JP2008101884A - 熱源機および熱源システムならびに熱源機の制御方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 冷水入口温度センサによって測定された冷水入口温度が設定冷水出口温度との間で所定温度差を形成する第1温度以下となった場合に、ターボ冷凍機の停止および起動を繰り返して制御する低負荷モードを有するターボ冷凍機において、冷水入口温度または冷水出口温度が第1温度よりも低い第2温度以下となった場合にターボ冷凍機を停止する停止制限モードを備えていることを特徴とする。
【選択図】 図7
Description
このように、負荷が低くなった場合にターボ冷凍機の運転が断続的になり冷水温度が変動することを嫌い、低負荷であっても連続的に運転できるターボ冷凍機が要望されている。
すなわち、本発明にかかる熱源機は、冷媒を圧縮する圧縮機と、該圧縮機によって圧縮された冷媒を凝縮させる凝縮器と、該凝縮器によって凝縮された冷媒を膨張させる膨張弁と、該膨張弁によって膨張された冷媒を蒸発させる蒸発器と、該蒸発器によって熱交換された冷水を外部負荷に対して供給する冷水往配管と、該冷水往配管を流れる冷水の冷水出口温度を測定する冷水出口温度測定手段と、前記外部負荷と熱交換を行い、前記蒸発器へと前記冷水を戻す冷水還配管と、該冷水還配管を流れる冷水の冷水入口温度を測定する冷水入口温度測定手段と、前記冷水出口温度が設定冷水出口温度となるように制御する制御部とを備え、該制御部は、前記冷水入口温度測定手段によって測定された冷水入口温度が前記設定冷水出口温度との間で所定温度差を形成する第1温度以下となった場合に、当該熱源機の停止および起動を繰り返して制御する低負荷モードを有する熱源機において、前記制御部は、前記冷水入口温度または前記冷水出口温度が前記第1温度よりも低い第2温度以下となった場合に当該熱源機を停止する停止制限モードを備えていることを特徴とする。
また、本発明では、冷水出口温度または冷水入口温度が第1温度よりも低い第2温度以下となった場合にのみ熱源機を停止する停止制限モードを設けている。この停止制限モードでは、冷水入口温度が第1温度を下回っても熱源機を停止させず、冷水入口温度または冷水出口温度が第2温度以下となった場合に初めて熱源機を停止させる。つまり、低負荷となっても熱源機が停止しにくく連続運転が可能なモードが達成される。これにより、冬季における熱源機導入時の調整運転であっても、低負荷モードによって停止してしまう負荷よりも大きな負荷を与えるためのボイラ等を別途設置する必要がなく、冬季における低負荷のままで調整運転が可能となる。
切替えは、熱源機の操作盤に物理的なスイッチを設け、このスイッチを作業者が操作することによって行うこととしても良い。また、中央制御室からの信号を受けて、遠隔操作によって切り替えることとしても良い。これらの場合、熱源機の制御盤に設けられたマイコンは、各モードの内部フラグを持ち替えるようにする。
また、本発明では、冷水出口温度または冷水入口温度が第1温度よりも低い第2温度以下となった場合にのみ熱源機を停止する停止制限モードを設けている。この停止制限モードでは、冷水入口温度が第1温度を下回っても熱源機を停止させず、冷水入口温度または冷水出口温度が第2温度以下となった場合に初めて熱源機を停止させる。つまり、低負荷となっても熱源機が停止しにくく連続運転が可能なモードが達成される。これにより、冬季における熱源機導入時の調整運転であっても、低負荷モードによって停止してしまう負荷よりも大きな負荷を与えるためのボイラ等を別途設置する必要がなく、冬季における低負荷のままで調整運転が可能となる。
図1には、本発明のターボ冷凍機(熱源機)1の概略構成が示されている。
図1に示されているように、ターボ冷凍機1は、冷媒を圧縮するターボ式の圧縮機3と、圧縮機3により圧縮された冷媒を凝縮させる凝縮器5と、凝縮器5によって凝縮された液冷媒を膨張させる膨張弁7と、膨張弁7によって膨張させられた冷媒を蒸発させる蒸発器9とを備えている。
圧縮機3の冷媒吸込口には、吸込冷媒の吸込量を調整する入口ベーン12が設けられている。この入口ベーン12の開度は、ターボ冷凍機1の制御部50によって制御される。
膨張弁7の開度は、ターボ冷凍機1の制御部50によって制御されるようになっている。
第3温度センサ42cの温度出力をTE3’ 第4温度センサ42dの温度出力をTE4’とすると、冷水出口温度TE’は、以下のように表される。
TE’=(TE1’+TE2’+TE3’+TE4’)/4
このように、複数の温度センサ42の算術平均を用いることにより、冷水出口温度TE’の精度を上げることができる。なぜなら、上述のように、蒸発器9内には多数の伝熱管37が設けられており(図2参照)、図1に示すように液冷媒の液位Lが蒸発器9内の全部を満たしておらず、また冷媒の液位Lが上下動することから、それぞれの伝熱管37内を流れた後の冷水の温度は伝熱管37の位置によって異なる。冷水は、合流した後に冷水往配管35へと流されることになるので、十分に混ざっていない状態で冷水往配管35に流れ込むことになる。したがって、冷水往配管35に流れ込んだ直後の冷水は、同一横断面において温度分布を有することになる(図4参照)。したがって、本実施形態のように複数の温度センサを用いて算術平均値を用いることが有効となる。
図5に示すように、ターボ冷凍機1が停止している場合のように蒸発器9による熱交換が行われず冷水出口温度が定常状態になったときに、各温度センサ42の指示値を取得する。そして、各温度センサの指示値と平均値TEとの差をそれぞれ算出する。例えば、第1温度センサについては、△TE1=TE1−TEといった差分を算出する。定常状態であれば同一横断面における配管内の冷水温度に分布は生じず平均値と各温度センサの指示値とは一致するはずなので、この差分△TE1が平均値TEに対する誤差といえる。したがって、この差分をターボ冷凍機1の制御部50において補正する。例えば、制御部50のマイコン盤には、温度センサの取付け状態によるドリフトを補正するオフセット値が設定可能となっているので、このオフセット値を上記差分に基づいて変更するようにする。このように、定常状態における温度センサの指示値を用いて各温度センサのオフセット値を補正することにより、冷水出口温度の精度を向上させることができる。
同図には、図1にて図示を省略したホットガスバイパス管45が示されている。ホットガスバイパス管45は、圧縮機3の吐出側と圧縮機3の吸込側との間に設けられている。ホットガスバイパス管45には、冷媒流量を調整するためのホットガスバイパス弁45aが設けられている。このホットガスバイパス弁45aによって流量が調整された高温高圧の吐出冷媒が、圧縮機3の吸込側へとバイパスされるようになっている。ホットガスバイパス弁45aの開度は、ターボ冷凍機1の制御部50によって調整される。
圧縮機3は、電動モータによって駆動され、所定周波数で回転させられる。入口ベーン12は、制御部50によって、設定温度(例えば、冷水出口温度7℃)を達成するようにその開度が調整される。
また、圧縮機3から吐出された高温高圧のガス冷媒は、その一部がホットガスバイパス管45を通りホットガスバイパス弁45aで冷媒流量が調整された後、圧縮機3へと導かれるようになっている。
凝縮器5において、冷却塔6(図1参照)から冷却水配管5a,5bを介して導かれる冷却水によって高圧のガス冷媒は略等圧に冷却され、高圧の液冷媒となる。高圧の液冷媒は、膨張弁7へと導かれ、この膨張弁7によって等エンタルピー膨張させられる。このように膨張させられた冷媒は、蒸発器9において蒸発し、伝熱管37内を流れる冷水から熱を奪う。これにより、冷水還配管34から12℃で流入した冷水は、7℃まで冷却され、冷水往配管35を介して外部負荷側に返送される。このとき、冷水出口温度および冷水入口温度は、それぞれ温度センサ40,42によって計測され、この計測値に基づいて制御部50は、入口ベーン12、膨張弁7、ホットガスバイパス弁45a等の開度を制御する。温度センサ40,42の計測値は、上述のように、算術平均され、この平均値が制御部50にて用いられる。
蒸発器9において蒸発した低圧ガス冷媒は、圧縮機3へと導かれ、再び圧縮される。
ターボ冷凍機1の制御部50には、後述する低負荷モードと停止制限モードとを切り替える物理的なスイッチが設けられている。このスイッチは、作業者によって切り替えられる。このスイッチの設定により、低負荷時であっても停止させたくない場合は停止制限モードを選択し、低負荷時に停止させたい場合は低負荷モードを選択する。なお、物理的なスイッチに代えて、ターボ冷凍機1を含むシステムを統合制御する中央制御室からの信号を受けて、遠隔操作によって切り替えることとしても良い。
ターボ冷凍機1の負荷が小さくなっていき(ステップS0)、制御部50にて低負荷モードが選択されている場合には(ステップS1における「NO」)、ステップS10へと進む。そして、ステップS12では、所定時間が経過したか否かを判定する。これにより、低負荷モードに移行した直後にターボ冷凍機1が停止してしまうことを防止する。例えば、冬季から夏季に移行する際に、停止制限モードから低負荷モードに切り替える場合、作業者は機側に設けられた参照用の温度計をみて冷水入口温度が十分に高くなったと判断して制御部50のスイッチを切り替える場合がある。このとき、機側の温度計は第1温度(後述するステップS14参照)を上回っていても、制御部50で把握している温度センサ40による温度は第1温度よりも低い場合が想定される。なぜなら、本実施形態では図1に示したように複数の温度センサを用いて高い精度で冷水入口温度を測定しているので、機側の比較的精度の低い温度計と偏差が大きくなっていることが十分に考えられるからである。このような場合には、制御部50のスイッチを切り替えた直後にターボ冷凍機1が停止してしまう。この事態を回避するために、ステップS12にて所定時間待機するようにしている。
ターボ冷凍機1の負荷が小さくなっていき(ステップS0)、制御部50にて停止制限モードが選択されている場合には(ステップS1)、制御部50は、冷却水還配管5aに設けた温度センサ(図示せず)によって得られる冷却水温度が15℃を下回っているか否かを判定する。冷却水温度15℃以上の場合には、次のステップS5には進まない。これは、冷却水温度が15℃以上の場合には、一定以上の負荷がターボ冷凍機1に要求されていると考えられるので、このような場合には停止制限モードを行わないようにする。これにより、低負荷でないにもかかわらずターボ冷凍機1が停止してしまう事態を回避する。なお、冷却水温度の閾値である15℃は、他の温度を用いてもよく、任意に変更できるものである。
冷水出口温度または冷水入口温度が第1温度よりも低い第2温度以下となった場合にのみターボ冷凍機1を停止する停止制限モードを設けたので、冷水入口温度が第1温度を下回ってもターボ冷凍機1を停止させず、冷水入口温度または冷水出口温度が第2温度以下となった場合に初めてターボ冷凍機1を停止させる制御が実現される。つまり、低負荷となってもターボ冷凍機1が停止しにくいモードが達成される。これにより、冬季におけるターボ冷凍機1の導入時の調整運転であっても、ターボ冷凍機1が低負荷モードによって停止してしまう負荷よりも大きな負荷を与えるためのボイラ等を別途設置する必要がない。したがって、冬季であっても低負荷での継続運転が可能となり、コストのかからない調整運転が可能となる。
また、負荷が小さい運転初期であっても、低負荷モードによってターボ冷凍機1の起動停止を繰り返す運転を回避することができる。
また、熱源機としては、ターボ冷凍機を例として説明したが、他の形式の熱源機でも良く、例えばスクリューチラーであっても良い。
3 圧縮機
5 凝縮器
7 膨張弁
9 蒸発器
34 冷水還配管
35 冷水往配管
40 冷水入口温度センサ
42 冷水出口温度センサ
50 制御部
Claims (9)
- 冷媒を圧縮する圧縮機と、
該圧縮機によって圧縮された冷媒を凝縮させる凝縮器と、
該凝縮器によって凝縮された冷媒を膨張させる膨張弁と、
該膨張弁によって膨張された冷媒を蒸発させる蒸発器と、
該蒸発器によって熱交換された冷水を外部負荷に対して供給する冷水往配管と、
該冷水往配管を流れる冷水の冷水出口温度を測定する冷水出口温度測定手段と、
前記外部負荷と熱交換を行い、前記蒸発器へと前記冷水を戻す冷水還配管と、
該冷水還配管を流れる冷水の冷水入口温度を測定する冷水入口温度測定手段と、
前記冷水出口温度が設定冷水出口温度となるように制御する制御部とを備え、
該制御部は、前記冷水入口温度測定手段によって測定された冷水入口温度が前記設定冷水出口温度との間で所定温度差を形成する第1温度以下となった場合に、当該熱源機の停止および起動を繰り返して制御する低負荷モードを有する熱源機において、
前記制御部は、前記冷水入口温度または前記冷水出口温度が前記第1温度よりも低い第2温度以下となった場合に当該熱源機を停止する停止制限モードを備えていることを特徴とする熱源機。 - 前記第2温度は、前記設定冷水出口温度よりも小さいことを特徴とする請求項1記載の熱源機。
- 前記第2温度は、前記外部負荷が許容する最小温度以上とされていることを特徴とする請求項1または2に記載の熱源機。
- 前記制御部は、前記低負荷モードと、前記停止制限モードとを択一的に切替可能とされていることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の熱源機。
- 前記制御部は、当該熱源機の運転中に、前記各モードを択一的に切替可能とされており、前記停止制限モードから前記低負荷モードへと切り替えた場合に、所定時間経過後に該低負荷モードを実行することを特徴とする請求項4記載の熱源機。
- 前記凝縮器を流れる冷媒から凝縮熱を奪う冷却水を供給する冷却水供給手段を備え、
前記制御部は、前記凝縮器に流れ込む前記冷却水の温度が所定値以下の場合に、前記停止制限モードが選択可能とすることを特徴とする請求項4又5に記載の熱源機。 - 前記冷水出口温度測定手段および/または前記冷水入口温度測定手段は、前記冷水往配管および/または前記冷水還配管の同一横断面における同一半径位置に周方向に異なる位置に設けられた複数の温度センサを備え、
前記制御部は、各前記温度センサの出力値の平均値を用いることを特徴とする請求項1から6のいずれかに記載の熱源機。 - 請求項1乃至7のいずれかに記載された熱源機を複数備えていることを特徴とする熱源システム。
- 冷媒を圧縮する圧縮機と、
該圧縮機によって圧縮された冷媒を凝縮させる凝縮器と、
該凝縮器によって凝縮された冷媒を膨張させる膨張弁と、
該膨張弁によって膨張された冷媒を蒸発させる蒸発器と、
該蒸発器によって熱交換された冷水を外部負荷に対して供給する冷水往配管と、
該冷水往配管を流れる冷水の冷水出口温度を測定する冷水出口温度測定手段と、
前記外部負荷と熱交換を行い、前記蒸発器へと前記冷水を戻す冷水還配管と、
該冷水還配管を流れる冷水の冷水入口温度を測定する冷水入口温度測定手段とを備え、
前記冷水出口温度が設定冷水出口温度となるように制御し、
前記冷水入口温度測定手段によって測定された冷水入口温度が前記設定冷水出口温度との間で所定温度差を形成する第1温度以下となった場合に、当該熱源機の停止および起動を繰り返して制御する低負荷モードを行う熱源機の制御方法において、
前記冷水入口温度または前記冷水出口温度が前記第1温度よりも低い第2温度以下となった場合に当該熱源機を停止する停止制限モードを行うことを特徴とする熱源機の制御方法。
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