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技術 フィードフォワード制御型給湯システムおよび給湯方法

出願人 株式会社ミヤワキ
発明者 森真也
出願日 2017年8月1日 (4年6ヶ月経過) 出願番号 2017-148999
公開日 2018年4月12日 (3年10ヶ月経過) 公開番号 2018-059699
状態 特許登録済
技術分野 瞬間湯沸器・持ち運び用給湯器とその制御
主要キーワード 制御操作盤 熱交換系統 デジタル演算器 同一型式 蒸気圧センサ 蒸気圧力センサ 蒸気調節弁 アナログ電子回路
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2018年4月12日)のものです。
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図面 (11)

課題

短い立ち上がり時間で安定的に設定温度給湯が可能な給湯システムを提供する。

解決手段

蒸気冷水との熱交換により温水を生成する熱交換器2と、熱交換器2に導入される給水の温度を検出する給水温度センサ24と、熱交換器2への蒸気供給量を調整する蒸気制御弁3と、給水の流量を検出する水流量計23と、熱交換器2に供給される蒸気の圧力を検出する蒸気圧センサ10と、温水の温度を検出する温水温度センサ30と、温水温度センサ30で検出された温水温度が設定温度となるように蒸気制御弁3の開度を調整する温度調整手段34とを備える。温度調整手段34は、給水温度センサ24で検出された給水温度と設定温度との差および蒸気圧センサ10で検出された蒸気圧力に基づき、蒸気制御弁3の開度を決定して、この開度となるように蒸気制御弁3の開度を調整するフィードフォワード制御を行う。

概要

背景

蒸気冷水との熱交換により温水を製造する蒸気給湯装置は、工場に設置されることが多いボイラなどの蒸気源を利用して簡便に温水が得られるものとして知られ、主にPID制御(Proportional-Integral-differential Controller)などのフィードバック(FB)制御で温度制御を行うものが多い。このFB制御では、給湯温度のみに着目して測定し、蒸気調節弁弁開度を調整することで給湯温度の制御を行っている(例えば特許文献1)。

概要

短い立ち上がり時間で安定的に設定温度給湯が可能な給湯システムを提供する。蒸気と冷水との熱交換により温水を生成する熱交換器2と、熱交換器2に導入される給水の温度を検出する給水温度センサ24と、熱交換器2への蒸気供給量を調整する蒸気制御弁3と、給水の流量を検出する水流量計23と、熱交換器2に供給される蒸気の圧力を検出する蒸気圧センサ10と、温水の温度を検出する温水温度センサ30と、温水温度センサ30で検出された温水温度が設定温度となるように蒸気制御弁3の開度を調整する温度調整手段34とを備える。温度調整手段34は、給水温度センサ24で検出された給水温度と設定温度との差および蒸気圧センサ10で検出された蒸気圧力に基づき、蒸気制御弁3の開度を決定して、この開度となるように蒸気制御弁3の開度を調整するフィードフォワード制御を行う。

目的

本発明の目的は、短い立ち上がり時間で安定的に設定温度の給湯が可能なフィードフォワード制御型給湯システムおよび給湯方法を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

蒸気冷水との熱交換により温水を生成する熱交換器と、前記熱交換器に導入される給水の温度を検出する給水温度センサと、前記熱交換器への蒸気供給量を調整する蒸気制御弁と、前記熱交換器を流れる水の流量を検出する水流量計と、前記熱交換器に供給される前記蒸気の圧力または温度を検出する蒸気センサと、前記温水の温度を検出する温水温度センサと、前記温水温度センサで検出された温水温度設定温度となるように前記蒸気制御弁の開度を調整する温度調整手段とを備え、前記温度調整手段は、前記給水温度センサで検出された給水温度と前記設定温度との差、前記水流量計で検出された水流量および前記蒸気センサで検出された蒸気圧力または蒸気温度を含む動作パラメータに基づき、前記蒸気制御弁の開度を決定して、この開度となるように前記蒸気制御弁の開度を調整するフィードフォワード制御を行うフィードフォワード制御型給湯システム

請求項2

請求項1に記載のフィードフォワード制御型給湯システムにおいて、前記温度調整手段は、前記給水温度センサで検出された給水温度と前記設定温度との差ΔTと、前記水流量Mとから、前記熱交換器から導出される給水を前記設定温度に加熱するのに必要な必要熱量Erを求め、前記蒸気圧力または蒸気温度から前記蒸気制御弁の全開時に得られる最大熱交換量Emaxを求め、前記必要熱量Erと前記最大熱交換量Emaxとの比から前記蒸気制御弁の開度を決定するフィードフォワード制御を行うフィードフォワード制御型給湯システム。

請求項3

請求項1または2に記載のフィードフォワード制御型給湯システムにおいて、前記温度調整手段は、前記フィードフォワード制御が一定時間継続した後、前記温水温度と前記設定温度との差ΔT1が所定値以上であるとき、前記温水温度と前記設定温度との差ΔT1に基づき、この差ΔT1を小さくするように前記蒸気制御弁の開度を調整するフィードバック制御切り替えるフィードフォワード制御型給湯システム。

請求項4

請求項3に記載のフィードフォワード制御型給湯システムにおいて、さらに、フィードバック制御に切り替える際の前記温度差ΔT1と、前記水流量Mとから熱交換器での熱交換量の変動値を求め、この変動値が小さくなるようにフィードフォワード制御において求める前記蒸気制御弁の開度を修正する修正手段を有するフィードフォワード制御型給湯システム。

請求項5

請求項1ないし4のいずれか一項に記載のフィードフォワード制御型給湯システムにおいて、前記設定温度を外部からの入力操作により設定する温度設定手段を備えたフィードフォワード制御型給湯システム。

請求項6

請求項1ないし5のいずれか一項に記載のフィードフォワード制御型給湯システムにおいて、さらに、前記動作パラメータに基づき、前記蒸気制御弁の開度を決定するための制御パラメータを作成する自動調整手段を備え、前記自動調整手段は、動作指令を受けて作動し、前記冷水の前記熱交換器への供給を開始させる給水開始部と、前記蒸気制御弁を指定の複数の開度に設定する弁開度設定部と、前記各開度における熱交換量と前記開度との関係を示す制御パラメータを作成するパラメータ作成部とを有する、フィードフォワード制御型給湯システム。

請求項7

請求項2を引用する請求項6に記載のフィードフォワード制御型給湯システムにおいて、前記自動調整手段のパラメータ作成部は、前記給水温度センサで検出された給水温度と前記温水温度センサで検出された温水温度との差ΔTTと、前記水流量Mと、前記蒸気圧力または蒸気温度とから熱交換量Eを求めるとともに、前記蒸気制御弁の全開時に得られる最大熱交換量Emaxを求め、前記熱交換量Eと前記最大熱交換量Emaxとの比E/Emaxと、蒸気制御弁の開度との関係を示す制御パラメータを作成し、前記温度調整手段は、前記制御パラメータにおける前記熱交換量Eが前記必要熱量Erとなるときの前記蒸気制御弁の開度を決定する、フィードフォワード制御型給湯システム。

請求項8

蒸気と冷水との熱交換により設定温度の温水を生成する給湯生成方法であって、前記冷水の温度である給水温度と前記設定温度との差、前記水流量および蒸気圧力または蒸気温度に基づき、前記蒸気の供給量を調整する蒸気制御弁の開度を決定して、この開度となるように前記蒸気制御弁の開度を調整するフィードフォワード制御を行うフィードフォワード制御型給湯方法

請求項9

請求項8に記載のフィードフォワード制御を行うフィードフォワード制御型給湯方法において、前記給水温度と前記設定温度との差ΔTと、前記水流量である水流量Mとから必要熱量Erを求め、前記蒸気圧力または蒸気温度から前記蒸気制御弁の全開時に得られる最大熱交換量Emaxを求め、前記必要熱量Erと前記最大熱交換量Emaxとの比から前記蒸気制御弁の開度を決定するフィードフォワード制御を行うフィードフォワード制御型給湯方法。

請求項10

請求項8または9に記載のフィードフォワード制御型給湯方法において、さらに、動作指令を受けて前記冷水の供給を開始させ、前記蒸気制御弁を指定の複数の開度に設定し、各開度における熱交換量Eと前記開度との関係を示す制御パラメータを作成し、この制御パラメータを用いて、前記設定温度となるように蒸気制御弁の開度を決定するフィードフォワード制御型給湯方法。

請求項11

請求項10に記載のフィードフォワード制御型給湯方法において、前記給水温度センサで検出された給水温度と前記温水の温度との差ΔTTと、前記水流量Mとから熱交換量Eを求め、前記蒸気圧力または蒸気温度から前記蒸気制御弁の全開時に得られる最大熱交換量Emaxを求め、前記熱交換量Eと前記最大熱交換量Emaxとの比E/Emaxと、前記開度との関係を示す制御パラメータを作成し、前記制御パラメータにおける前記熱交換量Eが前記必要熱量Erとなるときの前記蒸気制御弁の開度を決定するフィードフォワード制御型給湯方法。

技術分野

0001

本発明は、蒸気冷水との熱交換により温水を製造する蒸気給湯システムに関し、特にフィードフォワード制御により温度制御を行う給湯システムおよび給湯方法に関する。

背景技術

0002

蒸気と冷水との熱交換により温水を製造する蒸気給湯装置は、工場に設置されることが多いボイラなどの蒸気源を利用して簡便に温水が得られるものとして知られ、主にPID制御(Proportional-Integral-differential Controller)などのフィードバック(FB)制御で温度制御を行うものが多い。このFB制御では、給湯温度のみに着目して測定し、蒸気調節弁弁開度を調整することで給湯温度の制御を行っている(例えば特許文献1)。

先行技術

0003

特開平6−201188号公報

発明が解決しようとする課題

0004

前記フィードバック制御では、蒸気圧力給水流量および給水温度は制御を乱す外乱要因として処理されている。給水温度は季節や地域によって大きく変化し、給水流量も工場の稼動状態によっては不安定な供給となることがあるうえ、工場によって使用する蒸気圧力も異なる。このように、外乱要因は変化する要素が多いため、フィードバック制御で設定温度給湯を可能な限り素早く安定的に供給するには頻繁に制御設定の変更が必要である。しかし、この制御設定の変更には専門的な知識が必要ということもあり、実際の現場では制御設定を変更することは少なく、FB制御による給湯温度の制御には一定の限界があった。

0005

また、フィードバック制御の場合、給湯温度の検出結果から給湯温度を設定温度にする、いわゆる後追い制御となるため、タイムラグがあって制御から給湯温度を得るまでの立ち上がり時間が長い。そこで、フィードフォワードFF)制御が考えられる。しかしながら、蒸気調節弁のバルブ開度が同じでも蒸気圧力が変化すると、熱交換量が変化する。また、熱交換器内では蒸気の潜熱気化熱)だけではなく、高温レン顕熱でも熱交換を行うため、最終的に排出されるドレンの温度によっても熱交換量が異なってくる。このように必要熱交換量を供給する蒸気調節弁のバルブ開度を演算するためには様々な要素を加味する必要があったため、これまでの蒸気給湯装置ではFF制御が採用されていなかった。

0006

本発明の目的は、短い立ち上がり時間で安定的に設定温度の給湯が可能なフィードフォワード制御型給湯システムおよび給湯方法を提供することにある。

課題を解決するための手段

0007

前記目的を達成するために、本発明に係るフィードフォワード制御型給湯システムは、蒸気と冷水との熱交換により温水を生成する熱交換器と、前記熱交換器に導入される給水の温度を検出する給水温度センサと、前記熱交換器への蒸気供給量を調整する蒸気制御弁と、前記熱交換器を流れる水の流量を検出する水流量計と、前記熱交換器に供給される前記蒸気の圧力または温度を検出する蒸気センサと、前記温水の温度を検出する温水温度センサと、前記温水温度センサで検出された温水温度が設定温度となるように前記蒸気制御弁の開度を調整する温度調整手段とを備えている。前記温度調整手段は、前記給水温度センサで検出された給水温度と前記設定温度との差、前記水流量計で検出された水流量および前記蒸気センサで検出された蒸気圧力または蒸気温度を含む動作パラメータに基づき、前記蒸気制御弁の開度を決定して、この開度となるように前記蒸気制御弁の開度を調整するフィードフォワード制御を行う。

0008

この構成によれば、前記給水温度と前記設定温度との差、前記水流量計で検出された水流量および前記蒸気圧力または蒸気温度に基づき、前記蒸気制御弁の開度を決定し、この開度となるように蒸気制御弁の開度を調整するFF制御が行われる。したがって、FB制御では、外乱要因として処理されていた給水温度と水流量と蒸気圧力の変動が給湯温度に影響するのを未然に防止でき、安定的に設定温度の給湯が可能となる。また、FB制御のような後追い制御ではないから、短い立ち上がり時間で給湯が可能となる。

0009

本発明のフィードフォワード制御型給湯システムにおいて、前記温度調整手段は、前記給水温度センサで検出された給水温度と前記設定温度との差ΔTと、前記水流量Mとから、前記熱交換器から導出される給水を前記設定温度に加熱するのに必要な必要熱量Erを求め、かつ前記蒸気圧力または蒸気温度から前記蒸気制御弁の全開時に得られる最大熱交換量Emaxを求め、前記必要熱量Erと前記最大熱交換量Emaxとの比から前記蒸気制御弁の開度を決定してもよい。ここで、最大熱交換量Emaxは最大蒸気流量と等価である。この構成によれば、所定の演算式により、外乱要因に左右されることなく設定温度の給湯を得るための必要熱量Erを蒸気制御弁から熱交換器に過不足なく供給できる。

0010

本発明のフィードフォワード制御型給湯システムにおいて、前記温度調整手段は、前記FF制御が一定時間継続した後、前記温水温度と前記設定温度との差ΔT1が所定値以上であるとき、前記温水温度と前記設定温度との差ΔT1に基づき、この差ΔT1を小さくするように前記蒸気制御弁の開度を調整するFB制御に切り替えてもよい。この構成によれば、熱交換系劣化などの発生によりFF制御で適切な制御ができない場合に、FF制御からFB制御に切り替えて前記蒸気制御弁のバルブ開度を調整でき、FF制御とFB制御を相互に補完的に併用することで、確実に、短い立ち上がり時間で安定的に設定温度の給湯が可能となる。

0011

前記FF制御型からFB制御型に切り替える給湯システムにおいて、さらに、FB制御に切り替える際の前記温度差ΔT1と、前記水流量Mcとから熱交換器での熱交換量の変動値を求め、この変動値が小さくなるようにFF制御において求める前記蒸気制御弁の開度を修正する修正手段を有するものであってもよい。この構成によれば、所定の演算式により、FB制御に切り替える際の前記温度差ΔT1と、前記水流量計で検出された水流量Mcとから熱交換器での熱交換量の変動値、つまり、不足分の必要熱量が算出され、この必要熱量を熱交換器に供給できるように、修正手段により、蒸気制御弁の開度を自動的に修正できる。このように、タイムロスなく給湯温度の制御が行えるので、より確実に、短い立ち上がり時間で安定的に設定温度の給湯が可能となる。

0012

本発明のフィードフォワード制御型給湯システムにおいて、前記設定温度を外部からの入力操作により設定する温度設定手段を備えていてもよい。この構成によれば、ユーザーは温度設定手段に対し、外部から任意の設定温度を入力できるので、簡単に入力設定できて操作性に優れる。

0013

本発明のフィードフォワード制御型給湯システムにおいて、さらに、前記動作パラメータに基づき、前記蒸気制御弁の開度を決定するための制御パラメータを作成する自動調整手段を備え、前記自動調整手段は、動作指令を受けて作動し、前記冷水の前記熱交換器への供給を開始させる給水開始部と、前記蒸気制御弁を指定の複数の開度に設定する弁開度設定部と、前記各開度における熱交換量Eと前記開度との関係を示す制御パラメータを作成するパラメータ作成部とを有するものであってもよい。ここで、前記熱交換量Eとは、その開度における熱交換可能な最大熱量をいう。この構成によれば、自動調整手段により適切な制御パラメータが得られるので、この制御パラメータを用いて設定温度の給湯を得るための蒸気制御弁の開度を正確に決定することができる。

0014

本発明のフィードフォワード制御型給湯システムにおいて、前記自動調整手段のパラメータ作成部は、前記給水温度センサで検出された給水温度と前記温水温度センサで検出された温水温度との差ΔTTと、前記水流量Mcと、前記蒸気圧力または蒸気温度とから熱交換量Eを求め、かつ前記蒸気圧力または蒸気温度から前記蒸気制御弁の全開時に得られる最大熱交換量Emaxを求め、前記熱交換量Eと前記最大熱交換量Emaxとの比E/Emaxと、蒸気制御弁の開度との関係を示す制御パラメータを作成し、前記温度調整手段は、前記制御パラメータにおける前記熱交換量Eが前記必要熱量Erとなるときの前記蒸気制御弁の開度を決定するものであってもよい。この構成によれば、例えばシステム運転開始前に、自動調整手段のパラメータ作成部で、最適な制御パラメータを速やかに作成することができるので、最適な蒸気制御弁の開度で設定温度の給湯を得ることができる。

0015

この発明に係るフィードフォワード制御型給湯方法は、蒸気と冷水との熱交換により設定温度の温水を生成する給湯生成方法であって、前記冷水の温度である給水温度と前記設定温度との差ΔTT、前記冷水の流量、および蒸気圧力または蒸気温度に基づき、前記蒸気の供給量を調整する蒸気制御弁の開度を決定して、この開度となるように前記蒸気制御弁の開度を調整するフィードフォワード制御を行う。

0016

この構成によれば、前記給水温度と前記設定温度との差、前記水流量および前記蒸気圧力または蒸気温度に基づき、前記蒸気制御弁の開度が決定され、この開度となるように蒸気制御弁の開度を調整するFF制御が行われる。したがって、FB制御では、外乱要因として処理されていた給水温度と水流量と蒸気圧力の変動が給湯温度に影響するのを未然に防止でき、安定的に設定温度の給湯が可能となり、また、FB制御のような後追い制御ではないから、短い立ち上がり時間で給湯が可能となる。

0017

前記フィードフォワード制御型給湯方法において、前記給水温度と前記設定温度との差ΔTと、前記冷水の流量である水流量Mとから必要熱量Erを求め、前記蒸気圧力または蒸気温度から前記蒸気制御弁の全開時に得られる最大熱交換量Emaxを求め、前記必要熱量Erと前記最大熱交換量Emaxとの比から前記蒸気制御弁の開度を決定するフィードフォワード制御を行うものであってもよい。この構成によれば、所定の演算式により、外乱要因に左右されることなく設定温度の給湯を得るための必要熱量Erを最適な開度に設定した蒸気制御弁から熱交換器に蒸気を過不足なく供給できる。

0018

前記フィードフォワード制御型給湯方法において、さらに、動作指令を受けて前記冷水の供給を開始させ、前記蒸気制御弁を指定の複数の開度に設定し、各開度における前記熱交換量Eと前記開度との関係を示す制御パラメータを作成し、この制御パラメータを用いて、前記設定温度となるように蒸気制御弁の開度を決定するものであってもよい。この構成によれば、動作指令を受けると、適切な制御パラメータが得られるので、安定的に設定温度の給湯が可能となる。

0019

前記フィードフォワード制御型給湯方法において、前記給水温度センサで検出された給水温度と前記温水温度との差ΔTTと、前記水流量Mとから熱交換量Eを求め、前記蒸気圧力または蒸気温度から前記蒸気制御弁の全開時に得られる最大熱交換量Emaxを求め、前記熱交換量Eと前記最大熱交換量Emaxとの比E/Emaxと、前記開度との関係を示す制御パラメータを作成し、前記温度調整手段は、前記制御パラメータにおける前記熱交換量Eが前記必要熱量Erとなるときの前記蒸気制御弁の開度を決定するものであってもよい。この構成によれば、例えばシステムの運転開始前に、自動調整手段のパラメータ作成部で最適な制御パラメータを速やかに作成することができるので、最適な蒸気制御弁の開度で設定温度の給湯を得ることができる。

発明の効果

0020

本発明によれば、給水温度と設定温度との差および蒸気圧力に基づき、蒸気制御弁の開度を決定し、この開度となるように蒸気制御弁の開度を調整するFF制御がなされる。これにより、FB制御のような後追い制御でないことで、外乱要因として処理されていた給水温度と熱交換器を流れる水流量と蒸気圧力の変動が給湯温度へ影響するのを未然に防止でき、短い立ち上がり時間で安定的に設定温度の給湯が可能となる。

図面の簡単な説明

0021

本発明の第1実施形態にかかるフィードフォワード制御型給湯システムを示す構成図である。
本発明の第2実施形態にかかるフィードフォワード制御型給湯システムを示す構成図である。
蒸気圧力と最大熱交換量の関係を示すグラフである。
バルブ開度とE/Emaxの関係を示すグラフである。
本発明の第3実施形態にかかるフィードフォワード制御型給湯システムを示す構成図である
熱交換系の個体差、劣化による蒸気圧力と最大熱交換量の関係を示すグラフである。
蒸気制御弁の個体差、劣化によるバルブ開度とEr/Emaxの関係を示すグラフである。
オートチューニング(AT)による動作を説明するフロー図である。
自動調整手段における蒸気制御弁の蒸気圧力とEr/Emaxの関係を示すグラフである。
自動調整手段における蒸気制御弁のバルブ開度とEr/Emaxの関係を示すグラフである。

実施例

0022

以下、本発明の第1実施形態について図1を参照しながら説明する。図1は本発明の一実施形態にかかるフィードフォワード(FF)制御型給湯システムを示す構成図である。同図に示すように、このFF制御型給湯システム1は、蒸気と冷水との熱交換により温水を生成する熱交換器2と、この熱交換器2に導入される給水の温度を検出する給水温度センサ24と、熱交換器2への蒸気供給量を調整する蒸気制御弁3と、熱交換器2を流れる水の流量を検出する水流量計の一種である給水流量計23と、熱交換器2に供給される蒸気の圧力を検出する蒸気圧センサ10と、前記温水の温度(給湯温度)を検出する温水温度センサ30と、この温水温度センサ30で検出された温水温度が設定温度となるように蒸気制御弁3の開度(以下、バルブ開度という場合がある)を調整する温度調整手段34と、を備えている。

0023

蒸気は蒸気通路6を通って熱交換器2に導入されるが、この蒸気通路6には手動開閉弁8と異物除去ストレーナ9と前記蒸気圧センサ10とが設けられ、異物除去ストレーナ9の下流側で分岐した一方の分岐通路6Aは熱交換器2に接続され、この熱交換器2の上流側に前記蒸気制御弁3が設けられている。他方の分岐通路6Bの下流側には蒸気トラップ7が設けられ、前記熱交換器2に設けられた蒸気トラップ11からのドレンと合わせて外部へ排出されるようになっている。

0024

タンク4の上部側には給水管のような給水通路12が配設され、この給水通路12を通って給水(冷水)がタンク4に導入されるが、給水通路12には手動開閉弁13とボールタップ14とが設けられている。このボールタップ14はタンク水面の上下動によるボール14aの変位レバ付け根の弁を開閉し、タンク4内の水量が一定量となるように、給水通路12の開度を制御する。同様に、タンク4の上部側にはユーザー側の使用済みないし余剰の温水をタンク4へ戻す外部循環通路16が配設されており、この外部循環通路16にも手動開閉弁17と落水防止弁18が設けられている。

0025

さらに、タンク4の下部側と熱交換器2との間には水供給通路20が設けられ、この水供給通路20には、上流側から異物除去ストレーナ21とポンプ22と給水の流量を検出する給水流量計23とが設けられ、ポンプ22と給水流量計23との間には給水温度センサ24が設けられている。この給水温度センサ24ではタンク4からポンプ22によって熱交換器2に導入される給水の温度が検出され、その検出値の情報が後述するコントローラ33に入力される。給水流量計23ではタンク4からポンプ22で熱交換器2に導入される給水の流量が検出され、その検出値の情報もコントローラ33に入力される。

0026

熱交換器2とユーザー負荷である給湯側との間には、熱交換器2からの温水を外部の負荷に供給する給湯通路25が設けられ、この給湯通路25の下流側に手動の給湯調整弁26が、その上流側に逆止弁27がそれぞれ設けられ、給湯調整弁26と逆止弁27との間には温水温度を検出する前記温水温度センサ30と温水圧力を検出する圧力センサ31とが設けられている。これらの温水温度センサ30と圧力センサ31で得た検出値も情報としてコントローラ33に入力される。

0027

コントローラ33は、このフィードフォワード制御型給湯システム1のFF制御を有効に動作させるための制御操作盤である。このコントローラ33は、温水温度センサ30で検出された温水温度が目標の設定温度となるように蒸気制御弁3のバルブ開度を調整する前記温度調整手段34を備えている。この温度調整手段34は、デジタル演算器またはアナログ電子回路で構成され、給水温度センサ24で検出された給水温度と設定温度との差ΔT、および蒸気圧センサ10で検出された蒸気圧力に基づき、蒸気制御弁3のバルブ開度を所定の演算式から求めて決定し、このバルブ開度となるように蒸気制御弁3のバルブ開度を調整する、FF制御を行う。

0028

温度調整手段34による蒸気制御弁3のバルブ開度の調整は、具体的には、まず、つぎの演算式(1)により、給水温度Tcと設定温度T0の差ΔTと、熱交換器2を流れる水の流量である給水流量計23により検出した給水流量Mcとから、必要熱量Erを求める。
Er=C×ΔT×Mc……(1)(Cは水の比熱
ここで、給水流量Mcと給湯通路25を流れる温水流量とは同一であるから、給湯通路25に水流量計の一種である温水流量計を設けて、検出された温水流量を給水流量の代わりに用いてもよい。

0029

つぎに、蒸気圧力Psから蒸気制御弁3の全開時に得られる最大熱交換量(最大蒸気流量)Emaxを求め、これらの必要熱量Erと最大熱交換量Emaxとの熱量比Er/Emaxから蒸気制御弁3のバルブ開度を決定する。実験によれば、図3のグラフに示すように、例えば、バルブ開度100%とした場合、蒸気圧力Psと最大熱交換量Emaxは比例関係にあり、蒸気圧力の増加にともない最大熱交換量Emaxが大きくなる。飽和蒸気では蒸気圧力Psと蒸気温度は一意的に決まる関係であるため,蒸気圧力センサ蒸気温度センサとすることも可能である。これらの蒸気圧力センサと蒸気温度センサは合わせて単に蒸気センサという場合もある。

0030

バルブ開度Vopと前記熱量比Er/Emaxとの関係は、実験によれば、蒸気圧力Psの大きさにかかわらず、図4に示した曲線で表される。したがって、熱量比Er/Emaxからバルブ開度Vopが求まり、温度調整手段34からの制御信号により、蒸気制御弁3の開度がバルブ開度Vopに設定される。こうして、給水温度Tc、設定温度T0および蒸気圧力Psに基づき、蒸気制御弁3の開度が調整される。図3および図4のグラフは、温度調整手段34にデータとして記憶されている。

0031

さらに、コントローラ33は、設定温度T0を外部からの入力操作により設定する温度
設定手段36を備えている。この温度設定手段36は図示するようにアナログタイプダイヤルであるが、この他、デジタルタイプタッチパネル操作タンであってもよい。設定温度は、例えば、60℃、70℃または90℃など、用途に応じて適宜選択される。

0032

以上のように構成した本発明によれば、温水温度センサ30で検出された給湯温度Twが設定温度T0となるように、温度調整手段34によるFF制御で、給水温度センサ24で検出された給水温度Tcと設定温度T0との差ΔT、水流量計で検出された水流量Mcおよび蒸気圧センサ10で検出された蒸気圧力Psを含む動作パラメータに基づき、蒸気制御弁3のバルブ開度Vopを決定して、この開度となるように蒸気制御弁3のバルブ開度Vopを調整できる。これにより、外乱要因として処理されていた給水温度と給水流量Mcと蒸気圧力Psの給湯の温度への影響を未然に防止できるので、安定的に設定温度の給湯が可能となる。また、FB制御のような後追い制御ではないから、短い立ち上がり時間で給湯が可能となる。

0033

また、図1のコントローラ33における温度調整手段34は、FF制御により、給水温度Tcと設定温度T0との差ΔTと、給水流量Mcとから必要熱量Erを求め、蒸気圧力Psから蒸気制御弁3の全開時に得られる最大熱交換量Emaxを求め、必要熱量Erと最大熱交換量Emaxとの熱量比Er/Emaxから蒸気制御弁3のバルブ開度Vopを決定するので、外乱要因に左右されることなく設定温度T0の給湯を得るための必要熱量Erを蒸気制御弁3から熱交換器2に供給できる。

0034

図1に示すように、コントローラ33に備えられたダイヤルのような温度設定手段36により設定温度を外部からの入力操作により設定できるので、ユーザーが外部から任意の設定温度を簡単に入力設定できて操作性に優れる。

0035

図2は本発明の第2実施形態にかかるフィードフォワード制御型給湯システムを示す。同図において、第1実施形態に示す給湯システムと同一部分または相当する部分には同一の符号を付してその詳しい説明は省略する。この第2実施形態では、前記第1実施形態におけるコントローラ33の温度調整手段34に替えて、FF・FB切替え可能な温度調整手段34Aと修正手段35とを備えている。温度調整手段34Aは、FF制御手段41と、FB制御手段42とを含んでおり、FF制御手段41によるFF制御が一定時間継続した後、温水温度(給湯温度)Twと設定温度T0との差ΔT1が所定値以上(許容誤差以上)であるとき、温水温度センサ30に検出された温水温度Twと設定温度T0との差、Tw−T0=T1に基づき、この差ΔT1を小さくするように蒸気制御弁3のバルブ開度Vopを調整する、一般的なFB制御に自動的に切り替わる。

0036

この第2実施形態では、温水温度Twと設定温度T0との差ΔT1が所定値以上であるとき、熱交換系統に劣化などの異常が発生したものと自動的に判断し、これを図示しないランプの点滅、サイレン発声などを行うアラーム報知手段によって外部に報知できるようになっている。

0037

前記修正手段35は、FB制御に切り替える際の前記温度差ΔT1と前記給水流量計23で検出された給水流量Mcとから、不足分の熱交換量を熱交換器2での熱交換量の変動値として求め、この変動値が極力小さくなってゼロに近づくように図1の蒸気制御弁3の開度を修正する。例えば、給湯温度Twが設定温度T0である60℃から5℃低下した場合、必要熱量Erを不足熱量単位流量を5℃分温度上昇させるための熱量×給水流量Mc)だけ増えるように、前記必要熱量Erを所定の演算式(1)により求めた値から修正する。この修正した値Erを用いて、図4に示すように、縦軸のEr/Emaxから横軸のバルブ開度Vopを求める。熱量比Er/Emaxの変動値が0.2であれば、Er/Emaxの値を0.4から0.6にシフトさせ、これに見合うようにバルブ開度Vopを60%から80%に修正する。これにより、不足分の蒸気が熱交換器2に供給され、設定温度T0の給湯が可能となる。この修正手段35はFF制御の演算式を自動的に修正できるようになっており、熱交換系の修理が完了するまで引き続きFF制御が行われる。

0038

この第2実施形態によれば、前記温度調整手段34Aは、FF制御が一定時間継続した後、給湯温度Twと設定温度T0との差ΔT1が所定値以上であるとき、給湯温度Twと設定温度T0との差ΔT1に基づき、この差ΔT1を小さくするように蒸気制御弁3の開度を調整するFB制御に切り替えることができる。これにより、FF制御で適切に給湯制御が行えない場合に、FF制御からFB制御に自動的に切り替えて蒸気制御弁3のバルブ開度Vopを適切に調整できる。このように、FF制御とFB制御を相互に補完的に併用することで、確実に、短い立ち上がり時間で安定的に設定温度の給湯が可能となる。

0039

さらに、コントローラ33における修正手段35により、FB制御に切り替える際の給湯温度Twと設定温度T0との温度差ΔT1と、給水流量計23で検出された給水流量Mcとに基づき、熱交換器2での熱交換量の変動値を図4で説明したとおりシフトさせることで、設定温度T0の給湯を供給するための必要熱量Erが得られるように蒸気制御弁3のバルブ開度Vopが適切に修正される。これにより、一層確実に、タイムロスなく、短い立ち上がり時間で安定的に設定温度の給湯が可能となる。

0040

図5は本発明の第3実施形態にかかるフィードフォワード制御型給湯システムを示す。通常、異なる型式の蒸気給湯器のみならず、同一型式の蒸気給湯器であっても熱交換器や蒸気制御弁の個体差や劣化があると、図6に示すように、蒸気圧力とEmaxとの関係に設計値である基準値からのずれが生じる。したがって、この関係を用いた、バルブ開度と熱量比Er/Emaxの関係にも、図7に示すように、基準値からのずれが生じる。同じ制御パラメータで給湯器を制御すると、制御結果に差が生じる。そこで、この第3実施形態では個々の給湯器に対して最適な制御パラメータを自動算出するプログラムを有し、熱交換特性が変化した場合でも良好な制御が得られるようにしている。

0041

図5に示す第3実施形態においても、第1実施形態に示す給湯システムと同一部分または相当する部分には同一の符号を付してその詳しい説明は省略する。この第3実施形態では、第1実施形態におけるコントローラ33の温度調整手段34に加えて、蒸気制御弁3のバルブ開度を決定するための制御パラメータを作成する自動調整(オートチューニング)手段40を備えている。この自動調整手段40は、給水温度センサ24で検出された給水温度Tcと設定温度T0との差、水流量計23で検出された水流量Mcおよび蒸気センサ10で検出された蒸気圧力または蒸気温度を含む動作パラメータに基づき、制御パラメータを作成する。

0042

自動調整手段40は、例えばコントローラ33に設けられたスタートボタン39を押すことにより、動作指令を受けて作動し、冷水の熱交換器2への供給を開始させる給水開始部41と、蒸気制御弁3を指定された複数の開度に設定する弁開度設定部42と、各開度における熱交換可能な最大熱量である熱交換量Eと前記各開度との関係を示す制御パラメータを作成するパラメータ作成部43とを有する。前記指定開度には蒸気制御弁3の全開を含むのが好ましい。なお、同図に示す給湯通路25には給湯システム1内が異常昇圧した場合にのみ開弁し、タンク4内に圧力を逃がす安全弁45が備えられているが、この安全弁45は第1および第2実施形態にも適宜採用できる。

0043

つぎに、自動調整手段40によるオートチューニング(AT)動作について図8により具体的に説明する。前述の動作指令を受けて動作が開始すると(ATスタート)、図5に示す給水開始部41により、まずポンプ22が作動し、冷水の熱交換器2への供給が開始される(S1)。つづいて、弁開度設定部42により、蒸気制御弁3を指定の第1の開度に設定する(S2)。この場合、指定の第1の開度は例えばバルブ全開である。ただし、バルブ全開に代えて、全開に近い開度を指定してもよい。この指定のバルブ開度を一定時間維持する(S3)。つぎに、蒸気制御弁3を指定の第2の開度である全閉にして、取得パラメータ、つまり、給水温度センサ24で検出された給水温度Tcと給湯温度Thとの差、水流量計23で検出された水流量Mcおよび蒸気センサ10で検出された蒸気圧力(絶対圧)含む動作パラメータをメモリ(図示せず)に保存する(S4)。

0044

蒸気圧力に代えて蒸気温度を用いてもよい。その後、パラメータ作成部43により、熱量比E/Emaxと前記開度との関係を示す制御パラメータPA1を算出する(S5)。このような動作を複数回(2〜4回)くり返す(S6)。2回目は例えば蒸気制御弁3を全閉にして制御パラメータPA2を得る。制御パラメータPA1とPA2は図9に示す位置にある。オートチューニングが規定回数に達していない場合、リターンしてS2に戻り、規定回数に達するまでくり返し動作する。

0045

FF制御に必要な情報は、次に示すA.蒸気圧力と蒸気制御弁3の全開時の最大熱交換量との関係、B.バルブ開度と熱交換量/最大熱交換量との関係、の2つである。

0046

A.蒸気圧力と最大熱交換量の関係式
蒸気圧力と最大熱交換量Emaxの関係式は、絶対圧の蒸気圧力をPstA、ゲージ圧の蒸気圧力をPstGとすると、下記のようになる。
絶対圧のとき、
Emax=aPstA (2)
ゲージ圧のとき、
Emax=aPstG+b (3)
このとき、aとbは常数である。bは大気圧における熱交換量EA(図9)である。
また、大気圧力(絶対圧)をPAとすると、絶対圧とゲージ圧の蒸気圧力の関係式は
PstA=PstG+PA (4)
となる。

0047

よって、aとPAもしくはaとbを求めることで蒸気圧力PstG(ゲージ圧)と最大熱交換量Emaxの関係がわかる。ここでは、図9特性線の傾きからaを求める。大気圧力PAは測定や仮定(大気圧力は大きく変化することはないので仮定で可)することで求めることが可能である。また、蒸気制御弁3の開度を3つ以上の指定開度に変更して蒸気圧力を2つ以上に変更させることで、aとbを求めることも可能である。

0048

B.バルブ開度と熱交換量/最大熱交換量の関係
前述した2つの指定バルブ開度に加えて、さらに2〜5回の異なるバルブ開度についてデータを取得し、図10相関特性曲線を得る。それぞれ取得した蒸気圧力、給水温度、給湯温度および給湯流量の動作パラメータを使用し、蒸気圧力から最大熱交換量を算出し、給水温度、給湯温度および給湯流量から熱交換量Eを算出する。算出したバルブ開度と熱交換量E/最大熱交換量Emaxとの関係をメモリに記憶させる。それぞれの指定バルブ開度において同様の計算を実施することで、図10に示すバルブ開度と熱交換量/最大熱交換量(E/Emax)の相関特性曲線を作成する。この図10で表された制御パラメータを用い、この制御パラメータの縦軸の熱交換量Eが演算式(1)で求めた必要熱量Erとなるときのバルブ開度を求め、第1実施形態で説明した蒸気制御弁3の開度を前記求めたバルブ開度に調整する。

0049

以上のとおり、図面を参照しながら好適な実施形態を説明したが、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、種々の追加、変更または削除が可能である。したがって、そのようなものも本発明の範囲内に含まれる。

0050

1…フィードフォワード(FF)制御型給湯システム
2…熱交換器
3…蒸気制御弁
23…給水流量計(水流量計)
24…給水温度センサ
26…給湯調整弁
30…温水温度センサ
33…コントローラ
34…温度調整手段
34A…FF・FB切替温度調整手段
35…修正手段
36…温度設定手段
40…自動調整手段
41…給水開始部
42…弁開度設定部
43…パラメータ作成部
45…安全弁

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