JP2967422B2 - 空気液化分離装置及びその制御方法 - Google Patents

空気液化分離装置及びその制御方法

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、空気液化分離装置の制御方法に関し、詳し
くは、空気を原料として深冷分離法により酸素，窒素等
の製品を気体及び／又は液体で生産する装置において、
生産量の増減，運転モードの変更等を効率よく短時間で
行え、かつ最適な生産量を得ることのできる空気液化分
離装置の制御方法に関する。
〔従来の技術〕
従来から、空気液化分離装置の各部の流量等を製品の
産出量に応じて所定の値に制御する手段として、分散型
制御装置（DCS）が多く用いられている。
従来のDCSを用いた制御においては、需要変動に伴い
製品産出目標量が増減した場合、例えば、酸素ガスの採
取量を増減する場合、変更後の酸素ガス採取量をDCSに
入力すると、原料空気量，タービン流体量，窒素採取
量，その他の各部の流量が変更後の酸素量に見合う所定
の値にセットされ、各部の弁が所定の時定数に従ってセ
ット値に到達するように制御される。さらにセット値に
到達した後に、製品の純度や熱バランスのズレがフィー
ドバック方式で修正される。
〔発明が解決しようとする課題〕
しかしながら、上述のごとく製品採取量のみを変更す
る制御方法では、運転の変更を自動的に行うことはでき
るが、運転モードが極めて限定されたものとなり、また
修正後に生じる製品純度や熱バランスのズレに基づいて
何回も修正を繰返さなければならなくなるおそれがあ
り、最適な運転状態を得るために長時間を要したり、収
率を犠牲にした運転を行わなければならないことがあっ
た。
従って、運転モードの変更にあたっては、現状の運転
状態を把握し、装置の減量限界，液生産の要否等の条件
を考慮し、変更目標を満足しつつ、かつ変更後の運転が
最適になるように運転条件を設定し、しかも最短の時間
で運転を移行するといったきめ細かな判断及びこれに基
づく操作を行うことが望ましい。しかしながら、現状で
はこれらの判断や操作は、熟練した操作員の手腕に頼る
ところが大きく、後継者の不足も問題となってきてい
る。
本発明は、上記実情に鑑みて成されたもので、従来操
作員の経験による判断を要する部分を自動化して運転精
度の向上を図り、運転モードの変更を効率よく行うこと
のできる空気液化分離装置及びその制御方法を提供する
ことを目的としている。
〔課題を解決するための手段〕
上記した目的を達成するために、本発明の空気液化分
離装置は、圧縮，精製，冷却した原料空気を液化精留分
離して酸素，窒素等の製品ガス，製品液化ガス及び排ガ
スを導出する空気液化分離装置において、 （ａ）装置のリアルタイムの運転状態を検知するための
空気量，製品量，タービン量，還流液量等の各部の流量
及び／又はそれらの純度，液面を計測する手段と、該空
気液化分離装置に付属する製品貯槽及び／又は該空気液
化分離装置から製品の供給を受ける製品貯槽の貯ガス量
及び／又は貯液量を検知計測する手段と、 （ｂ）上記計測手段からの情報により装置の運転状態を
認識し、かつ運転指令に基づき最適運転条件及び最短時
間での運転移行操作方法の推論を行う計算手段と、 （ｃ）上記計算結果により上記各部の制御を指令する制
御手段と該制御手段からの信号により上記装置各部の流
量等の運転諸元を制御する制御器と、 を備えたことを特徴としている。
また、本発明の空気液化分離装置の制御方法は、原料
空気を圧縮，精製，冷却して精留塔に導入し、液化精留
分離により酸素，窒素等の製品ガス，製品液化ガス及び
排ガスを導出する空気液化分離装置の制御方法におい
て、前記原料空気，製品ガス，製品液化ガス，排ガス等
の各部の流量及び前記空気液化分離装置に付属する製品
貯槽及び／又は該空気液化分離装置から製品の供給を受
ける製品貯槽の貯ガス量及び／又は貯液量等の運転諸元
に基づいて現状の運転パターンを認識するとともに、前
回の運転指令と最新の運転指令及び装置を構成する機器
の運転能力等の運転条件から最適な運転パターンを推論
し、該推論に基づく最適な製品採取量，還流液量，膨張
タービン流量等の各部の運転諸元を計算し、制御するこ
とを特徴としている。
〔実施例〕
以下、本発明を図に示す一実施例に基づいて、さらに
詳細に説明する。
この空気液化分離装置１は、圧縮機2,精製設備3,主熱
交換器４を経て液化点付近まで冷却された原料空気Ａを
精留する複精留塔５と、該複精留塔５の上部塔5aに接続
されたアルゴン塔６と、上部塔5a底部に配置された主凝
縮蒸発器７と、下部塔5b上部に分離する窒素ガスを作動
流体とする膨張タービン８とを備えている。
上記空気液化分離装置１は、周知のごとく空気を原料
として液化精留分離を行い、製品として上部塔下部の酸
素ガスGO,上部塔頂部の窒素ガスGN,上部塔底部の液化酸
素LO,主凝縮蒸発器７で液化した液化窒素LN,アルゴン塔
上部の粗アルゴンARをそれぞれ産出しており、また上部
塔上部からは排ガスＷが、下部塔上部からは、膨張ター
ビン８を経て窒素ガスＮが排出されている。
本発明では、このように構成した空気液化分離装置１
を製品需要に応じた最適な運転状態に保持するために、
各部に各種の制御器，計測器，分析器等を配置するとと
もに、これらの各機器から得られる情報及びあらかじめ
定められた各設定値に基いて前記各計測制御器を作動さ
せて各部の流量を制御する制御手段９とを備えている。
この制御手段９には、制御用電算機及び／又はエキスパ
ートシステムが用いられる。尚、図中ｄはデータ（情
報）入出力を示す。
まず原料空気Ａを供給する管路10には、原料空気Ａの
流量を計測する流量計30aとガイドベーン30bとからなる
計測制御器30が設けられている。この計測制御器30は、
原料空気Ａの流量と共にガイドベーン30bの開度を制御
手段９に出力し、該制御手段９からの指示によりガイド
ベーン30bを開閉して原料空気Ａの供給量を制御するも
ので、製品酸素ガスGOの生産量に応じて算定される値が
設定値となる。尚、流量の制御手段としては、上記ガイ
ドベーン30bに代えて管路に自動弁を設けることによっ
ても同様に行うことができる。
製品酸素ガスGOを導出する管路11には、製品酸素ガス
GOの流量を計測する流量計31aと自動弁31bとからなる計
測制御器31が設けられている。この計測制御器41は、製
品酸素ガスGOの流量と共に自動弁31bの開度を制御手段
９に出力し、該制御手段９からの指示により自動弁31b
を開閉して製品酸素ガスGOの産出量を制御するもので、
製品酸素ガスGOの需要量に応じて算定される値が設定値
となり、かつ酸素純度が規定の値を維持するように微調
整される。この製品酸素ガス用計測制御器31に関連して
上部塔5aの製品酸素ガス導出部近傍には、製品酸素ガス
GOの純度を計測する分析計31cが設けられており、該純
度を制御手段９に出力している。
製品窒素ガスGNを導出する管路12には、製品窒素ガス
GNの流量を計測する流量計32aと自動弁32bとからなる計
測制御器32が設けられている。この計測制御器32は、製
品窒素ガスGNの流量と共に自動弁32bの開度を制御手段
９に出力し、該制御手段９からの指示により自動弁32b
を開閉して製品窒素ガスGNの産出量を制御するもので、
原料空気Ａの供給量に応じて算定される値が設定値とな
る。
粗アルゴンARを導出する管路13には、粗アルゴンARの
流量を計測する流量計33aと自動弁33bとからなる計測制
御器33及び該粗アルゴン中の酸素濃度を測定する分析器
33cが設けられている。この計測制御器33は、粗アルゴ
ンARの流量と共に自動弁33bの開度を制御手段９に出力
し、該制御手段９からの指示により自動弁33bを開閉し
て粗アルゴンARの産出量を制御するもので、原料空気Ａ
の供給量に応じて算定される値が設定値となり、かつ分
析器33cから得られる粗アルゴン中の酸素濃度が規定の
値以下という条件を満たしつつ、粗アルゴンARの生産量
が最大になるように微調整される。
また、この空気液化分離装置１に付属設備として液化
粗アルゴンタンク（LAT1）50aが設けられている場合及
び／又は該装置から液化粗アルゴンが供給される液化粗
アルゴンタンク（LAT2）50bが設けられている場合は、
これらの貯槽50A,50bの粗アルゴンARの量を検知計測す
る手段、例えば液面計，圧力計等を設けて、該計測手段
で得られたデータも前記制御手段９に伝え、前記各デー
タと関連させて装置各部を制御するように構成すること
ができる。
液化酸素LOを導出する管路14には、液化酸素LOの流量
を計測する流量計34aと自動弁34bとからなる計測制御器
34が設けられている。この計測制御器34は、液化酸素LO
の流量と共に自動弁34bの開度を制御手段９に出力し、
該制御手段９からの指示により自動弁34bを開閉して液
化酸素LOの産出量を制御するもので、あらかじめ設定さ
れた値、又は寒冷上のバランスを維持するように制御さ
れる。
また、上記液化粗アルゴンと同様に、この空気液化分
離装置１に付属設備として液化酸素タンク（LOT1）51a
が設けられている場合及び／又は該装置から液化酸素LO
を供給される液化酸素タンク（LOT2）51bが設けられて
いる場合は、これらの貯槽51a,51bの液化酸素LOの量を
検知計測する手段、例えば液面計，圧力計等を設けて、
該計測手段で得られたデータも前記制御手段９に伝え、
前記各データと関連させて装置各部を制御するように構
成することができる。
液化窒素LNを導出する管路15には、液化窒素LNの流量
を計測する流量計35aと自動弁35bとからなる計測制御器
35が設けられている。この計測制御器35は、液化窒素LN
の流量と共に自動弁35bの開度を制御手段９に出力し、
該制御手段９からの命令により自動弁35bを開閉して液
化窒素LNの産出量を制御するもので、あらかじめ設定さ
れた値、又は寒冷上のバランス及び純度を維持するよう
に制御され、さらに下部塔5bの還流液化窒素の純度を維
持できるように、膨張タービン流体の流量との関連にお
いて制御される。
この液化窒素LNの場合も、空気液化分離装置１に付属
設備として液化窒素タンク（LNT1）52aが設けられてい
る場合及び／又は該装置から液化窒素LNの供給を受ける
液化窒素タンク（LNT2）52bが設けられている場合は、
これらの貯槽52a,52bの液化窒素LNの量を検知計測する
手段、例えば液面計，圧力計等を設けて、該計測手段で
得られたデータも前記制御手段９に伝え、前記各データ
と関連させて装置各部を制御するように構成することが
できる。
また、液状製品だけでなく、ガス製品に対しても同様
の制御を行うことができる。尚、前述の各製品タンクに
おいて、装置に付属したタンクとは該装置と配管により
接続されているタンクを意味し、製品が供給されるタン
クは、ローリー等により製品の供給を受ける可能性の有
るタンクを意味するもので、該装置からのみ製品の供給
を受けるもののほか、複数の空気液化分離装置から製品
を供給されるものも含む。
膨張タービン８に窒素ガスＮを導入する管路16には、
該窒素ガスＮの流量を計測する流量計36aと自動弁36bと
からなる計測制御器36が設けられている。この計測制御
器36は、窒素ガスＮの流量と共に自動弁36bの開度を制
御手段９に出力し、該制御手段９からの指示により自動
弁36bを開閉して膨張タービン導入流体量を制御するも
ので、原料空気量から算出された値が設定値となり制御
されるが、寒冷上のバランスや運転目的に応じた還流液
化窒素流量との関連において設定された値により調整さ
れる。
上部塔5aに還流液を導入する管路17には、該管路17内
の液化窒素の流量を計測する流量計37aと自動弁37bとか
らなる計測制御器37が設けられている。この計測制御器
37は、液化窒素の流量と共に自動弁37bの開度を制御手
段９に出力し、該制御手段９からの指示により自動弁37
bを開閉して還流液量を制御するもので、原料空気量か
ら算出された値が設定値となり制御される。
下部塔5bの底部の液化空気を上部塔5aに導入する管路
18には、液化空気の流量を制御する自動弁38bが設えら
れるとともに、下部塔底部には該底部の液面を計測する
液面計38cが設けられている。この自動弁38bと液面計38
aとからなる計測制御器38は、下部塔底部受の液化空気
の液面高さに応じて自動弁38の開度を制御し、下部塔底
部の液面が一定になるように制御される。
また、下部塔底部の液化空気を粗アルゴン塔６の凝縮
器6aに導入する管路19には、液化空気の流量を計測する
流量計39aと自動弁39bとからなる計測制御器39が設けら
れている。この計測制御器39は、凝縮器6aに導入する液
化空気の流量と共に自動弁39bの開度を制御手段９に出
力し、該制御手段９からの指示により自動弁39bを開閉
して液化空気量を制御するもので、原料空気量から算出
された値が設定値となり制御される。
上部塔上部から排ガスＷを排出する管路20には、排ガ
ス中の酸素濃度を計測する分析器40が設けられており、
該管路20内の排ガス中に含まれる酸素濃度を制御手段９
に出力する。さらに該管路20には、排ガスの流量を制御
する流量計41aと自動弁41bとからなる計測制御器41が設
けられている。
そして前記制御手段９は、分散型制御装置9aとAIステ
ーション（エキスパートシステム）からなる推論計算手
段9bとにより構成されている。分散型制御装置9aは、前
述の各種機器から得られる流量や濃度，圧力，温度及び
製品採取目標値等の各種入力情報を推論手段9bに供給す
るとともに、該推論計算手段9bから出力される各部の流
量設定値に基づいて前記各制御器を作動させる。推論計
算手段9bは、分散型制御装置9aから受け取る各種情報を
元にして現状の運転パターンを認識するとともに、前回
の運転指令と最新の運転指令及び装置を構成する機器の
運転能力等の運転条件から最適な運転パターンを推論
し、該推論に基づいて最適な製品採取量，還流液量，膨
張タービン流量等の各部の運転諸元を算出し制御する。
即ち分散型制御装置9aは、推論計算手段9bの推論に必要
なデーターを推論計算手段9bに与え、推論計算手段9bか
ら受け取るデーターを元にして各部の制御を行うように
構成されている。
ここで、運転モード変更時の上記推論計算手段9bの動
作を説明する。まず推論計算手段9bは、前記分散型制御
装置9aから受け取る各部の流量等の運転諸元と、あらか
じめ設定されている各運転パターンにおける最適流量と
を比較して現在の運転パターンを認識し、新しい指令に
よる運転に移行後、前回の指令による運転を続行できる
か否か、又は変更すべきか否かを推論する。この推論
は、優先すべき事項、例えば製品酸素の純度と生産量，
これに伴う原料空気量，各運転モードにおいて確保すべ
き各々の製品採取量等の最適物質収支と熱バランスの確
保等をベースにして、原料空気圧縮機の減量限界や液化
ガス製品の需要、さらに前回の運転指令等の情報から最
適な運転パターンを選択するものであり、また変化量に
応じて運転移行までの時定数を設定する。
例えば酸素ガスの減量が指令され、前回の指令が液化
窒素採取運転であった場合、減量空気量を酸素ガス採取
量に応じて減らしたときに確保すべき窒素ガス量や空気
圧縮機の減量限界等から採取する液化窒素量及び還流液
量，膨張タービン流量等、各部の流量を推論する。この
結果、各部の流量がそれぞれの時定数でセットされた値
に到達するように制御される。そしてセット値に到達後
に、生じる製品純度や熱バランスのズレは、現状の運転
パターンからどの部分をどの程度修正すべきかを推論
し、その結果に基づいて制御を行う。例えば、液製品を
採取しない運転であれば、熱バランス調節用の系の流量
又は弁開度が所定の範囲に入るように、タービン流体量
設定値を各部の流量との関連において微調整する。
また、上記液化ガス製品の需要情報としては、該空気
液化分離装置に付設された貯槽だけに限らず、他の複数
の貯槽、例えば各地に設置された液化ガス供給拠点の多
数の貯槽の液保有量の情報をオンラインで取り入れるこ
とにより、これらの液保有量変動に基づく需要情報も含
めて液製品の採取量を設定することができる。
このようにして各部の流量等の運転諸元を制御するこ
とにより、各種製品を効率よく採取することが可能とな
り、最適な運転状態への切り替えも短時間で行うことが
可能となる。また、装置運転時における運転モードの変
更だけでなく、装置起動時の各部の流量等の諸元の制御
も同様に行うことができ、起動時間の短縮を図れ、空気
液化分離装置の生産効率を大幅に向上させることができ
る。
尚、装置各部の気液の流れについては、一般の空気液
化分離装置と同様のため詳細な説明は省略する。また、
空気液化分離装置の構成は、上記実施例に限らず、従来
から用いられている各種能力向上設備を備えたものに
も、本発明を適用することが可能であり、実施例で挙げ
た製品を全て併産するものに限るものでもない。
また、運転諸元も流量，濃度（純度），液面のみなら
ず、温度，圧力をも対象として制御することも可能であ
ることは言う迄もない。
〔発明の効果〕
以上説明したように、本発明の空気液化分離装置及び
その制御方法は、製品貯槽を含む装置各部の気液の流
量、純度や貯留量等を基にして現状の運転パターンを認
識し、これに基づいて各部の最適運転諸元を推論し計算
して制御するから、各運転パターンにおける最適な運転
状態で各製品を製出することができ、各製品の収率を向
上することができる。特に製品需要の変動や貯槽の製品
量変化による運転モードの移行を迅速に行え、従来操作
員の熟練度に頼っていた複雑な運転条件の設定を代行で
き、操作員の高齢化，後継者不足といった社会的要求に
も対応することができる。
【図面の簡単な説明】
図は本発明の一実施例を示す空気液化分離装置の系統図
である。 １……空気液化分離装置、２……圧縮機、３……精製設
備、４……主熱交換器、５……複精留塔、６……アルゴ
ン塔、７……主凝縮蒸発器、８……膨張タービン、９…
…制御手段、9a……分散型制御装置、9b……推論計算手
段、30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,41……計測制御
器、40……分析器、Ａ……原料空気、AR……粗アルゴ
ン、GO……酸素ガス、GN……窒素ガス、LO……液化酸
素、LN……液化窒素、Ｗ……排ガス

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】圧縮，精製，冷却した原料空気を液化精留
    分離して酸素，窒素等の製品ガス，製品液化ガス及び排
    ガスを導出する空気液化分離装置において、 （ａ）装置のリアルタイムの運転状態を検知するための
    空気量，製品量，タービン量，還流液量等の各部の流量
    及び／又はそれらの純度，液面を計測する手段と、該空
    気液化分離装置に付属する製品貯槽及び／又は該空気液
    化分離装置から製品の供給を受ける製品貯槽の貯ガス量
    及び／又は貯液量を検知計測する手段と、 （ｂ）上記計測手段からの情報により装置の運転状態を
    認識し、かつ運転指令に基づき最適運転条件及び最短時
    間での運転移行操作方法の推論を行う計算手段と、 （ｃ）上記計算結果により上記各部の制御を指令する制
    御手段と該制御手段からの信号により上記装置各部の流
    量等の運転諸元を制御する制御器と、 を備えたことを特徴とする空気液化分離装置。
  2. 【請求項２】前記計測手段が、原料空気流量の計測制御
    器，製品酸素ガス流量の計測制御器，製品窒素ガス流量
    の計測制御器，液化酸素流量の計測制御器，液化窒素流
    量の計測制御器，膨張タービン流体流量の計測制御器，
    上部塔還流液用液化窒素量の計測制御器，上部塔導入液
    化空気流量の計測制御器，下部塔底部の液面の計測制御
    器，排ガス中の酸素濃度の計測器及び製品ガス純度分析
    計であることを特徴とする請求項１記載の空気液化分離
    装置。
  3. 【請求項３】原料空気を圧縮，精製，冷却して精留塔に
    導入し、液化精留分離により酸素，窒素等の製品ガス，
    製品液化ガス及び排ガスを導出する空気液化分離装置の
    制御方法において、前記原料空気，製品ガス，製品液化
    ガス，排ガス等の各部の流量及び前記空気液化分離装置
    に付属する製品貯槽及び／又は該空気液化分離装置から
    製品の供給を受ける製品貯槽の貯ガス量及び／又は貯液
    量等の運転諸元に基づいて現状の運転パターンを認識す
    るとともに、前回の運転指令と最新の運転指令及び装置
    を構成する機器の運転能力等の運転条件から最適な運転
    パターンを推論し、該推論に基づく最適な製品採取量，
    還流液量，膨張タービン流量等の各部の運転諸元を計算
    し、制御することを特徴とする空気液化分離装置の制御
    方法。
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