JP2005345046A

JP2005345046A - 熱源機器の劣化診断システム

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Publication number: JP2005345046A
Application number: JP2004167899A
Authority: JP
Inventors: Tatsuro Fujii; 達郎藤居; Yoshifumi Sasao; 桂史笹尾; Masaaki Sakauchi; 正明坂内; Hiroshi Kushima; 大資久島; Shoji Suzuki; 昭二鈴木
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2004-06-07
Filing date: 2004-06-07
Publication date: 2005-12-15
Anticipated expiration: 2024-06-07
Also published as: JP4301085B2

Abstract

【課題】
熱源機器の劣化診断システムで、冷却水系の伝熱管汚れを精度よく診断するとともに、効率的な運用形態を提供する。
【解決手段】
熱源機の運転時計測データと機器データから、伝熱管の汚れ係数又は管内熱伝達率、熱通過率を算出し、経時的な傾向によって診断を行う。この中で、冷却水の流量計測値から求めた理想管内熱伝達率と実測管内熱伝達率から汚れ係数を求めることにより診断精度を向上し、さらに冷却水変流量システムにも対応可能とする。診断装置は、夫々データ収録部を設けた複数の熱源機と情報通信ネットワークを介して接続する。
【選択図】図１

Description

本発明は、凝縮器に冷却水が通水されるターボ冷凍機や吸収冷温水機などの熱源機器およびその劣化診断システムに関し、特に伝熱管の汚れによる性能の劣化を診断する熱源機器の劣化診断システムに関するものである。

従来、熱源機器の一つである吸収式冷温水機の凝縮器の異常検出を行う異常検出装置として、凝縮器の平均温度差を計算する回路と、凝縮器の熱交換量を計算する回路と、凝縮器の異常度を計算する回路と、故障判定回路とを具えた演算装置を持つものがある（例えば、特許文献１参照）。

本従来技術では、凝縮器平均温度差計算回路において、冷却水中間温度センサーから得られる冷却水中間温度すなわち凝縮器の冷却水入口温度Ｔｃｏ＿ｍｉｄと、冷却水出口温度センサーから得られる凝縮器の冷却水出口温度Ｔｃｏ＿ｏｕｔと、凝縮冷媒温度センサーから得られる凝縮冷媒温度Ｔｖ＿ｃｏｎｄから、下記の計算式によって凝縮器の平均温度差Ｔｍを算出する。

Ｔｍ＝｛（Ｔｖ_cond−Ｔｃｏ_mid）＋（Ｔｖ_cond−Ｔｃｏ_out）｝／２
また、凝縮器熱交換量計算回路では、冷却水中間温度センサーから得られる冷却水中間温度すなわち凝縮器の冷却水入口温度Ｔｃｏ＿ｍｉｄと、冷却水出口温度センサーから得られる凝縮器の冷却水出口温度Ｔｃｏ＿ｏｕｔと、冷却水流量センサーから得られる冷却水流量Ｖｃｏから、下記の計算式によって凝縮器熱交換量Ｑｃｏｎｄを算出する。

Ｑｃｏｎｄ＝Ｖｃｏ×（Ｔｃｏ＿ｏｕｔ−Ｔｃｏ＿ｍｉｄ）
また、凝縮器異常度計算回路では、凝縮器平均温度差計算回路から得られる実際の凝縮器平均温度差Ｔｍと、凝縮器熱交換量計算回路から得られる凝縮器熱交換量Ｑｃｏｎｄに基づいて、次式によって凝縮器の異常度Ａｃｏｎｄを算出する。

Ａｃｏｎｄ＝（Ｔｍ−Ｔｍｎ）／Ｔｍｎ
ここで、Ｔｍｎは正常運転時における理想的な平均温度差であり、予め凝縮器熱交換量Ｑｃｏｎｄとの関係でグラフ化され、或いはテーブル化されて、メモリに記憶されている。

さらに、凝縮器異常度計算回路から得られる凝縮器異常度は故障判定回路へ供給されて、所定の評価基準と比較される。そして、故障判定回路は該比較結果に基づいて故障の程度を判定し、その結果を表示装置へ出力する。

特許第３０５４５５４号公報

従来の熱源機器の診断システムでは、上記特許文献１に記載されるように、熱源機に設置された各センサーからの計測値から算出される異常度によって故障の程度を判定していた。この場合、異常度の基礎となっている凝縮器平均温度差は、上記特許文献１にも記載されるように凝縮器熱交換量によって変化するために、正常時の値を用いた正規化を行って異常度を算出しているが、この異常度が凝縮器熱交換量の影響を受けて、劣化の度合が同じ場合であっても凝縮器熱交換量によって異なる値となるという課題があった。

また上記従来技術では、診断用の基準値として正常運転時における理想的な平均温度差を用いているが、この基準は正常運転時の定義及び算出方法に依存するために、機器仕様、運転条件などの、劣化以外の因子の影響が大きく、取扱いが難しいという課題があった。特に、劣化の主要因である伝熱管の汚れとの対応付けの手順が複雑かつ不明確である。

さらに上記従来技術では、基準値である理想的な平均温度差が凝縮器熱交換量との関係で記憶されており、冷却水の流量を制御して省エネルギーを図る冷却水変流量システムを導入した場合は考慮されていない。この場合、冷却水の流量が減少すると、伝熱管内の冷却水流速および管内熱伝達率が低下するために正常であるにもかかわらず異常度が増加するという課題があった。

さらに上記従来技術では、熱源機器本体と異常検出装置との接続形態については触れていないが、産業的に利用、運用する際にはこの点が重要である。
本発明の目的は、上記課題を解決し、凝縮器熱交換量のや機種の違い、及び冷却水流量が変動するシステムに対応し、劣化の主要因である伝熱管の汚れに直接対応した使い勝手の良い評価指標およびその算出方法を具えた熱源機器の劣化診断システム、さらにこのシステムの、産業に利用し易い実用的な運用形態を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明に係る熱源機器の劣化診断システムでは、診断用の基礎データとして各センサーからの計測値に加えて、凝縮器の伝熱面積や冷却水の流路断面積などの機器の形状データを用いることによって、熱通過率、管内熱伝達率、汚れ係数などの劣化現象に直結した劣化診断指標を算出して診断を行い、その中で冷却水流量によって変動する管内熱伝達率も考慮したものである。また、診断を行う監視センタを情報通信ネットワークを介して複数の熱源機に接続したものとなっている。

本発明によって、実際の劣化に直接関連した物理量である凝縮器の熱通過率、管内熱伝達率、汚れ係数を用いた劣化診断が可能となり、熱源機全体の性能低下との関連付けが明確になる。例えば、伝熱管の洗浄によって汚れを取り除いた場合に性能がどの程度回復するかを容易に予測することができ、伝熱管の洗浄を含むメンテナンスの時期や内容を適確に設定し、計画的、経済的に行うことが可能となる。

さらに本発明によれば、熱源機器の凝縮器に通水される冷却水の流量が変動する場合においても、この影響を排除して伝熱管の汚れ係数を算出するので、冷却水変流量システムを導入した場合にも好適な劣化診断システムが得られる。さらには、情報通信ネットワークの利用によって複数の熱源機器を集中的に管理することによって、劣化診断システムの効率的な運用が可能となる。

本発明の一実施例を図１、図２、図３を用いて説明する。図１は本発明による熱源機器の劣化診断システムの全体図である。また、図２は本発明による劣化診断システムの熱源機器部分の計測系統を、蒸気焚吸収式冷凍機（ａ）とターボ冷凍機（ｂ）のそれぞれについて示した図である。さらに、図３は本発明による劣化診断システムの診断装置のブロック図である。

図１に示すように劣化診断システムは、各サイトに設けられた診断対象である熱源機１、熱源機２、……、熱源機ｎにそれぞれ設けられたデータ収録部１ａ、２ａ、……、ｎａと、これらのデータ収録部と接続された情報通信ネットワーク１００と、この情報通信ネットワーク１００に接続された劣化診断装置２００とによって構成する。

図２（ａ）に熱源機が蒸気焚吸収冷温水機である場合の、熱源機本体とデータ収録部との信号線の接続図を示す。吸収冷温水機は、一般的な構成要件である高温再生器３１、低温再生器３２、凝縮器３３、蒸発器３４、吸収器３５、低温熱交換器３６、高温熱交換器３７、ドレンクーラ３８などから構成されている。なお本実施例では冷却水の通水方法として、冷却水をまず吸収器３５の一部に通水し、次に凝縮器に通水した後に吸収器の残りの部分に通水する方式としている。

データ収録部１ａには、伝熱管の汚れを検出するための計測値として、凝縮器への冷却水入口温度３３ａ、凝縮器からの冷却水出口温度３３ｂ、凝縮器内の冷媒蒸気圧力３３ｃ、凝縮器および吸収器内に通水される冷却水の流量３３ｄの計測信号が入力されている。その他、熱源機全体の性能を診断するための計測値として、吸収冷温水機に供給される冷却水の温度３５ａ、吸収冷温水機から図示しない冷却塔に送られる冷却水の温度３５ｂ、蒸発器への冷水入口温度３４ａ、冷水出口温度３４ｂ、冷水流量３４ｄ、高温再生器３１に供給される熱源蒸気の入口圧力３１ａ、高温再生器からドレンクーラ３８に向かうドレン温度３１ｂ、ドレン流量３８ｄなどが入力され、記憶されている。

次に、熱源機がターボ冷凍機である場合の熱源機本体とデータ収録部との信号線の接続図を図２（ｂ）に示す。ターボ冷凍機は、圧縮機７１、凝縮器３３、蒸発器などから構成されており、データ収録部２ａが設置されている。冷却水は冷却水入口配管８２から凝縮器に供給され、冷却水出口配管８１で凝縮器から排出されている。

データ収録部２ａには、伝熱管の汚れを検出するための計測値として、凝縮器への冷却水入口温度３３ａ、凝縮器からの冷却水出口温度３３ｂ、凝縮器内の冷媒蒸気圧力３３ｃ、凝縮器に通水される冷却水流量３３ｄの計測信号が入力されている。

これらの熱源機の計測値は情報通信ネットワーク１００を介して図１に示す劣化診断装置２００に送信される。劣化診断装置２００は、演算部２１０、記憶部２５０、表示部２９０などを有しており、記憶部２５０内には熱源機仕様データベース２５１(形状データ、伝熱特性等の各種仕様データを記憶）、劣化履歴データベース２６１が記憶されている。図３は演算部２１０における演算内容を示したブロック図である。以下、熱源機１を例として演算部２１０における伝熱管汚れの劣化診断方法について詳細に説明する。

演算部２００では、熱源機１に設けられたデータ収録部１ａから情報通信ネットワーク１００を介して送信された凝縮器冷却水入口温度ＴｗＣｉ、凝縮器冷却水出口温度ＴｗＣｏ、凝縮器圧力ｐＣ、凝縮器冷却水流量ＧｗＣと、図１の記憶部２５０の熱源機仕様データベース２５１に記憶された凝縮器伝熱面積ＡＣ、凝縮熱伝達率αＣｏ、凝縮器冷却水流路断面積ＳｗＣなどの機器データ、冷媒と冷却水の物性値から、以下に示す手順で伝熱管汚れの劣化を診断する。

まず、凝縮器圧力ｐＣから、熱源機１で用いている冷媒の熱物性値の計算式数１によって冷媒凝縮温度ＴＣを計算する。

数１の関数ｆｔは冷媒の種類によって決定し、例えば水を冷媒とする吸収式冷凍機に対しては、蒸気表などに記載されている水蒸気の圧力と平衡温度との関係式を用いる。

次に、数１によって算出したＴＣと、凝縮器冷却水入口温度ＴｗＣｉ、凝縮器冷却水出口温度ＴｗＣｏから、凝縮器の平均熱交換温度差ΔＴＣを数２によって求める。

なお、次の数３によって、対数平均温度差ΔＬＴＣを求めてもよい。

次に、凝縮器冷却水入口温度ＴｗＣｉ、凝縮器冷却水出口温度ＴｗＣｏと、凝縮器冷却水流量ＧｗＣから、凝縮器交換熱量ＱＣを、次の数４によって算出する。

ここでｃｐｗＣは冷却水の比熱容量であり、一定値として記憶部２５０内の熱源機仕様データベース２５１に記憶しているものである。なお、この比熱容量は、凝縮器冷却水入口温度ＴｗＣｉ、または凝縮器冷却水出口温度ＴｗＣｏ、あるいはこれらの平均値などから、水の物性値を表す数５用いて算出してもよい。

数５は冷却水すなわち水の比熱容量を温度から求める関数である。

以上の計算手順は前記特許文献１に記載のものと共通である。本実施例では、さらに数２によって算出した凝縮器の平均熱交換温度差ΔＴＣ、数４によって算出した凝縮器交換熱量ＱＣと、熱源機仕様データベース２５１に記憶された凝縮器伝熱面積ＡＣから、凝縮器熱通過率ＫＣを、次の数６によって求める。

なお凝縮器伝熱面積ＡＣは、管群式の凝縮器を用いている場合は伝熱管の管外、管内どちらの面積を用いてもよい。本実施例では管外面積を用いるものとし、凝縮器の伝熱管群の管外総面積をＡＣｏで表す。

次に、数６で算出した凝縮器熱通過率ＫＣと、熱源機仕様データベース２５１に記憶された凝縮熱伝達率αＣｏ、凝縮器の伝熱管群の管外総面積をＡＣｉから、凝縮器管内熱伝達率αＣｉを次の数７によって求める。

次に、伝熱管の汚れ係数の計算に移る。まず、凝縮器冷却水流量ＧｗＣと、熱源機仕様データベース２５１に記憶された凝縮器冷却水流路断面積ＳｗＣから、凝縮器冷却水管内流速ｖｗＣを次の数８によって求める。

ここでρｗＣは冷却水の密度であり、一定値として記憶部２５０内に記憶しているものである。なお、この密度は、凝縮器冷却水入口温度ＴｗＣｉ、または凝縮器冷却水出口温度ＴｗＣｏ、あるいはこれらの平均値などから、水の物性値を表す数９用いて算出してもよい。

数９は冷却水すなわち水の密度を温度から求める関数である。

次に、数８で算出した凝縮器冷却水管内流速ｖｗＣと、熱源機仕様データベース２５１に記憶された凝縮器冷却水伝熱管内径ｄＣｉを用いて、凝縮器理想管内熱伝達率αＣｉｉを次の数１０によって求める。

数１０において、ＮｕｗＣは凝縮器の管内を流れる冷却水の平均ヌセルト数であり、本実施例では一般的に用いられているディタスーベルターの式によって凝縮器冷却水管内流速ｖｗＣから求める。また、λｗＣは冷却水の熱伝導率であり、冷却水の温度から物性値の式を用いて求める。

さらに、数７で算出した凝縮器管内熱伝達率αＣｉと、数１０で算出した凝縮器理想管内熱伝達率αＣｉｉから、凝縮器管内汚れ係数ｒＣｉを次の数１１によって求める。

診断装置２００の記憶部２５０には、数１０によって算出された凝縮器管内汚れ係数ｒＣｉ、数７によって算出された凝縮器管内熱伝達率αＣｉ、数６で算出された凝縮器熱通過率ＫＣが、劣化履歴データベース２６１として経時的に記憶されている。

これらの値は月単位の平均値として記憶されており、診断装置２００の表示部２９０を操作することによって数値表示あるいは図１の２９９に示すようなトレンド表示として表示される。この表示結果を用いて診断を行う。

また、トレンド表示例２９９に示したような時系列データを一次式などの関数で近似してその後の劣化の進行を予測し、その結果に基づいて伝熱管の洗浄や冷却水の水質管理などの、保守の計画を行うこともできる。

上記の記載は、数式の解法による劣化判断を述べているが、これを図３に当てはめて説明する。

先ず、計測した凝縮器圧力３３ｃを用いて数１により冷媒凝縮温度ＴＣを求める。次に、凝縮器冷却水入口温度３３ａと凝縮器冷却水出口温度３３ｂとの計測値、及び冷媒凝縮温度ＴＣを用いて数２により凝縮器熱交換温度差ΔＴＣを求める。また、凝縮器冷却水入口温度３３ａと凝縮器冷却水出口温度３３ｂ及び冷却水流量３３ｄとを用いて数４により凝縮器交換熱量ＱＣを求める。次に、凝縮器熱交換温度差ΔＴＣと凝縮器交換熱量ＱＣ及び凝縮器伝熱面積ＡＣとを用いて凝縮器熱通過率ＫＣを数６により求める。また、凝縮熱伝達率αＣ_０等と、凝縮器熱通過率ＫＣを用いて数７により、凝縮器管内熱伝達率αＣ_ｉを求める。

次に、冷却水流量３３ｄと凝縮器冷却水流路断面積ＳｗＣとから凝縮器冷却水管内流速ｖｗＣを数８により求める。この凝縮器冷却水管内流速ｖｗＣと本図には図示していない凝縮器冷却水伝熱管内径ｄＣｉとから凝縮器管内理想熱伝達率αＣｉｉを数１０により求める。次に、凝縮管内熱伝達率αＣｉと凝縮器管内理想熱伝達率αＣｉｉとを用いて数１１により凝縮器管内汚れ係数ｒＣｉを求める。そして、劣化履歴データベース２６１に凝縮器管内汚れ係数、凝縮器管内熱伝達率、凝縮器熱通過率が時系列的に記憶され、この結果が表示部に時系列的に表示される。また、凝縮器管内汚れ係数等が所定の基準値を越えているか否かを判断し（チューブ汚れ診断）、基準値を越えている場合は管内の洗浄等を行うように報知する。また、凝縮器管内汚れ係数の変化の度合いを求めて、劣化の進行を予測して、保守計画等を立案できるようにしてある。

以上説明したように本実施例においては、熱源機器の劣化の代表的要因である冷却水系統の伝熱管汚れに対して、実際の現象を直接反映し、かつ熱源機の性能劣化との関係が明らかな、凝縮器管内汚れ係数ｒＣｉ、凝縮器管内熱伝達率αＣｉを用いて診断を行うので、熱交換温度差と熱交換量から診断する従来技術と比較して、診断結果と熱源機の性能劣化との関係、伝熱管洗浄時の性能回復効果の予測が容易にかつ精度よく行うことができる。

さらに本実施例においては、診断装置２００の記憶部２５０内に熱源機仕様データベース２５１を具えているので、様々な熱源機の機種ごとに、当該機種の形状データから凝縮器熱通過率ＫＣ、凝縮器管内熱伝達率αＣｉ、凝縮器管内汚れ係数ｒＣｉを算出することができる。

さらに本実施例においては、冷却水流量３３ｄを流量計を用いて実測しているので、稼動時の冷却水流量が熱源機の定格流量と異なる場合や冷却水変流量システムを採用した場合においても、凝縮器交換熱量ＱＣと凝縮器管内流速ｖｗＣを実測値から算出して診断を行うことが可能である。

さらに本実施例においては、複数の熱源機器１、２、……ｎと診断装置２００を情報通信ネットワーク１００で接続しているので、データの管理を一元的、容易に行うことができ、熱源機仕様データベースを診断装置２００に具えることによって、熱源機の内部形状に係わる機密データの漏洩を防止することができる。

本発明による熱源機器の劣化診断システムの全体図である。本発明による劣化診断システムの熱源機器部分の計測系統図である。本発明による劣化診断システムの診断装置のブロック図である。

符号の説明

１…熱源機（蒸気焚吸収式冷凍機）、２…熱源機（ターボ冷凍機）、３、４、……、ｎ…熱源機、１ａ、２ａ、……、ｎａ…データ収録部、３１…高温再生器、３２…低温再生器、３３…凝縮器、３４…蒸発器、３５…吸収器、３６…低温熱交換器、３７…高温熱交換器、３８…ドレンクーラ、７１…圧縮機、８１…冷却水入口配管、８２…冷却水出口配管、１００…情報通信ネットワーク、２００…劣化診断装置、２１０…演算部、２５０…記憶部、２５１…熱源機仕様データベース、２６１…熱源機劣化履歴データベース、２９０…表示部、２９９…表示例、３１ａ…熱源蒸気圧力、３１ｂ…高温再生器熱源ドレン出口温度、３３ａ…凝縮器冷却水入口温度、３３ｂ…凝縮器冷却水出口温度、３３ｃ…凝縮器圧力、３３ｄ…凝縮器冷却水流量、３４ａ…蒸発器（熱源機）冷水入口温度、３４ｂ…蒸発器（熱源機）冷水出口温度、３４ｄ…冷水流量、３５ａ…熱源機冷却水入口温度、３５ｂ…熱源機冷却水出口温度、３８ｂ…ドレンクーラドレン出口温度、３８ｄ…ドレン流量。

Claims

外部から冷却水が供給される熱源機器の、伝熱管の汚れを検出する熱源機器の劣化診断システムにおいて、前記熱源機器の前記冷却水が通水される凝縮器の冷却水入口温度検出手段と、前記凝縮器の冷却水出口温度検出手段と、前記凝縮器の冷媒凝縮温度検出手段と、前記凝縮器の伝熱管内の汚れを検出する劣化診断装置とを備え、前記劣化診断装置は、前記凝縮器の形状データを記憶する記憶部と、前記各検出手段によって検出された凝縮器の冷却水入口温度、凝縮器の冷却水出口温度、冷媒凝縮温度および前記記憶部に記憶された形状データから前記凝縮器の熱通過率を算出する熱通過率計算手段と、を有することを特徴とする熱源機器の劣化診断システム。
請求項1に記載の熱源機器の劣化診断システムにおいて、前記凝縮器の冷却水流量検出手段を備え、前記劣化診断装置の前記熱通過率計算手段は、前記各検出手段によって検出された凝縮器の冷却水入口温度、凝縮器の冷却水出口温度、冷媒凝縮温度、冷却水流量および前記記憶部に記憶された形状データから前記凝縮器の熱通過率を算出することを特徴とする熱源機器の劣化診断システム。
請求項1または２に記載の熱源機器の劣化診断システムにおいて、前記劣化診断装置は、前記記億部に凝縮熱伝達率を記憶すると共に、前記熱通過率計算手段によって算出された熱通過率、前記凝縮器の形状データ、前記凝縮熱伝達率から前記凝縮器の管内熱伝達率を算出する管内熱伝達率計算手段と、前記各検出手段によって検出された凝縮器の冷却水入口温度または凝縮器の冷却水出口温度、冷却水流量、および前記記憶部に記憶された形状データから前記凝縮器の理想管内熱伝達率を算出する理想管内熱伝達率計算手段と、前記管内熱伝達率と前記理想管内熱伝達率から凝縮器の伝熱管汚れ係数を算出する伝熱管汚れ係数計算手段と、を有することを特徴とする熱源機器の劣化診断システム。
請求項１から３のいずれか１項に記載の熱源機器の劣化診断システムにおいて、前記劣化診断装置は前記熱通過率算出手段によって算出された凝縮器の熱通過率を時系列的に記憶する熱通過率記憶手段を有し、凝縮器の熱通過率、又は凝縮器の熱通過率の所定に時点における値を基準とした相対値もしくは比率、乃至は凝縮器の熱通過率に前記形状データの一部である凝縮器伝熱面積を乗じた値を表示する表示部を設けたことを特徴とする熱源機器の劣化診断システム。
請求項３に記載の熱源機器の劣化診断システムにおいて、前記劣化診断装置は前記伝熱管汚れ係数計算手段によって算出された凝縮器の伝熱管汚れ係数を時系列的に記憶する汚れ係数記憶手段を有し、凝縮器の汚れ係数、又は凝縮器の汚れ係数の所定に時点における値を基準とした相対値表示する表示部を設けたことを特徴とする熱源機器の劣化診断システム。
請求項１から５のいずれか１項に記載の熱源機器の劣化診断システムにおいて、前記熱源機器に各種データを収録するデータ収録部を設け、前記データ収録部と前記劣化診断装置とを情報通信ネットワークを介して接続したことを特徴とする熱源機器の劣化診断システム。