WO2012057263A1

WO2012057263A1 - 熱源装置

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Publication number: WO2012057263A1
Application number: PCT/JP2011/074815
Authority: WO
Inventors: 和島　一喜; 上田　憲治; 雅晴仁田
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2010-10-29
Filing date: 2011-10-27
Publication date: 2012-05-03
Anticipated expiration: 2013-04-29
Also published as: EP2634509A1; US20130213067A1; CN103348195B; JP5761960B2; EP2634509A4; JP2012097923A; US9605893B2; EP2634509B1; CN103348195A

Abstract

熱源装置は、蒸発器（２６）における冷水の入口側圧力と出口側圧力との差圧を計測する差圧センサ（４１）と、制御装置（３０）とを備え、制御装置（３０）は、蒸発器（２６）の損失係数を有し、該損失係数と差圧センサ（４１）から出力された差圧とに基づいて、蒸発器（２６）における冷水流量を算出する冷水流量演算部（５２）と、予め設定されている仕様熱媒流量を用いて制御指令を生成する制御指令演算部（５５）と、冷水流量演算部（５２）により算出された冷水流量と予め設定されている仕様冷水流量との差分に基づいて、制御指令演算部（５５）により生成された制御指令を補正する制御指令補正部（５６）とを具備する。

Description

熱源装置

　本発明は、例えば、ターボ冷凍機などの熱源装置に関するものである。

　例えば、地域冷暖房や半導体製造工場等の冷暖房等を実現するものとして、ターボ冷凍機が用いられている。図８に従来のターボ冷凍機を用いた熱源システムの一構成図を示す。図８に示すように、ターボ冷凍機７０は、空調機やファンコイル等の外部負荷７１から供給された冷水（熱媒）を所定の温度まで冷却し、冷却後の冷水を外部負荷７１に供給する。冷水流れからみたターボ冷凍機７０の上流側には、冷水を圧送する冷水ポンプ７２が設置されている。また、冷水ポンプ７２の下流側には、冷水ポンプ７２から流出する冷水流量を計測する冷水流量計７３が設けられている。この冷水流量計７３の出力は、ターボ冷凍機７０の制御を行う制御装置（図示略）へと送られ、この冷水流量が制御パラメータの一つとして用いられてターボ冷凍機７０の制御が行われる。

特開２００９－２０４２６２号公報

　熱源システムでは、一般的に、冷水流量計として電磁流量計が利用されている。しかしながら、電磁流量計は高価であり導入することが難しい場合がある。また、電磁流量計は、ターボ冷凍機の外部に設けられており、電磁流量計により計測されたデータは外部データとしてターボ冷凍機に取り込まれるため、応答性などを調節することが難しいという不都合があった。
　また、熱源システムに冷水流量計を設けずに、試運転時のポンプ特性曲線などを用いて推定した冷水流量を用いてターボ冷凍機の制御を行う場合もあるが、推定される冷水流量は精度がよくないことから制御に種々の問題が生じ、その度に作業員が現地に赴いて調整などを行わなければならなかった。

　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、廉価なセンサを用いて、十分な精度で熱媒流量などの熱媒の状態に関する情報を取得することができるとともに、制御の精度向上を図ることのできる熱源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。
　本発明の第１の態様は、外部負荷から流入する熱媒を冷却または加熱する第１熱交換器と、外気または冷却水と熱交換を行う第２熱交換器と、前記第１熱交換器と前記第２熱交換器との間で冷媒を循環させる冷媒循環路と、該冷媒循環路に設けられたターボ圧縮機とを備えた熱源装置であって、前記第１熱交換器における前記熱媒の入口側圧力と出口側圧力との差圧を計測する差圧計測手段と、制御手段とを備え、前記制御手段は、前記第１熱交換器の損失係数と前記差圧計測手段から出力された差圧とに基づいて、前記第１熱交換器における前記熱媒の流量を算出する流量演算手段と、予め設定されている仕様熱媒流量を用いて制御指令を生成する制御指令演算手段と、前記流量演算手段により算出された熱媒の流量と前記仕様熱媒流量との差分に基づいて、前記制御指令演算手段により生成された制御指令を補正する制御指令補正手段とを具備する熱源装置を提供する。

　本発明の第１の態様によれば、差圧センサを用いて第１熱交換器の熱媒の入口側圧力と出口側圧力との差圧を計測し、この計測データと当該第１熱交換器に固有の損失係数とを用いて第１熱交換器における熱媒の流量を算出する。このように、熱源装置自体に、熱媒差圧に基づいて熱媒流量を算出する構成を設けるので、廉価でかつ簡易な構成により、要求された精度を十分に満たす熱媒流量を得ることができる。また、このようにして取得した現在の熱媒流量に基づいて制御指令を補正することにより、その時々の熱媒流量に応じたきめ細やかな制御を自動で実現することができる。
　なお、上記第１の態様に係る熱源装置において、前記制御手段は、前記第１熱交換器における前記熱媒の保有量による前記出口側圧力の計測時間遅れに依存する補正項を求め、前記補正項を用いて前記熱媒の流量を補正することとしてもよい。このように第１熱交換器における熱媒の保有量に基づく出口側圧力の計測時間遅れに依存する補正項を用いて流量を補正するので、第１熱交換器の熱媒の保有量に基づく誤差を解消することができ、熱媒流量の演算精度を向上させることができる。

　上記第１の態様に係る熱源装置において、前記制御手段は、前記流量演算手段により算出された熱媒流量と前記仕様熱媒流量との差分が予め設定されている所定の閾値以上であるか否かを判定し、該差分が前記所定の閾値以上であった場合に、通信回線を介して接続されている監視装置にアラームを報知する異常判定手段を備える構成としてもよい。

　このような構成によれば、熱媒が循環する熱媒伝熱チューブ内に汚れが溜まっているなどの異常を熱源システムの監視側に容易に通知することができ、適切な時期にメンテナンスを行わせることが可能となる。

　上記第１の態様に係る熱源装置において、前記流量演算手段は、前記差圧計測手段によるサンプリングデータを用いて熱媒流量を演算する第１演算手段と、前記差圧計測手段によるサンプリングデータを平滑化処理し、該平滑化処理後のサンプリングデータを用いて熱媒流量を演算する第２演算手段とを備え、前記異常判定手段は、前記第１演算手段により算出される熱媒流量を用いて異常判定を行い、前記制御指令補正手段は、前記第２演算手段により算出される熱媒流量を用いて制御指令を補正する構成としてもよい。

　このような構成によれば、異常判定手段においては差圧計測手段によるサンプリングデータに基づいて算出された熱媒流量に基づいて異常が検知され、制御指令補正手段においては、差圧計測手段によるサンプリングデータを平滑化処理することにより、変動幅が縮小されたデータから算出された熱媒流量に基づいて制御指令が補正される。これにより、１つの差圧センサにより、流量が急変するような断水を検知することができるとともに、安定した制御を実現することができる。

　本発明の第２の態様は、外部負荷から流入する熱媒を冷却または加熱する第１熱交換器と、外気または冷却水と熱交換を行う第２熱交換器と、前記第１熱交換器と前記第２熱交換器との間で冷媒を循環させる冷媒循環路と、該冷媒循環路に設けられたターボ圧縮機とを備えた熱源装置であって、前記第１熱交換器における前記熱媒の入口側圧力と出口側圧力との差圧を計測する差圧計測手段と、前記第１熱交換器における前記熱媒の流量を計測する流量計測手段と、前記第１熱交換機に入力される熱媒の温度を計測する温度計測手段と、制御手段とを備え、前記制御手段は、前記差圧計測手段から出力された差圧、前記流量計測手段から出力された熱媒流量、及び前記第１熱交換器の圧力損失係数から熱媒の比重を算出し、該熱媒の比重と前記温度計測手段によって計測された熱媒の温度と前記熱媒の物性に関する情報とを用いて熱媒濃度を算出する熱媒濃度演算手段と、予め設定されている仕様熱媒濃度を用いて制御指令を生成する制御指令演算手段と、前記流量演算手段により算出された熱媒濃度と前記仕様熱媒濃度との差分に基づいて、前記制御指令演算手段により生成された制御指令を補正する制御指令補正手段とを具備する熱源装置を提供する。

　本発明の第２の態様によれば、差圧センサを用いて第１熱交換器の熱媒の入口側圧力と出口側圧力との差圧を計測し、この計測データを用いて第１熱交換器における熱媒の濃度を算出する。このように、熱源装置自体に、熱媒差圧に基づいて熱媒濃度を算出する構成を設けるので、廉価でかつ簡易な構成により、要求された精度を十分に満たす熱媒濃度を得ることができる。また、このようにして取得した現在の熱媒濃度に基づいて制御指令を補正することにより、その時々の熱媒濃度に応じたきめ細やかな制御を自動で実現することができる。

　上記第２の態様に係る熱源装置において、前記制御手段は、前記ターボ圧縮機の消費動力と、前記第１熱交換器の交換熱量と、前記第２熱交換器の交換熱量との関係を表した関係式に、現在の前記ターボ圧縮機の消費動力及び前記第２熱交換器の交換熱量を代入することにより、前記第１熱交換器の交換熱量を算出し、算出した前記第１熱交換器の交換熱量から熱媒流量を算出する手段を備える構成としてもよい。

　このような構成によれば、上記関係式を用いることにより熱媒流量を得るので、差圧計測手段が故障もしくは検出限界を超え、差圧検知が出来なくなった場合などでも熱媒流量を取得することができ、制御を継続して行うことが可能となる。

　上記第２の態様に係る熱源装置において、前記制御手段は、熱媒流量と熱交換器の性能との関係が表わされた関係式を備え、前記流量演算手段により算出された熱媒流量に対する熱交換機の性能を前記関係式から求め、前記熱交換器の性能低下を検知する手段を備える構成としてもよい。

　このような構成によれば、熱媒流量から熱交換機の性能低下を検知するので、熱交換器の性能低下に対して速やかに適切な対応をとることが可能となる。

　本発明によれば、廉価なセンサを用いて、十分な精度の熱媒流量を取得することができるとともに、制御の精度向上を図ることができるという効果を奏する。

本発明の第１の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。本発明の第１の実施形態に係るターボ冷凍機の概略構成を示した図である。本発明の第１の実施形態に係る制御装置の機能ブロック図である。制御装置の冷水流量演算部の構成例を示した図である。蒸発器性能と流量との関係を示した図である。本発明の第２の実施形態に係る制御装置の機能ブロック図である。流量変動の様子と、処理後の流量の様子を示した図である。従来の熱源システムの概略構成を示した図である。

　以下、本発明の熱源装置としてターボ冷凍機を適用した場合における各実施形態について、図を用いて説明する。

〔第１の実施形態〕
　図１は、本発明の第１の実施形態に係る熱源システムの概略構成が示されている。熱源システム１は、例えば、ビルや工場設備に設置され、空調機やファンコイル等の外部負荷１０に供給する冷水（熱媒）に対して冷熱を与える３台のターボ冷凍機（熱源装置）１１ａ，１１ｂ，１１ｃを備えている。これらターボ冷凍機１１ａ，１１ｂ，１１ｃは、外部負荷１０に対して並列に設置されている。

　冷水流れからみた各ターボ冷凍機１１ａ，１１ｂ，１１ｃの上流側には、それぞれ、冷水を圧送する冷水ポンプ１２ａ，１２ｂ，１２ｃが設置されている。これら冷水ポンプ１２ａ，１２ｂ，１２ｃによって、リターンヘッダ１３からの冷水が各ターボ冷凍機１１ａ，１１ｂ，１１ｃへと送られる。各冷水ポンプ１２ａ，１２ｂ，１２ｃは、インバータモータ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。

　サプライヘッダ１４には、各ターボ冷凍機１１ａ，１１ｂ，１１ｃにおいて得られた冷水が集められるようになっている。サプライヘッダ１４に集められた冷水は、外部負荷１０に供給される。外部負荷１０にて空調等に供されて昇温した冷水は、リターンヘッダ１３に送られる。冷水は、リターンヘッダ１３において分岐され、各ターボ冷凍機１１ａ，１１ｂ，１１ｃに送られる。

　次に、上記ターボ冷凍機について説明する。各ターボ冷凍機１１ａ，１１ｂ，１１ｃは同様の構成を有していることから、ターボ冷凍機１１ａを取り上げて説明する。図２は、ターボ冷凍機１１ａの概略構成を示した図である。

　ターボ冷凍機１１ａは、冷媒を圧縮するターボ圧縮機２０と、ターボ圧縮機２０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（第２熱交換器）２１と、凝縮器２１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２２と、サブクーラ２２からの液冷媒を膨張させる高圧膨張弁２３と、高圧膨張弁２３に接続されるとともにターボ圧縮機２０の中間段および低圧膨張弁２４に接続される中間冷却器２５と、低圧膨張弁２４によって膨張させられた液冷媒を蒸発させる蒸発器（第１熱交換器）２６とを備えている。

　ターボ圧縮機２０は、遠心式の２段圧縮機であり、インバータ２７によって回転数制御された電動モータ２８によって駆動されている。インバータ２７は、制御装置３０によってその出力が制御されている。なお、ターボ圧縮機２０は、回転数一定の固定速の圧縮機であってもよい。ターボ圧縮機２０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。）２９が設けられており、ターボ冷凍機１１ａの容量制御が可能となっている。

　凝縮器２１には、凝縮器圧力（凝縮冷媒圧力）を計測するための圧力センサ３５が設けられている。圧力センサ３５の出力Ｐｃは、制御装置３０に送信される。
　サブクーラ２２は、凝縮器２１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２２の冷媒流れ下流側直後には、過冷却後の冷媒温度Ｔｓを計測する温度センサ３６が設けられている。
　凝縮器２１及びサブクーラ２２には、これらを冷却するための冷却伝熱チューブ３３が挿通されている。冷却水流量は差圧センサ３７により計測された冷却水の出入差圧から演算により求められ、冷却水出口温度Ｔｃｏｕｔは温度センサ３８により、冷却水入口温度Ｔｃｉｎは温度センサ３９により計測されるようになっている。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、再び凝縮器２１及びサブクーラ２２へと導かれるようになっている。

　中間冷却器２５には、中間圧力Ｐｍを計測するための圧力センサ４０が設けられている。
　蒸発器２６の冷水出入口には、冷水の出入差圧ｄＰｅを計測するための差圧センサ４１が設けられている。蒸発器２６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２６には、外部負荷１０（図１参照）へ供給される冷水を冷却するための冷水伝熱チューブ３４が挿通されている。冷水出口温度Ｔｏｕｔは温度センサ４２により、冷水入口温度Ｔｉｎは温度センサ４３により、蒸発器圧力Ｐｅは圧力センサ２６により計測されるようになっている。

　凝縮器２１の気相部と蒸発器２６の気相部との間には、ホットガスバイパス管３２が設けられている。そして、ホットガスバイパス管３２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３１が設けられている。ホットガスバイパス弁３１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、ＩＧＶ２９では制御が十分でない非常に小さな負荷領域での容量制御が可能となっている。

　また、図２に示したターボ冷凍機１１ａでは、凝縮器２１及びサブクーラ２２を設け、冷媒により冷却塔において外部へと排熱した冷却水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２１及びサブクーラ２２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、本実施形態に適用されるターボ冷凍機１１ａは、上述した冷房機能のみを有するターボ冷凍機に限定されず、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。

　図２において、制御装置３０には、各センサによって測定された計測データが送信され、制御装置３０においてこれらの計測データに基づく各種制御が行われる。制御装置３０は、例えば、ＣＰＵ（中央演算装置）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）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、プログラムの形式でＲＯＭ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３は、制御装置３０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３に示すように、制御装置３０は、記憶部５１と、冷水流量演算部５２と、異常判定部５３と、運転状態判断部５４と、制御指令演算部５５と、制御指令補正部５６とを主な構成として備えている。
　記憶部５１には、上記各部が演算を行うのに必要となるターボ冷凍機に関する各種情報などが格納されている。
　冷水流量演算部５２は、例えば、以下の（１）式を保有しており、この式に差圧センサ４１の計測値ｄＰｅを代入することで、冷水流量ｑａを算出する。（１）式において、ζは蒸発器２６の損失係数であり、例えば記憶部５１に記憶されている。

　また、例えば、差圧センサ４１により計測されるデータには、ターボ冷凍機１１の冷媒循環路上に設けられている各種バルブの開閉等による外乱が含まれている。したがって、冷水流量演算部５２は、このような外乱によるサンプリングデータの変動を縮小させるために、差圧センサ４１により計測されたサンプリングデータを移動平均などの技術を用いて平滑化処理し、処理後のデータを用いて上記（１）式から冷水流量ｑａを算出することとしてもよい。

　また、例えば、冷水流量演算部５２は、上記（１）式に、更に、蒸発器２６における冷水流量ｑａの温度依存性に関する補正項が反映された演算式を用いて冷水流量ｑａを算出することとしてもよい。
　また、ターボ冷凍機１１における蒸発器２６は、大型であるため保有水量も大きい。このため、蒸発器２６の冷水入口における圧力と冷水出口における圧力とは保有水量に応じた時間差が生じてしまう。従って、冷水流量演算部５２においては、この時間差による差圧の誤差を解消するための蒸発器２６の保有水量に基づく補正項を上記（１）式に追加した演算式を用いて、冷水流量ｑａを算出することとしてもよい。

　異常判定部５３は、冷水流量演算部４２により演算された冷水流量ｑａが予め設定されている仕様冷水流量ｑｓとの差分を算出し、この差分が予め設定されている所定の閾値以上であった場合に、通信回線を介して接続されている熱源システムの監視装置に対してアラームを通知する。

　運転状態判断部５４は、例えば、冷水入口温度Ｔｉｎ、冷水出口温度Ｔｏｕｔ、冷水出口設定温度Ｔｏｓｅｔ、仕様冷水流量ｑｓ、蒸発器圧力Ｐｅ、凝縮器圧力Ｐｃ、中間冷却器圧力Ｐｍ等のような各センサによって計測された入力データ及び記憶部５１に格納されているターボ冷凍機の各種情報を用いて、現在の運転状態を判断する。制御指令演算部５５は、運転状態判断部５４によって判断された運転状態に基づいて、各制御指令を生成する。なお、運転状態判断部５４及び制御指令演算部５５が行う処理は公知の処理であるため詳細は省略する。

　制御指令補正部５６は、冷水流量ｑａと仕様冷水流量ｑｓとの差分からターボ冷凍機の制御指令を補正するための補正値を算出し、この補正値を用いて制御指令演算部５５によって求められた制御指令を補正する。例えば、制御指令補正部５６は、冷水流量ｑａと仕様冷水流量ｑｓとの差分を変数として補正値を得るための演算式を保有しており、この演算式に異常判定部５３において算出された差分を代入することで、補正値を得る。この補正値により、例えば、電動機の回転数制御に与える指令値が補正される。

　このような構成を備える制御装置３０によれば、冷水流量演算部５２において、例えば、差圧センサ４１の計測データｄＰｅを用いて上記（１）式から冷水流量ｑａが算出され、異常判定部５３において、算出された冷水流量ｑａと予め設定されている仕様冷水流量ｑｓとの差が求められ、この差分が予め設定されている所定の閾値以上であるか否かが判定され、差分が閾値以上であった場合には、アラームが熱源システムの監視装置に通知される。これにより、例えば、冷水伝熱チューブ３４（図２参照）内に汚れが溜まっているなどの異常を熱源システムの監視側に容易に通知することができ、適切な時期にメンテナンスを行わせることが可能となる。また、運転状態判断部５４において、冷水入口温度Ｔｉｎ等のセンサ値及び記憶部５１に格納されている所定の情報を用いて現在の運転状態が判断され、制御指令演算部５５において、現在の運転状態に基づく各制御指令が生成され、生成された制御指令が制御指令補正部５６に与えられる。制御指令補正部５６では、冷水流量ｑａと仕様冷水流量ｑｓとの差分からターボ冷凍機の制御指令を補正するための補正値が算出され、この補正値を用いて制御指令演算部５５によって求められた制御指令が補正される。制御指令補正部５６により補正された制御指令は、各制御対象へ与えられ、これにより、冷水差圧ｄＰｅに基づいて計算された冷水流量ｑａに基づく制御が実施されることとなる。

　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によれば、ターボ冷凍機自体に、冷水差圧に基づいて冷水流量を算出する構成を設けるので、廉価でかつ簡易な構成により、要求された精度を十分に満たす冷水流量を得ることができる。また、このようにして取得した現在の冷水流量に基づいて制御指令を補正することにより、その時々の冷水流量に応じたきめ細やかな制御を自動で実現することができる。

　また、例えば、一般的な従来の熱源システムにおいては、以下のような理由から、図８に示すように、ターボ冷凍機７０の制御に使用するための流量を計測する電磁流量計７３などの他、冷水の断水や凍結などが発生したときに、速やかにその異常を検知できるように保護機能用のセンサ７４を備えており、２重のセンサにより冷水の状態を監視している。すなわち、電磁流量計７３により計測されるデータは、バルブ開閉などの外乱により変動しているため、このまま使用するとターボ冷凍機７０の制御が不安定になる。したがって、従来の熱源システムにおいては、例えば、電磁流量計７３により計測されたサンプリングデータを図示しない調整回路により平滑化処理して変動を縮小し、変動を縮小させた冷水流量データをターボ冷凍機７０の制御装置（図示略）に渡している。しかしながら、この平滑化したサンプリングデータでは、断水などのように流量が急変する事象を確実に検知することができないという不都合があり、この不都合を解消するために、異常検知用のセンサを別途設け、この異常検知用のセンサのデータに基づいて断水等の異常検知を行うようにしている。

　これに対し、本実施形態では、上述したように、ターボ冷凍機１１ａ自体が差圧センサ４１を有しているため、この差圧センサ４１の特性データ等を制御装置３０に持たせておくことで、制御装置３０において差圧センサ４１のサンプリングデータを用途に応じて調整することができる。すなわち、本実施形態においては、図４に示すように、冷水流量演算部５２に、差圧センサ４１のサンプリングデータをそのまま用いて冷水流量を演算する第１演算部５２１と、差圧センサ４１のサンプリングデータに対して移動平均等の公知の平滑化処理を施し、処理後のデータに基づいて冷水流量を算出する第２演算部５２２とを設け、異常判定部５３が第１演算部５２１によって算出された冷水流量に基づいて異常検知を行い、制御指令補正部５６が第２演算部５２２によって算出された冷水流量に基づいて制御指令の補正を行うこととしても良い。このようにすることで、一つの差圧センサ４１によりターボ冷凍機の制御と異常検知の２つの目的を果たすことができ、図８に示したようなセンサの２重化を排除することができる。

　また、例えば、蒸発器２６の性能は、冷水流量ｑａに依存し、例えば、図５に示すように、乱流域、遷移域、層流域などのような各流量状態により大幅に変化する。そこで、冷水流量が予め設定されている所定の閾値以下となった場合、あるいは、冷水流量が所定の期間において継続して減少方向にあることを検知した場合に、蒸発器の性能が低下していると判断し、適切な保護制御運転を実施する機能や、熱源システムの監視装置に対してアラームを通知する機能を更に制御装置３０に設けることとしてもよい。このように、本実施形態に係るターボ冷凍機１１ａにおいて、制御装置３０が、上記冷水流量ｑａに基づいて蒸発器２６の性能低下を検知する機能を更に備えることにより、速やかに適切な対応をとることが可能となる。
　また、本実施形態では、熱媒として冷水を一例として挙げたが、この例に限定されず、例えば、ブライン（例えば、エチレングリコール等の不凍液）などでもよい。

〔第２の実施形態〕
　次に、本発明の第２の実施形態に係るターボ冷凍機について説明する。本実施形態に係るターボ冷凍機は、熱媒として冷水の代わりにブライン（例えば、エチレングリコール等の不凍液）が利用される熱源システムに適用されるものであり、冷水流量に代えてブライン濃度を算出し、算出したブライン濃度を用いて、ターボ冷凍機の制御指令の補正を行う。以下、本実施形態のターボ冷凍機について、図６を参照して説明する。

　図６は、本実施形態に係る制御装置の機能ブロック図である。図６に示すように、本実施形態に係る制御装置は、記憶部６１と、ブライン濃度演算部６２と、異常判定部６３と、運転状態判断部６５と、制御指令演算部６６と、制御指令補正部６７とを主な構成として備えている。また、本実施形態において、ブライン差圧は、図２の蒸発器２６における差圧計４１により計測される。また、記憶部６１には、上記各部が演算を行うのに必要となるターボ冷凍機の情報、ブラインの物性データなどが格納されている。

　ブライン濃度演算部６２は、ブライン差圧からブライン濃度を算出する。ブライン濃度の算出には、下記（２）式、（３）式が用いられる。

　　Ｘ＝ｆ（ρ，Ｔ）　　　（２）
　　ρ＝ｆ（ｑ，ΔＰ）　　　（３）

　ブライン濃度Ｘはブラインの比重ρとブライン入口温度Ｔｉｎと出口温度Ｔｏｕｔの平均温度Ｔと、記憶部６１に格納されるブライン物性とから求められる。また、ブラインの比重ρは、別途流量計（図示略）などで計測されるブライン流量ｑ、差圧計４１により計測されるブライン差圧、及び記憶部６１に格納される圧力損失特性などから算出される。異常判定部６３は、ブライン濃度演算部６２により演算されたブライン濃度と予め設定されている仕様ブライン濃度との差を算出し、この差分が予め設定されている所定の閾値以上であった場合に、通信回線を介して接続されている熱源システムの監視装置に対してアラームを通知する。

　運転状態判断部６５は、例えば、ブライン入口温度Ｔｉｎ、ブライン出口温度Ｔｏｕｔ、ブライン出口設定温度Ｔｏｓｅｔ、ブライン流量ｑ、蒸発器圧力Ｐｅ、凝縮器圧力Ｐｃ、中間冷却器圧力Ｐｍ等のような各センサによって計測された入力データ及び記憶部６１に格納されているターボ冷凍機の各種情報を用いて、現在の運転状態を判断する。制御指令値演算部６６は、運転状態判断部５６によって判断された運転状態に基づいて、各制御指令を生成する。なお、運転状態判断部６５及び制御指令演算部６６が行う処理については、各センサ値に基づいて制御指令を生成するという公知の処理であるため詳細は省略する。

　制御指令補正部６７は、ブライン濃度演算部６２によって求められた現在のブライン濃度に基づいてターボ冷凍機の制御指令を補正するための補正値を算出し、この補正値を用いて制御指令演算部６６によって求められた制御指令値を補正する。例えば、制御指令補正部６７は、ブライン濃度を変数として補正値を得るための演算式を保有しており、この演算式にブライン濃度演算部６２によって算出されたブライン濃度を代入することで、補正値を得る。制御指令補正部６７により、例えば、電動機の回転数制御に与える指令が補正される。

　このような構成を備える制御装置によれば、ブライン濃度演算部６２において、ブライン濃度が算出され、異常判定部６３において、算出されたブライン濃度と予め設定されている仕様ブライン濃度との差分が予め設定されている所定の閾値以上であるか否かが判定され、閾値以上であった場合には、通信回線を介して熱源システムの監視装置に異常が通知される。これにより、熱源システム側の監視施設では、ブライン濃度低下による凍結の危険性などを知ることができる。また、異常が検出されなかった場合には、ブライン濃度演算部６２において算出された現在のブライン濃度が制御指令補正部６７に出力される。

　また、運転状態判断部６５において、ブライン入口温度Ｔｉｎ等のセンサ値及び記憶部６１に格納されている所定の情報を用いて現在の運転状態が判断され、制御指令演算部６６において、現在の運転状態に基づく各制御指令が生成され、生成された制御指令が制御指令補正部６７に与えられる。制御指令補正部６７では、現在のブライン濃度を用いてターボ冷凍機の制御指令を補正するための補正値が算出され、この補正値を用いて制御指令演算部６６によって求められた制御指令が補正される。制御指令補正部６７により補正された制御指令値は、各制御対象へ与えられ、これにより、ブライン差圧に基づいて計算されたブライン濃度に基づく制御が実施されることとなる。

　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によれば、ターボ冷凍機自体にブライン差圧に基づいてブライン濃度を算出する構成を設けるので、廉価でかつ簡易な構成により、要求された精度を十分に満たすブライン濃度を得ることができる。また、ブラインの実濃度と仕様濃度との差分が所定の閾値を超えていた場合にはアラームを報知するので、このアラームによりブライン濃度低下による凍結の危険性などを熱源システム側の作業者に知らせることができる。なお、ブライン濃度が他の手段により検出され、流量計がない場合にはブライン濃度ではなく、ブライン流量が所定の範囲内にあるか否かにより異常を検知することとしてもよい。

　また、本実施形態に係るターボ冷凍機によれば、ブライン濃度が正常範囲である場合において、実際のブライン濃度に基づく制御指令とすることができ、ブラインの状態に応じたきめ細やかな制御を自動で実施することが可能となる。
　なお、第２の実施形態に係るターボ冷凍機においても、図４に示した第１演算部５２１、第２演算部５２２の機能や、図５に示した蒸発器２６の性能低下を検知する機能を持たせることとしてもよい。

〔第３の実施形態〕
　上述した第１の実施形態、第２の実施形態では、冷水やブラインの熱媒差圧を計測し、この差圧から熱媒流量を求めていたが、例えば、熱媒の差圧を計測する差圧計４１が故障してしまった場合には、流量算出に問題が生ずることとなる。本実施形態では、差圧計に故障もしくは検出限界を超え、差圧検知が出来なくなった場合などには、ターボ冷凍機のヒートバランス関係式から演算により熱媒の流量を計算することとしている。

　例えば、ターボ冷凍機においては、ターボ圧縮機２０の消費動力Ｑｍと、蒸発器２６の交換熱量Ｑｅと、凝縮器２１の交換熱量Ｑｃとの間に以下の（４）式で表わされる関係式が成立する。

　　Ｑｅ＋Ｑｍ＝Ｑｃ　　　（４）

　上記（４）式において、Ｑｅは蒸発器の交換熱量、Ｑｍはターボ圧縮機の消費動力、Ｑｃは凝縮器の交換熱量である。
　Ｑｅ、Ｑｃは以下の（５）式、（６）式によりそれぞれ求めることができる。

　　Ｑｅ＝Ｃｐｅ・ρｅ・ｑｅ・（Ｔｏｕｔ－Ｔｉｎ）　　　（５）

　上記（５）式において、Ｃｐｅは熱媒比熱［kJ／（kg・K）］、ρｅは熱媒密度［kg／m^３］、ｑｅは熱媒体積流量［m^３／sec］、Ｔｏｕｔは図２の温度センサ４２により計測される熱媒出口温度［Ｋ］、Ｔｉｎは図２の温度センサ４３により計測される熱媒入口温度［Ｋ］である。

　　Ｑｃ＝Ｃｐｃ・ρｃ・ｑｃ・（Ｔｃｏｕｔ－Ｔｃｉｎ）　　　（６）

　（６）式において、Ｃｐｃは冷却水の比熱［kJ／（kg・K）］、ρｃは冷却水の密度［kg／m^３］、ｑｃは図２の差圧センサ３７により計測された冷却水の出入差圧から演算される冷却水の体積流量［m^３／sec］、Ｔｃｏｕｔは図２の温度センサ３８により計測される冷却水出口温度［Ｋ］、Ｔｃｉｎは図２の温度センサ３９により計測される冷却水入口温度［Ｋ］である。

　また、消費動力Ｑｍは、制御装置において常時計測されている。

　このように、本実施形態では、差圧計４１（図２参照）が故障した場合に、上記（４）式で表わされる関係式から演算により熱媒の流量を計算することにより、熱媒の流量を得ることができる。これにより、例えば、差圧センサ４１が故障もしくは検出限界を超え、差圧検知が出来なくなった場合などでも熱媒流量を得ることができ、制御を継続して行うことが可能となる。

　また、上記関係式を用いれば、冷却水側のセンサが壊れた場合にも、冷却水の流量を算出することが可能となる。一般的に、冷却水は冷却塔などを経由する開放系であるために、冷却水が流通する冷却伝熱チューブ３３には、密閉系で成立している熱媒伝熱チューブと比べて汚れが蓄積しやすく、冷却水の流量計測の精度が低下しがちであるが、この場合に、上記関係式を用いることにより、冷却水の流量を十分な精度で得ることが可能となる。なお、上記関係式がくずれた場合に、熱媒流量と冷却水流量のどちらに異常が生じているかを特定するには、熱媒流量と予め設定されている仕様熱媒流量とを比較し、この誤差が所定の範囲内であれば、冷却水の流量センサに故障等が生じていると判断すればよい。

　更に、図７に示すように、熱媒または冷却水が流量変動により十分な精度で流量状態を取得できなくなった場合に、上記ヒートバランスの関係式を用いて変動幅の少ない冷水または冷却水の流量を得ることにしてもよい。これにより、図７の点線で示すような安定した流量値を得ることができる。

　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によれば、冷却水側、熱媒側のいずれかのセンサに故障が生じた場合であっても、ヒートバランスの関係式を用いることにより、流量を十分な精度で得ることができる。

１１ａ，１１ｂ，１１ｃ　ターボ冷凍機
２０　ターボ圧縮機
２１　凝縮器
２６　蒸発器
５１，６１　記憶部
５２　冷水流量演算部
５３，６３　異常判定部
５４，６５　運転状態判断部
５５，６６　制御指令演算部
５６，６７　制御指令補正部
６２　ブライン濃度演算部
５２１　第１演算部
５２２　第２演算部

Claims

　外部負荷から流入する熱媒を冷却または加熱する第１熱交換器と、外気または冷却水と熱交換を行う第２熱交換器と、前記第１熱交換器と前記第２熱交換器との間で冷媒を循環させる冷媒循環路と、該冷媒循環路に設けられたターボ圧縮機とを備えた熱源装置であって、
　前記第１熱交換器における前記熱媒の入口側圧力と出口側圧力との差圧を計測する差圧計測手段と、
　制御手段と
を備え、
　前記制御手段は、
　前記第１熱交換器の損失係数と前記差圧計測手段から出力された差圧とに基づいて、前記第１熱交換器における前記熱媒の流量を算出する流量演算手段と、
　予め設定されている仕様熱媒流量を用いて制御指令を生成する制御指令演算手段と、
　前記流量演算手段により算出された熱媒の流量と前記仕様熱媒流量との差分に基づいて、前記制御指令演算手段により生成された制御指令を補正する制御指令補正手段と
を具備する熱源装置。
　前記制御手段は、前記流量演算手段により算出された熱媒流量と前記仕様熱媒流量との差分が予め設定されている所定の閾値以上であるか否かを判定し、該差分が前記所定の閾値以上であった場合に、通信回線を介して接続されている監視装置にアラームを報知する異常判定手段を備える請求項１に記載の熱源装置。
　前記流量演算手段は、
　前記差圧計測手段によるサンプリングデータを用いて熱媒流量を演算する第１演算手段と、
　前記差圧計測手段によるサンプリングデータを平滑化処理し、該平滑化処理後のサンプリングデータを用いて熱媒流量を演算する第２演算手段と
を備え、
　前記異常判定手段は、前記第１演算手段により算出される熱媒流量を用いて異常判定を行い、前記制御指令補正手段は、前記第２演算手段により算出される熱媒流量を用いて制御指令を補正する請求項２に記載の熱源装置。
　外部負荷から流入する熱媒を冷却または加熱する第１熱交換器と、外気または冷却水と熱交換を行う第２熱交換器と、前記第１熱交換器と前記第２熱交換器との間で冷媒を循環させる冷媒循環路と、該冷媒循環路に設けられたターボ圧縮機とを備えた熱源装置であって、
　前記第１熱交換器における前記熱媒の入口側圧力と出口側圧力との差圧を計測する差圧計測手段と、
　前記第１熱交換器における前記熱媒の流量を計測する流量計測手段と、
　前記第１熱交換機に入力される熱媒の温度を計測する温度計測手段と、
　制御手段と
を備え、
　前記制御手段は、
　前記差圧計測手段から出力された差圧、前記流量計測手段から出力された熱媒流量、及び前記第１熱交換器の圧力損失係数から熱媒の比重を算出し、該熱媒の比重と前記温度計測手段によって計測された熱媒の温度と前記熱媒の物性に関する情報とを用いて熱媒濃度を算出する熱媒濃度演算手段と、
　予め設定されている仕様熱媒濃度を用いて制御指令を生成する制御指令演算手段と、
　前記流量演算手段により算出された熱媒濃度と前記仕様熱媒濃度との差分に基づいて、前記制御指令演算手段により生成された制御指令を補正する制御指令補正手段と
を具備する熱源装置。
　前記制御手段は、前記ターボ圧縮機の消費動力と、前記第１熱交換器の交換熱量と、前記第２熱交換器の交換熱量との関係を表した関係式に、現在の前記ターボ圧縮機の消費動力及び前記第２熱交換器の交換熱量を代入することにより、前記第１熱交換器の交換熱量を算出し、算出した前記第１熱交換器の交換熱量から熱媒流量を算出する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熱源装置。
　前記制御手段は、
　熱媒流量と熱交換器の性能との関係が表わされた関係式を備え、前記流量演算手段により算出された熱媒流量に対する熱交換機の性能を前記関係式から求め、前記熱交換器の性能低下を検知する手段を備える請求項１から請求項５のいずれかに記載の熱源装置。