JPH10325673A - 空気液化分離装置の制御方法 - Google Patents
空気液化分離装置の制御方法Info
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Abstract
空気を必要量以上に導入しなくても、製品酸素の需要変
動に追従できる空気液化分離装置の制御方法を提供す
る。 【解決手段】 三塔式又は四塔式の空気液化分離装置に
原料空気を導入して深冷空気液化分離法により精留分離
を行って製品酸素を得るにあたり、前記製品酸素の酸素
純度を測定し、該酸素純度に応じて前記原料空気の導入
量を調節する。
Description
の制御方法に関し、詳しくは、精留塔を三塔あるいは四
塔使用した三塔式あるいは四塔式の深冷空気分離法によ
る空気液化分離装置によって空気を酸素と窒素とに分離
する空気液化分離装置であって、製品酸素の需要が変動
する空気液化分離装置に適した制御方法に関する。
して酸素ガスを製造する空気液化分離装置として、米国
特許第4254629号明細書や特開平1−12167
8号公報に記載された空気液化分離装置が知られてい
る。これらのプロセスは、従来の二塔式空気液化分離装
置に比べて製品酸素の製造動力を低減することはできる
が、塔及び凝縮蒸発器の数が多くなるため、従来に比べ
て制御性が低下する。
(IGCC)や溶融還元製鋼等のシステムで用いられる
場合、空気液化分離装置には、大幅な負荷変動と急激な
変動への追従とが要求される。この場合、製品酸素量の
変動と同時に、製品濃度は一定のレベルに保たれなけれ
ばならない。製品酸素濃度を保つためには、精留塔内の
気液比を一定に保つことが重要であるが、空気液化分離
装置の負荷が大きく変動する場合には、精留塔内の気液
比が崩れ、製品酸素濃度に影響が出ることが多い。この
ため、例えば、製品酸素の貯蔵タンクを設け、製品酸素
の需要量が増加する場合には不足分をタンクから補充
し、逆に、製品酸素の需要量が減少した場合には、生産
で余った分をタンクへ貯蔵する方法や、製品酸素量の変
動に対して空気分離装置へ導入する原料空気を常に必要
量以上とする方法が適用されている。
蔵タンクを設けるものでは、大きなタンクを設置する必
要があり、投資コストや設置面積に多くを要する不都合
があった。また、装置へ導入する原料空気を常に必要量
以上とする方法ではランニングコストが大となる不都合
があった。
不要で、かつ、原料空気を必要量以上に導入しなくて
も、製品酸素の需要変動に追従できる空気液化分離装置
の制御方法を提供することを目的としている。
め、本発明の空気液化分離装置の制御方法は、高圧塔,
中圧塔及び低圧塔からなる三塔式又は高圧塔,中圧塔,
第1低圧塔及び第2低圧塔からなる四塔式の空気液化分
離装置に原料空気を導入して深冷空気液化分離法により
精留分離を行い、前記三塔式空気液化分離装置の低圧塔
の下部又は四塔式空気液化分離装置の第1低圧塔の下部
から製品酸素を得る空気液化分離装置の制御方法におい
て、前記製品酸素の酸素純度を測定し、該酸素純度に応
じて前記原料空気の導入量を調節することを特徴として
いる。
が急激に変動するときには、該製品酸素の需要変動量に
応じて前記高圧塔底部の液面の設定を変更すること、前
記製品酸素の需要量が急激に変動するときには、前記原
料空気の導入量を前記製品酸素の需要量の増減に応じて
増減させることを特徴としている。
離装置の低圧塔の上部又は四塔式空気液化分離装置の第
2低圧塔の上部から製品窒素を得るにあたり、該製品窒
素中の酸素濃度を測定し、該酸素濃度に応じて製品窒素
の流量を調節すること、前記製品窒素の流量を前記原料
空気の導入量に比例するように制御すること、さらに、
前記中圧塔の頂部の窒素中に含まれる酸素濃度を測定
し、該酸素濃度に応じて前記低圧塔又は第2低圧塔の還
流液化窒素量を調節すること、前記還流液化窒素量を、
前記原料空気の導入量に比例するように制御することを
特徴とし、前記各制御を、カスケード制御とフィードフ
ォワード制御とにより構成することを特徴としている。
る四塔式の空気液化分離装置の一例を示すものである。
この空気液化分離装置は、高圧塔1,第1低圧塔2及び
第1凝縮蒸発器3を一体的に形成した第1複精留塔4
と、中圧塔5,第2低圧塔6及び第2凝縮蒸発器7を一
体的に形成した第2複精留塔8と、主熱交換器9,膨張
タービン10等を主要構成要素としている。
された第1原料空気は、経路11から原料空気の流量制
御弁12を通って主熱交換器9に入り、低温流体により
冷却された後、経路13から高圧塔1の下部に導入され
る。原料空気は、この高圧塔1での精留操作により塔底
部の酸素富化液化空気と塔頂部の高純度窒素ガスとに分
離する。
た高純度窒素ガスは、第1低圧塔2の塔底部の第1凝縮
蒸発器3で液化されて液化窒素となる。この液化窒素の
一部は、弁15で膨張して経路16から中圧塔5の塔頂
に導入されて中圧塔5の還流液となり、残りの液化窒素
は、経路17により高圧塔1に戻されて高圧塔1の還流
液となる。高圧塔1の塔底から経路18に抜き出された
酸素富化液化空気は、過冷器19で冷却された後、経路
20を経て弁21で膨張した後に第2低圧塔6の中間部
に導入される。
を除去された第2原料空気は、経路22から流量制御弁
23を通って主熱交換器9に入り、低温流体により冷却
された後、経路24から中圧塔5の下部に導入される。
導入された第2原料空気は、この中圧塔5での精留操作
により塔底部の酸素富化液化空気と塔頂部の高純度窒素
ガスとに分離する。
の一部は、経路25を通って主熱交換器9で加熱された
後、中間温度の膨張タービン用窒素ETとなって経路2
6から膨張タービン10に導入されて膨張し、経路27
を経て再び主熱交換器9に導入されて常温になり、経路
28,弁29を通ってコールドボックスを出る。このと
き、膨張タービン用窒素ETの流量は、弁10a(可変
ノズル又はバイパス弁)により調節される。中圧塔5の
塔頂から抜き出された高純度窒素ガスの残部は、経路3
0により、前記第2低圧塔6の塔底部に設けられた第2
凝縮蒸発器7で液化して液化窒素となる。この液化窒素
の一部は、経路31から前記過冷器19に導入されて冷
却された後、経路32を経て弁33で膨張した後に第2
低圧塔6の塔頂に導入されて第2低圧塔6の還流液とな
り、残りの液化窒素は、経路34により中圧塔5に戻さ
れて中圧塔5の還流液となる。中圧塔5の塔底から経路
35に抜き出された酸素富化液化空気は、前記過冷器1
9で冷却された後、経路36を経て弁37で膨張した後
に第2低圧塔6の中間部に導入される。
を備えた精留塔であって、中圧塔5から経路32を経て
導入された還流液化窒素及び経路36を経て導入された
酸素富化液化空気と、前記及び高圧塔1から経路20を
経て導入された酸素富化液化空気とは、この第2低圧塔
6での精留操作により塔頂部の製品窒素ガスと塔中間部
の廃窒素ガスと塔底部の酸素富化液化空気とに分離す
る。塔頂部から経路38に抜き出された製品窒素と塔中
間部から経路39に抜き出された廃窒素は、前記過冷器
19及び主熱交換器9で常温まで加熱された後、製品窒
素ガスは経路40及び制御弁41を経て、廃窒素は経路
42及び制御弁43を経てそれぞれコールドボックスを
出る。
0〜80%程度の酸素富化液化空気が経路44に抜き出
され、液ヘッドにより加圧された後、調節弁45を通っ
て第1低圧塔2の塔頂へ導入される。この第1低圧塔2
は、塔底に前記第1凝縮蒸発器3を備えた精留塔であっ
て、第2低圧塔6から導入された酸素富化液化空気は、
この第1低圧塔2での精留操作により、塔底部の液化酸
素及び製品酸素ガスと、塔頂部の酸素富化空気とに分離
する。塔頂の酸素富化空気は、経路46に抜き出され、
弁47を通って第2低圧塔6の下部に戻されて上昇ガス
となる。塔底の酸素ガスは、経路48に抜き出されて前
記主熱交換器9で常温まで加熱された後、経路49から
制御弁50を通り、製品酸素ガスとしてコールドボック
スを出る。
離装置においては、第1低圧塔2及び第2低圧塔6は、
1.3〜1.6barで、中圧塔5は3.5〜4.5b
arで、高圧塔1は4.5〜6barで操作されるが、
より高い圧力で操作することも可能である。
て、第1原料空気A1の弁12を制御する流量調節器
(FC)51、第2原料空気A2の弁23を制御する流
量調節器(FC)52、製品酸素GOの弁50を制御す
る流量調節器(FC)53、製品窒素GNの弁41を制
御する流量調節器(FC)54、経路42の廃窒素RN
の圧力を調節することにより第2低圧塔6の塔頂部の圧
力を調節する弁43を制御する塔頂圧力調節器(PC)
55、第2低圧塔6の還流液化窒素の弁33を制御する
流量調節器(FC)56、高圧塔1からの酸素富化液化
空気の弁21を制御する液面調節器(LC)57、中圧
塔5からの酸素富化液化空気の弁37を制御する液面調
節器(LC)58、第2低圧塔6からの酸素富化液化空
気の弁45を制御する液面調節器(LC)59、第1低
圧塔2から液化酸素を抜き出す経路71の弁72を制御
する液面調節器(LC)60、膨張タービン10の弁1
0aを制御する流量調節器(FC)61及び高圧塔1か
ら中圧塔5への液化窒素の弁15を制御する流量調節器
(FC)62がそれぞれ設けられている。
するときには、空気液化分離装置全体の物質バランスを
取るため、第1原料空気の流量、第2原料空気の流量、
製品窒素の流量、中圧塔5の還流液化窒素の流量、第2
低圧塔6の還流液化窒素の流量、膨張タービン用窒素の
流量、高圧塔1の液面、中圧塔5の液面及び第2低圧塔
6の液面をそれぞれ対応して変動させる。
ローラ63で行われ、各制御機器を介して各弁の開度を
調節することにより各種制御が行われる。さらに、本発
明では、これらの制御に加えて製品酸素の純度、製品窒
素中の酸素濃度、中圧塔頂部の窒素ガス中の酸素濃度を
測定して上記各制御の補正を行うようにしており、第1
低圧塔2から抜き出した製品酸素ガスが流れる経路48
には酸素純度調節器(QC)64が、第2低圧塔6の頂
部から抜き出した製品窒素ガスが流れる経路40には酸
素濃度調節器(QC)65が、中圧塔5の頂部から抜き
出した窒素ガスが流れる経路28には同じく酸素濃度調
節器(QC)66が、それぞれ設けられている。
至図5に示す制御構成の中の最適な制御方法により行わ
れる。図3に示す制御は、いわゆる一般的なフィードバ
ック制御であり、設定値Rに応じて調節器Aが制御対象
(弁の開度等)Bを制御し、この制御結果の検出値(測
定値)Yを演算器Cにフィードバックして誤差eを算出
し、調節器Aによる制御対象Bの制御状態を補正するも
のである。
信号Xが加わる場合の一般的なフィードバック制御であ
り、設定値Rに対して他の原因による制御条件等を外乱
信号Xとして演算器C2に入力し、調節器Aからの信号
と外乱信号Xとにより制御対象Bの制御を行い、この結
果を演算器C1にフィードバックして設定値Rとの誤差
eを算出し、調節器Aの設定を補正するようにしてい
る。
ード制御にカスケード制御を加えた構成の制御である。
この場合、あらかじめ設定されている設定値Rが主調節
器Amに入力され、この主調節器Amからの信号は、第
2制御対象B2を制御するための副調節器Asに伝えら
れる。副調節器Asは、主調節器Amからの信号に応じ
て第2制御対象B2を制御するとともに、これらの信号
に応じて第1制御対象B1が制御される。同時に、第2
制御対象B2の制御結果の検出値Zが第2演算器C2に
入力されるとともに、外乱信号Xがメインコントローラ
63内のフィードフォワードコントローラEを介して演
算器C2に入力される。演算器C2では、主調節器Am
からの信号と検出値Z及び外乱信号Xとに応じて誤差e
2を発生し、これによって副調節器Asの設定値を補正
する。さらに、これらによって制御される最終的な第1
制御対象B1の制御結果Yが第1演算器C1にフィード
バックされて設定値Rとの誤差e1を算出し、主調節器
Amの設定を補正するようにしている。
化分離装置に対する制御方法の一例を説明する。なお、
装置構成は、図1と同様であるから、主要部分にのみ符
号を付して装置構成の詳細な説明は省略する。
からの要求として入力信号67によりメインコントロー
ラ63に入力される。この製品酸素量の変動信号を受け
たメインコントローラ63は、以下の(1)〜(10)
に示す基本制御ループの設定値の計算を行う。
要の変動量に合わせて弁50によって同じように変動さ
せる。
ラ63で下記(1−1)式で演算されたフィードフォワ
ード信号が設定される。弁12によって製品酸素流量を
減量すると、弁12によって第1原料空気の流量も減量
し、製品酸素流量を増量すると第1原料空気の流量も増
量する。 ΔFA1=GFGO (S)ΔFGO (1−1)
料空気の流量は、第1原料空気の流量に比例させる。し
たがって、第2原料空気の流量調節器52の設定値は、
メインコントローラ63で下記(1−2)式のように演
算される。第1原料空気の流量が減量すると、弁23に
よって第2原料空気の流量も減量し、第1原料空気の流
量が増量すると第2原料空気の流量も増量する。 ΔFA2=k1 ΔFA1 (1−2)
製品窒素の流量調節器54の設定値は、メインコントロ
ーラ63で下記(1−3)式のように演算される。第1
原料空気の流量が減量すると、弁41によって製品窒素
の流量も減量し、第1原料空気の流量が増量すると製品
窒素流量も増量する。 ΔFGN=k2 ΔFA1 (1−3)
膨張タービンの流量調節器61の設定値は、メインコン
トローラ63で下記(1−4)式のように演算される。
製品酸素の流量を減量すると、該膨張タービン10の弁
10aによって膨張タービン用の窒素流量も減量し、製
品酸素流量を増量すると膨張タービンの流量も増量す
る。 ΔFET=k3 ΔFGO (1−4)
は、第1原料空気の流量に比例させる。還流液化窒素の
流量調節器62の設定値は、メインコントローラ63で
下記(1−5)式のように演算される。第1原料空気が
減量すると、弁15によって還流液化窒素の流量も減量
し、第1原料空気が増量すると還流液化窒素の流量も増
量する。 ΔFLN5 =k4 ΔFA1 (1−5)
制御 経路32から供給される第2低圧塔6の還流液化窒素の
流量は、第1原料空気の流量に比例させる。還流液化窒
素の流量調節器56の設定値は、メインコントローラ6
3で下記(1−6)式のように演算される。第1原料空
気が減量すると、弁33によって還流液化窒素の流量も
減量し、第1原料空気が増量すると還流液化窒素の流量
も増量する。 ΔFLN6 =k5 ΔFA1 (1−6)
流量に比例させる。高圧塔1の液面調節器57の設定値
は、メインコントローラ63で下記(1−7)式のよう
に演算される。製品酸素流量の減量に合わせて経路1
8,20を介して第2低圧塔6に供給する酸素富化液化
空気の流量を弁21によって減量させるために高圧塔1
の液面調節器の設定値を上げる。また、製品酸素流量の
増量に合わせて第2低圧塔6への酸素富化液化空気の流
量を増やすため、高圧塔1の液面調節器の設定値を下げ
る。 ΔLEVELLP1 =k6 ΔFGO (1−7) これは、下記(1−7a)式のような演算により、経路
18,20を流れる酸素富化液化空気の流量制御に変え
ることもできる。 ΔFLAIR1 =k6'ΔFGO (1−7a)
に比例させる。中圧塔5の液面調節器58の設定値は、
メインコントローラ63で下記(1−8)式のように演
算される。製品酸素流量の減量に合わせて経路35,3
6を介して第2低圧塔6に供給する酸素富化液化空気の
流量を弁37によって減量させるため、中圧塔5の液面
調節器58の設定値を上げる。また、製品酸素流量の増
量に合わせて第2低圧塔6への酸素富化液化空気の流量
を増やすため、中圧塔5の液面調節器の設定値を下げ
る。 ΔLEVELLP5 =k7 ΔFGO (1−8) これは、下記(1−8a)式により、経路35,36を
流れる酸素富化液化空気の流量制御に変えてもできる。 ΔFLAIR2 =k7'ΔFGO (1−8a)
気の流量に比例させる。第2低圧塔6の液面調節器59
の設定値は、メインコントローラ63で下記(1−9)
式のように演算される。製品酸素流量の減量に合わせて
経路44から第1低圧塔2に供給する酸素富化液化空気
の流量を弁45によって減量させるため、第2低圧塔6
の液面調節器59の設定値を上げる。また、製品酸素流
量の増量に合わせて第1低圧塔2への酸素富化液化空気
の流量を増やすため、第2低圧塔6の液面調節器59の
設定値を下げる。 ΔLEVELLP6 =k8 ΔFGO (1−9) これは、下記(1−9a)式により、経路44を流れる
酸素富化液化空気の流量制御に変えることもできる。 ΔFLAIR3 =k8'ΔFGO (1−9a)
化値 ΔFLN6 :第2低圧塔6の還流液化窒素の流量の設定値
の変化値 ΔFLAIR1 :経路20を流れる酸素富化液化空気の流量
の設定値の変化値 ΔFLAIR2 :経路36を流れる酸素富化液化空気の流量
の設定値の変化値 ΔFLAIR3 :経路44を流れる酸素富化液化空気の流量
の設定値の変化値 ΔLEVELLP1 :高圧塔1の液面の設定値の変化値 ΔLEVELLP5 :中圧塔5の液面の設定値の変化値 ΔLEVELLP6 :第2低圧塔6の液面の設定値の変化
値 である。また、k1 ,k2 ,k3 ,k4 ,k5 ,k6 ,
k6',k7 ,k7',k8,k8'は、それぞれの係数であ
る。
以下の三つの濃度制御ループを設定している。なお、括
弧内は図5に対応する名称あるいは符号である。
48に抜き出した製品酸素の純度を測定し(検出値
Y)、演算器(C1)で純度設定値(R)との誤差(e
1)を算出し、これに基づいて酸素純度調節器(主調節
器Am)64の設定値を変更する。この酸素純度調節器
64で得られた信号と、メインコントローラ(フィード
フォワードコントローラE)63で得られた信号(外乱
信号Xに基づく信号)と、第1原料空気の流量(検出値
Z)とによって加算器(演算器C2)68で誤差(e
2)が算出され、これによって第1原料空気の流量調節
器(副調節器As)51の設定値が変更される。この第
1原料空気の流量調節器51で得られた信号によって第
1原料空気の原料空気制御弁(第2制御対象B2)12
の開度が制御され、第1原料空気の流量が調節される。
さらに、これらの制御結果による製品酸素純度の変動
は、酸素純度調節器64にフィードバックされる。
濃度設定値との誤差を酸素濃度調節器(主調節器)65
で演算する。酸素濃度調節器65で得られた信号とメイ
ンコントローラ63で得られた信号とを加算器69で加
算し、得られた信号を製品窒素の流量調節器54(副調
節器)の設定値とする。流量調節器54で製品窒素の流
量を測定し、設定値との誤差を流量調節器54で演算す
る。流量調節器47で得られた信号を製品窒素の流量調
節弁41に渡す。
素濃度制御(膨張タービン用窒素ET中の酸素濃度制
御) 中圧塔5の塔頂のガス窒素中の酸素濃度を酸素濃度調節
器66で測定し、濃度設定値との誤差を酸素濃度調節器
(主調節器)66で演算する。酸素濃度調節器66で得
られた信号とメインコントローラ63で得られた信号と
を加算器70で加算し、得られた信号を経路32を流れ
る還流液化窒素の流量調節器(副調節器)56の設定値
とする。流量調節器56で経路32を流れる還流液化窒
素の流量を測定し、設定値との誤差を流量調節器56で
演算する。流量調節器56で得られた信号を還流液化窒
素の流量を調節する弁33に渡す。
イナミックシミュレータを用いて検討した。まず、図6
に示すように、製品酸素の流量を100%から58%の
範囲で毎分6%のスピードで変動させた。そして、前記
(11)〜(13)に示した濃度制御ループを採用した
場合と、採用しない場合とにおいて、製品酸素の純度の
変動を図7に、製品窒素中の酸素濃度の変動を図8に、
中圧塔塔頂の窒素中の酸素濃度の変動を図9にそれぞれ
示す。
しない場合は、製品酸素純度が89.5%まで下がり、
製品窒素中の酸素濃度及び中圧塔塔頂の窒素中の酸素濃
度は、それぞれ約3800ppm、約4500ppmま
で上がるのに対し、上記三つの濃度制御系を採用した場
合は、、製品酸素純度の変動が±1%以内に抑えられ、
製品窒素中の酸素濃度及び中圧塔塔頂の窒素中の酸素濃
度は1ppm以下に抑えられていることがわかる。
品酸素の純度変動を小さくでき、製品酸素流量の大幅な
増減及び急激な増減に対応することができる。また、製
品酸素流量の増減に応じて原料空気の流量も増減させる
ので、製品酸素流量が減少したときには原料空気の流量
も減少させるので、ランニングコストも低減できる。さ
らに、貯蔵タンクを設置する必要がないため、投資コス
トや設置面積の問題も解消できる。しかも、窒素を製品
として採取する場合でも、製品窒素の純度の変動幅を小
さくすることができる。
装置に適用した一例を示す系統図である。この空気液化
分離装置は、高圧塔101,低圧塔102及び第1凝縮
蒸発器103を一体的に形成した複精留塔104と、第
2凝縮蒸発器105を備えた中圧塔106と、主熱交換
器107,膨張タービン108等を主要構成要素として
いる。
された第1原料空気A1は、経路111から流量制御弁
112を通って主熱交換器107に入り、低温流体によ
り冷却された後、経路113から高圧塔101の下部に
導入される。原料空気は、この高圧塔101での精留操
作により塔底部の酸素富化液化空気と塔頂部の高純度窒
素ガスとに分離する。
出された高純度窒素ガスは、低圧塔102の塔底部の第
1凝縮蒸発器103で液化されて液化窒素となる。この
液化窒素の一部は、弁115で膨張して経路116から
中圧塔106の塔頂へ導入されて中圧塔106の還流液
となり、残りの液化窒素は、経路117により高圧塔1
01に戻されて高圧塔1の還流液となる。高圧塔101
の塔底から経路118に抜き出された酸素富化液化空気
の一部は、制御弁119で膨張して中圧塔106の中間
段へ導入され、残りの酸素富化液化空気は、経路120
に分岐し、過冷器121で冷却された後、弁122で膨
張して経路123から低圧塔102の中間段に導入され
る。
た第2原料空気A2は、経路124から制御弁125を
通って主熱交換器107に入り、低温流体により冷却さ
れ、経路126を経て中圧塔106の塔底部に導入され
る。この原料空気は、中圧塔106で精留されて塔底部
の酸素富化液化空気と塔頂部の高純度窒素ガスとに分離
する。中圧塔106の塔頂から経路127を経て経路1
28に抜き出された膨張タービン用窒素ETは、主熱交
換器107で加熱された後、膨張タービン108で膨張
し、再び主熱交換器107に入って常温になり、経路1
29,弁130を通ってコールドボックスを出る。中圧
塔106の塔頂から経路127に抜き出された高純度窒
素ガスの残部は経路131により第2凝縮蒸発器105
に導入され、液化して液化窒素となる。液化窒素の一部
は、経路132に分岐して過冷器121で冷却された
後、弁133で膨張して経路134を経て低圧塔102
の塔頂へ導入され、低圧塔102の還流液化窒素とな
る。残りの液化窒素は、経路135により中圧塔106
の塔頂に戻されて中圧塔106の還流液となる。
出された酸素富化液化空気は、過冷器121で冷却され
た後、弁137で膨張して経路138から第2凝縮蒸発
器105に導入される。第2凝縮蒸発器105で高純度
窒素ガスと熱交換した後、蒸発した酸素富化空気は、経
路139を通って弁140で膨張した後、未蒸発の酸素
富化液化空気の一部は、経路141を通って弁142で
膨張した後、それぞれ低圧塔102の前記経路123よ
り下の段に導入される。
03を備えた精留塔であって、中圧塔106から経路1
34を経て導入された還流液化窒素と、経路139から
の酸素富化空気と、経路141からの酸素富化液化空気
と、高圧塔101から経路123を経て導入された酸素
富化液化空気とが、ここでの精留操作によって塔頂部の
製品窒素と、塔中上部の廃窒素と、塔底部の酸素ガス及
び液化酸素とに分離される。塔頂部の製品窒素GNは、
経路143に抜き出され、過冷器121及び主熱交換器
107で常温まで加熱された後、弁144,経路145
を経てコールドボックスを出る。また、塔中上部から経
路146に抜き出された廃窒素RNは、過冷器121及
び主熱交換器107で常温まで加熱された後、弁14
7,経路148を経てコールドボックスを出る。
弁150を介して液化酸素の一部が抜き出されている。
また、第1凝縮蒸発器103で蒸発した酸素ガスの一部
は、製品酸素ガスGOとして経路151に抜き出され、
主熱交換器107で常温まで加熱された後、弁152,
経路153を経てコールドボックスを出る。
barで、中圧塔106は3.5〜4.5bar、高圧
塔101は4.5〜6.0barで操作されるが、より
高い圧力で操作することも可能である。
原料空気A1の弁112を制御する流量調節器(FC)
161、第2原料空気A2の弁125を制御する流量調
節器(FC)162、製品酸素GOの弁152を制御す
る流量調節器(FC)163、製品窒素GNの弁144
を制御する流量調節器(FC)164、廃窒素RNの弁
147を制御する圧力調節器(PC)165、低圧塔1
02への還流液化窒素の弁133を制御する流量調節器
(FC)166、高圧塔101からの酸素富化液化空気
の弁122を制御する高圧塔101の液面調節器(L
C)167、高圧塔101からの酸素富化液化空気の弁
119を制御する中圧塔106の液面調節器(LC)1
68、低圧塔102の底部から抜き出す液化酸素の弁1
50を制御する低圧塔102の液面調節器(LC)16
9、膨張タービン108の弁108aを制御する流量調
節器(FC)170、高圧塔101から中圧塔106へ
の液化窒素の弁115を制御する流量調節器(FC)1
71、第2凝縮蒸発器105からの酸素富化空気の弁1
40を制御する圧力調節器(PC)172、第2凝縮蒸
発器105に導入される酸素富化液化空気の弁137を
制御する第2凝縮蒸発器105の液面調節器(LC)1
73、経路151の製品酸素ガスGOの純度により前記
流量調節器161を介して弁112を制御する純度調節
器(QC)174、経路143の製品窒素ガスGNの酸
素濃度により前記流量調節器164を介して弁144を
制御する酸素濃度調節器(QC)175、中圧塔106
から抜き出された後に経路129を流れる膨張タービン
用窒素ETの酸素濃度により前記流量調節器166を介
して弁133を制御する酸素濃度調節器(QC)176
が設けられており、これらの全体的な制御は、メインコ
ントローラ177により行われる。
とき、装置全体の物質バランスを取るため、第1原料空
気の流量、第2原料空気の流量、製品窒素の流量、中圧
塔106の還流液化窒素の流量、低圧塔102の還流液
化窒素の流量、膨張タービン用窒素の流量、高圧塔10
1の液面及び中圧塔106の液面をそれぞれ対応して変
動させる。
としてメインコントローラ177に入力され、メインコ
ントローラ177では、以下の制御ループの設定値が計
算される。
需要の変動量と同じ変動をさせる。
ーラ177で下記(2−1)式で演算されたフィードフ
ォワード信号が設定される。製品酸素流量を減量すると
第1原料空気の流量も減量する。同じく、製品酸素流量
を増量すると第1原料空気の流量も増量する。 ΔFA1=GFGO (S)ΔFGO (2−1)
る。第2原料空気の流量調節器162の設定値はメイン
コントローラ177で下記(2−2)式のように演算さ
れる。第1原料空気の流量を減量すると第2原料空気の
流量も減量する。同じく第1原料空気の流量を増量する
と第2原料空気の流量も増量する。 ΔFA2=k1 ΔFA1 (2−2)
製品窒素の流量調節器164の設定値はメインコントロ
ーラ177で下記(2−3)式のように演算される。第
1原料空気の流量を減量すると製品窒素の流量も減量す
る。同じく、第1原料空気の流量を増量すると製品窒素
の流量も増量する。 ΔFGN=k2 ΔFA1 (2−3)
膨張タービン108の流量調節器170の設定値はメイ
ンコントローラ177で下記(2−4)式のように演算
される。製品酸素の流量を減量すると膨張タービン用窒
素流量も減量する。同じく、製品酸素流量を増量する
と、膨張タービン流量も増量する。 ΔFET=k3 ΔFGO (2−4)
制御 経路116からの還流液化窒素の流量は、第1原料空気
の流量に比例させる。還流液化窒素の流量調節器171
の設定値はメインコントローラ177で下記(2−5)
式のように演算される。第1原料空気の流量を減量する
と還流液化窒素の流量も減量する。同じく、第1原料空
気の流量を増量すると還流液化窒素の流量も増量する。 ΔFLN106 =k4 ΔFA1 (2−5)
制御 経路134の還流液化窒素の流量は、第1原料空気の流
量に比例させる。還流液化窒素の流量調節器166の設
定値は、メインコントローラ177で下記(2−6)式
のように演算される。第1原料空気の流量を減量すると
還流液化窒素の流量も減量する。同じく、第1原料空気
の流量を増量すると還流液化窒素の流量も増量する。 ΔFLN102 =k5 ΔFA1 (2−6)
酸素の流量に比例させる。高圧塔101の液面調節器1
67の設定値は、メインコントローラ177で下記(2
−7)式のように演算される。製品酸素流量の減量に合
わせて低圧塔102への酸素富化液化空気の流量を減量
させるため、高圧塔101の液面調節器167の設定値
を上げる。同じく、製品酸素流量の増量に合わせて低圧
塔102への酸素富化液化空気の流量を増やすため、高
圧塔101の液面調節器167の設定値を下げる。 ΔLEVELLP1 =k6 ΔFGO (2−7) これは、下記(2−7a)式のような演算により、経路
123を流れる液化空気の流量制御に変えることもでき
る。 ΔFLAIR1 =k6'ΔFGO (2−7a)
酸素の流量に比例させる。中圧塔106の液面調節器1
68の設定値は、メインコントローラ177で下記(2
−8)式のように演算される。製品酸素の流量の減量に
合わせて低圧塔102への酸素富化液化空気の流量を減
量させるため、中圧塔106の液面調節器168の設定
値を下げる。同じく、製品酸素の流量の増量に合わせて
低圧塔102への酸素富化液化空気の流量を増やすた
め、中圧塔106の液面調節器168の設定値を上げ
る。 ΔLEVELLP106 =k7 ΔFGO (2−8) これは、下記(2−8a)式により、経路136を流れ
る酸素富化液化空気の流量制御に変えてもできる。 ΔFLAIR2 =k7'ΔFGO (2−8a)
値の変化値 ΔFLN102 :低圧塔102の還流液化窒素の流量の設定
値の変化値 ΔFLAIR1 :経路123を流れる酸素富化液化空気の流
量の設定値の変化値 ΔFLAIR2 :経路136を流れる酸素富化液化空気の流
量の設定値の変化値 ΔLEVELLP101 :高圧塔101の液面の設定値の変
化値 ΔLEVELLP106 :中圧塔106の液面の設定値の変
化値 である。また、k1 ,k2 ,k3 ,k4 ,k5 ,k6 ,
k6',k7 ,k7'は、それぞれの係数である。
に以下の三つの濃度制御ループを備えている。 (10)製品酸素の濃度制御 低圧塔10の底部又は塔底から抜き出した製品酸素の純
度を測定し、純度設定値との誤差を濃度調節器174で
演算する。濃度調節器174で得られた信号とメインコ
ントローラ177で得られた信号とを加算器179で加
算し、加算器179で得られた信号を第1原料空気の流
量調節器161の設定値とする。第1原料空気の流量を
測定し、設定値との誤差を第1原料空気の流量調節器1
61で演算する。第1原料空気の流量調節器161で得
られた信号を第1原料空気の流量制御弁112に渡す。
の酸素濃度制御(膨張タービン用窒素中の酸素濃度制
御) 中圧塔106の塔頂の窒素ガス中の酸素濃度を測定し、
濃度設定値との誤差を濃度調節器176で演算する。濃
度調節器176で得られた信号とメインコントローラ1
77で得られた信号とを加算器180で加算し、得られ
た信号を低圧塔102の還流液化窒素の流量調節器16
6の設定値とする。還流液化窒素の流量を測定し、設定
値との誤差を還流液化窒素の流量調節器166で演算す
る。還流液化窒素の流量調節器166で得られた信号を
還流液化窒素の流量制御弁133に渡す。
濃度調節器175で演算する。濃度調節器175で得ら
れた信号とメインコントローラ177で得られた信号と
を加算器181で加算し、得られた信号を製品窒素の流
量調節器164の設定値とする。製品窒素の流量を測定
し、設定値との誤差を製品窒素の流量調節器164で演
算する。製品窒素の流量調節器164で得られた信号を
製品窒素の流量制御弁144に渡す。
用いてこれらの制御システムの検討を行った。製品酸素
流量を図11に示すように100%から58%の範囲で
毎分6%のスピードで変動させた。濃度制御を採用しな
い場合と濃度制御を採用した場合の製品酸素純度の変動
を図12に、製品窒素中の酸素濃度の変動を図13に、
中圧塔塔頂の窒素ガス中の酸素濃度の変動を図14に示
す。濃度制御を採用しない場合、製品酸素純度は約86
%まで下がり、製品窒素中の酸素濃度及び中圧塔塔頂窒
素中の酸素濃度はそれぞれ約12000ppm、約13
500ppmまで上がる。一方、前記三つの濃度制御系
を採用した場合は、製品酸素の純度変動は±1%以内に
抑えられ、製品窒素中の酸素濃度及び下部塔塔頂窒素中
の酸素濃度は、1ppm以下に抑えられている。
は、基本制御ループをベースとして三つの濃度制御ルー
プを加えたので、製品酸素流量の大幅な増減量や急激な
増減量にも自動的に追従することができ、製品酸素純
度、製品窒素濃度の変動を許容範囲内に抑えることがで
きる。したがって、製品酸素流量の大幅な増減量が可能
で、かつ、製品酸素流量の急激な増減量も可能である。
さらに、製品酸素の増減量と同時に原料空気流量も増減
させるので、原料空気流量を減量しても製品濃度が一定
に保たれ、ランニングコスト下げることができる。しか
も、貯蔵タンクが不要になるため、投資コストを下げる
こともできる。
図である。
ック図である。
加えたブロック図である。
る。
図である。
した一例を示す系統図である。
る。
す図である。
…第1複精留塔、5…中圧塔、6…第2低圧塔、7…第
2凝縮蒸発器、8…第2複精留塔、9…主熱交換器、1
0…膨張タービン、12…流量制御弁、19…過冷器、
23…流量制御弁、51…第1原料空気A1の流量調節
器(FC)、52…第2原料空気A2の流量調節器(F
C)、53…製品酸素GOの流量調節器(FC)、54
…製品窒素GNの流量調節器(FC)、55…第2低圧
塔の塔頂圧力調節器(PC)、56…第2低圧塔の還流
液化窒素の流量調節器(FC)、57…高圧塔の液面調
節器(LC)、58…中圧塔5の液面調節器(LC)、
59…第2低圧塔の液面調節器(LC)、60…第1低
圧塔の液面調節器(LC)、61…膨張タービンの流量
調節器(FC)61、62…高圧塔から中圧塔への液化
窒素の流量調節器(FC)、63…メインコントロー
ラ、64…酸素純度調節器(QC)、65…製品窒素の
酸素濃度調節器(QC)、66…中圧塔頂部の窒素ガス
の酸素濃度調節器(QC)、68,69,70…加算
器、101…高圧塔、102…低圧塔、103…第1凝
縮蒸発器、104…複精留塔、105…第2凝縮蒸発
器、106…中圧塔、107…主熱交換器、108…膨
張タービン、161…第1原料空気の流量調節器(F
C)、162…第2原料空気の流量調節器(FC)、1
63…製品酸素の流量調節器(FC)、164…製品窒
素の流量調節器(FC)、165…廃窒素の圧力調節器
(PC)、166…低圧塔への還流液化窒素の流量調節
器(FC)、167…高圧塔の液面調節器(LC)、1
68…中圧塔の液面調節器(LC)、169…低圧塔の
液面調節器(LC)、170…膨張タービンの流量調節
器(FC)、171…高圧塔から中圧塔への液化窒素の
流量調節器(FC)、172…第2凝縮蒸発器の圧力調
節器(PC)、173…第2凝縮蒸発器の液面調節器
(LC)、174…製品酸素ガスの純度調節器(Q
C)、175…製品窒素ガスの酸素濃度調節器(Q
C)、176…中圧塔から抜き出した膨張タービン用窒
素の酸素濃度調節器(QC)、177…メインコントロ
ーラ
Claims (10)
- 【請求項1】 高圧塔,中圧塔及び低圧塔からなる三塔
式又は高圧塔,中圧塔,第1低圧塔及び第2低圧塔から
なる四塔式の空気液化分離装置に原料空気を導入して深
冷空気液化分離法により精留分離を行い、前記三塔式空
気液化分離装置の低圧塔の下部又は四塔式空気液化分離
装置の第1低圧塔の下部から製品酸素を得る空気液化分
離装置の制御方法において、前記製品酸素の酸素純度を
測定し、該酸素純度に応じて前記原料空気の導入量を調
節することを特徴とする空気液化分離装置の制御方法。 - 【請求項2】 前記酸素純度に応じて原料空気導入量を
調節する制御は、カスケード制御とフィードフォワード
制御とにより構成することを特徴とする請求項1記載の
空気液化分離装置の制御方法。 - 【請求項3】 前記製品酸素の需要量が急激に変動する
ときには、該製品酸素の需要変動量に応じて前記高圧塔
底部の液面の設定を変更することを特徴とする請求項1
記載の空気液化分離装置の制御方法。 - 【請求項4】 前記製品酸素の需要量が急激に変動する
ときには、前記原料空気の導入量を、前記製品酸素の需
要量の増減に応じて増減させることを特徴とする請求項
1記載の空気液化分離装置の制御方法。 - 【請求項5】 前記三塔式空気液化分離装置の低圧塔の
上部又は四塔式空気液化分離装置の第2低圧塔の上部か
ら製品窒素を得るにあたり、該製品窒素中の酸素濃度を
測定し、該酸素濃度に応じて製品窒素の流量を調節する
ことを特徴とする請求項1記載の空気液化分離装置の制
御方法。 - 【請求項6】 前記酸素濃度に応じて製品窒素の流量を
調節する制御は、カスケード制御とフィードフォワード
制御とにより構成することを特徴とする請求項5記載の
空気液化分離装置の制御方法。 - 【請求項7】 前記製品窒素の流量を、前記原料空気の
導入量に比例するように制御することを特徴とする請求
項5記載の空気液化分離装置の制御方法。 - 【請求項8】 前記三塔式空気液化分離装置の低圧塔の
上部又は四塔式空気液化分離装置の第2低圧塔の上部か
ら製品窒素を得るにあたり、前記中圧塔の頂部の窒素中
に含まれる酸素濃度を測定し、該酸素濃度に応じて前記
三塔式空気液化分離装置の低圧塔又は四塔式空気液化分
離装置の第2低圧塔の還流液化窒素量を調節することを
特徴とする請求項1記載の空気液化分離装置の制御方
法。 - 【請求項9】 前記酸素濃度に応じて還流液化窒素量を
調節する制御は、カスケード制御とフィードフォワード
制御とにより構成することを特徴とする請求項8記載の
空気液化分離装置の制御方法。 - 【請求項10】 前記還流液化窒素量を、前記原料空気
の導入量に比例するように制御することを特徴とする請
求項8記載の空気液化分離装置の制御方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP13383597A JP3710252B2 (ja) | 1997-05-23 | 1997-05-23 | 空気液化分離装置の制御方法 |
Applications Claiming Priority (1)
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---|---|---|---|
JP13383597A JP3710252B2 (ja) | 1997-05-23 | 1997-05-23 | 空気液化分離装置の制御方法 |
Publications (2)
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