(57)【要約】      （修正有）【課題】湿式冷却塔および乾式冷却適用におけるファンを効果的に稼働および管理できる方法およびシステムを提供する。【解決手段】コンピュータシステムを用いた可変プロセス制御システムは、１）ファンを駆動するモータを制御するために多様なフィードバック信号を処理する。２）産業プロセスの中断を防止し、設備の故障またはトリップを防止するために冷却システムの運転を最適化するようにデータおよびフィードバック信号を処理する。３）凝縮機の故障のような不完全な運転状況を是正するためのメンテナンス作業を行う必要性を運転者に警告する。４）原油を熱分解するために冷却を増加し、エネルギ節約のためのプラント部分負荷状況中にモータＲＰＭ、従ってファンＲＰＭを調整する。【選択図】図２
2018084407.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
産業プロセスで用いられる、液体冷却用ファンを有する冷却塔システムのための可変プロセス制御システムであって、該可変プロセス制御システムは、
ファンを回転するようにファンに結合された回転自在な軸を有する可変速、荷重支持永久磁石モータと、
モータの速度、回転方向およびトルクを表わすモータ状況信号を出力するように構成される、モータを順方向の運転または逆方向の運転のいずれかで、または一定速度で、または所定の加速率で加速するように、または所定の減速率で減速するように作動させる電力信号をモータに供給するためのプログラム可能なモータ制御器と、
プレナム圧力を計測するためのセンサ装置と、
プログラム可能なモータ制御器と電子信号で通信しかつモータおよびプログラム可能なモータ制御器の作動特性を表す参照データ、少なくとも１つのファン速度曲線、現在の環境ストレス、冷却塔の地理的位置に対応する履歴環境ストレス、冷却塔設計パラメータ、履歴プロセス需要パターン、ファン空力特性およびファンピッチを含むファンマップ、ファン平衡データ、およびファン振動シグナチャおよび共鳴振動シグナチャを含む振動シグナチャを記憶するためのデータ記憶資源を含むコンピュータシステムと
を含み、該コンピュータシステムが、
（ｉ）  ファンによって生まれる質量空気流を決定するようにファンピッチ、ファン回転速度、ファントルクおよび計測されたプレナム圧力を処理し、
（ii）  ファンによって生まれる質量空気流が現在のプロセス需要に合致するのに十分であるかを決定し、そして
（iii）  所定時間以上のファン速度を画定するファン速度曲線を生成するように現在のプロセス需要、現在の環境ストレス、履歴プロセス需要および履歴環境ストレスを示すデータを処理しそして生成されたファン速度曲線により画定される回転速度に従ってモータの回転速度を制御するようにプログラム可能なモータ制御器へ入力するための制御信号を生成する
ようにプログラムされる、可変プロセス制御システム。
【請求項２】
コンピュータシステムは現在の質量空気流が現在のプロセス需要に合致するのに十分でないときにファンの回転速度を増加するようにプログラム可能なモータ制御器に自動的に制御信号を発するようにプログラムされる、請求項１に記載の可変プロセス制御システム。
【請求項３】
冷却塔はファンによって冷却された液体を受けるための収集槽を備え、凝縮機が収集槽から産業プロセスへの流体の流れ中にかつ産業プロセスから冷却塔への流体の流れ中にあり、可変プロセス制御システムは、
コンピュータシステムに凝縮機温度設定点を提供するための手段をさらに含み、そして
コンピュータシステムは与えられた凝縮機温度設定点に基づいて収集槽温度を算出しそして実際の収集槽温度を所定の収集槽温度と実質的に同じ温度に維持するためにファン回転速度を調節するようにモータの速度を調整するようにプログラム可能なモータ制御器に入力するためのモータ制御信号を生成するようにさらにプログラムされる、
請求項１に記載の可変プロセス制御システム。
【請求項４】
コンピュータシステムと通信する、実際の収集槽温度を継続的に計測するための少なくとも１つの温度センサをさらに含み、コンピュータシステムは計測された実際の収集槽温度を処理するようにさらにプログラムされる、請求項３に記載の可変プロセス制御システム。
【請求項５】
コンピュータシステムはファン速度曲線を生成するように現在のプロセス需要、現在の環境ストレス、履歴環境ストレスおよび履歴プロセス需要を表わすデータを処理するようにプログラムされ、ファン速度の変動はエネルギ消費量を最適化してエネルギ節約を実現するように所定の時間中に相対的に小さな増加を生じる、請求項１に記載の可変プロセス制御システム。
【請求項６】
モータは内部を有するハウジング、該内部内のステータおよびロータおよび該内部内の軸受を含み、可変プロセス制御システムはモータハウジングの計測された温度がモータハウジング温度閾値を超えたときを決定し、そして計測されたモータハウジング温度がモータハウジング温度閾値を超えたときに警報信号を生成するようにプログラムされる、請求項１に記載の可変プロセス制御システム。
【請求項７】
ハウジング、ステータおよび軸受の内部の温度を計測するための少なくとも１つのセンサ装置をさらに含み、コンピュータシステムは計測された内部、ステータおよび軸受の温度が所定の温度閾値を超えたときを決定し、そして計測された温度のいずれかが閾値温度を超えたときに１つまたはそれ以上の警報信号を生成するようにプログラムされる、請求項６に記載の可変プロセス制御システム。
【請求項８】
振動を計測するためのセンサをさらに含み、コンピュータシステムは計測された振動を処理して計測された振動が記憶された基準振動シグナチャのいずれかに適合するかを決定し、そして計測された振動が記憶された基準振動シグナチャのいずれかに適合したときに警報信号を生成するようにプログラムされる、請求項６に記載の可変プロセス制御システム。
【請求項９】
センサは冷却塔システムのモータ、軸受、ファンおよびファン支持構造体の振動を計測する、請求項８に記載の可変プロセス制御システム。
【請求項１０】
記憶された基準振動信号はファンシステムの差し迫った機能停止に相当する所定の振動シグナチャを含み、そしてコンピュータシステムは計測された振動が所定の振動シグナチャのいずれに合致するかを決定し、計測された振動が所定の振動シグナチャのいずれに合致したときに警報信号を生成するようにプログラムされる、請求項９に記載の可変プロセス制御システム。
【請求項１１】
冷却塔についての振動を計測するためのセンサをさらに含み、コンピュータシステムは計測された振動を処理して計測された振動が記憶された基準振動シグナチャのいずれかに合致するかを決定しそして計測された振動が記憶された基準振動シグナチャのいずれかに合致したときに警報信号を生成するようにプログラムされる、請求項１に記載の可変プロセス制御システム。
【請求項１２】
振動が不平衡ファン、モータの不安定度、ファンシステムの変形または損傷、特定のモータＲＰＭにより生じる共鳴振動数、またはファン支持構造体の不安定度により生じたことを決定するように１つまたはそれ以上の振動解析アルゴリズムで計測された振動を処理するために後処理コンピュータ資源をさらに含む、請求項１１に記載の可変プロセス制御システム。
【請求項１３】
産業プロセスのオペレータに警告するために警報信号をプラント分配制御システムに送る手段をさらに含む、請求項１１に記載の可変プロセス制御システム。
【請求項１４】
モータの回転軸を停止、制動、保留および係止するようにモータの回転軸に係合する制動システムをさらに含む、請求項１に記載の可変プロセス制御システム。
【請求項１５】
モータは回転軸に取り付けられたロータとロータを停止、制動、保留および係止するようにロータに係合する制動システムとを備える、請求項１に記載の可変プロセス制御システム。
【請求項１６】
コンピュータシステムは計測された振動が所定の振動シグナチャに合致したときにモータを０．０ＲＰＭに惰性で進ませそしてモータを０．０ＲＰＭに保持できる永久磁石モータに信号を与えるようにプログラム可能なモータ制御器にモータ制御信号を出力するようにプログラムされる、請求項１に記載の可変プロセス制御システム。
【請求項１７】
モータの速度を所定の負の傾斜率に従って減少させ、次いで逆向きの回転を防止するためにモータを０．０ＲＰＭに保持するようにプログラム可能なモータ制御器に入力するためのモータ制御信号を生成するようにプログラムされる、請求項１に記載の可変プロセス制御システム。
【請求項１８】
プログラム可能なモータ制御器は所定の負の傾斜率に従ってモータを減速する所定のモータ減速運転曲線を記憶するためのデータ記憶資源を備える、請求項１７に記載の可変プロセス制御システム。
【請求項１９】
コンピュータシステムは運転の除氷モードが要求されることを決定しそして運転の除氷モードが要求されたときにファンを逆回転させるようにモータの逆運転を生じさせるようにモータに電力信号を与えるように現在の環境ストレスデータ、冷却塔設計パラメータおよび履歴環境ストレスデータを処理するようにプログラムされる、請求項１に記載の可変プロセス制御システム。
【請求項２０】
プログラム可能なモータ制御器は所定の加速度を画定するデータを記憶するためのデータ記憶装置を備え、プログラム可能なモータ制御器がモータ回転速度は０．０ＲＰＭであることを検出したとき、コンピュータシステムはモータ回転速度を所定の加速度に従って増速させるようにモータ制御信号をプログラム可能なモータ制御器に出力するようにプログラムされる、請求項１に記載の可変プロセス制御システム。
【請求項２１】
プログラム可能なモータ制御器は所定の加速度を画定するデータを記憶するためのデータ記憶装置を備え、プログラム可能なモータ制御器がモータは逆方向に運転していることを検出したとき、コンピュータシステムは、ファンが逆方向に回転されている間、モータ回転速度を所定の最大ファン速度に従って減速させるようにモータ制御信号をプログラム可能なモータ制御器に出力するようにプログラムされる、請求項１に記載の可変プロセス制御システム。
【請求項２２】
永久磁石モータは密封軸受をさらに含み、密封軸受は、
空気流およびファンの重さによるファンスラスト力によって生じるスラスト負荷を吸収するように回転軸の下方端部に配置される第１軸受と、
球形ローラスラスト軸受上に配置されかつファン組立体不平衡および不安定な風荷重によるヨーモーメントによって生じるラジアル荷重に対向する第２軸受と、
ファンの逆回転または強突風中に生じる相対的に低い逆スラスト荷重に対向するための第３軸受と
を備える、請求項１に記載の可変プロセス制御システム。
【請求項２３】
ファンシステムの振動を検知しそして検知した振動を表わす信号を出力する、軸受に近接した振動センサをさらに含み、振動センサはファン不平衡から生じる振動を検知するように特有な感度および高忠実度を有し、コンピュータシステムは可変プロセス制御システムのオペレータがファンおよびファン支持構造体の整合性を低下してしまう振動力および動力学的結合力を消去するために正しいファントリム平衡を実行すべきことを決定するように振動センサにより出力された信号を受けて処理するように構成されかつプログラムされる、請求項２２に記載の可変プロセス制御システム。
【請求項２４】
冷却塔システムは充填材料および／またはチューブネットワークを備える湿式冷却システムとして構成され、モータはファンがいずれの方向からも空気流を充填材料および／またはチューブネットワークを通ることができる位置に方向を合わせられる、請求項１に記載の可変プロセス制御システム。
【請求項２５】
冷却塔システムはチューブネットワークを備えた乾式冷却システムとして構成され、、モータはファンがいずれの方向からも空気流をチューブネットワークを通ることができる位置に方向を合わせられる、請求項１に記載の可変プロセス制御システム。
【請求項２６】
冷却塔システムはマルチセル式冷却塔システムであり、可変プロセス制御システムは複数のファン、複数の可変速、耐荷重性永久磁石モータ、複数のプログラム可能なモータ制御器およびプレナム圧力を計測するための複数のセンサ装置をさらに含み、各ファン、モータ、プログラム可能な制御器およびセンサはマルチセル式冷却塔の対応するセルと関連され、各セルのプログラム可能なモータ制御器およびセンサはコンピュータシステムと電子信号で通信し、コンピュータシステムは各セルの各プログラム可能なモータ制御器をその他のセルのプログラム可能なモータ制御器とは無関係に制御するようにプログラムされる、請求項１に記載の可変プロセス制御システム。
【請求項２７】
可変速モータと各々がそこを通って流れる液体の流量、圧力および温度を含むポンプ状況信号を提供するためのセンサ装置とを備える、液体を冷却塔から産業プロセスそして冷却塔に戻すように送り込む複数の可変速ポンプと、
各々が対応する可変速ポンプと関連されそして対応するポンプの可変速モータに電力信号を与えそして対応するポンプの可変速モータの速度およびトルクを表わすモータ状況信号を出力する追加のプログラム可能なモータ制御器と
をさらに含み、
コンピュータシステムは追加のプログラム可能なモータ制御器および各可変速ポンプのセンサ装置と電子的に通信する、
請求項１に記載の可変プロセス制御システム。
【請求項２８】
冷却塔システムはファンによって冷却される液体を受容するための収集槽を備え、コンピュータシステムは所定の槽温度設定点、所定の熱交換機設定点および所定のタービン背圧を表わすデータ信号を受けて処理するように構成され、コンピュータシステムはタービン背圧を維持しかつ熱交換機の汚損を回避するために環境ストレスおよびプロセス需要状況が変化したときに一定の槽温度設定点を維持しそして産業プロセスにおける所定の熱交換機およびタービン背圧設定点を維持するようにファンおよび／またはポンプの速度を変化するようにモータ制御信号をプログラム可能なモータ制御器に与えるようにプログラムされる、請求項２７に記載の可変プロセス制御システム。
【請求項２９】
冷却塔システムはファンによって冷却される液体を受容するための収集槽を備え、コンピュータシステムは所定の槽温度設定点、所定の熱交換機設定点および所定のタービン背圧設定点を表わすデータ信号を受領して処理するように構成され、コンピュータシステムはタービン背圧を維持しかつ熱交換機の汚損を回避するために環境ストレスおよびプロセス需要状況が変化したときに槽温度を変化しそして産業プロセスにおける所定の熱交換機およびタービン背圧設定点を維持するようにファンおよび／またはポンプの速度を変化するようにモータ制御信号をプログラム可能なモータ制御器に与えるようにプログラムされる、請求項２７に記載の可変プロセス制御システム。
【請求項３０】
コンピュータシステムは
産業プロセスに関連する現在のプロセス需要状況を表わす外部のリアルタイムデータ信号を連続的に受領しそしてプロセス需要状況の変化および／または環境状況の変化に応じてファンおよび／またはポンプの速度を変化するようにモータ制御信号をプログラム可能なモータ制御器に出力するために受領したリアルタイムデータ信号を連続的に処理するように構成される、請求項２７に記載の可変プロセス制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［関連出願の相互参照］
本出願は、２０１１年１０月２１日に出願された米国仮出願番号第６１／５４９８７２号の便益を主張する。米国仮出願番号第６１／５４９８７２号の開示事項はすべて参照することにより本出願に組み込まれる。
本発明は、総体的に、冷却塔、空冷式熱交換機（ＡＣＨＥ）、ＨＶＡＣ、機械式冷却塔および冷却機の稼働および機能を有効に管理するための方法およびシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
湿式冷却塔や空冷式熱交換機（ＡＣＨＥ）のような産業用冷却システムは、発電所、石油精製装置、石油化学および化学プラント、天然ガス処理プラントおよびその他の産業設備で用いられる、吸収された熱を冷却水の循環中に取り除くために使用される。湿式冷却塔およびＡＣＨＥは、石油精製業において広範に用いられている。石油の精製は、湿式冷却塔や空冷式熱交換機によって提供される冷却機能に依存する。精油所は炭化水素を高温で処理しそして液体接触分解および異性化のようなプロセスを用いて加圧する。冷却水は作動温度および圧力を制御するように用いられる。製油所内の冷却水循環のロスは、処理ユニットの即時停止を必要とする不安定で危険な稼働条件を引き起こす。湿式冷却塔およびＡＣＨＥは、石油精製業にとって「必須の資源」である。それ故に、精油所安全および利益にとって冷却信頼性が必須でありそして冷却水使用法における環境規制、環境上の許可、変動性のない供給プロセス制限および可変な精製マージンのような多くの因子によって影響される。自動車用および航空機用燃料のような高価な製品に対する需要が増加して精製能力が縮小すると、製油所は、安価な副産物から水素を抽出して高価な製品に再結合する多くの新規なプロセスを組み入れる。これらのプロセスは、製品の収率および品質を最適化するのに冷却に依存している。過去１０年間、多くの製油所は、低級石油製品を航空機用および自動車用ガソリンのようなより高級でより利益の多い製品に改質するプロセスを増大してきた。これらのプロセスは、製品品質、処理収率および処理の安全性に影響を及ぼす処理温度および圧力を制御するために、湿式冷却塔およびＡＣＨＥに大きく依存している。加えて、これらのプロセスはいくつか製油所で冷却塔に相当量の予備冷却能力を備えて、真夏日や障害時であっても「冷却制限」を免れている。ＡＣＨＥ冷却は、湿式冷却塔と異なり、蒸発の潜熱または「蒸発冷却」に対するものとして空冷のための空気に依存する。米国の製油所のほとんどでは能力の９０％を優に上回って稼働しており、かくして、連続した精製運転が精製利潤には絶対不可欠であり、プロセスの性能向上のための投資が過去１０年以上実施されている。石油製品価格の影響に関する冷却ユニットの連続稼働の効果は、報告書「Refinery Outages：Description and Potential Impact On Petroleum Product Pricess（精製機能停止：石油製品価格の詳細および潜在的影響）」、2007年3月、米国エネルギー省発行、に述べられている。
【０００３】
典型的に、湿式冷却塔システムは、産業用設備における一連の冷却機および凝縮機を経由する冷却水を保持するボウルを含む。冷却水は、冷却または凝縮するのに必要な高温のプロセスの流れから熱を吸収し、吸収された熱は循環する水を温める。温かい循環水は冷却塔の頂部に送られて、冷却塔内の充填材料上に滴り落ちる。充填材料は、水と空気との間で最大の接触表面および最大の接触時間を提供するように形成される。水は充填材料上に滴り落ちるので、自然通風か、冷却塔内の大きなファンを使用する強制通風かのいずれかによって冷却塔を通って上昇する外気と接触する。多くの湿式冷却塔は、前述の技術に従って水の冷却がそれぞれ行われる複数のセルを含む。このような冷却塔は、論文「Cooling Tower Fundamentals（冷却塔の原理）」、第２版、2006年、John C．Hensley著、SPX Technologies，Inc．発行、に詳細に記載されている。
【０００４】
現在使用されている湿式冷却塔の多くは、前述したように、外気を供給するのに大きなファンを使用している。ファンは、冷却塔のファン用床に配置されたファン排気筒内に囲われている。ファン排気筒は、典型的に、ファンを閉じ込めてファン速度回復を加えるために放物線形状を有するように形成される。別のシステムでは、ファン排気筒は円筒形状を有している。ファンを駆動して回転するために駆動システムが用いられる。冷却塔の効率および生産速度はファン駆動システムの効率に大きく依存する。冷却塔環境におけるファン駆動システムに要求される負荷サイクルは、厳しい湿気、粗悪な水質、潜在的に爆発性のガスおよび氷結条件、ウインドシア力、腐食性の水処理化学薬品、および機械的駆動必需品に対する要求のために非常に厳しい。石油産業で一般的に用いられているタイプである複数セル型の冷却塔では、各セルと協働するファンおよびファン駆動システムがある。そのため、特定のセルと協働する機械的ファン駆動システムが運転停止すると、そのセルは「セル機能停止」を被る。セル機能停止は石油精製の生産量の減少を引き起こす。例えば、１日続くだけの「セル機能停止」は、数百キロリットル（数千バーレル）の石油精製ロスを引き起こす。多数のセルが１日以上機能停止を続けると、製油所の生産能力は非常に低下してしまう。ある期間にわたる生産力のロスは冷却塔の冷却能力全体における損失パーセントとして測定できる。より多くのセル機能停止が所定の期間内に生じたとき、冷却塔の冷却能力全体の損失パーセントは増大する。このことは、今度は、製油所の生産量および利益性を損なって、消費者への精製製品価格を高騰させる。製油所の生産量が減少することで、わずかであっても、顧客へのガソリン価格を高騰させてしまうことは珍しいことではない。冷却ＢＴＵと１日当りの生産バーレル（ＢＢＬ／日）の間には直接的な関係がある。
【０００５】
湿式冷却塔に一般的に用いられている従来の駆動システムの一つは、複雑な機械的ファン駆動システムである。このタイプの従来型ファン駆動システムは、動力伝達装置を駆動するモータを用いる。動力伝達装置は、ファンブレードに結合されて駆動するギアボックス、ギア減速機または減速装置に結合される。図１を参照すると、湿式冷却塔１の一部が示されている。湿式冷却塔１は前述した従来のファン駆動システムを用いている。湿式冷却塔１はファン排気筒２とファン３を有する。ファン３はファン封止ディスク４、ファンハブ５Ａおよびファンブレード５Ｂを有する。ファンブレード５Ｂはファンハブ５Ａに結合される。従来のファン駆動システムは駆動軸７に連結されたギアボックス６を備え、駆動軸７はギアボックス６を駆動する。従来のファン駆動システムは駆動軸７を回転する誘導モータ８を備える。図示されていないが周知である軸継ぎ手が駆動軸７の両端にある。この軸継ぎ手は駆動軸７をギアボックス６と誘導モータ８とに連結する。湿式冷却塔１はその上にファン排気筒２が着座されるファンデッキ９を備える。ギアボックス６および誘導モータ９は周知の梯子状フレームまたはトルクチューブ（図示なし）によって支持される。振動スイッチが、典型的に、梯子状フレームまたはトルクチューブに配置される。この振動スイッチの一つは図１に示された振動スイッチ８Ａである。これらの振動スイッチは何らかの理由によりファンが不安定になったときにファンを自動的に停止するように機能する。この従来のファン駆動システムは、作動停止、所要のＭＴＢＦ（平均故障間隔）未満をしばしば起こしがちであり、有効に作動するためには定期的なオイル交換のような入念な保守を必要とする。連結および回転軸のアライメントは重要であり、経験を必要とする専門的技能を必要とする。従来のギアボックス式ファン駆動を用いる汎用の機械的駆動システムの一つは、５本の回転軸、８個の軸受、３つの軸封部（２つは高速用）および４個の歯車（２つが噛み合う）を用いている。この駆動伝達装置は全出力の約３％を消費する。この特有の従来のファン駆動システムは魅力的な低い初期費用を有するが、冷却塔の末端利用者は、特に初めから導入する場合、ファン駆動コンポーネントの破損を防止するために複合ギアボックス回転軸および軸継ぎ手のような頑丈で大き過ぎるコンポーネントを購入している。多くの冷却塔の末端利用者はまた、低圧オイル供給停止、逆転止めクラッチおよび油浴ヒータのようなその他のオプションを加えている。そのため、従来の機械的ファン駆動システムのライフサイクルコストは、その初期費用に比べ、公平ではない。末端利用者が一旦より高価で頑丈で大き過ぎるコンポーネントを購入すると、従来のファン駆動システムの信頼性は、高価で時間を要するメンテナンスのすべてを行ったとしても、依然として非常に乏しい。そのため、この従来のギアボックス式駆動システムは、低い初期費用であるが乏しい信頼性での高いサイクルコストを有する。石油産業で一般的に用いられるタイプのような、マルチセル式冷却塔には、ファンがあり、そして従来の機械的ファン駆動システムが各セルと協働する。そのため、特定のセルと協働する機械的ファン駆動システムが停止すると、そのセルは前述した「セル作動停止」を被る。従来の機械的ファン駆動システムの貧弱な信頼性に起因するある期間にわたる生産性ロスは精製製品の損失割合（ｂｂｌｓ／日）として測定できる。現用の冷却塔システムの一つにおけるデータおよび解析では、１セルの損失は１日当り３１８キロリットル（２，０００バーレル）に等しいことを示している。
【０００６】
Ｖベルト駆動システムのような別のタイプの従来のファン駆動システムもまた、メンテナンス、ＭＴＢＦおよび性能に関して多くの問題を呈しており、従来のギアボックス型ファン駆動システムと協働してそれらの問題を克服または取り除くことができない。従来のギアボックス型ファン駆動システムと協働してそれらの問題を取り除こうとする試みは、油圧駆動ファンシステムである。このようなシステムは米国特許第４，９５５，５８５号「水冷却塔のための油圧駆動ファンシステム」に記載されている。
【０００７】
空冷式熱交換機（ＡＣＨＥ）はよく知られており、それは発電所、製油所、石油化学および化学プラント、天然ガス処理プラント、およびその他の大量のエネルギ消費を行う産業施設を含む種々の産業における冷却のために用いられている。ＡＣＨＥ交換機は、典型的に、水のない場所または水の使用許可が得られないときに使用される。ＡＣＨＥは、寸法（別名、接地面積）を比較すると、「湿式冷却塔」の冷却効果を欠く。典型的に、ＡＣＨＥはフィン付き管束を使用する。冷却用空気は１つまたはそれ以上の大型ファンによって供給される。通常、空気は水平な管束を通って上向きに噴き出る。ファンは、管束を通った空気を押すのか引くのかによって強制通風かまたは誘引通風できる。湿式冷却塔と同様に、ファン先端速度は、典型的に、空気力学的理由により毎分当り約３，６５８ｍ（１２，０００フィート）を超えることはなく、より低いノイズレベルを得るために減少される。ファンと管束の間の空間は、管束アセンブリ上に空気（流動場）を指向して冷却をもたらすファン排気筒によって囲まれる。アセンブリ全体は、通常、脚台またはパイプラックに装着される。ファンは、通常、電動モータを用いるファン駆動アセンブリにより駆動される。ファン駆動アセンブリは鋼鉄製の機械的支持システムにより支持される。振動スイッチは、典型的に、ファンアセンブリを支持する構造体に配置される。これらの振動スイッチは、何らかの理由で不安定になったファンを自動的に停止するように機能する。空気の流れは、空気が最大の冷却をおこなうのに適当な「流動場」および速度を有することを保証するために、ＡＣＨＥ冷却において非常に重要である。ファンギア支持構造体による流れによって生じる乱流は冷却効率を損なう。それ故、空気の流れ量は、管および束システムから熱を取り除くのに重要なパラメータである。ＡＣＨＥ冷却は、ＡＣＨＥが蒸発潜熱または「気化冷却」に対して空気冷却のための空気に依存する点で湿式冷却塔と異なる。
【０００８】
従来のＡＣＨＥファン駆動システムは種々のファン駆動コンポーネントのいずれか一つを使用する。このコンポーネントの例は電動モータ、蒸気タービン、ガスまたはガソリンエンジン、または油圧モータを含む。最も一般的な駆動装置は電動モータである。蒸気およびガス駆動システムは電動モータが利用できないときに用いられる。油圧モータもまた限られた成功事例で用いられる。特に、油圧モータは可変速度制御を提供するが、相対的に低能力である。時々、モータおよびファン速度を可変周波駆動で制御することがある程度成功している。最も一般的に用いられている減速装置は高トルクの正型ベルト駆動であり、それはタイミングベルト歯と噛み合うスプロケットを使用する。それらは５０または６０馬力以下のモータと、約５．５ｍ（１８フィート）以下の直径のファンを使用する。わずかに、結合されたＶベルトが中規模のファンに依然としてしばしば用いられ、そしてギア駆動は非常に大きなモータおよびファン直径に用いられる。ファン速度は、タイミングベルトまたはＶベルトを有するスプロケットまたは滑車寸法の適当な組合せを使用し、かつ歯車の適当な減速比を選択することにより設定される。多くの場合、オフセット電動モータからのトルクを伝達、増大するために、ファン駆動システムの部品として直角ギアボックスが用いられる。しかしながら、ベルト駆動、プーリおよび直角ギアボックスは信頼性が低い。上述した複雑な従来の機械的駆動システムは、許容可能な信頼性に到達するのに厳しいメンテナンスの実施を必要とする。特に、ＡＣＨＥファンシステムに関す重要な問題点は、ベルト張力によるベルトの信頼性が乏しいことである。一般的な方法は、「タイミングベルトを改良して張力システムを追加することである。2007 International Applied Reliability Symposiumでインドネシア、リャウのPT, Chevron Pacific IndonesiaのRahadian Bayu氏によって提示された技術文書「Application of Reliability Tools to Improve V-Belt Life on Fin Fan Cooler Unnits（フィンファン冷却ユニットにおけるＶベルトの寿命改善のための信頼性ツールの適用）」は、多くの従来の空冷ファン駆動システムで用いられるＶベルトの信頼性および能力に取り組んでいる。ＡＣＨＥファン駆動システムに用いられるベルトおよびプーリシステムとギア減速システムの信頼性の欠損は、しばしば、石油精製、石油化学、発電およびその他の冷却に依存する処理集約産業のような重要な産業の稼働に害を及ぼす機能停止を生じる。さらに、ＡＣＨＥファン駆動システムに用いられるモータシステムは、複数の軸受、補助的なオイルおよび潤滑油システム、制御および稼働のための複雑なバルブシステム、および一定間隔で交換を必要とする往復動部品を有して複雑である。従来のＡＣＨＥファン駆動システムを使用する多くの石油精製所、発電所、石油化学工場、化学プラントおよびその他の産業用設備は、ベルト駆動システムおよび直角駆動システムの貧弱な信頼性が生産高にマイナスの影響を及ぼすことが報告されている。これらの産業はまた、ベルト駆動およびギアボックスシステムの修理およびメンテナンスがそのライフサイクルコストの主要な支出額であり、そして従来のモータは高圧水散布を誤って用いることによる経験的な失敗を有することが判���した。ＡＣＨＥファン駆動システムに求められるデューティサイクルは、激しい湿気、塵埃および着氷状態、ウインドシア力、水洗い（モータが密閉されておらず、ときには真夏日に、冷却を改善するように作業者によって散布されるため）、および機械的駆動条件の損耗により極端になる。
【０００９】
ＡＣＨＥ冷却システムの冷却能力を増加するために、一部の末端利用者は、処理が制限される真夏日に追加の冷却を与えるように、ＡＣＨＥシステムに水を直接散布している。さらに、通常の運転でファンブレードは「詰まる」または汚れて性能ロスとなるので、多くの末端利用者は、冷却能力を維持するためにＡＣＨＥシステムを洗浄する。しかしながら、ＡＣＨＥシステムを高圧の水散布に直接曝すことは、特に従来の駆動システムが典型的に開放型であり、それにより水およびその他の液体が内部に侵入できるため、早発のメンテナンスおよび／またはシステム構成部品の故障を引き起こす。かくして、処理の効率および生産率はＡＣＨＥ冷却システムの信頼性およびそのシステムからの熱除去能力に大きく依存する。
【００１０】
従来のファンシステムは別の欠点を有している。現在装備されている冷却塔ファンの一団のほとんどは、１００％の速度で連続的に稼働している。ごく一部の使用例として、可変速度を想定するために、調節自在な速度で駆動する可変周波装置（「ＶＦＤ」）が誘導モータに適用される。しかしながら、誘導モータにＶＦＤを適用することは、乏しい成功率のために、過度に成功するものではなく、広範に実施されるものではない。一部の例では、このことはまた２速誘導モータに関与する。これらの適用例は末端利用者によって広範には導入されていない。一部の例では、末端利用者は、システムに「緩始動」を与え、それにより始動時にギアボックスシステムに最大トルクを与えるときにそのシステムの故障または破損を引き起こす「一線を超えた始動」を避けるためにだけＶＦＤを導入する。この結果は、ファンのピッチへの冷却塔の上昇気流によりフィンが逆回転するときに生じる「ファンの風車状態」によりさらに悪化される。ファンの風車状態は、逆回転のギアボックスの潤滑制限により許容されず、逆転止め機構を追加する必要がある。
【００１１】
従来の可変速誘導モータは流域温度に敏感であり、流域温度需要が適合するまでファンを１００％のファン先端速度まで上げ、そして典型的に８５％のファン先端速度である所定の速度へ速度を減じることにより応答する。このようなシステムは、単一速度、全方向動作のために設計されたギア系部品の早過ぎる損耗および故障を引き起こす突然の速度変化および慣性変化中に、大量のエネルギを消費するファン速度変動、不安程度および速度ハンチングを生じてしまう遅れ帰還ループを使用する。
【００１２】
可変速度負荷の誘導モータは、コストおよび寸法を増大する部分負荷のために追加の絶縁、追加の巻き線およびより大きな冷却ファンを必要とする。可変速ファンに誘導モータを適用することは、モータが部分負荷運転時の速度までファンを回転するのに必要なトルクを発生できることが必要であり、それはまた定常状態での適用よりも大きなモータを必要とし、そのためコストおよび寸法を増大する。これらの可変速ファンシステムにおいて、ファン速度は流域温度設定点により制御される。このことは、流域の水を冷却するために、流域温度が温度設定点を超えたとき、設定されたアルゴリズムに従ってファン速度が増加することを意味する。流域温度設定点が満たされると、ファン速度はプログラムされたアルゴリズムに従って減少される。さらに、モータおよびギアボックスは、冷却塔熱性能の情報なしに適用され、短時間に最小ファン速度から最大ファン速度までファン速度が循環されるファンの大きな速度変化を生じる流域温度設定点に応じて作動するだけである。最大ファン加速で生じる速度変化は相当量のエネルギを消費する。
【００１３】
従来の典型的なギアボックスは潤滑システムやギア噛合設計からも明らかなように一方向回転に設計されている。これらのギアボックスは決して逆に働くようには意図されていない。逆回転を達成するために、従来のギアボックスは、一方向にのみ作動するように設計されたオイル投入潤滑システムの設計により逆転で潤滑するための追加の潤滑油ポンプを備えるように変更された。これらの潤滑油ポンプは典型的に電動であるがその他の設計も適用できる。ギアボックスのギア噛合もまた、ギア噛合の負荷が前進回転時に逆転設計負荷に耐えることができないので、逆回転を制限する要因である。典型的に、変更されたギアボックスは、低速時にわずか２分間だけの逆転運転できる。寒い日に冷却塔の除氷のために逆回転を必要とするより寒い地域の末端利用者は、ギア駆動系システムの多くの障害を報告している。加えて、ほとんどのオペレータは電気技術者を含む各セルでシステムを手動で逆転しなければならない。ギアボックスおよび潤滑システムは典型的に１００％のファン速度で一方向に回転するように設計されているので、ファン制動、ギア系慣性および可変速度負荷は、慣性負荷が駆動系、ギアボックスおよびモータに直接及ぼされたとき、ギアボックス、駆動軸および連結部品の摩耗および破砕を速めてしまう。
【００１４】
可変速ファンシステムは広範には採用されていない。しかしながら、省エネルギのために、より多くのＶＦＤが省エネルギの目的で誘導モータおよびファン・ギアボックスシステムに適用されてきた。しかしながら、これらの変更は流域温度設定点に基づいてファンを作動するためにより頑丈な部品を必要とする。ＤＯＥ（米国エネルギ省）は、このような適用形態の平均エネルギ節約が２７％であることを報告している。この節約はファン原理に直接比例し、誘導モータの場合、モータ性能とは対照的にシステムにおいて減少される負荷は部分負荷運転中に著しく悪化する。
【００１５】
現在運転している冷却塔は典型的に信頼性に疑問がある高価な状況監視装置を用いておらず、末端利用者によって幅広く受け入れられてはいない。従来のファンシステムにおける振動防止装置は典型的に、モータ近傍の梯子状フレームに振動スイッチを設置することにより実現される。このような振動スイッチの例は図１に示された振動スイッチ８Ａである。これらの振動スイッチは絶縁された装置であり、いかなる種類の外部信号または監視も提供することのない簡単なオン−オフスイッチである。これらの振動スイッチは信頼性に乏しく、不十分に設けられて維持されている。さのため、これらの振動スイッチはファンシステムの統合性に関して信号も情報も供給しない。それ故、振動の源または原因を決定することはできない。このような振動スイッチはまた、機能不全または低性能の危険にさらされ、確実に稼働させるために試験をしばしば行うことが必要である。これらのスイッチの乏しい信頼性および妨害となるブレード停止を検知するための忠実性の欠如は安全性の問題に繋がる。互換的形態において、振動スイッチはギアボックス自体の上またはその中に取り付けられるが、振動信号の忠実度の不足に依然として悩まされ、末端利用者および広範な適用に満足するために状況監視およびシステム停止を遂行するように条件を追加する。従来のファン平衡は典型的に据え付け時に固定された平衡からなる。
【００１６】
複数のギアボックスを備えたファンを用いるマルチセル式冷却システムにおいて、各ファンは１００％で、或いはあるアルゴリズムにより個別に制御された可変速度で個別に作動される。冷却塔は典型的に１設計点：最高の真夏日の温度、最高の湿球温度、で設計され、かくして環境条件を考慮することなく、最高の真夏日の温度、最高の湿球温度の設計条件を満足するようにファンを１００％の固定状態で作動する。
【００１７】
現行方式（ＣＴＩおよびＡＳＭＥ）は、環境温度および湿球温度と共に常に変化する作動システムにとって実現困難と考えられている精度で冷却塔性能を測定することが企図されている。ほとんどの製油所の作業者はいかなる性能測定も行うことなしに運転し、それ故、冷却塔の性能を是正して回復させるためのサービスとメンテナンスの間で過剰な間隔でもって待機する。かなりの末端利用者にとって冷却塔を停止するように運転することは珍しいことではない。かなりの末端利用者は典型的に冷却塔がある種の冷却性能問題を示すとき、性能について冷却塔を定期的に試験する。このような試験は高価で時間の浪費であり、典型的に試験データを冷却塔の設計曲線に正常化する。さらに、これらの試験は、性能、メンテナンスおよび業務基準を確立するようないかなる動向データ（複合的な試験点）、負荷データまたは長期データも提供しない。例えば、過剰および無駄なエネルギ消費は、必要量が塞がれると部分的な空気の流れのみが冷却塔を流れるので、有効に機能できないファンを運転するときに生じる。貧弱な冷却性能は、減少した冷却が製造過程に否定的に影響するので、劣化した製品品質および／または処理能力となる。貧弱な冷却塔性能は稼働中に予定外の稼働停止および中断を生じる。多くの従来のシステムにおいて、実際の修正作用が冷却塔に必要分を戻すことであるとき、目詰まりした冷却塔を補う或いは冷却塔への水流を増加するためにファンモータへの電力を著しく増加することにより冷却塔システムを不適当に運転することは末端利用者にとって珍しいことではない。貧弱な冷却塔性能は不適当な運転を引き起こし、減少された冷却能力、貧弱な信頼性、過剰なエネルギ消費、貧弱なプラント性能、および稼働低下および安全性リスクのような多くの否定的な側の効果を有する。
【００１８】
それ故、石油精製製品の順応性のないサプライ・チェーンの供給中断を防止するために、湿式冷却塔およびＡＣＨＥ冷却システムの信頼性および後続の能力は製油所の安全、製品および利潤に役立つことを鍵として改良および成就されねばならない。
【００１９】
なにが必要かは、湿式冷却塔および乾式冷却適用におけるファンを効果的に稼働および管理できる方法およびシステムである。
【発明の開示】
【００２０】
本発明は、湿式冷却塔、または空冷式熱交換機（ＡＣＨＥ）を含む冷却塔システムのファンの運転を効果的に管理するための方法およびシステムを指向する。本発明はまた、ＨＡＶＣシステム、機械式冷却塔および冷蔵装置のファンの運転管理に適用できる。本発明は、（１）冷却塔熱性能、（２）ファン速度と空気の流れ、（３）モータトルク、（４）ファンピッチ、（５）ファン速度、（６）ファン空力的特性、および（７）ポンプ流量のような重要な特色および特徴の統合に基づく。
【００２１】
本発明は、湿式冷却塔または空冷式熱交換機（ＡＣＨＥ）、ＨＶＡＣシステム、機械式冷却塔、または冷蔵装置のファンを効果的に稼働するための直結駆動ファンシステムおよび可変プロセス制御システムを指向する。本発明は、冷却塔熱性能、ファン速度と空気の流れ、モータトルク、ファンピッチ、ファン速度、ファン空気力学的特性、およびポンプ流量のような重要な特徴の統合に基づく。本明細書では、「ポンプ流量」の用語は、凝縮機のような中間装置に入るために冷却塔から送り出され、そして処理過程に、次いで中間装置に戻り、そして冷却塔へ戻る冷却プロセス液体の流量を言う。本発明は可変プロ性制御システムを使用し、そこにおいて、ファンおよびポンプを駆動する高トルク、可変速モータを制御するために複数の位置からのフィードバック信号が処理される。このようなフィードバック信号は、モータ温度、槽温度、振動およびポンプ流量を含む特定の運転状態を表す。そのため、可変プロセス制御システムは、運転者または使用者がタービン背圧設定点、凝縮機温度設定点プロセス信号（例えば原油熱分解装置）、およびプラント部分負荷設定値を変更または変化したとき、モータＲＰＭ、従ってファンおよびポンプＲＰＭを連続的に調節する。可変プロセス制御は、冷却のためにプラントを最適化して設備（タービン）機能停止または故障を防止するようにこれらのフィードバック信号を処理する。可変プロセス制御は、凝縮装置付着物のような不十分な運転状態を是正するためにメンテナンス作業を行う必要があることを運転者に警告する。本発明の可変プロセス制御は、原油を熱分解するために冷却を増すと共に、モータＲＰＭ、従ってファンおよびポンプＲＰＭを調節し、その結果、エネルギを節約するためにプラント部分負荷状態中となる。
【００２２】
本発明の可変プロセス制御システムはコンピュータシステムを含む。このコンピュータシステムは、以下の説明においてＤＡＱ装置２００として参照されるデータ収集装置を含む。コンピュータシステムはさらに産業用コンピュータを含み、以下の説明において産業用コンピュータ３００として参照される。
【００２３】
本発明の可変プロセス制御システムは複数の可変速ポンプを備え、そこにおいて各可変速ポンプは永久磁石モータを含む。可変プロセス制御システムはさらに、実際には複数の独立した可変周波数駆動（ＶＦＤ）を含む可変周波数駆動装置を含む。各可変周波数駆動は１つの永久磁石モータ用である。それ故、ファンを駆動する本発明の永久磁石モータに１つの可変周波数駆動が対応し、残りの可変周波数駆動の各々は、対応する可変速ポンプの永久磁石モータの制御用である。それ故、各永久磁石モータは独立して制御される。
【００２４】
本発明のシステムは、運転者を無用にした制御、管理およびフィードバックでファンおよびポンプの適応的および自律的可変速運転を与える。冷却塔を通る空気の流れを制御して熱需要に対応するために可変速ファンを制御するように、冷却塔槽温度、現在のプロセス冷却需要、凝縮機温度設定点、冷却塔空気力学的特性、時刻、湿球温度、振動、プロセス需要、環境ストレス（例えば風速および風向）、気象条件の歴史的動向を含むデータをコンピュータシステムが処理する。可変プロセス制御システムはプロセス需要を予測し、正弦曲線と同様なパターンで２４時間以上ファン速度を増加または減少する。可変プロセス制御システムは、ファン速度を変化するのに用いられるエネルギを最小にするように、現在のプロセス需要および現在の環境ストレスと同様に歴史的プロセス需要および環境ストレスを解析するルンゲ−クッターアルゴリズム（または同様なアルゴリズム）を用いることによりこのことを達成する。本発明のこの可変プロセス制御は適応でき、日時の関数として歴史的動向によってプロセス冷却需要を学ぶ。プラントの運転者は槽温度設定点データをプラントＤＣＳ（分散型制御システム）に入力する。槽温度設定点データは、より重い原油の加熱分解のような追加の冷却需要に合致するように直ちに変えることができ、蒸気タービンの真空背圧を維持しまたは熱交換機付着物を阻止しまたはプラントの部分負荷へ軽減する。槽温度設定点の変更に応じて、本発明の可変プロセス制御システムは、永久磁石モータの回転速度、従ってファンの回転速度を自動的に変更し、それにより、プロセス液体は冷却され、収集槽の液体の温度が新しい槽温度設定点と実質的に同じになる。この機能は本説明において「可変プロセス制御」として参照される。
【００２５】
互換的な実施形態において、凝縮機温度設定点は運転者によってプラントの分配制御システム（ＤＣＳ）に入力される。ＤＣＳはデータ取得（ＤＡＱ）装置および／または本発明の可変プロセス制御システムの産業用コンピュータと電子的信号で通信する。データ取得装置は次いで凝縮機温度設定点と合致するために必要な収集槽温度設定点を計算する。可変プロセス制御システムは次いで運転者によって入力された凝縮機温度設定点に合致した収集槽温度を維持するようにファンおよび可変速ポンプを作動する。
【００２６】
本発明の可変プロセス制御システムは、環境ストレスが変化しても必要な冷却を産業プロセスに供給するようにファンおよびポンプを駆動するために可変速モータを使用する。これに限定されるものではないが、温度、圧力および流量を含むプロセスパラメータは、産業プロセスによって用いられる液体（例えば、水）の冷却を監視、管理および制御するためにシステムを通して測定される。可変プロセス制御システムは、追加のプロ性製品（例えば、原油の熱分解、電圧降下を防止するための真夏日のタービン出力）に使用できる適用可能な冷却能力を決定するため、または冷却塔増設を確認するために、プロセス需要および環境ストレスの関数として冷却性能を連続的に監視する。可変プロセス制御システムは、産業プロセスが部分負荷状態（例えば、供給停止、オフピーク、寒い日等）にあるとき、冷却能力を自動的に調節する。
【００２７】
本発明はマルチセル型冷却塔に適用可能である。マルチセルシステムにおいて、各セルの各ファンの速度は、コンピュータ流体力学解析、熱的モデリング、冷却塔形態、環境条件およびプロセス需要のような多数の因子に従って変化される。
【００２８】
本発明のシステムおよび方法が基礎とする主要な関係は次の通りである：
Ａ）質量空気の流れ（ＡＣＦＭ）はファンＲＰＭに直接比例する；
Ｂ）ファン静圧はファンＲＰＭの２乗に直接比例する；そして
Ｃ）ファン馬力はファンＲＰＭの３乗に直接比例する。
【００２９】
本発明のシステムは、永久磁石モータの作動によって質量空気の流れを決定する。本発明の可変プロセス制御システムは、冷却塔プレナム内に配置された複数の加圧装置を含む。これらの加圧装置により与えられるデータ信号は、ＶＦＤからのファン速度データ、ファンピッチおよびファンマップと共に、産業用コンピュータにより処理されて、ファンセル内の質量空気の流れを決定するように用いられる。
【００３０】
本発明の可変プロセス制御システムは、冷却塔性能をリアルタイムで監視し、経時的性能動向を策定するために性能データを設計データと比較する。動向は最高の性能予測の判断材料であり、それ故、ファン可変速度スケジュールを変更して最適化し、真夏日や寒い日の制限のようなプロセス負荷の関数として冷却塔サービス、メンテナンスおよび改善、または粗悪な水質を補うのに適した必要量の選定を計画して実施するように使用できることが判明した。長期的動向は、従来システムで行われていた定期的な試験とは対照的に、真の性能予測の改善である。
【００３１】
本発明は、冷却塔性能を決定する特有の新規で確実な方法である。本発明は、測定されたプレナム圧力と共にファン馬力および永久磁石モータ電流引込み（すなわち、アンペア）を用いる。測定プレナム圧力はファン流入圧力と同じである。本発明は、質量空気の流れおよびリアルタイム冷却性能を決定するために、ＶＦＤ（可変周波数駆動）から知られるファン速度および設計ファンマップと一緒に、測定プレナム圧力を含むシステムによって測定された主要パラメータを使用する。本発明のシステムはまた貧弱な性能状況を認識して調査を実施し、必要な補正処置を確認するよう末端利用者に警告するように用いられる。プレナム圧力はファンデッキに配置された加圧装置により測定される。
【００３２】
本発明の可変プロセス制御システムの設計基準は、冷却塔の熱設計、プロセス需要、環境条件およびエネルギ最適化に基づく。一方、従来の可変速ファンギアボックスシステムは、冷却塔熱容量の知識なしに適用され、槽温度設定点によってのみ制御される。
【００３３】
本発明の永久磁石モータの非常に重要な機能は、新規な設備（例えば、新規な冷却塔構造体や新規なファンアセンブリ）に使用されるか、または「当座の」代替えとして使用できることである。永久磁石モータが「当座の」代替えとして使用されるとき、すべての現用のファンハブと容易に整合して、現用の「組み立て済」の重量およびファン高さの必須条件内ですべての現用および実行可能なファン構成を回転するのに必要なトルクおよび速度を供給する。
【００３４】
本発明の可変低速永久磁石モータの高い定トルクの特徴は、所定のプロセス需要のために、最適化するファンピッチの順応性を与える。
【００３５】
本発明の可変プロセス制御システムは、典型的に槽温度に反応する従来のシステムに対して、前述した基準に基づいて運転するようにプログラムされる。本発明の可変プロセス制御システムにより発生される空気の流れは、ファンブレードピッチ、ファン効率およびファン速度の関数であり、熱需要（１００％冷却）およびエネルギ消費のために最適化される。熱需要はプロセスの関数である。本発明の可変プロセス制御システムは、予期される季節条件、経時的および環境条件に基づいて冷却需要を予測し、制御および管理でもって可変速度の自律的運転するように設計される。
【００３６】
本発明の永久磁石モータはその可変速度範囲全体を通じて一定の高トルクを配分するので、ファンピッチは、プラント場所の予期および経時的天候パターンおよびプロセス需要に基づいて予期される真夏日の条件（最大冷却）および最大効率に最適化される。本発明の永久磁石モータにより発生される一定の高トルクのために、増加された空気の流れが、より低速で、より大きなファンピッチで実現され、それにより、影響を受けやすい地域における音響学的特性またはファンノイズを低減する。
【００３７】
本発明の可変プロセス制御システムはまた、酷暑日の追加の空気の流れまたは冷却能力を提供して、プロセス需要に変更を適用できる。本発明の可変プロセス制御システムはまた、マルチセル型冷却塔の冷却セルの喪失を補うように追加の冷却を供給できる。この可変プロセス制御システムの運転モードは、本説明において「補償モード」と称される。補償モードにおいて、残りのセルのファン速度は、喪失セルから生じる冷却の損失を補うために、冷却塔を通る追加の空気の流れを作るように増加される。本発明の可変プロセス制御システムは、喪失セルから生じる冷却の損失を補うときに、ファン先端速度よりも大きなファン速度に増加しないようにプログラムされる。補償モード機能は、予期されるセルの喪失および冷却塔におけるその位置に基づいて本発明の可変プロセス制御システムに設計されてプログラムされる。本発明の可変プロセス制御システムは、冷却塔の形態、配列および流量特性に従って残りのセルのファンの速度を変化させ、各セルの効果は冷却塔全体の冷却に有する。このことは必要な冷却を供給し、結果として得られる冷却塔のエネルギ消費を管理する。本発明の可変プロセス制御システムは、セル間の可変速度を管理し、それにより、必要な冷却を供給する間、各冷却塔の特有な形態および配列に基づいてエネルギ消費を最適化する。
【００３８】
本発明の可変プロセス制御システムの運転特性は次のものを含む：
１）プロセス需要、熱需要、冷却塔熱設計および環境条件に基づく自律的可変速運転        ；
２）（ａ）精製プロセス中により重い原油の熱分解を改善するように下方槽温度のよ        うな独立したパラメータまたは信号に基づいて調整された熱的性能、（ｂ）性能        および安全のために発電所の蒸気タービン背圧に適合するように調整された温度        制御、および（ｃ）凝縮機付着物を防止するように調整された冷却を提供する適        応冷却；
３）熱需要が必要量に合致したときの熱需要および特有な冷却塔設計（すなわち、フ        ァン待機）に基づくマルチセル型冷却塔の個別セルにおけるファン待機；
４）リアルタイムのフィードバック；
５）ファンを停止または始動し、部分負荷運転のために槽温度設定点を制御するため        の運転者オーバーライド；
６）性能、メンテナンス作業、プロセス改善および発展のための経時的解析を提供す        るために、ファン空気の流れを測定および監視し、すべての運転データ、プロセ        ス需要動向および環境条件を記録するように、風速および風向、温度および湿球        温度のような環境条件と組み合わせてファン速度、モータ電流、モータ馬力およ        びプレナム圧力を使用する；
７）システムのトラブルシューティング、事前のメンテナンスおよびより安全な運転        （後処理）を許容する改善されたシグナチャ忠実性と共に、システム振動シグナ        チャの１００％の監視、制御および管理を提供する振動制御；
８）可変速度範囲内でリアルタイムにシステム共振を測定および識別してそれらを運        転範囲外に固定するために１００％の監視、制御および管理を提供する振動制御        ；
９）システム健康状態を解析して、差し迫った故障のような運転上の問題点の場合に        ＤＡＱ（データ収集）に十分な制御信号としてファン不安定のようなシステム警        告を末端利用者に提供するように、産業用コンピュータおよび高速フーリエ変換        （ＦＦＴ）のようなアルゴリズムを使用して振動シグナチャの後処理のための１        ００％の監視、制御および管理を提供する振動制御：
１０）ファンの減速を制御してファンを停止状態に保持する一方、ファンを逆に風車状        態で回転させる上昇気流を防止するように、あらゆる形態のエネルギが冷却水を        含むセルからセルに移動されることによりファン駆動システムの安全保護、タグ        アウト（ＬＯＴＯ）を提供する；
１１）故障が致命的事象並びに寿命、冷却資源および生産物の損失を招く前に、ファン        不安定、差し迫ったファンハブ障害、差し迫ったファンブレード障害のような事        柄を確認して、サービス、メンテナンスおよび修理および交換を準備するように        高速フーリエ変換を使用して実際の運転データ、冷却性能、動向解析およびデー        タの事後処理に基づいて事前のメンテナンスプログラムを提供する；
１２）充填取替えのように重要な冷却塔サブシステムに冷却塔メンテナンスのための計        画を準備して、次回の機能停止のための予算作成および計画のために冷却改善を        確認するように、実際の運転データ、冷却性能、動向解析および環境条件動向に        基づいて予測メンテナンスプログラムを提供する；
１３）システムが適切に機能しているかまたはメンテナンスまたは検査を必要としてい        るかについて運転者に警報を出す能力を監視する；
１４）運転者が可変制御システムを手動で無効にしてファンをオン・オフする；
１５）酷暑の日に無効にしてプロセス需要に基づいて冷却を調節および微調節する能力        を運転者に提供する；
１６）冷却塔の破壊を引き起こす、過剰な量の加圧された水が冷却塔分配システムへ流        れ込むのを防止するために、ポンプのような補助システムを監視する；
１７）現在のプロセス需要および環境ストレスを連続的に測定する；
１８）将来的プロセス需要を予測するために季節、時間、日付および環境条件を関数と        する過去のプロセス冷却需要から可変プロ性制御システムが学習する通りにファ        ン速度を漸進的な段階で変更し、そこにおいてファン速度の漸進的な段階での変        更はエネルギ取出しおよびシステム損耗を最小限に抑える；
１９）本発明のシステムの永久磁石モータは逆転運転を制限されないので、ファンが逆        方向に風車状態で回転するときに動力にグリッドを与えるように回生駆動オプシ        ョンを使用し得る；
２０）自動除氷；および
２１）逆転運転、そこにおいて、永久磁石モータは前進運転におけると同様な運転特性        を有する。
【００３９】
本発明の永久磁石モータおよび可変プロセス制御システムは、据付け形態に関係なく、湿式冷却塔システム、空冷式熱交換機（ＡＣＨＥ）、ＨＶＡＣ、機械式冷却塔および冷蔵装置に適用可能である。
【００４０】
一形態において、本発明は、直結駆動ファンシステムおよび一体化された可変プロセス制御システムを含む湿式冷却塔システムを指向する。この湿式冷却塔システムは、その中に配置された充填材料を有する冷却塔構造体、充填材料上に配置されたファンデッキ、および冷却された液体を収集するために充填材料の下に配置された収集槽を備えた湿式冷却塔を備える。ファン排気筒がファンデッキ上に配置され、ファンはファン排気筒内に配置される。ファンは、複数のファンブレードが結合されたハブを備える。直結駆動ファンシステムは、ハブに結合された回転自在な回転軸を有する高トルク、可変低速永久磁石モータを備える。一実施形態において、永久磁石モータは０ＲＰＭと約２５０ＲＰＭの間の回転速度を有する。別の実施形態では、永久磁石モータは５００ＲＰＭを超える回転速度を有するように構成される。永久磁石モータは密閉されており、そしてロータ、ステータおよびケーシングを備える。ロータおよびステータはケーシング内に配置される。可変プロセス制御システムは、永久磁石モータの回転速度を制御するために、永久磁石モータと電気信号で通信する可変周波数駆動装置を備える。可変周波数駆動装置は、ＡＣ電力を受けるための入力と高トルク永久磁石モータの運転速度を制御する電気信号を提供するための出力とを有する可変周波数制御器と、モータＲＰＭを制御するように可変周波数制御器に制御信号を提供しそしてモータ速度、モータ電流引き込み、モータ電圧、モータトルクおよび全モータ電力消費量を表す出力モータ状況信号を提供するように、可変周波数制御器と電子データ信号で通信する信号インターフェイスとを備える。可変プロセス制御システムはさらに、可変周波数駆動装置に制御信号を提供しそしてモータ状況信号を受け取るように可変周波数駆動装置の信号インターフェイスと電気信号で通信するデータ収集装置を備える。本湿式冷却塔システムはさらに、データ収集装置と電気信号で通信する１対の振動センサを備える。各振動センサはモータケーシング内に配置され、そこにおいて、周囲から防護され、対応するモータ軸受構造体に配置される。永久磁石モータおよびファンハブへのモータ回転軸の直結の構成および設計の結果として、得られる軸受システムは頑丈（堅固および減衰）であり、それ故、低振動の非常に円滑なシステムとなる。
【００４１】
従来と比較すると、永久磁石モータの振動シグナチャは、先行したサービスおよびメンテナンス並びに安全および生産における改善を可能にする澄んだシグナチャ忠実度を持つ低振幅を有する。過去の冷却塔運転および後工程の振動信号解析（ＦＦＴ）の動向は、その他の振動シグナチャが、重要な安全性の問題である、ファンブレード不安定、ファンブレードピッチ調整、潤滑の問題、軸受の問題、およびファンハブ、ファンブレードおよびモータ軸受の故障のような問題を示しているかを決定する。モータ軸受への振動センサの配置もまた、より低振幅の遮断パラメータのプログラミングを可能にさせる。
【００４２】
上述したように、本発明の可変プロセス制御システムは、直結駆動ファンシステムおよび、冷却塔へそして冷却塔から水を圧送する直結駆動ポンプシステムの振動特性を監視、管理および制御するために、加速度計、速度および移動変換器または同様な装置を含む複数の振動センサを備える。
【００４３】
本発明は、従来のシステムで用いられていた梯子状フレーム、トルクチューブ、回転軸、カップリング、ギアボックスおよびギアメッシュをなくしているので、非常に小さい「周波数ノイズ」を有する。本発明によれば、振動センサは永久磁石モータの軸受に配置される。各振動センサはモータ軸受の振動を表す信号を出力する。そのため、振動は、梯子状フレームで振動を測定する従来技術とは対照的に、ファンに直接連結された軸受で直接読み取られる。本発明のこの重要な特徴の結果として、本発明は、ファンの動作変更のために確認、解析および修正でき、それにより、相対的により安全な、より長い稼働システムを提供する。
【００４４】
本発明の可変プロセス制御システムはさらに、データ収集装置と電気信号で通信する複数の温度センサを備える。温度センサはモータケーシングまたはハウジングの外部の温度を測定する。温度センサは、ケーシング内の温度を測定するようにモータのケーシング内に配置される。温度センサは槽内の液体（例えば、水）の温度を測定するように槽内に配置される。温度センサはまた環境温度（例えば、大気温度）を測定する。別の温度センサはファン前方のファン排気筒の空気の温度を測定する。本発明の可変プロセス制御システムはさらに、ファン流入口の圧力と同じであるファンプレナムの圧力を測定するためにファンデッキに配置された少なくとも１つの圧力センサを備える。可変プロセス制御システムはさらにデータ収集装置とデータ信号で通信するコンピュータを備える。コンピュータは、振動センサ、温度センサにより出力された信号、ポンプ流およびモータ状況信号を処理するためにメモリおよびプロセッサを備える。コンピュータは、センサ信号の処理に応じてモータの速度を制御するために可変周波数駆動装置に経路制御するようにデータ収集装置に制御信号を出力する。
【００４５】
本発明の可変プロセス制御システムは、直結駆動ファンおよび可変速ポンプシステムの振動特性を監視、管理および制御するように加速度計、速度および移動変換器または同様な装置を含む複数の振動センサを備える。前述の振動センサは、監視および解析されるべき種々の範囲のモータおよびファン周波数帯を検出する。可変プロセス制御システムはまた、熱交換機およびその他の設備からのガス漏れを検出するために漏れ検出器プローブを備える。
【００４６】
本発明のいくつかの重要な機能は次の通り：
１）逆転および前進の両方向におけるファン速度の無限制御での運転の逆転、除氷、助走スタートおよびソフト停止モード；
２）可変プロセス制御、精製および発電；
３）部分負荷運転能力；
４）蒸気タービンおよび原油熱分解のための真空背圧の維持；
５）熱交換機、凝縮機および付属装置の損傷および付着防止；
６）「プラグアンドプレイ」設置を許容する４本のボルトと領域分類迅速交換通信ケーブルと工場終端電力ケーブルのみを使用した簡易据え付け；
７）Ｕ．Ｓ．ＥＰＡ（米国環境保護局）規則に沿ったファン空気の流れ中の漏洩ガス放出を検出および監視する、センサ、メータまたはプローブがモータケーシング（またはハウジング）と一体である有害ガスモニタのようなライン交換式ユニット；
８）可変低速能力での可変速運転；
９）冷却および最適化エネルギに合致するようにマルチセル冷却塔のセルが独立して運転する；
１０）システムの１００％の監視、自律的制御および管理；
１１）自動および自律的運転；
１２）システム構造および構成による相対的に低い振動および高い振動忠実度；
１３）振動信号の変化を検出して、動向データおよび後工程を用いて解析する；
１４）振動センサを永久磁石モータと一体化して周囲の厳しい湿潤環境から防護する；
１５）モータトルクおよび速度を表す信号を提供する可変周波数駆動（ＶＦＤ）装置を使用する；
１６）ＶＦＤによって出力された信号およびその他のデータ信号を収集するＤＡＱ（データ取得）装置を使用する；
１７）プロセッサを使用して、ＤＡＱ装置によって収集された信号を処理し、制御信号を生成し、ＶＦＤに制御信号を径路制御で戻しそして振動信号を処理するようにアルゴリズム（例えば、ＦＦＴ）を遂行する；
１８）メンテナンスやハリケーン修理のために電力を喪失したときにファンの回転を阻止するように永久磁石モータの回転軸に直接適用される機械式ファンロックを使用する；
１９）通電中および永久磁石モータおよびＶＦＤの制御下でファンが０．０ＲＰＭに減速されそしてモータが０．０ＲＰＭに保持される間、機械式ロック装置がファンの回転を阻止するようにモータ回転軸に適用され、そしてサービス、メンテナンスおよびハリケーン負荷（例えば、ハリケーン、竜巻、停止、など）のＯＳＨＡ必須条件によってすべてのエネルギ形態が除かれたときにロックアウト・タグアウト（ＬＯＴＯ）手段を使用する；
２０）ファンが風車状態で回転するときに回生電力を作り出す；
２１）モータおよびＶＦＤがファン加速の無限制御を提供しそしてファンを０．０ＲＰＭに保持し、そしてまたファン減速およびファン回転方向を提供する；
２２）冷却水上昇気流によってファンを逆方向へ風車状態で回転可能にする；
２３）永久磁石モータがすべてのシステム、例えば、湿式冷却塔、ＡＣＨＥ、ＨＶＡＣシステム、冷蔵装置、送風機、などで運転できる；
２４）永久磁石モータがファンおよびポンプを直接駆動する；および
２５）永久磁石モータがファンのファンハブに連結、または一体型ファンに直接連結できる。
【００４７】
本発明の範囲はいずれの特定の実施形態よりも広いが、好適な実施形態の詳細について、以下、図面と共に説明する。図中、同様な参照番号が同様な構成要素を示している。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】図１は、従来のファン駆動システムを用いた湿式冷却塔の側面展開図である。
【図２】図２は、本発明の一実施例による可変プロセス制御システムのブロックダイアグラムで、この可変プロセス制御システムは冷却塔の運転を制御する。
【図３】図３は、図２のシステムのフィードバックループのダイアグラムである。
【図４】図４は、図２に示された永久磁石モータ、データ収集装置および可変周波数駆動装置の相互接続を示すダイアグラムである。
【図５Ａ】図５Ａは、図４に示す永久磁石モータの内部構造を示すダイアグラムで、特に永久磁石モータの軸受位置を示す。
【図５Ｂ】図５Ｂは、図５Ａの永久磁石モータの一部を示すダイアグラムで、モータハウジング内の加速度計の位置を示す。
【図６】図６は、本発明の直結駆動ファンシステムに用いられる高トルクの低速永久磁石モータのモータ速度対馬力のプロットである。
【図７】図７は、本発明のファン駆動システムと、可変速誘導モータを用いる従来のギアボックス型ファン駆動システムとの間の性能比較を示すグラフである。
【図８】図８は、本発明の直結駆動ファンシステムを用いた湿式冷却塔の展開および部分断面の側面図である。
【図９】図９は、正弦曲線に類似したファン速度曲線を示すグラフで、この曲線は本発明に従ったファン速度の２４時間の増減を表し、グラフの底部には従来の可変速ファン駆動システムについてのファン速度の変化を表すファン速度曲線が示されている。
【図１０】図１０は、本発明の直結駆動ファンシステムを用いたＡＣＨＥの展開および部分断面の側面図である。
【図１１Ａ】図１１Ａは、本発明の永久磁石モータおよび振動検出および解析コンポーネントの試験結果であるグラフ形式の振動軸受記録である。
【図１１Ｂ】図１１Ａと同様な振動軸受記録で、この振動軸受記録は従来のギアボックスの０．０２４Ｇの歯止め設定を示す。
【図１１Ｃ】図１１Ｃは、本発明の永久磁石モータによって発生される振動のレベルを示す振動重症度グラフである。
【図１２Ａ】図１２Ａは、冷却塔に据え付けられる本発明の直結駆動ファンシステムの部分断面側面図である。
【図１２Ｂ】図１２Ｂは、図１２Ａに示す永久磁石モータの底面図で、永久磁石モータの取付け穴を示す。
【図１３】図１３は、図１２Ａに示す図の一部の拡大図である。
【図１４】図１４は、図１２Ａおよび１３に示す永久磁石モータのファンハブとの相互連結を示す側面図である。
【図１５Ａ】図１５Ａは、本発明のファン直結駆動システムを用いたマルチセル型冷却システムのダイアグラムである。
【図１５Ｂ】図１５Ｂは、マルチセル型冷却システムの平面図である。
【図１５Ｃ】図１５Ｃは、図１５Ａに示すモータ制御センタ（ＭＣＣ）のブロックダイアグラムである。
【図１６Ａ】図１６Ａは、管理メンテナンス手順のためにファンを停止するように用いられるロックアウト・タグアウト（ＬＯＴＯ）手順のフローチャートである。
【図１６Ｂ】図１６Ｂは、本発明の永久磁石モータおよび可変プロセス制御システムにより実施できる運転の助走スタートモードのフローチャートである。
【図１６Ｃ】図１６Ｃは、運転の助走スタートモードに関する速度対時間のグラフである。
【図１７】図１７は、水流量の関数とする凝縮機性能（すなわち、可変速ポンプおよび一定槽温度）の例のグラフである。
【図１８】図１８は、図４および５Ａに示す永久磁石モータの部分図で、この永久磁石モータには本発明の別の実施形態によるライン交換式振動センサユニットが装着されている。
【図１９】図１９は、図４および５Ａに示す永久磁石モータの部分図で、この永久磁石モータには本発明のまた別の実施形態によるライン交換式振動センサユニットが装着されている。
【図２０】図２０は、本発明のまた別の実施形態によるライン交換式振動センサユニットを装着された、図４および５Ａに示す永久磁石モータの部分図である。
【図２１Ａ】図２１Ａは、本発明の一実施形態によるファンロック機構を示す図式的な平面図で、このファンロック機構は図４および５Ａに示すモータの回転自在な回転軸に用いられ、回転軸の回転を阻止するためにファンロック機構が回転自在な回転軸と係合することを示している。
【図２１Ｂ】図２１Ｂは、図２１Ａのファンロック機構を示す模式的な平面図で、回転軸の回転を許容するために回転自在なモータ回転軸から離脱されたファンロック機構を示している。
【図２１Ｃ】図２１Ｃは、図４および５Ａに示すモータの側面図で、モータの内部と、モータの上方部分の周りでモータに装着された図２１Ａおよび２１Ｂのファンロック機構とを示し、また、モータ回転軸の下方部分の周りでモータに装着された図２１Ａおよび２１Ｂの追加のファンロック機構を示している。
【図２２】図２２は、図４および５Ａの永久磁石モータの上方部分の側面図で、この永久磁石モータには、モータの回転軸の上方部分に係合するためのキャリパ型ロック機構が装着されている。
【図２３】図２３は、図４および５Ａの永久磁石モータの下方部分の側面図で、この永久磁石モータには、モータの回転軸の下方部分に係合するためのキャリパ型ロック機構が装着されている。
【図２４】図２４は、図４および５Ａの永久磁石モータの下方部分の側面図で、この永久磁石モータには、モータの回転軸の下方部分に係合するためのバンド式ロック機構が装着されている。
【図２５】図２５は、図４および５Ａの永久磁石モータの上方部分の側面図で、この永久磁石モータには、モータの回転軸の上方部分に係合するためのバンド式ロック機構が装着されている。
【図２６】図２６は、産業プロセスの一部である湿式冷却塔に用いられた本発明の永久磁石モータおよぴ可変プロセス制御システムのブロックダイアグラムである。
【発明を実施するための形態】
【００４９】
本説明において、「プロセス」、「プラントプロセス」または「産業プロセス」の用語は、石油精製所、発電所、タービン、原油熱分解装置、肥料工場、ガラス製造工場、化学工場、等のような産業プロセスを意味する。
本説明において、「プロセス液体」の用語は、プロセスにおいて冷却目的で使用される、水のような液体またはその他の冷却液を意味する。
本説明において、「プロセス需要」または「プロセス冷却需要」の用語は、プロセスで用いられる冷却液の量を意味する。
本説明において、「部分プラント負荷」の用語は、最大プロセス需要に満たないプロセス需要を意味する。
本説明において、「槽温度」または「収集槽温度」の用語は、湿式冷却塔の収集槽内にある水またはその他の液体の温度を意味する。
本説明において、「環境ストレス」の用語は、集合的に、大気温度、相対湿度、乾球温度、湿球温度、風速、風向、ソーラーゲインおよび大気圧を意味する。
本説明において、「冷却塔熱容量」の用語は、冷却塔の排熱量である。これは、プロセスに戻すことのできる所定温度の冷水量および最大の真夏日および湿球条件での流量である。冷却塔熱容量は、充填材料が水質悪化により詰まらせるような、冷却塔構成部品の劣化により減少される。所定のΔＴ（温水と冷水の温度差）および流量のために、冷却塔ファンは、劣化した冷却塔（監視および動向つけられる）に環境ストレスを与える、より高速でより長い時間の運転しなければならない。
本説明において、「プロセス熱需要」または「熱需要」の用語は、冷却塔によってプロセス液体（例えば、水）から除かれねばならない熱を意味する。その最も簡単な表現では、プロセスの熱需要は、所定の流量のプロセスからの水（温水）の温度およびプロセスに戻される水（冷水）の温度として表される
本説明において、「ファンマップ」および「ファン性能曲線」の用語は、所定の弦節比を有するファンブレードに与えられるデータを表す。具体的には、データは、所定の温度および湿球（空気密度）で所定のファン速度およびピッチについて特定のファン直径、型式および弦節比により移動される空気の流れを表す。
本説明において、「動向付け」または「動向」の用語は、環境ストレスおよびプロセス熱需要の関数として冷却性能のような運転特性を画定する、時間に対する冷却塔のパラメータ、事象および計算値を収集することを意味する。
【００５０】
図２および４を参照すると、冷却装置１０のファンおよびポンプの運転を管理するための本発明の可変プロセス制御システムが示されている。冷却装置１０は湿式冷却塔として形成するができ、産業プロセス、例えば、石油精製所、化学プラント、等で使用される、一般的に液体を冷却するように用いられる通風空冷式熱交換機（ＡＣＨＥ）、冷蔵装置またはＨＶＡＣシステムに誘導される。湿式冷却塔の一例が国際公開第ＷＯ２００９／０４８７３６号で公開された国際出願第ＰＣＴ／ＵＳ２００８／０７７３３８号に記載されている。国際公開第ＷＯ２００９／０４８７３６号の開示は参照することにより本説明の一部を構成する。同様な湿式冷却塔が米国特許第８,１１１,０２８号に記載されており、その特許の開示は参照することにより本説明の一部を構成する。空冷式熱交換機（ＡＣＨＥ）の一例が国際公開第ＷＯ２００９／１２０５２２号で公開された国際出願第ＰＣＴ／ＵＳ２００９／０３７２４２号に記載されている。国際公開第ＷＯ２００９／１２０５２２号の開示は参照することにより本説明の一部を構成する。同様なタイプの空冷式熱交換機（ＡＣＨＥ）が米国特許第８,１８８,６９８号に記載されており、その特許の開示は参照することにより本説明の一部を構成する。本発明のシステムを説明するために、冷却装置１０は湿式冷却塔であるとして説明する。ＡＣＨＥシステムは後の説明において説明する。冷却装置１０はファン１２とファン排気筒１４を備える。当該分野において知られているように、冷却塔は、前述の国際公開番号第ＷＯ２００９／０４８７３６号で述べられている充填材料を使用し得る。ファン１２はハブ１６とファンハブ１６から延びるように結合された複数のファンブレード１８とを備える。本発明のシステムは永久磁石モータ２０を備える。モータ２０はモータハウジングまたはケーシング２１Ａを備える（図４参照）。ケーシングは頂部カバー２１Ａと底部カバー２１Ｂを備える。モータはさらに回転自在な回転軸２４を備える。モータ回転軸２４はファンハブ１６に直接結合される。モータ回転軸２４のファンハブ１６への連結は後の説明において詳述する。
【００５１】
図２を参照すると、電力ケーブル１０５はモータ２０で終端される一端を有する。具体的には、電力ケーブル１０５は、モータの組み立て中に、クラス１、区分２、グループＢ、ＣおよびＤ仕様に工場封鎖され、モータハウジング２１を通って延び、そしてモータハウジング２１内部に終端される。そのため、冷却装置にモータ２０を取り付けるとき、電力ケーブル１０５をモータ２０に電気的に接続するのに専門家またはその他の職員を必要とするものではない。電力ケーブル１０５の他端はモータ切断接続箱１０６に電気的に接続される。電力ケーブル１０５は、区域区分、ＶＦＤ規格およびシールド電力ケーブルとして形成される。モータ切断接続箱１０６は手動の緊急遮断スイッチを備える。モータ切断接続箱１０６は電気的絶縁にとって重要である。電力ケーブル１０５は、モータ切断接続箱１０６の切断スイッチに電気的に接続された３本の電線により構成される。電力ケーブル１０７がモータ切断接続箱１０６の切断スイッチとＶＦＤ装置２２との間に接続される。電力ケーブル１０７は区域区分、ＶＦＤ規格およびシールド電力ケーブルとして形成される。ＶＦＤ装置２２によって生成される電力信号は、接続箱１０６にこれらの電力信号を分配する電力ケーブル１０７により運ばれる。モータ電力ケーブル１０５は接続箱１０６で電力ケーブル１０７に接続される。かくして、モータ電力ケーブル１０５は電力信号をモータ２０に供給する。
【００５２】
図２および４を参照すると、クイック切離しアダプタ１０８がモータハウジング２１に結合されている。一実施形態において、クイック切離しアダプタ１０８は、ミネソタ州ミネアポリスのターク  インコーポレーテッド（Turk Inc.）によって製造されるロクファスト・ガード（Lokfast Guard、商品名）付きターク・マルチファスト直角ステンレスコネクタ（Turk Multifast Right Angle Stainless Connector、商品名）である。モータハウジング２１内のセンサはクイック切離しアダプタ１０８に配線される。ケーブル１１０はクイック切離しアダプタ１０８と通信データ接続箱１１１とに接続される。通信データ接続箱１１１はファンデッキに配置される。通信データ接続箱１１１の電子部品は電源（図示なし）により電力を供給される。ケーブル１１０は区域区分マルチコネクタ・シールド・フレキシブル制御ケーブルとして形成される。ケーブル１１２は通信データ接続箱１１１とデータ収集装置２００（本説明において「ＤＡＱ装置２００」として参照される。）との間に電気的に接続される。一実施形態において、ケーブル１１２はイーサネット（登録商標）ケーブルとして形成される。上述したように、ＶＦＤ装置２２はデータ収集装置（ＤＡＱ装置）２００とデータ通信する。ＶＦＤ装置２２およびＤＡＱ装置２００はモータ中央筐体（ＭＣＥ）２６内に装着される（図２および４参照）。モータ中央筐体は典型的に単一のモータまたはファンセルに用いられる。ＭＣＥ２６は典型的にモータにごく接近して配置される。ＭＣＥ２６はＶＦＤ装置２２、ＤＡＱ装置２００、産業用コンピュータ３００および電力電子機器を収納する。一実施形態において、ＭＣＥ２６は、ＮＥＭＡ（米国電機製造業者協会）４Ｘ規格のキャビネットである。ＶＦＤ装置２２およびＤＡＱ装置２００は後の説明で詳述する。
【００５３】
図４および５Ａを参照すると、本発明のファン駆動システムは高トルク、可変低速の永久磁石モータ２０を備えている。本発明のファン駆動システムは直結駆動システムである。具体的には、永久磁石モータ２０はファンハブ１６に直接結合される。そのため、永久磁石モータ２０は、従来のギアボックス式駆動システムの典型である損失特性および機械的問題を有することなしに、ファン１２を直接駆動する。永久磁石モータ２０は高流束密度を有する。永久磁石モータ２０はＶＦＤ装置２２により提供される電気信号によってのみ制御される。そのため、従来のギアボックス式ファン駆動システムに見られる駆動回転軸、カップリング、ギアボックスまたは関連部品はない。永久磁石モータ２０はステータ３２およびロータ３４を備える。永久磁石モータ２０はさらに、モータ回転軸２４の下方端に配置された球形ローラスラスト軸受４０を備える。球形ローラスラスト軸受４０はファン１２の重さによって生じるスラスト負荷および空気流によるファンスラスト力を吸収する。永久磁石モータ２０はさらに、球形ローラスラスト軸受４０の直上に配置された円筒形ローラ軸受４２を備える。円筒形ローラ軸受４２は回転軸２４のスラスト端のラジアル負荷に対向する。ラジアル負荷はファンアセンブリの不平衡および不安定な風負荷によるヨーモーメントによって発生される。モータ２０はさらにテーパ付きローラ出力軸受４４を備える。テーパ付き出力軸受４４は、除氷（逆回転）または強い突風中に生じる相対的に低い逆スラスト負荷に対向するためにスラスト性能と組み合わされた高ラジアル負荷性能を有するように形成される。３つの軸受が述べられたが、モータ２０は本質的には２軸受システムである。この「２軸受」は、これら２軸受がモーターケーシングハウジング２１と据付け構造とに関して回転軸を配置して支持するラジアル軸受であるので、円筒形ローラ軸受４２とテーパ付きローラ出力軸受４４である。球形ローラスラスト軸受４０はスラスト軸受であり、それは特にいかなる半径方向の力も与えずに軸方向の力だけを与えるように設計される。このような独特なモータ設計は現用モータに比べると複雑ではないが、予備の運転と同様に相対的に高い信頼性および改善された費用効率の高いモータの運転を依然として提供する。モータ２０の設計は、前述した従来のギアボックス式ファン駆動システムと比較すると、低減されたライフサイクルコスト（ＬＣＣ）を有する。軸受ハウジング５０は軸受４４を収納する。軸受ハウジング５２は軸受４０および４２を収納する。軸受ハウジング５０および５２はニトリルゴムの二重リップ型ラジアルシールによってモータハウジング２１の内部から分離される。低いモータ回転軸の表面速度と合成潤滑油の組合せは間違いのない予測シール信頼性および寿命を生む。モータ２０は、インプロ密閉軸受アイソレータを収納する密閉ハウジング５３を備える。モータ回転軸シールは、二重ラジアルリップシールと協働するインプロ密閉軸受アイソレータにより構成される。インプロ密閉軸受アイソレータは二重ラジアルリップシールのすぐ外側に装着される。イントロシールの機能は回転軸２４がモータケーシング２１の頂部カバー２１Ａに貫入する区域を密閉することである。二重ラジアルリップシールはシールリップ接触部からの湿気および固体混入物質を締め出す。一実施形態において、永久磁石モータ２０は次の動作および性能特性を有する：
速度範囲：  ０−２５０ＲＰＭ
最大馬力：  １３３ｈｐ／１００ＫＷ
極数：  １６
モータ稼働係数：  １：１
定格電流：  ６２Ａ（実効値）
ピーク電流：  ９５Ａ
定格電圧：  ６００Ｖ
駆動入力：  ４６０Ｖ、３相、６０Ｈｚ、９５Ａ（実効値最大連続）
区域区分：  クラス１、区分２、グループＢ、Ｃ、Ｄ
絶縁クラスＨ
永久磁石モータ２０は異なった稼働特性を有するように形成できる。しかしながら、すべての実施形態において、モータ２０がクラス１、区分２、グループＢ、ＣおよびＤの要件に合うように作られることを理解すべきである。図６はモータ２０の速度対馬力のプロットを示す。しかしながら、前述の運転および性能特性は永久磁石モータ２０の一実施形態に関連するだけでありそしてモータ２０は特定の適用形態に合わせたその他の運転および性能特性を提供するように修正し得ることを理解すべきである。図７を参照すると、モータ２０と従来の可変速誘導モータを用いたファン駆動システムの「効率％」対「モータ速度（ＲＰＭ）」を示すグラフが示されている。曲線１００はモータ２０に関連し、曲線１０２は従来のファン駆動システムに関連する。グラフから明らかなように、モータ２０の効率は、約６０ＲＰＭから約２００ＲＰＭの間のモータ速度について相対的に従来技術のファン駆動システムよりも高い。
【００５４】
モータ２０は、５年間の油差し間隔の相対的に低いメンテナンスを有する。モータ２０の設計および構造は、従来の誘導モータファン駆動システムで一般的に必要な点検およびメンテナンスに関連するマンアワーを実質的に低減する。軸受Ｌ１０の寿命は５７８０００時間と計算される。場合によっては、モータ２０は冷却塔の毎年の点検およびメンテナンスを１０００マンアワー以下に落とすことができる。
【００５５】
互換的な実施形態において、モータ２０は利用者によるグリースフィッティングだけでなく自動潤滑オプションを設定される。典型的な従来のギアボックスシステムは多くの可動部分、典型的に、５本の回転軸、８つの軸受、３つの回転軸シール、４つの歯車および２箇所の噛み合わせ、を有する。典型的な従来のギアボックスシステムのオープン潤滑の設計は、オープン潤滑システムが冷却塔への化学薬品、湿気および生物学的汚染によって汚染されてしまうので、冷却塔点検にふさわしくない。モータ２０の設計および構造はこれらの従来のギアボックスシステムの問題を除去する。モータ２０は、回転軸、カップリングおよび関連する駆動系の振動、ねじり共振およびその他の従来の駆動システムで典型的に見受けられる制約を除去し、また、ファンの逆回転を阻止するのに典型的に用いられるスプラグ型クラッチの必要性を除去する。モータ２０は、機械的状況により生ずる摩擦ロス、通常使用による摩損、および油粘度および機械的構成部品への天候の影響によって、従来のギアボックスに関連する、広範に変化するファン−モータ電力消費量の問題を除去する。モータ２０の一定の高トルクは、速度範囲全体でファンを加速するのに必要なファントルクを生み出す。
【００５６】
図２、４および５Ａを参照すると、永久磁石モータ２０の回転軸２４は適切な電気信号が永久磁石モータ２０に加えられたときに回転する。回転軸２４の回転はファン１２を回転させる。ＶＦＤ装置２２は、複数の独立して制御されるプログラム制御可能な可変周波数駆動（ＶＦＤ）装置２３Ａ、２３Ｂ、２３Ｃ、２３Ｄおよび２３Ｅ（図２６参照）により構成される。ＶＦＤ装置２３Ａはモータ２０を制御する。残りのＶＦＤ装置は可変速ポンプの永久磁石モータ（図２６参照）を制御する。ＤＡＱ装置２００はＶＦＤ装置２３Ａ、２３Ｂ、２３Ｃ、２３Ｄおよび２３Ｅの各々に制御信号を提供する。これらの機能は後述において説明する。ＶＦＤ装置２３Ａは適切な電力信号をケーブル１０７および１５を介してモータ２０に提供する。ＶＦＤ装置２２とＤＡＱ装置２００の間には双方向データ通信がある。ＤＡＱ装置２００は、コンピュータ処理機能、電子信号を受信して発するための電子回路およびオペレータがコマンドを入力するための組込み型キーボードまたはキーパッドを有するコンピュータおよび／またはマイクロプロセッサにより構成された制御器モジュールを備える。一実施形態において、ＤＡＱ装置２００は、データ収集システム、コンピュータプロセッサ、通信モジュール、電力供給装置およびリモート無線モジュールにより構成された市販のＣＳＥセマフォＴボックスＲＴＵシステム（CSE Semaphore TBox RTU system）を備える。ＣＳＥセマフォＴボックスＲＴＵシステムは、米国フロリダ州レイク・メリーのＣＳＥセマフォ、インコーポレーテッド（CSE Semaphore, Inc.）により製造される。好適な実施形態において、ＣＳＥセマフォＴボックスＲＴＵシステムは、ドリームリポート（Dream Report、商標）およびＴビュー（TView、商標）として知られる、収集データを解析する、市販のコンピュータソフトウェアパッケージでプログラムされる。互換的な実施形態において、ＣＳＥセマフォＴボックスＲＴＵシステムは、ツウィンソフト（TwinSoft、商標）として知られる、市販のソフトウェアでプログラムされる。ＤＡＱ装置２００については後述において詳細に説明する。ＶＦＤ装置２２は可変周波数制御器１２０および信号インターフェイス１２２により構成される。ＶＦＤ装置２２は永久磁石モータ２０の速度および方向（すなわち、時計方向または反時計方向）を制御する。ＡＣ電圧信号が入力１２４を介して可変周波数制御器１２０に入力される。可変周波数制御器１２０は、電力ケーブル１０７および１０５を介してモータ２０に入力される電力信号を出力する。図４を参照すると、信号インターフェイス１２２は、データ信号バス２０２を介してＤＡＱ装置２００と電気信号で通信し、モータ２０を始動、逆転、加速、減速、惰性運転、停止および保持するように、或いはモータ２０のＲＰＭを増加または減少するように信号を受け取る。好適な実施形態において、信号インターフェイス１２２はマイクロプロセッサを備える。信号インターフェイス１２２は、ＤＡＱ装置２００に入力するためのモータ状況信号をデータバス２０２上に出力する。これらのモータ状況信号はモータ速度（ＲＰＭ）、モータ電流（アンペア）引込み、モータ電圧、モータ電力消費、モータ力率、およびモータトルクを表す。
【００５７】
ＶＦＤ装置２３Ａは、エネルギ消費を計算するのに用いられるモータ電流、モータ電圧およびモータ電力ファクタを測定する。ＶＦＤ装置２３Ａはまたモータ速度、モータ出力およびモータトルクを測定する。ＶＦＤ装置２３Ａはまた、タイムスタンプおよび持続時間の値を提供するために、実行時間／時間メータを測定する。タイムスタンプおよび持続時間は、故障および寿命解析、ＦＦＴ処理、動向、および点検メンテナンスの予測のために産業用コンピュータにより用いられる。産業用コンピュータ３００は後述において詳細に説明する。
【００５８】
図４および２６を参照すると、ＶＦＤ装置２３Ｂ、２３Ｃ、２３Ｄおよび２３Ｅは、液体（例えば、水）を冷却塔からそこへ圧送する可変速ポンプ１７２２、１７３０、１７３８および１７５２をそれぞれ制御するために、電力信号１７２４、１７３２、１７４０および１７５４をそれぞれ出力する。本発明のこの観点については後述において詳細に説明する。
【００５９】
一実施形態において、ＶＦＤ装置の各々は、ＡＢＢ、インコーポレーテッド（ABB, Inc.）によって製造されたＡＢＢ−ＡＣＳ８００のＶＦＤとして形成される。
【００６０】
図８を参照すると、本発明の直結駆動ファンシステムを用いた冷却塔１０の部分図が示されている。この実施形態において、冷却塔１０は湿式冷却塔を含む。湿式冷却塔はファン１２、ファン排気筒１４、ファンハブ１６およびファンブレード１８により構成され、これらのすべてについては前述の通りである。ファン排気筒１４はファンデッキ２５０により支持される。ファン排気筒１４は、当該分野で知られているように、パラボラ形状または円筒形（直線状）形状を有するように形成できる。モータ２０は、ファンデッキ２５０の中央開口（図示なし）を横切って渡される金属製フレームまたは梯子状フレーム或いはトルク管により支持される。モータ回転軸２４はキー止めされた回転軸として形成され、ファンハブ１６に直接結合される（図１４参照）。電力ケーブル１０５および１０７、モータ切断接続箱１０６およびクイック切離しコネクタ１０８は前述した通りである。電力ケーブル１０７はモータ切断接続箱１０６とＭＣＥ２６内に配置されたＶＦＤ装置２２の可変周波数制御器１２０（図２および４参照）との間に接続される。図２、４および８を参照すると、ケーブル１１０はクイック切離しアダプタ１０８と通信データ接続箱１１１の間に電気的に接続される。これらの信号は前述したようにＭＣＥ２６に配置されたＤＡＱ装置２００にケーブル１１２を介して給送される。産業用コンピュータ３００がまたＭＣＥ２６内に配置される。
【００６１】
図１０を参照すると、本発明の直結駆動ファンシステムを用いた空冷式熱交換機（ＡＣＨＥ）が示されている。この特別なＡＣＨＥは誘引通風ＡＣＨＥである。ＡＣＨＥの残りの部分は、ＡＣＨＥの構造が当該技術分野で承知であるので、図示されていない。このＡＣＨＥは管束８００、垂直支持柱８０１Ａおよび８０１Ｂ、パラボラ状ファン排気筒８０２、水平支持構造体８０４、支持部材８０５およびファンアセンブリ１２により構成される。ファンアセンブリ１２はファンハブ１６とファンハブ１６に取り付けられるファンブレード１８とにより構成される。垂直回転軸８０６はファンハブ１６に結合されて、モータ回転軸２４をカップリング８０８に連結する。モータ２０は水平部材８０４により結合されて支持される。追加の構造支持体８１０Ａおよび８１０Ｂがモータ２０にさらなる安定性を加える。前述したように、電力ケーブル１０５の一端はモータ２０で終端し、電力ケーブル１０５の他端はモータ切断接続箱１０６に電気的に接続される。電力ケーブル１０７はモータ切断接続箱１０６とＶＦＤ装置２２の間に接続される。前述したように、ケーブル１１０はクイック切離しアダプタ１０８と、ケーブル１１２は通信データ接続箱１１１とＤＡＱ装置２００の間に電気的に接続される。ＶＦＤ装置２２およびＤＡＱ装置２００は、図１０に示されていないが、前述したモータ制御筐体（ＭＣＥ）内に装着される。
【００６２】
図２を参照すると、本発明のシステムはさらに産業用コンピュータ３００を備えている。産業用コンピュータ３００はいつもＤＡＱ装置２００と一緒に配置される。産業用コンピュータ３００はデータバス３０２でデータ通信する。データバス３０２はＤＡＱ装置２００にデータ通信する。産業用コンピュータ３００は本発明の冷却塔およびシステムの性能データの後処理を担当する。この後処理機能に含まれるものはデータロギングおよびデータ整理である。産業用コンピュータ３００は、ＤＡＱ装置２００から受け取った性能データに基づいて性能データ報告、動向データおよび生成履歴報告を生成するためにシステム運転データ、環境データおよび履歴データを処理するように、ソフトウェアプログラム、ＦＦＴアルゴリズムおよびその他のアルゴリズムでプログラムされる。産業用コンピュータ３００はまた運転者によってプラントＤＣＳ３１５を介して入力されたデータを記憶する。この記憶されたデータはファンマップ、ファンピッチ、冷却塔設計曲線、および温度勾配解析データを含む。湿球温度データは相対湿度および大気温度から連続的に計算されて、産業用コンピュータ３００に入力される。ユーザ入力３０４（例えば、キーボード）および表示器３０６（例えば、表示スクリーン）は産業用コンピュータ３００とデータ信号で通信する。オペレータは、産業用コンピュータ３００にコマンドを入力して特定型式の処理データを生成するようにユーザ入力３０４を使用する。産業用コンピュータ３００は、モータ２０を含む本発明の冷却塔およびシステムの運転に関するデータをリアルタイムで表示器３０６に表示する。産業用コンピュータ３００はまた、可変プロセス需要、モータ状況、ファンピッチおよびバランスを含むファン状態、およびセンサ出力信号のような状態の変更に応じて、新規または修正されたデータをＤＡＱ装置２００にプログラムするように用いられる。センサ出力信号は後述において説明する。好適な実施形態において、産業用コンピュータ３００はホストサーバ３１０とデータ信号で通信する。ホストサーバ３１０は、現地外での監視および解析を提供するために、離れた位置に配置された１つまたはそれ以上のリモートコンピュータ３１２とデータ信号で通信する。産業用コンピュータ３００はまた、図２および３に仮想線で示されているプラント分散制御システム（ＤＣＳ）３１５とデータ信号で通信する。使用者または運転者は、修正された温度設定点または修正されたポンプ流動率或いはプラント負荷設定を全プラント負荷から部分プラント負荷へに変更をも含むデータをＤＣＳ３１５に入力できる。この修正された情報は産業用コンピュータ３００に通信され、そのときＤＡＱ装置２００に情報を送る。ＤＡＱ装置２００および産業用コンピュータ３００はリアルタイムの冷却性能監視、リアルタイムの状態故障監視およびファン速度の自律的制御を提供する。
【００６３】
好適な実施形態において、産業用コンピュータ３００は国立気象局またはＮＯＡＡ（米国海洋大気庁）から連続した気象データを受け取る。産業用コンピュータ３００はこのデータをインターネット接続またはホストサーバ３１０を介して直接受け取ることができる。産業用コンピュータ３００はこの気象データをＤＡＱ装置２００によって処理できるデータ形式に変換する。好適な実施形態において、図２に示すように、本発明の可変プロセス制御システムはさらに、インターネットおよびＤＡＱ装置２００とデータ信号で通信する１地点気象観測所３１６を備える。１地点気象観測所３１６は風速および風向、相対湿度、大気温度、大気圧および湿球温度のようなパラメータを測定するためのコンポーネントおよびシステムを備える。これらの測定パラメータは、冷却塔熱容量を決定するように、そしてまた冷却塔の氷結度を決定するように、産業用コンピュータ３００によって用いられる。これらの測定パラメータはまた冷却塔の運転の解析にも用いられる。１地点気象観測所３１６はまた気象予報を監視して強風、氷晶雨、などのような警報を発する。
【００６４】
一実施形態において、ＶＦＤ装置２２、ＤＡＱ装置２００、産業用コンピュータ３００および電力電子機器はＭＣＥ２６に配置される。分散制御システム（ＤＣＳ）３１５はＭＣＥ２６で産業用コンピュータ３００と一体となる。運転者は、情報および警報の動向を見るために産業用コンピュータ３００にログオンすることが可能である。ＤＡＱ装置２００は警報を自動的に生成し、警報および事象と同様に現状および履歴情報を有する文書および報告を添付して、分散制御システム（ＤＣＳ）を含む、多数の受信者へｅメールメッセージまたはＳＭＳテキストメッセージを介して発信する。
【００６５】
一実施形態において、産業用コンピュータ３００は、運転者が遠隔地から直結駆動ファンシステムを終了または起動できるようにプログラムされる。
【００６６】
図２および４を参照すると、ＶＦＤ装置２２はファン１２の即と、方向およびトルクを制御する。ＤＡＱ装置２００はＶＦＤ装置２２と電気信号で通信して信号をＶＦＤ装置２２に提供し、それに応じて、所望の速度、トルクおよび方向に従って電力信号をモータ２０に出力する。特に、ＤＡＱ装置２００は、所望のファン速度（ＲＰＭ）、モータ２０の方向およびトルクを規定するＶＦＤ装置２２のための制御信号を生成する。ＤＡＱ装置２００はまた、本説明で「エネルギ最適化モード」として表される通常モードの運転でファンを稼働するように、ＶＦＤ装置２２に信号を発するようにプログラムされる。この「エネルギ最適化モード」は後述において詳細に説明する。モータ２０の加速が要求されるとき、ＤＡＣ装置２００は、プログラムされた加速の変化量を画定する信号をＶＦＤ装置２２に出力する。同様に、モータ２０の減速が要求されるとき、ＤＡＣ装置２００は、プログラムされた減速の変化量を画定する信号をＶＦＤ装置２２に出力する。モータ２０のＲＰＭを直ちに減速することが要求されるとき、ＤＡＣ装置２００は、モータが完全に停止する（例えば、０．０ＲＰＭ）まで続く、所定の減速率を画定する信号をＶＦＤ装置２２に出力する。
【００６７】
ＤＡＱ装置２００は本発明のシステムのいくつかの機能を提供する。ＤＡＱ装置２００はすべてのセンサおよび可変速ポンプ（後述で説明する）から電子データ信号を受け取る。ＤＡＱ装置２００はまた、前述のセンサが適切に作動していることを確認するためにそれらのセンサに送られるセンサ信号を連続的に監視する。ＤＡＱ装置２００は、迷センサ信号または偽センサ信号であることについての警報を発するようにプログラムされる。ＤＡＱ装置２００はセンサ出力信号に応じて自動的にモータ２０のＲＰＭを調整する。従って、本発明のシステムは、ファンの性能、冷却塔特性、プロセス負荷、熱負荷、ポンプ流動率、および天候および環境条件の変更に応じてモータ２０のＲＰＭ、従ってファン１２を連続的に調整するために、フィードバックループを採用する。フィードバックループのダイアグラムが図３に示されている。ＤＡＱ装置２００はプログラムで制御でき、そして冷却塔特性、動向データ、冷却塔の地理的位置、天候および環境条件を画定または表すデータでプログラムできる。ＤＡＱ装置２００は、インターネット互換性（ＴＣＰ／ＩＰ互換性）を用いて設定され、ｅメールメッセージまたはＳＭＳテキストメッセージを自動的に生成して、そして警報および事象と同様に現況および履歴情報を有する添付文書および報告で、分散制御システム（ＤＣＳ）を含む多数の受信者に発信する。好適な実施形態において、ＤＡＱ装置２００は、イーサネット（登録商標）、ＲＳ−２３２、ＲＳ−４８５、光ファイバ、モドバス、ＧＳＭ（登録商標）／ＧＰＲＳ、ＰＳＴＮモデム、プライベートラインモデムおよび無線を含む多重物理インターフェイスを備える。好ましくは、ＤＡＱ装置２００はＳＣＡＤＡ互換性を有する。一実施形態において、ＤＡＱ装置２００は市販のデータ収集システムのように形成される。互換的な実施形態において、ＤＡＱ装置２００はデータをテレメトリ信号を介して産業用コンピュータ３００に伝送するように形成される。
【００６８】
図３を再び参照すると、フィードバックループがモータ２０、ファン１２および可変速ポンプの運転の連続的な監視を達成し、また、モータ２０のＲＰＭおよび可変速ポンプ（図２６参照）の永久磁石モータの自動調整を達成する。図３に示すフィードバックループは後述で説明される複数の運転モードのいずれかでモータ２０を稼働させることができる。
【００６９】
〔助走スタートモード〕
本発明の可変プロセス制御システムは、ファン１２の無限制御を有する「助走スタートモード」の運転で稼働するように設定される。この運転モードのフローチャートが図１６Ｂに示されている。この運転モードにおいて、ＶＦＤ装置２２はファン１２の方向（すなわち、時計方向または反時計方向）を検知し、次いで：（ａ）ファン１２を遅くするために停止するまで（逆回転の場合）モータ２０に適切な信号を適用するか、または（ｂ）モータ２０を加速するように変化させるか、または（ｃ）順方向に作動するファン１２を捕まえて加速するように変化させる。図１６Ｃのグラフは「助走スタートモード」を示す。図１６Ｃの命名法は次の通りである：
「Ａ」は、モータ２０の所望の固定または一定速度であり（すなわち、一定ＲＰＭ）；
「Ｂ」は、モータ２０に０．０ＲＰＭから所望のＲＰＭまで（すなわち、一定比率での増加時間）を与えるＶＦＤ装置２２の秒時間である；
「Ｃ」は、モータ２０に所望のＲＰＭから０．０ＲＰＭまで（すなわち、一定比率での減少時間）を与えるＶＦＤ装置２２の秒時間である；
「角度Ｄ」は、ＲＰＭ／秒の加速時間であり、「ｃｏｓ(Ａ／Ｂ)」と定義される；
「角度Ｅ」は、ＲＰＭ／秒の減速時間であり、「ｃｏｓ(Ａ／Ｃ)」と定義される；
角度Ｄおよび角度Ｅは同一であってもよいが、そうでなければならないわけではない；
「助走スタート」モードは、次の条件のいずれかが存する場合、遂行される：
条件＃２：モータ２０が０．０ＲＰＭであることを検出される。ＶＦＤ装置２２がモータ２０を「Ｂ」秒中に所望のＲＰＭに加速する。
条件＃１：モータ２０が逆方向に走っていることを検出される。ＶＦＤ装置２２がモータ２０をＤの率で０．０ＲＰＭにする時間を計算する。モータ２０は次いで「Ａ」ＲＰＭに加速される。モータが「Ａ」ＲＰＭに到達する合計時間が「Ｂ」秒より大きい。
条件＃３：モータ２０が順方向に走っていることを検出する。ＶＦＤ装置２２が変化中のモータ２０の位置を計算しそしてモータを「Ａ」ＲＰＭまで加速するように加速率「Ｄ」を使用する。モータが「Ａ」ＲＰＭに到達する合計時間が「Ｂ」秒より小さい。
条件＃４：モータが「Ａ」ＲＰＭより大きく動いていることを検出される。ＶＦＤ装置２２が加速率「Ｅ」を用いてモータが「Ａ」ＲＰＭに減速される時間を計算する。
【００７０】
この助走スタートモードの運転は、永久磁石モータ２０の軸受設計が風車状態で逆転できるので、可能である。
【００７１】
〔ソフトスタートモード〕
本発明の可変プロセス制御システムは、「ソフトスタートモード」の運転で稼働するように設定される。この運転モードは、所定の変化率に従って加速を開始するようにプログラムされる。このような制御された加速率は、「ライン超えスタート」を有するシステムコンポーネントの破損を取り除く。このような「破損」は従来のギアボックス式ファン駆動システムによく見られる。
【００７２】
〔真夏日モード〕
本発明の可変プロセス制御システムにより実施できる別の運転モードは「真夏日」モードの運転である。「真夏日」モードの運転は、冷却がより一層必要であり、すべてのファンの速度を１００％の最大ファン先端速度に増加されるときに使用される。「真夏日」モードの運転はまた、緊急の場合に、冷却をより一層必要とする産業プロセスを安定化するために使用できる。
【００７３】
〔エネルギ最適化モード〕
本発明の可変プロセス制御システムは、エネルギ最適化モードで稼働するように設定される。この運転モードにおいて、ファン１２および可変速ポンプ１７２２、１７３０、１７３８および１７５２（図２６参照）は一定の槽温度を維持するように作動される。ファン速度の制御は、現在のプロセスおよび環境条件の修正と共に、冷却塔設計、予測および実測プロセス需要および履歴環境条件に基づく。産業用コンピュータ３００は、履歴プロセス需要パターン履歴環境条件に基づいて当日のプロセス需要を予測し、次いで、時間の関数としてファン速度曲線を計算するように履歴データを使用する。計算されたファン速度曲線は、産業プロセスによって要求される一定の槽温度需要に合致するために当日の可変速度範囲中でファンを稼働するのに必要な最小エネルギを表す。リアルタイムで、可変プロセス制御システムは実際の環境条件および産業プロセス需要を処理し、時間の関数として以前に計算されたファン速度曲線を調整するように用いられる予測および修正を用意する。ＶＦＤ装置２２は、修正されたファン速度曲線に従って電力信号を出力する。本システムは、運転するファン速度曲線を計算するために、過去の運転データ、過去のプロセス需要、および過去の環境条件（例えば、気象データ、温度および湿球温度）に関する履歴動向と同様に、１地点気象観測所からの最新の気象予報に基づくロジックを利用する。このエネルギ最適化モードにおいて、ファンの運転は毎日の湿球温度の変化に従う。ファンの運転は、図９のグラフの頂部に示されるように、２４時間以上にわたる正弦曲線により表され、そこにおいて、ファン速度遷移は円滑かつ計画的でありそして加速および減速動向に追随する。図９において、「Ｙ」軸は「モータ速度」であり、「Ｘ」軸は「時間」である。図９のグラフの頂部のファン速度曲線（エネルギ最適化モード）は湿球温度に直接関係している。「Ｘ」軸により表される継続時間は２４時間周期である。本発明の可変プロセス制御システムは、エネルギ節約につながるファン速度曲線を生成するように、現在のプロセス需要および環境ストレスと同様に、履歴のプロセス需要および環境ストレスを解析するルング−クッターアルゴリズムを用いる。このファン速度の制御は、それ故、過去分のデータに反応するのに対してエネルギ消費を最適化するために実際は予測的である。このようなプロセスはファン速度の変化時に消費されるエネルギを最少化する。このような本発明のファン速度遷移は、図９のグラフの底部に示されている従来のファン駆動システムの切り立ったファン速度遷移と違って、全体的に円滑である。従来のファン駆動システムのファン速度遷移は、２４時間以上にわたって短時間に噴出する多数の、切り立ったファン速度変化を含む。このような切り立ったファン速度変化は、槽温度設定点を満足するためにファンをしょっちゅう「開閉」或いは加速および減速する従来の可変速度ロジックの結果である。
【００７４】
それ故、本発明のエネルギ最適化モードは、一日を通して円滑なファン速度曲線を提供するために負荷に従ったファン速度を予測するように冷却塔データ、プロセス需要、地理的位置データ、現在の環境データおよび履歴動向を使用する。この運転はファン速度差を最小化してエネルギ効率を最適化する。
【００７５】
〔ソフト停止モード〕
本発明の可変プロセス制御システムおよびモータ２０は運転の「ソフト停止モード」で稼働するように設定される。この運転モードにおいて、ＤＡＱ装置２００は、制御された停止を行うように所定の負の変化率に従った電力でＶＦＤ装置２２がモータ２０を減速させるようにＶＦＤ装置２２に信号を供給する。この運転のモードはまたシステム構成部品への破損および／または損傷を除去する。この「ソフト停止モード」はただちにファンを完全な停止状態にし、それにより、ファンへの損傷を減少する。モータ２０の特有な構造は、ファンを逆方向の風車状態で回転するのを防止するように、ファンをゼロＲＰＭに保持できる。このような機能は、強風やハリケーンの際に、ファン自体が損傷したりその他の構成部品を損傷したりするのを防止する。このような「ソフト停止モード」の運転は、誘導モータを用いる従来のファン駆動システムにはないものである。
【００７６】
〔ファン保持モード〕
本発明の可変プロセス制御システムおよびモータ２０は運転の「ファン保持モード」で稼働するように設定される。この運転モードは、後述において詳述するロックアウト・タグアウト（ＬＯＴＯ）手続中に用いられる。ＬＯＴＯ手続が実施されるべきであるとき、モータ２０はまず「ソフト停止モード」を使用して０．００ＲＰＭにされ、次いで、ファンが風車状態で回転するのを防止するために「ファン保持モード」が実施される。ファン保持は永久磁石モータ２０の設計の機能である。ＤＡＱ装置２００は、「ソフト停止モード」に従ってファン１２を制御された停止を行うように所定の負の変化率の電力でＶＦＤ装置２２がモータ２０を減速させるようにＶＦＤ装置２２に信号を供給する。ＶＦＤ装置２２はファン１２が固定されて保持されるような電力でモータ２０を制御する。次いで、モータ回転軸２４はロック機構（後述で述べられるような）で係止される。そのとき、すべての形態のエネルギ（例えば、電力）がロックアウト・タグアウト（ＬＯＴＯ）手続に従って取り除かれて、ファン１２を固定できる。誘導モータを用いる従来の駆動システムにおいて、ファンを制動して保持しようとすることは、実際のところ、誘導モータを損傷させてしまう。しかしながら、このような問題は「ソフト停止モード」と「ファン保持モード」で取り除かれる。
【００７７】
本発明の可変プロセス制御システムおよびモータ２０はまた「逆転運転モード」を遂行できる。この運転モードにおいて、永久磁石モータ２０は逆方向に作動する。この運転モードは、多くの制限（例えば、潤滑制限）を有する従来のギアボックス式ファン駆動システムと異なり、モータ２０への制約または制限がないので可能である。モータ２０の特有な軸受システムはモータ２０の無条件の逆回転を許容する。具体的には、モータ２０の特有な設計は設計トルクおよび速度の双方向を許容する。
【００７８】
〔逆転助走スタートモード〕
本発明の可変プロセス制御システムおよびモータ２０はまた「逆転助走スタートモード」の運転を遂行できる。この運転モードにおいて、助走スタートモードの運転は逆回転を得るために遂行される。モータ２０はまず、０．００ＲＰＭに到達するまで減速されると直ちに逆回転が開始される。この運転モードは、逆転時のモータ２０に制約または制限はないので可能である。この運転モードは除氷に有用である。
【００７９】
〔ロックアウト・タグアウト〕
本発明によれば、ファン１２のメンテナンスを行うために、特有のロックアウト・タグアウト（ＬＯＴＯ）手続がファン１２を停止するために用いられる。この手続のフローチャートが図１６に示されている。最初は、モータ２０は所要の速度で回っている。一実施形態において、ＬＯＴＯ手続きを始めるために、運転者は、モータ２０、そしてそれによりファン１２を０．０ＲＰＭに減速させるために、「ソフト停止モード」を遂行するようにＤＡＱ装置２００の組込み型キーボードを使用する。モータ２０のＲＰＭが０．０ＲＰＭとなると、ＶＦＤ装置２２およびモータ２０がファン１２を０．０ＲＰＭに保持できるように「ファン保持モード」が遂行される。ファンロック機構が次いでモータ回転軸２４に適用される。すべての形態のエネルギ（例えば、電気エネルギ）はそのときＶＦＤ装置２２およびモータ２０を閉鎖するために取り除かれる。運転者または使用者相互作用はそのとき行うことができる。ファンロック機構は手動、電動、機械または空気圧のいずれかで作動でき、そしてモータ２０に装着されるか組み込まれるかのいずれかである。このファンロックは機械的に保持されてモータ回転軸２４を係止し、それにより、電力が除かれたときにファン１２が回転するのを阻止する。このようなファンロックはハリケーン運転と同様にＬＯＴＯのために使用できる。ファンロック構造については後述で説明する。ファンまたは冷却塔のメンテナンス手続が完了すると、すべての安全保護装置は仕舞われ、ファンロックが解除されそして機械的装置は通常運転に戻される。運転者はそのときＶＦＤ装置２２を解放して電源を入れる。電力が戻ると、運転者は、ファン運転を再スタートして再開するようにＤＡＱ装置２００のキーボード使用する。このＬＯＴＯ機能はファンハブ１６に直接連結されたモータの直接的な結果である。ＬＯＴＯ手続はファン１２の信頼性のある制御を提供し、そして従来技術よりも非常に安全である。このＬＯＴＯ手続はすべての形態のエネルギを除くのに米国安全性評議会（National Safety Council）およびＯＳＨＡガイドラインに従う。
【００８０】
モータ２０に使用し得るファンロック機構の一例が図２１Ａ、２１Ｂおよび２１Ｃに示されている。このファンロック機構はソレノイド作動式ピンロックシステムであり、
内部の構成部品を環境条件から保護する筐体またはハウジング１２００、停止ピン１２０２およびソレノイドまたはアクチュエータ１２０４を備える。ソレノイドまたはアクチュエータ１２０４は、ファンの回転を阻止することが要求されるとき、ＤＡＱ装置２００から電気的作動信号を受け取る。ファンロック機構は、ファンハブに隣接したモータ回転軸２４の駆動部分に装着するか、またはモータ回転軸２４の下方の非駆動部分に装着し得る。図２１Ｂはソレノイド１２０４を示しており、それにより、停止ピン１２０２は、回転軸２４およびファンの回転を阻止するために、モータ２０の回転自在な回転軸２４に係合する。図２１Ａでは、ソレノイド１２０４は解除されており、それにより、停止ピン１２０２は、回転軸２４およびファンの回転を可能にするために、回転自在な回転軸２４から離脱している。図２１Ｃは、回転軸２４の上方の駆動端部と回転軸２４の下方の非駆動端部の両者のファンロック機構を示している。
【００８１】
互換的な実施形態において、図２１Ａ、２１Ｂおよび２１Ｃに示されたファンロック機構はケーブル作動式にできる。別の実施形態において、図２１Ａおよび２１Ｂに示されたファンロック機構はフレキシブルな軸によって作動される。さらに別の実施形態において、図２１Ａおよび２１Ｂに示されたファンロック機構はモータ作動式である。
【００８２】
図２２を参照すると、モータ２０と共に使用できるキャリパ型ファンロック機構が示されている。このキャリパ型ファンロック機構はハウジングまたはカバー１３００と、参照符号１３０２および１３０３で指示されたキャリパアセンブリとから構成される。キャリパ型ファンロック機構はまたディスク１３０４および１３０５、フレキシブル軸カバー１３０６、およびフレキシブル軸カバー１３０６内に配置された軸またはネジ山付きロッド１３０８を備える。キャリパ型ファンロック機構はさらに固定キャリパブロック１３１０および可動キャリパブロック１３１１を備える。互換的な実施形態において、軸またはネジ山付きロッド１３０８の代わりにケーブルが使用される。互換的な実施形態において、ファンロック機構はモータ（例えば、ネジ作動）またはプル型ロッキングソレノイドにより作動できる。図２２は、モータ２０の頂部に装着されたファンロック機構を示し、それはモータ回転軸２４の上部と係合できる。図２３は、モータ２０の底部に装着されたファンロック機構を示し、そのファンロック機構はモータ回転軸２４の下方の非駆動端部２５に係合できる。
【００８３】
図２５を参照すると、モータ２０と共に使用できるバンド型ファンロック機構が示されている。このバンド型ファンロック機構はハウジングまたはカバー１６００、フレキシブル軸カバー１６０２、およびフレキシブル軸カバー１６０２内に配置される軸またはネジ山付きロッド１６０４により構成される。このバンド型ファンロック機構はさらに、固定ロックバンド１６０６および１６１０とロックドラム１６０８とを備える。互換的な実施形態において、軸またはネジ山付きロッド１６０４の代わりにケーブルが使用される。互換的な実施形態において、バンド型ファンロック機構はモータ（例えば、ネジ作動）またはプル型ロッキングソレノイドにより作動できる。図２５は、モータ２０の頂部に装着されたファンロック機構を示しており、それはモータ回転軸２４の上方部分に係合できる。図２４は、モータ２０の底部に装着されたファンロック機構を示しており、そのファンロック機構はモータ回転軸２４の下方の非駆動端部２５に係合できる。
【００８４】
別の実施形態において、ファンロックは、米国特許出願公開第２００６／０２９２００４号の記載されたファンロックのように形成され、その公開された出願の開示事項はすべて参照することにより本出願に組み込まれる。
【００８５】
〔除氷モード〕
可変プロセス制御システムおよぴモータ２０はまた、モータが逆転運転される「除氷モード」の運転を遂行するように設定される。冷却塔でのファンの着氷は、冷却塔の熱需要（すなわち、産業プロセスからの水および復帰需要）および環境条件（すなわち、風および相対湿度）次第で発生し得る。寒い季節の冷却塔の運転は、ＳＰＸクーリング・テクノロジーズ（SPX Cooling Technologies）によって発行された２００７年１月の「テクニカル・レポート」に述べられている。寒中にファン方向を逆転するために逆転運転するモータ２０の機能は、環境条件により必要とされる通りに冷却塔に暖気を保有することによってより早くかつ完全に冷却塔を除氷する。モータ２０は、速度および持続時間に制限なく、逆転運転できる。しかしながら、従来のギアボックスはギアボックスの軸受および潤滑システムの制限のために逆転運転するようには設計されていない。一つの従来技術は、逆転運転中に潤滑を可能にするために、従来のギアボックスに潤滑ポンプ（電動および内接ギア）を追加している。しかしながら、潤滑ポンプを追加してさえも、ギアボックスは非常に低い速度に制限され、軸受設計のために典型的に逆転運転への継続時間はわずか２分間に制限される。ほとんどの冷却塔の場合、ファンは連続的に１００％のファン速度で稼働される。寒い季節において、１００％のファン速度で稼働するファンから生じる追加の冷却は、冷却塔を凍らせて冷却塔の倒壊を引き起こす。冷却塔運転者によって利用される一つの従来技術は、ファンを駆動するのに２速モータを使用する。このような従来の技術形態で、２速モータは冷却塔の除氷を期待して順方向回転および逆方向回転に連続的に揺さぶられる。いくつかの場合、ギアボックスは除氷を遂行するために２分間隔を超えて稼働される。しかしながら、このような技術は冷却塔への着氷被害だけでなくギアボックスの損傷をももたらす。冷却塔の凍結を最少化するためにモータを止めた場合、ファンおよびその機械システムは着氷されて凍結される。別の従来技術は、冷却塔槽から水を取り出す消防ホースを用いて深夜に冷却塔を除氷する。しかしながら、これは危険な行為であり、しばしば職員を傷つけてしまう。従来の除氷技術の問題を取り除く方法で着氷の問題を解決するために、本発明は、運転者の関与なしに自動除氷運転を実行し、そして、冷却塔の熱設計、温度勾配データ、大気温度、相対湿度、湿球温度、風速および風向に基づくものである。軸受設計およびモータ２０の基本設計概念および設計トルクの所為で、ファン１２はいずれの方向（順方向または逆方向）にも回転できる。この重要な機能は、ファン１２を除氷のために逆方向に回転することを可能にする。ＤＡＱ装置２００およびＶＦＤ装置２２は、寒い季節に着氷を減少する可変速度でモータ２０を運転するように形成される。設計トルクおよび順方向または逆方向へのファン速度運転と組み合わされるこの可変速度特性は、冷却塔の着氷を最少化および排除する。ＤＡＱ装置２００は、温度設定点、冷却塔設計パラメータ、プラント熱負荷および環境条件を用いてプログラムされ、そして除氷が必要かを決定するために、このプログラムされたデータおよび温度センサにより提供される測定温度値を使用する。ＤＡＱ装置２００は除氷が必要であると決定すると、除氷モードが運転者の関与なしに自動的に始動される。このような環境条件が存在するとき、ＤＡＱ装置２００は、ＶＦＤ装置２２にモータ２０のＲＰＭを０．０ＲＰＭに減らさせる制御信号を生成する。ソフト停止モードがモータのＲＰＭを０．０ＲＰＭに減らすために使用できる。次に、モータ２０は冷却塔を除氷するためにファン１２を逆方向に回転するように逆転運転される。逆転助走スタートモードは除氷を遂行するように使用できる。モータ２０は従来のギアボックスの制限を有していないので、この自動除氷モードの管理は必要としない。除氷の開始時、ＤＡＱ装置２００は産業用コンピュータ３００に信号を発する。それに応じて、表示画面３０６は、運転者に除氷運転を知らせる通報を表示する。この除氷機能は、継続時間の制限なしに、制限のない逆転運転（すなわち、逆方向での１００％のファン速度）を許容する特有な軸受設計および潤滑システムを備えるので、可能である。可変速度と組み合わされた無制限の逆転運転は、運転者または末端利用者に環境ストレス（風および温度）の変化に常に適合する間、プロセス需要に合致するように両方向の始動速度範囲を提供する。ＤＡＱ装置２００はプログラムできるので、除氷プログラムは、冷却塔、プラント熱負荷および環境条件の特有な設計に適合し得る。好適な実施形態において、ＤＡＱ装置２００は、除氷モード運転の始動を通知するためにｅメールまたはＳＭＳテキストメッセージを生成する。好適な実施形態において、ＤＡＱ装置２００は、冷却塔設計、リアルタイムの温度、湿球温度、風速および風向、およびその他の環境条件に基づいて除氷スケジュールを生成する。互換的な実施形態において、除氷運転の進捗を監視するため、またはその他の事象を始動させるために、冷却塔内に温度装置を組み込み得る。本発明の可変プロセス制御システムは、運転者が除氷モードの運転を手動で始動できるように形成される。ＤＡＱ装置２００および産業用コンピュータ３００のソフトウェアは、ＤＡＱ装置２００のキーパッド、または産業用コンピュータ３００とデータ信号で通信するユーザ入力装置３０４のいずれかを運転者が使用できる。互換的な実施形態において、運転者は分散制御システム３１５を介して除氷モードを始動する。このような実施形態において、制御信号は産業用コンピュータ３００に、次いでＤＡＱ装置２００に送られる。
【００８６】
マルチセルシステムにおいて、各永久磁石モータに対して個別のＶＦＤ装置があるが、すべてのセルに対しては１つのＤＡＱ装置のみである。このことは、ファンを駆動していようと可変速ポンプの部品を駆動していようと、すべての永久磁石モータが個別の独立した専用のＶＦＤ装置から制御信号を受け取ることを意味している。このマルチセルシステムについては後述において詳細な説明する。ＤＡＱ装置は、前述と同様なデータでプログラムされ、そしてセルの数を表すデータをさらに備える。ＤＡＱ装置は各セルを個別に制御し、それより、冷却塔、外部温度、湿球、相対湿度、風速および風向の特有な設計に基づいて、いくつかのセルが残存、待機、停止状態に保持、または風車状態で回転可能である一方、その他のセルは冷却塔を除氷するために所定の速度で逆方向に機能する。それ故、ＤＡＱ装置は、どのセルが除氷モードで稼働しているのかを決定する。特に、ＤＡＱ装置２００は、冷却塔説計要件に基づいて、いくつかのセルが逆方向に動くことによって自動的に冷却塔を除氷するようにプログラムされる。それ故、各セルのファンは、プロセス需要を維持する間、除氷のために冷却塔に熱を保持するように独立して稼働できる。
【００８７】
単一ファンの冷却塔またはマルチセル型冷却塔のいずれにおいても、冷却塔の温度センサはＤＡＱ装置２００に温度データを供給して、除氷モードが遂行されるべきであるかを決定するようにこれらの信号を処理する。マルチセル型冷却塔において、いくつかのセルは除氷を必要とし、その他のセルは必要ではない。このような場合、ＤＡＱ装置は、除氷を必要とするファンセルに対応するＶＤＦにのみ除氷信号を送る。
【００８８】
ＤＡＱ装置はまた、ファンを停止し次いで逆転運転する必要なしにある程度の除氷を達成するためにファンの速度を減少するだけの選択肢を運転者に提供するようにプログラムされる。
【００８９】
本発明の別の実施形態において、ＶＦＤ装置２２は回生（ＲｅＧｅｎ）駆動装置として形成される。回生ＶＦＤは、電力を電力網に戻す電力電子機器を有する特殊な型式のＶＦＤである。この回生駆動システムは、「風車状態で回転」するファンから生じるいかなるエネルギも捕獲して電力網にそのエネルギを戻す。「風車状態の回転」は、ファンが電力供給されていないが冷却塔を通る上昇気流によって逆方向に回転するときに生じる。この上昇気流はセル内の水によって発生される。風車状態の回転で発生する電力はまた、ファン速度を制限して、強風、竜巻およびハリケーンの際にファンの回転を防止するように使用できる。回生ＶＦＤ装置はまた、ハリケーンの際に経験するような強風中に風車状態の回転を防止するために、ファンを０．００ＲＰＭに保持するようにモータ２０に送る制御信号を生成するように形成される。
【００９０】
図２を参照すると、本発明の可変プロセス制御システムはさらに、ＤＡＱ装置２００と電気信号で通信する複数のセンサおよびその他の測定装置を備える。これらのセンサの各々は特定の機能を有する。この特定の機能について詳細に説明する。図４および５Ｂを参照すると、モータ２０は、モータケーシング２１内に配置された振動センサ４００および４０２を備える。センサ４００は軸受ハウジング５０に置かれ、センサ４０２は軸受ハウジング５２に置かれる。好適な実施形態において、各センサ４００および４０２は加速度計、速度および移動として形成される。前述したように、センサ４００および４０２はクイック切離しアダプタ１０８と電気的に接続され、ケーブル１１０はクイック切離しアダプタ１０８および通信データ接続箱１１１に電気的に接続される。ケーブル１１２は通信データ接続箱１１１とＤＡＱ装置２００の間に電気的に接続される。振動センサ４００および４０２はファン１２によって認識される振動を表す信号を提供する。特定の発生源または条件によって生じる振動は独特なシグナチャを有する。センサ４００および４０２から発するすべての信号は、それらのセンサ信号を処理するＤＡＱ装置２００に入力される。具体的には、ＤＡＱ装置２００は、振動のシグナチャおよび発生源を究明するように、センサ４００及び４０２によって供給された信号を処理する所定の振動解析アルゴリズムを実行するプロセッサを備える。この振動解析アルゴリズムはＦＦＴ（高速フーリエ変換）を含む。振動の考えられる理由は、不平衡なファン１２、モータ２０の不安定、ファンシステムの変形または損傷、特定のモータＲＰＭにより生じる共振周波数、またはファン支持構造、例えば、デッキの不安定である。センサ４００および４０２により感知された振動が永久磁石モータ２０の特定のＲＰＭによって発生されることをＤＡＱ装置２００が究明されたとき、ＤＡＱ装置２００はＶＦＤ装置２２に入力するための閉鎖信号を生成する。この閉鎖信号は、特定の共振振動を発生するモータ速度を締め出すようにＶＦＤ装置２２を制御する。このため、閉鎖信号はモータがこの特定の速度（ＲＰＭ）で作動するのを防止する。ＤＡＱ装置２００はまたＤＣＳ３１５を介して運転者に通知する信号を発する。共振周波数が１つより多いこともあり、そのような場合、すべての共振周波数を生じるモータ速度が閉鎖される。そのため、モータ２０は共振周波数を生じる速度（ＲＰＭ）では作動しない。共振周波数は徐々に変化する。しかしながら、振動センサ４００および４０２、ＶＦＤ装置２２およびＤＡＱ装置２００は、共振周波数の変化に適合する適応システムを構成する。ＤＡＱ装置２００による振動信号の処理はまた、ファンのバランス取りが必要か、或いはファンブレードの再調整が必要かを決定し得る。
【００９１】
ファントリム調整は、典型的に動的な不平衡であるファン不平衡を究明するように試運転時に遂行される。静的バランスは達成基準にある。ほとんどのファンは動的に釣り合ってはいない。この不平衡はファンを振動させて、冷却塔、特にボルト止めの結合部に摩損を生じる。従来のファン駆動システムにおいて、ファンの不平衡を測定することは遂行できたが、従来のギアボックスの外側に外付けの器具類を用いる必要があった。この技術はセルに入ることが必要である。しかしながら、従来のシステムとは異なり、ＤＡＱ装置２００は振動センサ４００および４０２により出力された信号を連続して受け取る。動的システム振動は不規則なファンピッチ、ファン重量および／または複合的なファンブレードシステムへの不整な取付けによって生じる。ファンピッチは、通常、試運転時に傾斜計によって設定され、そして徐々に変化してファン不平衡を生じる。ファンブレード１８のいずれかのピッチが所定のピッチまたは所定範囲のピッチから逸脱すると、ブレードを再調整または釣り合わせるために、ファンブレード１８にメンテナンス作業が行われる。好適な実施形態において、追加の振動センサ４０４および４０６がモータ２０の軸受ハウジング５０および５２にそれぞれ配置される（図４参照）。各振動センサ４０４および４０６は加速度計または速度プローブまたは変位プローブとして形成される。各振動センサ４０４および４０６は、ファン不平衡から生じる振動を検出するのに適切な所定の感度および高忠実度を有する。センサ４０４および４０６から発する信号は、ケーブル１１０、通信データ接続箱１１１およびケーブル１１２を介してＤＡＱ装置２００に入力される。センサ４０４および４０６は運転者が正しいファントリム調整を遂行できるデータを提供する。ファントリム調整は、動的に調整されていないシステムを回転することによって生じる構成部品の摩損を発生させる振動力または動的結合を減衰または除去することにより、冷却塔の寿命を延ばすファン１２の動的バランスを提供する。測定された振動がファン不平衡を示す場合或いはブレードの破損または切迫した故障を示す深刻または危険な振動の範囲にあると認められた場合、ＤＡＱ装置２００は自動的に緊急停止信号をＶＦＤ装置２２に発する。振動が深刻な場合、ＤＡＱ装置２００は、惰性運転させる制御信号を停止するまでＶＦＤ装置２２に発する。ファンはファン保持モードの運転を用いて保持される。ファンを検査および修理するために、適切なファンロック機構がモータ回転軸２４に適用される。ＤＡＱ装置２００はそのとき、ファンが深刻な振動によって停止されたことを運転者に通報するためにｅメールまたはＳＭＳテキストメッセージを介して警戒通報をＤＣＳ３１５に送る。ＤＡＱ装置２００はまた、表示器３０６に表示するために産業用コンピュータ３００に通報を送る。振動信号がファン不平衡を示すがその不平衡が深刻な種類のものではない場合、ＤＡＱ装置２００はファン不平衡であることを運転者に警告するためにＤＣＳ３１５に通報を送る。運転者は、必要ならばファンを検査して修理するために、冷却塔またはファンセルの運転停止オプションを取る。そのため、適応性のある振動監視および種々のプロセス制御システムの補償機能は、低速、動的ファントリムバランスを提供して「振動連結」を除去するために、軸受設計およびモータ２０の構造と組み合わせる。
【００９２】
可変プロセス制御システムの適応性のある振動機能は、ｅメールおよびＳＭＳを介してＤＳ３１５に通報および警報を発する機能を有する直結駆動ファンシステムの１００％の監視、管理および制御を提供する。この通報および警報は、ピッチおよびファン不平衡のような不平衡で運転していることを運転者に通知する。典型的に、特定の振動スペクトル内で発生するファンおよびハブの故障に伴う大きな振動は、モータ２０を急激に０．０ＲＰＭに下げることになる。ファン保持モードはそのとき遂行される。次いで産業用コンピュータ３００は、振動の原因を究明して、妨害となる故障の予測を促すために、振動信号のＦＦＴ処理を遂行する。この処理の一部として、振動信号はまた、振動の原因の把握および解明を促進するために、履歴動向データと比較される。
【００９３】
互換的な実施形態において、本発明の可変プロセス制御システムは、ファンの外側のいくつかの位置に適当な信号ピックアップコネクタを使用する。これらの信号ピックアップコネクタは、センサ４００および４０２と信号で通信し、運転者によってファントリムのために平衡設備（例えば、エマーソン（Emerson）ＣＳＩ２１３０）に手で差し込むように使用できる。
【００９４】
本発明によれば、センサ４００、４０２、４０４および４０６が適切に機能しているとき、これらのセンサは、センサ４００、４０２、４０４および４０６が適切に作動していることを運転者に通知するために、定期的な状況信号をＤＡＱ装置２００に出力する。センサが状況信号を発しない場合、ＤＡＱ装置２００は、ｅメールまたはＳＭＳテキストメッセージを介してＤＣＳ３１５に送られるセンサ機能停止通報を出力する。センサ機能停止通報はまた、運転者にセンサの機能停止を通知するように、表示画面３０６に表示される。それ故、センサの１００％の監視によって、センサ信号の喪失または不良なセンサ信号は、警報を発生させ、運転者に表示される。この機能は、適切な運転を確保するために振動センサを定期的に検査することを運転者に要求していた従来のシステムと比べて重要な改善点である。従来のファン駆動システムにおいてセンサが故障すると、センサが故障したことを運転者にフィードバックまたは表示しない。このような欠陥は、壊滅的なファン故障や冷却塔資源の損壊のような壊滅的な結果を招く。しかしながら、本発明は、このような壊滅的な事故が二度と起きないようにその機会を大きく減少する。本発明において、センサに関して組込まれた冗長性がある。好適な実施形態において、すべてのセンサは、容易に交換できるライン交換式ユニット（ＬＲＵ）である。好適な実施形態において、ライン交換式ユニットは、前述したロクファスト・ガードを有するターク・マルチファスト直角ステンレスコネクタのようなクイック切離しアダプタに分類される領域を利用する。
【００９５】
モータ２０の振動を検出するのに用いられるライン交換式振動センサユニットの例が図１８、１９および２０に示されている。図１８を参照すると、モータハウジングまたはケーシング２１に結合された機器接続箱９００と信号で通信するライン交換式振動センサユニットが示されている。この振動センサユニットはケーブルグランド９０２、モータケーシング２１の上部９０６の外表面を横切って伸びる加速度計ケーブル９０４を備える。加速度計９０８はモータケーシング２１の上部９０６に結合される。好適な実施形態において、加速度計９０８は、前述したロクファスト・ガードを有するターク・マルチファスト直角ステンレスコネクタのようなクイック切離しアダプタを用いてモータケーシング２１の上部９０６に結合される。加速度計９０８からのセンサ信号は処理するためにＤＡＱ装置２００によって受け取られる。好適な実施形態において、加速度計９０８からのセンサ信号は機器接続箱９００を介してＤＡＱ装置２００に提供される。この実施形態において、機器接続箱９００はＤＡＱ装置２００に配線される。
【００９６】
別のライン交換式振動センサユニットが図１９に示されている。このライン交換式振動センサユニットはモータハウジングまたはケーシング２１に結合された機器接続箱９００と信号で通信し、そしてケーブルグランド１００２、およびモータケーシング２１の上部１００６の外表面を横切って伸びる加速度計ケーブル１００４を備える。この振動センサユニットはさらに、モータケーシング２１の上部１００６に結合された加速度計１００８を備える。加速度計１００８はモータケーシング２１の上部１００６に結合される。好適な実施形態において、加速度計１００８はモータケーシング２１の上部１００６に気密シールされる。加速度計１００８からのセンサ信号は処理するためにＤＡＱ装置２００によって受け取られる。一実施形態において、加速度計１００８からのセンサ信号は機器接続箱９００を介してＤＡＱ装置２００に提供される。この実施形態において、機器接続箱９００はＤＡＱ装置２００に配線される。
【００９７】
別のライン交換式振動センサユニットが図２０に示されている。このライン交換式振動センサユニットはモータハウジングまたはケーシング２１に結合された機器接続箱９００と信号で通信し、そしてケーブルグランド１１０２、およびモータケーシング２１の上部１１１０の外表面を横切って伸びる加速度計ケーブル１１０４を備える。この振動センサユニットはさらにモータケーシング２１の上部１１１０に結合された加速度計１１０８を備える。加速度計１１０８はモータケーシング２１の上部１１１０に結合される。好適な実施形態において、加速度計１１０８はモータケーシング２１の上部１１１０に気密シールされる。加速度計１１０８からのセンサ信号は処理するためにＤＡＱ装置２００によって受け取られる。一実施形態において、加速度計１１０８からのセンサ信号は機器接続箱９００を介してＤＡＱ装置２００に提供される。この実施形態において、機器接続箱９００はＤＡＱ装置２００に配線される。
【００９８】
図２および４を参照すると、本発明の可変プロセス制御システムはさらに、可変プロセス制御システム内および冷却装置１０内の異なった位置に配置された複数の温度センサを備える。好適な実施形態において、各温度センサは市販の温度プローブにより構成される。各温度センサは通信データ接続箱１１１と電気信号で通信する。モータケーシング２１内に配置された温度センサは、電線１１０を介して通信データ接続箱１１１と電気信号で通信するクイック切離しアダプタ１０８に電気的に接続される。モータケーシング２１内に配置されていない温度センサは、通信データ接続箱１１１に直接配線される。これらのセンサの機能は次の通りである：
１）センサ４２０はモータケーシング２１の内部の温度を測定する（図４参照）；
２）センサ４２１Ａおよび４２１Ｂはモータ軸受ハウジング５０および５２の温度を        それぞれ測定する（図４参照）；
３）センサ４２２はモータ２０のステータ３２、座巻、積層、などの温度を測定する        （図４参照）；
４）センサ４２６はモータケーシング２１付近に配置されるてータ２０を取り巻く空        気の大気温度を測定する（図２参照）；
５）センサ４２８は湿式冷却塔の収集槽（図示なし）に配置されて収集槽の水の温度        を測定する（図２参照）；
６）センサ４３０はＤＡＱ装置２００の温度を測定する（図２および４参照）；
７）センサ４３２は湿球温度を測定する（図２参照）；
８）センサ４３３はファンによって生じる空気流の温度を測定する（図４参照）；
９）センサ４３４はモータケーシングの外の温度を測定する（図４参照）；
１０）センサ４３５はガス漏れまたはその他の放出を検出する（図４参照）。
好適な実施形態において、上述の役割の各々を遂行する複数のセンサがある。例えば、一実施形態において、収集槽の水の温度を測定する複数のセンサ４２８がある。
【００９９】
センサ４２６、４２８、４３０、４３２、４３３、４３４および４３５は通信データ接続箱１１に直接配線され、これらのセンサによって提供される信号はケーブル１１２を介してＤＡＱ装置２００に提供される。センサ４２１Ａ、４２１Ｂおよび４２２はモータケーシング２１内にあるので、これらのセンサからの信号はクイック切離しアダプタ１０８へ給送される。モータ２０の内部配線は、図２に示すダイアグラムを簡略化するために、図２に示されていない。モータケーシング２１またはモータステータ３２（ステータ、ロータ、積層、コイル、座巻）の温度の突発的上昇は、空気流の喪失および／またはセルへの水の停止を示唆する。このような事態が生じたとき、ＤＡＱ装置２００はプラントＤＣＳ３１５に通報を発すると同時に、警報装置４３８（図２参照）のような警報を起動し、また、産業用コンピュータ３００に信号を出力する。この機能はモータ２０が過熱するのを防止するための安全機構を提供する。
【０１００】
互換的な実施形態において、センサ４３０は通信データ接続箱１１１と配線されないが、代わりに、ＤＡＱ装置２００の適当な入力に直接配線される。
【０１０１】
かくして、上述のセンサを使用するＤＡＱ装置２００は表１に説明するパラメータを測定する。
【表１】
2018084407.tif 000003
【０１０２】
槽温度設定点としても知られる所望の収集槽の液体の温度は、重油の熱分解、蒸気タービンの真空背圧の維持、熱交換機の付着防止またはプラントの部分負荷の負荷率低下のように追加の冷却需要に合致するために、運転者によって即時に変更できる。産業用コンピュータ３００はプラントＤＣＳ（分散制御システム）３１５と電子信号で通信する（図２参照）。運転者は、修正された槽温度設定点を産業用コンピュータ３００に入力するためにプラントＤＣＳ３１５を使用する。産業用コンピュータ３００はこの情報をＤＡＱ装置２００に通信する。センサ４２８は測定温度が槽温度設定点以上か以下かを決定するために収集槽の液体の温度を測定する。ＤＡＱ装置２００はセンサ４２８によって提供された温度データ、修正された槽温度設定点、現在の気象条件、熱およびプロセス負荷、および気象、時期および時刻に対応する関連履歴データを処理する。
【０１０３】
一実施形態において、当該技術において知られている乾湿計、湿湿度計または湿度計のような適当な機器を用いて湿球温度が測定される。
【０１０４】
本発明の可変プロセス制御システムの適応特性の結果として、プロセス負荷、冷却塔熱容量、気象条件または時刻の変化にもかかわらず一定の槽温度が維持される。ＤＡＱ装置２００は、プロセス負荷、冷却塔熱容量、気象条件または時刻の変化に応じて最新の正弦関数のファン速度曲線を連続的に生成する。
【０１０５】
温度船さ４３０は、電気的過負荷、短絡または電子部品の機能停止によって生じる過熱を検出するために、ＤＡＱ装置２００の温度を測定する。好適な実施形態において、ＤＡＱ装置２００で過熱が生じると、ＤＡＱ装置２００は、「ソフト停止モード」を起動し、モータ２０を０．００ＲＰＭに減速させ、そして警報（例えば、警報器４３８、音声警報器、ブザー、サイレン、ホーン、フラッシュライト、ＤＣＳ３１５へのｅメールおよびテキストメッセージ、など）を作動して、システムが過剰な温度によって緊急停止作業を行おうとしていることを運転者に警告するように、緊急停止信号をＶＦＤ装置２２に送る。本発明の一実施形態において、ＤＡＱ装置２００で過熱が生じると、ＤＡＱ装置２００は、器具類が検査されるまで、モータ２０の速度を現在の速度に維持するように、ＶＦＤ装置２２に信号を送る。
【０１０６】
モータ２０および冷却塔の運転パラメータはＤＡＱ装置２００にプログラムされる。ＤＡＱ装置２００はマイクロプロセッサまたはミニコンピュータを備え、コンピュータ処理能力を有する。多くの運転パラメータは時間と共に画定されそしてシステム構成要素、ファンおよび冷却塔構造の作動許容範囲に基づく。同じ時間間隔での馬力またはファントルクにおける変化（すなわち、減少）と比較して、数ヶ月の動向などにより決定されるような小さな増分のモータ２０（ステータ、ロータ、積層、コイル、座巻、など）の漸進的加熱は、目詰まり、貧弱な配水などのような、冷却塔への問題を示唆する。産業用コンピュータ３００はデータの傾向を取り、そして冷却塔の検査が必要であることを運転者に通知する通報を表示器３０６に表示するかについて判定する。時間の関数としてのモータ温度の突然の上昇はセルの水が遮断されたことを示す。このような状況は冷却塔の検査の誘因である。本発明の可変プロセス制御システムは運転パラメータからのいかなる逸脱も運転者に通知するように設計される。これらの運転パラメータおよび許容範囲からの逸脱は発生（時間に関連して）し、ＤＡＱ装置２００は、それらの状況を通報して検査が必要であることを知らせるために運転者に信号を発する。大きな振動急増または非常に高いモータ温度のような、運転パラメータからの相対的に大きな逸脱は、モータ２０が完全な停止まで惰性で進むためのＶＦＤ装置２２への制御信号をＤＡＱ装置２００に生成させる。ファンは次いでファン保持モードの運転により保持される。ＤＡＱ装置２００は同時に警報および通報ｅメールおよび／またはテキストメッセージを介してＤＣＳ３１５に発する。
【０１０７】
前述したように、ＶＦＤ装置２２、ＤＡＱ装置２００および産業用コンピュータ３００はモータ制御筐体（ＭＣＥ）２６に収納される。可変プロセス制御システムは、ＭＣＥ２６に引き込まれるところからの爆発性ガスを潜在的に阻止するために、キャビネット２６に連続的な正圧を維持するパージシステムを備える。このようなガスは熱交換器から創出される。パージシステムは圧縮空気供給源と、爆発性ガスの侵入を阻止する正圧を作るためにＭＣＥ２６に圧縮空気の連続的供給源を分配するための装置（例えば、ホース）とを備える。互換的な実施形態において、ＭＣＥ２６は、圧縮空気を用いる渦流式冷却器で冷却される。別の実施形態において、空調装置に分類されるものは、ＭＣＥ２６に空気流を送るのに使用される。
【０１０８】
図２を参照すると、好適な実施形態において、本発明のシステムはさらに、ファンデッキに配置されて冷却塔槽の圧力を測定する少なくとも１つの圧力測定装置４４０を備える。好適な実施形態において、冷却塔プレナムの圧力を測定するための複数の圧力測定装置４４０がある。各圧力測定装置４４０は通信データ接続箱１１１に電気的に接続される。測定される圧力はファン前方の圧力（すなわち、ファン流入圧力）と同等とみなされる。測定された圧力は冷却性能解析で使用するためにファン圧力を駆動するように用いられる。
【０１０９】
設計ファン圧力の必要量を供給するために、ファンが正しいファン高さに配置されることは重要である。ファンは、図１３に示すように、正しく作動するために、ファン排気筒の狭小な部分に運転されねばならない。多くの従来のファン駆動システムは、現用のパラボラ状ファン排気筒設備内で正しいファン高さを維持していない。このような高さの不整合は冷却能力および効率に重大な低下を生じる。本発明のファン駆動システムの重要な機能は、モータ２０の基本設計概念がファン排気筒におけるファン高さを維持または修正することである。図１３および１４を参照すると、本発明のファン駆動システムを用いた湿式冷却塔のダイアグラムが示されている。この湿式冷却塔はファン排気筒１４およびファンデッキ２５０を備える。ファン排気筒１４はファンデッキ２５０によっ支持される。ファン排気筒１４は全体的にパラボラ形状を有する。別の実施形態において、ファン排気筒１４は直線状の円筒形状（すなわち、円筒形）を有することができる。ファン排気筒１４およびファンデッキ２５０は前述において説明されている。パラボラ状ファン排気筒１４は、パラボラ状ファン排気筒１４の狭小部位でファンブレードの端部を封鎖するために、モータ高さがファン排気筒１４の狭小な咽喉状部分となる適切なファン高さへ適合することが必要である。このことは、ファンが正しく作動して利用時に適当なファンポンプヘッドを提供することを確実にする。湿式冷却塔は、前述において説明したファンアセンブリ１２を備える。ファンアセンブリ１２はファンハブ１６と、ファンハブ１６に結合されたファンブレード１８を備える。ファンアセンブリ１２は、ファンハブ１６の頂部に結合されたファン密封ディスク２５４をさらに備える。ファンハブ１６はテーパ付き開口２５５を有する。モータ２０は、テーパ付き開口２５５の相補的形状部分と結合されるロッキングキー付き回転軸２４を有する。具体的には、図１４に示すように、モータ回転軸２４は、ファンハブ１６の相補的形状部分を受容するキー溝２５６を有するように形成される。テーパ付きブッシング２５７は、テーパ付きブッシング２５７の移動を防止するために、取付ネジ２５８でモータ回転軸２４に固着される。高さＨは、ファン排気筒１４内に取り付けるべき（図１３参照）ファンブレード１８の正しい高さを示す。高さＨはファン排気筒１４の狭小部分の最上方点を示す。これは、ファンアセンブリ１２を適切かつ効果的に稼動するためにファンブレード１８を配置すべき正しい高さである。選択的な据付けプレート２６０は、ファンブレード１８を正しい高さＨ（図１３および１４参照）に正確に配置するように使用できる。必要に応じて、新しいモータ２０および据付けプレートを取り付け、そしてファン高さを修正することは、ファンアセンブリ１２を正しい高さＨに設定する事により冷却塔を通る空気流を実際に増加できる。据付けプレート２６０は、モータ２０が据付けプレート２６０上に着座されて連結されるように、梯子状フレーム／トルクチューブ２６２とモータ２０の間に設置される。モータ２０は、梯子状フレームまたはトルクチューブ或いはファンデッキ２５０の中央開口上に延びるその他の適当な金属フレームに結合される。モータ２０は、そこにある梯子状フレームまたはトルクチューブにモータ０を結合するのに４本のボルトだけが必要であるように設計される。図１２Ｂに示すように、モータハウジング２１は、４本の取付けボルトを受容するように貫通して延びる４つの開孔２６４Ａ、２６４Ｂ、２６４Ｃおよび２６４Ｄを有する。据付けプレート２６０は、前記の４本のボルトを対応する貫通孔が受容するように設計される。４本のボルトは対応する開孔２６４Ａ、２６４Ｂ、２６４Ｃおよび２６４Ｄを通り、据付けプレート２６０の対応する開孔を通り、そして梯子状フレームまたはトルクチューブの対応する開孔を通って延びる。そのため、本設計によるモータ２０の基本設計概念は、従来のすべてのギアボックス（図１参照）の差込式交換であるように設計され、そして冷却塔または現用の梯子状フレームまたはトルクチューブの構造的変更を行うことなしに、ファン排気筒１４内のファン高さを維持または修正するように設計される。このような機能および利点は、交換される従来のギアボックスシステムのものと同じまたはそれより軽い重さを有するようにモータが設計されているので、可能である。モータ２０の装着形態（図１２Ｂ参照）は、現用の構造的梯子状フレームおよびトルクチューブの現用機器にモータ２０を装着し、そしてクラス１、区分２、グループＢ、ＣおよびＤの区域分類に合致するファン排気筒内で運転することを許容する。それ故、従来のギアボックスシステムをモータ２０に交換すね場合、新規または追加の梯子状フレームおよびトルクチューブは必要としない。モータ２０は、交換しようとする従来のギアボックスと同じまたはそれより軽い重さを有しているので、モータ２０は現用の梯子状フレームまたはトルクチューブ２６２と同じ重量配分を有する。モータ２０は従来のギアボックスがファンハブ１６に連結されるのと同様な手段でファンハブ１６に連結される。モータ２０を組み込むのに必要な構成部品は：（ａ）前述したように、電力ケーブル１０５の他端をモータ切離し接続箱１０６に電気的に接続されるように適合される、接続された電力ケーブル１０５を有するモータ２０、（ｂ）モータケーシングまたはハウジング２１の貫通孔２６４Ａ、２６４Ｂ、２６４Ｃおよび２６４Ｄに挿入される４本のボルト、（ｃ）クイック切離しアダプタ１０８で終端する一端と、通信データ接続箱１１１と電気的に接続するように適合された他端を有するケーブル１１０、（ｄ）モータ切離し接続箱１０６およびＶＦＤ装置２２に電気的に接続するように適合された電力ケーブル１０７だけである。電力ケーブル１０５および１０７は前述おいて説明したとおりである。モータ２０の設計の結果として、従来の駆動システムをモータ２０と交換するプロセスは、従来の複雑なギアボックス、回転軸およびカップリングの据え付けおよび整合に必要なものよりも、簡単、好都合、相対的に短いクレーン作業時間、相対的に低度の作業経験である。好適な実施形態において、モータ２０は、モータハウジング２１に固着または一体的に形成される持上げラグまたはフック２７０を備える。これらの持上げラグ２７０は、取り付け中にクレーンで持ち上げられるときにモータ２０が平衡であるように、モータハウジング２１の所定の位置に配置される。モータ２０およびその取付部品は特にスラスト、ピッチ、ヨー、逆負荷およびファン重量（死負荷）に合わせて設計される。
【０１１０】
かくして、モータ２０は現用の従来のギアボックスの取付け筐体内に適合して、ファン排気筒におけるファン高さを維持または修正するように特に設計される。一実施形態において、モータ２０の重量は、現在使用されているモータ−回転軸−ギアボックス駆動システムの重量より軽い若しくは等しい。本発明の好適な実施形態において、モータ２０は１１３５ｋｇ（2500lbs）を超えない。一実施形態において、モータ２０は約１０６６ｋｇ（2350lbs）の重量を有する。モータ回転軸２４は、ファンハブ回転軸直径寸法、輪郭形状およびキー溝と共に現用の接合部分に適合するように特に設計される。モータ２０はすべてのハブを回転でき、かつ、向き、ブレード長、ファン剛性、ブレード輪郭形状、ブレード寸法、ブレードピッチ、ブレードトルクおよびファン速度を考慮することなしにファンを取り付けることができる。
【０１１１】
モータ２０は冷却塔ファンのその他のモデルまたは型式にも使用し得ることを理解すべきである。例えば、モータ２０は、米国テキサス州ヒューストンのハドソン・プロダクツ、コーポレーション（Hudson Products, Corporation）により製造される市販の４０００シリーズのタフトライト（Tuft-Lite）ファンのいずれにも使用し得る。互換的な実施形態において、モータ２０は、ハブ構造なしに形成されたファンに連結される。このファンは静音ファンまたは単一製品ワイド和音ファンとして知られている。単一製品ワイド和音ファンが用いられる場合、回転自在なモータ回転軸２４はファンに直接ボルト止めまたは結合される。市販の静音ファンの一つは米国メリーランド州ジェサップのボルモア・エアコイル・カンパニー（Baltimore Aircoil Company）により製造されるＰＴ２冷却塔ホイスパークワイエットファン（PT2 Cooling Tower Whisper Quiet Fan）である。
【０１１２】
モータ２０は、潤滑システムを汚染またはモータ２０の完全性を低下することなしに、厳しい化学的攻撃、貧弱な水質、鉱質沈着物およびｐＨ攻撃、生体成長、および湿潤環境に耐えるように設計される。モータ２０はファン排気筒内で作動し、追加の冷却ダクトまたは流れバケットを必要としない。
【０１１３】
新規な据え付け（すなわち、新規冷却塔の建設）のためには、モータ２０の据え付けは従来のギアボックスシステムのように梯子状フレームおよびトルクチューブを必要としない。梯子状フレームおよびトルクチューブの排除は、低減された据付けコストのより簡単な構造を提供する。梯子状フレームおよびトルクチューブの排除は支持構造物から障害物および妨害物を減らし、それにより、空気流のロスを減らす。梯子状フレームおよびトルクチューブの排除はまたファン圧縮ロスおよび乱流を減らす。モータ２０の取り付けはそれ故に単純化され、複数の構成部品、面倒な整合を排除し、そしてまた、据付け時間、マンパワーおよびモータ２０を据え付ける人の技術レベルを低減する。電力はモータ接続箱１０６に簡単に接続される。本発明は、ファン排気筒を貫通する回転軸を排除し、それにより、空気量のロスおよびファン圧縮ロスを低減することによってファン性能を改善する。
【０１１４】
前述したように、ケーブル１０５はモータ２０の組み立て中にモータ２０に終端または予備配線される。この形態はモータ２０の据え付けを簡略化する。さもなければ、モータ２０にケーブル１０５を取り付けるために電気技師に密閉空間へ入る練習をさせてからセルに入り込むのを許可する必要がある。さらに、製作プロセス中にケーブル１０５をモータ２０に終端させることは、適切な照明を備えた清浄な状況下およびプロセスおよび品質管理下でケーブル１０５がモータ２０に組み込まれて終端されるので、モータ２０の改善された信頼性および密封を提供する。モータ２０が３相モータとして形成されるとき、ケーブル１０５は３線により構成されそしてこの３線はモータ切離し接続箱１０６内の内部結線に接続されるべきである。
【０１１５】
〔試験結果〕
本発明のシステムは湿式冷却塔で実施された。広範囲のβテストは本シス
テムの振動および振動解析に特に注目して行われた。図１１Ａは、本発明
のシステムのβテストの結果によるグラフ形態の軸受振動報告である。図
１１Ｂは、図１１Ａと同じ軸受振動報告で、従来技術（すなわち、ギアボ
ックス）トリップ値０．０２４Ｇを示す。図１１Ｃは、本発明のシステム
により生じた振動レベルを示す振動重度グラフである。これらの試験結果
はモータ２０およびその駆動システムが従来のギアボックスシステムより
も非常に円滑に作動し、それにより非常に低い振動シグナチャを生むこと
を明らかにしている。この円滑な運転は独特なモータ２０の軸受基本設計
概念によるものである。モータ２０の平均作動範囲は、従来のギアボック
スのトリップ値が０．０２４Ｇであるのに対し、最大±０．００５Ｇの０
．００２Ｇである。
【０１１６】
前述のモータ２０およびその駆動システムの円滑な運転は、本発明の可変プロセス制御システムがより堅調であるので、精密な制御、管理、監視およびシステム健康管理を可能にする。一方、従来のギア列噛合（すなわち、モータ、回転軸、カップリングおよび後続の複数のギア列シグナチャ）は、特定および効果的に管理するのが困難である多重振動シグナチャおよび合成交差周波数ノイズを有する。モータ２０は、従来のギアボックスシステムにおけるロスを排除しそして従来のギアボックスシステムよりも非常に有効であるので、適用された電気エネルギよりももっと空気流に変換することによって冷却塔を通る空気流を増加する。
【０１１７】
多くの冷却塔の運転者によって用いられている公知の従来技術は、凝縮機性能を改善するために、冷却塔への水の流れを増加する。図１７は、近似凝縮機性能のグラフを示す。しかしながら、増加された水の流れの追加のストレスが冷却塔構成部品を損傷させ、冷却塔の冷却能力（Ｌ／Ｇ比）を実際に低減する。いくつかのケースでは、米国テキサス州ディア・パークのシェル・ケミカルのオレフィンユニットの一つで起きた冷却塔の倒壊（ケミカル・ウィーク（Chemical Week）、２００２年７月１７日、第１４頁参照）のような致命的な故障を引き起こす。しかしながら、本発明の可変プロセス制御システムを備えると、冷却塔設計パラメータがＤＡＱ装置２００および産業用コンピュータ３００の両者にプログラムされているので、水の流れを増加することは全く不要である。具体的には、本発明の可変プロセス制御システムにおいて、冷却塔ポンプおよび補助装置システムは、冷却塔の溢水および危険な能力外の運転を防止するために、追加の制御、管理および監視を提供するようにファンとネットワークで結ばれる。このような実施形態において、ポンプは、ＤＡＱ装置２００がファン、モータおよびポンプの運転を制御するために、ＤＡＱ装置２００に配線される。このような実施形態において、水の重量で冷却塔を倒壊するのを防止する手段として、ポンプ水量が監視される。このようなポンプの監視および運転は、Ｌ／Ｇ比が全負荷および環境条件について最大化されるので、冷却塔の部分負荷冷却能力を改善する。このような監視および運転はまた溢水を防止してエネルギ消費をさらに低減する。ポンプを通る流量率はプロセス需要または凝縮機プロセスのような構成要素のプロセスの機能である。好適な実施形態において、本発明の可変プロセス制御システムは可変速ポンプを使用する。互換的な実施形態において、部分負荷性能をさらに改善するために可変速ポンプを制御するようにＶＦＤ装置２２と同様な可変周波数駆動装置が使用される。さらに別の実施形態において、冷却塔可変速ポンプは、モータ２０と同様な特性を有する永久磁石モータによって駆動される。
【０１１８】
かくして、本発明のできることは：
１）ファンを一定速度で運転する；
２）環境およびプロセス需要条件が変化したときに一定の槽温度を維持するようにフ        ァンの速度を変更する；
３）ファン速度の変化を予測するために現在の湿球温度および環境ストレスおよび過        去のプロセス需要および過去の環境ストレスを使用し、そして相対的により小さ        くより少ない頻繁なファン速度の変化で冷却需要および省エネルギに合致するた        めに正弦曲線（図９参照）に従ってファン速度を上昇または下降させる；
４）環境ストレスおよびプロセス需要が変化したときに一定の槽温度を維持するよう        にファンの速度を変更し、そして、タービン背圧を維持しそして熱交換機の付着        汚染を回避するために産業プロセスにおいて所定の熱交換機およびタービン背圧        設定点を維持する；
５）環境ストレスおよびプロセス需要が変化したときに一定の槽温度を維持するよう        にファンの速度および可変速ポンプの速度を変更し、そして、タービン背圧を維        持しそして熱交換機の付着汚染を回避するために産業プロセスにおいて所定の熱        交換機およびタービン背圧設定点を維持する；
６）環境ストレスおよびプロセス条件が変化したときに一定の槽温度を維持するよう        にファンの速度を変更し、そして、タービン背圧を維持しそして熱交換機の付着        汚染を回避するために産業プロセスにおいて所定の熱交換機およびタービン背圧        設定点を維持し、そして、ファン速度の減少かまたはファンの逆転運転のいずれ        かによって冷却塔の凍結を防止する；
７）環境ストレスおよびプロセス条件が変化したときに槽温度を変更するようにファ        ンの速度を変更し、そして、タービン背圧を維持しそして熱交換機の付着汚染を        回避するために産業プロセスにおいて所定の熱交換機およびタービン背圧設定点        を維持し、そして、ファン速度の減少かまたはファンの逆転運転のいずれかによ        って冷却塔の凍結を防止する；そして
８）環境ストレスおよびプロセス条件が変化したときに槽温度を変更するようにファ        ンの速度および可変速ポンプの速度を変更し、そして、タービン背圧を維持しそ        して熱交換機の付着汚染を回避し、そして、ファン速度の減少かまたはファンの        逆転運転のいずれかによって冷却塔の凍結を防止する。
【０１１９】
図２６を参照すると、産業プロセスの一部である、湿式冷却塔に用いられた本発明の可変プロセス制御システムおよびモータ２０の概略図が示されている。この実施形態において、可変プロセス制御システムは複数の可変速ポンプを備える。各可変速ポンプは、永久磁石モータ２０と同じ作動特性を有する永久磁石モータを備える。湿式冷却塔１７００は冷却塔構造物１７０２、ファンデッキ１７０４、ファン排気筒１７０６および収集槽１７０８により構成される。冷却塔１７００はファン１７１０およびファン１７１０を駆動する永久磁石モータ２０を備える。ファン１７１０は、前述したファン１２と同様な構造および機能を有する。冷却塔１７００は補給水１７１２を需要するための流入口を備える。周知の充填材料を含む冷却塔１７００の部分は、図の簡略化のために図２６に示されていない。収集槽１７０８はファン１７１０によって冷やされた水を収集する。可変速ポンプは、冷却された水を収集槽１７０８から凝縮機１７１４に圧送し、次いで産業プロセスにおいて冷却された水を使用するプロセス１７１６に圧送する。凝縮機１７１４は一例として用いられており、熱交換機のような同様な装置も同様に使用できることを理解すべきである。凝縮機温度設定点は、典型的に、運転者により信号１７１７を介して分配制御システム３１５（図３参照）を通して設定される。産業プロセスは石油精製、タービン運転、原油熱分解、などである。可変速ポンプはまた、加熱された水をプロセス１７１６から凝縮機１７１４に戻し、次いで加熱された水がファン１７１０によって冷やされる冷却塔１７００に戻るように圧送する。収集槽１７０８にある冷却水は可変速ポンプ１７２２によって凝縮機１７１４に圧送される。可変速ポンプ１７２２はさらに、可変速ポンプ１７２２を通って凝縮機１７１４に流れる水の流量、圧力および温度を表すポンプ状況データ信号１７２６を出力する据付けモジュールを備える。データ信号１７２６はＤＡＱ装置２００に入力される。この機能については後述で説明する。凝縮機１７１４を出た水は可変速ポンプ１７３０によってプロセス１７１６に圧送される。可変速ポンプ１７３０は、可変速ポンプ１７３０を通って流れる水の流量、圧力および温度を表すポンプ状況データ信号１７３４を出力する据付けモジュールを備える。プロセス１７１６を離れた水は可変速ポンプ１７３８によって凝縮機１７１４に戻るように圧送される。可変速ポンプ１７３８は、可変速ポンプ１７３８を通って流れる水の流量、圧力および温度を表すポンプ状況データ信号１７４２を出力する据付けモジュールを備える。凝縮機１７１４を出た水は可変速ポンプ１７５２によって冷却塔１７００に戻るように圧送される。可変速ポンプ１７５２はさらに、可変速ポンプ１７５２を通って流れる水の流量、圧力および温度を表すポンプ状況データ信号１７５６を出力する据付けモジュールを備える。
【０１２０】
ＶＦＤ装置２２は複数の可変周波数装置を備える。具体的には、ＶＦＤ装置２２はＶＦＤ装置２３Ａ、２３Ｂ、２３Ｃ、２３Ｄおよび２３Ｅにより構成される。ＶＦＤ装置２３Ａは電力ケーブル１０７上に電力を出力する。電力ケーブル１０７および１０５は接続箱１０６に接続される。電力ケーブル１０５は電力信号をモータ２０に分配する。電力ケーブル１０５および１０７および接続箱１０６については前述において説明した通りである。ＶＦＤ装置２３Ｂは可変速ポンプ１７２２の永久磁石モータを制御するように電力信号１７２４を出力する。ＶＦＤ装置２３Ｃは可変速ポンプ１７３０の永久磁石モータを制御するように電力信号１７３２を出力する。ＶＦＤ装置２３Ｄは可変速ポンプ１７３８の永久磁石モータを制御するように電力信号１７４０を出力する。ＶＦＤ装置２３Ｅは可変速ポンプ１７５２の永久磁石モータを制御するように電力信号１７５４を出力する。ＤＡＱ装置２００はＶＦＤ装置２３Ａ、２３Ｂ、２３Ｃ、２３Ｄおよび２３Ｅと電子信号で通信する。ＤＡＱ装置２００は各ＶＦＤ装置２３Ａ、２３Ｂ、２３Ｃ、２３Ｄおよび２３Ｅを個別に独立して制御するようにプログラムされる。可変速ポンプ１７２２、１７３０、１７３８および１７５２からのすべての可変速ポンプ出力データ信号１７２６、１７３４、１７４２および１７５６は、それぞれ、ＤＡＱ装置２００に入力される。ＤＡＱ装置２００は、プロセス負荷および熱負荷を決定するようにこれらの信号を処理する。ＤＡＱ装置２００は、収集槽を出る水の温度と冷却塔に戻る水の温度との間の差を計算することによって熱負荷を決定する。ＤＡＱ装置２００は、可変速ポンプでの流量および圧力を処理することによってプロセス負荷を決定する。ＤＡＱ装置２００が熱負荷およびプロセス負荷を決定すると、ファン１７１０の回転速度がプロセス負荷に合致するのに十分であるかを決定する。ファンの現在の回転速度が不十分であるとき、ＤＡＱ装置２００は、熱需要およびプロセス需要に合致するファン速度曲線に変化させる。前述の説明で説明したように、ＤＡＱ装置２００はファン速度曲線を生成するように冷却塔熱容量、現在の熱需要、現在の環境ストレス、および履歴のプロセスおよび熱需要および履歴の環境ストレスのような履歴データを使用する。
【０１２１】
図２６に示すように、ＤＡＱ装置２００はまた前述した温度および振動センサ信号を受け取る。典型的に、槽温度設定点は、通常、プラント運転者によって設定される凝縮機温度設定点に基づく。収集槽温度が槽温度設定点より高いまたは低いとき、ＤＡＱ装置２００は修正または更新されたファン速度曲線に従ってモータ２０の回転速度を調整する。それ故、ＤＡＱ装置２００はすべてのセンサ信号および可変速ポンプ１７２２、１７３０、１７３８および１７５２からのデータ信号を処理する。ＤＡＱ装置２００は、増加したプロセス負荷のために冷却能力を増加するように可変速ポンプの速度を調整すべきであるときを決定し、冷却塔の水の流量を調節し、凝縮機の付着汚染を防止し、真空背圧を維持し、またはエネルギを節約するためにプラント部分負荷条件のためのポンプの流量および圧力を調整するように処理済み信号を利用するようにプログラムされる。可変速ポンプの速度調節が必要なとき、ＤＡＱ装置２００は、ＶＦＤ装置２３Ｂ、２３Ｃ、２３Ｄおよび２３Ｅに入力するためにデータバス２０２に送られる制御信号を生成する。それに応じて、これらのＶＦＤ装置２３Ｂ、２３Ｃ、２３Ｄおよび２３Ｅは、可変速ポンプ１７２２、１７３０、１７３８および１７５２の永久磁石モータをそれぞれ制御するように、電力信号１７２４、１７３２、１７４０および１７５４をそれぞれ生成する。ＤＡＱ装置２００は各ＶＦＤ装置２３Ａ、２３Ｂ、２３Ｃ、２３Ｄおよび２３Ｅを独立して制御する。それ故、ＤＡＱ装置２００は一つの可変速ポンプの速度を増加できる一方、別の可変速ポンプの速度を同時に低減してファン１７１０の速度を調節する。
【０１２２】
本発明の互換的な実施形態において、すべての可変速ポンプ出力データ信号１７２６、１７３４、１７４２および１７５６はＤＡＱ装置２００に入力されないが、代わりに、ポンプ出力データ信号を処理して、ＶＦＤ装置２３Ｂ、２３Ｃ、２３Ｄおよび２３Ｅにポンプ制御信号を直接出力する産業用コンピュータ３００（図３参照）に入力される。
【０１２３】
各可変速ポンプの各据付けモジュールは、モータおよびポンプの振動および温度を測定するセンサを備える。これらのセンサによって出力される信号は処理のためにＤＡＱ装置２００に入力される。
【０１２４】
前述した据付けモジュール以外の据付けもポンプ状況信号を提供するように使用し得ることを理解すべきである。図２６に示されるすべての電気構成部品および機器に電力を供給する電力供給源は図の簡略化のために示されていない。さらに、すべての電力および信号接続箱も図の簡略化のために示されていない。
【０１２５】
さらに、ＤＡＱ装置２００および産業用コンピュータは、エネルギを管理する手段として冷却塔熱容量、エネルギ消費および冷却塔運転を可能にし、それにより冷却能力、故障点検修理および追加の機能向上および改善のための企画実行をさらに強化する。
【０１２６】
連邦大気浄化法（Federal Clean Air Act）および付随する法律はすべてのタイプ（湿式冷却、空冷式およびＨＶＡＣ）の冷却塔からの放出を監視することが要求される。空気および有害ガスモニタはシステムにおいて漏れを検知するようにライン交換可能なユニットとしてモータハウジング２１に組み込むことができる。ライン交換可能なユニット（ＬＲＵ）は、前述において説明した（ＬＲＵ）振動センサと同様な手段でモータに装着されて密閉される。ＬＲＵは可変プロセス制御システムのその他の構成部品に適用可能な電力およびデータ通信資源を使用する。有害ガスモニタはまた冷却塔ファン排気筒および空気流の種々の位置に配置できる。このようなモニタはＤＡＱ装置２００に電子的に組み込むことができる。モニタは、有害ガスの１００％の監視を備えた改善された安全性を提供し、また、ガスの発生源（例えば、凝縮機、熱交換機、などの漏れ）を突き止める能力を提供する。この機能は大惨事を防止できる。
【０１２７】
センサによって提供されたデータに応答して、ＤＡＱ装置２００はモータ２０、従ってファンアセンブリ１２の運転を制御するのに適した信号を生成する。かくして、本発明の可変プロセス制御システムはモータ２０のフィードバック制御を採用し、すべての運転および性能をリアルタイムで監視する。その結果、モータ２０およびファンアセンブリ１２の運転は運転条件、プロセス需要、環境条件およびサブシステム構成部品の条件に応答して変化する。図３に示されるように、本発明の可変プロセス制御システムのフィードバックループにより提供される連続的な監視機能は、冷却塔の効率的な運転および本発明のシステムの冷却塔および構成部品の故障および損傷の防止にとって重要である。冷却塔空気流に直接関係するモータ２０のパラメータを連続的に監視する結果、作動関係は、モータ健康度、冷却塔健康度、冷却塔熱容量、管理の提供、検査の開始およびメンテナンス作業の開始を監視するために、各特有の冷却塔設計を決定して監視できる。例えば、本発明のシステムにおいて、モータ２０の馬力（ＨＰ）はファン１２を横切る空気流に結び付いている。そのため、冷却塔の充填材料が詰まったとき、空気流は減衰される。このことは、モータ２０およびファンアセンブリ１２は所望の槽温度を実現するためにより長くかつより大きな負担でも稼働しなければならないことを意味する。モータケーシング２１の内部およびステータ３２の温度は増加してモータＲＰＭが減少し始める。前述のセンサはこれらの運転状況のすべてを測定して、これらの運転状況を表すデータをＤＡＱ装置２００に提供する。フィードバックループは、共振振動に応じて発生し、徐々に変化するシステム共振振動を連続的に監視しそしてそれにより適切な振動制御を提供する作動変更を起動する。あるモータ速度で共振振動が発生するとき、フィードバックループはその特定のモータ速度（すなわち、ＲＰＭ）を締め出させる。モータ速度が締め出されるとき、モータ２０はその特定な速度では作動しないことを意味する。振動シグナチャが相対的に高い、それはファンブレード構造の変更、着氷または潜在的な破壊のブレード故障を示唆する、とき、フィードバックループはシステムを停止させる（すなわち、モータ２０を停止する）。振動信号が着氷条件を表す保存データ（すなわち、温度、風およびファン速度）に対応するとき、ＤＡＱ装置２００は自動的に除氷モードの運転を開始する。かくして、フィードバックループ、センサ、ポンプ状況信号、およびＤＡＱ装置２００は協働して次のように機能する：
ａ）モータ２０の軸受の振動を測定する；
ｂ）モータ２０のステータの温度を測定する；
ｃ）モータケーシング２１内の温度を測定する；
ｄ）モータ２０およびファンアセンブリ１２近傍の周囲温度を測定する；
ｅ）プロセス需要を決定する；
ｆ）冷却塔収集槽の水の温度を測定する；
ｇ）「ブレード故障」または同等の特徴である高振動を識別し、ファンを直ちに０Ｒ        ＰＭに減速し、ファンを風車状態での回転から引き離し、そして周知の警報シス        テム（例えば、ｅメール、テキストまたはＤＣＳ警報）を用いて直ちに運転者に        警告する；
ｈ）共振を生じる特定の１つまたは複数のモータ速度を締め出す；
ｉ）着氷条件を識別し、自動的に除氷モードの運転を開始し、そしてｅメール、テキ        ストまたはＤＣＳ警報を介して運転者および職員に警告する；そして
ｊ）産業プロセス全体でその他の調節を行うのに使用できるリアルタイムの冷却フィ        ードバック情報を提供するために産業プロセスの他の部所に槽の水の温度データ        を送る。
【０１２８】
好適な実施形態において、本発明の可変プロセス制御システムはさらに、所定の位置に配置された少なくとも１つの現地カメラ４８０を備える。カメラ４８０は通信データ接続箱１１１と電気信号で通信し、ＤＡＱ装置２００に給送されるビデオ信号を出力する。このビデオ信号は次いで業務職員によって監視される表示画面に送られる。好適な実施形態において、ビデオ信号は産業用コンピュータ３００およびホストサーバ３１０に送られる。現地カメラ４８０は承認された運転を確かにするために冷却塔の所定の位置を監視する。例えば、非承認な人の侵入、システム構成部品の変形または損傷についてモータ２０、冷却塔、ファン、などを監視する、或いは着氷のような所定の条件を確認するためにカメラを設置できる。好適な実施形態では、複数の現地カメラがある。
【０１２９】
産業用コンピュータ３００は、(１)履歴データ、(２)サブシステムおよび構成部品の作動特性、および(３)実際の、リアルタイムの性能および環境データを記憶するためにデータベース３０１とデータ通信する。産業用コンピュータ３００は、モータ２０およびその他のシステム構成部品によるエネルギ利用を最適化し、動向、予測性能、予測メンテナンスを生成し、そして本発明のシステムの運転コストおよび効果を監視するためにこのデータを用いるようにプログラムされる。産業用コンピュータ３００は、日時に応じて履歴データを使用し、そこにおいて、この履歴データは、これに限定されないが、(１)乾球温度、湿球温度、風速および風向、および大気圧温度、(２)プロセス（例えば、原油の熱分解）からの冷却塔水流入温度、(３)プロセスに戻る冷却塔水流出温度、(４)ファン速度、(５)ファン流入口の冷却塔プレナム圧力、(６)軸受の振動、(７)すべてのモータ温度、(８)冷却塔水流量およびポンプ流量、(９)槽温度、(１０)特定の月、季節および時刻のプロセス需要、(１１)異なった製品、例えば、軽質原油、重質原油など、のプロセス需要の変動、(１２)以前のメンテナンス事象、および(１３)振動シグナチャ、(１４)冷却塔設計、(１５)ファンマップ、(１６)ファンピッチおよび(１７)冷却塔熱容量のライブラリを含む。
【０１３０】
産業用コンピュータ３００はまた、(１)試運転時のファンピッチおよび平衡度、(２)試運転時の、電流、電圧およびＲＰＭ定格、典型的性能曲線、およびモータ性能における温度変化の効果のような周知のモータ特性、(３)時間と共にまたはメンテナンス事象間の構成部品またはサブシステムの性能変化、(４)可変周波数駆動（ＶＦＤ）の周知の性能特性、(５)温度上の精度および性能を含む加速度計の作動特性、および(６)冷却塔性能曲線および(７)ファン速度曲線を含むサブシステムまたは構成部品の作動特性を記憶する。実際のリアルタイムの性能および環境データは本発明のシステムのセンサによって測定され、それは次のものを含む：
１）天候、温度、湿度、風速および風向；
２）モータ内部、モータケーシング、槽液体、ファンによって生じる空気流、可変周        波数駆動、およびデータ収集装置の読取り温度；
３）特定の振動を表すモータ軸受加速度計出力信号（ファンピッチ、ファン平衡およ        びファン整合性を決定するため）；
４）ファン流入口のプレナム圧力；
５）プロセス需要におけるリアルタイム変動を示すポンプ流量；
６）モータ引き込み電流（アンペア）およびモータ電圧；
７）モータＲＰＭ（ファン速度）；
８）モータトルク（ファントルク）；
９）モータ力率；
１０）モータ馬力、モータ電力消費量および効率；
１１）例外報告（失敗および警報）；
１２）システムエネルギ消費量；および
１３）設備健康度。
【０１３１】
産業用コンピュータ３００は実際のリアルタイムの性能および環境データを処理し、次いで以下の仕事を遂行するために、そのデータの相互関係を記憶された履歴データおよびサブシステムおよび構成部品の作動特性を表すデータに関係づける：(１)新しい性能動向を認識すること、(２)前回の動向および設計曲線および関連する作動許容帯を決定すること、(３)システム電力消費量および関連するエネルギ消費を決定すること、(４)システム効率を決定すること、(５)先行および予測メンテナンス事象の発展、(６)メンテナンス間隔をいかにして最大化できるかに関する情報を提供すること、(７)特定のシナリオのための新しいファン速度曲線を生成すること、そして(８)管理および運転を改善できる領域を明らかすること。ＶＦＤ装置２２は、モータ速度、モータ電流、モータトルク、および力率を表すデータ信号をＤＡＱ装置２００に提供する。ＤＡＱ装置２００はこのデータを産業用コンピュータ３００に提供する。前述において説明したように、産業用コンピュータ３００は設計ファンマップデータおよび冷却塔熱設計データでプログラムされる。それ故、特定の熱負荷（プロセスから入る水の温度、プロセスから出る水の温度および流れ、など）および特定の日（乾球温度、湿球温度、大気圧、風速および風向、など）について、本発明は、冷却塔性能曲線およびファンマップから設計ファン速度を予測し、次いで設計ファン速度を運転性能と比較する。各冷却塔の設計は特有であり、それ故、各冷却塔のプログラミングも特有である。すべての冷却塔のプログラミングは、充填物で詰まった冷却塔がモータにより速くかつより長く動くことを要求しそして動向によって捕捉される運転特性を含む。ファン流入口圧力センサはＤＡＱ装置２００と電子信号で通信して、空気流を表すデータを提供する。産業用コンピュータ３００は動向データに基づいて作動許容範囲を決定するので、ファン１２のより高速での作動は検査を誘引する。このことは全体的に、運転者が運転性能にいつ逸脱があったのか、いつ冷却塔充填物が目詰まりしたのかを知ることのない従来のファン駆動システムと正反対である。
【０１３２】
産業用コンピュータ３００は、周囲ノイズをろ過する手段としてモータ軸受ハウジング５０および５２の振動センサ４００、４０２、４０４および４０６の信号を比較するようにプログラムされる。好適な実施形態において、産業用コンピュータ３００は、いかなる反応測定をも行う前に、特定の振動周波数が所定の時間だけ維持または保持されるようにプログラムされる。特定の振動周波数は異なった故障モードを示し、対応する反応測定を要求する。モータ２０の一定かつ狭帯域の振動シグナチャは、本発明のシステムにおける変化が直ちに切り離されて解析され、それにより修正措置を可能にするので、より大きな制御および管理を許容する。本発明のシステムにおいて、切り離される振動スパイクは振幅、継続時間、などについて即座に解析できる。対してモータ軸受シグナチャは、安全および作動に影響を及ぼす（偽トリップ）ことなしに環境振動によってトリップを最少化または排除するように比較することができる。前述において説明したように、産業用コンピュータ３００はまた、湿式冷却塔およびＡＣＨＥの作動特性でプログラムされる。例えば、産業用コンピュータ３００はその中に記憶されたデータを有し、それは冷却塔の充填材料の空気力学的特性を表している。産業用コンピュータ３００のプロセッサは、これらの空気力学的特性に基づいて補償ファクタを生成するアルゴリズムを実行する。これらの補償ファクタは各特定の冷却塔のための操作用ソフトウェアにプログラムされる。そのため、特定の湿式冷却塔またはＡＣＨＥの充填材料の正または負の空気力学的特性は各湿式冷却塔またはＡＣＨＥの作動をプログラムするのに用いられる。前述において説明したように、産業用コンピュータ３００は、湿式冷却塔またはＡＣＨＥが位置される特定の地理学的位置の履歴気象データでプログラムされる。産業用コンピュータ３００はまた履歴需要動向でプログラムされ、高プロセス需要および低プロセス需要期間を予測するのに用いられる情報を提供する。産業用コンピュータ３００およびＤＡＱ装置２００はファンマップを含む各冷却塔に特有な冷却塔熱設計データでプログラムされるので、各冷却塔は、その地理学的位置、設計（例えば、逆流、直交流、ＡＣＨＥ、ＨＶＡＣ）および業務（発電所、精製所、商業的冷却、など）によってそれ自身の特有なロジックの組合せを有するように設計できる。これらの特性が産業用コンピュータ３００にプログラムされると、これらの特性は、その特定の冷却塔のための運転曲線許容帯を設立するのに十分な作動データおよび動向データと組み合わされる。このことは、冷却塔運転者が履歴作動特性に基づいて需要を予測し、エネルギを節約するために劇的な速度変化とは対照的に微妙な速度変化を用いることによってファンエネルギ節約を最適化することを可能にする。
【０１３３】
本発明の重要な機能は、熱需要に合致してシステムのエネルギ効果を最適化するように、冷却塔を通る空気流が可変速ファンを介して制御されることである。ＤＡＱ装置２００は、冷却塔槽温度、気象条件の履歴動向、プロセス冷却需要、時刻、温度や相対湿度のような現在の気象条件、冷却塔速度要求、ファン速度の低減による冷却塔の着氷防止、ファンの逆回転を用いる冷却塔の除氷を含むいくつかのファクタに基づいてモータ速度制御信号を生成する。そのため、本発明のシステムは冷却需要を予測でき、そして熱需要に合致している間にエネルギ節約（加速または減速）を最適化するように１つまたは複数のファンの予定を決めることができる。本発明のシステムは適用でき、従って履歴動向（日時に応じた）によって冷却需要を学習する。
【０１３４】
１つまたは複数のファンの速度は、いくつかのファクタのいずれか１つを受けて増加または減少される。例えば、１つまたは複数のファン速度は、槽水温度センサによって提供される信号に応じて増加または減少される。別の例において、１つまたは複数のファン速度は可変プロセス需要を受けて増加または減少され、そこにおいて、タービン背圧を維持または低減するためにより大きな冷却を必要とするようなプロセス仕様冷却要求を示す信号を運転者またはプログラム可能な分配制御システム（ＤＣＳ）３１５が生成する。さらに別の例において、１つまたは複数のファンの速度は、プラントが部分負荷生産をで運転するときに、槽温度を上昇することにより増加または減少される。ファン速度はまた、マルチセル冷却塔においてセルが失われたとき、冷却ロスを克服するために「補償モード」で上昇できる。モータ２０は同等な従来の誘導モータよりも大きなトルクを提供するので、モータ２０は、要求された設計空気流をより遅い速度で提供する増大されたファンピッチで作動できる。最大の１００％の速度を適用することはファン設計に依存する最大先端速度３６５７ｍ／分（12,000fpm）から４２６８ｍ／分（14,000fpm）の最大ファン速度で作動するので、モータ２０のより低い速度は、暑い日の生産、補償モードおよび今後の冷却能力のために使用できる空気流バッファを提供する。
【０１３５】
特定の地理的位置は非常に暑い夏や非常に寒い冬を有する。このような場合、可変プロセス制御システムは、１００％の最大熱負荷に適合するために、非常に暑い夏の日の「真夏日」モードの運転でファンを作動する。最大熱負荷が減少すると、ファンの速度はエネルギ最適化のためにより低いファン速度に最適化される。ファンはエネルギ消費を最適化するためにクーラー月の間、ファンセルの停止を含むこのエネルギ最適化モードで作動する。モータ２０のトルクは一定であるので、ファン速度の最大稼働とエネルギ最適化の間の移動はファンピッチと無関係である。モータ２０の一定の高トルク特性はファンが（真の）可変速負荷のために再割り当てされるのを許容する。かくして、本発明の可変プロセス制御システムは総体的に、誘導モータが１００％の速度、典型的に先端速度３６５７ｍ／分（12,000fpm）から４２６８ｍ／分（14,000fpm）の間でファンを駆動し、そして、ファンが一定速度のままにされ、そのピッチが誘導モータのトルク限界により制限される従来のファン駆動システムと反対の手段で作動する。必要なトルクを提供するためには、従来の誘導モータの寸法を非常に増大しなければならないが、このことはモータの重量を劇的に増加してしまう。一方、本発明においては、永久磁石モータ２０は、ファンピッチを増大して、３６５７ｍ／分（12,000fpm）のファン先端速度制限を超えることなしに、より遅い速度でファンを駆動できる。より遅いファン速度はまた、ファンノイズが速度に直接応じるので、より静かな運転を可能にする。モータ２０は最大ファン先端速度以下で１００％の設計空気流を可能にする。この特徴は、補償モード（マルチセルシステムのための）または非常に暑い日のような緊急事態に冷却能力を追加できるように、或いは重原油の熱分解のようなプロセス需要を増加できるように、本発明の可変プロセス制御システムに設計上のバッファを組み込むことを可能にする。モータ２０の一定なトルクはまた、ギアボックスおよび誘導モータを使用する従来のファン駆動システムの制限および障害なしに部分負荷運転が可能であることを意味する。この従来システムにおいて、部分負荷トルクはファンを１００％の速度に戻すには不十分であり、典型的に、増加された部分負荷トルクを有するより大きな誘導モータを必要とする。
【０１３６】
モータ２０は相対的に従来のギアボックスシステムよりもより大きく「電流対空気」に変換する。具体的には、モータ２０を用いた冷却システムと従来のギアボックスシステムを用いた冷却システムの実際の比較試験を通して、モータ２０は従来のギアボックスシステムよりも少なくとも１０％は効率的であった。１００％のファン速度および設計ピッチでの試験中、電力サイトメータは、従来のギアボックスシステムが５０ｋＷ必要とする一方、モータ２０は４５ｋＷ必要であることを示した。現用のほとんどすべての冷却塔は制限された冷却である。モータ２０は従来のギアボックスと簡単に取り換えられるので、モータ２０は冷却性能および生産にただちに影響を及ぼせる。
【０１３７】
本発明のシステムおよび方法はマルチセル式冷却装置に適用可能である。例えば、湿式冷却塔が複数のセルを備え、そこにおいて各セルはファン、ファン排気筒、などを有する。同様に、マルチセル式冷却装置はまた、複数のＡＣＨＥ、ＨＶＡＣまたは冷蔵装置（取り付け方法に関係なく、湿式または乾式の）を備える。図１５Ａ、１５Ｂおよび１５Ｃを参照すると、本発明の可変プロセス制御システムを用いたマルチセル式冷却装置６００が示されている。マルチセル式冷却装置６００は複数のセル６０２を備える。各セル６０２はファンアセンブリ１２およびファン排気筒１４を備える。ファンアセンブリ１２は、前述の説明で述べたように、ファン排気筒１４内で作動する。各セル６０２はさらに、永久磁石モータ２０を備える。この実施形態において、本発明のシステムは、モータ制御センタ（ＭＣＣ）６３０を備える。モータ制御センタ（ＭＣＣ）は、典型的に、モータまたはファンセルを超えて役に立つ。モータ制御センタは、典型的に、地面のクラス１、区分２領域の外側に少なくとも冷却塔から３ｍ（10 feet）離れて配置される。モータ制御センタは、ＶＦＤ装置２２、ＤＡＱ装置２００、産業用コンピュータ３００、電力電子機器および開閉装置を収納するウォークイン構造物内にある。モータ制御センタは電子機器を冷やすように空調される。モータ制御センタは、典型的に、ＤＡＱ装置、可変周波数駆動装置、産業用コンピュータ３００および電力電子機器を収納したウォークイン型金属製構造物である。ＭＣＣ６３０は複数の可変周波数駆動（ＶＦＤ）装置６５０を備える。各ＶＦＤ装置６５０は、前述したＶＦＤ装置２２と同様な手段で機能する。各ＶＦＤ装置６５０は、対応するモータ２０を制御する。このため、各モータ２０はマルチセル式冷却装置６００のその他のモータ２０から切り離されて個別に制御される。ＭＣＣ６３０はさらに、すべてのＶＦＤ装置６５０および各セルのすべてのセンサ（例えば、モータ、温度、振動、ポンプ流量、など）とデータ信号で通信する単一のデータ収集（ＤＡＱ）装置６６０を備える。これらのセンサについては前述において説明された。ＤＡＱ装置６６０は、前述において説明したＤＡＱ装置２００がＶＦＤ装置２２を制御するのと同様な手段でＶＦＤ装置６５０を制御する。ＤＡＱ装置６６０はまた、データバス６７０を介して産業用コンピュータ３００とデータ信号で通信する。産業用コンピュータ３００はデータベース３０１とデータ信号で通信する。産業用コンピュータ３００およびデータベース３０１の両者については前述において説明された。図１５Ａに示されるように、センサ（例えば、温度、圧力、振動）によって出力された信号を受ける複数の通信データ接続箱６３４がある。各通信データ接続箱６３４はＤＡＱ装置６６０とデータ信号で通信する。各通信データ接続箱６３４は、前述において説明した通信データ接続箱１１１と同様な機能および目的を有する。ＶＦＤ装置６５０により出力された電力信号は、ファン排気筒１４の外側に配置されたモータ切離し接続箱６３６に送られる。各モータ切離し接続箱６３６は、前述において説明したモータ切離し接続箱１０６と同様な構成、目的および機能を有する。各モータ２０専用のＶ��Ｄ装置６５０があるので、各セルは他のセル６０２から独立して作動される。そのため、この本発明の実施形態は、各セルの個別の自律的な制御を提供するように形成される。このことは、部分負荷時に、プロセス需要、需要動向、各冷却塔の空気流（または充填材料）特性および環境ストレスに基づいて、ＤＡＱ装置６６０が異なった可変速度で各ファンを作動できることを意味する。この運転は、可変熱負荷に合致する間、エネルギ節約を最適化する。この形態はエネルギ効率および冷却性能を改善する。例えば、すべてのファンが最小速度、典型的に８０％、で作動し、プロセス需要が低いとき、ＤＡＱ装置６６０は、対応するファン１２を停止するために、１つまたはそれ以上のＶＦＤ装置６５０に信号を出力するようにプログラムされる。ＤＡＱ装置６６０は、セル６０２の１つが最大運転できないとき、または機能不全またはラインを離れたとき、補償モードの運転を遂行する。具体的には、１つのセル６０２が機能不全または損傷により失われたとき、またはラインを離れたとき、ＤＡＱ装置６６０は残りのセル６０２を制御して、セル喪失による冷却ロスをこれらのセルが補償する。冷却塔の端部壁セルは中間セルと同程度ではなく、それ故、端部壁セルは暑い時期にはより早期に停止される、または寒い時期にはより長く作動させる必要がある。本発明によれば、各セル６０２のファン速度は、総体的に図９に示されるような正弦曲線と同様なパターンの冷却日の進行で増減される。ＤＡＱ装置６６０は、槽温度設定点が合致しないとき（湿式冷却塔の場合）、(ａ)プロセス需要に基づく部分負荷、(ｂ)需要動向、(ｃ)各冷却塔の空気流特性（または充填材料）および(ｄ)ファン速度を１００％に戻すことなしの環境ストレスに基づく速度増加量の予測計画に基づいてファン速度を増加するためにＤＡＱ装置６６０がＶＦＤ装置６５０に信号を発するようにプログラムできる。この作動計画はセルによってエネルギ消費を低減し、設備の稼働寿命を失わないようにする。このことは、槽温度設定点が合致しないときにファンを１００％のファン速度へすぐに増加する従来の敏感な冷却計画に反する。
【０１３８】
本発明のシステムおよび方法は、熱負荷、プロセス需要、履歴動向、エネルギ最適化計画、および環境条件（例えば、天気、地理学的位置、時刻、時期、など）に基づいて無限の可変ファン速度を提供する。本発明は、振動、温度、ポンプ流量およびモータ速度の連続的な監視に基づく監督制御を提供する。本発明は、現在のファン運転を遂行し、将来のファン運転およびメンテナンスを予測するために履歴動向データを使用する。本システムは、運転者から入力することなしに、ファンの自動的除氷を提供する。
【０１３９】
永久磁石２０を使用する冷却塔の除氷は、従来のギアボックスファン駆動システムを用いた冷却塔の除氷よりも総体的により容易、より安全そしてもっと安価である。寒い季節により遅い速度でファンを作動するモータ２０の機能は着氷を減少する。モータ２０は逆回転において制約も制限もなく、それ故、冬期の冷却塔の除氷に必要な熱保持力を提供できる。ＤＡＱ装置２００は、外部温度、風速および風向、湿球温度、および冷却塔流入量／流出量および流量に基づいて除氷を実行するようにモータ２０の作動をプログラムするように形成される。すべてのパラメータは、
各冷却塔の特定および特有な特性、冷却塔の位置および環境ストレスに合った運転プログラムに進展されるように用いられる。
【０１４０】
永久磁石モータ２０は一定の高トルクを提供し、それにより、ファンは、所要の空気流を満足するためにより大きなピッチを有して総体的に遅い速度で作動できる一方、その他の機能のためにシステムに組み込まれた追加の空気流を有して音響ノイズ（音響ノイズはファン速度に応じる）を減少する。このことは、１００％の時間の最大冷却塔熱条件で１００％の速度で駆動する、単一速度のギアボックスおよび誘導モータを用いる従来のファン駆動システムでは実行できない。従来のファン駆動システムと異なり、モータ２０は両方向に無限の可変速度が可能である。モータ２０は、一定のトルクであるが、部分負荷時の誘導モータトルク、駆動列共振、ピッチに関するトルク負荷、および誘導モータ冷却制限に関する従来のファン駆動システムの持続制限なしに、１００％の速度まで無限の可変速度を提供するように形成される。
【０１４１】
モータ２０の両方向への無限の可変速度はファンが熱負荷を環境ストレスに適合させることができる。このことは暑い日の冷却のためのより多くの空気および冷却塔の着氷を低減するための少ない空気を意味する。時速制限なしでの逆方向への無限の可変速度は冷却塔の除氷を可能にする。モータ２０は両方向での高、一定トルクおよびより遅いファン速度でより大きなファンピッチを許容する高、一定トルク調節を提供する。これらの重要な機能は緊急電力および日中の環境のより大きな変化および季節的変化に対しファンのピッチ再調整を行うことのない組込み式ファン速度バッファの効果がある。そのため、本発明の無限の可変速度調整の面は、従来のファン駆動システムでは必要であったモータおよびギアボックスの交換を行うことなしに、組込み式冷却増設（より大きな流れ）および組込み式増設を可能にさせる。本発明は、必ず変化する環境ストレスおよび冷却の改善、安全および経費の減少をもたらすプロセス需要に合致するように、いずれかの方向への制限のない可変速サービスを提供する。すべてのパラメータは各冷却塔設計、冷却塔の地理的位置および対応する環境ストレスのための特有のプログラムされた運転を展開するように使用される。ＤＡＱ装置２００は、エネルギ最適化での冷却を提供する部分負荷モードの運転でモータ２０（そしてファン１２）を作動し、次いで重原油を熱分解するのに必要な相対的により可変なプロセス制御を提供する全負荷モードに自動的に変更する。プロセス需要が減少すると、ＤＡＱ装置２００はモータ２０の運転を部分負荷に戻す。
【０１４２】
ファンハブインターフェイスにより、モータ回転軸２４は相対的に大きく、その結果、相対的に大きな軸受設計となる。低速の適用と組み合わせて、軸受システムは２０％負荷しかなく、それにより８７５０００時間のＬ１０ライフを提供する。モータ２０の２０％負荷および特有な軸受設計は、履歴動向を介する改善された監視および作動許容誤差を超えた振動シグナチャを介する改善された健康度監視を可能にさせるために、振動シグナチャの高忠実性および現在のトリップ設定値をはるかに下回った着実な狭小振動帯シグナチャを提供する。モータ２０の軸受システムは、モータ２０がすべてのファンハブおよびファン直径をすべての速度およびトルクで両方向に回転でき、そして特にスラスト負荷、逆負荷、ヨー負荷、ファン自重、などに合わせて設計される。
【０１４３】
本発明の可変プロセス制御システムは、事前の作業、メンテナンスおよび冷却の改善および拡張を運転者が確認できるように、冷却塔熱容量を決定する。本発明は、性能を管理しそしてこれらのサブシステムの安全性および寿命を改善するために、冷却塔サブシステムの監視、制御、管理および自動化の可能性を提供する。本発明のシステムは、運転者が可変プロセス制御システムをリアルタイムで監視、修正、更新および無効にできるように、現用の精製の分散制御システム（ＤＣＳ）に直接組み入れられる。運転者は、原油の熱分解のために自動的に冷却を増強する或いは補助システムの付着汚染またはその他のプロセスを阻止するためにデータ信号を本発明の可変プロセス制御システムに送るようにプラントＤＣＳ３１５を使用できる。前述の説明で示されたように、所定のファン性能曲線に関して、冷却塔はファンピッチおよび速度に応じて最大の冷却を提供するように作動できる。ファン速度は槽温度設定点が合致されるときに低減できる。本発明は、環境ストレス（例えば、冷却および着氷）、可変プロセス制御（すなわち、原油熱分解などのための部分負荷またはより大きな冷却）および現用設備のためのより大きな空気対電流を用いたライトエンドリカバリのような製品品質に応じて可変速モータ２０を用いて精密な冷却制御を提供する。本発明の可変プロセス制御システムは、運転者がリアルタイムで冷却性能を監視でき、それにより、分割および生産を改善しそして冷却能力および製品処理能力を維持するための作業およびメンテナンス要求を確認する機会を提供する。さらに、本発明のシステムによって取得されたデータは、稼働停止および生産ロスを引き起こす機能停止が反応性のメンテナンスに対して生じる前に、計画できる予測メンテナンスになる冷却塔の冷却能力の動向付けに用いられる。モータ２０の特有な二重軸受設計、加速度計の設置、これらの軸受の各々の速度プローブおよび変位プローブ、および産業用コンピュータ３００により遂行される振動解析アルゴリズムはファン振動監視を大幅に改善でき、そしてファン動的結合を取り除くのに有効なトリムバランスシステムを提供する。トリムバランス機能は冷却塔の構造疲労を減らすファン動的結合を取り除く。
【０１４４】
本発明は、
ギアボックス、回転軸およびカップリング、２速モータ、逆転を防止するためのギアボックス・スプラグクラッチ、ギアボックスのための電動およびジロータ潤滑油ポンプおよび振動遮断スイッチのような従来のファン駆動システムで用いられていた多くの構成部品および機械装置を除外する。その結果、本発明はまた、前記の従来の構成部品に関連するメンテナンス行為、例えば、シーズン前の再ピッチング、オイル交換および関連するメンテナンス、を除外する。本発明は、性能の管理および構成部品の寿命改善を可能にするために冷却塔サブシステムの運転を監視および自動化できる。本発明は、永久磁石モータ２０、ファンおよび冷却塔自体を連続的に監視および管理できる。本発明は、重要産業で生産ロスを最小限化するために、従来のファン駆動システムをモータ２０と短時間に特別な技能労働者なしに交換できる。本発明のシステムは、冷却塔の除氷および／または着氷防止するために自律的除氷機能を提供する。
【０１４５】
本発明のシステムは、本発明が多くの構成部品、それに対応する複雑さおよび従来技術に関連する問題を排除するので、従来のシステムよりも非常により信頼性がある。例えば、従来のギアボックスおよびそれに対応する駆動列は冷却塔の厳しい環境に合わせて設計されておらず、相対的により廉価な初期費用であるので最初は魅力的である。しかしながら、長期の稼働において、これらの従来のファン駆動システムは、継続的なメンテナンスおよびサービス経費（例えば、オイル交換、回転軸の整合、など）、設備の故障（直入れ開始損傷）、過酷な構成部品の利用、貧弱な信頼性、無駄な生産および高いエネルギ消費のために高価なライフサイクルコストとなる。
【０１４６】
モータ電圧、電流、力率、馬力および時間を含む、ＤＡＱ装置２００により収集されたデータは、エネルギ消費を計算するように用いられる。加えて、電圧および電流器具はエネルギ消費を測定するようにシステムに適用される。エネルギ消費データは統合エネルギ管理プログラムにおいて冷却塔の非能力運転を監視するように用いられる。エネルギ消費データはまたエネルギ節約からの割り戻しを特定するかまたは有用な割り戻しを求めるように、或いはエネルギ節約に基づくカーボンクレジットを決定するように使用できる。本発明のシステムはまた、計画上または需要に基づく企業エネルギコーディネータのための適時な報告を生成する。ＤＡＱ装置２００により提供されたデータおよび産業用コンピュータ３００によるこのデータの後工程は、湿式冷却塔、空冷式熱交換機（ＡＣＨＥ）、ＨＡＶＣシステム、冷蔵装置、などであろうと、システム全体の冷却性能管理を可能にする。具体的には、ＤＡＱ装置２００および産業用コンピュータ３００により生成されたデータおよび報告は運転者がエネルギ消費および冷却性能を監視できる。前記のデータおよび報告は予測的なメンテナンス（すなわち、冷却塔構成部品のメンテナンスが必要になるであろうとき）および事前のメンテナンス（すなわち、可能性のある機能停止を防止するためのメンテナンス）に関して情報を提供する。産業用コンピュータ３００はファンエネルギ消費に関するデータを記憶し、かくして、ファンエネルギ消費動向を生成する。産業用コンピュータ３００は、冷却塔のコスト解析を提供するために、冷却塔の性能を冷却塔のエネルギ消費に比較するコンピュータプログラムおよびアルゴリズムを実行する。このことは、貧弱な性能の冷却塔を運転するのに適切な運転条件にある冷却塔よりもより多くの費用を末端使用者が支払うので、重要な機能である。産業用コンピュータ３００は、冷却塔が適切に維持されて運転されていることを決定するために、技術者およびエネルギ解析者によって年次エネルギ解析報告で使用できる、冷却塔性能に応じたファンエネルギ消費を表すようにアルゴリズムを実行する。エネルギ解析報告は公益事業からのエネルギ割り戻しを実現するように、そして運転改善解析、などを行うように使用できる。大きな資本的資産計画および利用コストに関して、関係は次式により遂行される：
Ｎ＝（冷却塔熱容量）／（冷却塔エネルギ消費量）
ここにおいて、商「Ｎ」は、冷却塔が適切に運転しているときまたは低下しているときまたは不正確に運転されているときを決定するように使用できる相対数を表す。冷却塔の低下および不正確運転は、壊滅的故障、粗末な冷却性能、過剰なエネルギ消費、貧弱な効率および生産の減少のような安全性の問題につながる。
【０１４７】
本発明は、現用設備のためのより大きな空気対電流を用いたライトエンドリカバリのように、環境ストレス（冷却および着氷）、可変プロセス制御（部分負荷または熱分解のためのより多くの冷却、など）および製品品質に応じて可変速モータ２０で精密な冷却制御を提供する。本発明はまた、冷却需要（プロセス負荷）、環境ストレスおよびエネルギ効率に応じたファン速度の自動調整を提供し、かつ、ファン不平衡およびシステム共振による故障を防止するためにファンの適応できる振動監視を提供する。本発明は、一定の高トルクによりファンを無限に設定できる。組込み式振動監視システムは、ファン動的連結およびその後の構造的摩損および破損を除去するための簡単かつ費用効果のあるトリムバランスを提供する。本発明の可変プロセス制御システムは、補助機器のメンテナンスを減らし、適切なタービン背圧を維持しそして凝縮機の汚損を防止する。モータ２０は、より大きなファンピッチで設計空気流を達成するようにより低い速度でファンを駆動し、それにより典型的により高いファン速度で増加する（ノイズはファン速度に応じる）ファンノイズを低減する一定のトルクを提供する。本発明は、エネルギ消費を低減しそして地球温暖化に影響を及ぼさない。高トルク、永久磁石モータ２０は、全ファンピッチに対する高、一定トルクの可能性を提供することにより、絶えず変化するプロセス負荷変化および環境条件に合致するようにファンの作動範囲を拡大する。このことは、現用設備での空気流の増加を可能にし、エネルギ節約および着氷体制の縮小のために無制限の可変速度を提供し、そして除氷のために冷却塔に熱を保持するためのファンの逆転運転を許容する。
【０１４８】
上述の説明は、従来のファン駆動システムを用いた現用の冷却塔を改造するのに、モータ２０およびそれに対応するシステム構成部品（例えば、ＶＦＤ２２、ＤＡＱ装置２００、など）が、いかに用いられるかについて説明したが、本発明は、新規な冷却塔を構築するのに用いられる材料、例えば、木、鋼、コンクリート、ＦＲＰおよびそれらの組合せ、に関係なく、新規に構築される冷却塔に使用できることを理解すべきである。
【０１４９】
本発明はまた、冷却水の制御が重要であるいかなるプロセスと同様に、製鋼工場およびガラス処理にも適用可能である。水の温度制御は正しい材料組成を得るために鋼およびガラス製品を冷却するためには重要である。一定の槽水温度を提供する本発明の能力は、製鋼運転、ガラス処理および結果として生じる製品品質および生産力に直接適用できる。制限なしに逆転運転できる永久磁石モータ２０およびファンの能力は寒い日のプロセス水により多くの熱を保持できる。このことは、より多くの熱を冷却塔に、それ故、より多くの熱を槽のプロセス水に保持するために、ファン１２をゆっくりと動かすまたはファン１２を逆転運転することにより達成される。本発明の可変プロセス制御システムは、適宜、生産を支持して制御および製品の品質を改善するように、要求あり次第、無限の温度変更をプロセスに伝えることができる。
【０１５０】
上述の説明は本発明の例示であるが、特に本説明、図面および請求の範囲を考慮すれば、関連する通常の技術には多くの変更、交換、修正、代用およびそれに類するものが容易に利用できることが知られている。いずれにせよ、本発明の範囲はいずれの実施形態よりも広いものであり、上述の説明は本発明の限定を構成するものではなく、添付の請求の範囲によって限定される。
【図１】
2018084407.tif 000004
【図２】
2018084407.tif 000005
【図３】
2018084407.tif 000006
【図４】
2018084407.tif 000007
【図５Ａ】
2018084407.tif 000008
【図５Ｂ】
2018084407.tif 000009
【図６】
2018084407.tif 000010
【図７】
2018084407.tif 000011
【図８】
2018084407.tif 000012
【図９】
2018084407.tif 000013
【図１０】
2018084407.tif 000014
【図１１Ａ】
2018084407.tif 000015
【図１１Ｂ】
2018084407.tif 000016
【図１１Ｃ】
2018084407.tif 000017
【図１２Ａ】
2018084407.tif 000018
【図１２Ｂ】
2018084407.tif 000019
【図１３】
2018084407.tif 000020
【図１４】
2018084407.tif 000021
【図１５Ａ】
2018084407.tif 000022
【図１５Ｂ】
2018084407.tif 000023
【図１５Ｃ】
2018084407.tif 000024
【図１６Ａ】
2018084407.tif 000025
【図１６Ｂ】
2018084407.tif 000026
【図１６Ｃ】
2018084407.tif 000027
【図１７】
2018084407.tif 000028
【図１８】
2018084407.tif 000029
【図１９】
2018084407.tif 000030
【図２０】
2018084407.tif 000031
【図２１Ａ】
2018084407.tif 000032
【図２１Ｂ】
2018084407.tif 000033
【図２１Ｃ】
2018084407.tif 000034
【図２２】
2018084407.tif 000035
【図２３】
2018084407.tif 000036
【図２４】
2018084407.tif 000037
【図２５】
2018084407.tif 000038
【図２６】
2018084407.tif 000039