JPS60159597A - 冷却塔の省動力運転制御方法 - Google Patents

冷却塔の省動力運転制御方法

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JPS60159597A
JPS60159597A JP1406584A JP1406584A JPS60159597A JP S60159597 A JPS60159597 A JP S60159597A JP 1406584 A JP1406584 A JP 1406584A JP 1406584 A JP1406584 A JP 1406584A JP S60159597 A JPS60159597 A JP S60159597A
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cooling tower
cooling
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power
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JP1406584A
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Atsushi Takahashi
惇 高橋
Aritaka Shimada
嶋田 有孝
Tokio Okonogi
小此木 時雄
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Takasago Thermal Engineering Co Ltd
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Takasago Thermal Engineering Co Ltd
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28FDETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F27/00Control arrangements or safety devices specially adapted for heat-exchange or heat-transfer apparatus
    • F28F27/003Control arrangements or safety devices specially adapted for heat-exchange or heat-transfer apparatus specially adapted for cooling towers

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)

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、定風量タイプの冷却塔の稼動台数と可変風量
タイプの冷却塔の風量の両方を制御することにより必要
動力を最少限にする冷却塔の運転方法に関する。
従来2、冷却塔の性能向上に関する努力は、充填物の熱
交換性能の向上、送風機の効率の向上2通気・散水抵抗
の低減などに向けられ、その運用技術の改善は等閑に付
されてきた感がある。例えば冷却塔の冷却能力は外気状
態によって変化するのであるが、工業的冷却塔のように
負荷が年間を通じて存在する場合には冷却塔を数セルに
分割してその運転台数を制御することによってこれに対
応する運転処方が適音採用されているが、このような台
数制御による運転では2段階的な能力制御となることの
ほかに、プロセス側の負荷変動や外気変動に対応した運
転を手動で行うことは困難であるため、必要とされる以
上の台数の冷却塔を運転して、プロセスへの送水温度が
その上限値を越えないような運転法を採らざるを得ない
状況にあった。
もし、これらの変動に対応できる連続的な能力制御型の
冷却塔が実現できれば、不必要なエネルギー消費を回避
した運転が可能となり、極めて大きな省動力が達成でき
るであろう。
本発明はこの要求を満足することを目的としてなされた
ものであり、定風量タイプの冷却塔と可変風量タイプの
冷却塔を組合せ、前者の稼動台数制御と後者の風量制御
の両方を7動力費が最少になるように制御する運転方法
を提供するものである。
一般に、冷却塔は、水と空気を直接接触させて熱交換す
るものであり、エンタルピーi (Kcal/Kg’ 
)基準で熱的設計が行われる。エンタルピー基準の伝熱
係数をKとすると、交換熱量Q (Kcal/h )は
、(1)式で表せる。
dQ=K a (iw−i ) dV ・・・(1また
だし。
K:エンタルピー基準伝熱係数[Kcal/rrrhΔ
j〕a :充填物単位容積当り接触面積(n(/n?)
i、商:空気、水のエンタルピー(Kcal / Kg
’ )この交換熱量は、また次の(2)式でも表せる。
dQ=L・Δt+s=G・Δi・・・(2)ただし。
L:水量(Kg/h 〕、a :空気量(Kg/h )
Δを一:水側温度差〔℃〕 (比熱1.0として)Δi
:ミニ空気側エンタルピーcal/Kg” )この(1
)式と(2)式を積分して、水側、空気側それぞれに。
ic) + (41式を移動単位数(Number o
f TransferIJnit)と称する。またKa
をエンタルピー基準総括容量伝熱係数CKca1/rd
hΔj〕としている。
これらの値は、すべて実験的にめられるものであり、充
填物の種類、水負荷L/A (Kg/rrfh 〕空気
負荷G/ A CKg/ rlh 〕によって異なった
値を示す。実験値はN(=L/G:水・空気比)で整理
され、設計に供されている。
ところで、冷却塔の基本は、前述のように外気と水との
熱交換である。外気状態はつねに変動するが、冷却塔の
外気設計条件は、湿球温度tGl。
ビc)=エンタルピーi 1CKcal /Kg’ )
のみで与えられ、我国では特別な地域を除くと、この値
として25〜27℃が用いられている。
しかしながら、このような湿球温度の出現は年間を通じ
て極めて稀であり、多くの場合、1%以下である。外気
湿球温度が低下すれば、当然、塔内伝熱熱量も増大して
冷却塔出口水mhr1 (℃〕も下がってくる。
一例として、冷却塔人口水m tw i = 45℃、
出口水温り讐2−31°C5湿球温度tGl ’ =2
7℃にて設計された塔で、入口水温t、1を一定として
、湿球温度tGl’が低下した場合の出口水i’%jW
2を、塔特性値を用いて算出した結果を第1図に示した
が。
例えば湿球温度tGl’=Q℃のとき、入口水温45℃
で、出口水温は21”Cにもなる。このとき、湿球温度
の年間出現率に着目すると、これは第1図の上部に示し
たが(関西地方5ケ年の湿球温度出現時間を集計したも
のを百分率で表示しでいる)。
これより、冷却塔設備では5年間運転時間のほとんどを
、設計条件に対してかなり余裕のある状態で運用されて
いることが推定できる。
したがって、一定温度レベル以下の冷却水温度を必要な
プロセスにおいて、外気あるいは負荷の変動に応じて水
量または空気量を制御して水温を一定に保つようにすれ
ば、動力の無駄をな(することができる。前出の設計条
件の冷却塔において出口水温31℃を一定という条件で
、tGl’ に応じた必要空気量Gをめると第2図に示
すような結果となる。第2図は、水量りを一定として、
縦軸に、設計空気量G0に対する必要空気量Gの比率を
、また横軸に湿球温度tGl’を示しているが。
これより、湿球温度が僅かに低下しても、必要空気量は
かなり少なくなることがわかる。ファン動力は、ファン
比例法則により、空気量の3乗に比例することから、こ
のd・要空気量の減少は非常に大きな動力節減に結びつ
く (第2図の動力比の曲線参照)ことになる。そして
、第1図の湿球温度の出現分布を合わせ見るとその効果
の大きさはより明確である。
一方1年間を通ずと割合フラットな分布を示す湿球温度
の出現率も1月別に整理すると、第3図に示すようなも
のとなり、季節ごとに特徴のある分布を示す。従来より
2複数セルの冷却塔設備をもつユーザーでは、これらの
減少に対処するために、運転ファンの台数制御という方
法を採ってきたが、その多くは、シーズンごとの手動台
数制御であり、極めて粗い操作となっていた。例えば第
4図は、夏期の一日の湿球温度の変動を表しているが1
手動台数制御でこれを吸収するのは、はとんど不可能で
ある。
本発明は1以上のような基本原則のちとに、負荷状況に
応した能力制御を行い、変動する外気条件を吸収するこ
とによって冷却塔消費動力の節減を図るとともに1時間
的変動に対応した能力運転制御法を提供しようとするも
のであり、ある負荷系統に対して一定レベル以下の温度
の冷却水を供給するための冷却塔を、各々独立運転可能
な複数の冷却塔群に分割してなる冷却塔設備において。
この冷却塔群のうち少なくとも一基以上を可変風量機構
(例えば冷却塔ファンの翼ピンチ角を変化させる機構ま
たは冷却塔ファンの電動モータの回転数をインバータに
よって変化させる機構などの無段階能力制御が実施でき
る機構)をもつ冷却塔に構成し、冷却塔群の台数制御と
前記可変風量冷却塔の能力制御機とを組み合わせたさい
の、必要とされる能力において動力費が最小となる組合
せをマイクロコンピュータ(以下マイコンと呼ぶ)によ
って計算してこれに基づきフィードフォワード制御し、
また微調整を冷却塔出口水温tiv2を用いたフィード
フォワード制御によって行うことを特徴とするものであ
る。
本発明に従う最適台数の選定並びに能力制御機の制御値
について、以下に詳述する。
ある冷却塔設備における全塔数をNT、そのうち能力制
御機の設置される塔数をNVとする。説明を簡単にする
ために、各基の特性が同一であるとし、かつ最大能力を
1 (Kcal)とすれば、設備全体の最大能力はN 
T (Kcal)である。
このとき、ある負荷状態でZ (Kcal)の能力が必
要であるとする。Zは実数であり、 〔Z〕をZの整数
部として整数(非能力制御機)と小数(能力制御機)に
分割し。
k Z= (Z−(NV−)) ZJ−1 と表す(この式を(5)式と呼ぶ)。ここに、iは能力
制御機の稼動台数であり、この(5)式の右辺第1項が
非能力制御機で処理すべき能力、右辺第2項が能力制御
機で処理すべき能力と表現する。
非能力制御機と能力制御機の組合せによって。
得られる動力値は異なった値となり、最少動力を示す組
合せをめることが必要となる。
ここt、能力制御機の能力X (Kcal)と、冷却塔
群の総合計動力Pχ(Kw)との関係は。
Px−a0+at X+a2X2+ −−an X’ 
・16)で近似でき、能力は0≦X≦1であるから。
a、 +al +a2 ・・3n=1とすると、動力ば
0≦Pに≦1となる。
(6)式を用いると、(5)式の時の動力は。
・・+an()) ・・・l’Q k となる。ただし、複数の能力制御機は同時制御され、ま
 ノこ 0 ≦ K ≦ NV−1・ ・ ・ (8)K−44
≦ ik<NV ・ ・ ・ (9)である。
この時、(7)式を最少にするようなKとikをめるこ
とによって、設備全体で最適なファン稼動・組合ゼが定
まる。Pzは比例定数、ao ・・anは定数項であり
、動力と冷却塔運転台数の関数として予めめられる。
この制御のフローを第5図に示した。この制御フローを
説明すると。
1)DIPスイッチによりセットしであるシステム定数
をメモリ内に読み込む。
2)システムの立ち−にげ時には、冷却塔出口水温 計算するが、その最大能力で運転を開始する。その後、
冷却塔出口水温′r2を入力し、設定温度より高い場合
は塔特性の補正ルーチンに入る。
塔特性は次式で近似する。
U/N=KaV/L=α・Nρ (α、βは定数)補正
ルーチンは、このα、βを補正する。
3)TIとTwを入力し、最適台数と能力制御機の風量
を計算し、T2と設定値との差が大きい場合には、α、
βの補正ルーチンに入る。
4)T2.と設定値との差が小さい場合には、PI制御
を行う。pi制御で対応できない場合ば3)項にもどる
制御中に、可変風量タイプの冷却塔の風量が最大値、あ
るいは最小値となった場合にも3)項にもどる。
第6図(a)〜fslは、マイコンにより本発明の制御
を実施した場合の実際の制御フローの一例を詳細に示し
たものである。
【図面の簡単な説明】
第1図は関西地方での年間湿球温度の出現率と湿球温度
が変化したときの冷却塔出口水温の変動と示す関係図、
第2図は外気湿球温度と冷却塔の必要風量との関係図、
第3図は関西地方の湿球温度の月別分布を示す図、第4
図は関西地方の夏期における気象条件を示す図、第5図
は本発明方法に従う制御フロー図、第6図(a)〜(S
)〔連続図〕は本発明方法を実施した場合の実際の制御
フロー図である。 出願人 高砂熱学工業株式会社 第1図 第2図 ]5 10 15 20 25 51”夕1気湿球温度
tf(00) 第3図 −Di 234 5678910 15 20 25 
27外気湿球温度toi (’C) 第4図 時 間 ) 第6図(d+ 第6図(m) 第6図(n) ’A)B E SOB g’ 第0図(p) 第6図(q) 5uT3 COMP 第 51、LQ WARM 3図(s)

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)、ある負荷系統に対して一定レベル以下の温度の
    冷却水を供給するための冷却塔を各々独立運転可能な複
    数の冷却塔群に分割してなる冷却塔設備において、この
    冷却塔群のうち少なくとも一基以上を可変風量機構をも
    つ冷却塔に構成し、冷却塔群の台数制御と前記可変風量
    冷却塔の能力制御機とを組み合わせたさいの、必要とさ
    れる能力において動力費が最小となる組合せをマイクロ
    コンピュータによって計算してこれに基づきフィードフ
    ォワード制御することを特徴とする冷却塔の省動力運転
    制御方法。
  2. (2)、可変風量機構は冷却塔ファンの翼ピツチ角を変
    化させる機構または冷却塔ファンの電動モーフの回転数
    をインパークによって変化させる機構である特許請求の
    範囲第1項記載の冷却塔の省動力運転制御方法
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