JP2000304198A - 流体供給設備 - Google Patents

流体供給設備

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JP2000304198A
JP2000304198A JP11113241A JP11324199A JP2000304198A JP 2000304198 A JP2000304198 A JP 2000304198A JP 11113241 A JP11113241 A JP 11113241A JP 11324199 A JP11324199 A JP 11324199A JP 2000304198 A JP2000304198 A JP 2000304198A
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Akio Himeda
章夫 姫田
Hideki Sasaki
佐々木  秀樹
Tadashige Saito
忠茂 斉藤
Masakatsu Takeda
正勝 竹田
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Nippon Steel Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 二系統から供給される純度の異なる流体を混
合して供給する流体供給設備において、低純度の流体が
高純度側へ逆流するのを確実に防止し、かつ、全体的な
コストを低く抑えることができる流体供給設備を提供す
る。 【解決手段】 差圧計16は、圧力調節弁21の前後の
圧力差を測定し、その測定データは演算制御装置17に
供給される。高炉設備S1,S2,S3の流量調節計11
で得られた流量データは演算制御装置17で加算され、
この合計流量から配管24に設けられた流量計8で得ら
れた流量を示すデータを差し引いて高純度酸素の流量Q
Tを求める。演算制御装置17は、圧力差を示すデー
タ、および流量QTを示すデータを、逆流防止制御のた
めの情報として用いる。逆流防止制御は、低純度酸素側
に設けられた放散弁6の放散、及び遮断弁の遮断によっ
て行なう。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、二系統から供給さ
れる純度の異なる流体(例えば気体酸素)を混合して供給
する流体供給設備において、低純度の流体が高純度側へ
逆流するのを防止する、製鉄所などで用いられる流体供
給設備に関する。
【0002】
【従来の技術】製鉄所では、転炉において鋼の精錬のた
めに高純度の酸素が必要とされ、また、高炉において炉
内へ吹き込む空気中の酸素濃度を高める酸素富化が必要
とされる。このため、多くの製鉄所は内部に酸素生成プ
ラントを備えており、ここで生成された酸素を、所定の
配管によって転炉や高炉などの需要設備に供給してい
る。
【0003】転炉に必要とされる酸素は、一般に99.
6%という高い純度の酸素である。一方、高炉で行なわ
れる酸素富化作業は、空気中の酸素濃度を25%程度に
高める作業である。このため、従来、製鉄所では、主と
して転炉に供給するための高純度の酸素生成装置を設置
し、ここで生成された高純度の酸素の一部を高炉に導
き、送風機が吸引した空気と高純度の酸素とを混合して
酸素富化し、転炉に吹き込むことが行なわれていた。
【0004】また、従来のその他の例として、99.6
%程度の高い純度の酸素を生成する高純度酸素生成設備
の他に、90%程度の相対的に低い純度の酸素を生成す
る低純度酸素生成設備を別途設置し、前者をもっぱら転
炉への高純度酸素供給用とし、後者をもっぱら高炉にお
ける酸素富化用として、二つの系統をはっきりと分けて
稼動している例もある。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】ところで、99.6%
という高い純度の酸素を生成する高純度酸素生成設備
は、そのランニングコスト、特に電力コストが高くつ
き、それほど高い酸素純度を必要としない高炉設備にこ
のようなランニングコストの高い高純度酸素生成設備で
生成した酸素を供給するようにすると、長期的に見た場
合のコストは合理的とは言えない。
【0006】また、低純度酸素生成設備を建設する場
合、その建設コストとその後の稼動可能な期間にかかる
ランニングコストとを 併せて考えると、90%程度の
純度の酸素を生成するように設計するのが合理的である
とされている。しかし、低純度酸素生成設備を新たに建
設するとなると、高純度酸素生成設備と同程度の建設コ
ストがかかる。しかも、高純度酸素と低純度酸素をまっ
たく別系統でそれぞれの需要設備へ供給するようにする
と、高純度酸素生成設備、低純度酸素生成設備それぞれ
を、対応する需要設備の最大稼働率を見越した酸素供給
能力として設計しなければならず、総合的なコストを考
えると、やはり合理的とは言えない。
【0007】一方、高炉用に低純度酸素生成設備を設
け、かつ、この低純度酸素生成設備だけでは足りない酸
素供給量を、高純度酸素生成設備において生成された高
純度の酸素でまかなうこととし、高純度酸素生成設備で
生成された高純度酸素の一部を低純度用酸素配管に合流
させて高炉に供給するようにすると、特に、酸素プラン
トから高炉につながる既存の配管などを有効に活用でき
ることなどもあって、総合的なコストを低く抑えること
ができる。しかしこの場合に、何らかの原因で、転炉な
どの需要設備に低純度の酸素が逆流すると転炉で製造さ
れる鋼の品質が悪化するので、操業を停止するなど、重
大な事態を招くおそれがある。このため、高純度酸素の
一部を低純度用酸素配管に合流させて高炉に供給するよ
うな構成にした場合、高純度酸素を必要とする需要設備
に低純度の酸素が逆流することを確実に防止しなければ
ならない。
【0008】本発明は、このような技術的背景のもとに
なされたものであり、その目的は、二系統から供給され
る純度の異なる流体を混合して供給する流体供給設備に
おいて、低純度の流体が高純度側へ逆流するのを確実に
防止し、かつ、全体的なコストを低く抑えることができ
る流体供給設備を提供することである。
【0009】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの請求項1記載の発明は、第一の流体生成装置から気
体として供給される高純度流体(例えば高純度酸素)と、
第二の流体生成装置から気体として供給される低純度流
体(例えば低純度酸素)を混合して、需要設備へ供給する
流体供給設備において、第一の流体生成装置から高純度
流体と低純度流体の合流点までの流通経路に設けられた
圧力調節手段と、前記圧力調節手段を経て前記合流点側
へ流入する高純度流体の流量を測定し、その流量測定デ
ータを出力する流量測定手段と、前記圧力調節手段より
前の流通経路における圧力から前記圧力調節手段より後
の流通経路における圧力を引いた圧力差を測定し、その
圧力差測定データを出力する圧力差測定手段と、第二の
流体生成装置から前記合流点までの流通経路の圧力を低
下させる圧力低下手段と、前記流量測定データ及び圧力
差測定データのうち少なくとも一方に基づいて前記圧力
低下手段を調節し、前記圧力調節手段の前後における圧
力差が所定範囲となるよう制御する制御手段とを具備す
ることを特徴とする。
【0010】請求項2記載の発明は請求項1記載の発明
において、前記圧力低下手段は、低純度流体を外部へ放
散する放散手段と、低純度流体の前記合流点側への供給
を遮断する遮断手段からなり、放散手段及び遮断手段の
いずれか一方又は両方を用いて前記第二の流体生成装置
から前記合流点までの流通経路の圧力を低下させるもの
とする。
【0011】請求項3記載の発明は、請求項2記載の発
明において、前記制御手段は、前記流量測定データが所
定の値を下回ったときは前記放散手段を調節して前記低
純度流体を放散し、前記圧力差測定データが所定の値を
下回ったときは、前記放散手段を調節して前記低純度流
体を放散するとともに前記遮断手段により低純度流体の
前記合流点側への供給を遮断するよう制御するものとす
る。
【0012】請求項4記載の発明は、請求項1、2又は
3記載の発明において、前記流量測定手段は、前記合流
点以降の総流量から、第二の流体生成装置から前記合流
点までの流通経路の流量を差し引いて前記合流点側へ流
入する高純度流体の流量を測定するものとする。
【0013】
【発明の実施の形態】以下に、図面を参照して発明の実
施の一形態について説明する。図1は、製鉄所の酸素プ
ラントから高炉へ酸素を供給するための配管を示した概
略図である。
【0014】本実施形態の酸素プラントには、図1に示
すように、高純度酸素生成設備1と低純度酸素生成設備
3が設けられている。高純度酸素生成設備1は、例えば
6基の高純度酸素生成装置からなるが、ここではこれら
をまとめて高純度酸素生成設備1とする。高純度酸素生
成設備1は、純度が例えば99.6%の酸素を生成す
る。高純度酸素生成設備1で生成された高純度の酸素
は、高純度酸素母管23によって圧送装置2へ導かれ、
ここから、転炉などの高純度酸素を必要とする需要設備
へ送られ、鋼の精錬などに用いられる。ただし、転炉等
への配管は、本発明には直接関係しないので、その説明
は省略する。
【0015】高純度酸素生成設備1で生成された高純度
の酸素の一部は、配管19を通って圧力調節弁21の方
へ導かれる。そして、圧力調節弁21を通ったあと、配
管20を経て低純度酸素との合流点18に達する。
【0016】低純度酸素生成設備3は、例えば1基の低
純度酸素生成装置からなる。本実施形態では、この低純
度酸素生成装置は、当初は高純度酸素生成装置だったも
のがリプレイスされたものとする。低純度酸素生成設備
3は、純度が例えば90%の酸素を生成する。低純度酸
素生成設備3で生成された低純度の酸素は、配管24を
通って合流点18に達するが、その経路には、遮断弁7
が設けられている。
【0017】合流点18において高純度の酸素と低純度
の酸素が混合された混合後の酸素は、配管10を経て3
つの経路に分配され、酸素の需要設備である3基の高炉
設備S1、S2、S3へ供給される。
【0018】三つの高炉設備S1、S2、S3は基本的に
同様のものなので、ここでは高炉設備S1についてのみ
説明する。配管10によって高炉設備S1に供給された
酸素は、圧力調節弁25を経て酸素富化配管22に入
る。この酸素富化配管22は、送風機14の吸込み側配
管となっている。送風機14がモータ13によって駆動
されると、外部の空気が吸い込まれ、エアーフィルター
12によって濾過される。エアーフィルター12を経た
清浄な空気は、酸素富化配管22から供給される酸素に
よって酸素富化され、25%程度の適当な酸素濃度とさ
れて、高炉15に供給される。
【0019】ところで、前述のように、低純度酸素生成
設備3の低純度酸素生成装置は、元々高純度酸素生成装
置だったものである。高純度酸素生成装置を低純度酸素
生成装置にリプレイスした目的は、次のように、主とし
て総体的なコストを下げることにある。
【0020】低純度酸素生成設備を建設する場合、その
建設コストと、その後の稼動可能な期間にかかる総ラン
ニングコスト(主として電力コスト)とを考慮すると、9
0%程度の純度の酸素を生成するように設計するのが最
も合理的であることが知られている。90%という純度
は、高炉設備S1、S2、S3における空気の酸素富化に
は十分な純度であり、仮に低純度酸素生成設備に十分な
供給能力があれば、その低純度酸素生成整備だけで高炉
の酸素富化に必要な酸素をまかなうこともできる。しか
し、本実施形態では、合流点18において、高純度酸素
生成設備1で生成された高純度酸素の一部と低純度酸素
とを混合し、これを高炉設備S1、S2、S3における酸
素富化に用いることとしている。これは、以下の理由に
よる。
【0021】まず、転炉の場合も高炉の場合も、その稼
働率は生産量に応じて大きく変動し、常に最大稼働率で
稼動しているわけではない。しかし、高純度酸素生成設
備1をはじめとする各種の設備には、転炉等の需要設備
の稼動が最大稼働率となった場合にも余裕をもって対応
できるだけの能力を持たせておく必要がある。その一
方、需要設備が最大稼働率になっていない状況では、設
備の能力が十分に生かされていないことになる。また、
低純度酸素生成設備3については、そのランニングコス
トは高純度酸素生成設備1よりも低いとはいえ、これを
新たに建設するとなると、一基当たりに多大のコストが
かかる。したがって、本実施形態のように、既存の高純
度酸素生成装置が複数ある場合には、そのうちのいくつ
かを、必要な低純度酸素供給能力をやや下回る低純度酸
素生成設備にリプレイスし、それで不足する分について
は、残りの高純度酸素生成装置で生成される過剰な高純
度酸素を利用する。このようにすれば、既存の設備を有
効に活用しながら、建設コスト、ランニングコストを最
小限に抑えることができる。
【0022】また、多数のさまざまな工場から成り立つ
製鉄所では、酸素プラントは必ずしも高炉や転炉の近く
に建設されているとは限らない。この場合に、酸素プラ
ント内の低純度酸素生成設備から遠く離れた高炉設備に
低純度酸素を導くための専用の配管を新たに建設すると
なると、配管の建設にも多大なコストがかかる。このよ
うな場合に、高純度酸素生成設備と、そこから供給され
る酸素を高炉に導くための配管(図1の配管10に相当
する)が既に存在する場合には、上で述べたように高純
度酸素と低純度酸素とを混合するようにすれば、既存の
配管を使って混合した酸素を高炉に導くのに利用するこ
とができるので、配管の建設コストを削減することがで
きる。
【0023】なお、高純度酸素生成設備1と低純度酸素
生成設備3の稼働率が一時的に最大近くになって転炉お
よび高炉に十分な酸素を供給できなくなるような場合も
想定されるが、製鉄所では一般に、このような場合に備
えて予め液体酸素が備蓄されており、必要な場合には、
緊急的に液体酸素を気化させて酸素の供給を継続すると
いう体制が整えられている。
【0024】ところで、酸素供給側(高純度酸素生成設
備1および低純度酸素生成設備3)や負荷側(酸素を消費
する転炉設備や高炉設備)の稼働率が変化すると、配管
内の圧力が大きく変化する。図1に示すように低純度酸
素と高純度酸素とを混合する構成とすると、このような
圧力変化の影響を受けて、低純度酸素が高純度酸素側へ
流入する可能性を考慮する必要がある。なお、本明細書
では、低純度酸素が高純度酸素側へ流入することを「逆
流」と称する。仮に、低純度酸素が高純度酸素側へ逆流
し、転炉へ流れ込んだとすると、鋼の品質が低下し、転
炉の操業を停止しなければならない事態を引き起こす。
このため、低純度酸素の逆流を確実に防止する手段が必
要となる。以下、この逆流防止の制御について説明す
る。
【0025】まず、圧力差に基づいた逆流防止制御に必
要な構成要素について説明する。図1に示すように、高
純度酸素供給側には圧力調節弁21が設けられており、
圧力調節弁21の前後には、配管19と配管20の圧力
差を測定するための差圧計16が設けられている。配管
20側の圧力(圧力調節計9の調節圧力)は、酸素富化配
管22において必要とされる圧力と、混合酸素が配管1
0を流通することによる圧損とを考慮して設定される。
具体的には、配管20側の圧力を1800mmAqとす
る。一方、配管19側の圧力は、配管20側の圧力より
も、酸素が圧力調節弁21を逆流しないだけの十分な圧
力とする。具体的には、例えば両配管の差圧ΔPDが2
00mmAqとなるように、配管19側の圧力を200
0mmAqとする。
【0026】なお、圧送設備2は大規模能力を有する設
備であり、起動時には高純度酸素母管23の圧力が低下
することがある。このため、差圧計16の高圧側(配管
19側)取出し位置は、圧送設備2に近い位置を選定す
る。
【0027】圧力調節計9は、差圧計16からの測定デ
ータに基づいて圧力調節弁21の開度を変えることがで
き、これにより配管19と配管20の差圧ΔPDを上記
の一定値に維持しようとする。差圧計16が測定する圧
力差を示すデータは、演算制御装置17にも供給され
る。演算制御装置17は、この圧力差を示すデータを、
後述の逆流防止制御のための情報の一つとして用いる。
【0028】次に、酸素の流量に基づいた逆流防止制御
に必要な構成要素について説明する。図1に示すよう
に、高炉設備S1には、流量調節計11が設けられてい
る。これは、高炉設備S1に流入してきた酸素の流量を
測定し、必要に応じて調節弁25の開度を変えて酸素富
化配管22への流入量を調節する。高炉設備S2、S3
も同様の流量調節計が設けられている(これらも同じ符
号11で表す)。各流量調節計11で得られた流量を示
すデータは演算制御装置17に供給され、ここで加算さ
れて、合計流量が求められる。
【0029】低純度酸素生成設備3につながる配管24
には流量計8が設けられており、ここで得られた流量を
示すデータも、演算制御装置17に供給される。演算制
御装置17は、前述の流量調節計11の合計流量から流
量計8の流量を差し引く。これにより得られる値QT
は、高純度酸素生成設備1から供給され合流点18に流
入する高純度酸素の流量に対応する。そして、演算制御
装置17は、この高純度酸素の流量QTを示すデータ
を、後述の逆流防止制御のための情報の一つとして用い
る。ここでは、QTが5000Nm3/H(1時間あた
り、0℃1気圧換算で5000m3)に維持されるよう調
節する。
【0030】ところで、低純度酸素が高純度酸素側に逆
流する現象は、配管19側の圧力が配管20側の圧力よ
りも低くなった場合に起こる。図1には、低純度酸素側
の経路に、放散弁6と遮断弁7が設けられている。放散
弁6は、これを開くことによって低純度酸素を外部へ放
散することができ、この放散によって配管20側の圧力
を下げることができる。放散弁6の規定開度は、実機で
の調整試験によって決定する。遮断弁7は、低純度酸素
をここで完全に遮断するための弁であり、これを遮断す
ることによって、これより先へは低純度酸素が供給され
なくなる。したがって、遮断弁7を遮断することによっ
ても、配管20側の圧力を下げることができる。
【0031】演算制御装置17は、前述の差圧計16が
測定する圧力差を示すデータ及び高純度酸素の流量QT
を示すデータに基づいて、放散弁6の開度および遮断弁
7の遮断/非遮断を制御し、配管19側の圧力を配管2
0側の圧力よりも一定の差圧以上に低くなるように維持
し、低純度酸素が圧力調節弁21を通って高純度酸素側
へ流れ込むことを防止する。ただし、実際に配管19側
の圧力が配管20側の圧力より低くなったことを検出し
てから具体的な逆流防止措置を講じたのでは間に合わな
いので、逆流が起こりそうな状況を事前に察知して、確
実に逆流を防止すべく、制御装置17は以下のような動
作を行う。
【0032】図2は、演算制御手段17による、逆流防
止制御の動作を示したフローチャートである。演算制御
手段17は、まず、高純度酸素の流量QTを、予め設定
された値QL1=5000Nm3/Hと比較する(Step1
0)。そして、QTがQL1よりも大きければ(Step10
でYであれば)、続いて、差圧計16が示す配管19と
配管20の差圧ΔPDが予め設定された値PL1よりも
大きいかどうかを判定する(Step11)。この差圧ΔPD
がPL1よりも大きければ(Step11でYであれば)、通
常の圧力制御を行うが(Step13)、差圧ΔPDがPL1
以下であれば、駆動エアー切換回路5を駆動して放散弁
(圧力調節弁)6を規定開度まで強制的に開放して(Step
12)、差圧PDを大きくしようとする。
【0033】一方、Step10においてQTがQL1以下
の場合(Nの場合)には、まずStep11の場合と同じく差
圧ΔPDが値PL1よりも大きいかどうかを判定する(S
tep14)。そして、差圧ΔPDが値PL1よりも大きけ
れば(Step14でYであれば)、駆動エアー切換回路5を
駆動して放散弁6を規定の開度まで強制的に開いた上で
(Step15)Step10に戻り、再び高純度酸素の流量QT
をQL1と比較する(Step10)。これに対し、Step14
で差圧ΔPDが値PL1以下であれば(Nであれば)、逆
流の危険が高まったとして、駆動エアー切換回路5を駆
動して放散弁6を全開にし(Step16)、低純度酸素を最
大限に放散するとともに、遮断弁7を遮断する。
【0034】以上の動作によって、低純度酸素が高純度
酸素側へ逆流することを確実に防止することができる。
なお、図1に示すように、低純度酸素側の配管24に
は、圧力調節計4が設けられており、配管24内の圧力
が常時検出されている。そして、この中の圧力が異常に
高くなったときは、放散弁6を開いて、配管24内部の
圧力を正常な圧力に戻すようにしている。
【0035】以上、発明の実施の一形態について説明し
たが、本発明は上記実施形態に限定されるものではな
く、その要旨の範囲内で種々の変形が可能である。例え
ば、上記実施形態では、酸素プラントで生成された気体
の酸素を転炉や高炉に供給する場合について説明した
が、本発明は、酸素以外の気体であっても、純度の異な
る流体を混合し、かつ、低純度の流体の高純度側への逆
流を確実に防止する必要がある施設であれば、同様に適
用することができる。
【0036】
【発明の効果】本発明では、圧力低下手段を用いて第二
の流体生成装置から合流点までの流通経路の圧力を低下
させることにより、圧力調節手段を介して低純度流体が
逆流するのを防止するが、その際に、高純度流体の流量
と、圧力調節手段の前後における圧力差の二つに基づい
て、前記圧力低下手段の動作を制御するので、逆流防止
を確実に行なうことができる。また、圧力低下手段につ
いても、低純度流体を外部へ放散する放散手段および低
純度流体の合流点側への供給を遮断する遮断手段の二つ
を設けているので、逆流防止がより確実となる。したが
って、本発明を、高純度酸素を必要とする転炉と酸素富
化が行なわれる高炉を有する製鉄所の酸素プラント適用
すると、総合的なコストを低く抑えつつ、低純度酸素が
高純度側へ逆流することを確実に防止することが可能と
なる。
【図面の簡単な説明】
【図1】製鉄所の酸素プラントから高炉へ酸素を供給す
るための配管を示した概略図である。
【図2】演算制御手段による、逆流防止制御の動作を示
したフローチャートである。
【符号の説明】
1 高純度酸酸素生成設備 2 圧送装置 3 低純度酸酸素生成設備 4,9 圧力調節計 5 駆動エアー切換回路 6 放散弁 7 遮断弁 8 流量計 10,19,20,24 配管 11 流量調節計 12 エアーフィルター 13 モータ 14 送風機 15 高炉 16 差圧計 17 演算制御装置 18 合流点 21 圧力調節弁 22 酸素富化配管 23 高純度酸素母管 25 圧力調節弁 S1,S2,S3 高炉炉設備
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 斉藤 忠茂 千葉県君津市君津1番地 新日本製鐵株式 会社君津製鐵所内 (72)発明者 竹田 正勝 千葉県君津市君津1番地 新日本製鐵株式 会社君津製鐵所内 Fターム(参考) 3J071 AA02 BB11 BB14 DD26 EE01 EE18 EE24 EE25 FF05 4K002 AD10 AF10 4K012 BE04 4K015 AD05 AD10

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 第一の流体生成装置から気体として供給
    される高純度流体と、第二の流体生成装置から気体とし
    て供給される低純度流体を混合して、需要設備へ供給す
    る流体供給設備において、 第一の流体生成装置から高純度流体と低純度流体の合流
    点までの流通経路に設けられた圧力調節手段と、 前記圧力調節手段を経て前記合流点側へ流入する高純度
    流体の流量を測定し、その流量測定データを出力する流
    量測定手段と、 前記圧力調節手段より前の流通経路における圧力から前
    記圧力調節手段より後の流通経路における圧力を差し引
    いた圧力差を測定し、その圧力差測定データを出力する
    圧力差測定手段と、 第二の流体生成装置から前記合流点までの流通経路の圧
    力を低下させる圧力低下手段と、 前記流量測定データ及び圧力差測定データのうち少なく
    とも一方に基づいて前記圧力低下手段を調節し、前記圧
    力調節手段の前後における圧力差が所定範囲となるよう
    制御する制御手段と、 を具備することを特徴とする流体供給設備。
  2. 【請求項2】 前記圧力低下手段は、低純度流体を外部
    へ放散する放散手段と、低純度流体の前記合流点側への
    供給を遮断する遮断手段からなり、放散手段及び遮断手
    段のいずれか一方又は両方を用いて前記第二の流体生成
    装置から前記合流点までの流通経路の圧力を低下させる
    ものである請求項1記載の流体供給設備。
  3. 【請求項3】 前記制御手段は、前記流量測定データが
    所定の値を下回ったときは前記放散手段を調節して前記
    低純度流体を放散し、前記圧力差測定データが所定の値
    を下回ったときは、前記放散手段を調節して前記低純度
    流体を放散するとともに前記遮断手段により低純度流体
    の前記合流点側への供給を遮断するよう制御するもので
    ある請求項2記載の流体供給設備。
  4. 【請求項4】 前記流量測定手段は、前記合流点以降の
    総流量から、第二の流体生成装置から前記合流点までの
    流通経路の流量を差し引いて前記合流点側へ流入する高
    純度流体の流量を測定するものである請求項1、2又は
    3記載の流体供給設備。
  5. 【請求項5】 前記流体は、酸素であることを特徴とす
    る請求項1、2、3又は4記載の流体供給設備。
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