(57)【要約】【課題】製品窒素ガスの需要変動があっても製品窒素ガスの圧力を安定化させることができ、原料空気圧縮機の消費動力も低減することができる空気分離装置及び原料空気圧縮機の制御方法を提供する。【解決手段】原料空気圧縮機１１、前処理設備１２、主熱交換器１３、単精留塔１４、製品窒素ガス導出経路１７等を備えた空気分離装置において、製品窒素ガス導出経路１７に圧力検出器（圧力指示調節計２１）を設けるとともに、原料空気圧縮機１１に、圧力指示調節計２１で検出した圧力値に基づいて吐出流量を制御する流量制御器（ガイドベーン２３）を設け、製品窒素ガス導出経路１７から導出する製品窒素ガスの流量変化に伴う製品窒素ガス導出経路１７の圧力変化を検出し、検出した圧力値に基づいて、製品窒素ガスの圧力を一定に保つように前記原料空気圧縮機１１の吐出流量を制御する。【選択図】　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料空気を圧縮する原料空気圧縮機と、圧縮した原料空気中の不純物を除去する前処理設備と、不純物を除去した原料空気を冷却する主熱交換器と、冷却した原料空気を精留して製品窒素ガスを分離する精留塔と、分離した製品窒素ガスを前記主熱交換器で原料空気と熱交換させて昇温後に導出する製品窒素ガス導出経路とを備えた空気分離装置において、前記製品窒素ガス導出経路に圧力検出器を設けるとともに、前記原料空気圧縮機に、前記圧力検出器で検出した圧力値に基づいて該原料空気圧縮機の吐出流量を制御する流量制御器を設けたことを特徴とする空気分離装置。
【請求項２】
前記製品窒素ガス導出経路における前記圧力検出器の後段に、製品窒素ガス圧縮機を設けたことを特徴とする請求項１記載の空気分離装置。
【請求項３】
前記精留塔が単精留であることを特徴とする請求項１記載の空気分離装置。
【請求項４】
請求項１記載の空気分離装置における前記原料空気圧縮機の制御方法であって、前記製品窒素ガス導出経路から導出する製品窒素ガスの流量変化に伴う製品窒素ガス導出経路の圧力変化を検出し、検出した圧力値に基づいて、前記製品窒素ガスの圧力を一定に保つように前記原料空気圧縮機の吐出流量を制御することを特徴とする原料空気圧縮機の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、空気分離装置及び原料空気圧縮機の制御方法に関し、詳しくは、精留塔を使用して原料空気の精留分離を行い、製品窒素ガスを製造する空気分離装置の構成に関するものであり、特に、製品窒素ガス減量時の製品窒素ガスの供給圧力を一定に保つための原料空気圧縮機の制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
単精留塔を使用して製品窒素ガスを分離製造する空気分離装置において、従来から、製品窒素ガスの需要変動に対応させて装置への原料空気供給量を増減させることにより、精留塔を安定した状態で運転している。例えば、製品窒素ガスの需要変動によって生じる原料空気吐出管内の圧力変化により作動して圧縮機の吸入量を制御する吸入量制御手段を設けている（例えば、特許文献１参照。）。すなわち、原料空気吐出管内の圧力を検出してガイドベーンを制御する圧力指示調節計を設け、製品窒素ガスの需要量が減少したときには、製品窒素ガス系の圧力上昇に伴う原料空気供給系の圧力上昇を圧力指示調節計が検出してガイドベーンを絞り、原料空気供給量を製品需要に見合うように減らし、原料空気圧縮機吐出管内の圧力を保持している。
【０００３】
【特許文献１】
特許第３２１３８４８号公報（第３頁、第１図）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、減量運転時には、上述のようにして原料空気供給量を減少させると、原料空気圧縮機から製品窒素ガス導出経路に至る機器や配管におけるガス流量の減少によって圧力損失が低下するため、製品窒素ガス導出経路を流れる製品窒素ガスの圧力が上昇し、窒素ガス使用側では、この製品窒素ガスの圧力変動が外乱の一つとなる。さらに、製品窒素ガスの圧力が高いということは、製品として過剰の圧力だというだけでなく、原料空気圧縮機は、この過剰圧力分に相当する無駄な動力を消費していることになる。
【０００５】
そこで本発明は、製品窒素ガスの減量運転に応じて原料空気供給量を減少させた場合でも、製品窒素ガスに圧力変動を発生させることなく、しかも、原料空気圧縮機の消費動力も低減することができる空気分離装置及び原料空気圧縮機の制御方法を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の空気分離装置は、原料空気を圧縮する原料空気圧縮機と、圧縮した原料空気中の不純物を除去する前処理設備と、不純物を除去した原料空気を冷却する主熱交換器と、冷却した原料空気を精留して製品窒素ガスを分離する精留塔と、分離した製品窒素ガスを前記主熱交換器で原料空気と熱交換させて昇温後に導出する製品窒素ガス導出経路とを備えた空気分離装置において、前記製品窒素ガス導出経路に圧力検出器を設けるとともに、前記原料空気圧縮機に、前記圧力検出器で検出した圧力値に基づいて該原料空気圧縮機の吐出流量を制御する流量制御器を設けたことを特徴とし、このような構成における原料空気圧縮機の制御方法は、前記製品窒素ガス導出経路から導出する製品窒素ガスの流量変化に伴う製品窒素ガス導出経路の圧力変化を検出し、検出した圧力値に基づいて、前記製品窒素ガスの圧力を一定に保つように前記原料空気圧縮機の吐出流量を制御することを特徴としている。
【０００７】
さらに、前記製品窒素ガス導出経路における前記圧力検出器の後段に製品窒素ガス圧縮機を設けたこと、前記精留塔が単精留であることを特徴としている。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の一形態例を示す空気分離装置の系統図である。この空気分離装置は、原料空気を圧縮する原料空気圧縮機１１と、原料空気中の水分や炭酸ガスを除去する前処理設備１２と、原料空気を冷却する主熱交換器１３と、原料空気を精留分離する単精留塔１４と、精留塔還流液を生成する凝縮器１５と、装置の運転に必要な寒冷を発生する膨張タービン１６と、単精留塔１４で分離して主熱交換器１３で昇温した製品窒素ガスを導出する製品窒素ガス導出経路１７とを備えるとともに、この製品窒素ガス導出経路１７から使用先に供給する製品窒素ガスの圧力及び流量を制御するための機器として、圧力指示調節計２１及び流量指示調節計２２と、前記圧力指示調節計２１によって制御される原料空気圧縮機１１のガイドベーン２３及び前記流量指示調節計２２によって制御される流量調節弁２４とが設けられている。また、単精留塔１４の底部と凝縮器１５とを接続する液化空気経路１８には、酸素富化液化空気の流量を制御するための流量指示調節計２５及び流量調節弁２６が設けられている。
【０００９】
フィルター１１ａから吸入された原料空気は、原料空気圧縮機１１で所定の圧力に圧縮され、アフタークーラー１１ｂで圧縮熱を除去された後、前処理設備１２で水分や炭酸ガスが除去されてからコールドボックス１９内に導入される。コールドボックス１９内に導入された原料空気は、主熱交換器１３で製品窒素ガスや排ガスと熱交換を行い、露点付近まで冷却されて単精留塔１４の下部に導入される。
【００１０】
単精留塔１４に導入された原料空気は、精留操作によって塔上部の窒素ガスと塔底部の酸素富化液化空気とに分離する。酸素富化液化空気は、塔底部から前記液化空気経路１８に抜き出されて凝縮器１５に導入され、塔上部から経路３１に抜き出されて凝縮器１５に導入される窒素ガスと熱交換を行い、全量が気化して廃ガスとなる。この廃ガスは、経路３２から主熱交換器１３に導入されて中間温度まで昇温し、経路３３に抜き出されて膨張タービン１６に導入され、断熱膨張により寒冷を発生させる。膨張後の廃ガスは、経路３４から再び主熱交換器１３に導入され、常温に昇温して経路３５から排出される。
【００１１】
凝縮器１５に導入された窒素ガスは、全量が液化して液化窒素となり、経路３６から単精留塔１４の上部に導入されて還流液となる。そして、前記経路３１に抜き出された窒素ガスの一部が経路３７に分岐し、主熱交換器１３に導入されて常温に昇温し、製品窒素ガス導出経路１７を通って使用先に供給される。
【００１２】
そして、使用先の窒素ガス消費量が定常運転時に比べて減少すると、これに伴って製品窒素ガス導出経路１７の圧力が上昇するので、この圧力上昇を前記圧力指示調節計２１が検出し、検出した圧力値に応じて前記ガイドベーン２３を制御し、原料空気圧縮機１１の吸入空気量を調節する。このとき、従来は、原料空気圧縮機１１の吐出圧力が一定となるように制御していたが、本発明では、製品窒素ガス導出経路１７に導出されて使用先に供給される製品窒素ガスの圧力が一定となるような制御を行う。
【００１３】
図２は、原料空気圧縮機１１の性能曲線の一例を示すものであって、線Ｒはこの圧縮機のサージラインを示している。まず、点Ａは、定格運転時におけるガイドベーンの開度（ｐ１）に対する圧縮機吐出圧力（Ｐ１）と流量（Ｆ１）とを示している。この状態から窒素ガス消費量が減少した減量運転を行う場合、ガイドベーンの開度を開度（ｐ２）に絞り、原料空気供給量を減量運転に対応した流量（Ｆ２）にする。このとき、従来の制御法では、原料空気圧縮機吐出圧力を一定としているので、圧力（Ｐ１）を維持しつつ流量（Ｆ２）の状態の点Ｂとなる。本発明法では、流量減少に伴う圧力損失の低下により、流量がに減少するとともに圧力も低下し、圧力（Ｐ２）、流量（Ｆ２）の状態の点Ｃとなる。
【００１４】
例えば、定常運転時における原料空気供給量が５０００Ｎｍ３／ｈ、原料空気圧縮機１１の吐出圧力が０．６３ＭＰａ、原料空気圧縮機１１から製品窒素ガス導出経路１７に至る間の圧力損失が０．０５ＭＰａで、製品窒素ガスの供給圧力が０．５８ＭＰａの装置において、製品窒素ガスの需要が１０％減少した減量運転を行う場合、従来法では、原料空気圧縮機吐出圧力を一定に保ち、原料空気供給量を４５００Ｎｍ３／ｈに減量するのに対し、本発明法では、製品窒素ガス導出経路１７内の圧力を一定に保ち、原料空気供給量を４５００Ｎｍ３／ｈに減量する。
【００１５】
このとき、原料空気供給量の減少に伴って原料空気圧縮機１１から製品窒素ガス導出経路１７に至る間の圧力損失が０．０３ＭＰａに低下したとすると、従来法では、原料空気圧縮機１１の吐出圧力が一定に保持されて０．６３ＭＰａとなっているから、製品窒素ガスの供給圧力は０．６０ＭＰａとなり、定常運転時に比べて０．０２ＭＰａ上昇する。一方、本発明法では、製品窒素ガス導出経路１７内の圧力を定常運転時と同じ０．５８ＭＰａに保持するので、原料空気圧縮機１１の吐出圧力は０．６１ＭＰａとなる。
【００１６】
したがって、従来に比べて原料空気圧縮機１１の吐出圧力を０．０２ＭＰａ低下させることができるので、この分、原料空気圧縮機１１の消費動力を低減することができる。例えば、毎日２１時から翌９時までの時間帯、土曜日及び日曜日には上述の減量運転を行う場合を想定して計算すると、この空気分離装置における１週間の定常運転時間は１２時間×５日間で６０時間となり、減量運転時間は１２時間×５日間＋２４時間×２日間で合計１０８時間となる。
【００１７】
原料空気圧縮機１１における消費動力を、５０００Ｎｍ３／ｈ、０．６３ＭＰａのときに５２５ｋＷ、４５００Ｎｍ３／ｈ、０．６３ＭＰａのときに４７５ｋＷ、４５００Ｎｍ３／ｈ、０．６１ＭＰａのときに４６５ｋＷとすると、１週間の電力量は、従来法では、５２５ｋＷ×６０ｈ＋４７５ｋＷ×１０８ｈから合計８２８００ｋＷｈとなり、本発明法では、５２５ｋＷ×６０ｈ＋４６５ｋＷ×１０８ｈから合計８１７２０ｋＷｈとなる。すなわち、この例では、毎週１０８０ｋＷｈの電力を削減することが可能となり、従来法に比べて約１．３％の動力費節減を図れる。
【００１８】
このように、原料空気圧縮機１１から製品窒素ガス導出経路１７に至る間の圧力損失を考慮し、使用先への製品窒素ガスの供給圧力を一定に保つように原料空気圧縮機１１のガイドベーン２３を制御することにより、窒素ガス使用側における外乱要因である製品窒素ガスの圧力変動を解消できるとともに、原料空気圧縮機１１の吐出圧力を低下させて消費動力の低減も図れる。
【００１９】
なお、本形態例では、原料空気圧縮機１１の吐出流量を制御する流量制御器としてガイドベーンを例示したが、吸入弁であってもよく、圧縮機駆動用電動機の回転数を制御して流量を調節する方式、その他の各種流量制御手段を採用することができる。また、圧力検出器として圧力指示調節計を例示したが、圧力検出と吐出流量制御とは任意の機器を使用して行うことが可能である。また、単精留塔を使用して精留分離を行う例を挙げたが、複精留塔等でも同様の制御を行うことが可能である。さらに、製品窒素ガス導出経路１７に製品窒素ガス圧縮機４１を設け、必要に応じて製品窒素ガスを圧送することもできる。このとき、製品窒素ガス導出経路１７の圧力が一定に保たれているため、製品窒素ガス圧縮機４１への外乱を少なくすることができ、製品窒素ガスを所定圧力で安定して供給することができる。
【００２０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、減量運転を行った場合でも、製品窒素ガスの供給圧力を安定化させることができるとともに、原料空気圧縮機の消費動力の低減も図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一形態例を示す空気分離装置の系統図である。
【図２】圧縮機の性能曲線の一例を示す図である。
【符号の説明】
１１…原料空気圧縮機、１２…前処理設備、１３…主熱交換器、１４…単精留塔、１５…凝縮器、１６…膨張タービン、１７…製品窒素ガス導出経路、１８…液化空気経路、２１…圧力指示調節計、２２…流量指示調節計、２３…ガイドベーン、２４…流量調節弁
【図１】
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【図２】
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