KR101188079B1 - 터보 냉동기의 성능 평가 장치 - Google Patents

터보 냉동기의 성능 평가 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 계획 COP를 축차 연산하는 것에 관한 것이다.
터보 냉동기의 운전 데이터를 입력 데이터로 하여 취득하는 데이터 취득부(101)와, 역 카르노 사이클의 COP 특성을 사용하여 나타내어진 실기 이상 COP의 산정식에 대하여, 실제의 환경 하에서 발생하는 손실에 상당하는 보정치를 부여한 계획 COP 추정식을 기억하는 기억부(102)와, 데이터 취득부(101)에 의해 취득된 운전 데이터와, 기억부(102)에 기억된 계획 COP 추정식을 사용하여, 현재의 운전점에 있어서의 계획 COP를 추정하는 연산부(103)를 구비하고, 상기 보정치는, 터보 냉동기의 부하율을 변수로 하는 제1 연산식으로부터 산출되는 제1 보정치와, 냉각수 출구 온도와 냉수 출구 온도의 차분을 변수로 하는 제2 연산식으로부터 산출되는 제2 보정치를 포함하고, 상기 제2 보정치에는, 냉각수 입구 온도에 따른 상기 제1 보정치의 오프셋량이 포함되어 있는 터보 냉동기의 성능 평가 장치를 제공한다.

Description

터보 냉동기의 성능 평가 장치 {PERFORMANCE EVALUATION APPARATUS OF TURBO REFRIGERATION DEVICE}
본 발명은, 고정속의 터보 압축기를 구비하는 터보 냉동기의 성능 평가 장치에 관한 것이다.
최근, 지구 온난화 대책으로서, 에너지 소비량 삭감이나 CO2 배출량 삭감으로의 관심이 사회적으로 높아지고 있는 가운데, 터보 냉동기에 있어서는 성능 평가의 요구가 증가하고 있다. 일반적으로, 터보 냉동기의 성능 평가는, COP(성적 계수)라고 하는 지표를 사용하여 행해진다(예를 들어, 특허 문헌 1 참조). 이 COP는, 이하의 식으로부터 구해지고, COP가 높을수록 에너지 효율이 높다고 평가된다.
COP＝냉동 능력[kW]／소비 동력[kW]
특허 문헌 1 : 일본 특허 공개평 제11-23113호 공보
터보 냉동기의 성능을 사용자에게 적확하게 파악시키는 방법의 하나로서, 터보 냉동기가 성능상 낼 수 있는 최대 COP(이하 「계획 COP」라고 함.)에 대하여, 현재의 COP(이하 「실측 COP」라고 함.)가 어느 정도일지를 제시하는 것이 생각된다. 이 경우, 터보 냉동기의 계획 COP는, 냉수 온도, 냉각수 온도, 부하율, 냉매 순환량 등에 의해 시시각각으로 변화하므로, 계획 COP와 실측 COP를 대비시켜 사용자에게 제시하기 위해서는, 계획 COP의 축차(逐次) 계산이 불가결해진다.
그러나, 종래, 계획 COP의 산출은, 터보 냉동기의 방대한 운전 데이터로부터 터보 냉동기의 구성인 열교환기의 성능, 압축기의 성능, 냉매의 열물성 등을 각각 요구, 이들의 성능치를 전용 프로그램에 도입하여 많은 수렴 계산을 행해야만 하였다. 이로 인해, 시시각각으로 변화하는 계획 COP를 축차 계산하는 것은 현실적이지 않아, 그 이상, 이와 같은 계획 COP의 계산을 처리 능력에 제한이 있는 냉동기의 제어반에 있어서 실행하는 것은 거의 불가능하였다.
본 발명은, 이와 같은 사정을 감안하여 이루어진 것이며, 계획 COP의 축차 계산을 가능하게 하는 터보 냉동기의 성능 평가 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 이하의 수단을 채용한다.
본 발명은, 고정속의 터보 압축기를 구비하는 터보 냉동기의 성능 평가 장치이며, 터보 냉동기의 운전 데이터를 입력 데이터로 하여 취득하는 데이터 취득 수단과, 역 카르노 사이클의 COP 특성을 사용하여 나타내어진 실기 이상 COP의 산정식에 대하여, 실제의 환경 하에서 발생하는 손실에 상당하는 보정치를 부여한 계획 COP 추정식을 기억하는 기억 수단과, 상기 데이터 취득 수단에 의해 취득된 운전 데이터와, 상기 기억 수단에 기억된 계획 COP 추정식을 사용하여, 현재의 운전점에 있어서의 계획 COP를 추정하는 연산 수단을 구비하고, 상기 보정치는, 터보 냉동기의 부하율을 변수로 하는 제1 연산식으로부터 산출되는 제1 보정치와, 냉각수 출구 온도와 냉수 출구 온도의 차분을 변수로 하는 제2 연산식으로부터 산출되는 제2 보정치를 포함하고, 상기 제2 보정치에는, 냉각수 입구 온도에 따른 상기 제1 보정치의 오프셋량이 포함되어 있는 터보 냉동기의 성능 평가 장치를 제공한다.
본 발명에 따르면, 역 카르노 사이클의 COP 특성을 나타내는 COP 산정식을 사용하여 이상 환경 하에 있어서의 실기 이상 COP의 특성을 표현하고, 또한, 부하율 및 냉각수 입구 온도에 의해 변화되는 손실분을, 부하율에 의해 결정되는 제1 보정치와, 냉각수 출구 온도와 냉수 출구 온도의 차분을 변수로 하는 제2 연산식으로부터 산출되는 제2 보정치로 표현하고 있다. 이와 같이, 종래에는 매우 복잡한 연산식으로 나타내어지고 있던 계획 COP의 연산식을 간이한 연산식으로 충분히 표현함으로써, 계획 COP의 축차 연산을 실현시키는 것이 가능해진다. 또한, 터보 냉동기가 구비하는 제어반과 같은 처리 능력에 제한이 있는 장치라도 계획 COP의 축차 연산을 실현시킬 수 있다고 하는 각별한 효과가 얻어진다.
상기 터보 냉동기의 성능 평가 장치에 있어서, 상기 계획 COP 추정식이 전제로 되어 있는 정격 사양 조건의 설계점과는 다른 정격 사양 조건의 설계점으로 터보 냉동기가 운용되는 경우에, 설계점의 차이에 의한 냉매 비체적의 변화량이 보상된 부하율을 사용하여 상기 제1 보정치를 산출하는 것으로 해도 좋다.
이에 의해, 정격 사양 조건의 설계점에 기인하는 오차를 해소할 수 있고, 계획 COP 추정식으로 보다 범용성을 갖게 하는 것이 가능해진다.
상기 터보 냉동기의 성능 평가 장치에 있어서, 상기 제2 보정치에는, 열교환 시에 발생하는 열손실을 보상하는 온도 보상이 포함되어 있어도 좋다.
터보 냉동기에 있어서의 열교환시에 발생하는 열손실을 보상하므로, 계획 COP의 산출 정밀도를 더 향상시킬 수 있다.
상기 터보 냉동기의 성능 평가 장치는, 상기 연산 수단에 의해 산출된 상기 계획 COP를 현재의 실측 COP와 함께 표시하는 표시 수단을 구비하고 있어도 좋다.
표시 수단을 구비하고 있으므로, 연산 수단에 의해 산출된 계획 COP와 실측 COP를 함께 사용자에게 제공할 수 있다.
상기 터보 냉동기의 성능 평가 장치는, 터보 냉동기의 제어반에 탑재되어 있어도 좋다.
예를 들어, 터보 냉동기와는 이격된 다른 장소에 설치된 장치에 있어서 계획 COP를 산출하는 경우, 터보 냉동기에 있어서 얻어진 운전 데이터를 통신 매체 등을 통하여 리얼 타임으로 상기 장치까지 보내야만 한다. 이에 대해, 터보 냉동기의 제어반에는 터보 냉동기의 제어를 행하기 위해 항상 운전 데이터가 입력되어 있으므로, 제어반에 계획 COP를 산출하는 기능을 탑재함으로써, 제어에 사용하는 운전 데이터를 사용하여 계획 COP의 산출도 행하는 것이 가능해지고, 상술한 바와 같은 번거로운 데이터 통신을 불필요로 할 수 있다.
본 발명에 따르면, 계획 COP를 축차 연산할 수 있다고 하는 효과를 발휘한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 터보 냉동기를 구비하는 열원 시스템의 개략 구성을 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 관한 터보 냉동기의 상세 구성을 도시한 도면.
도 3은 도 2에 도시한 제어반이 구비하는 기능을 전개하여 도시한 기능 블록도.
도 4는 각 냉각수 입구 온도에 있어서의 부하율과 보정치의 관계를 도시한 도면.
도 5는 각 냉각수 입구 온도, IGV의 개방도 및 효율에 있어서의 유량 변수와 압력 변수의 관계를 도시한 도면.
도 6은 계획 COP 추정식을 사용하여 산출한 계획 COP와, 실기에 있어서 실제로 측정한 계획 COP를 비교하여 도시한 도면.
도 7은 제어반에 있어서 행해지는 계획 COP의 추정 처리 수순을 도시한 흐름도.
도 8은 계획 COP와 실측 COP의 표시 예를 도시한 도면.
이하에, 본 발명의 일 실시 형태에 관한 터보 냉동기의 성능 평가 장치에 대해, 도면을 참조하여 설명한다.
우선, 터보 냉동기의 성능 평가 장치가 적용되는 터보 냉동기의 구성에 대해서, 도 1 및 도 2를 사용하여 간단하게 설명한다. 도 1은, 본 실시 형태에 관한 터보 냉동기를 구비하는 열원 시스템의 개략 구성을 도시한 도면이다. 열원 시스템(1)은, 예를 들어, 빌딩이나 공장 설비에 설치되고 있고, 공조기나 팬 코일 등의 외부 부하(3)에 공급하는 냉수(열매)에 대하여 냉열을 부여하는 3대의 터보 냉동기(11, 12, 13)를 구비하고 있다. 이들 터보 냉동기(11, 12, 13)는, 외부 부하(3)에 대하여 병렬로 설치되어 있다.
냉수 흐름으로부터 본 각 터보 냉동기(11, 12, 13)의 상류측에는 각각 냉수를 압송하는 냉수 펌프(21, 22, 23)가 설치되어 있다. 이들 냉수 펌프(21, 22, 23)에 의해 리턴 헤더(32)로부터의 냉수가 각 터보 냉동기(11, 12, 13)로 보내진다. 각 냉수 펌프(21, 22, 23)는 인버터 모터에 의해 구동되도록 되어 있어, 이에 의해, 회전수를 가변으로 함으로써 가변 유량 제어된다.
서플라이 헤더(31)에는 각 터보 냉동기(11, 12, 13)를 경유한 냉수가 모아지도록 되어 있다. 서플라이 헤더(31)에 모아진 냉수는 외부 부하(3)로 공급된다. 외부 부하(3)에서 공조 등에 제공되어 승온된 냉수는, 리턴 헤더(32)에 보내진다. 냉수는 리턴 헤더(32)에 있어서 분기되어, 상술한 바와 같이, 각 터보 냉동기(11, 12, 13)에 보내진다.
도 2에는, 터보 냉동기(11)의 상세 구성이 도시되어 있다. 터보 냉동기(11, 12, 13)의 구성은 동일하므로, 여기에서는, 터보 냉동기(11)를 대표예로서 설명한다.
터보 냉동기(11)는, 2단 압축 2단 팽창 서브쿨 사이클을 실현하는 구성으로 되어 있다. 구체적으로는, 터보 냉동기(11)는, 냉매를 압축하는 터보 압축기(60)와, 터보 압축기(60)에 의해 압축된 고온 고압의 가스 냉매를 응축하는 응축기(62)와, 응축기(62)에서 응축된 액 냉매에 대하여 과냉각을 부여하는 서브 쿨러(63)와, 서브 쿨러(63)로부터의 액냉매를 팽창시키는 고압 팽창 밸브(64)와, 고압 팽창 밸브(64)에 접속되는 동시에 터보 압축기(60)의 중간 단 및 저압 팽창 밸브(65)에 접속되는 중간 냉각기(67)와, 저압 팽창 밸브(65)에 의해 팽창시켜진 액냉매를 증발시키는 증발기(66)를 구비하고 있다.
터보 압축기(60)는 원심식의 2단 압축기이며, 회전수가 일정하게 구동하는 고정속기이다. 터보 압축기(60)의 냉매 흡입구에는 흡입 냉매 유량을 제어하는 인렛 가이드 베인(이하 「IGV」라고 함.)(76)이 설치되어 있고, 터보 냉동기(11)의 용량 제어가 가능하게 되어 있다.
응축기(62)에는 응축 냉매 압력을 계측하기 위한 응축 냉매 압력 센서(PC)가 설치되어 있다.
서브 쿨러(63)는 응축기(62)의 냉매 흐름 하류측에 응축된 냉매에 대하여 과냉각을 부여하도록 설치되어 있다. 서브 쿨러(63)의 냉매 흐름 하류측 직후에는 과냉각 후의 냉매 온도를 계측하는 온도 센서(Ts)가 설치되어 있다.
응축기(62) 및 서브 쿨러(63)에는 이들을 냉각하기 위한 냉각 전열면(80)이 설치되어 있다. 냉각수 유량은 유량계(F2)에 의해, 냉각수 출구 온도는 온도 센서(Tcout)에 의해, 냉각수 입구 온도는 온도 센서(Tcin)에 의해 계측되도록 되어 있다. 냉각수는 도시하지 않은 냉각탑에 있어서 외부로 배열(排熱)된 후에, 다시 서브 쿨러(63) 및 응축기(62)로 유도되도록 되어 있다.
중간 냉각기(67)에는 중간 압력을 계측하기 위한 압력 센서(PM)가 설치되어 있다.
증발기(66)에는 증발 압력을 계측하기 위한 압력 센서(PE)가 설치되어 있다. 증발기(66)에 있어서 흡열됨으로써 정격 온도(예를 들어 7℃)의 냉수가 얻어진다. 증발기에는 외부 부하로 공급되는 냉수를 냉각하기 위한 냉수 전열면(82)이 설치되어 있다. 냉수 유량은 유량계(F1)에 의해, 냉수 출구 온도는 온도 센서(Tout)에 의해, 냉수 입구 온도는 Tin에 의해 계측되도록 되어 있다.
응축기(62)의 기상부와 증발기(66)의 기상부 사이에는 핫 가스 바이패스 관(79)이 설치되어 있다. 그리고, 핫 가스 바이패스 관(79) 내를 흐르는 냉매의 유량을 제어하기 위한 핫 가스 바이패스 밸브(78)가 설치되어 있다. 핫 가스 바이패스 밸브(78)에 의해 핫 가스 바이패스 유량을 조정함으로써, IGV(76)에서는 제어가 충분하지 않은 매우 작은 영역의 용량 제어가 가능하게 되어 있다.
도 2에 있어서, 압력 센서(PC) 등의 각종 센서에 의해 계측된 계측치는 제어반(74)으로 송신된다. 또한, 제어반(74)은 IGV(76) 및 핫 가스 바이패스 밸브(78)의 밸브 개방도의 제어를 행한다.
도 2에 도시한 터보 냉동기(11)에서는 응축기(62) 및 서브 쿨러(63)를 설치하여 냉각탑에 있어서 외부로 배열된 냉각수와 냉매의 사이에서 열교환을 행하고, 냉각수를 따뜻하게 할 경우에 대해 서술했지만, 예를 들어, 응축기(62) 및 서브 쿨러(63) 대신에 공기 열교환기를 배치하고, 공기 열교환기에 있어서 외기와 냉매의 사이에서 열교환을 행하는 것 같은 구성으로 해도 좋다. 또한, 터보 냉동기(11, 12, 13)는 상술한 냉방 기능만을 갖는 경우로 한정되지 않고, 예를 들어, 난방 기능만, 혹은, 냉방 기능 및 난방 기능의 양쪽을 갖고 있는 것이어도 좋다. 또한, 냉매와 열교환되는 매체는 물이라도 공기라도 좋다.
다음에, 상술한 터보 냉동기(11)가 구비하는 제어반(74)에 있어서 행해지는 터보 냉동기의 성능 평가 중, 특히, 계획 COP의 산출 방법에 대하여 도면을 참조하여 설명한다.
제어반(74)은, 예를 들어, 도시하지 않은 CPU(중앙 연산 장치), RAM(Random Access Memory) 및 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체 등으로 구성되어 있다. 후술의 각종 기능을 실현하기 위한 일련의 처리 과정은, 예를 들어, 프로그램의 형식으로 기록 매체 등에 기록되어 있고, 이 프로그램을 CPU가 RAM 등으로 읽어내어, 정보의 가공ㆍ연산 처리를 실행함으로써, 후술의 각종 기능이 실현된다.
도 3은, 제어반(74)이 구비하는 기능을 전개하여 도시한 기능 블록도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 제어반(74)은 데이터 취득부(101), 기억부(102), 연산부(103)를 구비하고 있다.
데이터 취득부(101)는 터보 냉동기(11)의 운전 데이터를 입력 데이터로 하여 취득한다. 운전 데이터로서는, 예를 들어, 온도 센서(Tcin)에 의해 계측된 냉각수 입구 온도, 온도 센서(Tout)에 의해 계측된 냉수 출구 온도, 온도 센서(Tin)에 의해 계측된 냉수 입구 온도, 현재의 부하율 등을 들 수 있다.
기억부(102)에는 계획 COP를 산출하기 위한 각종 연산식이 저장되어 있다. 여기서, 계획 COP라 함은, 각 운전점에 있어서 터보 냉동기가 성능상 낼 수 있는 최대 COP의 값이다.
이하, 이 계획 COP의 추정에 사용되는 각종 연산식에 대해 설명한다.
우선, 계획 COP는 실기와 동일한 냉동 사이클에 있어서 기계 손실 등을 없음으로 한 이상적인 환경 하에서 계산된 COP(이하, 「실기 이상 COP」라고 함.)에, 실제의 환경 하에서 발생하는 손실을 고려함으로써 구할 수 있다.
본 실시 형태에서는 실기 이상 COP의 특성이 역 카르노 사이클에 있어서의 COP 특성과 거의 동일한 특성을 갖고 있는 점에 착안하여, 실기 이상 COP의 산정식으로서 역 카르노 사이클에 있어서의 COP 특성의 산정식을 채용하고, 또한 이 산정식에 대하여 각종 손실에 상당하는 보정을 부여함으로써 계획 COP를 추정하는 것으로 하였다.
이와 같이, 실기 이상 COP의 산정식으로서 역 카르노 사이클에 있어서의 COP 특성의 산정식을 채용함으로써, 매우 간이한 수식에 의해 실기 이상 COP를 표현하는 것이 가능해진다.
계획 COP는 이하의 수학식 1로 부여된다.
Figure 112011001203787-pat00001
Figure 112011001203787-pat00002
상기 수학식 1에 있어서, COPct는 계획 COP, COPcarnot은 실기 이상 COP이며, Cf는 각종 손실에 상당하는 보정치이다.
또한, 실기 이상 COP는 수학식 2로 나타내어지고, 수학식 2에 있어서, TLO는 냉수 출구 온도, THO는 냉각수 출구 온도, Td는 보정치이다. 통상, 역 카르노 사이클에서는 그 산정에 증발 온도, 응축 온도를 사용하는 바, 상기 수학식 2에서는 이들 대신에 비교적 용이하게 계측할 수 있는 냉수 출구 온도(TLO), 냉각수 출구 온도(THO)를 사용하고 있다. 따라서, 열교환기에 있어서의 열손실에 상당하는 오차를 해소하기 위해 보정치(Td)가 부가되어 있다. 여기에서의 보정치(Td)는 소정의 상수이다.
또한, 본 실시 형태에 있어서, 상기 냉각수 출구 온도(THO)는 냉각수 입구 온도(THI)와 부하율(K)을 이하의 수학식 3에 사용함으로써, 연산에 의해 구하는 것으로 하고 있다.
Figure 112011001203787-pat00003
수학식 3에 있어서, THOSP는 정격 사양 조건의 냉각수 출구 온도의 설정치, THISP는 정격 사양 조건의 냉각수 입구 온도의 설정치, K는 냉동기의 부하율, Frct는 정격 사양 조건의 냉각수 유량의 설정치에 대한 현재의 냉각수 유량의 비, THI는 냉각수 입구 온도이다.
다음에, 상기 보정치(Cf)에 대해 설명한다. 보정치는 실기에 있어서의 COP 특성의 데이터, 즉, 각종 손실을 받은 실기의 COP 특성(이하, 「실기 COP 특성」이라고 함.)을 실제로 구하고, 이 실기 COP 특성과 상기 수학식 2를 사용하여 산출되는 실기 이상 COP 특성을 비교함으로써 구하는 것이 가능하다.
따라서, 실제로 실기에 있어서 각 냉각수 입구 온도, 부하율에 있어서의 운전 데이터를 취득하고, 이 운전 데이터로부터 실기 COP를 산출하고, 이 실기 COP를 사용하여 도 4에 도시하는 것 같은 그래프를 작성하였다. 도 4에 있어서, 횡축은 터보 냉동기의 부하율[％]을 도시하고, 종축은 실기 이상 COP를 실기 COP로 제산한 값, 환언하면, 보정치(Cf)를 도시하고 있다. 여기에서 사용된 실기 이상 COP는 실기와 동일한 냉동 사이클, 냉매 물성을 전제로 한 것이다.
도 4로부터 알 수 있는 바와 같이, 냉각수 입구 온도에 의해 부하율에 대한 보정치의 특성이 다르다. 따라서, 계획 COP를 산출하는 하나의 방법으로서는, 각 냉각수 입구 온도에 있어서의 부하율과 보정치의 관계를 기억해 두고, 이들의 관계 중에서 현재 운전점의 냉각수 입구 온도, 부하율에 대응하는 보정치를 취득하고, 취득한 보정치를 상기 수학식 1에 대입하는 것이 생각된다. 그러나, 이 방법에서는, 냉각수 입구 온도마다 각각 부하율과 보정치의 관계를 기억해 두어야만 해, 데이터량이 증가하여, 처리가 번잡해진다.
여기에서, 도 4에 도시된 각 냉각수 입구 온도에 대한 부하율과 보정치의 관계에 착안하면, 어느 쪽의 곡선도 거의 동일 커브를 그리고 있다. 즉, 하나의 곡선을 y축 방향으로 시프트 시키면, 각각의 냉각수 입구 온도에 있어서의 부하율과 보정치의 관계가 나타내어지는 것으로 된다.
본 실시 형태에서는, 상기 특징에 착안하여, 도 4에 도시한 각 냉각수 입구 온도에 있어서의 복수의 특성 곡선으로부터 1개의 보정 곡선을 도출하여, 이 보정 곡선을 나타내는 다항식(이하 「제1 연산식」이라고 함.)을 사용하여 현재의 부하율에 대응하는 보정치를 구하는 것으로 하고, 또한, 냉각수 입구 온도가 다른 것에 의한 y축 방향에 있어서의 시프트분에 대해서는, 한층더 연산식의 간략화를 도모하기 위해, 상기 수학식 2로 나타내어지는 실기 이상 COP의 산정식에 포함되는 보정치(Td)에 편입하는 것으로 하였다.
수학식 4는 보정치(Cf1)을 산정하기 위한 제1 연산식[이하, 수학식 4로 나타내어지는 보정치(Cf)를 「제1 보정치」라고 함.]을 나타내고 있다. 수학식 5는 냉각수 입구 온도가 다른 것에 수반되는 제1 보정치(Cf1)의 오프셋량을, 상술한 보정치(Td)에 편입한 보정치(Td')(이하, 이 보정치를 「제2 보정치」라고 함.)를 산출하기 위한 제2 연산식을 나타내고 있다.
Figure 112011001203787-pat00004
Figure 112011001203787-pat00005
수학식 4에 있어서, 제1 연산식 f1(K)은 도 4에 도시한 보정 곡선을 나타내는 다항식으로 부여된다. 환언하면, 제1 보정치(Cf1)는 부하율(K)을 변수로 하는 다항식에 의해 구해진다.
수학식 5에 있어서, a, b는 상수이다. 수학식 5에 도시한 바와 같이, 제2 보정치(Td')는 냉각수 출구 온도(THO)와 냉수 출구 온도(TLO)의 차분을 변수로 한 1차 함수로 부여된다.
이하, 이 제2 보정치(Td')에 대해 설명한다.
고정속기의 경우, 가변속기와 같이 압축기 회전수 제어로 운전 상태의 변화에 추종할 수 없기 때문에, 용량 제어는 IGV의 베인 제어 등으로 행해지는 것으로 되고, 기기 손실은 거의 IGV의 베인 개방도에 의존한다.
도 5에, 각 냉각수 입구 온도, IGV의 개방도 및 효율에 있어서의 유량 변수와 압력 변수의 관계를 도시한다. 도 5에 있어서, 횡축은 유량 변수, 종축은 압력 변수를 도시하고, 각 냉각수 입구 온도에 있어서의 특성은 실선으로, IGV의 각 개방도에 있어서의 특성은 파선으로, 각 효율에 있어서의 관계는 일점 쇄선으로 도시되어 있다. 냉동 능력은 유량 변수에 비례한다. 압력 변수는 증발기(66)와 응축기(62)의 압력차를 의미하고, 냉각수 출구 온도(THO)와 냉수 출구 온도(TLO)의 차분에 상당한다.
도 5에 있어서, 각 냉각수 입구 온도에 있어서의 유량 변수와 압력 변수의 관계는 모두 거의 동일한 기울기를 도시하고 있고, 또한, 동일한 IGV 개방도에 있어서 냉각수 입구 온도가 변화되는 것에 의한 압력 변수의 변화량은 일정하다. 따라서, 압력 변수, 환언하면, 냉각수 출구 온도(THO)와 냉수 출구 온도(TLO)의 차분에 비례하는 제2 보정치를 사용하면, 도 4에 도시한 보정 곡선의 y축 방향에 있어서의 시프트량을 조정할 수 있고, 냉각수 입구 온도가 다른 것에 의한 손실의 변화량을 능숙하게 표현하는 것이 가능해진다.
이상의 것으로부터 최종적으로 계획 COP 추정식은 이하의 수학식 6으로 부여된다.
Figure 112011001203787-pat00006
또한, 본 실시 형태에서는, 계획 COP를 간이하게 산출하기 위해 계획 COP 추정식에 있어서 본래이면 실기 이상 COP를 채용해야만 하는 바, 이것 대신에 역 카르노 사이클로부터 산정되는 COP를 채용하고 있다. 이로 인해, 근소하지만, 오차가 발생한다. 이러한 오차를 해소하기 위해, 이하의 수학식 7로 나타낸 바와 같이, 상기 수학식 6의 계획 COP 추정식을 사용하여 축차 산출되는 계획 COP를 보정한다.
Figure 112011001203787-pat00007
상기 수학식7에 있어서, COPct'는 보정 후의 계획 COP, COPct는 수학식 6을 사용하여 축차 추정되는 계획 COP, COPrp는 소정의 프로그램에 의해 미리 구해진 정격 사양 조건의 설계점에 있어서의 보다 정확한 계획 COP의 값, COPdp는 상기 수학식 6을 사용하여 산출된 정격 사양 조건의 설계점에 있어서의 계획 COP이다. 이와 같이, 수학식 6의 계획 COP 추정식을 사용하여 축차 산출되는 계획 COP에 대하여, 미리 소정의 프로그램에서 구한 정격 사양 조건의 설계점에 있어서의 계획 COP를 수학식 6을 사용하여 산출된 정격 사양 조건의 설계점의 계획 COP로 제산한 값(COPrp／COPdp)을 보정치로 하여 곱함으로써, 더 높은 정밀도로 계획 COP를 추정하는 것이 가능해진다.
도 6은, 상기 수학식 6을 사용하여 산출된 계획 COP를 수학식 7을 사용하여 보정한 계획 COP(이하 「연산 계획 COP」라고 함.)와, 실기에 있어서 실제로 측정한 계획 COP(이하 「실측 계획 COP」라고 함.)를 비교하여 도시한 도면이다. 도 6에 있어서, 실선은 연산 계획 COP, 점선은 실측 계획 COP를 도시하고 있다. 도 6에 도시한 바와 같이, 각 냉각수 입구 온도에 있어서의 연산 계획 COP과 실측 계획 COP의 특성은 거의 같아서, 재현성을 확인할 수 있었다.
이상의 경위로부터, 역 카르노 사이클의 COP 특성을 사용하여 나타내어진 실기 이상 COP의 산정식에 대하여, 실제의 환경 하에서 발생하는 손실에 상당하는 제1 보정치(Cf1) 및 제2 보정치(Td')를 부여한 계획 COP 추정식을 사용함으로써, 각 운전점에 있어서의 계획 COP를 충분한 정밀도로 구하는 것이 가능한 것을 알 수 있었다.
다음에, 터보 냉동기(11)의 운전 중에 있어서의 제어반(74)의 처리에 대해서 도 7을 참조하여 설명한다.
우선, 기억부(102)에는, 계획 COP를 산출하는데 필요하게 되는 정보, 예를 들어 상기 수학식 3 내지 수학식 6, 이들의 연산식에서 사용되는 각종 파라미터를 연산하기 위한 부수적인 연산식, 정격 사양 조건의 각 설정치 등이 미리 기억되어 있다.
터보 냉동기(11)의 운전 중에 있어서, 데이터 취득부(101)는, 소정의 타이밍으로, 현재의 냉각수 입구 온도, 부하율, 냉각수 유량 등을 입력 데이터로 하여 취득하고, 이들 입력 데이터를 연산부(103)에 출력한다(도 7의 스텝 S1).
연산부(103)는 데이터 취득부(101)에 의해 입력 데이터가 취득되면 기억부(102)로부터 각종 연산식을 판독하고, 이들 연산식을 사용하여 현재의 운전점에 있어서의 계획 COP를 추정한다.
구체적으로는, 상기 수학식 4를 사용하여 제1 보정치(Cf1)을 산출하고(스텝 S2), 수학식 3을 사용하여 냉각수 출구 온도(THO)를 산출하고(스텝 S3), 스텝 S3에서 얻은 냉각수 출구 온도(THO)를 수학식 5에 사용하여 제2 보정치(Td')를 산출하고(스텝 S4), 스텝 S2에서 얻은 제1 보정치(Cf1) 및 스텝 S4에서 얻은 제2 보정치(Td')를 수학식 6에 사용하여 계획 COP를 산출하고(스텝 S5), 스텝 S5에서 산출된 계획 COP를 수학식 7을 사용하여 보정한다(스텝 S6).
또한, 상세한 설명은 생략하지만, 제어반(74)에서는, 상기 계획 COP의 연산과 병행하여, 출력 열량, 현재의 운전점에 있어서의 실측 COP(출력 열량[kW]을 소비 전력 [kW]으로 제산한 값) 등이 연산된다.
제어반(74)에 있어서 연산된 계획 COP(보정치), 실측 COP, 출력 열량 등이나 계측된 소비 전력 등은, 통신 매체를 통하여 도시하지 않은 감시 장치로 송신되어, 감시 장치가 구비하는 모니터에 표시된다(스텝 S7). 이에 의해, 사용자는 감시 장치의 모니터에 표시된 이들의 성능치를 확인함으로써, 계획 COP에 대한 실측 COP를 파악할 수 있어, 보다 효율적인 운전을 실시하는 것이 가능해진다.
이상, 설명해 온 바와 같이, 본 실시 형태에 관한 터보 냉동기의 성능 평가 장치에 따르면, 실기 이상 COP를 역 카르노 사이클에 있어서의 COP 산정식으로 표현하므로, 실기 이상 COP의 특성을 간이한 연산식으로 표현하는 것이 가능해진다. 또한, 이 역 카르노 사이클에 있어서의 COP 산정식에, 실제의 환경 하에서 발생하는 손실에 상당하는 보정치로서, 부하율을 변수로 하는 제1 연산식으로부터 구해지는 제1 보정치(Cf1)와, 냉각수 입구 온도에 따른 제1 보정치(Cf1)의 오프셋량에 상당하는 보정량을 포함하는 제2 보정치(Td')를 부여하므로, 부하율, 냉각수 입구 온도에 의존하는 실기 COP의 특성을 상기 역 카르노 사이클에 있어서의 COP 산정식에 충분히 도입할 수 있고, 각 운전점에 있어서의 계획 COP를 충분한 정밀도로 구하는 것이 가능해진다.
그리고, 계획 COP를 연산하기 위한 연산식을 간이한 연산식으로 표현할 수 있음으로써, 제어반(74)과 같은 처리 능력에 제한이 있는 장치라도 계획 COP의 축차 연산을 실현시키는 것이 가능해진다.
이와 같이, 본 실시 형태에 관한 터보 냉동기의 성능 평가 장치에 따르면, 리얼 타임으로, 또한, 충분한 정밀도로, 계획 COP를 산출할 수 있다고 하는 각별한 효과가 얻어진다.
또한, 터보 냉동기의 기기 구성 조건을 결정한 정격 사양 조건(이하 「정격 사양 조건(주)」라고 함.)과는 다른 정격 사양 조건(이하 「정격 사양 조건(종)」이라고 함.)으로 터보 냉동기를 운전하는 경우, 예를 들어, 다른 냉수 온도의 설계점으로 운전시킬 경우에는, 냉매 비체적의 변화에 의해 IGV의 베인 개방도가 변화되므로, 냉매 비체적의 보정을 행할 필요가 있다. 수학식 8은 냉매 비체적의 보정을 고려했을 때의 제1 연산식이다.
Figure 112011001203787-pat00008
Figure 112011001203787-pat00009
상기 수학식 9에 있어서, vT는 정격 사양 조건(종)의 압축기 흡입 냉매 비체적이며, vsp는 정격 사양 조건(주)의 압축기 흡입 냉매 비체적이다.
또한, 상기 수학식 8에 있어서, K'＞1의 경우는 K'＝1, K'＜0의 경우는 K'＝0으로서 계산을 행한다.
이와 같이, 냉매 비체적의 보정을 행함으로써, 설계점에 기인하는 오차를 해소할 수 있고, 제어반(74)에 탑재시키는 계획 COP의 연산식에, 보다 높은 범용성을 갖게 할 수 있다.
또한, 상기 실시 형태에 있어서, 감시 장치의 모니터로의 표시 형태는 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 계획 COP와 실측 COP를 그대로 표시시켜도 좋고, 실측 COP를 계획 COP로 제산한 값을 표시하는 것으로 해도 좋다. 또한, 도 8에 도시한 것 같은 각 냉각수 입구 온도에 있어서의 부하율과 계획 COP의 특성을 그린 그래프 상에 현재의 운전점에 있어서의 실측 COP와 계획 COP를 플롯하여 표시하는 것으로 해도 좋다.
74 : 제어반
101 : 데이터 취득부
102 : 기억부
103 : 연산부

Claims (5)

  1. 고정속의 터보 압축기를 구비하는 터보 냉동기의 성능 평가 장치이며,
    터보 냉동기의 운전 데이터를 입력 데이터로 하여 취득하는 데이터 취득 수단과,
    역 카르노 사이클의 COP 특성을 사용하여 나타내어진 실기 이상 COP의 산정식에 대하여, 실제의 환경 하에서 발생하는 손실에 상당하는 보정치를 부여한 계획 COP 추정식을 기억하는 기억 수단과,
    상기 데이터 취득 수단에 의해 취득된 운전 데이터와, 상기 기억 수단에 기억된 계획 COP 추정식을 사용하여, 현재의 운전점에 있어서의 계획 COP를 추정하는 연산 수단을 구비하고,
    상기 보정치는, 터보 냉동기의 부하율을 변수로 하는 제1 연산식으로부터 산출되는 제1 보정치와, 냉각수 출구 온도와 냉수 출구 온도의 차분을 변수로 하는 제2 연산식으로부터 산출되는 제2 보정치를 포함하고,
    상기 제2 보정치에는, 냉각수 입구 온도에 따른 상기 제1 보정치의 오프셋량이 포함되어 있는, 터보 냉동기의 성능 평가 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 계획 COP 추정식이 전제로 되어 있는 정격 사양 조건의 설계점과는 다른 정격 사양 조건의 설계점으로 터보 냉동기가 운용되는 경우에, 설계점의 차이에 의한 냉매 비체적의 변화량이 보상된 부하율을 사용하여 상기 제1 보정치를 산출하는, 터보 냉동기의 성능 평가 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제2 보정치에는, 열교환시에 발생하는 열손실을 보상하는 온도 보상이 포함되어 있는, 터보 냉동기의 성능 평가 장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 연산 수단에 의해 산출된 상기 계획 COP를 현재의 실측 COP와 함께 표시하는 표시 수단을 구비하는, 터보 냉동기의 성능 평가 장치.
  5. 제1항 또는 제2항에 기재된 터보 냉동기의 성능 평가 장치를 제어반에 탑재한, 터보 냉동기.
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