(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
気体を加熱もしくは冷却する熱交換設備と、前記熱交換設備の後流に配置された等エンタルピ変化プロセスを備えたパイプラインにおける気体温度制御装置において、
前記プロセス通過後における気体の目標圧力値と第１の目標温度値を設定入力する手段と、
前記目標圧力値と第１の目標温度値から、前記プロセス通過後の気体が保有する目標エンタルピを算出するエンタルピ算出手段と、
前記目標エンタルピと、前記プロセス通過前で前記熱交換設備通過後の位置の気体圧力実績値から、前記プロセス通過前における気体の第２の目標温度値を算出する温度計算手段と、
前記プロセス通過後の気体温度実績値と前記第１の目標温度値から、前記第２の目標温度値を補正して前記プロセス通過前における第３の目標温度値を算出する温度算出手段と、
前記プロセス通過前における気体温度が前記第３の目標温度値となるように、前記熱交換設備を制御する手段と
を備えたことを特徴とする気体温度制御装置。
【請求項２】
気体を加熱もしくは冷却する熱交換設備と、前記熱交換設備の後流に配置された等エンタルピ変化プロセスを備えたパイプラインにおける気体温度制御装置において、
前記プロセス通過後における気体の目標圧力値と目標温度値を設定入力する手段と、
前記目標圧力値と目標温度値から前記プロセス通過後の気体が保有する目標エンタルピを算出する第１のエンタルピ算出手段と、
前記熱交換設備通過前の気体圧力実績値と気体温度実績値から、前記気体が保有する初期エンタルピを算出する第２のエンタルピ算出手段と、
前記目標エンタルピ、前記初期エンタルピおよび前記プロセスを通過する気体の質量流量から前記熱交換設備において熱交換すべき熱量を算出してその熱量が気体に与えられるように前記熱交換設備の第１の制御目標値を算出する手段と、
前記プロセス通過後の気体温度実績値と前記目標温度値から、前記熱交換設備の第１の制御目標値を補正して前記熱交換設備の第２の制御目標値を算出する手段と、
前記第２の制御目標値に基づいて前記熱交換設備を制御する手段と
を備えたことを特徴とする気体温度制御装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の気体温度制御装置において、
等エンタルピ変化プロセスは、気体圧力を減圧するプロセスであることを特徴とする気体温度制御装置。
【請求項４】
請求項１または２に記載の気体温度制御装置において、
前記熱交換設備を制御する手段は、その設備に用いる熱交換用媒体の流量を制御するものであることを特徴とする気体温度制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンタルピ変化の無いプロセスにおける気体温度を制御する気体温度制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
気体燃料を用いて燃焼させ、そのエネルギーを利用して設備を運転するプラントにおいては、燃料流量、燃料圧力、燃料温度を所定の値に保持することが、安定な燃焼状態を得るために必要な条件である。このため、燃料ラインには、通常、これらの値を制御するための設備が備わっている。このうち、燃料圧力を所定の値に制御するための減圧設備は減圧弁の開度を制御することによって気体の通過流量を制限し、下流の圧力を下げて一定値に保つ働きを行うものである。
【０００３】
一般に気体は減圧プロセスを通過する際には、断熱膨張を起こすため、減圧弁通過後においては気体の温度は低下することになる。特に減圧後の圧力変化が大きい場合にはこの温度低下も大きいものであるため、このような温度低下が問題となるようなプラントにおいては、減圧弁を通過する前に気体を予め加熱しておき、減圧後の気体温度を補償して、減圧後において所定の温度となるように制御している。
【０００４】
図１１は、従来の温度制御方法を説明するための構成図である。
【０００５】
この制御方法を図を参照して説明する。
【０００６】
燃料ラインを流れる気体燃料５１は熱交換器５８を経由して減圧弁５２で減圧された後、温度計５３でその温度が測定される。温度測定値５４は温度制御装置５５に入力され、温度設定値５６と比較される。温度測定値５４が温度設定値５６よりも高い場合は、温度制御装置５５は流量制御弁５７の開度を絞り、熱交換器５８を流れる加熱流体５９の流量を少なくして交換される熱量を減少させ、気体燃料５１の温度を下げる。これと反対に、温度測定値５４が温度設定値５６よりも低い場合は、温度制御装置５５は流量制御弁５７の開度を開き、熱交換器５８を流れる加熱流体５９の流量を増して交換される熱量を増加し、気体燃料５１の温度を上昇させる。
【０００７】
このように温度計による測定値をフィードバックして、熱交換器の加熱流量を温度制御装置５５でＰＩＤ制御することで、気体燃料の制御が行われていた。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、プラントを建設するに際しては、使用できるスペースの制約があるため、気体加熱用熱交換器の設置場所と減圧弁の設置場所が大きく離れてしまうことがある。この場合には、従来の方法では精度良く温度を制御することが困難となっていた。この制御が不安定となる原因は、熱交換器で加熱された気体が減圧弁の下流にある温度計の位置に到達するまでの遅れ時間が増加し、変化するためである。
【０００９】
即ち、気体燃料の流量が多い場合は流速が速い結果、前記遅れ時間が比較的に小さくなり、制御上安定するが、気体燃料の流量が少ない場合には流速が遅くなる結果、前記遅れ時間が大きくなるため、制御が不安定になるという問題が発生する。この制御の不安定さは、制御系に含まれる遅れ時間が大きいためであり、またさらに、この遅れ時間が一定でなく運転状況によって変化することが原因である。従って、従来技術で説明したような単一のＰＩＤ定数に基づく調節計によってこのような対象を制御することは、本質的に限界がある。
【００１０】
かかる、対象の制御特性が変化するプロセスを制御する方法として、モデル化による手法が知られている。この手法は、対象をモデル化し、そのモデルをベースとして制御しようとする状態量を予測し、その予測値に基づいて操作量を決定するものである。
【００１１】
しかしながら、この手法においては対象のモデル化が適切に行われていることが前提となるが、一般的に対象に関する正確な情報を入手することには困難が多いため、正確なモデルを作成することも困難が多い。また、正確な情報が入手できる場合であっても、時々刻々変化する対象から正確な状態量を入手する手段を備え、かつ、その状態量に対応して適切な制御パラメータを決定してコントローラのパラメータを変更する処理を行おうとすれば、制御装置が複雑化することは避けられない。
【００１２】
本発明は、従来技術のかかる問題点に鑑みてなされたものであり、熱交換器と減圧弁の距離が離れている場合で、かつ、気体の流速が遅い場合にも、比較的単純な制御系によって、安定した温度制御が可能となる気体温度制御装置を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明に関わる気体温度制御装置は、気体を加熱もしくは冷却する熱交換設備と、前記熱交換設備の後流に配置された等エンタルピ変化プロセスを備えたパイプラインにおける気体温度制御装置において、前記プロセス通過後における気体の目標圧力値と第１の目標温度値を設定入力する手段と、前記目標圧力値と第１の目標温度値から、前記プロセス通過後の気体が保有する目標エンタルピを算出するエンタルピ算出手段と、前記目標エンタルピと、前記プロセス通過前で前記熱交換設備通過後の位置の気体圧力実績値から、前記プロセス通過前における気体の第２の目標温度値を算出する温度計算手段と、前記プロセス通過後の気体温度実績値と前記第１の目標温度値から、前記第２の目標温度値を補正して前記プロセス通過前における第３の目標温度値を算出する温度算出手段と、前記プロセス通過前における気体温度が前記第３の目標温度値となるように、前記熱交換設備を制御する手段とを備えた構成である。
【００１６】
以上のように構成することで、制御すべき気体の温度が必ずしも目標温度に一致しないような環境にある場合でも、目標温度に制御することができる。
【００１９】
更に、本発明の気体温度制御装置は、気体を加熱もしくは冷却する熱交換設備と、前記熱交換設備の後流に配置された等エンタルピ変化プロセスを備えたパイプラインにおける気体温度制御装置において、前記プロセス通過後における気体の目標圧力値と目標温度値を設定入力する手段と、前記目標圧力値と目標温度値から前記プロセス通過後の気体が保有する目標エンタルピを算出する第１のエンタルピ算出手段と、前記熱交換設備通過前の気体圧力実績値と気体温度実績値から、前記気体が保有する初期エンタルピを算出する第２のエンタルピ算出手段と、  前記目標エンタルピ、前記初期エンタルピおよび前記プロセスを通過する気体の質量流量から前記熱交換設備において熱交換すべき熱量を算出する手段と、前記熱交換すべき熱量が気体に与えられるように前記熱交換設備の第１の制御目標値を算出する手段と、前記プロセス通過後の気体温度実績値と前記目標温度値から、前記熱交換設備の第１の制御目標値を補正して前記熱交換設備の第２の制御目標値を算出する手段と、前記第２の制御目標値に基づいて前記熱交換設備を制御する手段を備えた構成としている。
【００２０】
このように構成することにより、制御すべき気体の温度が必ずしも目標温度に一致しないような環境にある場合でも、気体温度を目標値に制御することができる。
【００２１】
更に、本発明に関わる気体温度制御装置は、気体圧力を減圧するプロセスで適用することができるように構成している。
【００２２】
このように構成することで、多くのパイプラインにおいて幅広く適用することができる。
【００２３】
また、本発明に関わる気体温度制御装置は、前記熱交換設備を制御する手段が、その熱交換設備に用いる熱交換用媒体の流量を制御するように構成している。
【００２４】
このように構成することで、一般的な熱交換設備を用いて確実に制御することができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態の説明に先立ち、本発明の原理について説明する。
【００２６】
一般に物質のエンタルピは（１）式で表される。
【００２７】
Ｈ＝Ｕ＋ＰＶ                                      …（１）
ここで、Ｈはエンタルピ、Ｕは内部エネルギ、Ｐは圧力、Ｖは体積である。
【００２８】
いま、（１）式を気体に関して適用すれば、気体の内部エネルギＵは温度Ｔをパラメータとする関数で表すことができるため、気体のエンタルピＨは気体の圧力Ｐ、体積Ｖ、温度Ｔの３つの変数によって記述されることになる。
【００２９】
一方、気体においては圧力Ｐ、体積Ｖ、温度Ｔの３つの変数は互いに各種の経験的状態方程式において、ある近似的な関係式で結ばれることが、実在気体について確認されている。従って、この状態方程式を用いると、３つの変数のうち１つの変数は残りの２つの変数で表すことができることになり、結局、気体のエンタルピＨは、圧力Ｐ、体積Ｖ、温度Ｔの３つの変数のうちの２つの変数によって近似的に表すことが可能である。
【００３０】
このことは、「化学熱力学線図」原  徹著、化学工業社、昭和４５年発行、に記載されている線図によっても明らかである。この文献には、ある気体のエンタルピを圧力と温度によって表現した線図が掲載されている。
【００３１】
図１は前記先行文献に記載されてある線図に基づいて、エンタルピＨ、圧力Ｐおよび温度Ｔの関係を模式的に示した図である。
【００３２】
本図では、縦軸に圧力Ｐ、横軸にエンタルピＨを取り、温度Ｔをパラメータとして表現している。この図から圧力がＰ１、温度がＴ１のときにエンタルピはＨ１であり、圧力がＰ１、温度がＴ２のときにエンタルピはＨ２であることが一意的に定まることがわかる。
【００３３】
従って、前記関係は関数Ｆを用いて（２）式で表現できる。
【００３４】
Ｈ＝Ｆ（Ｐ、Ｔ）                                            …（２）
更に、上記の関係とは逆に、エンタルピＨと圧力Ｐが決まれば、温度Ｔを一意に決定することが可能である。
【００３５】
この関係は関数Ｇを用いて（３）式で表現できる。
【００３６】
Ｔ＝Ｇ（Ｈ、Ｐ）                                            …（３）
今、気体が多孔物質あるいは弁を通って流れる場合を考える。その流れの運動エネルギーの変化が無視できるほどに小さければ、その流れのエンタルピ変化は０である。即ち、周囲との熱交換が無いプロセスを通過する場合には、そのプロセス通過前後の気体エンタルピ（熱力学的なエネルギ）は保存される。このようなプロセスは等エンタルピ変化プロセスと呼ばれる。
【００３７】
本発明は、上述の関係を用いて、等エンタルピ変化プロセスである減圧弁の下流の温度制御を行うもので、その制御方法は次の２つの考え方に基づいている。
【００３８】
第１の考えに基づく制御方法は、温度制御すべき制御対象位置を変更するものである。
【００３９】
減圧弁通過後の気体の目標圧力Ｐ２ｓと目標温度T２ｓから、（４）式によって目標エンタルピH２を算出する。
【００４０】
H２  ＝  F（  Ｐ２ｓ，  T２ｓ  ）                      …（４）
一方、減圧弁は等エンタルピ変化プロセスであるため、減圧弁通過前後において気体のエンタルピは保存される。従って、減圧弁通過前の気体温度目標値T１ｓは、減圧弁通過前の気体圧力測定値P１と目標エンタルピH２を用いて、（５）式で求めることができる。
【００４１】
T１ｓ＝  G（  H２，  P１  ）                          …（５）
（５）式に（４）式を代入して、（６）式が得られる。
【００４２】
T１ｓ＝G（  F（Ｐ２ｓ，T２ｓ），P１  ）                …（６）
この結果、（６）式により求められた気体温度目標値で、例えば熱交換器直後位置の温度を制御すれば、減圧弁通過後の温度を目標温度に制御することができることを示している。
【００４３】
このため、温度制御すべき制御対象位置を減圧弁後の位置から熱交換器直後の位置に変更することが可能になり、温度制御上で問題とされる、気体が移動することに伴う遅れ時間の影響を最小限に抑えることが可能となる。
【００４４】
第２の考えに基づく制御方法は、制御対象を温度から熱交換量に変更するものである。
【００４５】
気体の単位時間当りの重量である質量流量Ｋ（Kg／Ｈ）が測定可能な場合は、先ず熱交換器入口前の気体の初期圧力P０と初期温度T０とから（７）式を用いて算出した初期エンタルピH０と、（４）式を用いて求めた目標エンタルピH２を用いて、熱交換器で与えるべき単位時間当たりの熱量Qを（８）式で算出できる。
【００４６】
H０＝  F（  Ｐ０，  T０  ）                          …（７）
Q  ＝（  H２  ― H０  ）×  Ｋ                      …（８）
この（８）式は、熱交換器であたえるべき熱量が、熱交換器に入力する前の気体圧力P０と気体温度T０を測定することによって、すでに求められることを示している。
【００４７】
一般的に、物質の温度は熱の伝達により変化するものであるため、気体のような熱伝達率の小さい物質を対象とした温度制御においては時定数が大きく、応答性が良くない。したがって、気体温度が一定値に制御されるまでには、十分な時間が必要となる。
【００４８】
しかしながら、このような場合でも（８）式により必要な熱交換量を定量化できるため、この所定の熱交換が行われるよう予め熱交換器を調節しておけば、温度制御の応答性をより一層高めることができる。
以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
図２は本発明に係る温度制御装置の第1の実施の形態を示す構成図である。先ず制御の対象となるプロセスについて説明する。
【００４９】
気体燃料が流れる燃料ライン１にはこの気体燃料を加熱するための熱交換器１２と気体燃料の圧力を調整するための減圧弁６が設置され、さらにこれらの設備を用いて温度制御を行うために必要なセンサである、加熱前温度計２、加熱前圧力計３、上流温度計４、上流圧力計５、下流温度計７、下流圧力計８および下流流量計９が設けられている。
【００５０】
前記燃料ライン１を通流する気体燃料を加熱するための加熱ライン１０には前記熱交換器１２に供給する加熱流体の流量を調節する加熱流量調節弁１４と、加熱流量制御を行うために必要とされるセンサである、熱交換器入口温度計１１、熱交換器出口温度計１３および加熱流量計１５が設けられている。
【００５１】
以上のように構成されるプラントの燃料気体温度を制御するため、本発明に係る気体温度制御装置２０は、制御すべき圧力目標値を設定する下流圧力設定器２１と第１の目標温度値を設定する下流温度設定器２２、燃料気体の圧力を調節する下流圧力調節部２３、エンタルピに関する計算を行って第２の目標温度値である上流温度目標値を算出するエンタルピ算出処理部２４、前記上流温度目標値に基づいて加熱流量目標値を出力する上流温度調節部２５、前記加熱流量目標値に従って加熱流量を制御する加熱流量調節部２６によって構成されている。
【００５２】
また、上記エンタルピ算出処理部２４は、下流圧力目標値と下流温度目標値から目標エンタルピＨ２を計算するエンタルピ計算処理部２４ａ、前記目標エンタルピＨ２と上流圧力測定値Ｐ１から上流温度目標値を算出する温度計算処理部２４ｂで構成されている。
【００５３】
次に、以上のような装置の動作について説明する。
【００５４】
先ず、制御すべき気体燃料の圧力と温度の目標値を、下流圧力設定器２１と下流温度設定器２２を用いて設定する。この設定された下流圧力目標値Ｐ２に基づいて下流圧力調節部２３は下流における制御対象の１つである圧力を所定値に制御する。
【００５５】
これと並行して、エンタルピ算出処理部２４においては、エンタルピ計算処理部２４ａが、設定入力された下流圧力目標値Ｐ２ｓと下流温度目標値Ｔ２ｓから目標エンタルピＨ２を計算し、また温度計算処理部２４ｂが、この目標エンタルピＨ２と上流圧力Ｐ１から上流温度目標値Ｔ１ｓを計算する。
【００５６】
エンタルピ算出処理部２４における、目標エンタルピＨ２と上流温度目標値Ｔ１ｓの算出は以下の原理と方法に基づいて行われる。
【００５７】
発明者らは圧力Ｐと温度ＴによってエンタルピＨを求める算出方法について鋭意検討を重ねた。その結果、複数のガス組成からなる混合気体である気体燃料についても、単組成の気体に関する図１に示す線図とは形が異なるものの、（２）式と（３）式が成立する線図で表現できること、さらにその気体燃料の使用される温度と圧力範囲内では、エンタルピＨは次の（９）式で近似的に表すことができることを見出した。
【００５８】
Ｈ＝Ａ（Ｐ）×Ｂ（Ｔ）  ＋  Ｃ（Ｐ）                …（９）
ここで、Ａ、Ｃは圧力Ｐの関数、Ｂは温度Ｔの関数を表す。
【００５９】
また、逆にこの（９）式を用いれば、温度ＴはエンタルピＨと圧力Ｐとによって（１０）式で表わされる。
【００６０】
Ｂ（Ｔ）＝｛Ｈ−Ｃ（Ｐ）｝／Ａ（Ｐ）                …（１０）
そして、Ｂ（Ｔ）が求まれば、その逆関数でＴを求めることができる。
【００６１】
図３に本装置において関数を表現する方法を示す。本装置においては、最大６点の登録ポイントを結んだ折れ線近似によって任意の関数を表現する、関数ブロックと呼ばれる機能を用いて、エンタルピＨを求めるための関数Ａ、Ｂ、Ｃについて関数機能を実現している。
【００６２】
尚、関数ブロックではなく、図４に示す２次元テーブルを作成し、そのテーブルを参照して値を求めることもできる。このテーブルは圧力Ｐと温度ＴよりエンタルピＨを求めるものであり、列方向には圧力Ｐのレンジを分割した値を格納し、行方向には温度Ｔのレンジを分割した値を格納した構成である。
【００６３】
このテーブルを用いれば、例えば、圧力Ｐ２、温度Ｔ２のときのエンタルピの値は、図４においては対応した行列の交点の位置にあるＨ２２として求めることができる。もし、圧力Ｐｎと温度Ｔｎがレンジを分割した値の中間にある場合、即ち（１１）式の関係にある場合には、エンタルピＨｎは（１２）式で求めることができる。
【００６４】
Ｐ１＜  Pｎ  ＜  P２  、  T１＜  Tｎ  ＜  T２          …（１１）
Hｎ＝Hａ＋（Tｎ―T１）×（Hｂ―Hａ）／（T２―T１）    …（１２）
ここで、Hａ＝H１１＋（Pｎ―P１）×（H２１−H１１）／（P２−P１）
Hｂ＝H１２＋（Pｎ―P１）×（H２２−H１２）／（P２−P１）
図５に本発明に係る、エンタルピ計算処理部２４ａの構成を示す。
【００６５】
この処理は、入力値に対応した所定の関数の値を出力する関数ブロックと、入力値同士を乗算して結果を出力する乗算ブロックと、複数の入力値を加算して結果を出力する加算ブロックによって構成している。
【００６６】
図５において、下流圧力目標値Ｐ２は関数ブロック３０と関数ブロック３２に入力され、所定の関数Ａに対応した値Ａ（Ｐ２ｓ）と、関数Ｃに対応した値Ｃ（Ｐ２ｓ）とを算出する。また、下流温度目標値Ｔ２ｓは関数ブロック３１に入力され、所定の関数Ｂに対応した値Ｂ（Ｔ２ｓ）を算出する。
【００６７】
続いて、値Ａ（Ｐ２ｓ）と値Ｂ（Ｔ２ｓ）を乗算ブロック３３により乗算した結果を、加算ブロック３４で値Ｃ（Ｐ２ｓ）と加算して目標エンタルピＨ2を算出する。
【００６８】
以上の動作によって、エンタルピ処理部２４ａは（９）式に基づくエンタルピを算出している。
【００６９】
図６に、温度計算処理部２４ｂの構成を示す。
【００７０】
この処理部は、入力値に対応した所定の関数の値を出力する関数ブロックと、入力値同士を減算して結果を出力する引算ブロックと、入力値同士を除算して結果を出力する除算ブロックによって構成している。
【００７１】
図６において、上流圧力Ｐ１は関数ブロック３０と関数ブロック３２に入力され、所定の関数Ａに対応した値Ａ（Ｐ１）と、関数Ｃに対応した値Ｃ（Ｐ１）とを算出する。続いて、目標エンタルピＨ２から値Ｃ（Ｐ１）を減じた値が引算ブロック３５で計算され、この結果と値Ａ（Ｐ１）が除算ブロック３６で除算されて上流温度目標値Ｔ１ｓの関数値Ｂ（Ｔ１ｓ）が求められる。更に、この値Ｂ（Ｔ１ｓ）は、関数Ｂの逆関数を出力するように構成された関数ブロック３７に入力され、（１０）式に基づく上流温度目標値Ｔ１ｓが算出される。
【００７２】
以上説明した温度計算処理部２４ｂの動作によって求められた上流温度目標値T１ｓを、図２に示す上流温度調節部２５の設定値として入力する。上流温度調節部２５では前記上流温度目標値T１ｓと測定値である上流温度T１との偏差を求め、この偏差に対応した制御信号ＦＬｓを加熱流量調節部２６に入力する。加熱流量調節部２６は加熱流体の流量ＦＬの制御ループを構成するとともに、制御信号ＦＬｓに対応して加熱流量の目標値を変更するカスケード制御を行い、上流温度Ｔ１を応答性良く上流温度目標値Ｔ１ｓに制御する。
【００７３】
尚、本制御系の構成においてカスケード制御を用いたのは温度制御の応答性を高めることを目的としたためであるが、応答性が特に必要とされない場合では、図７に示すように、加熱流量調節部２６を省略し上流温度調節部２５の出力で直接加熱流量調節弁１４を制御するように構成しても良い。
【００７４】
以上のように構成することにより、温度制御すべき制御対象位置を減圧弁後の位置から熱交換器直後の位置に変更できるため、温度制御上で問題とされる、気体が移動することに伴う遅れ時間の発生を最小限に抑え、簡便な構成によって精度よく制御することができる。
【００７５】
また、本実施の形態では、熱交換器を流れる加熱流体を制御することにより気体燃料の温度を制御するよう構成しているが、加熱流体に替えて冷却流体を流すなどの冷却手段によって気体燃料の温度を制御しても良く、この場合にあっても本実施の形態と同様に構成された装置で実現することができる。
【００７６】
次に、図８に本発明に係る温度制御装置の第２の実施の形態である制御ブロック図を示す。
【００７７】
本実施の形態を説明するに、ここでは、その要部についてのみ述べ、図２に記載した第1の実施の形態と同じ構成部分については、再度の説明は行わず、以下の説明においては同一の番号を付して引用する。
【００７８】
本実施の形態では、第1の実施の形態の制御装置に加えて、下流温度調節部２７と加算器２８が新たに設けられた構成である。
【００７９】
下流温度調節部２７には第１の目標温度値である下流温度目標値Ｔ２ｓと下流温度Ｔ２が入力され、その両信号の偏差に対応した制御信号を加算器２８に出力する。加算器２８ではエンタルピ算出処理部２４で算出された第２の目標温度値である上流温度目標値に前記制御信号を加算した値を、第３の目標温度値である新たな上流温度目標値Ｔ１ｓとして上流温度調節部２５に出力する。
【００８０】
今、下流温度Ｔ２が設定値Ｔ２ｓよりも低い場合は、下流温度調節部２７は正値の制御信号を出力するため、上流温度調節部２５の設定値として与えられる上流温度目標値Ｔ１ｓは、エンタルピ算出処理部２４の算出結果よりも大きな値となる。このため、加熱流量調節部２６ではより多くの加熱流量を流すように加熱流量調節弁１４の開度を調節する。
【００８１】
下流温度Ｔ２が設定値Ｔ２ｓよりも高い場合は、前述の制御動作とは逆の働きによって、加熱流量調節部２６ではより少ない加熱流量を流すように加熱流量調節弁１４の開度を調節する。
【００８２】
このように、本実施の形態では、上流温度調節部２５の設定値Ｔ１ｓをエンタルピ算出処理部２４の算出結果のみで決定するのではなく、下流温度Ｔ２によって補正するように構成している。
【００８３】
以上のように構成することで、例えば、エンタルピ計算の精度が良くない場合、配管からの放熱量の季節変動、その他の要因により下流温度Ｔ２が必ずしも目標温度に一致しない場合にあっても、下流温度Ｔ２の値をフィードバックすることで目標温度に到達させることができる。
【００８４】
また、本実施の形態では、熱交換器を流れる加熱流体を制御することにより気体燃料の温度を制御するよう構成しているが、加熱流体に替えて冷却流体を流すなどの冷却手段によって気体燃料の温度を制御しても良く、この場合にあっても本実施の形態と同様に構成された装置で実現することができる。
【００８５】
次に、図９に本発明に係る気体温度制御装置の第３の実施の形態である制御ブロック図を示す。
【００８６】
第３の実施の形態に係る気体温度制御装置４０は、制御すべき目標値を設定する下流圧力設定器４１と下流温度設定器４２、燃料気体の圧力を調節する下流圧力調節部４３、エンタルピに関する計算を行って加熱流量目標値を算出するエンタルピ算出処理部４４、前記加熱流量目標値に従って加熱流量を制御する加熱流量調節部４８によって主たる制御部分を構成している。
【００８７】
さらに、前記制御性能を良くするために、下流温度設定器４２の目標値に基づいて加熱流量補正値を出力する下流温度調節部４６と加算器４７を備えている。
【００８８】
また、上記エンタルピ算出処理部４４は、下流圧力目標値Ｐ２ｓと下流温度目標値Ｔ２ｓから第１のエンタルピである目標エンタルピH２を計算する目標エンタルピ計算処理部４４ａ、加熱前圧力Ｐ０と加熱前温度Ｔ０から第２のエンタルピである初期エンタルピＨ０を計算する初期エンタルピ計算処理部４４ｃ、前記目標エンタルピＨ２と初期エンタルピＨ０等から熱交換すべき熱量を算出して第１の制御目標値である加熱流量目標値を出力する目標流量計算処理部４４ｂで構成されている。
【００８９】
次に、以上のような装置の動作について説明する。
【００９０】
本、第３の実施の形態における気体温度制御の対象となるプロセスの構成は、図２を参照して説明した第1の実施の形態と同じ構成であるため、ここでは再度の説明は行わず、以下の説明において同一の番号を付して引用する。
【００９１】
先ず、制御すべき気体燃料の圧力と温度の目標値を、下流圧力設定器４１と下流温度設定器４２を用いて設定する。この設定された下流圧力目標値Ｐ２ｓに基づいて下流圧力調節部４３は下流における流体条件の１つである下流圧力Ｐ２を所定値に制御する。これと並行して、目標エンタルピ計算処理部４４ａは、設定入力された下流圧力目標値P２と下流温度目標値T２から目標エンタルピＨ２を計算し、一方、初期エンタルピ計算処理部４４cは加熱前圧力P０と加熱前温度T０から初期エンタルピH０を計算する。これらのエンタルピの計算方法は、第1の実施の形態で説明した関数ブロックを用いて行う。
【００９２】
続いて、目標流量計算処理部４４ｂが熱交換器１２に流すべき加熱流量目標値を算出するが、この計算方法について以下に説明する。
【００９３】
初期エンタルピH０が熱交換器１２によって熱量Qｓを与えられて、目標エンタルピH２になると考えれば、（１３）式が成立する。
【００９４】
Ｑｓ＝（  H２  −  H０  ）×  Fｇ                  …（１３）
ここで、Fｇは下流流量計９で測定した下流流量である。
【００９５】
熱交換器によって与えられる熱量Qｒは、熱交換器前後において加熱流体が失う熱量と考えられるので、
Qｒ＝（  T０  −  T１  ）×  FＬ×  CＬ            …（１４）
ここで、T０は熱交換器入口温度計１１で測定した温度
T１は熱交換器出口温度計１３で測定した温度
FＬは加熱流量計１５で測定した流量
CＬは加熱流体の比熱
従って、QｓとQｒが等しくなるような加熱流体の流量目標値FＬｓは（１５）式で表わされる。
【００９６】
FＬｓ＝（H２−H０）×  Fｇ／（T０−T１）／FＬ        …（１５）
図１０に示す目標流量計算処理４４ｂの構成を参照して、動作を説明する。
【００９７】
先ず、目標エンタルピH２と初期エンタルピH０の減算を減算ブロック３８ａで計算し、続いて乗算ブロック３８ｂで、下流流量Ｆｇとの乗算を行い熱量Qｓを算出する。減算器４５の出力である、熱交換器入口温度T０と熱交換器出口温度T１の減算結果は、乗算ブロック３８ｃに入力され、加熱流体比熱ＣＬとの乗算を行う。この結果は、除算ブロック３８ｄに入力し、前記演算結果であるQｓとの除算を行い、第１の制御目標値である加熱流量目標値FＬｓを算出する。
【００９８】
一方、下流温度目標値Ｔ２ｓと下流温度Ｔ２は下流温度調節部４６に入力され、下流温度調節部４６は両信号の偏差に対応した制御信号を加算器４７に出力する。加算器４７では第１の制御目標値である前記加熱流量目標値FＬｓに前記制御信号を加えた値を、第２の制御目標値である新たな加熱流量目標値ＦＬａとして、加熱流量調節部４８に出力する。加熱流量調節部４８では、加熱流量目標値ＦＬａと加熱流量ＦＬの偏差に対応して、加熱流量調節弁１４に制御信号を出力し、加熱流量を所定の値に制御する。
【００９９】
以上のように構成することにより、気体燃料の加熱前の圧力・温度に基づいて熱交換器に流すべき加熱流体流量を予め決定できるため、気体燃料を所定温度に迅速に制御することができる。
【０１００】
また、上記構成に加えて、下流温度Ｔ２に基づく補正をするように制御系を構成しているため、さらに下流温度を目標温度に精度良く制御することができる。
【０１０１】
更に、本第3の実施の形態においては、下流温度T2に基づいて補正を行うように構成してあるが、第1の実施の形態と同様に構成することによって、上流温度T１に基づいて補正を行うようにしても良い。
【０１０２】
尚、本実施の形態では、熱交換器を流れる加熱流体を制御することにより気体燃料の温度を制御するよう構成しているが、加熱流体に替えて冷却流体を流すなどの冷却手段によって気体燃料の温度を制御しても良く、この場合にあっても本実施の形態と同様に構成された装置で実現することができる。
さらに、本発明に記載した、等エンタルピ変化プロセスにおける温度等の制御方法に関わる技術は、熱交換器を使用しない、例えば、加熱流体と被加熱流体を混合させることで温度を制御する手段を有するプロセスについても適用することができるものである。
【０１０３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、等エンタルピ変化プロセス通過前後の気体エンタルピが保存されることを利用して、温度制御すべき制御対象位置を減圧弁後の位置から熱交換器直後の位置に変更することが可能になるため、熱交換器と減圧弁が離れて配置されているような場合であっても温度制御上で問題とされる、気体が移動することに伴う遅れ時間の影響を最小限に抑えることが可能となり、安定した温度制御が可能となる。
【０１０４】
また、本発明は等エンタルピ変化プロセス通過前に必要な熱交換量を定量化できるため、予め熱交換を実施するように制御することができるため、フィードバック制御により温度制御を行う場合と比較して、温度制御の応答性をより向上することができる。
【０１０５】
さらに、本発明で用いるエンタルピ計算では、制御対象に関して複雑なモデル化を行ってそのモデルの特性変化を同定するなどの特別な処理が必要ないため、比較的単純な構成で装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】エンタルピＨ、圧力Ｐおよび温度Ｔの関係を模式的に示す図。
【図２】本発明の気体温度制御装置の第１の実施の形態を示す構成図。
【図３】本発明の気体温度制御装置において関数を折線近似で示す図。
【図４】本発明の気体温度制御装置において関数を温度と圧力のテーブルで示す図。
【図５】本発明の気体温度制御装置におけるエンタルピ計算処理部の構成を示す図。
【図６】本発明の気体温度制御装置における温度計算処理部の構成を示す図。
【図７】本発明の気体温度制御装置の第１の実施の形態の変形例を示す構成図。
【図８】本発明の気体温度制御装置の第２の実施の形態を示す構成図。
【図９】本発明の気体温度制御装置の第３の実施の形態を示す構成図。
【図１０】本発明の気体温度制御装置における目標流量計算処理部の構成を示す図。
【図１１】従来の気体温度制御装置の構成図。
【符号の説明】
１…燃料ライン
２…加熱前温度計
３…加熱前圧力計
４…上流温度計
５…上流圧力計
６…減圧弁
７…下流温度計
８…下流圧力計
９…下流流量計
１０…加熱ライン
１２…熱交換器
１５…加熱流量計
２０…気体温度制御装置
２１…下流圧力設定器
２２…下流温度設定器
２３…下流圧力調節部
２４…エンタルピ算出処理部
２４ａ…エンタルピ計算処理部
２４ｂ…温度計算処理部
２５…上流温度調節部
２６…加熱流量調節部
２７…下流温度調節部
２８…加算器
４０…気体温度制御装置
４１…下流圧力設定器
４２…下流温度設定器
４３…下流圧力調節部
４４…エンタルピ算出処理部
４４ａ…目標エンタルピ計算処理部
４４ｂ…目標流量計算処理部
４４ｃ…初期エンタルピ計算処理部
４６…下流温度調節部
４８…加熱流量調節部
５１…気体燃料
５２…減圧弁
５３…温度計
５５…温度制御装置
５７…流量制御弁
５８…熱交換器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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