(57)【要約】【課題】比較的低圧（約０．５ＭＰａ（Ｇ）以下）の製品窒素ガス等の製品ガスを生産する際、要求される製品量（例えば製品ガス量と製品液体量との組み合わせ）に応じた最適で、且つ経済的な運転を続行することが可能な深冷空気分離装置およびその運転制御方法を提供することにある。【解決手段】本発明は、深冷空気分離装置における制御計算機において、要求される製品（窒素）ガス量と製品液体（窒素）量を基に「寒冷バランス演算」から最低のプラント運転圧、「マスバランス演算」から動力最低の運転点を自動的に演算し、原料空気の量のみならず、原料空気の圧力の制御値も出力するように構成したことにある。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料空気圧縮機にて大気から圧縮され、吸着塔にて前処理された空気を原料とし、該原料の空気からコールドボックスにおいて深冷分離法にて窒素又は酸素の製品を分離連続生産する深冷空気分離装置における制御計算機を用いた運転制御方法であって、
主に圧力で０．５ＭＰａ（Ｇ）程度以下の「低圧」の製品ガスを生産し、製品液体を併産する運転モードを有する場合において、要求される製品液体量から最適な原料空気圧力を自動的に算出し、該算出された最適な原料空気圧力を基に制御設定値を自動的に調整して前記原料空気圧縮機からの運転圧力を自動修正制御することを特徴とする深冷空気分離装置の運転制御方法。
【請求項２】
原料空気圧縮機にて大気から圧縮され、吸着塔にて前処理された空気を原料とし、該原料の空気からコールドボックスにおいて深冷分離法にて窒素又は酸素の製品を分離連続生産する深冷空気分離装置における制御計算機を用いた運転制御方法であって、
主に圧力で０．５ＭＰａ（Ｇ）程度以下の「低圧」の製品ガスを生産し、製品液体を併産する運転モードを有する場合において、要求される製品量に対してマスバランス演算に基いて自動的に算出される適正な原料空気量になるように前記原料空気圧縮機からの原料空気流量の制御と、要求される製品液体量に対して寒冷バランス演算に基いて自動的に算出される最適な原料空気圧力になるように前記原料空気圧縮機からの原料空気圧力の制御とを組み合わせることを特徴とする深冷空気分離装置の運転制御方法。
【請求項３】
請求項１または２記載の深冷空気分離装置の運転制御方法において、常時最適な動力点への移行制御機能を有することを特徴とする深冷空気分離装置の運転制御方法。
【請求項４】
原料空気圧縮機にて大気から圧縮され、吸着塔にて前処理された空気を原料とし、該原料の空気からコールドボックスにおいて深冷分離法にて窒素又は酸素の製品を分離連続生産する深冷空気分離装置であって、
主に圧力で０．５ＭＰａ（Ｇ）程度以下の「低圧」の製品ガスを生産し、製品液体を併産する運転モードを有する場合において、要求される製品液体量から最適な原料空気圧力を自動的に算出する制御計算機と、該制御計算機で算出された最適な原料空気圧力を基に制御設定値を自動的に調整して前記原料空気圧縮機からの運転圧力を自動修正制御する制御手段とを有することを特徴とする深冷空気分離装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、酸素プラントや窒素発生装置等の深冷空気分離装置およびその運転制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来技術１としては、原料空気圧縮機で所定の圧力まで圧縮され、吸着塔等で水分除去、ＣＯ２除去等を処理した原料空気を原料とし、深冷分離にて酸素や窒素等の製品ガスまたは液体を精留により連続生産するプラント（深冷空気分離装置）が知られている。
【０００３】
また、従来技術２としては、特開平１１−３１６０７９号公報において、原料空気を深冷分離して液体窒素およびガス窒素を発生する精留塔と、この精留塔に供給される原料空気の量を調整する原料空気入口弁と、装置運転のための各種データが記憶されたマイクロコンピュータとを備えた窒素発生装置において、マイクロコンピュータは上記液体窒素およびガス窒素の採取量データが入力され、この採取量データと上記各種データとに基づいた演算結果に応じて原料空気入口弁を制御するようにした窒素発生装置の運転方法が知られている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１１−３１６０７９号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
昨今の深冷空気分離プラントでは、電力原単位（消費電力）低減のため、プラント計画点における運転状態で最低の動力消費となる様、計画・設計されている。例えば、窒素発生装置において、昼間の電力を利用して窒素ガス生産を行い、夜間の低単価電力時に液体窒素を生産するプラントの場合で、製品ガスの圧力が「中圧」（０．５ＭＰａ（Ｇ）程度）以上の領域では、プラントの運転圧は変えずに、膨張タービンに負荷をかけることで、同時にある程度の液体窒素は併産することが可能である。例えば、「製品窒素ガス圧力：０．７ＭＰａ（Ｇ）、製品窒素ガス純度：１〜０．１ｐｐｍＯ２」の場合、次の表１に示すようなガス最大採取運転モード（運転モードＨ１）とガス・液併産運転モード（運転モードＨ２）の運転は、同じ製品ガス圧力で実現可能である。
【０００６】
【表１】
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ところで、液体窒素の採取量は、寒冷損失に直結するため、膨張タービンに負荷をかけることで液体窒素の採取により増大した寒冷ロスを補償している。逆に言えば、膨張タービンによる寒冷発生量の大小で、採取可能な液体窒素の量が左右されることになる。この膨張タービンの寒冷発生能力は、膨張タービン効率一定の場合では、タービンでの膨張比が大きいほど、またタービン流量が多いほど増大するが、膨張比が比較的小さくなると、風量を増加しても寒冷発生の効果はあまり増大しない傾向にある。すなわち、液体の採取にはタービン膨張比（この場合は１次圧）をある程度確保しないと適量の寒冷が発生しないことを意味する。
【０００７】
通常の窒素発生装置において、膨張タービンに供給されるプロセスガスは、精留塔上部の窒素凝縮器の低温流体（液体空気）側の蒸発ガスが使われる。このため、膨張タービンの１次圧は、この窒素凝縮器の運転圧力から、膨張タービン入口へ至るまでの配管圧損およびタービン入口弁の圧損を差し引いた圧力値しか利用出来ない。一方、窒素凝縮器の運転圧力は、製品窒素圧力により決まる精留塔運転圧力のより低い温度の液体空気の運転圧力にする必要があることから、上の例では、０．７ＭＰａ（Ｇ）の製品窒素圧力に対して、主凝縮器の運転圧力は約０．４ＭＰａ（Ｇ）となる。この場合の膨張タービンは１次圧が最大で約０．２〜０．３ＭＰａ（Ｇ）、２次圧（出口圧）は０．０４ＭＰａ（Ｇ）の条件での寒冷発生となる。
【０００８】
しかしながら、製品圧力が０．４５ＭＰａ（Ｇ）程度の比較的低いプラントにおいて、ガス採取運転モード（上記運転モードＨ１）の消費動力を最低になるべく、精留塔の運転圧（主凝縮器の運転圧力）を低下（約０．２Ｍｐａ（Ｇ））させ、原料空気圧縮機の吐出圧力も低下するように設計した場合、寒冷発生源である膨張タービンへ供給出来る１次圧が約０．１〜０．１５Ｍｐａ（Ｇ）へと大幅に低下することにより、液体製品の採取可能量は大幅に減少してしまうことになり、逆に原料空気圧縮機の吐出圧を上げて設計すれば、明らかにガス採取運転モードでは余分な動力を消費するといった課題を有していた。
【０００９】
本発明の目的は、上記課題を解決すべく、比較的低圧（０．５ＭＰａ（Ｇ）程度以下）の製品窒素ガス等の製品ガスを生産する際、要求される製品量（例えば製品ガス量と製品液体量との組み合わせ）に応じた最適で、且つ経済的な運転を続行可能にした深冷空気分離装置およびその運転制御方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、原料空気圧縮機にて大気から圧縮され、吸着塔にて前処理された空気を原料とし、該原料の空気からコールドボックスにおいて深冷分離法にて窒素又は酸素の製品を分離連続生産する深冷空気分離装置における制御計算機を用いた運転制御方法であって、比較的「低圧」（０．５ＭＰａ（Ｇ）程度以下）の製品ガスを生産し、製品液体の生産を同時に行う（製品液体を併産する運転モードを有する）場合において、要求される製品液体量から最適な原料空気圧力を自動的に算出し、該算出された最適な原料空気圧力を基に制御設定値を自動的に調整してプラントの運転圧力（前記原料空気圧縮機からの運転圧力）を自動修正制御する、即ち、要求される製品液体の量から、その液体を生産するのに見合う膨張タービンに寒冷発生をさせるため、プラントの運転圧力（＝原料空気圧縮機の吐出圧力）を自動で制御することを特徴とする。
【００１１】
また、本発明は、原料空気圧縮機にて大気から圧縮され、吸着塔にて前処理された空気を原料とし、該原料の空気からコールドボックスにおいて深冷分離法にて窒素又は酸素の製品を分離連続生産する深冷空気分離装置における制御計算機を用いた運転制御方法（起動制御方法）であって、主に圧力で０．５ＭＰａ（Ｇ）程度以下の「低圧」の製品ガスを生産し、製品液体を併産する運転モードを有する場合において、要求される製品量に対してマスバランス演算に基いて自動的に算出される適正な原料空気量になるように前記原料空気圧縮機からの原料空気流量の制御（マスバランス制御）と、要求される製品液体量に対して寒冷バランス演算に基いて自動的に算出される最適な原料空気圧力になるように前記原料空気圧縮機からの原料空気圧力の制御（寒冷バランス制御）とを組み合わせることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明は、前記深冷空気分離装置の運転制御方法（起動制御方法）において、常時最適な動力点への移行制御機能を有することを特徴とする。
【００１３】
また、本発明は、原料空気圧縮機にて大気から圧縮され、吸着塔にて前処理された空気を原料とし、該原料の空気からコールドボックスにおいて深冷分離法にて窒素又は酸素の製品を分離連続生産する深冷空気分離装置であって、主に圧力で０．５ＭＰａ（Ｇ）程度以下の「低圧」の製品ガスを生産し、製品液体を併産する運転モードを有する場合において、要求される製品液体量から寒冷バランス演算に基いて最適な原料空気圧力を自動的に算出する制御計算機と、該制御計算機で算出された最適な原料空気圧力を基に寒冷バランス制御設定値を自動的に調整して前記原料空気圧縮機からの運転圧力を自動修正制御する制御手段とを有することを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る実施の形態について図１および図２を用いて説明する。
【００１５】
本発明に係る最も簡単な実施の形態として、原料空気から酸素ガスと窒素ガスを分離する深冷空気分離装置の場合について説明する。図１には、深冷空気分離装置の構成例を示す。原料空気圧縮機１は、大気中の空気を吸入し、所定の圧力まで昇圧する。原料空気圧縮機１から吐出する圧縮空気は、一般に約９０〜１００℃の温度を有するため、該圧縮空気を吸着塔３での運転温度まで冷却するために冷却水（Ｃ．Ｗ．）が供給される冷却塔２が設けられる。更に、空気の分離は低温状態に保たれた保冷槽１１の内部で行われるが、操作温度が−１７０〜−１８０℃となり、常温からこの温度に至る間に凝縮、固化する水分やＣＯ２成分等を除去する目的で、複数段の吸着塔３が設けられている。２０は、原料空気圧縮機１から吐出する圧縮空気の流量を計測する流量計測器ＦＩであり、計測された圧縮空気の流量が制御計算機５０に入力される。２１は、原料空気圧縮機１から吐出する圧縮空気の圧力を計測する圧力計測器ＰＩであり、計測された圧縮空気の圧力が制御計算機５０に入力される。２２は制御計算機５０からの制御指令に基づいて制御される制御弁で、該制御弁２２を制御することによって圧縮空気の一部を放出器１０から放出（ＢＬＯＷ）することによって吸着塔３への圧縮空気の流量が制御される。２３は制御計算機５０からの制御指令に基づいて制御される制御弁で、該制御弁２２を制御することによって原料空気圧縮機１に供給（ＦＥＥＤ）される原料空気が制御される。９は、各段の吸着塔３へ入力させる圧縮空気を放出（ＢＬＯＷ）するための放出器である。これらの空気前処理段階では、図１のＰＳＡ．（Pressure Swing Adsorption）の実施例の他に、ＴＳＡ．（Thermal Swing Adsorption）方式等の様々な方式があり、図１に示す機器構成限りではない。
【００１６】
吸着塔３を出た空気は、製品のガスに製品分離される保冷槽１１へ供給される。該供給された空気は、空気熱交換器４にて液化点近傍まで冷却され、精留塔５へ供給される。精留塔５では、原料の深冷空気（蒸気）を上昇させ、上部の窒素凝縮器６から流下する液体と直接接触させて精留することにより、高純度（１〜０．１ｐｐｍＯ２程度）の製品窒素ガスおよび製品液体窒素を低温状態で塔頂部５ａから抽出する。窒素凝縮器６は、精留塔５の頂部５ａの低温窒素ガスを精留塔５の下降液にするための熱交換器であり、凝縮の冷熱源には、低温窒素ガス側よりさらに温度の低い圧力の液体空気が利用される。この液体空気は、精留塔５の下部の液体空気からライン１５を介して供給されるが、上記窒素凝縮器６の熱交換を成立させるために、その組成に応じて所定の圧力に膨張する。この窒素凝縮器６で蒸発した液体空気はライン１８から廃ガスとして空気熱交換器４を介し、常温に温度回復して保冷槽外部へ出るが、一部は膨張タービン７の方へ送られ、保冷槽１１内部の必要寒冷すべてを発生する。なお、８は、膨張タービンクーラである。
【００１７】
一方、精留塔５の頂部５ａからライン１６に抽出された製品窒素ガス（ＧＮ２）は、空気熱交換器４で常温まで温度回復した後、需要側へ送られる。このとき、窒素ガスが所定の圧力になるまで放出し、所定の圧力になった時点で放出が停止（ＢＬＯＷ  ＯＦＦ）されて製品として需要側へ送られる。さらに、精留塔５の頂部５ａからライン１７に抽出された液体窒素（ＬＮ２）は製品として保冷槽外で取り出され、需要側へ送られる。このとき、液体窒素（ＬＮ２）が所定の流量が得られるまで放散塔１２から放散され、所定の流量が得られた時点で製品として需要側へ送られる。また、ＰＩは圧力計測器、ＦＩは流量計測器、ＱＩは量計測器、ＴＩは温度計測器、ＳＩは速度計測器、ＬＩは液量計測器であり、それらの計測値は、制御計算機５０の表示装置５２に表示することも可能である。
【００１８】
以上が本発明に係る窒素発生装置のプロセスである。
【００１９】
このプロセスにおいて、一例として、運転点の構成例を次の表２および図２に示す。表２には、比較的「低圧」の製品窒素ガスの場合の液体窒素併産運転の一実施例を示す。
【００２０】
【表２】
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即ち、製品窒素ガス圧力が比較的低い場合（０．５ＭＰａ（Ｇ）程度以下）には、当然のことながら最低の動力設計とすべく、精留塔５の運転圧力（窒素凝縮器６の運転圧力）も製品圧力に沿って低下させ、原料空気圧縮機２の吐出圧力も低下させる。このように、精留塔５の運転圧力の低下に伴い、窒素凝縮器６の運転圧低下により低温側流体の温度（＝圧力）も規定の温度差を確保すべく下げなければならない。さらに、精留塔５の運転圧力は比較的低い方が精留効率が向上するため、比較的高圧に対してより少ない空気で精留が可能となり、原料空気量は減少方向となる。このように、精留塔５においてより少ない原料空気による精留は、精留塔５の下部における液体空気の組成が酸素濃度値が上がる方向にあり、これが精留塔５の上部の窒素凝縮器６の低温流体として所定の温度差を確保するために、より低い飽和圧力で運転しなければならないことを意味する。要するに、図２の精留条件による限界線で示すように、精留塔５の運転圧力は、精留塔５に送られる圧縮空気の流量が関係することになる。
【００２１】
従って、比較的低い（０．５ＭＰａ（Ｇ）程度以下）製品窒素圧力に対するプロセスとしては、精留塔５の運転圧が低下することによる窒素凝縮器６の低温流体側圧力の低下に加えて、低温流体である液体空気自体の酸素濃度増加による更なる窒素凝縮器６の低温流体側圧力の低下といったダブルで影響が出てきて、寒冷発生源である膨張タービン７の寒冷発生能力は激減することになる。言い換えると、製品圧力が比較的低いプラントにおいて、ガス採取運転の消費動力を最低になるべく設計した場合、液体製品の採取可能量は大幅に減少してしまうことになる。
【００２２】
以上説明したように、比較的低い製品窒素圧力に対するプロセスにおいて、運転点Ｌ１（例えば昼間）がガス採取運転（液体窒素を採取しない）で、運転点Ｌ２（例えば夜間）がガス・液同時生産運転（ガス・液併産運転）であるが、それぞれの運転点における動力最低となる点は運転点Ｌ１と運転点Ｌ２では異なることになり、その結果、同時に２つを満足するには、どちらかに無駄が生じることになる。即ち、原料空気圧縮機１の圧力という面では、運転点Ｌ１で最低の動力となるべく圧力を設計した場合には、運転点Ｌ２は膨張タービン７の寒冷発生量不足で要求された液体窒素を生産することは難しいことになる。
【００２３】
運転点Ｌ２の液体窒素を生産可能にするには、膨張タービン７における寒冷条件による限界線（運転点Ｌ２）で示すように、膨張タービン７の寒冷発生量を増やすため、プラント運転圧（原料空気圧縮機２の吐出圧力）を上昇させることが必須である。さらに、精留効率の圧力依存性の観点からは、精留塔５における精留条件による限界線で示すように、運転圧力の低い方がより少ない原料空気で製品が分離可能となり、この点からも運転点Ｌ１と運転点Ｌ２の動力最低となる運転点は乖離してくる。この様子を図２の概念図に示す。
【００２４】
そこで、制御計算機（ＤＣＳ(Distributed Control System：分配制御システム)制御計算機）５０は、オペレータや他のシステム等が入力手段（キーボード、記録手段又はネットワーク等の様々な形態が考えられる。）５１を用いて要求（入力）した製品窒素ガス要求量ＦＧと製品液体窒素要求量ＦＬの値を基に、「マスバランス演算」および「寒冷バランス演算」に基いて、最適な動力点となる原料空気圧縮機２から吐出する圧縮空気の圧力ＦＰおよび流量ＦＦを計算し、それぞれの結果を制御弁（制御手段）２３および制御弁（制御手段）２２にフィードバックして圧縮空気の圧力および流量を自動調整する。
【００２５】
次に、制御計算機５０での、比較的低い製品窒素圧力に対するプロセスにおける「マスバランス演算」および「寒冷バランス演算」並びにこれらの演算に基く圧縮空気の流量制御および吐出圧力制御に基づいて動力最適点への自動移行制御によるプラント整定制御について図３および図４を用いて説明する。
【００２６】
図３には、制御計算機５０における「マスバランス演算」および「寒冷バランス演算」に用いられる関数発生例を示す。これらの関数は、記憶装置５３に記憶されているものとする。
【００２７】
まず、「寒冷バランス演算」について説明する。寒冷量増加要求量（膨張タービン７の寒冷発生量増加量）は、入力された製品液体窒素要求量ＦＬに対して右肩上がりの増加曲線（製品液体窒素要求量ＦＬが増加するに従って増加する量が多くなる曲線）１００の関係（関数）を有することになる。そして、プラント運転圧は、上記寒冷量増加要求量に対して右肩下がりの増加曲線（寒冷量増加要求量が増加するに従って増加する量が少なくなる曲線）１０１の関係（関数）を有することになる。更に、原料空気圧縮機１の吐出圧力制御出力値は、上記プラント運転圧に対して直線１０２で示すようにほぼ比例の関係（関数）を有することになる。このように、制御計算機５０は、図４に示すように、入力手段５１を用いて入力された製品液体窒素要求量ＦＬに基に、上記関数１００、１０１および１０２に基づいて「寒冷バランス演算４２」が施されて原料空気圧縮機２の吐出圧力が算出されて制御設定値が自動調整される。
【００２８】
次に、「マスバランス演算」について説明する。まず、マスバランス空気要求量は、入力された製品窒素ガス要求量ＦＧおよび製品液体窒素要求量ＧＬに対して直線１０４で示すようにほぼ比例の関係（関数）を有することになる。そして、上記マスバランス空気要求量に対する軽減量であるマスバランス空気軽減量は、上記プラント運転圧に対して増加するに従って減少する量が多くなる曲線１０３の関係（関数）を有することになる。このように、制御計算機５０は、図４に示すように、入力手段５１を用いて入力された製品窒素ガス要求量ＦＧおよび製品液体窒素要求量ＧＬを基に、上記関数１０４および１０３に基づいて「マスバランス演算４１」が施されて原料空気圧縮機１から出力される流量が算出されて制御設定値が自動調整される。
【００２９】
従って、制御計算機５０は、流量計測器ＦＩ２０で計測される原料空気圧縮機１から出力される圧縮空気の流量が、上記「マスバランス演算４１」により算出されて制御設定値が自動調整された流量になるように制御弁（制御手段）２２を制御（マスバランス制御）することになる。さらに、制御計算機５０は、圧力計測器ＰＩ２１で計測される原料空気圧縮機１から吐出された圧縮空気の圧力が上記「寒冷バランス演算４２」により算出されて制御設定値が自動調整された圧力になるように原料空気が供給（ＦＥＥＤ）される制御弁（制御手段）２３を制御（寒冷バランス制御）することになる。その結果、製品ガス・液の設定値変更（運転要求点変更）に伴う、動力最適点への自動移行制御、即ちプラント整定制御が可能となり、経済的な運転を続行することが可能となる。
【００３０】
即ち、制御計算機５０は、要求される製品（窒素）ガス量と製品液体（窒素）量を基に、「寒冷バランス演算４２」から最低のプラント運転圧、「マスバランス演算４１」から動力最低の運転点を自動的に演算し、原料空気の量のみならず、原料空気の圧力の制御値も出力することにある。その結果、要求製品量(ガス＋液体)に対する最低動力の運転点に自動的に移行制御を行い、無駄な運転動力の発生を防止することができる。
【００３１】
【発明の効果】
本発明によれば、比較的低圧（０．５ＭＰａ（Ｇ）程度以下）の製品窒素ガス等の製品ガスを生産する際、要求される製品量（例えば製品ガス量と製品液体量との組み合わせ）に応じた最適で、且つ経済的な運転を続行することが可能となる効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る深冷空気分離装置の一実施の形態を示す構成図である。
【図２】本発明に係る窒素運転圧力（精留塔５の運転圧力）と必要空気量との関係における精留条件および寒冷条件による限界の関係から運転点Ｌ１と運転点Ｌ２とが乖離することの説明図である。
【図３】本発明に係る関数を含めて「マスバランス演算」および「寒冷バランス演算」の説明図である。
【図４】本発明に係る制御計算機による製品ガス・液の設定値変更（運転要求点変更）に伴う、動力最適点への自動移行制御を説明するための図である。
【符号の説明】
１…原料空気圧縮機、２…冷却塔、３…吸着塔、４…空気熱交換器、５…精留塔、６…主凝縮器（窒素凝縮器）、７…膨張タービン、８…膨張タービンクーラ、９…放出器、１０…放出器、１１…コールドボックス（保冷槽）、１２…放散塔、２０…流量計測器ＦＩ、２１…圧力計測器ＰＩ、２２…制御弁（制御手段）、２３…制御弁（制御手段）、４１…「マスバランス演算」、４２…「寒冷バランス演算」、５０…制御計算機（ＤＣＳ制御計算機）、５１…入力手段、５２…表示装置、５３…記憶装置。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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