CN109690216A - 原料气体液化装置及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

原料气体液化装置具备：供给原料气体的进给管路；具有使冷却原料气体用的制冷剂膨胀并生成冷热的涡轮式膨胀机及设置于膨胀机的入口侧的膨胀机入口阀，且有制冷剂进行循环的制冷剂循环管路；进行原料气体和制冷剂的热交换的热交换器；利用与液氮的热交换进行原料气体及制冷剂的初期冷却的冷却器；以及在膨胀机启动时及停止时，以操作膨胀机入口阀的开度，并使膨胀机的转速与规定的目标值一致的形式进行反馈控制的控制装置。

Description

原料气体液化装置及其控制方法
技术领域
本发明涉及对例如氢气那样在极低温液化的原料气体进行液化的原料气体液化装置及其控制方法。
背景技术
以往，已知对例如氢气那样在极低温液化的原料气体进行液化的原料气体液化装置。专利文献1中公开了这种技术。
专利文献1的原料气体液化装置由本申请的发明者们研究而成，为本申请发明的现有技术。该原料气体液化装置具备供液化的原料气体通过的进给管路、使用于冷却原料气体的制冷剂循环的制冷剂循环管路、及进行原料气体和制冷剂的热交换的热交换器、利用与液氮的热交换来进行原料气体及制冷剂的初期冷却的冷却器等。在此，在制冷剂循环管路设置有压缩机、涡轮式膨胀机（膨胀涡轮）、调节流入膨胀机的制冷剂的流量的膨胀机入口阀、对膨胀机进行旁通的膨胀机旁通阀。在制冷剂循环管路循环的制冷剂由压缩机压缩，由膨胀机进行隔热膨胀从而降温，由热交换器而与原料气体进行热交换从而升温，向压缩机返回。
上述专利文献1的原料气体液化装置中，在膨胀机的转子轴承采用空气轴承单元，在膨胀机启动开始前，使初期冷却后的制冷剂流向空气轴承单元，进行膨胀机的初期冷却。
又，上述专利文献1的原料气体的液化装置中，使膨胀机入口阀及膨胀机旁通阀的开度基于预先设定的阀开度计划发生变化，由此谋求对热交换器的负荷减轻及膨胀机的轴振动降低，并进行膨胀机的启动及停止。
现有技术文献：
专利文献：
专利文献1 ：日本特开2016-183827号公报。
发明内容
发明要解决的问题：
一般而言，膨胀机的运转特性（转动始动・停止特性）因机器的经年劣化和原料气体、制冷剂所包含的混杂物对轴承的粘着等而随运转变化。但在专利文献1的原料气体的液化装置中，膨胀机入口阀及膨胀机旁通阀的开度随着阀开度计划变化，而在伴随于此的膨胀机的转速的变化中未考虑到运转特性的变化。在这点上，专利文献1的技术还留有改良的余地。
解决问题的手段：
根据本发明的一形态的原料气体液化装置，其特征在于，
具备：供给沸点比氮气低温的原料气体的进给管路；
作为用于冷却所述原料气体的制冷剂进行循环的制冷剂循环管路，是具有使所述制冷剂膨胀并生成冷热的涡轮式膨胀机及设置于所述膨胀机的入口侧的膨胀机入口阀的制冷剂循环管路；
进行所述原料气体和所述制冷剂的热交换的热交换器；
利用与液氮的热交换进行所述原料气体及所述制冷剂的初期冷却的冷却器；
检测所述膨胀机的转速的膨胀机转速传感器； 以及
所述膨胀机启动时及停止时，利用使所述膨胀机的转速与规定的目标值一致的反馈控制来生成所述膨胀机入口阀的开度指令，将该开度指令向所述膨胀机入口阀输出的控制装置。
又，根据本发明的一实施形态的原料气体液化装置的控制方法，其特征在于，
是具备：供给沸点比氮气低温的原料气体的进给管路；
作为用于冷却所述原料气体的制冷剂进行循环的制冷剂循环管路，是具有使所述制冷剂膨胀并生成冷热的涡轮式膨胀机及设置于所述膨胀机的入口侧的膨胀机入口阀的制冷剂循环管路；
进行所述原料气体和所述制冷剂的热交换的热交换器；
利用与液氮的热交换进行所述原料气体及所述制冷剂的初期冷却的冷却器； 以及
进行与所述进给管路及所述制冷剂循环管路相关的动作控制的控制装置的原料气体液化装置的控制方法；
所述膨胀机启动时及停止时，以操作所述膨胀机入口阀的开度，并使所述膨胀机的转速与规定的目标值一致的形式进行反馈控制。
根据上述原料气体液化装置及其控制方法，在膨胀机启动时及停止时直接控制膨胀机的转速。由此，即便膨胀机的运转特性发生变化，也能避免在膨胀机启动时及停止时，膨胀机的转速无预期地突入危险速度区域。又，能通过控制膨胀机的转速来迅速通过危险速度区域，从而抑制膨胀机的轴振动。其结果为，能避免因膨胀机的轴承的烧粘等膨胀机的轴振动过大而引起的损伤。
发明效果：
根据本发明，原料气体液化装置中，即便膨胀机的运转特性发生变化，也能避免在膨胀机启动时及停止时，膨胀机的转速无预期地突入危险速度区域。
附图说明
图1是示出根据本发明的一实施形态的原料气体液化装置的整体结构的图；
图2是示出原料气体液化装置的控制系统的结构的框图；
图3是说明启动控制的处理的流程的图；
图4是启动控制的时间图（timing chart）；
图5是说明停止控制的处理的流程的图；
图6是停止控制的时间图。
具体实施方式
接着，参照附图对本发明的实施形态进行说明。图1是示出根据本发明的一实施形态的原料气体液化装置100的整体结构的图，图2是示出原料气体液化装置100的控制系统的结构的框图。根据本实施形态的原料气体液化装置100是对供给的原料气体进行冷却并液化，从而生成液化原料气体的装置。本实施形态中使用高纯度的氢气作为原料气体，其结果为，生成液氢作为液化原料气体。但原料气体不限于氢气，为常温常压时为气体，且沸点低于氮气的沸点（-196℃）的物质即可。这样的原料气体例如有氢气、氦气、氖气等。
如图1及图2所示，原料气体液化装置100具备供原料气体流动的进给管路1、制冷剂进行循环的制冷剂循环管路3、控制原料气体液化装置100的动作的控制装置6。在原料气体液化装置100中设置有使在进给管路1流动的原料气体和在制冷剂循环管路3流动的制冷剂热交换的多段热交换器81~86、和冷却器73、88。
〔进给管路1的结构〕
进给管路1作为供原料气体流动的流路，由热交换器81~86内的高温侧流路，冷却器73、88内的流路，供给系焦耳-汤姆逊阀（以下称为“供给系JT阀16”），连接它们的配管内的流路等形成。向进给管路1供给由未图示的压缩机等升压后的常温高压的原料气体。
进给管路1以第一段热交换器81、初期冷却器73、第二段到第六段的热交换器82~86、冷却器88、及供给系JT阀16这样的顺序通过。在热交换器81~86中进行原料气体与制冷剂的热交换，冷却原料气体。
进给管路1从第一段热交换器81出来直到进入第二段热交换器82为止，通过初期冷却器73。初期冷却器73具备贮存液氮的液氮贮槽71、和从外部向该液氮贮槽71供给液氮的氮管路70，液氮贮槽71内有进给管路1通过。初期冷却器73中，利用液氮，原料气体及制冷剂大约冷却至液氮的温度。
又，进给管路1从第六段热交换器86出来直到进入供给系JT阀16为止，通过冷却器88。冷却器88具备对制冷剂循环管路3的制冷剂液化后的液化制冷剂进行贮存的液化制冷剂贮槽40，该液化制冷剂贮槽40内有进给管路1通过。冷却器88中，利用液化制冷剂贮槽40内的液化制冷剂，原料气体大约冷却至液化制冷剂的温度（即极低温）。
如上所述从冷却器88出的极低温的原料气体流入供给系JT阀16。在供给系JT阀16，极低温的原料气体因进行焦耳-汤姆逊膨胀而成为低温常压的液体。如此，液化后的原料气体（即液化原料气体）送向未图示的贮槽并贮存。液化原料气体的生成量通过供给系JT阀16的开度来调节。
〔制冷剂循环管路3的结构〕
制冷剂循环管路3作为有制冷剂进行循环的闭合的流路，由热交换器81~86内的流路，冷却器73内的流路，两台压缩机32、33，两台膨胀机37、38，循环系焦耳-汤姆逊阀（以下称为“循环系JT阀36”），液化制冷剂贮槽40，及连接它们的配管内的流路等形成。上述进给管路1及制冷剂循环管路3上，包括第一~第六段热交换器81~86、初期冷却器73、冷却器88、及膨胀机37、38的部分构成为液化机20。
在制冷剂循环管路3上连接有用于填充制冷剂的填充管路（图示略）。本实施形态中，使用氢作为制冷剂。但制冷剂不限于氢，为常温常压时为气体，且沸点与原料气体相同或在其以下的物质即可。这样的制冷剂例如有氢、氦、氖等。
制冷剂循环管路3包括具有制冷剂液化路径41和冷热生成路径42的共有局部流路的两个循环流路（闭环）。制冷剂液化路径41以低压侧的压缩机（以下称为“低压压缩机32”）、高压侧的压缩机（以下称为“高压压缩机33”）、第一段热交换器81的高温侧制冷剂流路、初期冷却器73、第二段到第六段热交换器82~86的高温侧制冷剂流路、循环系JT阀36、液化制冷剂贮槽40、及第六段到第一段热交换器86~81的低温侧制冷剂流路的顺序通过并向低压压缩机32返回。
在低压压缩机32的入口连接有低压流路31L。低压压缩机32的出口和高压压缩机33的入口由中压流路31M连接。低压流路31L的制冷剂由低压压缩机32压缩，向中压流路31M吐出。高压压缩机33的出口和循环系JT阀36的入口由高压流路31H连接。中压流路31M的制冷剂由高压压缩机33压缩，向高压流路31H吐出。
高压流路31H的制冷剂以第一段热交换器81的高温侧制冷剂流路、初期冷却器73、及第二段到第六段热交换器82~86的高温侧制冷剂流路这样的顺序通过并冷却，流入循环系JT阀36。在循环系JT阀36，因进行焦耳-汤姆逊膨胀而液化的制冷剂流入液化制冷剂贮槽40。液化制冷剂的生成量通过循环系JT阀36的开度来调节。
贮存液化制冷剂的液化制冷剂贮槽40中产生蒸发气体。该蒸发气体向连接液化制冷剂贮槽40的出口和低压压缩机32的入口的低压流路31L流入。低压流路31L以逆于高压流路31H的顺序通过第一段到第六段热交换器81~86。即，低压流路31L以从第六段热交换器86到第一段热交换器81这样的顺序通过。低压流路31L的制冷剂在通过热交换器86~81的低温侧制冷剂流路期间升温，向低压压缩机32的入口返回。
另一方面，冷热生成路径42以高压压缩机33、第一段到第二段热交换器81~82的高温侧制冷剂流路、高压侧的膨胀机（以下称为“高压膨胀机37”）、第四段热交换器84、低压侧的膨胀机（以下称为“低压膨胀机38”）、及第五段到第一段热交换器85~81的低温侧制冷剂流路的顺序通过并向高压压缩机33返回。膨胀机37、38为涡轮式膨胀机，设置有检测涡轮的转子轴的转速N1、N2的转速传感器56、57。另，在该说明书及权利要求中，存在将膨胀机37、38的涡轮的转子轴的转速仅表述为膨胀机37、38的转速的情况。
制冷剂液化路径41和冷热生成路径42共用从高压压缩机33至第二段热交换器82的流路。在高压流路31H，在从第二段热交换器82的出口至第三段的热交换器83的入口之间设置分岔部31d，冷热生成流路31C的上游端与该分岔部31d连接。冷热生成流路31C的下游端与中压流路31M连接。
冷热生成流路31C在从分岔部31d至中压流路31M之间，通过高压膨胀机37、第四段热交换器84、低压膨胀机38、及第五段到第一段热交换器85~81的低温侧制冷剂流路。在高压流路31H上通过第二段热交换器82的制冷剂因高压膨胀机37的动作，其大半流向冷热生成流路31C，剩余流向第三段热交换器83。
流入冷热生成流路31C的比液氮温度低温且高压的制冷剂在因在高压膨胀机37膨胀而降压・降温，并通过第四段热交换器84后，因在低压膨胀机38膨胀而进一步降压・降温。从低压膨胀机38出来的极低温的制冷剂进一步以从第五段热交换器85至第一段热交换器81的顺序通过并升温（即冷却原料气体及高压流路31H的制冷剂），并与中压流路31M的制冷剂合流。
冷热生成流路31C上，在高压膨胀机37的入口侧设置有调节向高压膨胀机37流入的制冷剂的流量的高压膨胀机入口阀21，在高压膨胀机入口阀21的上游侧设置有检测流入冷热生成流路31C的制冷剂的流量F1（以下称为“高压膨胀机入口侧流量F1”）的高压膨胀机入口侧流量传感器58。冷热生成流路31C上，在高压膨胀机37的出口侧设置有检测从高压膨胀机37出来的制冷剂的温度（以下称为“高压膨胀机出口温度T1”）的高压膨胀机出口温度传感器51。
同样地，冷热生成流路31C上，在低压膨胀机38的入口侧设置有调节向低压膨胀机38流入的制冷剂的流量的低压膨胀机入口阀22，在低压膨胀机入口阀22的上游侧设置有检测从高压膨胀机37流入的制冷剂的流量F2（以下称为“低压膨胀机入口侧流量F2”）的低压膨胀机入口侧流量传感器59。冷热生成流路31C上，在低压膨胀机38的出口侧设置有检测从低压膨胀机38出来的制冷剂的温度（以下称为“低压膨胀机出口温度T2”）的低压膨胀机出口温度传感器52。
冷热生成流路31C上，在比高压膨胀机入口阀21靠近上游侧且比流量传感器58靠近下游侧处连接有高压膨胀机旁通流路23的上游端。高压膨胀机旁通流路23的下游端在冷热生成流路31C上与比热交换器84靠近上游侧且比高压膨胀机出口温度传感器51靠近下游侧处连接。即，高压膨胀机旁通流路23连接高压膨胀机37的入口侧和出口侧，对高压膨胀机37进行旁通。在高压膨胀机旁通流路23上设置有高压膨胀机旁通阀24。
同样地，冷热生成流路31C上，在比低压膨胀机入口阀22靠近上游侧且比热交换器84靠近下游侧处连接有低压膨胀机旁通流路26的上游端。低压膨胀机旁通流路26的下游端在冷热生成流路31C上与比热交换器85靠近上游侧且比低压膨胀机出口温度传感器52靠近下游侧处连接。即，低压膨胀机旁通流路26连接低压膨胀机38的入口侧和出口侧，对低压膨胀机38进行旁通。在低压膨胀机旁通流路26上设置有低压膨胀机旁通阀27。
〔原料气体液化装置100的控制系统的结构〕
控制装置6是进行与进给管路1及制冷剂循环管路3相关的动作控制的装置，是在本实施形态中执行尤其是原料气体液化装置100的启动方法及停止方法，更详细而言，执行高压膨胀机37及低压膨胀机38的启动方法及停止方法的装置。控制装置6在协调高压膨胀机37和低压膨胀机38的同时，控制高压膨胀机37和低压膨胀机38的启动与停止。
原料气体液化装置100中设置有用于检测其工序数据的各种传感器，这些传感器可发送检测值地与控制装置6连接。例如，控制装置6与高压膨胀机出口温度传感器51、低压膨胀机出口温度传感器52、高压膨胀机转速传感器56、低压膨胀机转速传感器57、高压膨胀机入口侧流量传感器58、及低压膨胀机入口侧流量传感器59连接，能从这些传感器取得检测值。
又，原料气体液化装置100的高压膨胀机入口阀21、低压膨胀机入口阀22、高压膨胀机旁通阀24、及低压膨胀机旁通阀27的各阀的开度由控制装置6操作。控制装置6为所谓的计算机，通过执行预先存储的程序，发挥作为启动控制部61、停止控制部62的功能。控制装置6的这些功能部基于取得的工序数据求得阀的开度，将开度指令向对应的阀输出。各阀接收来自控制装置6的开度指令，以实现对应于开度指令的开度的形式进行动作。
〔启动控制〕
首先，说明控制装置6所进行的启动控制。图3是说明启动控制的处理的流程的图，图4是启动控制的时间图。在图3中说明低压膨胀机38的启动控制的处理的流程，而低压膨胀机38的启动控制与高压膨胀机37的启动控制虽然使用的计划、设定值等不同，但处理的内容实质相同，高压膨胀机37的启动控制的处理也用图3进行说明。又，图4中，上段的图表表示高压膨胀机转速N1、高压膨胀机入口阀21的开度、及高压膨胀机旁通阀24的开度的经时变化，下段的图表表示低压膨胀机转速N2、低压膨胀机入口阀22的开度、及低压膨胀机旁通阀27的开度的经时变化。上段的图表与下段的图表的时间轴对应。
如图3及图4所示，启动控制由大致分为初期冷却步骤、初期启动步骤、危险速度区域通过步骤、及转速升速步骤的四个步骤形成。初期冷却步骤在膨胀机37、38启动前（即开始转动前）进行。
（初期冷却步骤）
在高压膨胀机37及低压膨胀机38及它们周边未冷却至液氮温度的状态下，它们的转子轴转动，若其转速突入危险速度区域，则除固有振动数的同期成分引起的轴振动之外，也产生无关于固有振动数的非同期成分所引起的不稳定振动，在轴振动过大的情况下，轴承恐会烧粘。因此，初期冷却步骤中，在启动前原料气体液化装置100的装置整体处于常温状态的情况下，利用初期冷却器73（氮管路70），装置整体初期冷却至液氮的温度程度。
初期冷却步骤中，低压膨胀机旁通阀27的开度从规定的循环开度下降至规定的初期启动开度。低压膨胀机旁通阀27的开度直到开始转速升速步骤为止，维持在初期启动开度。
又，初期冷却步骤中，高压膨胀机入口阀21的开度上升至规定的初期冷却开度，维持在初期冷却开度。高压膨胀机入口阀21的初期冷却开度并非闭止，而是稍打开。因此，高压膨胀机入口阀21处于初期冷却开度时，高压膨胀机37不转动的程度的流量的制冷剂流入高压膨胀机37被允许。
又，初期冷却步骤中，在膨胀机37、38启动前（即开始转动前），低压膨胀机入口阀22的开度从闭止状态上升至规定的初期冷却开度。低压膨胀机入口阀22处于初期冷却开度时，低压膨胀机38不转动的程度的流量的制冷剂流入低压膨胀机38被允许。
控制装置6待低压膨胀机入口阀22的开度成为初期冷却开度，开始低压膨胀机38的初期冷却流量控制。低压膨胀机38的初期冷却流量控制中，控制装置6以操作低压膨胀机入口阀22的开度，并使低压膨胀机入口侧流量F2为规定的初期冷却流量设定值的形式进行反馈控制。初期冷却流量设定值设定为不使低压膨胀机38的转子轴转动的制冷剂流量，且在转子轴开始转动的制冷剂流量的80~90%以下的值即可。
低压膨胀机38的初期冷却流量控制继续到低压膨胀机出口温度T2为规定的冷却判定温度为止。低压膨胀机出口温度T2为规定的冷却判定温度时，低压膨胀机38的初期启动标示（flag）成为ON。
（低压膨胀机38的初期启动步骤）
控制装置6在低压膨胀机38的初期启动标示成为ON时，开始低压膨胀机38的初期启动步骤。低压膨胀机38的初期启动步骤中，选择性地进行低压膨胀机入口阀22的开度的计划控制和转速控制。
控制装置6以初期启动标示成为ON作为触发点开始计数，基于规定的阀开度计划生成第一开度指令。另，低压膨胀机入口阀22的阀开度计划设定开始计数以来的时间与低压膨胀机入口阀22的阀开度设定值的关系。控制装置6导出与开始计数以来的时间对应的阀开度设定值，基于此生成第一开度指令。
又，控制装置6在初期启动标示成为ON时生成由转速控制进行的第二开度指令。具体而言，控制装置6利用以低压膨胀机转速N2为控制量，以规定的最大转速设定值为目标值，以低压膨胀机入口阀22的开度为操作量，使控制量与目标值一致的反馈控制生成第二开度指令。在此，低压膨胀机38的最大转速设定值为小于低压膨胀机38的危险速度区域的转速。另，危险速度区域是指作为膨胀机37、38上固有的转动速度区域，并包括引起涡轮共振的转子轴的转动速度及其周边的转动速度区域。
控制装置6比较第一开度指令和第二开度指令，将其中较小一方的值作为开度指令向低压膨胀机入口阀22输出。通常，由于初期启动步骤开始时低压膨胀机38未转动，所以当基于由阀开度计划控制进行的第一开度指令来操作低压膨胀机入口阀22，伴随着低压膨胀机入口阀22的开度的扩大，低压膨胀机38开始转动时，基于由转速控制进行的第二开度指令来操作低压膨胀机入口阀22。如此，从阀开度计划控制向转速控制自动切换。由此，可不进入危险速度区域即进行初期启动。
（低压膨胀机38的危险速度区域通过步骤）
低压膨胀机转速N2稳定在最大转速设定值，因而危险速度区域通过标示成为ON。另，膨胀机37、38的“转速稳定”是指，转速的变动在规定值以下的状态在规定时间内继续。
控制装置6在危险速度区域通过标示成为ON时，将目标值从最大转速设定值切换为规定的升速前转速设定值，进行转速控制。在此，升速前转速设定值为超过危险速度区域的转速。
控制装置6利用以低压膨胀机转速N2为控制量，以升速前转速设定值为目标值，以低压膨胀机入口阀22的开度为操作量，使控制量与目标值一致的反馈控制生成开度指令，将其向低压膨胀机入口阀22输出。由此，低压膨胀机转速N2急升速至升速前转速设定值，迅速通过危险速度区域。
低压膨胀机转速N2稳定在升速前转速设定值，且低压膨胀机入口阀22的开度稳定，因而高压膨胀机37的初期启动标示成为ON。另，在后述的高压膨胀机37的初期启动步骤及危险速度区域通过步骤之间，控制装置6以低压膨胀机转速N2维持升速前转速设定值的形式控制低压膨胀机入口阀22的开度。
（高压膨胀机37的初期冷却/启动步骤）
控制装置6在高压膨胀机37的初期启动标示成为ON时，开始高压膨胀机37的初期冷却/启动步骤。高压膨胀机37的启动控制与低压膨胀机38的启动控制同样地，由初期冷却步骤、初期启动步骤、危险速度区域通过步骤、及转速升速步骤形成。
如前所述，初期冷却步骤中，在高压膨胀机37已流有转子轴不转动的程度的流量的制冷剂。利用该制冷剂，在进行低压膨胀机38的初期启动步骤及危险速度区域通过步骤期间，冷却高压膨胀机37及其周边。
高压膨胀机37的初期启动步骤中，与前述的低压膨胀机38的初期启动步骤同样地，选择性地进行阀开度计划控制和转速控制。
具体而言，控制装置6以初期启动标示的ON作为触发点开始计数，基于规定的阀开度计划生成第一开度指令。另一方面，控制装置6利用转速控制生成第二开度指令。即，利用以高压膨胀机转速N1为控制量，以规定的最大转速设定值为目标值，以高压膨胀机入口阀21的开度为操作量，使控制量与目标值一致的反馈控制生成第二开度指令。控制装置6比较第一开度指令和第二开度指令，将其中较小一方的值作为开度指令向高压膨胀机入口阀21输出。由此，可不进入危险速度区域即进行初期启动。
（高压膨胀机37的危险速度区域通过步骤）
高压膨胀机转速N1稳定在最大转速，因而危险速度区域通过标示成为ON。控制装置6在危险速度区域通过标示成为ON时，开始危险速度区域通过步骤。在该高压膨胀机37的危险速度区域通过步骤中，与前述的低压膨胀机38的危险速度区域通过步骤同样地，使转速控制中的目标值从最大转速设定值切换为规定的升速前转速设定值。
控制装置6以操作高压膨胀机入口阀21的开度，并使高压膨胀机转速N1为升速前转速设定值的形式进行反馈控制。由此，高压膨胀机转速N1能急升速至升速前转速设定值，从而迅速通过危险速度区域。
（转速升速步骤）
若高压膨胀机转速N1成为升速前转速设定值，则转速升速标示成为ON。控制装置6在转速升速标示成为ON时，开始高压膨胀机37及低压膨胀机38的转速升速步骤。
转速升速步骤中，控制装置6使高压膨胀机旁通阀24的开度从初期启动开度以规定的减少率下降至规定的定常运转开度。同样地，控制装置6使低压膨胀机旁通阀27的开度从初期启动开度以规定的减少率下降至规定的定常运转开度。
又，转速升速步骤中，控制装置6以在转速升速标示成为ON时开始计数，基于规定的转速升速计划求得转速的目标值，操作高压膨胀机入口阀21的开度，使高压膨胀机转速N1与目标值一致的形式进行反馈控制。其结果为，高压膨胀机转速N1从升速前转速设定值上升至高压膨胀机37的定格转速。
同样地，控制装置6以基于规定的转速升速计划求得转速的目标值，操作低压膨胀机入口阀22的开度，使低压膨胀机转速N2与目标值一致的形式进行反馈控制。其结果为，低压膨胀机转速N2从升速前转速设定值上升至低压膨胀机38的定格转速。
如此，使高压膨胀机旁通阀24及低压膨胀机旁通阀27的开度无关于转速地以规定的减少率下降，以此能避免利用转速控制自动调节的高压膨胀机入口阀21及低压膨胀机入口阀22的开度变化的干扰，能防止膨胀机37、38的过转动及急升速。
因制冷剂温度的急速降低或上升，所以热交换器81~86急速冷却或加温时，因热冲击，热交换器内的例如板翅（plate fan）恐会损伤。为了减轻施于这样的热交换器81~86上的负荷，在膨胀机37、38启动及停止时，必须将热交换器81~86上的温度变化收敛于规定的容许范围。因此，高压膨胀机37的转速升速计划将热交换器81~86的温度变化抑制在规定的容许范围内的同时，设定如下时间与高压膨胀机37的转速（目标值）的关系：将高压膨胀机37的转速从升速前转速设定值上升至定格转速。同样地，低压膨胀机38的转速升速计划将热交换器81~86的温度变化抑制在规定的容许范围内的同时，设定如下时间与低压膨胀机38的转速（目标值）的关系：将低压膨胀机38的转速从升速前转速设定值上升至定格转速。
而且，控制装置6在高压膨胀机转速N1稳定在定格转速且高压膨胀机旁通阀24的开度成为定常运转开度后结束高压膨胀机37的转速升速步骤。同样地，控制装置6在低压膨胀机转速N2稳定在定格转速且低压膨胀机旁通阀27的开度成为定常运转开度后结束低压膨胀机38的转速升速步骤。高压膨胀机37及低压膨胀机38的转速升速步骤的结束正时通过各自的转速升速计划而预定为大致同时。控制装置6在高压膨胀机37及低压膨胀机38的转速升速步骤结束时，结束高压膨胀机37及低压膨胀机38的启动控制。
〔停止控制〕
接着，说明控制装置6进行的停止控制。图5是说明停止控制的处理的流程的图，图6是停止控制的时间图。在图5中说明低压膨胀机38的停止控制的处理的流程，而低压膨胀机38的停止控制与高压膨胀机37的停止控制虽然使用的计划、设定值等不同，但处理的内容实质相同，高压膨胀机37的停止控制的处理也用图5说明。图6中，上段的图表表示高压膨胀机转速N1、高压膨胀机入口阀21的开度、及高压膨胀机旁通阀24的开度的经时变化，下段的图表表示低压膨胀机转速N2、低压膨胀机入口阀22的开度、及低压膨胀机旁通阀27的开度的经时变化。上段的图表与下段的图表的时间轴对应。
如图5及图6所示，控制装置6在开始停止控制时，使高压膨胀机旁通阀24的开度从循环开度向停止开度以规定的增加率上升，并使低压膨胀机旁通阀27的开度从定常运转开度向停止开度以规定的增加率上升。
控制装置6在开始停止控制时转速减速标示成为ON，开始计数，基于规定的高压膨胀机37的转速减速计划求得转速的目标值。而且，控制装置6以操作高压膨胀机入口阀21的开度，并使高压膨胀机转速N1与目标值一致的形式进行反馈控制。其结果为，高压膨胀机转速N1从高压膨胀机37的定格转速减速至规定的停止前转速。另，高压膨胀机37的转速减速计划将热交换器81~86的温度变化抑制在规定的容许范围内的同时，设定如下时间与高压膨胀机37的转速（目标值）的关系：将高压膨胀机37的转速从定格转速减速至停止前转速。
同样地，控制装置6基于规定的低压膨胀机38的转速减速计划求得转速的目标值。而且，控制装置6以操作低压膨胀机入口阀22的开度，并使低压膨胀机转速N2与目标值一致的形式进行反馈控制。其结果为，低压膨胀机转速N2从低压膨胀机38的定格转速减速至规定的停止前转速。另，低压膨胀机38的转速减速计划将热交换器81~86的温度变化抑制在规定的容许范围内的同时，设定如下时间与低压膨胀机38的转速（目标值）的关系：将低压膨胀机38的转速从定格转速减速至停止前转速。
如此，使高压膨胀机旁通阀24及低压膨胀机旁通阀27的开度无关于转速地以规定的增加率下降，以此能避免利用转速控制自动调节的高压膨胀机入口阀21及低压膨胀机入口阀22的开度变化的干扰，能防止膨胀机37、38的过转动及急减速。
若高压膨胀机转速N1稳定在停止前转速且高压膨胀机旁通阀24为停止开度，则高压膨胀机37的减速停止。若低压膨胀机转速N2稳定在停止前转速且低压膨胀机旁通阀27为停止开度，则低压膨胀机38的减速停止。而且，在膨胀机37、38均处于停止状态的时点，转速减速标示成为OFF。
控制装置6在转速减速标示成为OFF时，向高压膨胀机入口阀21及低压膨胀机入口阀22输出闭止的开度指令。由此，高压膨胀机入口阀21闭止，高压膨胀机转速N1能急减速至0，迅速通过危险速度区域。同样地，低压膨胀机入口阀22闭止，低压膨胀机转速N2能急减速至0，迅速通过危险速度区域。如此，由于膨胀机37、38迅速通过危险速度区域，所以能在避免轴振动过大的同时停止膨胀机37、38。另，上述停止控制完成后，使高压膨胀机旁通阀24及低压膨胀机旁通阀27的开度从停止开度向循环开度以规定的增加率上升。
如以上说明，根据本实施形态的原料气体液化装置100具备：供给沸点比氮气低温的原料气体的进给管路1；作为用于冷却原料气体的制冷剂进行循环的制冷剂循环管路3，具有使制冷剂膨胀并生成冷热的涡轮式膨胀机37、38、及设置于膨胀机37、38的入口侧的膨胀机入口阀21、22的制冷剂循环管路3；进行原料气体和制冷剂的热交换的热交换器81~86；利用与液氮的热交换进行原料气体及制冷剂的初期冷却的冷却器73；检测膨胀机37、38的转速N1、N2的膨胀机转速传感器56、57；以及进行与进给管路1及制冷剂循环管路3相关的动作控制的控制装置6。
而且其特征在于，控制装置6在膨胀机37、38启动时及停止时，利用使膨胀机37、38的转速N1、N2与规定的目标值一致的反馈控制生成膨胀机入口阀21、22的开度指令，将该开度指令向膨胀机入口阀21、22输出。
又，根据本实施形态的原料气体液化装置100的控制方法特征在于，在膨胀机37、38启动时及停止时，以操作膨胀机入口阀21、22的开度，并使膨胀机37、38的转速N1、N2与规定的目标值一致的形式进行反馈控制。
上述原料气体液化装置100及其控制方法中，在膨胀机37、38启动时及停止时，直接控制膨胀机37、38的转速，而非膨胀机入口阀21、22的阀开度。由此，在膨胀机37、38启动时及停止时也可控制由膨胀机37、38生成的冷热。又，即便膨胀机37、38的运转特性发生变化，也能避免在膨胀机37、38启动时及停止时，膨胀机37、38的转速无预期地突入危险速度区域。又，能通过控制膨胀机37、38的转速来迅速通过危险速度区域，从而抑制膨胀机37、38的轴振动。其结果为，能避免因膨胀机37、38的轴承的烧粘等膨胀机37、38的轴振动过大而引起的损伤。
又，根据本实施形态的原料气体液化装置100及其控制方法中，控制装置6在膨胀机37启动前，以不使膨胀机37转动的规定的初期冷却流量的初期冷却后的制冷剂导入膨胀机37的形式生成膨胀机入口阀21的开度指令，将该开度指令向膨胀机入口阀21输出。
如此，在膨胀机37、38启动前，以不使膨胀机38转动的初期冷却流量的制冷剂导入膨胀机38的形式操作膨胀机入口阀22的开度从而控制冷却流量，由此能不使膨胀机38转动并冷却膨胀机38及其周边。相较于如专利文献1那样利用膨胀机38的轴承的轴封泄漏来进行膨胀机38及其周边的冷却的情况，能缓和制冷剂的流量的限制，缩短从开始冷却到完成膨胀机37、38的启动所需的时间。
另，上述实施形态中，对低压膨胀机38进行初期冷却流量控制，但也可以对高压膨胀机37进行同样的初期冷却流量控制。
又，根据本实施形态的原料气体液化装置100及其控制方法中，控制装置6在膨胀机37、38启动时，基于使膨胀机37、38的转速上升至比该膨胀机37的危险速度区域小的规定的最大转速设定值的规定的阀开度计划，求得膨胀机入口阀21、22的第一开度指令，利用以目标值为最大转速设定值，使膨胀机37的转速与最大转速设定值一致的反馈控制求得膨胀机入口阀21、22的第二开度指令，将第一开度指令及第二开度指令中的值较小的一方的开度指令向膨胀机入口阀21、22输出。
如上所述，根据阀开度计划控制，即便是在因膨胀机37、38的机器经年劣化和制冷剂所包含的混杂物对涡轮轴承的粘着等，膨胀机37、38的运转特性（转动始动・停止特性）发生变化的情况下，也能开始膨胀机37、38的初期启动。又，根据以最大转速为目标值的转速控制，即便是处于在膨胀机37、38开始转动之后不久出现过转动倾向的情况下，也能避免膨胀机37、38的转速一下突入危险速度区域。
又，根据本实施形态的原料气体液化装置100及其控制方法中，在膨胀机37、38启动时，且在使膨胀机的转速从超过膨胀机37、38的危险速度区域的规定的升速前转速上升至膨胀机37、38的定格转速时，控制装置6基于将伴随膨胀机37、38的转速的变化而来的热交换器81~86的温度变化抑制在规定的容许范围内的同时使膨胀机37、38的转速上升的规定的转速升速计划，决定转速控制的目标值。
同样地，根据本实施形态的原料气体液化装置100及其控制方法中，在膨胀机37、38停止时，且在使膨胀机37、38的转速从膨胀机37、38的定格转速下降至超过膨胀机37、38的危险速度区域的规定的停止前转速时，控制装置6基于将伴随膨胀机37、38的转速的变化而来的热交换器81~86的温度变化抑制在规定的容许范围内的同时使膨胀机37、38的转速下降的规定的转速减速计划，决定转速控制的目标值。
如此，高压膨胀机37及低压膨胀机38的转速随着转速升速计划而逐渐上升（升速），或随着转速减速计划而逐渐降下（减速），以此能将高压膨胀机37及低压膨胀机38的生成冷热量不足所带来的热交换器81~86的温度上升抑制在容许范围内。由此，能在热交换器81~86上防止热冲击所引起的板翅的损伤。
又，根据本实施形态的原料气体液化装置100及其控制方法中，膨胀机37、38包括高压膨胀机37和设置于该高压膨胀机37的下游侧的低压膨胀机38，膨胀机入口阀21、22包括设置于高压膨胀机37的入口侧的高压膨胀机入口阀21和设置于低压膨胀机38的入口侧的低压膨胀机入口阀22。而且，控制装置6以如下形式控制低压膨胀机38及高压膨胀机37的转速：低压膨胀机38的转速到达超过该低压膨胀机38的危险速度区域的规定的升速前转速后，高压膨胀机37的转速到达超过该高压膨胀机37的危险速度区域的规定的升速前转速，高压膨胀机37及低压膨胀机38均到达各自的升速前转速后，使高压膨胀机37及低压膨胀机38的转速从各自的升速前转速上升至各自的定格转速。
如此，高压膨胀机37及低压膨胀机38均在到达超过危险速度区域的各自的升速前转速后转动，直到使高压膨胀机37及低压膨胀机38的转速为各自的定格转速，由此，能切实避免高压膨胀机37及低压膨胀机38的转速无预期地突入危险速度区域。又，因在高压膨胀机37和低压膨胀机38上变换通过危险速度区域的正时（即转速急速变化的正时），所以能抑制轴振动，进行更稳定的启动控制。
以上对本发明的优选实施形态进行了说明，但在不脱离本发明的主旨的范围内，对上述实施形态的具体构造及/或功能的详情进行变更后的形态也可包含于本发明。上述的原料气体液化装置100的结构例如可进行如下变更。
根据上述实施形态的原料气体液化装置100中具备两台膨胀机37、38。但这些台数依存于膨胀机37、38的性能，不限于上述实施形态。
例如，膨胀机也可以为一台。这种情况下，除省略高压膨胀机37的启动控制及停止控制外，与上述实施形态实质相同地控制原料气体液化装置100的动作。又，例如，膨胀机也可以为三台以上。这种情况下，除了对增加的膨胀机追加与高压膨胀机37的启动控制及停止控制同样的控制外，与上述实施形态实质相同地控制原料气体液化装置100的动作。
又，根据上述实施形态的原料气体液化装置100中，在进行低压膨胀机38的初期启动步骤和危险速度区域通过步骤后，进行高压膨胀机37的初期启动步骤和危险速度区域通过步骤，但也可以改变先后顺序，后者在先前者在后地进行。这种情况下，控制装置6在高压膨胀机37的初期启动步骤前，以不使高压膨胀机37转动的规定的初期冷却流量的初期冷却后的制冷剂导入高压膨胀机37的形式生成高压膨胀机入口阀21的开度指令，将该开度指令向高压膨胀机入口阀21输出。
又，根据上述实施形态的原料气体液化装置100中具备两台压缩机32、33，具备六段热交换器81~86。但这些台数依存于压缩机32、33及热交换器81~86的性能，不限于上述实施形态。
符号说明：
1：进给管路；
3：制冷剂循环管路；
6：控制装置；
16：供给系焦耳-汤姆逊阀；
20：液化机；
21：高压膨胀机入口阀；
22：低压膨胀机入口阀；
23：高压膨胀机旁通流路；
24：高压膨胀机旁通阀；
26：低压膨胀机旁通流路；
27：低压膨胀机旁通阀；
31C：冷热生成流路；
32：低压压缩机；
33：高压压缩机；
36：循环系焦耳-汤姆逊阀；
37：高压膨胀机；
38：低压膨胀机；
40：液化制冷剂贮槽；
41：制冷剂液化路径；
42：冷热生成路径；
51：高压膨胀机出口温度传感器；
52：低压膨胀机出口温度传感器；
56：高压膨胀机转速传感器；
57：低压膨胀机转速传感器；
58：高压膨胀机入口侧流量传感器；
59：低压膨胀机入口侧流量传感器；
61：启动控制部；
62：停止控制部；
70：氮管路；
71：液氮贮槽；
73：初期冷却器；
81~86：热交换器；
88：冷却器；
100：原料气体液化装置。

Claims (12)

1.一种原料气体液化装置，其特征在于，具备：
供给沸点比氮气低温的原料气体的进给管路；
作为用于冷却所述原料气体的制冷剂进行循环的制冷剂循环管路，是具有使所述制冷剂膨胀并生成冷热的涡轮式膨胀机及设置于所述膨胀机的入口侧的膨胀机入口阀的制冷剂循环管路；
进行所述原料气体和所述制冷剂的热交换的热交换器；
利用与液氮的热交换进行所述原料气体及所述制冷剂的初期冷却的冷却器；
检测所述膨胀机的转速的膨胀机转速传感器； 以及
所述膨胀机启动时及停止时，利用使所述膨胀机的转速与规定的目标值一致的反馈控制来生成所述膨胀机入口阀的开度指令，将该开度指令向所述膨胀机入口阀输出的控制装置。
2.根据权利要求1所述的原料气体液化装置，其特征在于，
所述控制装置在所述膨胀机启动前，以不使所述膨胀机转动的规定的初期冷却流量的初期冷却后的所述制冷剂导入所述膨胀机的形式生成所述膨胀机入口阀的开度指令，将该开度指令向所述膨胀机入口阀输出。
3.根据权利要求1或2所述的原料气体液化装置，其特征在于，
所述控制装置在所述膨胀机启动时，
基于使所述膨胀机的转速上升至比该膨胀机的危险速度区域小的规定的最大转速设定值的规定的阀开度计划，求得所述膨胀机入口阀的第一开度指令；
利用以所述目标值为所述最大转速设定值，使所述膨胀机的转速与所述最大转速设定值一致的反馈控制求得所述膨胀机入口阀的第二开度指令；
将所述第一开度指令及所述第二开度指令中的值较小的一方的开度指令向所述膨胀机入口阀输出。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的原料气体液化装置，其特征在于，
在所述膨胀机启动时，且在使所述膨胀机的转速从超过所述膨胀机的危险速度区域的规定的升速前转速上升至所述膨胀机的定格转速时，
所述控制装置基于将伴随所述膨胀机的转速的变化而来的所述热交换器的温度变化抑制在规定的容许范围内的同时使所述膨胀机的转速上升的规定的转速升速计划，决定所述目标值。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的原料气体液化装置，其特征在于，
在所述膨胀机停止时，且在使所述膨胀机的转速从所述膨胀机的定格转速下降至超过所述膨胀机的危险速度区域的规定的停止前转速时，
所述控制装置基于将伴随所述膨胀机的转速的变化而来的所述热交换器的温度变化抑制在规定的容许范围内的同时使所述膨胀机的转速下降的规定的转速减速计划，决定所述目标值。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的原料气体液化装置，其特征在于，
所述膨胀机包括高压膨胀机和设置于该高压膨胀机的下游侧的低压膨胀机；
所述膨胀机入口阀包括设置于所述高压膨胀机的入口侧的高压膨胀机入口阀和设置于所述低压膨胀机的入口侧的低压膨胀机入口阀；
所述控制装置以如下形式控制所述低压膨胀机及所述高压膨胀机的转速：所述低压膨胀机的转速到达超过该低压膨胀机的危险速度区域的规定的升速前转速后，所述高压膨胀机的转速到达超过该高压膨胀机的危险速度区域的规定的升速前转速，所述高压膨胀机及所述低压膨胀机均到达各自的所述升速前转速后，使所述高压膨胀机及所述低压膨胀机的转速从各自的所述升速前转速上升至各自的定格转速。
7.一种原料气体液化装置的控制方法，其特征在于，
是具备：供给沸点比氮气低温的原料气体的进给管路；
作为用于冷却所述原料气体的制冷剂进行循环的制冷剂循环管路，是具有使所述制冷剂膨胀并生成冷热的涡轮式膨胀机及设置于所述膨胀机的入口侧的膨胀机入口阀的制冷剂循环管路；
进行所述原料气体和所述制冷剂的热交换的热交换器；
利用与液氮的热交换进行所述原料气体及所述制冷剂的初期冷却的冷却器； 以及
进行与所述进给管路及所述制冷剂循环管路相关的动作控制的控制装置的原料气体液化装置的控制方法；
所述膨胀机启动时及停止时，以操作所述膨胀机入口阀的开度，并使所述膨胀机的转速与规定的目标值一致的形式进行反馈控制。
8.根据权利要求7所述的原料气体液化装置的控制方法，其特征在于，
在所述膨胀机启动前，以不使所述膨胀机转动的规定的初期冷却流量的初期冷却后的所述制冷剂导入所述膨胀机的形式操作所述膨胀机入口阀的开度，将导入所述膨胀机的流量控制为所述初期冷却流量。
9.根据权利要求7或8所述的原料气体液化装置的控制方法，其特征在于，
所述膨胀机启动时，
基于如下第一开度指令和第二开度指令中的值较小的一方的开度指令操作所述膨胀机入口阀的开度：基于将所述膨胀机的转速上升至比该膨胀机的危险速度区域小的规定的最大转速设定值的规定的阀开度计划的、所述膨胀机入口阀的所述第一开度指令，和基于以所述目标值为所述最大转速设定值，使所述膨胀机的转速与所述目标值一致的反馈控制的、所述膨胀机入口阀的所述第二开度指令。
10.根据权利要求7至9中的任一项所述的原料气体液化装置的控制方法，其特征在于，
在所述膨胀机启动时，且在使所述膨胀机的转速从超过所述膨胀机的危险速度区域的规定的升速前转速上升至所述膨胀机的定格转速时，基于将伴随所述膨胀机的转速的变化而来的所述热交换器的温度变化抑制在规定的容许范围内的同时使所述膨胀机的转速上升的规定的转速升速计划，求得所述目标值。
11.根据权利要求7至10中的任一项所述的原料气体液化装置的控制方法，其特征在于，
在所述膨胀机停止时，且在使所述膨胀机的转速从所述膨胀机的定格转速下降至超过所述膨胀机的危险速度区域的规定的停止前转速时，基于将伴随所述膨胀机的转速的变化而来的所述热交换器的温度变化抑制在规定的容许范围内的同时使所述转速下降的规定的转速减速计划，求得所述目标值。
12.根据权利要求7至11中的任一项所述的原料气体液化装置的控制方法，其特征在于，
所述膨胀机包括高压膨胀机和设置于该高压膨胀机的下游侧的低压膨胀机；
所述膨胀机入口阀包括设置于所述高压膨胀机的入口侧的高压膨胀机入口阀和设置于所述低压膨胀机的入口侧的低压膨胀机入口阀；
以如下形式控制所述低压膨胀机及所述高压膨胀机的转速：所述低压膨胀机的转速到达超过该低压膨胀机的危险速度区域的规定的升速前转速后，所述高压膨胀机的转速到达超过该高压膨胀机的危险速度区域的规定的升速前转速，所述高压膨胀机及所述低压膨胀机均到达各自的所述升速前转速后，使所述高压膨胀机及所述低压膨胀机的转速从各自的所述升速前转速上升至各自的定格转速。
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