(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のガスを配合してガス消費装置に供給するエネルギ供給システムにおいて、
前記ガス消費装置内のガス純度が所定の純度となるように制御する純度制御部と、
前記ガス消費装置内のガス圧力が所定の圧力となるように制御する圧力制御部と
を備えるガスバランス制御装置であって、
前記純度制御部が、
定常状態のガス消費予測量を求めるとともに、この予測したガス消費量と実際のガス消費量の差を補い、かつ、供給ガスの純度の変化をファジイ制御によって制御することを特徴とするガスバランス制御装置。
【請求項２】
前記ファジイ制御を、
あらかじめ求めてある過渡状態のデータをもとに作成した過渡状態ガス消費予測モデルの特性にもとづいて作成したファジイ制御規則にしたがって行なうことを特徴とする請求項１記載のガスバランス制御装置。
【請求項３】
前記複数のガスが、純度の異なる高純度ガスと低純度ガスであり、
前記純度制御部が、前記ガス消費装置内のガス純度が所定の純度となるように前記低純度ガスを制御しつつ供給し、
前記圧力制御部が、前記水素消費装置内の圧力が所定の圧力となるように前記高純度ガスを制御しつつ供給することを特徴とする請求項１又は２記載のガスバランス制御装置。
【請求項４】
ガス消費装置が複数ある場合に、
ガスを供給するガス消費装置の優先順位を決定し、この優先順位にもとづいてガスの分配制御を行なう管理制御部を備えることを特徴とする請求項１，２又は３記載のガスバランス制御装置。
【請求項５】
前記ガスが水素ガスであり、
高純度ガスが水素製造装置から発生する水素ガスであって、低純度ガスが接触改質装置から発生する水素ガスであることを特徴とする請求項１，２，３又は４記載のガスバランス制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エネルギ供給システムにおけるガスのバランス制御装置に関し、詳しくは、純度の異なる複数のガスをバランスよく配合してガス消費装置に供給するためのガスバランス制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
製油所では、接触改質装置（ＰＬ）と水素製造装置（ＨＹ）において水素を発生し、主に重質油脱硫装置（ＲＨ）と灯軽油脱硫装置（２ＤＨ）において水素を消費する。この場合、接触改質装置では、低オクタン価の直留ガソリンを高オクタン価ガソリン材とする際の副産物として水素が発生するので、この接触改質装置から発生する安価な水素を主として用い、必要総水素量に対して不足する分を水素製造装置にて発生させる。
【０００３】
ここで、接触改質装置で発生する水素（以下、ＰＬ水素と称す場合もある）は、水素製造装置で発生する水素（以下、ＨＹ水素と称す場合もある）より純度が低く（６０〜８０％）、ＰＬ水素単独では重質油脱硫装置や灯軽油脱硫装置等の水素消費装置を運転することができない。一方、ＨＹ水素は、純度は高いものの（９９％以上）ブタンやナフサに対し熱を多量に加え、触媒を通して発生させるためＰＬ水素に比べコスト高である。
そこで、水素消費装置の運転が可能な水素純度を維持できる範囲内でＰＬ水素を最大限利用できるようにすることが望まれる。
【０００４】
しかしながら、ＰＬ水素の純度や発生量は接触改質装置の運転モードや接触改質装置の原料により異なり、また、重質油脱硫装置や灯軽油脱硫装置で処理する原料の硫黄の含量により必要とする水素量が変化する。
【０００５】
一方、重質油脱硫装置や灯軽油脱硫装置の運転においては、接触改質装置の上記のような状況にも拘らず装置内水素純度を一定以上に維持する必要がある。
さらに、ＰＬ水素の送り込み量の変化に対し、重質油脱硫装置や灯軽油脱硫装置等の各装置内水素の純度の変化は時間遅れが極めて大きく、応答も非線形である。
そのため、従来の既存の制御方法ではＰＬ水素の送り込み量を自動化できず、手動調整していた。そして、この手動調整の期間は、安全性を考慮してＨＹ水素を多めに送り込んでいた。
その結果、ＰＬ水素が余剰となり余剰となったＰＬ水素は安価な燃料ガスの代替物として用いられ、有効利用が図られていなかった。
【０００６】
このような状況下において、いくらかでも制御を自動化するため従来は水素消費装置の圧力制御を行なっていた。
すなわち、たとえば灯軽油脱硫装置においては経済的な水素純度として８０％を維持する必要があるが、ＰＬ水素だけを灯軽油脱硫装置に送り込んだのでは、流量不足により装置の基準内圧である５０ｋｇ／ｃｍ2 を保つことができない。そのため、主としてＰＬ水素を送り込みながら、ＨＹ水素をも送り込んで装置の内圧が５０ｋｇ／ｃｍ2 より低下しないようにしているが、この場合は水素純度が８０％以上となり経済的でない。
【０００７】
このように、従来は、灯軽油脱硫装置の内圧を観測し、その内圧が５０ｋｇ／ｃｍ2 より低いときには水素製造装置からのＨＹ水素の供給量を増やし、５０ｋｇ／ｃｍ2 より高いときにはＨＹ水素の供給量を減らすことによって間接的に水素のバランス制御を行なっていた。
なお、この圧力制御は、従来用いられているＤＣＳ（分散計装計算機）制御システムによって行なっている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、この圧力制御による方法では、圧力制御が主目的であるため水素純度についての正確な制御を行なうことができないことから、安全性を考慮しＨＹ水素を多めに供給することとなり、依然としてＰＬ水素が余剰となっていた。
【０００９】
なお、時間遅れが大きい系（操作に対し効果が現れるのに時間がかかる系）に有効な制御方法として多変数予測制御がある。しかし、この手法は、線形な応答を示す系には有効であるが、水素バランス制御のように非線形な系には不向きである。
【００１０】
また、系全体を数式モデル化して、数理計画法により最適なＰＬ水素送り込み量を算出する数理計画法を利用する方法が考えられる。しかし、この方法は、時間遅れがある系に対しては、系の状態が変化するごとに将来を予測しながら最適化計算をする必要があり、実用的でない。
【００１１】
さらに、統計モデルをファジィ推論で補正する制御方法を利用することも考えられる。この制御方法として、例えば、柳下、伊藤、菅野『ファジィ理論の浄水場薬品注入制御への応用』、システムと制御、ｖｏｌ．２８，Ｎｏ．１０，ｐｐ．５９７−６０４（１９８４）などで紹介されている。
しかし、この場合はモデルは固定されており、モデルと現実の状態との差異をすべてファジィ推論で補正するため、ファジィ推論で種々の場合を想定しなければならず非常に複雑となり、実用的でない。
【００１２】
本発明は上記事情にかんがみてなされたもので、時間遅れが大きく、非線形な制御系を形成する水素のバランス（純度）制御をも自動化することによって、低純度で安価な水素と高純度で高価な水素の配合率を水素消費装置の条件に応じて最適化する制御装置の提供を目的とする。
【００１３】
【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請求項１に係るガスバランス制御装置は、複数のガスを配合してガス消費装置に供給するエネルギ供給システムにおいて、前記ガス消費装置内のガス純度が所定の純度となるよう制御する純度制御部と、前記ガス消費装置内のガス圧力が所定の圧力となるよう制御する圧力制御部とを備えるガスバランス制御装置であって、前記純度制御部が、定常状態のガス消費予測量を求めるとともに、この予測したガス消費量と実際のガス消費量の差を補い、かつ、供給ガスの純度の変化をファジイ制御によって制御する構成としてある。
【００１４】
また、請求項２に係るガスバランス制御装置は、前記ファジイ制御を、あらかじめ求めてある過渡状態のデータをもとに作成した過渡状態ガス消費予測モデルの特性にもとづいて作成したファジイ制御規則にしたがって行なう構成としてある。
【００１５】
また、請求項３に係るガスバランス制御装置は、前記複数のガスとして純度の異なる高純度ガスと低純度ガスを用いるとともに、前記純度制御部が、前記ガス消費装置内のガス純度が所定の純度となるように前記低純度ガスを制御しつつ供給し、前記圧力制御部が、前記水素消費装置内の圧力が所定の圧力となるように前記高純度ガスを制御しつつ供給する構成としてある。
【００１６】
また、請求項４に係るガスバランス制御装置は、ガス消費装置が複数ある場合に、ガスを供給するガス消費装置の優先順位を決定し、この優先順位にもとづいてガスの分配制御を行なう管理制御部を備える構成としてある。
【００１７】
また、請求項５に係るガスバランス制御装置は、前記ガスが水素ガスであり、高純度ガスが水素製造装置から発生する水素ガスであって、低純度ガスが接触改質装置から発生する水素ガスである構成としてある。
【００１８】
【本発明の実施の形態】
以下、本発明のガスバランス制御装置の一実施形態について説明する。
まず、本発明の制御装置を適用する水素バランス制御システムについて説明する。
図１は、水素バランス制御システムの全体を示すブロック図である。
【００１９】
同図において、１は接触改質装置（ＰＬ）であり、高オクタン価のガソリン材を製造する際に副産物として純度の低い低コストの水素を発生する。２は水素製造装置であり、ブタンやナフサに熱を多量に加え触媒を通して純度の高い高コストの水素を発生する。
３及び４は水素消費装置としての重油脱硫装置（ＲＨ）と灯軽油脱硫装置（２ＤＨ）である。
【００２０】
ここで、ＰＬ水素の発生量や純度は、接触改質装置の運転モードや接触改質装置の原料により異なる。一方、重質油脱硫装置や灯軽油脱硫装置で消費される水素量は、処理する原料中の硫黄分の率によって変化する。
なお、ＰＬ水素は、いくら純度が高くても、ＰＬ水素だけで水素消費装置における純度を８０％に維持することはできない。そこで、高純度のＨＹ水素を加えて水素消費装置における純度を８０％となるようにする。
【００２１】
本実施形態の制御装置は、上記のようなプロセスにおける水素のバランス制御を行うものであり、接触改質装置１と重質油脱硫装置３及び灯軽油脱硫装置４からなる水素消費装置の間に配置した純度制御部１０によってＰＬ水素の供給量を制御して重質油脱硫装置３と灯軽油脱硫装置４における水素の純度制御を行ない、また、水素製造装置２と重質油脱硫装置３及び灯軽油脱硫装置４の間に配置した圧力制御部２０によってＨＹ水素の供給量を制御して重質油脱硫装置３と灯軽油脱硫装置４における圧力制御を行なう。
【００２２】
ここで、純度制御と圧力制御はそれぞれ独立して行なわれ、純度制御は後述する純度制御部によって、また圧力制御は前述したＤＣＳを用いた圧力制御部でそれぞれ行なわれる。
純度制御と圧力制御は独立して行なわれるものの、制御対象が同一であるので両者は干渉するが、本発明では応答性の速い圧力制御を純度制御に追従させているので、実施上問題とはならない。
【００２３】
すなわち、純度制御部は、後述するように、水素の純度を制御するため水素消費装置へのＰＬ水素の供給量をゆっくりと調整しているが、たとえば、このとき種々の要因で水素純度が低くなると純度制御部によってＰＬ水素の供給量を減らし、適切な水素純度まで上げようとするため一時的に圧力が低下する。
そこで、応答速度の速い圧力制御によって圧力を上げることにより水素圧力が常に基準圧力となるようにしている。
【００２４】
次に、純度制御部について説明する。
図２は、純度制御部の一実施形態を示すブロック図である。
純度制御部１０は、重質油脱硫装置３及び灯軽油脱硫装置４の状態を観測しながら、接触改質装置１からＰＬ水素を最大限送り込むためのものであり、水素消費予測モデル部１１とファジィ制御部１２とからなっている。
ここで、水素消費予測モデル部１１は、水素消費予測モデルにもとづいて標準的な水素消費量を予測するとともに、この予測した定常状態水素消費予測量と実際の水素消費量との差を補うようになっている。
また、ファジィ制御部１２は、ＰＬ水素純度及び水素消費装置の水素純度の変化などをキャッチして標準的な水素消費量を適切に制御する。
【００２５】
具体的には、水素消費予測モデル部１１は、定常状態水素消費予測モデル部１１ａと補正部１１ｂを有しており、定常状態水素消費予測モデル部１１ａでは統計手法やファジィ推論を用いて標準的な水素消費量を算出する。また、補正部１１ｂは、水素消費予測モデル部１１ａで算出した予測消費量と重質油脱硫装置３，灯軽油脱硫装置４で実際に消費している量との誤差を常に監視して、予測が実際の消費量に近づくように補正する。この結果、現在から近傍の時刻では、正確な水素消費予測ができる。
【００２６】
ファジィ制御部１２は、供給する水素の純度が変化した場合などの状況の変化を把握し、その変化に直ちに対応するために、装置に送る水素の量をフィードフォワード的に変更する。
【００２７】
上記純度制御部によって行なうＰＬ水素の制御方法は、次のようになる。
まず、定常状態水素消費予測モデル部１１ａにおいて、図３に示す定常状態の運転データを統計処理して予測モデルを作成する。
具体的には、運転データを複数の区間に分解するとともに、分解した区間は線形モデルで表現する。そして、全体（特に、線形モデル間）はファジィ推論で補完する。
例えば、水素消費装置が灯軽油脱硫装置４の場合、出口部分における水素濃度を測定し、線形モデルにもとづいて水素の供給量を求めるとともに、次のファジィ推論により補完を行なう。
ＩＦ  ２ＤＨの処理量が高い  ＴＨＥＮ
水素消費＝ａ1 ×処理量＋ａ2 ×脱硫率＋・・・
ＩＦ  ２ＤＨの処理量が中位  ＴＨＥＮ
水素消費＝ｂ1 ×処理量＋ｂ2 ×脱硫率＋・・・
ＩＦ  ２ＤＨの処理量が低い  ＴＨＥＮ
水素消費＝ｃ1 ×処理量＋ｃ2 ×脱硫率＋・・・
ここで、ａ1 ，ａ2 …，ｂ1 ，ｂ2 …，ｃ1 ，ｃ2 …は定数である。
以下、このような水素消費量を予測するモデルをファジイモデルという。
【００２８】
このようにして予測した水素の消費量は、測定した実際の水素消費量との間で差を生じる。このため、補正部１１ｂにおいて、予測が実際の消費量に近づくように補正する。
すなわち、補正部１１ｂは、次のようなステップを繰り返し行なう（指数平均法である）。
第ｎ回目の水素消費予測量ｙi （バー）は  ｙi （バー）＝ファジイモデル＋ｅi （バー） で求める。
このときの測定した水素消費量をｙi としたとき、誤差ｅi は  ｅi ＝ｙi −ｙi （バー）で求め、第ｎ＋１回目の補正ｅi+1 はｅi+1 （バー）＝ｅi （バー）＋ａｅi とする。
ただし、ａは０＜ａ≦１なる実数である。
この誤差ｅi （バー）を導入することにより、近未来では予測が実測の水素消費量と一致する。
【００２９】
例えば、灯軽油脱硫装置の処理量や原料の性状が変化した場合、水素消費予測モデル部は灯軽油脱硫装置が必要とする全水素消費量を予測し、さらにＰＬ水素供給量（標準的ＰＬ水素供給量）を予測する。
このＰＬ水素供給量（標準的ＰＬ水素供給量）を供給しても、ＰＬ水素の純度が変化するなどの理由から、装置内の水素純度を８０％に保てないことがある。そこで、標準的ＰＬ水素供給量に対して、純度を８０％に保つための補正量（加算あるいは減算すべきＰＬ水素供給量）をファジイ推論を使用して算出する。そのファジイ制御規則を図４に示す。
【００３０】
このファジイ制御規則の作成において、ＰＬ水素供給量の変更による装置純度への効果の時間の遅れや非線形性を考慮する必要がある。そこで、過渡状態でのデータをもとに、ニューラルネットワークを使用して過渡状態水素消費モデルを作成し、このモデルの特性に基づいてファジイ制御規則を作成する。
【００３１】
この制御規則で、列の中央線は、灯軽油脱硫装置の水素純度であり、目標値としている純度の８０％である。したがって、もし灯軽油脱硫装置の水素純度が８０％より低ければＰＬ水素の供給量は減らすことになる。
すなわち、中央より右に行くと、中央の値よりＰＬ水素の供給量は減らすようになっている。この制御規則で、行の中心線は、ＰＬ水素の水素純度が変化しないことを意味している。
【００３２】
したがって、もし灯軽油脱硫装置のＰＬ水素の水素純度が良くなってきているなら、ＰＬ水素の供給量は増やすことになる。例えば、灯軽油脱硫装置の水素純度の余裕があり（灯軽油脱硫装置の水素純度が８０％を越えている）、かつＰＬ水素純度に変化がない場合は、ＰＬ水素の供給を、現状に比べて少し増やすことになる。
このようにして、ファジィ制御規則にもとづいて、ＰＬ水素の純度が変化したときのＰＬ水素の送り込み量をフィードフォワード的に制御する。
このような水素純度制御を行なっている間、応答性の速い圧力制御は、ＨＹ水素の供給量を変化させ、装置圧力を常に５０ｋｇ／ｃｍ2 に保持する。
【００３３】
重質油脱硫装置３に対する水素の純度制御も上記と同様の純度制御部１０によって行なう。
【００３４】
灯軽油脱硫装置での純度制御が要求するＰＬ水素と、重質油脱硫装置での純度制御が要求するＰＬ水素との和が実際に発生しているＰＬ水素の量を超える場合や、それぞれの純度制御どおりのＰＬ水素を使用するとＨＹ水素の消費量が極端に減り、水素発生装置の装置制約の発生下限を割る場合がある。そこで、ＰＬ水素を使用する水素消費装置の優先順位を決定し、かつＰＬ水素の使用上限と下限を指示する管理制御部１５が設けてある。
【００３５】
例えば、重質油脱硫装置３に対するＰＬ水素の供給量を優先させるとすると、管理制御部１５は、重質油脱硫装置の純度制御が要求するＰＬ水素量を重質油脱硫装置の上限として重質油脱硫装置側の純度制御装置に指示し、灯軽油脱硫装置の純度制御装置の上限には、（実際に発生しているＰＬ水素量）−（重質油脱硫装置の純度制御が要求するＰＬ水素量）を指示する。
そして、各純度制御部１０，１０は、ＰＬ水素の供給をその範囲内で行なうよう制御する。
【００３６】
上記実施形態では、ガスとして水素ガスを用いる場合について説明したが、本発明は水素ガス以外のガス、たとえばプラント内で発生したオフガスと燃料油，燃料ガスとのバランス制御にも適用できることは勿論のことである。
【００３７】
【発明の効果】
以上のような構成からなる請求項１，２に係るガスバランス制御装置によれば、ガスの純度制御を自動的に、しかもより正確に行なうことができる。
また、請求項３に係るガスバランス制御装置によれば、低純度で安価なガスと高純度で高価なガスの配分を、消費装置の条件に応じて最適化することができる。
また、請求項４係るガスバランス制御装置によれば、消費装置が複数ある場合でも、燃料消費装置の条件に応じて適切な制御を行なうことができる。
また、請求項５に係るガスバランス制御装置によれば、接触改質装置から発生する安価な低純度水素ガスを適切に配分かつ供給することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る水素ガスのバランス制御を実施するためのシステムのブロック図を示す。
【図２】図１における純度制御部の詳細なブロック図を示す。
【図３】純度制御部の定常状態水素消費予測モデルにおけるモデル作成例の説明図である。
【図４】純度制御部のファジィ制御部におけるファジィ制御規則の例を示す表である。
【符号の説明】
１  接触改質装置（ＰＬ）
２  水素製造装置（ＨＹ）
３  重質油脱硫装置（ＲＨ）
４  灯軽油脱硫装置（２ＤＨ）
１０  純度制御部
１１  水素消費予測モデル部
１１ａ  定常状態水素消費予測モデル部
１１ｂ  補正部
１２  ファジィ制御部
【図１】
0003807788.tif 000002
【図２】
0003807788.tif 000003
【図３】
0003807788.tif 000004
【図４】
0003807788.tif 000005