JP4690935B2 - 熱源システムおよびその制御方法 - Google Patents
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Description
また、冷却水温度の低下によって凝縮温度も低下すると、系内の最高温度が低くなり、圧縮機の摺動部を潤滑する潤滑油が過剰に冷却され、冷媒の過剰な溶け込みにより潤滑性能の低下が生じる。
一方、ターボ冷凍機のような冷媒を圧縮する圧縮機を備えた熱源機は、凝縮圧力が低いほど即ち冷却水温度が低いほど、理論上、効率は上昇する。したがって、外気温が低くなった場合であっても、上述のような冷媒流量の低下や潤滑性能の低下といった問題を回避しつつ冷却水温度を制御する技術が求められている。
すなわち、本発明にかかる熱源システムは、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から冷却水によって凝縮熱を奪い該冷媒を凝縮させる凝縮器と、を有する熱源機と、外気との間で熱交換させて前記冷却水を冷却する冷却塔と、該冷却塔から前記凝縮器へと前記冷却水を流す冷却水往管路と、前記凝縮器から前記冷却塔へと前記冷却水を流す冷却水還管路と、前記冷却塔を通過させずに前記冷却水還管路から前記冷却水往管路へと冷却水をバイパスさせる冷却水バイパス管路と、該冷却水バイパス管路を流れる冷却水の流量を調整する冷却水バイパス流量調整手段と、前記凝縮器から流出する冷却水の設定冷却水出口温度と凝縮器の排熱量および冷却水流量とから目標冷却水入口温度を算出し、該目標冷却水入口温度となるように、前記冷却水バイパス流量調整手段を制御する制御部と、を備えていることを特徴とする。
本発明では、冷却水バイパス流量調整手段を制御する際に、凝縮器から流出する冷却水の設定冷却水出口温度と凝縮器の排熱量および冷却水流量とから目標冷却水入口温度を算出し、該目標冷却水入口温度となるように制御することとした。冷却水出口温度は、凝縮器における凝縮温度すなわち凝縮圧力を反映しているので、凝縮圧力を正確に把握することができる。したがって、凝縮圧力の下限を下回らないように冷却水温度を管理することができるので、冷媒流量の低下や潤滑性能の低下を来すことなく、熱源機を高効率で運転させることができる。
本発明では、設定した冷却水出口温度と凝縮器の排熱量および冷却水流量とを用いて、目標となる冷却水入口温度を算出し、この冷却水温度を制御することとした。つまり、凝縮器の排熱量および冷却水流量を用いることにより、現在の凝縮圧力を反映させた目標冷却水入口温度を得ることができる。したがって、冷却水出口温度を用いた場合に比べて、時間遅れを少なくすることができる。
また、目標冷却水入口温度や該目標冷却水入口温度の下限値は、熱源機に設けた制御部によって演算することが好ましい。
本発明では、冷却水バイパス流量調整手段を制御する際に、凝縮器から流出する冷却水の設定冷却水出口温度と凝縮器の排熱量および冷却水流量とから目標冷却水入口温度を算出し、該目標冷却水入口温度となるように制御することとした。冷却水出口温度は、凝縮器における凝縮温度すなわち凝縮圧力を反映しているので、凝縮圧力を正確に把握することができる。したがって、凝縮圧力の下限を下回らないように冷却水温度を管理することができるので、冷媒流量の低下や潤滑性能の低下を来すことなく、熱源機を高効率で運転させることができる。また、凝縮器の排熱量および冷却水流量を用いることにより、現在の凝縮圧力を反映させた目標冷却水入口温度を得ることができる。したがって、冷却水出口温度を用いた場合に比べて、時間遅れを少なくすることができる。
[参考例]
以下、本発明の参考例について、図1を用いて説明する。
同図には、熱源システム(制御部)1の概略が示されている。
熱源システム1は、3台のターボ冷凍機(熱源機)3と、各ターボ冷凍機3のそれぞれに対応して設けられた冷却塔5と、水冷空調負荷(外部負荷)へ供給される冷水を集合する往用冷水ヘッダ8aと、水冷空調負荷から返送されてきた冷水を集合する還用冷水ヘッダ8bと、熱源システム1の全体を制御するシステム制御盤(制御部)7とを主として備えている。
凝縮器10と冷却塔5との間には、冷却水往管路16と、冷却水還管路18とが設けられている。冷却水は、冷却水往管路16を通って、冷却塔5から凝縮器10へと導かれ、冷却水還管路18を通って、凝縮器10から冷却塔5へと導かれる。冷却水往管路16には、冷却水ポンプ26が設けられており、これにより、冷却水が循環するようになっている。
第1温度センサ37および第2温度センサ39の出力(すなわち冷却塔出口温度T1及び冷却水出口温度T2)は、システム制御盤7へと送信される。
ターボ冷凍機3のターボ圧縮機(図示せず)にて圧縮された冷媒は、凝縮器10へと送られ、凝縮する。この際に放出する凝縮熱は、冷却水によって除去される。したがって、冷却水は、凝縮器10を通過することによって所定温度だけ上昇する。
凝縮器10にて凝縮した高温高圧の液冷媒は、膨張弁(図示せず)によって等エンタルピー的に絞られた後、蒸発器12へと送られる。蒸発器12では、液冷媒が蒸発する。この際に吸収する蒸発潜熱によって、蒸発器に供給された冷水が冷やされる。蒸発器12にて冷却された冷水は、冷水配管20を通り、往用冷水ヘッダ8aを介して、各水冷空調負荷へと送られる。
夏季のように外気温が高い場合は、冷却塔5にて冷却水を十分に冷却する必要があるので、バイパス管路28には冷却水を流さないようにする。すなわち、第1流量調整弁30は全閉とされ、第2流量調整弁32は全開とされる。この場合、冷却水温度は第1温度センサ37による冷却塔出口温度T1に基づいて制御される。
そこで、第1温度センサ37にて計測している冷却塔出口温度T1が所定値を下回ると、先ず、システム制御盤7の指示により、冷却塔5のファン35の台数が減らされ、及び/又は、ファン35の回転数が低下させられる。
さらに冷却塔出口温度T1が低下した場合には、第2温度センサによる冷却水出口温度T2に基づく制御に切り替えられる。この場合、冷却水出口温度T2に基づいて、第1流量調整弁30を開け、第2流量調整弁32を所定量絞る。これにより、凝縮器10から流出して冷却水還管路18を流れる冷却水の一部をバイパス管路28へと流し、冷却塔5をバイパスさせる。これにより、バイパスさせられた一部の冷却水は、冷却塔5にて冷却されずに冷却水往管路16へと戻されるので、凝縮器10へと送られる冷却水は過剰に冷却されることがない。冷却水出口温度T2が低下する程度に応じて、バイパス管路28を流れる冷却水流量が増加するように第1流量調整弁30の開度を増大させるとともに、第2流量調整弁32を絞る。
バイパス管路28を流れる冷却水量を制御する際に、凝縮器10からの冷却水出口温度T2に基づいて行うこととした。この冷却水出口温度T2は、凝縮器10における凝縮温度すなわち凝縮圧力を最も良く反映しているので、凝縮圧力を正確に把握することができる。したがって、凝縮圧力の下限を下回らないように冷却水温度を管理することができるので、ターボ冷凍機内を循環する冷媒流量の低下や潤滑性能の低下を来すことなく、ターボ冷凍機を高効率で運転することができる。
例えば、図2に示す比較例のように、凝縮器10へと流入する冷却水入口温度T3によって冷却水温度を制御する場合と比較すれば、本実施形態の効果は更に明らかとなる。すなわち、図2に示した比較例では、第3温度センサ40によって、バイパス管路28から流れ込む冷却水と合流した後の冷却水温度を計測するようになっている。これは、凝縮器10へと送り込む冷却水の温度を制御するという点では、冷却塔5を管理する設備側の設計思想としては十分に取り得る手段である。しかし、温度センサ40による冷却水温度は、凝縮器10へと流入する冷却水入口温度なので、凝縮器10における冷媒平衡圧力ないし平衡温度を反映していない。特に、冬季のような低外気温の場合には、冷媒流量の低下防止等の観点から凝縮圧力を正確に把握する必要がある。したがって、比較例として示した図2のように冷却水入口温度T3に基づいて冷却水温度を制御するのは適切ではない。
次に、本発明の第1実施形態について、図3を用いて説明する。なお、上記参考例と同様の構成については、同一の符号を付し、その説明を省略する。
本実施形態は、参考例に加えて、以下の構成を備えている。
また、マイコン制御盤(熱源機側制御部)14で演算を行い、目標冷却水入口温度と冷却水入口温度T3および冷却水出口温度T2を得て、これらを通信によりシステム制御盤7に伝達することとし、第1流量調整弁30と第2流量調整弁32をシステム制御盤7により制御してもよい。
Q=F・ρ・γ・(T2−T3)・・・・・・(1)
ここで、Fは冷却水流量、ρは冷却水の密度、γは冷却水の比熱である。
(1)式を変形すると、下式となる。
T3=T2−Q/(F・ρ・γ)・・・・・・(2)
本実施形態では、上式(2)を用いて冷却水温度を制御する点が特徴となる。
T3’=T2−(Q/(F・ρ・γ))・q/qs・・・・・・(2)’
ここで、qは現在の冷凍能力を示し、
q=f・ρ1・γ1・(ti−to)
で与えられる。上式において、tiは冷水入口温度、toは冷水出口温度、fは冷水流量、ρ1は冷水の密度、γ1は冷水の比熱を示す。
qsは制御目標としての冷凍能力を示し、
qs=f・ρ1・γ1・(ti−ts)
で与えられる。上式において、tsは目標冷水出口温度を示す。
上式(2)’を用いることにより、冷凍出力に基づく時間遅れを考慮した修正凝縮器排熱量(Q・q/qs)を用いて、さらに時間遅れを少なくすることができる。
夏季のように外気温が低下しない場合は、参考例と同様に、冷却塔5のファン35の運転台数やファン回転数を制御することによって、冷却水温度を調整する。
冬季のように外気温が所定値以下に低下し、冷却水温度が低下した場合は、上式(2)に基づき、次のように冷却水温度を制御する。
そして、この設定値T2setとなるように、上式(2)に基づいて冷却水温度が制御される。すなわち、上式(2)は、下式のように変形される。
T3*=T2set−Q/(F・ρ・γ)・・・・・・(3)
ここで、T3*は制御目標となる目標冷却水入口温度T3*である。なお、この目標冷却水入口温度T3*の下限値は、凝縮圧力、蒸発圧力、潤滑油温度およびベーン開度の少なくともいずれか一つに基づいて決定されている。これにより、目標冷却水入口温度の下限値が過剰に低下することによって、熱源システムが停止してしまうことを防止するようになっている。
T2=T3+Q/(F・ρ・γ)・・・・・・(4)
なお、冷却水流量Fは、冷却水ポンプ26のポンプ特性等から与えられる最小流量が存在するので、この最小流量を下回らないように制御する。
上記した参考例のように、冷却水出口温度T2に基づいて制御する場合には、冷却水温度制御が行われるバイパス管路28出口と、凝縮器10出口の第2温度センサ39との間に対応した保有水量が無視できないものとなる。この保有水量が大きいほど制御遅れが存在する。本実施形態では、設定冷却水出口温度T2setと凝縮器10の排熱量Qを用いて、目標冷却水入口温度T3*を算出し、現在の冷却水入口温度を制御することとした。つまり、凝縮器10の排熱量Qを用いることにより、現在の凝縮圧力を反映させた目標冷却水入口温度T3*を得ることができる。したがって、参考例のように冷却水出口温度T3のみを用いた場合に比べて、制御上の時間遅れを少なくすることができる。
3 ターボ冷凍機(熱源機)
5 冷却塔
7 システム制御盤(制御部)
10 凝縮器
14 マイコン制御盤(制御部)
16 冷却水往管路
18 冷却水還管路
26 冷却水ポンプ
28 バイパス管路
30 第1流量調整弁(冷却水バイパス流量調整手段)
32 第2流量調整弁(冷却水バイパス流量調整手段)
T2 冷却水出口温度
T3 冷却水入口温度
Claims (7)
- 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から冷却水によって凝縮熱を奪い該冷媒を凝縮させる凝縮器と、を有する熱源機と、
外気との間で熱交換させて前記冷却水を冷却する冷却塔と、
該冷却塔から前記凝縮器へと前記冷却水を流す冷却水往管路と、
前記凝縮器から前記冷却塔へと前記冷却水を流す冷却水還管路と、
前記冷却塔を通過させずに前記冷却水還管路から前記冷却水往管路へと冷却水をバイパスさせる冷却水バイパス管路と、
該冷却水バイパス管路を流れる冷却水の流量を調整する冷却水バイパス流量調整手段と、
前記凝縮器から流出する冷却水の設定冷却水出口温度と凝縮器の排熱量および冷却水流量とから目標冷却水入口温度を算出し、該目標冷却水入口温度となるように、前記冷却水バイパス流量調整手段を制御する制御部と、
を備えていることを特徴とする熱源システム。 - 前記凝縮器の排熱量は、現在の冷凍能力と、冷水出口設定温度と冷水流量から算定される目標冷凍能力とに基づいて修正された修正凝縮器排熱量とされていることを特徴とする請求項1に記載の熱源システム。
- 前記目標冷却水入口温度の下限値は、凝縮圧力、蒸発圧力、潤滑油温度およびベーン開度の少なくともいずれか一つに基づいて決定されることを特徴とする請求項1又は2に記載の熱源システム。
- 前記冷却水往管路には、可変吐出流量とされた冷却水ポンプが設けられ、
前記制御部は、前記冷却水ポンプの吐出流量を変更することにより、冷却水温度を制御す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システム。 - 前記熱源機は、複数台とされ、
前記制御部は、各熱源機に設けられていることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の熱源システム。 - 前記熱源機は、複数台とされ、
前記制御部は、各前記熱源機を統括制御するシステム制御部とされ、
各前記熱源機には、前記目標冷却水入口温度および該目標冷却水入口温度の下限値を演算する熱源機側制御部が設けられ、
該熱源機側制御部によって演算された前記目標冷却水入口温度および該目標冷却水入口温度の下限値は、通信によって前記システム制御部へと受け渡されることを特徴とする請求項3に記載の熱源システム。 - 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から冷却水によって凝縮熱を奪い該冷媒を凝縮させる凝縮器と、を有する熱源機と、
外気との間で熱交換させて前記冷却水を冷却する冷却塔と、
該冷却塔から前記凝縮器へと前記冷却水を流す冷却水往管路と、
前記凝縮器から前記冷却塔へと前記冷却水を流す冷却水還管路と、
前記冷却塔を通過させずに前記冷却水還管路から前記冷却水往管路へと冷却水をバイパスさせる冷却水バイパス管路と、
を備えた熱源システムの制御方法であって、
前記凝縮器から流出する冷却水の設定冷却水出口温度と凝縮器の排熱量および冷却水流量とから目標冷却水入口温度を算出し、該目標冷却水入口温度となるように、前記冷却水バイパス管路を流れる冷却水の流量を制御することを特徴とする熱源システムの制御方法。
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