(57)【要約】【課題】  オンサイト水素製造プラントを有する化学プラントにおいて、プラントの水素消費の変動に対して過不足なく安定的に供給する方法であって、水素消費の変動に対応して自動的に水素製造プラントの負荷を調節でき、制御の遅れや乱れなどによる水素製造原料の急激な変化による触媒への悪影響を与えることがないという優れた特徴を有する水素供給システムを提供する。【解決手段】  化学プラントに併設された水蒸気改質反応を主反応としたオンサイト水素製造プラントにおいて、化学プラントの水素消費量の変化に対し、該水素製造プラントへの水素原料ガス供給量を、少なくとも化学プラントの大きな水素消費量の変化に対して水素消費量の一定量を供給するように調節する調節弁Ｖ１と、化学プラントの通常時の水素消費量の変動に応じて制御する調節弁Ｖ２とを備えることを特徴とする水素製造プラントの制御システム。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
化学プラントに併設された水蒸気改質反応を主反応としたオンサイト水素製造プラントにおいて、化学プラントの水素消費量の変動に対し、該水素製造プラントへの水素原料ガス供給量を、少なくとも化学プラントの大きな水素消費量の変化に対して水素消費量の一定量を供給するように調節する調節弁Ｖ１と、化学プラントの通常時の水素消費量の変動に応じて制御する調節弁Ｖ２とを備えることを特徴とする水素製造プラントの制御システム。
【請求項２】
前記化学プラントの変動に応じて制御する調節弁Ｖ２を下記式（１）を上限とした弁サイズに設計することを特徴とする請求項１記載の水素製造プラントの制御システム。
Ｃｖ＝(Ｑmax/２．７８５)×({(Ｇ×Ｔ)/(△Ｐ×(Ｐ１＋Ｐ２))｝)1/2  …（１）
（但し、Ｑmax：改質反応部への水蒸気モル数と水素原料ガス中の炭素モル数の比の運転管理値から、改質触媒に悪影響を与えない水蒸気モル数と水素原料ガス中の炭素モル数の比の下限界値まで変化するのに必要な水素原料ガス流量の最大変化幅（Ｎm3／Ｈ）、Ｃｖ：採用する調節弁の最大Ｃｖ値、Ｇ：水素原料ガスの比重、Ｔ：調節弁入口ガスの絶対温度（Ｋ）、Ｐ１：調節弁入口ガスの絶対圧力（ｋＰa Ａ）、Ｐ２：調節弁出口ガスの絶対圧力（ｋＰa Ａ）、△Ｐ：調節弁入出の最大圧力差（ｋＰａ））
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素製造プラントの制御システムに関するものである。さらに詳しくは、オンサイト水素製造プラントを有する化学プラントにおいて、当該化学プラントの水素消費特性の変化に対して過不足のない最適量を安定的に供給する方法であって、水素消費の変動に対応して自動的に水素製造プラントの負荷を調節でき、制御の遅れや乱れなどによる水素製造原料の急変による触媒への悪影響を与えることがないという優れた特徴を有する水素製造プラントの制御システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
水素を反応原料として使用する化学プラントにおいては、使用する水素をオンサイト水素製造プラントを併設して必要な水素を供給することがよく行われる。このような化学プラントでの水素消費量が変動した場合、供給すべき水素の流量も過不足なく調整する必要がある。水素が不足すると所望の反応が十分進行せず、一方水素が過剰すぎると水素の損失が発生する。しかし、水蒸気改質反応を主反応とした従来のオンサイト水素製造プラントでは、制御の遅れや乱れなどよる改質反応部での負荷の急変や、投入する水蒸気モル数と水素原料ガス中の炭素モル数の比の急変による改質触媒への悪影響の問題から、プロセスへの大きな変動を与えないよう安定的に運転するために、常に水素を過剰に製造し水素供給不足とならないようにして、余剰の水素は系外へパージするという運転形態をとっていたり、非常に大きなバッファードラムを設置し、水素消費特性の変化を吸収できるようにしていた。このような水素供給を安定化する試みとして、例えば、水素の所望量を安定的に供給でき、かつ、化学プラントの反応を効率的に実施できるバッファードラムの設計について提案されている（特許文献１参照）。しかし、これらの方法は、エネルギーロスや設備投資の増大などの問題により、一層の改善が望まれていた。
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−２７７２９７号公報（第１頁〜第４頁）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
かかる従来技術の状況に鑑み、本発明は、オンサイト水素製造プラントを有する化学プラントにおいて、当該化学プラントの水素消費特性の変化に対して過不足なく安定的に供給する方法であって、水素消費特性の変化に対応して自動的に水素製造プラントの負荷を調節でき、制御の遅れや乱れなどよる調節弁開度の急変により、水素製造原料ガスの投入量が急変しても、当該プラントの改質触媒へ悪影響を与えることがないという優れた特徴を有する水素製造プラントの制御システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
すなわち、本発明の請求項１に係る発明は、化学プラントに併設された水蒸気改質反応を主反応としたオンサイト水素製造プラントにおいて、化学プラントの水素消費量の変化に対し、該水素製造プラントへの水素原料ガス供給量を、少なくとも化学プラントの大きな水素消費量の変化に対して水素消費量の一定量を供給するように調節する調節弁Ｖ１と、化学プラントの通常時の水素消費量の変動に応じて制御する調節弁Ｖ２とを備えることを特徴とする水素製造プラントの制御システムである。
【０００６】
請求項２に係る発明は、前記化学プラントの変動に応じて制御する調節弁Ｖ２を下記式（１）を上限として水素消費変動特性を考慮した弁サイズに設計することを特徴とするものであって、本発明の効果的な態様である。
Ｃｖ＝(Ｑmax/２．７８５)×({(Ｇ×Ｔ)/(△Ｐ×(Ｐ１＋Ｐ２))})1/2  …（１）
（但し、Ｑmax：改質反応部への水蒸気モル数と水素原料ガス中の炭素モル数の比の運転管理値から、改質触媒に悪影響を与えない水蒸気モル数と水素原料ガス中の炭素モル数の比の下限界値まで変化するのに必要な水素原料ガス流量の最大変化幅（Ｎｍ3／Ｈ）、Ｃｖ：採用する調節弁の最大Ｃｖ値、Ｇ：水素原料ガスの比重、Ｔ：調節弁入口ガスの絶対温度（Ｋ）、Ｐ１：調節弁入口ガスの絶対圧力（ｋＰa Ａ）、Ｐ２：調節弁出口ガスの絶対圧力（ｋＰa Ａ）、△Ｐ：調節弁入出の最大圧力差（ｋＰａ））
【発明の効果】
【０００７】
本発明により、オンサイト水素製造プラントを有する化学プラントにおいて、当該化学プラントの水素消費の変動に対して過不足なく安定的に供給する方法であって、水素消費の変動に対応して自動的に水素製造プラントの負荷を調節でき、制御の遅れや乱れなどによる水素製造原料の急激な変化による触媒への悪影響を与えることがないという優れた特徴を有する水素供給システムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明の制御システムの概略を示す図（図１）に基づいて、本発明を詳細に説明する。
図１は、化学プラント２００に併設された水蒸気改質反応を主反応としたオンサイト水素製造プラント１００において、化学プラント２００の大きな水素消費量の変化に対応して、水素消費量の一定量を供給するように水素原料ガス１の供給量を、流量計４で流量を検出して制御する調節弁Ｖ１、化学プラント２００の通常時の水素消費量の変化に応じて、水素製造プラント１００の出口に設けた水素の圧力計７で水素供給圧力の変化を計測し、水素原料ガス１の供給量を制御する調節弁Ｖ２から構成されている。
【０００９】
水素製造プラント１００においては、固体触媒を充填した反応管を有する炉により、水素製造原料ガスと水蒸気を改質反応させ水素を連続的に製造する。水素製造原料ガスとしては、メタンからナフサまでの炭化水素などを使用することができる。また、水蒸気２としては、当該プラントの廃熱を利用し自プロセス内で発生させた蒸気や、外部のプラントから供給される蒸気を使用することができる。
【００１０】
前記のように、化学プラント２００の大きな水素消費量の変化に対応して、水素消費量の一定量を供給するように水素原料ガス１の供給量を、流量計４で流量を検出して調節弁Ｖ１で調節するが、水素製造プラントの負荷が一定であると、その水素供給圧力は、化学プラントの水素消費変動特性により増減する。そこで、水素製造プラントからの水素供給圧力は、化学プラントへの水素供給部に設置した圧力計７にて検出し、その圧力を一定に保つように、調節弁Ｖ１と並列して設けられた調節弁Ｖ２で水素製造原料ガス供給量を制御する。すなわち、水素供給圧力が低下すれば、水素原料ガス量を増やすよう調節弁Ｖ２の開度を上げ、逆に増加すれば水素原料ガス量を減らすよう調節弁Ｖ２の開度を下げる。この操作により、化学プラントの水素要求量に対して過不足のない水素を供給することができる。
【００１１】
調節弁のサイズは、前記化学プラントの水素消費量の変動に応じて制御する調節弁Ｖ２を下記式（１）を上限として水素消費変動特性を考慮した弁サイズに設計することにより、本発明がより効果的に実施することができる。
Ｃｖ＝(Ｑmax/２．７８５)×({(Ｇ×Ｔ)/(△Ｐ×(Ｐ１＋Ｐ２))})1/2  …（１）
（但し、Ｑmax：改質反応部への水蒸気モル数と水素原料ガス中の炭素モル数の比の運転管理値から、改質触媒に悪影響を与えない水蒸気モル数と水素原料ガス中の炭素モル数の比の下限界値まで変化するのに必要な水素原料ガス流量の最大変化幅（Ｎm3／Ｈ）、Ｃｖ：採用する調節弁の最大Ｃｖ値、Ｇ：水素原料ガスの比重、Ｔ：調節弁入口ガスの絶対温度（Ｋ）、Ｐ１：調節弁入口ガスの絶対圧力（ｋＰa Ａ）、Ｐ２：調節弁出口ガスの絶対圧力（ｋＰa Ａ）、△Ｐ：調節弁入出の最大圧力差（ｋＰａ））
【００１２】
このように、水素製造原料ガス供給量の制御量の最大値を物理的に制限した調節弁にて制御することによって、制御の遅れや乱れなどにより調節弁開度が大幅に急変するような場合でも、改質反応部の改質触媒へ悪影響を及ぼしてしまうという問題を防止することができる。
【実施例】
【００１３】
以下、本発明を実施例及び比較例に基づいて具体的に説明するが、もとより本発明はこの実施例に限定されるものではない。
実施例１
図１示した、水素製造プラントの制御システムを有するプラントで実験を行った。尚、化学プラントで必要とする量以上の水素が供給された場合は、水素製造プラントのスタートアップ時の対応のために設置されたパージラインにより余剰水素をパージすることとなる。
水素原料ガスとしては、メタンを主成分としたガスを使用した。調節弁Ｖ２のサイズであるＣｖ値は、前記（１）式に基づいて設計した。調節弁Ｖ１による水素原料ガスの流量は一定に保ちつつ、水素供給圧力の変化を圧力計７で計測し、水素原料ガスの投入量を調節弁Ｖ２により自動的に調節させた。実験結果は図２に示した通りである。水素供給圧力を維持し、かつ、余剰水素をパージするための弁は全く開いておらず、化学プラントにおいて必要とする水素量が過不足なく供給されていることがわかる。
【００１４】
比較例１
当該自動負荷調整システムを使用しなかった場合の実験結果を図３に示す。水素をパージするための弁の開度が、増減していることが分かる。
【００１５】
上記の結果から、次のことが分かる。本発明による水素製造プラントの制御システムを用いた実施例１は、化学プラントにおいて必要とする水素量が過不足なく供給されている。一方、従来の技術の制御システムによる比較例１は、水素消費量の変動幅を吸収できるだけの余剰の水素を常に製造し、余剰分をパージする事により調節しており、エネルギーロスの多い制御システムとなっている。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の制御システムの概略を示す図である。
【図２】実施例１の実験結果を示す図である。
【図３】比較例１の実験結果を示す図である。
【符号の説明】
【００１７】
１…水素原料ガス、２…水蒸気、３…調節弁Ｖ１、４…流量計、５…調節弁Ｖ２、６…流量計、７…圧力計、８…パージ弁、９…圧力計、１００…水素製造プラント、２００…化学プラント
【図１】
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【図２】
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【図３】
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