JP2012052733A - ターボ冷凍機の性能評価装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ターボ冷凍機の性能評価の精度向上を図ること。
【解決手段】ターボ冷凍機の運転データを入力する入力部１０１と、入力部１０１によって入力された運転データから性能評価の対象となる評価対象データを取得し、該評価対象データを予め設定されている区分条件に基づいて複数のグループに区分するデータ区分部１０２と、データ区分部１０２によって区分されたグループ毎に、評価対象データを予め設定されている所定の演算方法で平滑化して評価対象値を得る平滑化処理部１０３と、平滑化処理部１０３によって得られた評価対象値と、予め設定されている、又は、前記運転データを用いて算出された評価基準値とを用いて、グループ毎に性能評価を行う評価部１０４とを具備するターボ冷凍機の性能評価装置を提供する。
【選択図】図２

Description

本発明は、ターボ冷凍機の性能評価装置に関するものである。

従来、ビル等の冷暖房用の熱源に用いられる冷凍機の性能診断方法として、特許文献１に開示されている方法がある。特許文献１には、冷凍機の入力電力、冷房能力、冷却水入口温度、冷却水流量、及び凝縮器圧力の各データを入力し、入力された冷凍機のデータに基づいて冷凍機の冷凍特性より凝縮器圧力の推定値を算出し、推定した凝縮器圧力推定値と、入力された凝縮器圧力実測値とを比較して性能低下の有無を診断する冷凍機の性能診断装置が開示されている。

特開平４−９３５６７号公報

しかしながら、特許文献１に開示された方法では、瞬時値を用いて性能低下の有無を診断しているため、例えば、過渡期等のように運転が不安定な状態にある場合には、計測誤差の影響を受けやすく、診断の精度が低下するという問題があった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、ターボ冷凍機の性能評価の精度向上を図ることのできるターボ冷凍機の性能評価装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明は、ターボ冷凍機の運転データを入力する入力手段と、前記入力手段によって入力された運転データから性能評価の対象となる評価対象データを取得し、該評価対象データを予め設定されている運転条件に基づいて複数のグループに区分するデータ区分手段と、前記データ区分手段によって区分されたグループ毎に、前記評価対象データを予め設定されている所定の演算方法で平滑化して評価対象値を得る平滑化処理手段と、前記平滑化処理手段によって得られた評価対象値と、予め設定されている、又は、前記運転データを用いて算出された評価基準値とを用いて、前記グループ毎に性能評価を行う評価手段とを具備するターボ冷凍機の性能評価装置を提供する。

本発明によれば、入力手段から入力された運転データから性能評価データが抽出され、抽出された評価対象データが予め設定されている運転条件に基づいて複数のグループに区分される。各グループに区分された評価対象データは平滑化処理され、平滑化された評価対象値を用いてグループ毎に性能評価が行われる。このように、グループ毎に性能評価することにより、同じような傾向を示す評価対象値の集合体毎に性能評価を行うことが可能となる。また、通常、冷凍機が設置された場所によって運転頻度の高い運転条件や性能低下を起こしやすい時期等が異なる。従って、運転条件に応じて評価対象データを複数のグループに区分し、グループ毎に性能評価を行うことにより、個々の冷凍機の性能低下の傾向をより詳細に把握することができる。更に、性能評価結果を次の時期における性能評価に反映させることで、個々の冷凍機において適切な性能評価を行うことが可能となる。
また、性能評価には、評価対象データを平滑化処理した評価対象値を用いるので、負荷率が変化するといった過渡期の状況であっても、これに起因する運転データのふらつきによる性能評価精度の低下を回避することができる。
上記評価対象データは、運転データから直接的に抽出されるデータであってもよいし、運転データを所定の演算式に代入することにより、演算によって求められるデータであってもよい。評価対象データとしては、例えば、成績係数（ＣＯＰ）が挙げられる。また、評価基準値とは、例えば、評価対象データの目標値であり、評価対象データに応じて設定されるものである。例えば、評価対象データが成績係数（ＣＯＰ）であった場合には、評価基準値として、ターボ冷凍機が性能上出し得る最大ＣＯＰを意味する計画ＣＯＰが一例として挙げられる。
また、本発明において、「ターボ冷凍機」との用語には、冷水ポンプ、冷却水ポンプ、冷却塔等の補機も含まれるものとする。

上記ターボ冷凍機の性能評価装置において、前記データ区分手段は、負荷率または冷却水出口温度と冷水出口温度との差に応じて前記評価対象データを複数のグループに区分することとしてもよい。

ターボ冷凍機の評価を行う場合、同じような圧縮機の運転点で得られたデータの集合体毎に評価すると、高い評価精度が期待できる。しかしながら、圧縮機の運転点を算出するには煩雑な演算が必要であり現実的ではない。例えば、圧縮機の運転点は、流量変数と圧力変数とで表わされるが、流量変数や圧力変数の算出は容易でなく、相当な処理と時間とを要する。そこで、流量変数に関係する負荷率や、圧力変数に関係する冷却水出口温度と冷水出口温度との差を用いてグルーピングを行うことにより、同じような圧縮機の運転点下で得られたデータ同士を容易にグルーピングすることができ、評価精度の向上を図ることができる。

また、例えば、ターボ冷凍機の性能低下の現れ方の一例を図４に示す。図４において、横軸は冷凍機負荷率（％）、縦軸は凝縮温度（℃）を示しており、清浄線は凝縮器が劣化しておらずきれいな状態、管理線は凝縮器にごみ等が溜まり、メンテナンスを必要とする状態、限界線はターボ冷凍機の運転停止を要する状態での負荷率に対する凝縮温度の特性を示している。図４から、冷凍機負荷率に応じてメンテナンスを必要とする凝縮温度が異なることがわかる。また、冷凍機負荷率が小さいほど清浄線と管理線との幅が狭くなるため、冷凍機負荷率が小さいほど、凝縮温度の計測誤差が性能劣化評価に及ぼす影響が大きいことがわかる。このことから、例えば、凝縮温度の計測誤差が性能劣化評価に顕著に表れない負荷率の大きい運転条件で取得された運転データを基に性能評価を行うことにより、凝縮器の性能劣化を更に高い精度で判定することが可能となる。

上記ターボ冷凍機の性能評価装置において、前記評価基準値は、前記所定の演算方法で平滑化された値であってもよい。

このように、評価基準値においても平滑化した値を用いることにより、過渡期におけるデータのふらつきによる性能評価精度への影響を低減させることができる。

上記ターボ冷凍機の性能評価装置において、前記評価手段は、前記評価対象値と前記評価基準値との差分を積算し、この積算値を用いて性能評価を行うこととしてもよい。

上記ターボ冷凍機の性能評価装置は、前記評価手段による性能評価結果を表示する表示手段を備えていてもよい。

表示手段を備えているので、評価手段による評価結果をユーザに提供することができる。

上記ターボ冷凍機の性能評価装置は、ターボ冷凍機の制御盤に搭載されていてもよい。

例えば、ターボ冷凍機とは離れた別の場所に設置された装置において性能評価を行う場合、ターボ冷凍機において得られた運転データを通信媒体等を介してリアルタイムで該装置まで送らなければならない。これに対し、ターボ冷凍機の制御盤には、ターボ冷凍機の制御を行うために常に運転データが入力されているため、制御盤に性能評価を行う機能を搭載することにより、制御に使用する運転データを用いてターボ冷凍機の性能評価も行うことができ、上述したような煩わしいデータ通信を不要とすることができる。

本発明によれば、ターボ冷凍機の性能評価の精度を向上させることができるという効果を奏する。

ターボ冷凍機の概略構成を示した図である。 本発明の一実施形態に係るターボ冷凍機の性能評価装置を制御盤に搭載した場合において、制御盤が備える機能を展開して示した機能ブロック図である。 表示例を示した図である。 ターボ冷凍機の性能低下の現れ方の一例を示した図である。

以下に、本発明の一実施形態に係るターボ冷凍機の性能評価装置について、図面を参照して説明する。
まず、ターボ冷凍機の性能評価装置が適用されるターボ冷凍機の構成について、図１を参照して説明する。図１は、ターボ冷凍機の概略構成を示した図である。
ターボ冷凍機１１は、空調機やファンコイル等の外部負荷８６に供給する冷水に対して冷熱を与える。ターボ冷凍機１１は、冷媒を圧縮するターボ圧縮機６０と、ターボ圧縮機６０によって圧縮された高温高圧のガス冷媒を凝縮する凝縮器６２と、凝縮器６２にて凝縮された液冷媒に対して過冷却を与えるサブクーラ６３と、サブクーラ６３からの液冷媒を膨張させる高圧膨張弁６４と、高圧膨張弁６４に接続されるとともにターボ圧縮機６０の中間段および低圧膨張弁６５に接続される中間冷却器６７と、低圧膨張弁６５によって膨張させられた液冷媒を蒸発させる蒸発器６６とを備えている。

ターボ圧縮機６０は、遠心式の２段圧縮機であり、回転数一定で駆動する固定速機である。なお、図１では固定速機を例示しているが、インバータによって回転数が可変制御されるターボ圧縮機を用いることとしてもよい。ターボ圧縮機６０の冷媒吸入口には、吸入冷媒流量を制御するインレットガイドベーン（以下「ＩＧＶ」という。）７６が設けられており、ターボ冷凍機１１の容量制御が可能となっている。

凝縮器６２には、凝縮冷媒圧力を計測するための凝縮冷媒圧力センサＰＣが設けられている。サブクーラ６３は、凝縮器６２の冷媒流れ下流側に、凝縮された冷媒に対して過冷却を与えるように設けられている。サブクーラ６３の冷媒流れ下流側直後には、過冷却後の冷媒温度を計測する温度センサＴｓが設けられている。
凝縮器６２及びサブクーラ６３には、これらを冷却するための冷却水配管８０が設置されている。この冷却水配管８０は冷却塔８３に接続されており、冷却水配管８０を介して、凝縮器６２、冷却塔８３、及びサブクーラ６３の間を冷却水が循環する。循環する冷却水は、凝縮器６２において冷媒から凝縮熱(排熱）を吸熱し、冷却塔８３において放熱した後、再びサブクーラ６３へ送られる。冷却塔８３における放熱は、外気との熱交換によって行われる。このように、冷却塔８３によって、凝縮器６２において冷媒が凝縮する際に放出する排熱が除去されるようになっている。冷却水配管８０を流れる冷却水は、冷却水配管８０に設置された冷却水ポンプ８４によって圧送される。冷却水ポンプ８４は、図示しない冷却水ポンプ用インバータモータによって駆動される。これにより、回転数を可変とすることにより、冷却水ポンプ８４の吐出流量を可変に制御できるようになっている。
冷却水入口温度は、冷却水配管８０のサブクーラ６３入口近傍に設置された温度センサTcinによって計測され、冷却水出口温度は、冷却水配管８０の凝縮器６２出口近傍に設けた温度センサTcoutによって計測され、冷却水流量は、冷却水配管８０に設置された流量計Ｆ２により計測される。

中間冷却器６７には、中間圧力を計測するための圧力センサＰＭが設けられている。
蒸発器６６には、蒸発圧力を計測するための圧力センサＰＥが設けられている。蒸発器６６において吸熱されることによって定格温度（例えば７℃）の冷水が得られる。すなわち、蒸発器６６内に挿通された冷水配管８２内を流れる冷水は、冷媒に熱が奪われることにより、冷やされる。冷水配管８２を流れる冷水は、冷水配管８２に設置された冷水ポンプ８５によって圧送される。冷水ポンプ８５は、図示しない冷水ポンプ用インバータモータによって駆動される。これにより、回転数を可変とすることにより、冷水ポンプ８５の吐出流量を可変に制御できるようになっている。
冷水入口温度は冷水配管８２の蒸発器６６入口近傍に設置された温度センサTinによって計測され、冷水出口温度は、冷水配管８２の蒸発器６６出口近傍に設けた温度センサToutによって計測され、冷水流量は、冷却水配管８２に設置された流量計Ｆ１により計測される。

凝縮器６２の気相部と蒸発器６６の気相部との間には、ホットガスバイパス管７９が設けられている。そして、ホットガスバイパス管７９内を流れる冷媒の流量を制御するためのホットガスバイパス弁７８が設けられている。ホットガスバイパス弁７８によってホットガスバイパス流量を調整することにより、ＩＧＶ７６では制御が十分でない非常に小さな領域の容量制御が可能となっている。
図１において、圧力センサＰＣ等の各種センサによって計測された計測値は、制御盤７４へ送信される。また、制御盤７４は、ＩＧＶ７６及びホットガスバイパス弁７８の弁開度の制御を行う。

図１に示したターボ冷凍機１１では、凝縮器６２及びサブクーラ６３を設け、冷却塔８３において外部へと排熱した冷却水と冷媒との間で熱交換を行い、冷却水を温める場合について述べたが、例えば、凝縮器６２及びサブクーラ６３に代えて空気熱交換器を配置し、空気熱交換器において外気と冷媒との間で熱交換を行うような構成としてもよい。また、ターボ冷凍機１１は、上述した冷房機能のみを有する場合に限定されず、例えば、暖房機能のみ、或いは、冷房機能及び暖房機能の両方を有しているものであってもよい。また、冷媒と熱交換される媒体は、水でも空気でもよい。

次に、上述したターボ冷凍機１１が備える制御盤７４において行われるターボ冷凍機の性能評価について図を参照して説明する。
制御盤７４は、例えば、図示しないＣＰＵ（中央演算装置）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、及びコンピュータ読み取り可能な記録媒体等から構成されている。後述の各種機能を実現するための一連の処理の過程は、例えば、プログラムの形式で記録媒体等に記録されており、このプログラムをＣＰＵがＲＡＭ等に読み出して、情報の加工・演算処理を実行することにより、後述の各種機能が実現される。

図２は、制御盤７４が備える機能を展開して示した機能ブロック図である。図２に示されるように、制御盤７４は、入力部１０１、データ区分部１０２、平滑化処理部１０３、及び評価部１０４を備えている。

入力部１０１は、ターボ冷凍機１１の運転データが入力されるインターフェースである。運転データとしては、例えば、温度センサTcoutにより計測された冷却水出口温度、温度センサTcinにより計測された冷却水入口温度、温度センサToutにより計測された冷水出口温度、温度センサTinにより計測された冷水入口温度、流量計Ｆ１により計測された冷水流量、流量計Ｆ２により計測された冷却水流量等が挙げられる。

データ区分部１０２は、入力部１０１から入力された運転データから性能評価の対象となる評価対象データを取得し、該評価対象データを予め設定されている区分条件に基づいて複数のグループに区分する。評価対象データは、運転データから直接的に抽出されるデータであってもよいし、運転データを所定の演算式に代入することにより、演算によって求められるデータであってもよい。
具体的には、データ区分部１０２には、性能評価の対象とする評価対象データの情報及び区分条件が格納されている。例えば、評価対象データの情報として凝縮温度が、区分条件として負荷率０％以上２０％未満、２０％以上４０％未満、４０％以上６０％未満、６０％以上８０％未満、８０％以上１００％以下の５つの区分条件が設定されている。データ区分部１０２は、入力部１０１から入力された運転データの中から凝縮温度を抽出し、抽出した凝縮温度が取得されたときの負荷率に応じて該当するグループに振り分けを行う。

平滑化処理部１０３は、データ区分部１０２によって区分されたグループ毎に、評価対象データを予め設定されている所定の演算方法で平滑化して評価対象値を得る。具体的には、平滑化処理部１０３は、時系列で、所定期間内に取得された複数の評価対象データ、または、所定個数の評価対象データを一つのまとまりとして、一次遅れ、時間平均等の公知の平滑化処理を行うことにより、評価対象値Ｋｍ_i（ｉ＝１，２，３・・・）を得る。

評価部１０４は、グループ毎に、滑化処理部１０３によって算出された評価対象値Ｋｍ_iと予め設定されている評価基準値Ｋｃ_iとを用いて性能評価を行う。具体的には、評価部１０３は、以下の（１）式で与えられる演算を行い、性能評価値を得る。

Ｔ＝Σ｜Ｋｃ_ｉ−Ｋｍ_ｉ｜ （１）

上記（１）式において、Ｔは性能評価値、Ｋｃ_iは評価基準値、Ｋｍ_i評価対象値である。評価基準値Ｋｃ_iは、グループ毎に予め設定されている値でもよいし、入力部１０１から入力された運転データから演算によって求めてもよい。また、運転データから評価基準値を求める場合には、評価基準値についても、所定期間における複数の評価基準値、または、所定個数の評価基準値を上記平滑化処理部１０３における平滑化処理と同様の方法によって平滑化し、平滑化された評価基準値を用いて性能評価値を得ることとしてもよい。
また、性能評価値の積分間隔は、分、時間、日、週、月、季節、年など、評価目的により任意に設定することが可能である。例えば、制御の適切さを判定する場合には、分単位、時間単位等のように、比較的短い単位を積分時間として設定し、メンテナンスの有無を判定する場合には、日、週、月等のように比較的長い単位を積分時間として設定する。

評価部１０４により算出された性能評価値は、通信媒体を介して熱源システムの監視装置（図示略）へ送信され、監視装置が備えるモニタに表示される。これにより、ユーザは監視装置のモニタに表示された性能評価値Ｔを確認することにより、ターボ冷凍機の性能を把握することができる。

なお、表示の例としては、例えば、評価部１０４によって算出された性能評価値Ｔをそのまま表示する他、以下の方法を取ることとしてもよい。
例えば、評価部１０４または監視装置において、性能評価値Ｔが予め設定されている所定のメンテナンス閾値を超えたか否かを判定し、超えていると判定した場合に、メンテナンスを促すメッセージを表示することとしてもよい。
また、図３に示すように、メンテナンス閾値及び性能評価値の推移を時系列で見せることとしてもよい。このようにすることで、メンテナンス時期に対する現在のターボ冷凍機の状態をよりわかり易く提示することができる。更に、性能低下が起こり易い時期や運転などを示すことが可能となる。例えば、図３の表示例から、６月から９月までの夏季に比較的性能低下が大きく、１１月から２月の冬季に比較的性能低下が小さいことがわかる。
更に、性能評価値Ｔがメンテナンス閾値を超えた場合には、メンテナンスをしないで運転を継続して続けた場合に発生するコストと、運転を停止してメンテナンスを行った場合のコストとを比較して表示することとしてもよい。

以上、説明してきたように、本実施形態に係るターボ冷凍機の性能評価装置によれば、負荷率に基づいて評価対象データをグループ分けし、グループ毎に性能評価するので、同じような傾向を示す評価対象値の集合体毎に性能評価を行うことが可能となる。更に、評価対象データを平滑化処理した評価対象値を用いて性能評価を行うことにより、負荷率が変化するといった過渡期の状況であっても、これに起因する運転データのふらつきによる性能評価精度の低下を回避することができる。

上記実施形態では、評価部１０４において、評価対象値と評価基準値との差分を積算し、この積算値を用いて性能評価を行うこととしたが、これに代えて、または、これに加えて、例えば、（２）式に示されるように、積分値Ｔの変化率Ｒ_ｌを用いて性能評価を行うこととしてもよいし、また、（３）式に示すように、積分値Ｔの平均値Ｔ_ａｖｇを用いて性能評価を行うこととしてもよい。

Ｒ_ｌ＝｜Ｔ_ｌ＋１−Ｔ_ｌ｜ （２）
Ｔ_ａｖｇ＝（Σ｜Ｋｃ_ｉ−Ｋｍ_ｉ｜）／Δｔ_ｉ （３）

（３）式において、Δｔ_ｉは、所定期間において当該グループの評価対象データが検出された運転時間である。

このように、複数の評価方法を用いることで、様々な観点からターボ冷凍機を評価することが可能となる。例えば、上記（１）式の評価方法は、評価基準値と評価対象値との差分を累積しているため、ターボ冷凍機の劣化（例えば、凝縮器における汚れの堆積）がどの程度進んでいるのかを把握することができ、また、上記（２）式による評価方法では、（１）式の結果の差分を見ていることから、ターボ冷凍機の劣化の変化の度合いを把握することができる。

また、本実施形態では、グループを区分するための運転条件として負荷率を用いる場合について説明したが、例えば、冷却水出口温度と冷水出口温度との差に基づいてグループ分けを行うこととしてもよい。

また、本実施形態に係るターボ冷凍機の性能評価装置は、冷水ポンプ８５、冷却水ポンプ８４、冷却塔８３等の補機の性能評価も行うことが可能である。
例えば、冷却塔８３の性能評価を行う場合には、評価対象値として冷却水出口温度と冷却水入口温度との差を採用し、評価基準値として正常時における冷却水出口温度と冷却水入口温度との差（例えば、メンテナンス直後における冷却水出口温度と冷却水入口温度との差）を採用して評価を行う。

また、本実施形態では、ターボ冷凍機の性能評価装置の機能を制御盤７４が備えている場合について述べたが、性能評価装置は、ターボ冷凍機とは独立した装置として用いられてもよいし、複数台のターボ冷凍機を備える熱源システム全体を監視する監視装置内に組み込まれることとしてもよい。

７４ 制御盤
１０１ 入力部
１０２ データ区分部
１０３ 平滑化処理部
１０４ 評価部

Claims (6)

1. ターボ冷凍機の運転データを入力する入力手段と、
   前記入力手段によって入力された運転データから性能評価の対象となる評価対象データを取得し、該評価対象データを予め設定されている区分条件に基づいて複数のグループに区分するデータ区分手段と、
   前記データ区分手段によって区分されたグループ毎に、前記評価対象データを予め設定されている所定の演算方法で平滑化して評価対象値を得る平滑化処理手段と、
   前記平滑化処理手段によって得られた評価対象値と、予め設定されている、又は、前記運転データを用いて算出された評価基準値とを用いて、前記グループ毎に性能評価を行う評価手段と
   を具備するターボ冷凍機の性能評価装置。
2. 前記データ区分手段は、負荷率または冷却水出口温度と冷水出口温度との差に応じて前記評価対象データを複数のグループに区分する請求項１に記載のターボ冷凍機の性能評価装置。
3. 前記評価基準値は、前記所定の演算方法で平滑化された値である請求項１または請求項２に記載のターボ冷凍機の性能評価装置。
4. 前記評価手段は、前記評価対象値と前記評価基準値との差分を積算し、この積算値を用いて性能評価を行う請求項１から請求項３のいずれかに記載のターボ冷凍機の性能評価装置。
5. 前記評価手段による性能評価結果を表示する表示手段を備える請求項１から請求項４のいずれかに記載のターボ冷凍機の性能評価装置。
6. 請求項１から請求項４のいずれかに記載のターボ冷凍機の性能評価装置を制御盤に搭載したターボ冷凍機。

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