(57)【要約】【課題】頻繁に起動を繰返したとしても、自動的に、起動時間短縮を可能にした深冷空気分離装置を提供することにある。【解決手段】起動過程において、保冷槽５に入る酸素量の総量と、保冷槽５から出る酸素量の総量を、制御計算機４０の内部で自動計算し、原料空気の供給量を自動増大制御、原料空気起動バイパス弁の自動閉止、製品酸素抽気量の自動減少制御に基いて保冷槽起動の最適な状態に持っていく。【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、吸着塔等にて前処理された空気を原料とし、深冷分離法にて原料の空気から窒素や酸素等を分離連続生産する保冷槽を有する深冷空気分離装置において、
前記原料空気圧縮機から供給される原料空気量または前記保冷槽から抽気される酸素量を制御する制御弁を含む制御回路と、
起動過程において、前記保冷槽の内部に酸素が蓄積される酸素蓄積状態を算出し、該算出された酸素蓄積状態を最適に保つように前記制御回路を制御する制御計算機とを備えたことを特徴とする深冷空気分離装置。
【請求項２】
原料空気圧縮機にて大気から圧縮され、吸着塔等にて前処理された空気を原料とし、深冷分離法にて原料の空気から窒素や酸素等を分離連続生産する保冷槽を有する深冷空気分離装置において、
前記吸着塔から前記保冷槽に供給される原料空気量を制御できるように前記吸着塔に入る原料空気または出る原料空気をバイパスさせるバイパス弁を含むバイパス回路と、
起動過程において、前記保冷槽の内部に酸素が蓄積される酸素蓄積状態を算出し、制御対象が許す限りにおいて、前記算出された酸素蓄積状態を最適に保つように前記バイパス回路のバイパス弁を閉じる方向に制御する制御計算機とを備えたことを特徴とする深冷空気分離装置。
【請求項３】
請求項１または２記載の深冷空気分離装置において、前記制御計算機は、起動過程において算出された保冷槽への酸素蓄積状態から起動完了までの予想時間を算出し、該算出された起動完了までの予想時間を表示することを特徴とする深冷空気分離装置。
【請求項４】
請求項１または２記載の深冷空気分離装置において、前記制御計算機は、起動過程において算出された保冷槽への酸素蓄積状態から判断して、起動が困難な状態で、しかも所望の時間内に是正できない場合には、起動中止要請のメッセージを出力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において、起動時の「液蓄積」、「純度整定」工程の起動時間短縮制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
吸着塔等で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連続生産するプラントにおいては、プラント停止から再起動を行う場合に、比較的深冷部分が運転温度近くまで冷えた場合からの起動である「寒冷起動」と、常温近くから起動する「常温起動」に大別される。
【０００３】
いずれの場合も、停止状態から、保冷槽内部に原料空気を新たに吹き込むことにより、「冷却」、「蓄液」、「純度整定」、「目標製品量へ整定」の起動工程となるが、これらのうち、「冷却」と「蓄液」工程は、保冷槽の全系を所定の運転温度まで冷却し、液化空気や液化酸素、液化窒素を所定量蓄積する工程であり、これらは主に発生寒冷量に支配される。そのため、「冷却」と「蓄液」工程の時間短縮には、より多くの寒冷を供給することが一番の早道であり、これら工程の間には通常は１台で運転する膨張タービンを複数台起動する等の方策が取られる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、液体／ガス酸素を主に生産する深冷分離酸素プラントでは、上記の「冷却」と「蓄液」工程に続く、「純度整定」、「目標製品量へ整定」工程には必ず所定の製品純度になるまでの待ち時間が存在し、これら工程は寒冷支配から、原料と抜き出し量のマスバランス支配となる。このため、前段の「冷却」と「蓄液」工程を急ぐあまり、相対的に液体窒素を多く精留塔に供給過多になる傾向にあり、従って、逆に「純度整定」、「目標製品量へ整定」工程で余計に時間を要する結果になることが多い。
【０００５】
昨今の深冷空気分離プラントでは、夜間停止し、昼間のみ営業運転する様な頻繁に起動を繰り返す事例が多く、このため、毎回の起動時間を如何に迅速に、且つ、自動的に行う要求が高まっている。
【０００６】
前記の如き、深冷空気分離プラントの再起動、特に、一時的なプラント停止後の「寒冷起動」では「冷却」と「蓄液」工程が比較的短くて済むため、「純度整定」、「目標製品量へ整定」工程をいかに短時間で完了させるかが、全体の起動時間短縮につながる。
【０００７】
従来の自動起動の制御では、「冷却」、「蓄液」工程はそのプラントの持てる寒冷発生能力を最大限に供給する制御を組んでいるが、それに続く、「純度整定」や「目標製品量へ整定」工程の制御は、「冷却」、「蓄液」工程の延長であり、最適な時間短縮制御とはなっていないのが現実である。
【０００８】
従って、「冷却」、「蓄液」工程を急ぐあまり、窒素リッチになってしまった精留塔の「純度整定」や「目標製品量へ整定」は時間が経過するのを待つことになる。
【０００９】
定常運転においては、最適な原料空気量を自動的に制御するマスバランス制御が行われるが、「純度整定」や「目標製品量へ整定」工程では、時間短縮を目的としたマスバランス制御は行われていない。
【００１０】
本発明の目的は、上記課題を解決すべく、頻繁に起動を繰返したとしても、自動的にマスバランス制御を行って、起動時間短縮を可能にした深冷空気分離装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を解決するために、本発明は、原料空気量または酸素放出量を制御する制御回路と、プラントの起動過程において、保冷槽内の精留塔への酸素蓄積状態を自動計算し、該計算された酸素蓄積状態を最適に保つように前記制御回路による最適な原料空気量または最適な酸素放出量を自動で制御する機能を有する制御計算機とを備えた深冷空気分離装置である。
【００１２】
また、上記制御計算機において、制御指令結果から、目標とする純度整定までの到達時間も予測・表示可能な機能を持たせる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明に係る深冷空気分離装置の起動制御方法の実施の形態について図面を用いて説明する。
【００１４】
深冷空気分離プラントでは、例えば、夜間停止し、昼間のみ営業運転する様な頻繁に起動を繰り返すことが要求されるようになってきている。
【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について図１を用いて説明する。大気中の空気を吸入し、所定の圧力まで、原料空気圧縮機１で昇圧する。空気の分離は低温状態に保たれた保冷槽５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、吸着塔６が設けられている。
【００１６】
一般に、原料空気圧縮機１で圧縮された空気は、約９０〜１００℃の温度で最終段吐出から出てくるが、吸着塔６での運転温度まで冷却するために、チラー水２２と冷却水２１と直接接触し熱交換を行う水洗冷却塔２で冷却され、原料空気は約１５℃以下に降下する。
【００１７】
水洗冷却塔２には、寒冷源として、クリーニングタワー等で冷却された「冷却水」２１と、蒸発冷却塔４で更に温度降下した「チラー水」２２が供給される。通常、水洗冷却塔２の頂部へ「チラー水」２２が、中間部へ「冷却水」２１が供給される。蒸発冷却塔４では、頂部へは冷却水２１が供給され、底部から乾燥した窒素ガスや廃窒素ガスを蒸発冷却塔用ガスライン２３を介して供給することにより、底部へ流下した冷却水の温度は低下し、「チラー水」２２として、上記水洗冷却塔２の頂部へ供給される。但し、プラントの起動過程においては、保冷槽５からの戻りガス（窒素ガスや廃窒素ガス）が蒸発冷却塔用ガスライン２３を介して十分に確保されないため、蒸発冷却塔起動用のガスとして、水洗冷却塔２の出口の原料空気をバイパス弁３を介してバイパスさせて一時的に使用する。これを「蒸発冷却塔起動バイパス」２４と称している。
【００１８】
そして、吸着塔６にて、原料空気中の水分やＣＯ２等の後段の深冷分離プロセスにとって障害となる成分を吸着除去する。一般に、吸着塔６は複数塔の切替式になっており、一定周期毎に吸着と再生のサイクルを繰り返して運転される。吸着塔６の再生には、乾燥した、保冷槽５からの戻り窒素ガスや廃窒素ガスを窒素・廃窒素ガスライン２８を介して再生ガスヒータ１３等の外部熱源にて加熱したものが導入される。但し、プラントの起動過程においては、保冷槽５からの戻りガス（窒素ガスや廃窒素ガス）が窒素・廃窒素ガスライン２８を介して十分に確保されないため、吸着塔６の再生ガス２５として、吸着塔６の出口の原料空気をバイパス弁７を介して窒素・廃窒素ガスライン２８にバイパスさせ、該ガスライン２８から再生ガスライン２５に供給して一時的に使用する。これを「吸着塔起動バイパス」２６として称している。なお、蒸発冷却塔４への原料空気の供給と、再生ガスライン２５への原料空気の供給は、蒸発冷却塔用ガスライン２３に設けた弁３１によって、それぞれのラインの圧力が適正になるように調整される。
【００１９】
吸着塔６を出た原料空気は、保冷槽（コールドボックス）５の空気熱交換器９を経て、精留塔１０へ送られるが、一部は寒冷発生用の膨張タービン８への空気として抽気される。空気熱交換器９では、原料空気が製品酸素ガスライン２７や窒素・廃窒素ガスライン２８における低温部からの戻り酸素ガスや窒素ガスまたは廃窒素ガス等と熱交換し、液化温度近くまで冷却される。
【００２０】
精留塔１０は、採取する製品の種類（酸素、窒素、アルゴン、希ガス）、圧力、純度や性状（液体状態かガス状態か）でその構成が異なるが、図１は最も簡単な酸素ガスと窒素ガスを採取する図としている。本発明では、保冷槽５の内部を規定するものでないので、説明を省略する。
【００２１】
図１に示す実施の形態では、プラントの起動過程においては、保冷槽５を運転温度の低温状態（−１８０℃程度）まで冷却する「冷却」工程に加えて、精留塔１０に具備される凝縮器１１部分に大量の液化酸素（または液化空気）を所定の液として確保する「蓄液」工程が必要である。
【００２２】
「冷却」工程の速さは、「冷却」工程における寒冷発生の能力（例えば、膨張タービン８の寒冷発生能力、外部からの液体窒素供給能力）と、許容できる各部の温度降下速度の兼ね合いで決まる。一方、「冷却」後の「蓄積」や「純度設定」工程の速さは、保冷槽５に対する、供給量と放出量のマスバランスで決まり、より多くの原料空気を保冷槽５へ供給することが重要となってくる。
【００２３】
ところが、主凝縮器１１の「蓄積」工程では、保冷槽５からの戻りガス（窒素ガスや廃窒素ガス）の量が十分に確保されないため、上記吸着塔６や蒸発冷却塔４のための乾燥ガスが不足となり、そのため、吸着塔起動バイパス弁７や蒸発冷却塔起動バイパス弁３を開けて、原料空気の一部を吸着塔再生用の再生ガスライン２５や、蒸発冷却塔用ガスライン２３に供給して消費することになり、この状況下におけるマスバランスは、次に示す（１）式〜（３）式の如き関係がある。
【００２４】
ＣｉｎＭｏ２＝Ｙｆｏ・（Ｆｍｃ−Ｆｅｖｂ−Ｆａｄｂ）　　　　　　　　　　　　（１）
Ｆｗｇ＝（Ｆｍｃ−Ｆｅｖｂ−Ｆａｄｂ）−　Ｆｅｏ２　　　　　　　　　　　　（２）
ＣｏｕｔＭｏ２＝Ｙｅｏ・（Ｆｅｏ２）＋　Ｙｅｗｇ・（Ｆｗｇ）　　　　　　　　　　（３）
Ｆｍｃは、計測されて制御計算機４０に入力される原料空気圧縮機１での、原料空気圧縮量（Ｎｍ３／ｈ）である。すなわち、Ｆｍｃは、原料空気圧縮機１から供給される圧縮された原料空気量（Ｎｍ３／ｈ）でもある。このように圧縮された原料空気量（Ｆｍｃ）は、制御計算機４０からの制御指令に基づいて容量制御弁３２を自動制御することによって調整することが可能である。
Ｆｅｖｂは、計測されて制御計算機４０に入力される蒸発冷却塔起動バイパス２４の空気量（Ｎｍ３／ｈ）である。
Ｆａｄｂは、計測されて制御計算機４０に入力される吸着塔起動バイパス２６の空気量（Ｎｍ３／ｈ）である。
Ｙｆｏは、計測されて制御計算機４０に入力される原料空気中の酸素組成（％Ｏ２）（通常約２１％）である。
ＣｉｎＭｏ２は、保冷槽５へ供給される酸素量（Ｎｍ３／ｈ）である。
Ｆｅｏ２は、計測されて制御計算機４０に入力される保冷槽５から抽気される製品酸素ライン２７からの放出量（Ｎｍ３／ｈ）である。この製品酸素の放出量（Ｆｅｏ２）は、制御計算機４０からの制御指令に基づいて製品放出弁２９を自動制御することによって調整することが可能である。
Ｙｅｏは、計測されて制御計算機４０に入力される同上ガス中の酸素組成（％Ｏ２）（通常、低純度の場合約８０％で、高純度の場合約９９．８％である。）　（起動時初期値から定格組成まで変化）
Ｆｗｇは、計測されて制御計算機４０に入力される保冷槽５から排出される窒素ガス（廃窒素）量（Ｎｍ３／ｈ）である。この窒素ガス（廃窒素）の放出量（Ｆｗｇ）は、制御計算機４０からの制御指令に基づいて窒素放出弁３０を自動制御することによって調整することが可能である。
Ｙｅｗｇは、計測されて制御計算機４０に入力される同上ガス中の酸素組成（％Ｏ２）である。（通常、１０％〜２０％程度である。）　（起動時初期値から定格組成まで変化）
ＣｏｕｔＭｏ２は、保冷槽５から排出される酸素量（Ｎｍ３／ｈ）である。
Ｃｇａｉｎは、保冷槽５の内部に蓄積される酸素量（Ｎｍ３／ｈ）である。
【００２５】
なお、Ｆｍｃ、Ｆｅｖｂ、Ｆａｄｂ、Ｆｅｏ２及びＦｗｇは、各バルブ回路から得られるデータを基に制御計算機４０が算出してもよい。
【００２６】
従って、このときの保冷槽５の内部に蓄積される酸素の総量は次に示す（４）式となる。
【００２７】
Ｃｇａｉｎ＝ＣｉｎＭｏ２　−　ＣｏｕｔＭｏ２　　　　　　　　　　　　　　　　（４）
「蓄積」工程の時間を短縮するには、如何に短時間に、保冷槽５の内部に酸素成分を取り込むかという方策、すなわちＣｇａｉｎを如何に大きくとるかに帰結する。しかしながら、プラントが「冷却」から「蓄液」への起動段階においては、上記の如く、吸着塔起動バイパス空気量（Ｆａｄｂ）および蒸発冷却塔起動バイパス空気量（Ｆｅｖｂ）として保冷槽５へ入る原料空気量が最も減少する段階であり、ＣｉｎＭｏ２の値が低くなる。一方、「蓄液」に連なる「純度整定」の工程では、所定の酸素純度に持っていくため、予め製品酸素ガスライン２７から一定量抽気し、なるべく定格に近い送出を確保しようとする傾向がある。このため、場合によっては、Ｃｇａｉｎの値が負となり（蓄積酸素量が逆転し）、起動時間を短縮するどころか、逆に主凝縮器１１の液体酸素量と濃度が悪化方向に陥り、起動が不可能な状態に至ることもある。
【００２８】
このような問題を回避し、起動時間を少しでも自動的に短縮する目的で、ＤＣＳ（分配制御システム：Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｓｙｓｔｅｍ）等の制御計算機４０は、上記（１）式に基く保冷槽５への供給空気の流量（供給酸素量（ＣｉｎＭｏ２））の自動計測、および、その時の保冷槽５からの放出製品酸素の量（Ｆｅｏ２）と純度（Ｙｅｏ）を計測し、自動的に、上記（２）式に基いて廃ガス量（Ｙｅｗｇ・（Ｆｗｇ））を計算すると同時に、上記（３）式に基いて保冷槽５から持ち去られる酸素量（ＣｏｕｔＭｏ２）を内部計算し、上記（４）式に基いて保冷槽５の内部への酸素蓄積量（Ｃｇａｉｎ）を計算させる。制御計算機４０は、この求められた酸素蓄積量（Ｃｇａｉｎ）により、以下の制御動作を自動で行う。
（１）制御計算機４０は、逐一計算された保冷槽５への酸素蓄積量（Ｃｇａｉｎ）が所定の値以上の場合には、計測される現状の主凝縮器１１の液面値と計測される製品酸素の純度（Ｙｅｏ）から、「蓄液」「純度整定」の完了予測時間を計算し、表示装置４１の画面上に表示する。もし、完了予測時間が悪い場合には、制御計算機４０は、上記（１）式に基いて、原料空気圧縮機１から供給される原料空気圧縮量（Ｆｍｃ）を増やすように容量制御弁３２を含む制御回路を制御するか、または上記（３）式に基く保冷槽５から排出される酸素量（ＣｏｕｔＭｏ２）の主たる要素となる保冷槽５から抽気される製品酸素の放出量（Ｆｅｏ２）を減ずるように製品放出弁２９を含む制御回路を制御する。また、吸着塔再生ガス圧力が許す限りで、下流側の条件を満足していれば（保冷槽５から排出される窒素ガス（廃窒素）量が必要な流量確保できれば）、上記（１）式に基いて「起動バイパス回路」２６または２４において起動バイパス弁７または３を閉止方向へ制御して吸着塔起動バイパスの空気量（Ｆａｄｂ）または蒸発冷却塔起動バイパスの空気量（Ｆｅｖｂ）を減少させることも可能である。
（２）制御計算機４０は、逐一計算された保冷槽５への酸素蓄積量（Ｃｇａｉｎ）が所定の値以下の場合には、酸素蓄積量（Ｃｇａｉｎ）が所定の値に回復するまで、上記（１）式に基いて、原料空気圧縮機１から供給される原料空気圧縮量（Ｆｍｃ）を増やすように容量制御弁３２を含む制御回路を制御するか、または上記（３）式に基く保冷槽５から排出される酸素量（ＣｏｕｔＭｏ２）の主たる要素となる保冷槽５から抽気される製品酸素の放出量（Ｆｅｏ２）を減ずるように製品放出弁２９を含む制御回路を制御する。
【００２９】
また、吸着塔再生ガス圧力が許す限りで、下流側の条件を満足していれば（保冷槽５から排出される窒素ガス（廃窒素）量が必要な流量確保できれば）、「吸着塔起動バイパス回路」２６において起動バイパス弁７を閉止方向へ制御し、「蒸発冷却塔起動バイパス回路」２４において同様に、起動バイパス弁３を閉止方向へ制御して吸着塔起動バイパスの空気量（Ｆａｄｂ）または蒸発冷却塔起動バイパスの空気量（Ｆｅｖｂ）を減少させることも可能である。
【００３０】
なお、上記制御回路およびバイパス回路は、流量制御回路によって構成される。
（３）制御計算機４０は、逐一計算された保冷槽５への酸素蓄積量（Ｃｇａｉｎ）の値から判断して、起動が困難な状況（酸素蓄積量（Ｃｇａｉｎ）が０以下（負）で）の場合には警報発令と同時に、上記（２）の制御動作を実行し、一定時間経過しても、酸素蓄積量（Ｃｇａｉｎ）が０以上に回復しない場合（一定時間内に是正できない場合）には、プラント停止を促すメッセージ（起動中止要請のメッセージ）を制御計算機上において表示装置４１等の出力手段を用いて出力する。
【００３１】
以上説明したように、本発明の実施の形態によれば、起動過程における、保冷槽への酸素蓄積状況を逐次、自動的にモニタ、計算し、起動の状況が適切であるかを判断すると共に、プラント各部の状況が許す限り、酸素が蓄積しやすい状況を自動的に制御していく機能を持たせることにより、（１）プラント蓄液不能状態の即時検知・自動是正、（２）「蓄液」「純度整定」工程の所要時間の自動短縮制御、（３）良好な場合でも、計算した酸素蓄積状態から、完了時間の表示が可能となる。
【００３２】
【発明の効果】
本発明によれば、頻繁に起動を繰返したとしても、自動的にマスバランス制御を行って、起動時間短縮を可能にした深冷空気分離装置を実現することができる効果を奏する。
【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。
【符号の説明】
１…原料空気圧縮機、２…水洗冷却塔、３…蒸発冷却塔起動バイパス弁、４…蒸発冷却塔、５…コールドボックス（保冷槽）、６…吸着塔、７…吸着塔起動バイパス弁、８…膨張タービン、９…空気熱交換器、１０…精留塔、１１…主凝縮器、１２…過冷却器、１３…再生ガスヒータ、１４…タービンライン、１５…保冷槽入口ライン、２１…冷却水、２２…チラー水、２３…蒸発冷却塔用ガスライン、２４…蒸発冷却塔起動バイパス回路、２５…再生ガスライン、２６…吸着塔起動バイパス回路、２７…製品酸素ガスライン、２８…窒素・廃窒素ガスライン、２９…製品放出弁、３０…窒素放出弁、３１…弁、３２…容量制御弁、４０…制御計算機、４１…表示装置。
【図１】
2004019987.tif 000003