿球温度の所定の範囲およ
   び戻り水温の所定の範囲ごとの塔特性値を求め、そのデ
   ータを保管する装置を用意し、このデータと、外気湿球
   温度と、戻り水温度と、送水温度と、送水目標値温度と
   から該送風機の設定条件を決定し、この決定された条件
   に従って該可変能力制御送風機の運転条件を制御して送
   水温度を一定に保つことを特徴とするフイードフオワー
   ド方式による機械通風冷却塔の送水温度制御方法。