(57)【要約】【課題】流体の流量及び圧力を要求される値に素早く制御することができる冷却設備ポンプ省エネ制御装置を提供する。【解決手段】ポンプと、ポンプに接続され、ポンプから流体が供給される主配管と、主配管から分岐し、主配管から供給された流体を負荷に供給する複数の分岐配管と、複数の分岐配管にそれぞれ設けられ、分岐配管に流れる流体流量を調整する複数のバルブと、主配管の流体圧力を測定する圧力計と、ポンプ特性曲線の周波数特性と主配管及び複数の分岐配管のシステム抵抗曲線とを記憶した記憶装置と、ポンプ特性曲線の駆動周波数特性とシステム抵抗曲線とに基づいて、複数の分岐配管に流れる所望の流体流量を得るときの主配管の目標圧力値を演算し、バルブの開閉により複数の分岐配管に流れる流体流量が変化した場合に、圧力計による主配管の流体圧力の測定値を目標圧力値に保つように、ポンプの駆動周波数を制御する制御装置とを備えた。【選択図】図１
2010209698.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポンプと、
前記ポンプに接続され、前記ポンプから流体が供給される主配管と、
前記主配管から分岐し、前記主配管から供給された流体を負荷に供給する複数の分岐配管と、
前記複数の分岐配管にそれぞれ設けられ、前記分岐配管に流れる流体流量を調整する複数のバルブと、
前記主配管の流体圧力を測定する圧力計と、
前記ポンプ特性曲線の駆動周波数特性と前記主配管及び前記複数の分岐配管のシステム抵抗曲線とを記憶した記憶装置と、
前記ポンプ特性曲線の駆動周波数特性と前記システム抵抗曲線とに基づいて、前記複数の分岐配管に流れる所望の流体流量を得るときの前記主配管の目標圧力値を演算し、
前記バルブの開閉により前記複数の分岐配管に流れる流体流量が変化した場合に、前記圧力計による前記主配管の流体圧力の測定値を前記目標圧力値に保つように、前記ポンプの駆動周波数を制御する制御装置と、
を備えたことを特徴とする冷却設備ポンプ省エネ制御装置。
【請求項２】
前記制御装置は、前記バルブが全開したときの前記システム抵抗曲線に基づいて、前記目標圧力値を演算することを特徴とする請求項１記載の冷却設備ポンプ省エネ制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、連鋳冷却水設備等、冷却水を供給する冷却設備を制御する冷却設備ポンプ省エネ制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の冷却用スプレー設備等の冷却設備において、多分岐する管路系でのポンプ運転では、ポンプを商用周波数で固定速運転し、バルブの開度に応じて変動する管路抵抗とポンプ製造時に定まるポンプ特性曲線との交点により決まる流量の流体及び圧力を提供する。
【０００３】
また、高温の鋳造片（スラブ）等に噴霧する冷却水の挙動は、沸騰、熱伝達、蒸気膜の理論に支配される。即ち、冷却直前のスプレー部での流量、圧力により、鋳造片の品質が決まる。このため、スプレー部、ノズル形状等の負荷に関する検討が行われている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
また、流体の流量及び圧力については、配管設計、バルブ開閉手順の検討が行われている（例えば、特許文献２参照）。なお、流量制御としては、配管上に流量調整弁を配置するものが提案されている（例えば、特許文献３参照）。
【０００５】
上記構成の冷却設備等には、冷却能力を一定とするため、負荷に対して一定の流体の流量及び圧力の供給が要求される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平５−１７７３２２号公報
【特許文献２】特開平７−４００１８号公報
【特許文献３】特開平９−５７４０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、管路抵抗は、管路の長さや径の他に、敷設されているバルブ数、その開度によって変動する。即ち、バルブの開閉により、管路抵抗は、大きく変動する。このため、各バルブに流量検出器を設け、順次開くバルブのほかに、他のバルブを強制的に開いたり、開度位置１００％〜０％の範囲で制御する等をする必要がある。即ち、バルブ等の機械特性を把握した上で、総合的な管路抵抗を調整し、負荷に供給する流体の流量及び圧力を目標値に保たなければならない。かかる操作は、操業員の技能に依存し、流体の流量及び圧力を目標値にすることに時間及び負担がかかる場合があった。
【０００８】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、負荷に供給する流体の流量及び圧力を素早く目標値にすることができる冷却設備ポンプ省エネ制御装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明に係る冷却設備ポンプ省エネ制御装置は、ポンプと、前記ポンプに接続され、前記ポンプから流体が供給される主配管と、前記主配管から分岐し、前記主配管から供給された流体を負荷に供給する複数の分岐配管と、前記複数の分岐配管にそれぞれ設けられ、前記分岐配管に流れる流体流量を調整する複数のバルブと、前記主配管の流体圧力を測定する圧力計と、前記ポンプ特性曲線の駆動周波数特性と前記主配管及び前記複数の分岐配管のシステム抵抗曲線とを記憶した記憶装置と、前記ポンプ特性曲線の駆動周波数特性と前記システム抵抗曲線とに基づいて、前記複数の分岐配管に流れる所望の流体流量を得るときの前記主配管の目標圧力値を演算し、前記バルブの開閉により前記複数の分岐配管に流れる流体流量が変化した場合に、前記圧力計による前記主配管の流体圧力の測定値を前記目標圧力値に保つように、前記ポンプの駆動周波数を制御する制御装置とを備えたものである。
【発明の効果】
【００１０】
この発明によれば、負荷に供給する流体の流量及び圧力を素早く目標値にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】この発明の実施の形態１における冷却設備ポンプ省エネ制御装置の全体構成図である。
【図２】この発明の実施の形態１における冷却設備ポンプ省エネ制御装置による流体の流量及び圧力の制御方法を説明するための図である。
【図３】この発明の実施の形態１における冷却設備の消費電力を説明するための図２相当図である。
【図４】この発明の実施の形態１における冷却設備の圧力変動とバルブ制御による冷却設備の圧力変動との比較を説明するための図である。
【図５】この発明の実施の形態１における冷却設備ポンプ省エネ制御装置の動作を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
この発明を実施するための形態について添付の図面に従って説明する。なお、各図中、同一又は相当する部分には同一の符号を付しており、その重複説明は適宜に簡略化ないし省略する。
【００１３】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１における冷却設備ポンプ省エネ制御装置の全体構成図である。
図１において、１は既設のポンプである。２はポンプ駆動用の電動機である。３は主配管である。この主配管３の一端には、ポンプ１が接続される。この主配管３は、ポンプ１から流体が供給されるものである。４は複数の分岐配管である。これらの分岐配管４は、互いに異なる揚程で主配管３に接続される。これらの分岐配管４は、主配管３から流体が供給されるものである。５ａ〜５ｄは第１バルブ〜第４バルブである。これらのバルブ５ａ〜５ｄは、複数の分岐配管４にそれぞれ設けられ、分岐配管４に流れる流体流量を調整するものである。６はスプレーである。このスプレー６は、分岐配管４にそれぞれ接続された負荷である。このスプレー６は、分岐配管４から流体を供給され、流体を噴霧するものである。このスプレー６の噴霧方向には、鋼片等が矢印方向に移動している。これにより、スプレー６から噴霧された流体により、鋼片等が冷却される。
【００１４】
７は圧力計である。この圧力計７は、主配管３に流れる流体圧力を測定するものである。８はインバータである。このインバータ８は、電動機２の周波数を制御するものである。９は省エネ制御装置である。この省エネ制御装置９は、記憶装置１０を備える。記憶装置１０は、ポンプ特性曲線の駆動周波数特性と主配管３及び複数の分岐配管４のシステム抵抗曲線とを記憶している。また、省エネ制御装置９は、ポンプ特性曲線の駆動周波数特性とシステム抵抗曲線に基づいて、分岐配管４に流れる所望の流体流量を得るときの主配管３の目標圧力値を演算する機能を備える。さらに、省エネ制御装置９は、第１〜第４バルブ５ａ〜５ｄの開閉により複数の分岐配管４に流れる流体の流量が変化した場合に、圧力計７による主配管３の流体圧力の測定値を目標圧力値に保つように、ポンプ１の駆動周波数、即ち、電動機２の周波数を制御する機能を備える。
【００１５】
ここで、省エネ制御装置９による流体の流量及び圧力の制御方法をより詳細に説明する。
記憶装置１０に記憶されたシステム抵抗曲線とは、流体に対する配管内の損失、配管曲がり部の損失等で決まるシステム全体の抵抗のことである。一般に、システム抵抗曲線は、配管の内径、動水勾配、流速係数等で決まることが一般的に知られている。このシステム抵抗曲線の計算式としては、例えば、ウイリアムハーゼンの式、レイノルズ数の計算、経験式等が知られている。
【００１６】
また、直列配管においては、各々の配管分岐点で、流体流量が同一であり、全損失は各配管分岐点での損失の合計となることが知られている。一方、並列配管においては、各分岐配管４が分岐、合流する階だの損失は同一であり、流体の全流量が各分岐配管４中の流量の合計と同一であることが知られている。例えば、システム抵抗曲線は、バルブが一定開度に設定されていれば増加し急峻になるが、バルブが全開になると横になり減少する。一方、ポンプ１の特定駆動周波数、即ち、特定回転数におけるポンプ特性曲線は、メーカでのポンプ１の製造時に決まる。そして、システム抵抗曲線とポンプ特性曲線の交点は、両者が平衡する点となる。即ち、上記構成の冷却設備の主配管３に流れる流体の流量及び圧力は、この交点の値となる。
【００１７】
本実施の形態において、省エネ制御装置９は、図２に示すような制御を行う。なお、説明の簡略化のため、第４バルブ５ｄがなく、第１バルブ５ａ〜５ｃとこれらの対応する分岐配管４が設けられている場合で検討する。
図２はこの発明の実施の形態１における冷却設備ポンプ省エネ制御装置による流体の流量及び圧力の制御方法を説明するための図である。
図２において、横軸には流体の流量が示される。縦軸には各分岐配管５ａ〜５ｃの揚程・流体圧力が示される。１１はバルブ１のみが全開したときのシステム抵抗曲線である。１２はシステム抵抗曲線１１と商用周波数運転時のポンプ特性曲線との交点である。しかし、製品側の必要品質を確保できるのであれば、交点１２で示された流体の流量及び圧力である必要はない。
【００１８】
そこで、省エネ制御装置９は、ポンプ特性曲線とシステム抵抗曲線１１との交点が最適な流体の流量と圧力とになるように、電動機２の周波数を選択する。このときのシステム抵抗曲線１１上の点は、１３で示される。そして、省エネ制御装置９は、この周波数で電動機２を運転するように、インバータ８に指令を出す。このとき、主配管３の流体圧力は、圧力計７で確認される。かかる駆動周波数において、ポンプ特性曲線は、１４となる。
【００１９】
次に、第２バルブ５ｂが全開すると、システム抵抗曲線が１５に変動する。このときのポンプ特性曲線１４とシステム抵抗曲線１５の交点は、１６となる。このため、第１バルブ５ａに対応した分岐配管４に流れる流体の流量及び圧力は、第１バルブ５ａのみ全開したときに比べて減少する。具体的には、第１バルブ５ａに対応した分岐配管４に流れる流体の流量及び圧力は、流量Ａ、圧力Ｂとなる。そこで、省エネ制御装置９は、主配管３の流体圧力が目標圧力値となるような周波数で電動機２を運転するように、インバータ８に指令を出す。具体的には、省エネ制御装置９は、システム抵抗曲線１５上で主配管３の流体圧力が目標値となるような点１７になるように、電動機２の周波数を上げる。このときの主配管３の流体圧力は、圧力計７で確認される。かかる駆動周波数において、ポンプ特性曲線は、１８となる。
【００２０】
次に、第３バルブ５ｃが全開すると、システム抵抗曲線が１９に変動する。このため、第１バルブ５ａに対応した分岐配管４に流れる流体の流量及び圧力は、第１及び第２バルブ５ａ、５ｂのみ全開したときに比べて減少する。そこで、省エネ制御装置９は、システム抵抗曲線上１９で、主配管３の流体圧力が目標圧力値となるように周波数を上げる。このときのシステム抵抗曲線１９上の点は、２０となる。このときの主配管３の流体圧力は、圧力計７で確認される。かかる状態において、ポンプ特性曲線は、２１となる。
【００２１】
無論、全体としての流体流量は、増加することになるが、例えば、第１〜第３バルブ５ａ〜５ｃの先の熱延鋼板を各バルブ５ａ〜５ｃから吐出する流体で冷却する場合は、各バルブ５ａ〜５ｃからの流体流量の一定化が重要となる。理由は、各バルブ５ａ〜５ｃからの水量が変動すると、一定の冷却能力を常に保つことができなくなり、品質に影響する為である。
【００２２】
このときの消費電力は、図３に示すようになる。
図３はこの発明の実施の形態１における冷却設備の消費電力を説明するための図２相当図である。
２２は本実施の形態における冷却設備ポンプ省エネ制御装置の消費電力である。２３はバルブ制御による冷却設備の消費電力である。一般に、消費電力は、流体の流量と圧力の積で求められる。このため、バルブの一定開度で流体を供給する消費電力よりも、同じ流量でバルブを全開して電動機２の周波数を減らしたときの消費電力のほうが小さくなる。即ち、消費電力２３から消費電力２２を差し引いた電力が、本実施の形態の制御方法で流体の流量及び圧力を制御した場合の省エネ電力量となる。
【００２３】
次に、図４を用いて、実施の形態１における冷却設備の圧力変動とバルブ制御による冷却設備の圧力変動とを比較する。
図４はこの発明の実施の形態１における冷却設備の圧力変動とバルブ制御による冷却設備の圧力変動との比較を説明するための図である。
ここで、図４において、２４は本実施の形態における冷却設備の主配管３での流体圧力である。２５はバルブ制御による冷却設備での主配管３での流体圧力である。２６〜２８はそれぞれ第１〜第３バルブ５ａ〜５ｃの開閉状態信号である。
【００２４】
ここで、商用周波数での運転では、主配管３での流体の圧力は、ポンプ１の特性とバルブの開度ごとの配管抵抗のみで決まる。このため、バルブ制御による冷却設備の圧力２５は、各バルブ５ａ〜５ｃを開くごとに大きく減少し、各バルブ５ａ〜５ｃを閉じるごとに大きく増加する。一方、本実施の形態における冷却設備においては、商用周波数で発生する最大圧力よりも小さい圧力２４で、運転するように周波数が決定される。このため、各バルブ５ａ〜５ｃを開くと、瞬間的に圧力２４が減少するが、省エネ制御装置９の制御により、ポンプ１の駆動周波数が上がり、圧力２４が目標圧力値に保たれる。一方、各バルブ５ａ〜５ｃが閉じると、瞬間的に圧力２４が増加するが、省エネ制御装置９の制御により、ポンプ１の駆動周波数が下がり、圧力２４が目標圧力値に保たれる。
【００２５】
次に、第５図を用いて、省エネ制御装置９の動作を説明する。
図５はこの発明の実施の形態１における冷却設備ポンプ省エネ制御装置の動作を説明するための図である。
まず、ステップＳ１で、主配管３の現状流体圧力が計測され、ステップＳ２に進む。ステップＳ２では、第１バルブ５ａが開いたときの流体圧力が計測される。ステップＳ３では、この状態で、第１バルブ５ａに流れる流体圧力が目標圧力値になるように、周波数を下げたときの流体圧力が計測される。これと同時に、省エネ制御装置９内で、各周波数でのポンプ特性曲線との交点が求められ、ステップＳ４に進む。
【００２６】
ステップＳ４で、第２バルブ５ｂが開いたときの流体圧力が計測される。そして、第１バルブ５ａのみ開いたときの流体圧力と比較し、流体圧力が目標圧力値になるように電動機２の周波数を制御する。これと同時に、その周波数におけるポンプ特性曲線を省エネ制御装置９内に生成し、ステップＳ５に進む。ステップＳ５では、上記処理が第Ｎバルブを開くまで繰り返される。ここで、Ｎは、分岐配管４の数である。これにより、ある材料のバルブの開閉順序と流体流量の推定値が確定する。そして、ステップＳ６に進み、別の材料の場合、ステップＳ１〜Ｓ５を繰り返することにより、流体の流量の推定値がパターン化される。その後、ステップＳ７に進み、他の材料により繰り返しがない場合は、動作を終了する。一方、他の材料により繰り返しがある場合は、ステップＳ１に戻り、上記動作が繰り返される。
【００２７】
以上で説明した実施の形態によれば、省エネ制御装置９が、第１〜第３バルブ５ａ〜５ｃの開閉により複数の分岐配管４に流れる流体の流量が変化した場合に、圧力計７による主配管３の圧力の測定値を目標圧力値に保つように、ポンプ１の駆動周波数を制御する。このため、流体の流量及び圧力を要求される値に素早く制御することができる。また、本実施の形態の冷却設備ポンプ省エネ制御装置は、既存設備に対して、圧力計７を付加するのみで対応可能である。このため、本実施の形態の冷却設備ポンプ省エネ制御装置は、既存設備に対して容易に導入することができる。
【００２８】
さらに、省エネ制御装置９は、第１〜第３バルブ５ａ〜５ｃが全開したときの分岐配管４のシステム抵抗曲線に基づいて、目標圧力値を演算する。このため、操業者がバルブを全開するだけで所望の流体流量を得ることができるとともに、バルブ制御に比べ、消費電力を節約できる。
【００２９】
なお、本実施の形態においては、異なる揚程を有する複数の分岐配管系統を備えていた冷却設備について説明した。しかし、同一の揚程を有する複数の分岐配管系統を備えたデスケーリング設備についても、同様の手法で流量制御と省エネ制御とを行うこともできる。このデスケーリング設備は、鋼片に対して水をスプレーして、鋼片の表面にある酸化膜等を除去する設備である。このデスケーリング設備において、バルブはほぼ同じ高さに配置される。このため、分岐配管４は異なる揚程とはならないが、バルブ配列順に開閉を行う。即ち、管路抵抗は、バルブの開閉手順に依存して変動する。従って、本実施の形態と同様の手法が適用可能である。
【符号の説明】
【００３０】
１  ポンプ、  ２  電動機、  ３  主配管、  ４  分岐配管、  
５ａ〜５ｄ  第１〜第４バルブ、  ６  スプレー、  ７  圧力計、  ８  インバータ、  ９  省エネ制御装置、  １０  記憶装置、  １１  システム抵抗曲線、  １２  交点、
１３  点、  １４  ポンプ特性曲線、  １５  システム抵抗曲線、  １６  交点、  
１７  点、  １８  ポンプ特性曲線、  １９  システム抵抗曲線、  ２０  点、
２１  ポンプ特性曲線、  ２２、２３  消費電力、  ２４、２５  圧力、
２６〜２８  開閉状態信号
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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