特許第6219160号(P6219160)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2022.1.31 β版

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特許6219160ターボ冷凍機の最大負荷率算出装置及びその方法並びに熱源システム及びその台数制御方法
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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6219160
(24)【登録日】2017年10月6日
(45)【発行日】2017年10月25日
(54)【発明の名称】ターボ冷凍機の最大負荷率算出装置及びその方法並びに熱源システム及びその台数制御方法
(51)【国際特許分類】
   F25B 1/053 20060101AFI20171016BHJP
【FI】
   F25B1/053 K
【請求項の数】10
【全頁数】19
(21)【出願番号】特願2013-265285(P2013-265285)
(22)【出願日】2013年12月24日
(65)【公開番号】特開2015-121352(P2015-121352A)
(43)【公開日】2015年7月2日
【審査請求日】2016年8月17日
(73)【特許権者】
【識別番号】516299338
【氏名又は名称】三菱重工サーマルシステムズ株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100112737
【弁理士】
【氏名又は名称】藤田 考晴
(74)【代理人】
【識別番号】100140914
【弁理士】
【氏名又は名称】三苫 貴織
(74)【代理人】
【識別番号】100136168
【弁理士】
【氏名又は名称】川上 美紀
(74)【代理人】
【識別番号】100172524
【弁理士】
【氏名又は名称】長田 大輔
(73)【特許権者】
【識別番号】000006666
【氏名又は名称】アズビル株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100112737
【弁理士】
【氏名又は名称】藤田 考晴
(74)【代理人】
【識別番号】100118913
【弁理士】
【氏名又は名称】上田 邦生
(72)【発明者】
【氏名】二階堂 智
(72)【発明者】
【氏名】上田 憲治
(72)【発明者】
【氏名】染谷 博行
(72)【発明者】
【氏名】関根 秀太
【審査官】 石黒 雄一
(56)【参考文献】
【文献】 特開2011−106699(JP,A)
【文献】 特開2011−106792(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
F25B 1/00− 7/00
F25B 31/00−31/02
F25B 39/00−41/06
F25B 43/00−49/04
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
可変速の圧縮機を備えるターボ冷凍機が出力し得る最大負荷率を算出するターボ冷凍機の最大負荷率算出装置であって、
前記ターボ冷凍機の冷水出口設定温度、冷却水出口温度、蒸発圧力、及び凝縮圧力を入力データとして取得するデータ取得手段と、
前記ターボ冷凍機の冷水出口設定温度、冷却水出口温度、蒸発圧力、及び凝縮圧力を変数として含むとともに、定格消費電力及び定格能力を固定パラメータとして含む最大負荷率演算式を記憶する記憶手段と、
前記データ取得手段によって取得された前記冷水出口設定温度、前記冷却水出口温度、前記蒸発圧力、及び前記凝縮圧力を前記最大負荷率演算式に用いて、現在の運転点において前記ターボ冷凍機が出力し得る最大負荷率を算出する演算手段と
を具備するターボ冷凍機の最大負荷率算出装置。
【請求項2】
前記最大負荷率演算式は、機械損失等をなしとした理想的な環境下で計算された実機理想COPに対して実際の環境下で発生する損失を補正値として与えた計画成績係数と、定格能力と、定格消費電力と、最大負荷率との間に成立する関係式を、前記最大負荷率について解くことにより導出された演算式である請求項1に記載のターボ冷凍機の最大負荷率算出装置。
【請求項3】
前記補正値は、相対負荷率を変数とした関数により算出される、前記圧縮機の機器損失に相当する補正値を含み、
前記相対負荷率は、負荷率を相対設計風量係数で除した値で表される請求項2に記載のターボ冷凍機の最大負荷率算出装置。
【請求項4】
前記補正値は、相対負荷率を変数とした関数により算出される、圧縮機の機器損失に相当する補正値を含み、
前記相対負荷率は、負荷率を相対設計風量係数で除した値に、流量変数に応じた補正項を乗じた値で表される請求項2に記載のターボ冷凍機の最大負荷率算出装置。
【請求項5】
前記補正値は、熱交換器の機器特性によって決定される損失温度に相当する補正値を含む請求項から請求項4のいずれかに記載のターボ冷凍機の最大負荷率算出装置。
【請求項6】
前記最大負荷率演算式は、オフセット項を含み、
前記オフセット項は、該最大負荷率演算式が前提としている定格仕様条件の設定点における成績係数である第1計画成績係数を、現在適用されている定格仕様条件の設定点における成績係数である第2計画成績係数で除した項である請求項1から請求項5のいずれかに記載のターボ冷凍機の最大負荷率算出装置。
【請求項7】
前記最大負荷率演算式は、計画消費電力と実測消費電力との比による補正項を含む請求項1から請求項6のいずれかに記載のターボ冷凍機の最大負荷率算出装置。
【請求項8】
複数のターボ冷凍機と、
前記ターボ冷凍機の台数制御を行う台数制御手段と
を備え、
各前記ターボ冷凍機は、請求項1から請求項7のいずれかに記載のターボ冷凍機の最大負荷率算出装置をそれぞれ備えるとともに、算出した最大負荷率を前記台数制御手段に送信し、
前記台数制御手段は、各前記ターボ冷凍機から通知される最大負荷率に基づいて台数制御を行う熱源システム。
【請求項9】
可変速の圧縮機を備えるターボ冷凍機が出力し得る最大負荷率を算出するターボ冷凍機の最大負荷率算出方法であって、
前記ターボ冷凍機の冷水出口設定温度、冷却水出口温度、蒸発圧力、及び凝縮圧力を入力データとして取得するデータ取得工程と、
前記ターボ冷凍機の冷水出口設定温度、冷却水出口温度、蒸発圧力、及び凝縮圧力を変数として含むとともに、定格消費電力及び定格能力を固定パラメータとして含む最大負荷率演算式に、前記データ取得工程において取得された前記冷水出口設定温度、前記冷却水出口温度、前記蒸発圧力、及び前記凝縮圧力を用いて、現在の運転点において前記ターボ冷凍機が出力し得る最大負荷率を算出する演算工程と
を含むターボ冷凍機の最大負荷率算出方法。
【請求項10】
複数のターボ冷凍機を備える熱源システムの台数制御方法であって、
請求項9に記載のターボ冷凍機の最大負荷率算出方法を用いて、各前記ターボ冷凍機が出力可能な最大負荷率を算出し、
各前記ターボ冷凍機について算出された前記最大負荷率に基づいて、台数制御を行う熱源システムの台数制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、ターボ冷凍機の最大負荷率算出装置及びその方法並びに熱源システム及びその台数制御方法に関するものである。
【背景技術】
【0002】
従来、ターボ冷凍機を用いた熱源システムの台数制御においては、ターボ冷凍機の定格能力に基づいて台数制御閾値を設定することが一般的に行われている。
しかしながら、冷水温度及び冷却水温度の条件によってターボ冷凍機の出力可能な能力は変動する。そこで、例えば、冷水温度及び冷却水温度に応じた能力表を予め用意し、この能力表と冷水温度及び冷却水温度とから台数制御閾値を可変に設定することが提案されている(例えば、特許文献1参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開2009−8356号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
ところで、特許文献1に開示されているような能力表を用いた従来の方法では、冷凍能力と冷水温度及び冷却水温度の関係を予めグラフ化して用意する必要がある。しかしながら、ターボ冷凍機は機器毎に仕様が異なり、これらを毎回グラフ化して用意することは時間と労力を要していた。
【0005】
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、ターボ冷凍機が通常制御に用いる一般的な情報を用いて現在の運転点における最大負荷率を逐次的に算出することのできるターボ冷凍機の最大負荷率算出装置及びその方法、並びに、この最大負荷率に基づいてターボ冷凍機の台数制御を行う熱源システム及びその台数制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明の第1態様は、可変速の圧縮機を備えるターボ冷凍機が出力し得る最大負荷率を算出するターボ冷凍機の最大負荷率算出装置であって、前記ターボ冷凍機の冷水出口設定温度、冷却水出口温度、蒸発圧力、及び凝縮圧力を入力データとして取得するデータ取得手段と、前記ターボ冷凍機の冷水出口設定温度、冷却水出口温度、蒸発圧力、及び凝縮圧力を変数として含むとともに、定格消費電力及び定格能力を固定パラメータとして含む最大負荷率演算式を記憶する記憶手段と、前記データ取得手段によって取得された前記冷水出口設定温度、前記冷却水出口温度、前記蒸発圧力、及び前記凝縮圧力を前記最大負荷率演算式に用いて、現在の運転点において前記ターボ冷凍機が出力し得る最大負荷率を算出する演算手段とを具備するターボ冷凍機の最大負荷率算出装置である。
【0007】
このような構成によれば、可変速の圧縮機を備えるターボ冷凍機において、冷水出口設定温度、冷却水出口温度、蒸発圧力、及び凝縮圧力を変数として含むとともに、定格消費電力及び定格能力を固定パラメータとして含む最大負荷率演算式を予め記憶手段に記憶しておくので、この最大負荷率演算式にデータ取得手段によって取得されたターボ冷凍機の冷水出口設定温度及び冷却水出口温度を入力データとして用いることにより、容易に最大負荷率を得ることができる。これにより、ターボ冷凍機の制御に通常利用される一般的なデータを用いて、現在の運転点に応じた最大負荷率の逐次計算を実現することが可能となる。
【0008】
上記ターボ冷凍機の最大負荷率算出装置において、前記最大負荷率演算式は、例えば、機械損失等をなしとした理想的な環境下で計算された実機理想COPに対して実際の環境下で発生する損失を補正値として与えた計画成績係数と、定格能力と、定格消費電力と、最大負荷率との間に成立する関係式を、前記最大負荷率について解くことにより導出された演算式として表される。
【0009】
上記ターボ冷凍機の最大負荷率算出装置において、前記補正値は、相対負荷率を変数とした関数により算出される、前記圧縮機の機器損失に相当する補正値を含み、前記相対負荷率は、例えば、負荷率を相対設計風量係数で除した値で表されることとしてもよい。
【0010】
これにより、最大負荷率に含まれる圧縮機の機器損失に相当する誤差を低減することが可能となる。
【0011】
上記ターボ冷凍機の最大負荷率算出装置において、前記補正値は、相対負荷率を変数とした関数により算出される、圧縮機の機器損失に相当する補正値を含み、前記相対負荷率は、例えば、負荷率を相対設計風量係数で除した値に、流量変数に応じた補正項を乗じた値で表される。
【0012】
これにより、最大負荷率に含まれる圧縮機の機器損失に相当する誤差を低減することが可能となるとともに、設計点の違いによる誤差も解消することが可能となる。
【0013】
上記ターボ冷凍機の最大負荷率算出装置において、前記補正値は、熱交換器の機器特性によって決定される損失温度に相当する補正値を含むこととしてもよい。
【0014】
これにより、熱交換器の損失温度に起因する誤差を低減させることが可能となる。
【0015】
上記ターボ冷凍機の最大負荷率算出装置において、前記最大負荷率演算式は、オフセット項を含み、前記オフセット項は、例えば、該最大負荷率演算式が前提としている定格仕様条件の設定点における成績係数である第1計画成績係数を、現在適用されている定格仕様条件の設定点における成績係数である第2計画成績係数で除した項として表される。
【0016】
これにより、定格仕様点の設計点が異なる場合であっても、定格仕様点の設計点が異なることによる誤差を低減させることが可能となる。これにより、定格仕様点の設計点が異なるターボ冷凍機にも幅広く適用することが可能となり、汎用性を高めることができる。
【0017】
上記ターボ冷凍機の最大負荷率算出装置において、前記最大負荷率演算式は、計画消費電力と実測消費電力との比による補正項を含むこととしてもよい。
【0018】
最大負荷率演算式に、計画消費電力と実測消費電力との比による補正値を含めることにより、ターボ冷凍機の性能劣化を反映した最大負荷率を算出することが可能となる。
【0019】
本発明の第2態様は、複数のターボ冷凍機と、前記ターボ冷凍機の台数制御を行う台数制御手段とを備え、各前記ターボ冷凍機は、上記のターボ冷凍機の最大負荷率算出装置をそれぞれ備えるとともに、算出した最大負荷率を前記台数制御手段に送信し、前記台数制御手段は、各前記ターボ冷凍機から通知される最大負荷率に基づいて台数制御を行う熱源システムである。
【0020】
このような構成によれば、ターボ冷凍機の台数制御に用いる閾値を、逐次的に算出される各ターボ冷凍機の最大負荷率に応じて可変にすることができる。これにより、ターボ冷凍機の能力をより一層発揮させた台数制御を実現することができる。
【0021】
本発明の第3態様は、可変速の圧縮機を備えるターボ冷凍機が出力し得る最大負荷率を算出するターボ冷凍機の最大負荷率算出方法であって、前記ターボ冷凍機の冷水出口設定温度、冷却水出口温度、蒸発圧力、及び凝縮圧力を入力データとして取得するデータ取得工程と、前記ターボ冷凍機の冷水出口設定温度、冷却水出口温度、蒸発圧力、及び凝縮圧力を変数として含むとともに、定格消費電力及び定格能力を固定パラメータとして含む最大負荷率演算式に、前記データ取得工程において取得された前記冷水出口設定温度、前記冷却水出口温度、前記蒸発圧力、及び前記凝縮圧力を用いて、現在の運転点において前記ターボ冷凍機が出力し得る最大負荷率を算出する演算工程とを含むターボ冷凍機の最大負荷率算出方法である。
【0022】
本発明の第4態様は、複数のターボ冷凍機を備える熱源システムの台数制御方法であって、上記のターボ冷凍機の最大負荷率算出方法を用いて、各前記ターボ冷凍機が出力可能な最大負荷率を算出し、各前記ターボ冷凍機について算出された前記最大負荷率に基づいて、台数制御を行う熱源システムの台数制御方法である。
【発明の効果】
【0023】
本発明によれば、ターボ冷凍機が通常制御に用いる一般的な情報を用いて現在の運転点における最大負荷率の逐次計算を実現することができ、予め能力表を作成する手間や労力を不要とすることができるという効果を奏する。
また、本発明によれば、ターボ冷凍機の台数制御における閾値をその時々のターボ冷凍機の運転状態に応じて設定することができ、ターボ冷凍機の能力を可能な限り発揮させることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【0024】
図1】本発明の第1実施形態に係る熱源システムの概略構成を示した図である。
図2図1に示した熱源システムの制御系の構成を概略的に示した図である。
図3図1に示したターボ冷凍機の概略構成を示した図である。
図4図3に示した冷凍機制御装置が備える最大負荷率算出機能を展開して示した機能ブロック図である。
図5】補正値の特性を示した図である。
図6】負荷率、冷却水入口温度、及び相対負荷率の関係を示した図である。
図7図5に示した補正値の特性において、相対負荷率が1以上の範囲における特性を近似して示した図である。
図8】本発明の第1実施形態に係るターボ冷凍機の最大負荷率算出方法の処理手順を示したフローチャートである。
図9】本発明の第1実施形態に係るターボ冷凍機の台数制御について説明するための図である。
図10】流体変数と圧力変数との関係を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【0025】
〔第1実施形態〕
以下、本発明の第1実施形態に係るターボ冷凍機の最大負荷率算出装置及びその方法並びに熱源システム及びその台数制御方法について、図を用いて説明する。
図1は、本発明の第1実施形態に係る熱源システム1の構成を概略的に示した図である。熱源システム1は、例えば、ビルや工場設備に設置されており、空調機やファンコイル等の外部負荷6に供給する冷水を冷却する3台のターボ冷凍機2a、2b、2cを備えている。ターボ冷凍機2a、2b、2cは、外部負荷6に対して並列に設置されている。ここで、図1では、3台のターボ冷凍機2a、2b、2cを備える場合について例示しているが、ターボ冷凍機の設置台数については任意に決定することができる。
【0026】
冷水流れからみた各ターボ冷凍機2a、2b、2cの上流側には、それぞれ、冷水を圧送する冷水ポンプ3a、3b、3cが設置されている。これら冷水ポンプ3a、3b、3cによって、リターンヘッダ5からの冷水が各ターボ冷凍機2a、2b、2cへと送られる。各冷水ポンプ3a、3b、3cは、インバータモータ(図示略)によって駆動されるようになっており、これにより、回転数を可変とすることで可変流量制御される。
【0027】
サプライヘッダ4には、各ターボ冷凍機2a、2b、2cを経由した冷水が集められるようになっている。サプライヘッダ4に集められた冷水は、外部負荷6に供給される。外部負荷6にて空調等に供されて昇温した冷水は、リターンヘッダ5に送られる。冷水は、リターンヘッダ5において分岐され、上述の如く、各ターボ冷凍機2a、2b、2cに送られる。
【0028】
また、サプライヘッダ5とリターンヘッダ4との間にはバイパス配管7が設けられている。バイパス配管7に設けられたバイパス弁8の開度を調整することにより、外部負荷6へ供給する冷水量を調整することができる。
なお、本実施形態においては、ターボ冷凍機2a、2b、2cは、冷水を冷却するものとして説明するが、冷水を加熱するものであってもよい。また、冷却機能と加熱機能とを兼ね備えるものであってもよい。また、冷水に代えて、ブラインなどの他の熱媒を冷却または加熱するようなシステムであってもよい。
【0029】
図2は、本実施形態に係る熱源システム1の制御系の構成を概略的に示した図である。図2に示すように、各ターボ冷凍機2a、2b、2cの制御装置である冷凍機制御装置10a、10b、10cは、上位制御装置20と通信媒体21を介して接続されており、双方向の通信が可能な構成とされている。上位制御装置20は、例えば、熱源システム1全体を制御する制御装置であり、外部負荷6の要求負荷と、各冷凍機制御装置10a、10b、10cから逐次通知される最大負荷率とに基づいて、ターボ冷凍機2a、2b、2cの台数制御を行う他、例えば、サプライヘッダ4とリターンヘッダ5との間の差圧(以下「ヘッダ差圧」という。)に基づくバイパス弁8の弁開度制御や、ポンプ3a、3b、3cの回転数制御等を行う。
【0030】
上位制御装置20及び冷凍機制御装置10a、10b、10cは、例えば、コンピュータであり、CPU(中央演算処理装置)、RAM(Ramdom Access Memory)等の主記憶装置、補助記憶装置、外部の機器と通信を行うことにより情報の授受を行う通信装置などを備えている。
補助記憶装置は、コンピュータ読取可能な記録媒体であり、例えば、磁気ディスク、光磁気ディスク、CD−ROM、DVD−ROM、半導体メモリ等である。この補助記憶装置には、各種プログラム(例えば、冷凍機制御装置であれば、最大負荷率算出プログラム、上位制御装置であれば、台数制御プログラム等)が格納されており、CPUが補助記憶装置から主記憶装置にプログラムを読み出し、実行することにより種々の処理を実現させる。
【0031】
上記上位制御装置20及び冷凍機制御装置10a、10b、10cによって実行される処理の詳細については、後述する。
【0032】
次に、ターボ冷凍機2a、2b、2cの構成について説明する。ターボ冷凍機2a、2、2cは同様の構成を有することから、以下、代表としてターボ冷凍機2aの構成について説明する。
【0033】
ターボ冷凍機2aは、冷媒を圧縮する圧縮機11と、圧縮機11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12と、凝縮器12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13と、サブクーラ13からの液冷媒を膨張させる高圧膨張弁14と、高圧膨張弁14に接続されるとともに圧縮機11の中間段および低圧膨張弁15に接続される中間冷却器16と、低圧膨張弁15によって膨張させられた液冷媒を蒸発させる蒸発器17とを備えている。
【0034】
圧縮機11は、例えば、遠心式の2段圧縮機であり、インバータ25によって回転数制御された電動モータ27によって駆動される。インバータ27は、冷凍機制御装置10aによってその出力が制御されている。圧縮機11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。)28が設けられており、ターボ冷凍機2aの容量制御が可能となっている。
【0035】
凝縮器12には、凝縮圧力Pを計測するための圧力センサ31が設けられている。圧力センサ31の出力は、冷凍機制御装置10aに送信される。
凝縮器12及びサブクーラ13には、これらを冷却するための冷却伝熱管18が挿通されている。冷却伝熱管18には、凝縮器12から出力される冷却水の温度、すなわち、冷却水出口温度THOを検出するための温度センサ32が設けられている。冷却水は、図示しない冷却塔において外部へと排熱された後に、再びサブクーラ33及び凝縮器32へと導かれるようになっている。
【0036】
蒸発器17には、蒸発圧力Pを計測するための圧力センサ33が設けられている。蒸発器17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。蒸発器17には、外部負荷6(図1参照)へ供給される冷水を冷却するための冷水伝熱管19が挿通されている。なお、ターボ冷凍機2aには、圧力センサ31、33、及び温度センサ32以外にも、ターボ冷凍機2aを運転するために必要となる各種パラメータを取得するための各種センサが設けられている。
【0037】
なお、図3に示したターボ冷凍機2aでは、凝縮器12及びサブクーラ13を設け、冷却水によって冷媒を冷却する場合について述べたが、例えば、凝縮器32及びサブクーラ33に代えて空気熱交換器を配置し、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、図3に示したターボ冷凍機2aの構成は一例であり、本発明に係るターボ冷凍機2aは、この構成に限定されない。
【0038】
冷凍機制御装置10a、10b、10cは、ターボ冷凍機2a、2b、2cが性能上出し得る最大負荷率(以下、「最大負荷率」という。)を所定のサンプリング周期で算出する機能(最大負荷率算出装置)をそれぞれ備えている。各冷凍機制御装置10a、10b、10cにおいて逐次算出される最大負荷率は、上位制御装置20へ送信される。
【0039】
以下、冷凍機制御装置10a、10b、10cにおいて行われるターボ冷凍機の最大負荷算出方法について図を参照して説明する。なお、冷凍機制御装置10a、10b、10cは同様の処理を実行することから、以下、冷凍機制御装置10aを例に挙げて説明する。
【0040】
図4は、冷凍機制御装置10aが備える最大負荷算出機能を展開して示した機能ブロック図である。図4に示されるように、冷凍機制御装置10aは、データ取得部41、記憶部42、演算部43を備えている。
【0041】
データ取得部41は、ターボ冷凍機2aの冷水出口設定温度TLO、冷却水出口温度THO、蒸発圧力P、及び凝縮圧力P等を入力データとして取得する。このうち、冷水出口設定温度TLOは、例えば、ユーザによって予め入力される値であり、後述する記憶部42に予め等六されている情報であってもよい。また、冷凍機制御装置10aが運転状態に応じて、冷水出口設定温度を変動させる機能を有する場合には、冷凍機制御装置10aによって設定されている値を取得する。冷却水出口温度THO、蒸発圧力P、及び凝縮圧力Pについては、圧力センサ31、33及び温度センサ32により検出される値を取得する。
【0042】
記憶部42には、例えば、現在の運転点においてターボ冷凍機2aが性能上出し得る最大負荷率を算出するための最大負荷率演算式や演算に必要となる各種パラメータが格納されている。
以下、最大負荷率演算式について説明する。
【0043】
まず、ターボ冷凍機2aが性能上出し得る最大負荷率をQf、現在の計画成績係数をCOPct、定格能力をQrt、定格消費電力をPrtとし、最大負荷率Qfのときに圧縮機11において定格消費電力Prtが消費されると仮定すると、成績係数=冷凍能力/消費電力の基本式から以下の(1)式が成り立つ。
【0044】
【数1】
【0045】
ここで、計画成績係数COPctとは、各運転点においてターボ冷凍機が性能上出し得る最大成績係数の値である。本実施形態において、計画成績係数COPctは、実機と同じ冷凍サイクルにおいて、機械損失等をなしとした理想的な環境下で計算された成績係数(以下、「実機理想成績係数」という。)に、実際の環境下で発生する損失を考慮することで求めることができる。
ここで、実機理想成績係数の特性は、逆カルノーサイクルにおけるCOP特性とほぼ同じ特性を有している。したがって、本実施形態では、実機理想成績係数を表す演算式として、逆カルノーサイクルにおけるCOP特性の演算式を用い、この演算式に実際の環境下で発生する損失Cfを補正値として加えることにより、計画成績係数の演算式としている。計画成績係数の演算式を(2)式に示す。
【0046】
【数2】
【0047】
(2)式において、TLOは冷水出口設定温度、THOは冷却水出口温度、Cfは主に圧縮機11による機器損失に相当する補正値であり、以下の(3)式に示すように、相対負荷率Qfを変数とした関数で表される。なお、補正値Cfの詳細については、後述する。
【0048】
Cf=f(Qf) (3)
【0049】
上記(1)式に(2)式を代入し、最大負荷率Qfについてまとめると、以下の(4)式が得られる。
【0050】
【数3】
【0051】
次に、補正値Cfについて説明する。
補正値Cfの関数に変数として含まれる相対負荷率Qfは、負荷率Qfを相対設計風量係数Qで除した値である。相対設計風量係数Qは断熱ヘッドHadより一意的に決定され、断熱ヘッドHadは熱力学特性により現在の運転条件から与えられる。
相対負荷率Qf、相対設計風量係数Q、断熱ヘッドHadは、それぞれ以下の(5)式〜(7)式で表される。
【0052】
【数4】
【0053】
(7)式において、Pは凝縮圧力[MPa]、Pは蒸発圧力[MPa]であり、上述したデータ取得部41により取得される情報である。
【0054】
上記(5)式〜(7)式から、補正値Cfは図5に示されるような特性となる。図5において、横軸は相対負荷率Qf、縦軸は補正値Cfである。上記(5)式〜(7)式からわかるように、補正値Cfは、多項式で表され複雑である。しかし、例えば、最大負荷率Qfは、常に1以上の値をとるといえ、さらに、図6に示すように、負荷率Qfが1以上の範囲では、冷却水入口温度が変化しても相対負荷率Qfは、Qf≧1の値しかとらない。したがって、補正値Cfの関数をQfが1以上の範囲に絞って近似し、低次関数(例えば、1次関数、2次関数等)として表すことにより、演算処理の負担を低減させることができる。本実施形態では、図7に示すように、補正値Cfを相対負荷率Qfの1次関数に近似した演算式を用いる。これにより、簡略化された補正値Cf´の関数は、以下の(8)式で表される。
【0055】
Cf´=a×Qf+b=a×(Qf/Q)+b (8)
【0056】
上記(8)式において、a、bは定数である。
【0057】
上記(4)式に(8)式を代入し、最大負荷率Qfについて再度整理すると、以下の(9)式が得られる。
【0058】
【数5】
【0059】
(9)式において、冷水出口設定温度TLO[℃]、冷却水出口温度THO[℃]、相対設計風量係数Qを算出するための演算式に変数として含まれる凝縮圧力P[MPa]及び蒸発圧力P[MPa]を除けば、全て定格値(Prt:定格消費電力、Qrt:定格能力)または定数となる。したがって、冷水出口設定温度TLO[℃]、冷却水出口温度THO[℃]、凝縮圧力P[MPa]、蒸発圧力P[MPa]について、現在の運転条件を入力することで、冷凍機の最大負荷率Qfを得ることができる。なお、2次式の解は、正と負の値が算出されるが、最大負荷率Qfは正の値であるため、正の値を適用する。
【0060】
以上から、(9)式で表される最大負荷率演算式及び(9)式に含まれる固定パラメータ及び定数について、記憶部42に格納しておくことで、最大負荷率Qfを逐次算出することが可能となる。
【0061】
次に、ターボ冷凍機2aの運転中において、冷凍機制御装置10aにより実行される最大負荷率Qfの算出処理について図8を参照して説明する。
まず、記憶部42には、最大負荷率Qfを算出するのに必要となる情報、例えば上記(9)式で表される最大負荷率演算式、及び最大負荷率演算式で用いられる各種固定パラメータ及び定数等が予め記憶されている。
【0062】
ターボ冷凍機2aの運転中において、データ取得部41は、所定のタイミングで、現在の冷水設定出口温度TLO、冷却水出口温度THO[℃]、凝縮圧力P[MPa]、及び蒸発圧力P[MPa]を入力データとして取得し、これら入力データを演算部43に出力する(図8のステップSA1)。
演算部43は、記憶部42から最大負荷率演算式及びこれに付随する情報を読み出し、最大負荷率演算式にデータ取得部41から入力された上記入力データを用いて、現在の運転点における最大負荷率Qfを算出する(図8のステップSA2)。
演算部43において算出された最大負荷率Qfは、上位制御装置20に送信される(図8のステップSA3)。
そして、上記ステップSA1からSA3の処理が繰り返し実行されることにより、各ターボ冷凍機2a、2b、2cにおける出力可能な最大負荷率Qfが逐次算出され、その算出結果が上位制御装置20に逐次送信されることとなる。
【0063】
このようにして、各ターボ冷凍機2a、2b、2cからそれぞれ最大負荷率Qfが上位制御装置20へ送信されると、上位制御装置20では、受信した最大負荷率Qfに基づく台数制御が行われる。
例えば、上位制御装置20は、各ターボ冷凍機2a、2b、2cの定格能力[Rt]を予め保有しており、この定格能力に最大負荷率Qfを乗じることで、各ターボ冷凍機2a、2b、2cにおけるその時点での出力可能能力[Rt]をそれぞれ算出する。そして、外部負荷6の要求負荷が、現在起動しているターボ冷凍機の出力可能能力の合計を超えているか否かを判定し、超えている場合には増段を行う。なお、増段の具体的な手法について、予め増段における優先順位を決定しておくなど、公知の技術を採用することができる。また、減段においても同様に行うことが可能である。
【0064】
このように、ターボ冷凍機の出力可能能力に基づいて台数制御を行うことにより、例えば、定格能力を超えた能力をターボ冷凍機に発揮させることが可能となる。
例えば、ターボ冷凍機2a、2b、2cの定格能力が100Rtである場合を仮定すると、通常であれば、図9に点線で示すように、要求負荷が100Rtを超えた時点で1台から2台へ増段し、更に、要求負荷が200Rtを超えた場合に2台から3台へ増段が行われる。これに対し、本実施形態に係る熱源システム1においては、例えば、図9に実線で示すように、ターボ冷凍機の出力可能能力が120Rtであった場合には、要求負荷が120Rtを超えた場合に、1台から2台へ増段が行われ、要求負荷が240Rtを超えた場合に、2台から3台へ増段が行われる。
【0065】
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最大負荷率算出装置及びその方法並びに熱源システム及びその台数制御方法によれば、冷水出口設定温度TLO、冷却水出口温度THO、蒸発圧力P、及び凝縮圧力Pを変数として含むとともに、定格消費電力Prt及び定格能力Qrtを固定パラメータとして含む最大負荷率演算式を予め記憶部42に記憶しておくので、この最大負荷率演算式に、データ取得部41によって取得された各種入力データを用いることにより、容易に最大負荷率Qfを得ることができる。これにより、冷凍機制御装置10aがターボ冷凍機2aの制御に通常利用する一般的なデータを用いて、現在の運転点に応じた最大負荷率の逐次計算を実現することが可能となる。
【0066】
また、この最大負荷率Qfに基づいて台数制御を行うことにより、台数制御の閾値をその時々の運転点に応じて変動させることが可能となる。これにより、運転点に応じた適切な閾値による台数制御を行うことができる。この結果、ターボ冷凍機の能力を可能な限り発揮させることが可能となる。
【0067】
なお、ターボ冷凍機の起動時など、過渡期においては最大負荷率Qfが大きく変動する可能性がある。したがって、システムの運転の安定化を図るために、例えば、所定期間における最大負荷率Qfの時間平均値を算出し、この平均値を閾値に基づいて台数制御を行うことが好ましい。また、時間平均値に代えて、例えば、事前に負荷が安定しているときの最大負荷率Qfを代表値として記憶させておき、過渡期においては、負荷が安定しているときの最大負荷率Qfを用いることとしてもよい。
【0068】
〔第2実施形態〕
次に、本発明の第2実施形態に係るターボ冷凍機の最大負荷率算出装置及びその方法並びに熱源システム及びその台数制御方法について説明する。
例えば、上述した最大負荷率演算式が前提としている設計点と異なる設計点(例えば、異なる冷水温度や冷却水温度)でターボ冷凍機を運転させる場合、上記(9)式を用いて最大負荷率を算出すると、設計点の違いによる誤差が生じる。
【0069】
例えば、上記(9)式で示される最大負荷率演算式が、冷水出口温度7℃、冷却水入口温度32℃を定格仕様点の設計点を前提として作成されていた場合、この最大負荷率演算式を、冷水出口温度5℃、冷却水入口温度32℃の定格仕様点の設計点で運転させるターボ冷凍機に対して適用すると、定格仕様点の設計点の違いに起因する誤差が生じる。
【0070】
したがって、本実施形態では、定格仕様点の設計点の違いによる誤差を補正するためのオフセット項を最大負荷率演算式に追加する。
オフセット項を含めた場合の最大負荷率演算式は、(10)式で表される。
【0071】
【数6】
【0072】
(10)式〜(13)式において、COPct´は、定格仕様点の設計点の違いによる誤差が反映された計画成績係数であり、(11)式で表される。(11)式において、成績係数COPctは、(12)式を用いて逐次推定される計画成績係数であり、COPdpは、(13)式を用いて逐次推定される計画成績係数である。なお、(12)式、(13)式では、第1実施形態で用いていた補正値Cfではなく、補正値Cfを採用している。なお、補正値Cfの詳細については後述する。
【0073】
COPrpは、定格能力Qrtを消費電力Prtで除した値である。すなわち、COPrp=Qrt/Prtで表される。
(13)式において、THOSPは定格仕様条件の設定点における冷却水出口温度、TLOSPは定格仕様条件の設定点における冷水出口設定温度である。
【0074】
(11)式に示すように、(12)式を用いて逐次推定される計画成績係数COPctに対して、計画成績係数COPrpを計画成績係数COPdpで除した項(COPrp/COPdp)をオフセット項として乗じることにより、逆カルノーサイクルで定義される実機理想成績係数に含まれる誤差を低減させることができ、計画成績係数の算出精度を高めることが可能となる。
【0075】
(10)式に(11)式を代入して整理すると、以下の(14)式が得られる。
【0076】
【数7】
【0077】
ここで、成績係数COPは冷凍能力を消費電力で除算したものであるから、COPrp=Qrt/Prtである。そうすると、上記(14)式は、以下の(15)式で表される。
【0078】
【数8】
【0079】
第1実施形態で説明したように、補正値Cfは相対負荷率Qfを変数とした関数で表されるが、本実施形態では、(16)式に示すように、負荷率Qfを相対設計風量係数Qで除して、さらに、流量変数THで補正した値を相対負荷率Qf´としている。なお、相対設計風量係数Qについては、上記(6)式、(7)式に示した通りであるので、ここでの説明は省略する。
【0080】
【数9】
【0081】
以下、流量変数THの補正項(THrp/THrps)について説明する。
図10に示すように、横軸に流量変数、縦軸に圧力変数をとり、ターボ冷凍機に用いられている圧縮機の断熱効率の分布を表わしたマップから各圧力変数において最も断熱効率が高くなる点を結ぶことで、以下の(17)式で示されるような流量変数と圧力変数の特性式が得えられる。なお、ここで、流量変数は圧縮機の風量に比例し、圧力変数はヘッドに比例する。
【0082】
OM=a*TH+b (17)
【0083】
上記(17)式において、OMは圧力変数[−]、THは流量変数[−]、a,bは定数である。続いて、(17)式から実際の運用時における定格仕様点の設計点と同一圧力変数でかつ最高効率線上にある流量変数THrpを取得する。ここで、圧力変数は以下の(18)式で表わされることから、(18)式より算出されたOMを(17)式に採用する。
【0084】
OM=g*Had/A (18)
【0085】
続いて、流量変数は以下の(19)式でも表されることから、(9)式に示した最大負荷率演算式を作成した時の定格仕様点の設計点における流量変数THrpsを(19)式から取得する。
【0086】
THrps={(Qrp/ql)*v}(A*D) (19)
【0087】
上記(18)式、(19)式において、gは重力加速度[m/s]、Hadは圧縮機断熱ヘッド[m]、Aは音速[m/s]、Qrpは定格冷凍能力[kW]、qlは蒸発潜熱[kJ/kg]、vは比体積[m3/kg]、Dは羽根車外径[m]である。
【0088】
この補正値Cf=f(Qf´)は、上述した第1実施形態と同様に、Qfr´が1以上の範囲に絞って近似し、低次関数(例えば、1次関数、2次関数等)として表すことにより、簡素化することができる。簡素化した補正値Cf´は、以下の(20)式で表される。
【0089】
Cf´=a×Qf´+b=a×(Qf/Q×(THrp/THrps))+b
(20)
【0090】
上記(20)式において、a、bは定数である。(15)式に(20)式を代入して、最大負荷率Qfについて再度整理すると、以下の(21)式が得られる。
【0091】
【数10】
【0092】
(21)式において、冷水出口設定温度TLO[℃]、冷却水出口温度THO[℃]及び相対設計風量係数Qr並びに流量変数THを算出するための演算式に変数として含まれる凝縮圧力P[MPa]、蒸発圧力P[MPa]を除けば、全て固定パラメータ(Qrt:定格能力、D:羽根車外形[m]、定格冷水設定出口温度TLOSP[℃]、定格冷却水出口温度THOSP[℃])または定数となる。したがって、冷水出口設定温度TLO[℃]、冷却水出口温度THO[℃]、凝縮圧力P[MPa]、蒸発圧力P[MPa]について、点在の運転条件を入力することで、冷凍機の最大負荷率Qfを得ることができる。なお、2次式の解は、正と負の値が算出されるが、冷凍機の最大負荷率Qfは正の値であるため、正の値を適用する。
【0093】
以上から、冷水出口設定温度TLO[℃]、冷却水出口温度THO[℃]、凝縮圧力P[MPa]、及び蒸発圧力P[MPa]を変数とする上記(21)式の演算式及び(21)式における固定パラメータ及び定数の情報について、記憶部42に格納しておくことで、最大負荷率Qfを逐次算出することが可能となる。
【0094】
以上説明したように、本実施形態に係るターボ冷凍機の最大負荷率算出装置及びその方法並びに熱源システム及びその台数制御方法によれば、最大負荷率演算式に、定格仕様点の設計点が異なることに起因する誤差を低減するためのオフセット項を含めたので、設計点に起因する誤差を低減させることができ、冷凍機制御装置に搭載させる最大負荷率演算式に、より高い汎用性を持たせることが可能となる。
【0095】
〔第3実施形態〕
次に、本発明の第3実施形態に係るターボ冷凍機の最大負荷率算出装置及びその方法並びに熱源システム及びその台数制御方法について説明する。
上記第1または第2実施形態では、上記(2)式、(12)式、(13)式に示されるように、計画成績係数COPctを算出するために、本来であれば凝縮温度や蒸発温度を採用しなければならないところ、これらに代えて冷却水出口温度THO、冷水出口設定温度TL0を採用している。このため、熱交換時に熱損失が発生し、その誤差が含まれることとなる。そこで、本実施形態では、このような熱交換時の損失に起因する誤差を解消するために、以下の(22)式に示すように、蒸発器や凝縮器の機器特性(例えば、サイズや製造元によって異なる)によって決定される損失相当温度差Tdを計画成績係数COPctの演算式に加えることにより、熱交換時の損失を補償する。具体的には、上記(2)式、(12)式、(13)式は、以下の(2´)式、(12´)式、(13´)式としてそれぞれ表される。
【0096】
【数11】
【0097】
上記Tdの値は、固定値であってもよいし、冷却水出口温度THO、冷水出口設定温度TL0を変数として有する関数で表されてもよい。
【0098】
このように、蒸発器や凝縮器の機器特性(例えば、サイズや製造元によって異なる)によって決定される損失相当温度差Tdを計画成績係数の演算式に加えることにより、熱交換器の損失による誤差を低減させることができ、最大負荷率Qfの算出精度を更に向上させることができる。
【0099】
〔第4実施形態〕
次に、本発明の第4実施形態に係るターボ冷凍機の最大負荷率算出装置及びその方法並びに熱源システム及びその台数制御方法について説明する。
例えば、上述した第1実施形態に係る熱源システム1において算出された最大負荷率Qfは、理想的な運転状態での値であり、ターボ冷凍機2aの性能劣化が反映されていない。従って、実際には、算出された最大負荷率Qfまで能力が発揮できないおそれがある。そこで、本実施形態においては、上記(9)式で算出された最大負荷率Qfを、現在の運転状況における計画消費電力(計画成績係数から算出)と実測消費電力との比によって補正し、性能劣化などの誤差要因を反映させることとしている。
【0100】
すなわち、上記(1)式を、以下の(1´)式に示すように、計画消費電力Pと、Pとを用いた補正値(P/P)を(1)式の右辺に乗ずることで補正する。
【0101】
【数12】
【0102】
上記(1´)式を用いて、上述した第1実施形態と同様の演算式の導出過程を進めていくと、結果的に、第1実施形態に係る(9)式は、係数CにP/Pを乗じた結果となる。
【0103】
【数13】
【0104】
従って、第1実施形態における(9)式の係数Cの式において、上記補正値P/Pが反映された(23)式を用いることにより、ターボ冷凍機2aの性能劣化を反映した最大負荷率Qfを算出することが可能となる。これにより、ターボ冷凍機2aの性能劣化を考慮した台数制御を実施することが可能となる。
【0105】
なお、本発明は、以上述べた実施形態のみに限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲において上述した各実施形態を部分的または全体的に組み合わせる等して、種々変形実施が可能である。
【符号の説明】
【0106】
1 熱源システム
2a、2b、2c ターボ冷凍機
10a、10b、10c 冷凍機制御装置
20 上位制御装置
41 データ取得部
42 記憶部
43 演算部
図1
図2
図3
図4
図5
図6
図7
図8
図9
図10