JP2004218871A - 深冷空気分離プラント - Google Patents
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Abstract
【課題】プラント停止の未然防止、ハード損傷の未然防止等を行うことにより、プラントの連続安定運転性を確保できるようにした深冷空気分離の窒素発生プラントを提供することにある。
【解決手段】本発明は、原料空気圧縮機１にて大気から圧縮され、吸着塔３にて前処理された空気を原料とし、該原料の空気からコールドボックス１１において深冷分離法にて主に窒素ガス又は液体窒素の製品を分離連続生産する深冷空気分離プラントであって、前記深冷空気分離プラントの運転状態を長期的に監視することによってプラント停止に至る兆候を自己診断し、該自己診断の結果前記兆候が認められた時点において警報を発し、更に前記兆候をうち消す方向の制御を可能な範囲で開始させるＤＣＳ制御計算機５０を備えたことを特徴とする。
【選択図】 図１
【解決手段】本発明は、原料空気圧縮機１にて大気から圧縮され、吸着塔３にて前処理された空気を原料とし、該原料の空気からコールドボックス１１において深冷分離法にて主に窒素ガス又は液体窒素の製品を分離連続生産する深冷空気分離プラントであって、前記深冷空気分離プラントの運転状態を長期的に監視することによってプラント停止に至る兆候を自己診断し、該自己診断の結果前記兆候が認められた時点において警報を発し、更に前記兆候をうち消す方向の制御を可能な範囲で開始させるＤＣＳ制御計算機５０を備えたことを特徴とする。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＤＣＳ（分配制御システム：Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ）制御において自己診断制御機能を有する酸素プラントや窒素発生装置等の深冷空気分離プラント（装置）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
原料空気圧縮機で所定の圧力まで圧縮され、吸着塔等で水分除去、ＣＯ２除去等を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精留により連続生産するプラントにおいては、プラント各所の圧力、流量、温度、液面、純度制御等はＤＣＳ（分配制御システム）制御にて統合され、全体を安定運転させる制御系が構築されているのが一般的である。
【０００３】
これらの制御システムは、プラント各所のプロセスデータをＤＣＳへ取込み、各々のマイナループ制御にてそれぞれの所定のプロセス値に制御すると同時に、それぞれのループ制御を組み合わせたカスケード動作を行わせることにより、プラント全体の自動起動、定常運転、操業変更、自動停止等の工程制御もこなすに至っている。
【０００４】
ところが、年間の定常運転において、ハード側の長時間に渡る経時変化により、運転状態が安定運転範囲を超えてしまう場合があり、これらは、下流側の他のプロセス値の警報や、インタロックにより検出されることになり、その時点では、回復不能であり、一旦プラント停止、全加温運転、再起動といった事態に陥ることを余儀なくされる場合が多い。
【０００５】
また、その場合でも、原因の究明にはＤＣＳの過去のトレンドデータを長時間のスパンで追っていく結果、兆候はかなり前から表れていたことも解明されることも多い。
【０００６】
以前であれば、プラント運転管理は、専属の運転管理者が逐次監視しており、この種の兆候は事前に察知出来るのが常であったが、最近の傾向として、運転人員の省力化や指定設備（無人運転）のケースも多く、運転状態のきめ細かな解析が日々行われていない実態であり、事前に防げる停止トラブルも多くなってきている。
【０００７】
例えば、窒素発生装置の深冷空気分離装置においては、原料の空気を深冷状態の保冷槽に導入する全流において前処理装置と言われる吸着塔にて原料空気中の水分とＣＯ２等を除去する装置が組み込まれるのが常である。この吸着塔の運転条件が長時間に渡って変化し、吸着塔での水分、ＣＯ２の除去能力が徐々に低下していった場合には、吸着塔で除去出来なかった水分やＣＯ２が保冷槽（空気熱交交換器）へ定常的に持ち込まれ、低温状態での固化により流路閉塞し、プラントの連続運転が出来なくなる。この現象は、吸着塔出口の不純物（水分、ＣＯ２）濃度変化を直接測定しつづけなくても、熱交換器前後の圧力損失を長時間監視しつづけることで検知できる。実際にこの事象で運転継続不可能になった場合は、熱交間器閉塞に至る傾向を過去にさかのぼってＤＣＳのトレンドデータから検証することになる。
【０００８】
また、深冷空気分離装置の従来技術としては、特開平１１−３１６０７９号公報（従来技術１）において知られている。この従来技術１には、原料空気を深冷分離して液体窒素およびガス窒素を発生する精留塔と、この精留塔に供給される原料空気の量を調整する原料空気入口弁と、装置運転のための各種データが記憶されたマイクロコンピュータとを備えた窒素発生装置において、マイクロコンピュータは上記液体窒素およびガス窒素の採取量データが入力され、この採取量データと上記各種データとに基づいた演算結果に応じて原料空気入口弁を制御するようにした窒素発生装置の運転方法が記載されている。
【０００９】
【特許文献１】
特開平１１−３１６０７９号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
昨今の深冷空気分離プラントでは、運転管理者の省力化や、指定設備等の無人運転のプラントが増加してきており、日々の運転状況を逐一解析している実態に無い。この状況において、プラントが以前から連続運転を阻害しかねないトラブルの兆候にあっても、最終的にインタロックにて運転継続不能状態になって警報・停止することになり、その時点では、一旦停止し、対応処置をした後に、再起動を行うことになる。また、上記吸着塔の事例では、吸着塔の再生条件が経時的に悪化した場合には、プラント運転が出来なくなった時点では、吸着剤が破過し、再生に非常に時間を有する場合には、運転再開時間との兼ね合いで吸着剤を交換する事態になる。
【００１１】
また、この原因解析においても過去のデータを取り出して、圧力損失の増大具合の差し引きデータトレンドを人力で作成・評価しているのが実態である。
【００１２】
本発明の目的は、上記課題を解決すべく、プラント停止の未然防止、ハード損傷の未然防止等を行うことにより、プラントの連続安定運転性を確保できるようにした深冷空気分離プラントを提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、原料空気圧縮機にて大気から圧縮され、吸着塔にて前処理された空気を原料とし、該原料の空気からコールドボックスにおいて深冷分離法にて主に窒素ガス又は液体窒素の製品を分離連続生産する深冷空気分離プラントであって、前記深冷空気分離プラントの運転状態を長期的に監視することによってプラント停止に至る兆候を自己診断し、該自己診断の結果前記兆候が認められた時点（変化率が規定値を越えた時点）において警報を発し、更に前記兆候をうち消す方向の制御を可能な範囲で開始させるＤＣＳ制御計算機を備えたことを特徴とする。
【００１４】
また、本発明は、前記深冷空気分離プラントにおけるＤＣＳ制御計算機において、更に、前記自己診断の結果を基に、予め用意された是正方向へ前記深冷空気分離プラントを自動的に運転移行させるように制御することを特徴とする。
【００１５】
また、本発明は、前記深冷空気分離プラントにおけるＤＣＳ制御計算機において、更に、前記自己診断の結果異常兆候が表れたときに、このまま運転を持続した場合の運転可能日数を算出して通知することを特徴とする。
【００１６】
また、本発明は、原料空気圧縮機にて大気から圧縮され、吸着塔にて前処理された空気を原料とし、該原料の空気からコールドボックスにおいて深冷分離法にて主に窒素ガス又は液体窒素の製品を分離連続生産する深冷空気分離プラントであって、前記吸着塔の運転状態を長期的に監視することによってプラント停止に至る兆候を自己診断し、該自己診断の結果前記兆候が認められた時点において警報を発し、更に前記兆候をうち消す方向の吸着塔再生条件改善制御を可能な範囲で開始させるＤＣＳ制御計算機を備えたことを特徴とする。
【００１７】
また、本発明は、前記深冷空気分離プラントにおいて、更に、少なくとも前記吸着塔と前記コールドボックス内の精留塔との間に設けられた空気熱交換器の前後の圧力損失を計測する計測手段を備え、前記ＤＣＳ制御計算機において前記吸着塔の運転状態の長期的な監視を、前記計測手段で計測された少なくとも空気熱交換器の前後の圧力損失を基に行うように構成したことを特徴とする。
【００１８】
また、本発明は、前記深冷空気分離プラントにおいて、更に、前記吸着塔へ入力される圧縮空気の温度および圧力を計測する計測手段を備え、前記ＤＣＳ制御計算機において前記吸着塔の運転状態の長期的な監視を、前記計測手段で計測される圧縮空気の温度および圧力に応じて決まる水分負荷を基に行うように構成したことを特徴とする。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明に係る深冷空気分離プラント（装置）の自己診断制御方法およびそのシステムの実施の形態について図１および図２を用いて説明する。
【００２０】
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プラント（装置）の場合について説明する。図１には、深冷空気分離プラント（装置）の構成例を示す。原料空気圧縮機１は、大気中の空気を吸入し、所定の圧力まで昇圧するものである。原料空気圧縮機１から吐出する圧縮空気は、一般に約９０〜１００℃の温度を有するため、該圧縮空気を吸着塔３の運転温度まで冷却するために冷却水（Ｃ．Ｗ．）が供給される冷却塔２が設けられる。空気の分離は低温状態に保たれた保冷槽（コールドボックス）１１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３が設けられている。該吸着塔３は、水分やＣＯ２成分等を除去する吸着サイクル（例えば１５分程度の吸着運転）と再生サイクル（例えば３０分程度の再生運転）とが繰り返されるため、後述する吸着塔再生条件改善制御動作（自己修正制御動作）としては、放出弁３０を制御して吸着塔３へ回す再生ガスの量を制御する動作がある。また、後述する吸着塔再生条件改善制御動作（自己修正制御動作）としては、ＴＳＡ（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｓｗｉｎｇ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ）吸着塔の場合には、再生ガスを加熱器（図示せず）で加熱して吸着塔３へ供給する流路も存在するので、上記加熱器の温度制御動作も含むことになる。更に、後述する吸着塔再生条件改善制御動作としては、放出弁３１を制御して製品送出の流量を制御する動作がある。
【００２１】
２０は、原料空気圧縮機１から吐出する圧縮空気の流量を計測する流量計測器ＦＩであり、計測された圧縮空気の流量がＧＣＳ（分配制御システム：Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ）制御計算機５０に入力される。２１は、原料空気圧縮機１から吐出する圧縮空気の圧力を計測する圧力計測器ＰＩであり、計測された圧縮空気の圧力がＧＣＳ制御計算機５０に入力される。２４は、吸着塔３の出口圧力を計測する圧力計測器ＰＩであり、計測された吸着塔の出口圧力がＧＣＳ制御計算機５０に入力される。２５は、吸着塔３に送り込まれる再生ガスの圧力を計測する圧力計測器ＰＩであり、計測された再生ガスの圧力がＧＣＳ制御計算機５０に入力される。２６は、吸着塔３の入口の温度を計測する温度計測器ＴＩであり、計測された吸着塔入口温度をＧＣＳ制御計算機５０に入力される。これらの空気前処理段階では、図のＰＳＡ（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｗｉｎｇ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ）の例の他に、ＴＳＡ方式等の様々な方式があり、図１の機器構成限りではない。
【００２２】
吸着塔３を出た空気は、製品のガスに製品分離される保冷槽（コールドボックス）１１へ供給される。空気は、空気熱交換器４にて液化点近傍まで冷却され、精留塔５へ供給される。精留塔５では、原料の深冷空気（蒸気）を上昇させ、上部の窒素凝縮器６から流下する液体と直接接触させて精留することにより、高純度（１〜０．１ｐｐｍＯ２程度）の製品窒素ガスおよび製品液体窒素を低温状態で塔頂部５ａから抽出する。窒素凝縮器６では、精留塔５の頂部５ａの低温窒素ガスを精留塔５の下降液にするための熱交換器であり、凝縮の冷熱源には、低温窒素ガス側よりさらに温度の低い圧力の液体空気が利用される。この液体空気は、精留塔５の下部の液体空気からライン１５を介して供給されるが、上記窒素凝縮器６の熱交換を成立させるために、その組成に応じて所定の圧力に膨張する。この窒素凝縮器６で蒸発した液体空気（５０〜７０％程度の酸素ガス）はライン１８から廃ガスとして空気熱交換器４を介し、常温に温度回復して保冷槽１１の外部へ出るが、一部の廃ガスは膨張タービン７の方へ送られ、保冷槽１１の内部の必要寒冷すべてを発生する。また、残りの廃ガスは再生ガスとして吸着塔３の上部に供給されることになる。なお、膨張タービン７の駆動側には、吸着塔３から出力される圧縮空気の一部が供給されて膨張タービン７が駆動されることになる。
【００２３】
一方、精留塔５の頂部５ａから抽出された製品窒素ガス（ＧＮ２）は、空気熱交換器４で常温まで温度回復した後、需要側へ送られる。このとき、窒素ガスが所定の圧力になるまで放出し、所定の圧力になった時点で放出が停止（ＢＬＯＷＯＦＦ）され、製品として需要側へ送られる。さらに、精留塔５の頂部５ａからライン１７に抽出された液体窒素（ＬＮ２）は製品として保冷槽１１の外で取り出され、需要側へ送られる。このとき、液体窒素が所定の流量が得られるまで放散塔１２から放散され、所定の流量が得られた時点で製品として需要側に送られる。
【００２４】
２７は、精留塔５の圧力Ｐ２７を計測する圧力計測器ＰＩであり、計測された精留塔の圧力Ｐ２７がＧＣＳ制御計算機５０に入力される。２８は、例えば製品窒素ガスの圧力Ｐ２８を計測する圧力計測器ＰＩであり、計測された例えば製品窒素ガスの圧力Ｐ２８がＧＣＳ制御計算機５０に入力される。製品として酸素ガスの場合は、精留塔５の上塔から熱交換器４を介して出力される製品酸素ガスの圧力が計測されてＧＣＳ制御計算機５０に入力させることになる。なお、ＰＩは圧力計測器、ＬＩは液面高さ（液量）計測器、ＦＩは流量計測器、ＱＩは量計測器、ＴＩは温度計測器、ＳＩは測度計測器であり、それらの計測値は、ＧＣＳ制御計算機５０に入力され、表示装置５２に表示することも可能である。
【００２５】
以上が本発明に係る窒素発生装置である深冷空気分離プラント（装置）のプロセスである。
【００２６】
このプロセスにおいて、連続運転困難となるトラブルの一実施例として吸着塔３に水分・ＣＯ２除去量低下という現象がある。これは、吸着塔３が何らかの要因で、水分・ＣＯ２除去量が長期に渡り経時的に低下した場合、後流の保冷槽１１側へ混入する水分・ＣＯ２（不純物）の量は徐々に増加していく。長期時間経過後の結果として、これら不純物は、低温の空気熱交換器４の内部で固化・成長していく。これにより、空気熱交換器４の空気流路は徐々に閉塞傾向になり、この結果空気熱交換器４前後の圧力損失（圧力差（ΔＰ１）＝（圧力計測器ＰＩ２４で計測される吸着塔の出口圧力）Ｐ２４−（圧力計測器ＰＩ２７で計測される精留塔の圧力）Ｐ２７）は、本来は一定値であるべきところ、図２に６１で示す如く、除々に増加に転じる。この結果、原料空気が後流の精留塔５へ供給されにくくなり、一定量の製品を採取し続けると、純度低下を招き、最終的には、製品量（例えば製品窒素ガスＧＮ２および製品液体窒素ＬＮ２）の自動減量または純度異常で運転停止に至ることになる。
【００２７】
そこで、本発明に係る第１の実施の形態は、ＤＣＳ制御計算機５０が、深冷空気分離プラントの運転状態を年間を通じて長期的に監視することによってプラント停止に至る兆候を自己診断し（日々のデータ（例えば、Ｐ２１、Ｐ２４、Ｐ２５、Ｐ２７、Ｐ２８、Ｔ２６、Ｆ２０等）から数項目（例えば各圧力差ΔＰ１〜ΔＰ３）に渡る自己診断を実施し）、該自己診断の結果前記兆候が認められた時点（変化率が規定値を越えた時点）において警報を発し、更に前記兆候をうち消す方向の制御を可能な範囲で開始させる機能を有する。また、ＤＣＳ制御計算機５０が、前記自己診断の結果を基に、予め用意された是正方向へプラント、特に吸着塔３を自動的に運転移行させる機能を有する。また、ＤＣＳ制御計算機５０が、前記自己診断の結果異常兆候が表れたときに、このまま運転を持続した場合の運転可能日数を内部関数で算出して表示装置５２等の出力手段へ出力して管理者等に通知する機能を有する。
【００２８】
即ち、第１の実施の形態は、原料空気が後流の精留塔５へ供給されにくくなるのを事前に察知し、連続運転不能に至る前に処置を行うため、ＤＣＳ制御計算機５０において、事前に次に示す各圧力損失（ΔＰ１、ΔＰ２、ΔＰ３）の経時挙動を記録していき、ある既定値を越えて、且つ、増加傾向が続くなら警報等を発生する機能を持たせることにある。即ち、ＤＣＳ制御計算機５００は、経時的に各圧力差ΔＰ１〜ΔＰ３をモニタし、異常な上昇傾向が出れば、警報等を発生させて改善処置を管理者へ通知し、改善されない場合には、プラントが自動で延命目的で、各種制御を行ってその対策（吸着塔については、後述する吸着塔再生条件改善制御がある。）を行い、これら要因が排除されたら、また元に戻すことになる。
【００２９】
圧力差（圧力損失）ΔＰ１＝（圧力計測器ＰＩ２４で計測される吸着塔の出口圧力）Ｐ２４−（圧力計測器ＰＩ２７で計測される精留塔の圧力）Ｐ２７
圧力差（圧力損失）ΔＰ２＝（圧力計測器ＰＩ２１で計測される原料空気圧力）Ｐ２１−（圧力計測器ＰＩ２７で計測される精留塔の圧力）Ｐ２７
圧力差（圧力損失）ΔＰ３＝（圧力計測器ＰＩ２７で計測される精留塔の圧力）Ｐ２７−（圧力計測器ＰＩ２８で計測される製品ガス圧力）Ｐ２８
上記圧力差ΔＰ１が増加傾向になるのは、前述したように、吸着塔３が何らかの要因で、水分・ＣＯ２除去量が長期に渡り経時的に低下することにより後流の保冷槽１１側へ混入する水分・ＣＯ２（不純物）の量が徐々に増加し、その長期時間経過後の結果として不純物が低温の空気熱交換器４の内部で固化・成長し、空気熱交換器４の空気流路が徐々に閉塞傾向になるためである。そして、圧力差ΔＰ１が増加すると、原料空気圧縮機１の吐出圧力が上昇するが、後述する制御弁２２がＰＩＣ（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ−Ｉｎｔｅｇｒａｌ Ｃｏｎｔｒｏｌ）制御されているため、流量が減り、図２に示すように、圧力差ΔＰ２、ΔＰ３はあまり変化しないことになる。
【００３０】
また、上記圧力差ΔＰ２を算出するのは、吸着塔３への流路（原料空気圧縮機１の出口から吸着塔３まで（吸着塔も含む）の流路）の健全性を調べるためである。即ち、上記圧力差ΔＰ１に変動がなく（ほぼ基準値であり）、上記圧力差ΔＰ２に変動（例えば増加傾向）が生じた場合には、吸着塔３の入口側の流路、特に吸着塔３の内部に異常が生じたものと推測することが可能となる。なお、２２は、ＤＣＳ制御計算機５０からの制御指令に基づいてＰＩＣ制御される放出制御弁で、該放出制御弁２２を制御して圧縮空気の一部を放出器１０から放出（ＢＬＯＷ）することによって吸着塔３への圧縮空気の流量が制御される。２３は、ＤＣＳ制御計算機５０からの制御指令に基づいてＰＩＣ制御される制御弁で、該制御弁２３を制御することによって原料空気圧縮機１に供給（ＦＥＥＤ）される原料空気が制御される。９は、各段の吸着塔３へ入力される圧縮空気を放出（ＢＬＯＷ）するための放出器である。
【００３１】
また、上記圧力差ΔＰ３を算出するのは、精留塔５から需要側に送られる製品窒素ガス（ＧＮ２）までの流路、特に空気熱交換器４の健全性を調べるためである。即ち、上記圧力差ΔＰ１に変動がなく（ほぼ基準値であり）、上記圧力差ΔＰ３に変動（例えば増加傾向）が生じた場合には、精留塔５から需要側に送られる製品窒素ガスまでの流路、特に空気熱交換器４の内部等に異常が生じたものと推測することが可能となる。
【００３２】
次に、本発明に係る吸着塔３に関する第１の実施例について説明する。該第１の実施例では、ＤＣＳ制御計算機５０の内部に常に取り込まれる、原料空気圧縮機１の吐出圧力データＰ２１、吸着塔３の出口圧力データＰ２４、精留塔５の圧力データＰ２７、製品窒素ガスＧＮ２の圧力データＰ２８から内部計算で各圧力差（圧力損失）を算出したものを差圧データとして例えば１日の平均値を記録し続け、例えば日ごとの増加率／減少率も計算する。ＤＣＳ制御計算機５０には、記憶装置５３または内部のメモリ等に警報発令、さらには自己修正動作に入るプログラムを組み込まれているため、ＤＣＳ制御計算機５０は、これら増加率や減少率が規定以上を持続した場合に、警報発令、さらには吸着塔再生条件改善制御動作（自己修正制御動作）に入ることになる。
【００３３】
即ち、図３に示すように、ＤＣＳ制御計算機５０は、圧力差ΔＰ１を時々刻々（τ）計算し、圧力差ΔＰ１の変化測度（例えば日単位）が図２に示す如く判断点▲１▼において基準値を超え、増加傾向にあると判定した場合（ステップＳ３１）には、「吸着塔の除去能力低下、早めに再生条件改善処理をしなさい。」との発報（警告発令）を出力する（ステップＳ３２）。出力としては、警報を発してもよく、また表示装置５２に警告を表示してもよい。
【００３４】
さらには、ＤＣＳ制御計算機５０は、時々刻々（τ）計算された圧力差ΔＰ１の変化測度（例えば日単位）が図２に示す如く判断点▲２▼に到達すると、「吸着塔再生条件改善制御動作自動実行（自己修正制御動作自動実行）」が発報が出力され（ステップＳ３３）、再生ラインにおける放出制御弁３０へのＰＩＣ制御における再生ガスの圧力制御設定値ＳＶが増加するように変更されて吸着塔３へ回す再生ガス量が増加するように制御され（ステップＳ３４）、また製品送出の流量制御弁３２へのＰＩＣ制御における製品送出の流量制御設定値が減少させるように変更されて製品量が自動減量開始される（ステップＳ３５）。
【００３５】
ところで、吸着塔３は、吸着サイクル（例えば１５分程度の吸着運転）と再生サイクル（例えば３０分程度の再生運転）とが繰り返されるため、吸着塔再生条件改善制御動作（自己修正制御動作）としては、放出制御弁３０を制御して吸着塔３へ回す再生ガスの量を制御する動作がある。即ち、吸着塔３の再生ガス量は、ＤＣＳ制御計算機５０からの制御指令（再生ガスの圧力制御設定値ＳＶ）に基く再生ラインのＰＩＣ制御で制御される。この設定値ＳＶが高いほど放出制御弁３０が閉じる方向となり、吸着塔３へ回る再生ガスが増加することになる。つまり、ステップＳ３３における吸着塔再生条件改善制御動作は、ＤＣＳ制御計算機５０が再生条件が悪くなったと判断すると、再生ラインのＰＩＣ制御の設定値ＳＶを自動で高く変更すること（ステップＳ３４）を意味する。このとき、放出制御弁３０のＰＩＣ制御は、保冷槽１１の内部の主凝縮器（窒素凝縮器）６の圧力へも影響することになるので、上記設定値ＳＶは主凝縮器６の圧力が許容される範囲で上げることになる。これを凝縮器圧力制限付と称する。また、吸着塔再生条件改善制御動作としては、ＴＳＡ吸着塔の場合には、再生ガスを加熱器（図示せず）で加熱して吸着塔３へ供給する流路も存在するので、上記加熱器の温度制御動作も含むことになる。即ち、ＴＳＡ吸着塔の場合において、ＤＣＳ制御計算機５０は、温度計ＴＩ３３で計測される測器再生ガスブロー温度（ＴＳＡ吸着塔で再生ガスの出口温度）の長期的な傾向を監視し、異常傾向にあれば、放出制御弁３０を閉じるように制御して再生ガスの自動増加および／または上記加熱器（図示せず）を制御して再生温度の自動変更を行う。
【００３６】
また、吸着塔再生条件改善制御動作としては、流量制御弁３２をＰＩＣ制御して製品送出の流量を制御する動作がある。即ち、需要側に送られる製品量（製品窒素ガス量）は、ＤＣＳ制御計算機５０からの制御指令（流量制御設定値）に基く製品送出のＰＩＣ制御で制御される。この設定値が低いほど流量制御弁３２が絞られる方向となり、需要側に送られる製品量が減少することになる。つまり、ステップＳ３３における吸着塔再生条件改善制御動作は、ＤＣＳ制御計算機５０が再生条件が悪くなったと判断すると、製品送出のＰＩＣ制御の設定値を自動で低く変更すること（ステップＳ３５）を意味する。このとき、流量制御弁３２のＰＩＣ制御において急激に減量すると精留塔５に影響することになるので、上記設定値は減量する速度が許容される範囲で下げることになる。これを減量速度下限付きと称する。
【００３７】
次に、本発明に係る吸着塔３に関する第２の実施例について説明する。該第２の実施例では、ＤＣＳ制御計算機５０は、温度計測器２６で計測されて入力される吸着塔３の入口の温度Ｔ２６および圧力計測器２１で計測されて入力される圧力Ｐ２１の経時変化から、水分負荷を事前に入力した一次関数（図４（ａ）、（ｂ）に示す）から自動計算し、該計算された水分負荷が吸着塔３の能力を超えた状態の時間が長い（継続した）場合には、第１の実施例と同様に警報を出し、自動的に上記再生条件改善制御動作（再生ガス圧力変更制御および、原料空気量制御、製品量制御）を行う。ところで、吸着塔３の入口の温度および圧力が決まれば、吸着塔３に入力される空気に含まれる水分量が図３（ａ）、（ｂ）に示すように一律に決まることになる。従って、吸着塔３に入力される空気は、相対湿度１００％のウエット空気であるので、その圧力および温度で決まる飽和水分量が吸着塔３への水分負荷となる。
【００３８】
以上説明した実施の形態によれば、深冷空気分離プラントにおいて、各プロセス値からＤＣＳ制御計算機５０で計算した各判断指針が、規定値を越え続けた場合に、自動で警報を出し、改善処置を管理者へ通知すると同時に改善されない場合には、プラントが自動で延命目的で、上記各種制御を行うことによって連続運転不能まで陥った状態でのプラント停止を無くすことが可能となる。即ち、深冷空気分離プラントにおいて、ＤＣＳ制御計算機５０にてプラントの長期的な観点からの異常兆候を内部計算、警報を出すことで、プラント管理者に注意を促すと共に、その兆候がある限度を超えた場合は自動で、是正動作を行うことが可能となる。
【００３９】
【発明の効果】
本発明によれば、自動診断制御に基づいてプラント停止の未然防止、ハード損傷の未然防止等を行うことにより、プラントの連続安定運転性を確保できるようにした深冷空気分離プラントを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る深冷空気分離プラント（装置）の一実施の形態を示す構成図である。
【図２】本発明に係る空気熱交換器の前後の圧力差（圧力損失）（ΔＰ１）、原料空気圧縮機の吐出圧力と精留塔の圧力との圧力差（ΔＰ２）および精留塔の圧力と製品窒素ガス圧力との圧力差（ΔＰ３）の経時変化の一実施例を示す図である。
【図３】本発明に係るＤＣＳ制御計算機における演算・制御指令の処理フロー（演算・制御機能）を示す図である。
【図４】本発明に係る吸着塔の入口における圧縮空気の圧力および温度と吸着塔への水分負荷を示す飽和水分量との関係を示す図である。
【符号の説明】
１…原料空気圧縮機、２…冷却塔、３…吸着塔、４…空気熱交換器、５…コールドボックス（保冷槽）、６…主凝縮器（窒素凝縮器）、７…膨張タービン、８…膨張タービンクーラ、９…放出器、１０…放出器、１２…放散塔、２０…流量計測器ＦＩ、２１、２４、２５、２７、２８…圧力計測器ＰＩ、２２、３０、３１…放出制御弁、２３…制御弁、２６、３３…温度計測器、３２…流量制御弁、５０…ＤＣＳ制御計算機、５１…入力手段、５２…出力手段である表示装置、５３…記憶装置。
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＤＣＳ（分配制御システム：Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ）制御において自己診断制御機能を有する酸素プラントや窒素発生装置等の深冷空気分離プラント（装置）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
原料空気圧縮機で所定の圧力まで圧縮され、吸着塔等で水分除去、ＣＯ２除去等を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精留により連続生産するプラントにおいては、プラント各所の圧力、流量、温度、液面、純度制御等はＤＣＳ（分配制御システム）制御にて統合され、全体を安定運転させる制御系が構築されているのが一般的である。
【０００３】
これらの制御システムは、プラント各所のプロセスデータをＤＣＳへ取込み、各々のマイナループ制御にてそれぞれの所定のプロセス値に制御すると同時に、それぞれのループ制御を組み合わせたカスケード動作を行わせることにより、プラント全体の自動起動、定常運転、操業変更、自動停止等の工程制御もこなすに至っている。
【０００４】
ところが、年間の定常運転において、ハード側の長時間に渡る経時変化により、運転状態が安定運転範囲を超えてしまう場合があり、これらは、下流側の他のプロセス値の警報や、インタロックにより検出されることになり、その時点では、回復不能であり、一旦プラント停止、全加温運転、再起動といった事態に陥ることを余儀なくされる場合が多い。
【０００５】
また、その場合でも、原因の究明にはＤＣＳの過去のトレンドデータを長時間のスパンで追っていく結果、兆候はかなり前から表れていたことも解明されることも多い。
【０００６】
以前であれば、プラント運転管理は、専属の運転管理者が逐次監視しており、この種の兆候は事前に察知出来るのが常であったが、最近の傾向として、運転人員の省力化や指定設備（無人運転）のケースも多く、運転状態のきめ細かな解析が日々行われていない実態であり、事前に防げる停止トラブルも多くなってきている。
【０００７】
例えば、窒素発生装置の深冷空気分離装置においては、原料の空気を深冷状態の保冷槽に導入する全流において前処理装置と言われる吸着塔にて原料空気中の水分とＣＯ２等を除去する装置が組み込まれるのが常である。この吸着塔の運転条件が長時間に渡って変化し、吸着塔での水分、ＣＯ２の除去能力が徐々に低下していった場合には、吸着塔で除去出来なかった水分やＣＯ２が保冷槽（空気熱交交換器）へ定常的に持ち込まれ、低温状態での固化により流路閉塞し、プラントの連続運転が出来なくなる。この現象は、吸着塔出口の不純物（水分、ＣＯ２）濃度変化を直接測定しつづけなくても、熱交換器前後の圧力損失を長時間監視しつづけることで検知できる。実際にこの事象で運転継続不可能になった場合は、熱交間器閉塞に至る傾向を過去にさかのぼってＤＣＳのトレンドデータから検証することになる。
【０００８】
また、深冷空気分離装置の従来技術としては、特開平１１−３１６０７９号公報（従来技術１）において知られている。この従来技術１には、原料空気を深冷分離して液体窒素およびガス窒素を発生する精留塔と、この精留塔に供給される原料空気の量を調整する原料空気入口弁と、装置運転のための各種データが記憶されたマイクロコンピュータとを備えた窒素発生装置において、マイクロコンピュータは上記液体窒素およびガス窒素の採取量データが入力され、この採取量データと上記各種データとに基づいた演算結果に応じて原料空気入口弁を制御するようにした窒素発生装置の運転方法が記載されている。
【０００９】
【特許文献１】
特開平１１−３１６０７９号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
昨今の深冷空気分離プラントでは、運転管理者の省力化や、指定設備等の無人運転のプラントが増加してきており、日々の運転状況を逐一解析している実態に無い。この状況において、プラントが以前から連続運転を阻害しかねないトラブルの兆候にあっても、最終的にインタロックにて運転継続不能状態になって警報・停止することになり、その時点では、一旦停止し、対応処置をした後に、再起動を行うことになる。また、上記吸着塔の事例では、吸着塔の再生条件が経時的に悪化した場合には、プラント運転が出来なくなった時点では、吸着剤が破過し、再生に非常に時間を有する場合には、運転再開時間との兼ね合いで吸着剤を交換する事態になる。
【００１１】
また、この原因解析においても過去のデータを取り出して、圧力損失の増大具合の差し引きデータトレンドを人力で作成・評価しているのが実態である。
【００１２】
本発明の目的は、上記課題を解決すべく、プラント停止の未然防止、ハード損傷の未然防止等を行うことにより、プラントの連続安定運転性を確保できるようにした深冷空気分離プラントを提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、原料空気圧縮機にて大気から圧縮され、吸着塔にて前処理された空気を原料とし、該原料の空気からコールドボックスにおいて深冷分離法にて主に窒素ガス又は液体窒素の製品を分離連続生産する深冷空気分離プラントであって、前記深冷空気分離プラントの運転状態を長期的に監視することによってプラント停止に至る兆候を自己診断し、該自己診断の結果前記兆候が認められた時点（変化率が規定値を越えた時点）において警報を発し、更に前記兆候をうち消す方向の制御を可能な範囲で開始させるＤＣＳ制御計算機を備えたことを特徴とする。
【００１４】
また、本発明は、前記深冷空気分離プラントにおけるＤＣＳ制御計算機において、更に、前記自己診断の結果を基に、予め用意された是正方向へ前記深冷空気分離プラントを自動的に運転移行させるように制御することを特徴とする。
【００１５】
また、本発明は、前記深冷空気分離プラントにおけるＤＣＳ制御計算機において、更に、前記自己診断の結果異常兆候が表れたときに、このまま運転を持続した場合の運転可能日数を算出して通知することを特徴とする。
【００１６】
また、本発明は、原料空気圧縮機にて大気から圧縮され、吸着塔にて前処理された空気を原料とし、該原料の空気からコールドボックスにおいて深冷分離法にて主に窒素ガス又は液体窒素の製品を分離連続生産する深冷空気分離プラントであって、前記吸着塔の運転状態を長期的に監視することによってプラント停止に至る兆候を自己診断し、該自己診断の結果前記兆候が認められた時点において警報を発し、更に前記兆候をうち消す方向の吸着塔再生条件改善制御を可能な範囲で開始させるＤＣＳ制御計算機を備えたことを特徴とする。
【００１７】
また、本発明は、前記深冷空気分離プラントにおいて、更に、少なくとも前記吸着塔と前記コールドボックス内の精留塔との間に設けられた空気熱交換器の前後の圧力損失を計測する計測手段を備え、前記ＤＣＳ制御計算機において前記吸着塔の運転状態の長期的な監視を、前記計測手段で計測された少なくとも空気熱交換器の前後の圧力損失を基に行うように構成したことを特徴とする。
【００１８】
また、本発明は、前記深冷空気分離プラントにおいて、更に、前記吸着塔へ入力される圧縮空気の温度および圧力を計測する計測手段を備え、前記ＤＣＳ制御計算機において前記吸着塔の運転状態の長期的な監視を、前記計測手段で計測される圧縮空気の温度および圧力に応じて決まる水分負荷を基に行うように構成したことを特徴とする。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明に係る深冷空気分離プラント（装置）の自己診断制御方法およびそのシステムの実施の形態について図１および図２を用いて説明する。
【００２０】
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プラント（装置）の場合について説明する。図１には、深冷空気分離プラント（装置）の構成例を示す。原料空気圧縮機１は、大気中の空気を吸入し、所定の圧力まで昇圧するものである。原料空気圧縮機１から吐出する圧縮空気は、一般に約９０〜１００℃の温度を有するため、該圧縮空気を吸着塔３の運転温度まで冷却するために冷却水（Ｃ．Ｗ．）が供給される冷却塔２が設けられる。空気の分離は低温状態に保たれた保冷槽（コールドボックス）１１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３が設けられている。該吸着塔３は、水分やＣＯ２成分等を除去する吸着サイクル（例えば１５分程度の吸着運転）と再生サイクル（例えば３０分程度の再生運転）とが繰り返されるため、後述する吸着塔再生条件改善制御動作（自己修正制御動作）としては、放出弁３０を制御して吸着塔３へ回す再生ガスの量を制御する動作がある。また、後述する吸着塔再生条件改善制御動作（自己修正制御動作）としては、ＴＳＡ（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｓｗｉｎｇ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ）吸着塔の場合には、再生ガスを加熱器（図示せず）で加熱して吸着塔３へ供給する流路も存在するので、上記加熱器の温度制御動作も含むことになる。更に、後述する吸着塔再生条件改善制御動作としては、放出弁３１を制御して製品送出の流量を制御する動作がある。
【００２１】
２０は、原料空気圧縮機１から吐出する圧縮空気の流量を計測する流量計測器ＦＩであり、計測された圧縮空気の流量がＧＣＳ（分配制御システム：Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ）制御計算機５０に入力される。２１は、原料空気圧縮機１から吐出する圧縮空気の圧力を計測する圧力計測器ＰＩであり、計測された圧縮空気の圧力がＧＣＳ制御計算機５０に入力される。２４は、吸着塔３の出口圧力を計測する圧力計測器ＰＩであり、計測された吸着塔の出口圧力がＧＣＳ制御計算機５０に入力される。２５は、吸着塔３に送り込まれる再生ガスの圧力を計測する圧力計測器ＰＩであり、計測された再生ガスの圧力がＧＣＳ制御計算機５０に入力される。２６は、吸着塔３の入口の温度を計測する温度計測器ＴＩであり、計測された吸着塔入口温度をＧＣＳ制御計算機５０に入力される。これらの空気前処理段階では、図のＰＳＡ（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｗｉｎｇ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ）の例の他に、ＴＳＡ方式等の様々な方式があり、図１の機器構成限りではない。
【００２２】
吸着塔３を出た空気は、製品のガスに製品分離される保冷槽（コールドボックス）１１へ供給される。空気は、空気熱交換器４にて液化点近傍まで冷却され、精留塔５へ供給される。精留塔５では、原料の深冷空気（蒸気）を上昇させ、上部の窒素凝縮器６から流下する液体と直接接触させて精留することにより、高純度（１〜０．１ｐｐｍＯ２程度）の製品窒素ガスおよび製品液体窒素を低温状態で塔頂部５ａから抽出する。窒素凝縮器６では、精留塔５の頂部５ａの低温窒素ガスを精留塔５の下降液にするための熱交換器であり、凝縮の冷熱源には、低温窒素ガス側よりさらに温度の低い圧力の液体空気が利用される。この液体空気は、精留塔５の下部の液体空気からライン１５を介して供給されるが、上記窒素凝縮器６の熱交換を成立させるために、その組成に応じて所定の圧力に膨張する。この窒素凝縮器６で蒸発した液体空気（５０〜７０％程度の酸素ガス）はライン１８から廃ガスとして空気熱交換器４を介し、常温に温度回復して保冷槽１１の外部へ出るが、一部の廃ガスは膨張タービン７の方へ送られ、保冷槽１１の内部の必要寒冷すべてを発生する。また、残りの廃ガスは再生ガスとして吸着塔３の上部に供給されることになる。なお、膨張タービン７の駆動側には、吸着塔３から出力される圧縮空気の一部が供給されて膨張タービン７が駆動されることになる。
【００２３】
一方、精留塔５の頂部５ａから抽出された製品窒素ガス（ＧＮ２）は、空気熱交換器４で常温まで温度回復した後、需要側へ送られる。このとき、窒素ガスが所定の圧力になるまで放出し、所定の圧力になった時点で放出が停止（ＢＬＯＷＯＦＦ）され、製品として需要側へ送られる。さらに、精留塔５の頂部５ａからライン１７に抽出された液体窒素（ＬＮ２）は製品として保冷槽１１の外で取り出され、需要側へ送られる。このとき、液体窒素が所定の流量が得られるまで放散塔１２から放散され、所定の流量が得られた時点で製品として需要側に送られる。
【００２４】
２７は、精留塔５の圧力Ｐ２７を計測する圧力計測器ＰＩであり、計測された精留塔の圧力Ｐ２７がＧＣＳ制御計算機５０に入力される。２８は、例えば製品窒素ガスの圧力Ｐ２８を計測する圧力計測器ＰＩであり、計測された例えば製品窒素ガスの圧力Ｐ２８がＧＣＳ制御計算機５０に入力される。製品として酸素ガスの場合は、精留塔５の上塔から熱交換器４を介して出力される製品酸素ガスの圧力が計測されてＧＣＳ制御計算機５０に入力させることになる。なお、ＰＩは圧力計測器、ＬＩは液面高さ（液量）計測器、ＦＩは流量計測器、ＱＩは量計測器、ＴＩは温度計測器、ＳＩは測度計測器であり、それらの計測値は、ＧＣＳ制御計算機５０に入力され、表示装置５２に表示することも可能である。
【００２５】
以上が本発明に係る窒素発生装置である深冷空気分離プラント（装置）のプロセスである。
【００２６】
このプロセスにおいて、連続運転困難となるトラブルの一実施例として吸着塔３に水分・ＣＯ２除去量低下という現象がある。これは、吸着塔３が何らかの要因で、水分・ＣＯ２除去量が長期に渡り経時的に低下した場合、後流の保冷槽１１側へ混入する水分・ＣＯ２（不純物）の量は徐々に増加していく。長期時間経過後の結果として、これら不純物は、低温の空気熱交換器４の内部で固化・成長していく。これにより、空気熱交換器４の空気流路は徐々に閉塞傾向になり、この結果空気熱交換器４前後の圧力損失（圧力差（ΔＰ１）＝（圧力計測器ＰＩ２４で計測される吸着塔の出口圧力）Ｐ２４−（圧力計測器ＰＩ２７で計測される精留塔の圧力）Ｐ２７）は、本来は一定値であるべきところ、図２に６１で示す如く、除々に増加に転じる。この結果、原料空気が後流の精留塔５へ供給されにくくなり、一定量の製品を採取し続けると、純度低下を招き、最終的には、製品量（例えば製品窒素ガスＧＮ２および製品液体窒素ＬＮ２）の自動減量または純度異常で運転停止に至ることになる。
【００２７】
そこで、本発明に係る第１の実施の形態は、ＤＣＳ制御計算機５０が、深冷空気分離プラントの運転状態を年間を通じて長期的に監視することによってプラント停止に至る兆候を自己診断し（日々のデータ（例えば、Ｐ２１、Ｐ２４、Ｐ２５、Ｐ２７、Ｐ２８、Ｔ２６、Ｆ２０等）から数項目（例えば各圧力差ΔＰ１〜ΔＰ３）に渡る自己診断を実施し）、該自己診断の結果前記兆候が認められた時点（変化率が規定値を越えた時点）において警報を発し、更に前記兆候をうち消す方向の制御を可能な範囲で開始させる機能を有する。また、ＤＣＳ制御計算機５０が、前記自己診断の結果を基に、予め用意された是正方向へプラント、特に吸着塔３を自動的に運転移行させる機能を有する。また、ＤＣＳ制御計算機５０が、前記自己診断の結果異常兆候が表れたときに、このまま運転を持続した場合の運転可能日数を内部関数で算出して表示装置５２等の出力手段へ出力して管理者等に通知する機能を有する。
【００２８】
即ち、第１の実施の形態は、原料空気が後流の精留塔５へ供給されにくくなるのを事前に察知し、連続運転不能に至る前に処置を行うため、ＤＣＳ制御計算機５０において、事前に次に示す各圧力損失（ΔＰ１、ΔＰ２、ΔＰ３）の経時挙動を記録していき、ある既定値を越えて、且つ、増加傾向が続くなら警報等を発生する機能を持たせることにある。即ち、ＤＣＳ制御計算機５００は、経時的に各圧力差ΔＰ１〜ΔＰ３をモニタし、異常な上昇傾向が出れば、警報等を発生させて改善処置を管理者へ通知し、改善されない場合には、プラントが自動で延命目的で、各種制御を行ってその対策（吸着塔については、後述する吸着塔再生条件改善制御がある。）を行い、これら要因が排除されたら、また元に戻すことになる。
【００２９】
圧力差（圧力損失）ΔＰ１＝（圧力計測器ＰＩ２４で計測される吸着塔の出口圧力）Ｐ２４−（圧力計測器ＰＩ２７で計測される精留塔の圧力）Ｐ２７
圧力差（圧力損失）ΔＰ２＝（圧力計測器ＰＩ２１で計測される原料空気圧力）Ｐ２１−（圧力計測器ＰＩ２７で計測される精留塔の圧力）Ｐ２７
圧力差（圧力損失）ΔＰ３＝（圧力計測器ＰＩ２７で計測される精留塔の圧力）Ｐ２７−（圧力計測器ＰＩ２８で計測される製品ガス圧力）Ｐ２８
上記圧力差ΔＰ１が増加傾向になるのは、前述したように、吸着塔３が何らかの要因で、水分・ＣＯ２除去量が長期に渡り経時的に低下することにより後流の保冷槽１１側へ混入する水分・ＣＯ２（不純物）の量が徐々に増加し、その長期時間経過後の結果として不純物が低温の空気熱交換器４の内部で固化・成長し、空気熱交換器４の空気流路が徐々に閉塞傾向になるためである。そして、圧力差ΔＰ１が増加すると、原料空気圧縮機１の吐出圧力が上昇するが、後述する制御弁２２がＰＩＣ（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ−Ｉｎｔｅｇｒａｌ Ｃｏｎｔｒｏｌ）制御されているため、流量が減り、図２に示すように、圧力差ΔＰ２、ΔＰ３はあまり変化しないことになる。
【００３０】
また、上記圧力差ΔＰ２を算出するのは、吸着塔３への流路（原料空気圧縮機１の出口から吸着塔３まで（吸着塔も含む）の流路）の健全性を調べるためである。即ち、上記圧力差ΔＰ１に変動がなく（ほぼ基準値であり）、上記圧力差ΔＰ２に変動（例えば増加傾向）が生じた場合には、吸着塔３の入口側の流路、特に吸着塔３の内部に異常が生じたものと推測することが可能となる。なお、２２は、ＤＣＳ制御計算機５０からの制御指令に基づいてＰＩＣ制御される放出制御弁で、該放出制御弁２２を制御して圧縮空気の一部を放出器１０から放出（ＢＬＯＷ）することによって吸着塔３への圧縮空気の流量が制御される。２３は、ＤＣＳ制御計算機５０からの制御指令に基づいてＰＩＣ制御される制御弁で、該制御弁２３を制御することによって原料空気圧縮機１に供給（ＦＥＥＤ）される原料空気が制御される。９は、各段の吸着塔３へ入力される圧縮空気を放出（ＢＬＯＷ）するための放出器である。
【００３１】
また、上記圧力差ΔＰ３を算出するのは、精留塔５から需要側に送られる製品窒素ガス（ＧＮ２）までの流路、特に空気熱交換器４の健全性を調べるためである。即ち、上記圧力差ΔＰ１に変動がなく（ほぼ基準値であり）、上記圧力差ΔＰ３に変動（例えば増加傾向）が生じた場合には、精留塔５から需要側に送られる製品窒素ガスまでの流路、特に空気熱交換器４の内部等に異常が生じたものと推測することが可能となる。
【００３２】
次に、本発明に係る吸着塔３に関する第１の実施例について説明する。該第１の実施例では、ＤＣＳ制御計算機５０の内部に常に取り込まれる、原料空気圧縮機１の吐出圧力データＰ２１、吸着塔３の出口圧力データＰ２４、精留塔５の圧力データＰ２７、製品窒素ガスＧＮ２の圧力データＰ２８から内部計算で各圧力差（圧力損失）を算出したものを差圧データとして例えば１日の平均値を記録し続け、例えば日ごとの増加率／減少率も計算する。ＤＣＳ制御計算機５０には、記憶装置５３または内部のメモリ等に警報発令、さらには自己修正動作に入るプログラムを組み込まれているため、ＤＣＳ制御計算機５０は、これら増加率や減少率が規定以上を持続した場合に、警報発令、さらには吸着塔再生条件改善制御動作（自己修正制御動作）に入ることになる。
【００３３】
即ち、図３に示すように、ＤＣＳ制御計算機５０は、圧力差ΔＰ１を時々刻々（τ）計算し、圧力差ΔＰ１の変化測度（例えば日単位）が図２に示す如く判断点▲１▼において基準値を超え、増加傾向にあると判定した場合（ステップＳ３１）には、「吸着塔の除去能力低下、早めに再生条件改善処理をしなさい。」との発報（警告発令）を出力する（ステップＳ３２）。出力としては、警報を発してもよく、また表示装置５２に警告を表示してもよい。
【００３４】
さらには、ＤＣＳ制御計算機５０は、時々刻々（τ）計算された圧力差ΔＰ１の変化測度（例えば日単位）が図２に示す如く判断点▲２▼に到達すると、「吸着塔再生条件改善制御動作自動実行（自己修正制御動作自動実行）」が発報が出力され（ステップＳ３３）、再生ラインにおける放出制御弁３０へのＰＩＣ制御における再生ガスの圧力制御設定値ＳＶが増加するように変更されて吸着塔３へ回す再生ガス量が増加するように制御され（ステップＳ３４）、また製品送出の流量制御弁３２へのＰＩＣ制御における製品送出の流量制御設定値が減少させるように変更されて製品量が自動減量開始される（ステップＳ３５）。
【００３５】
ところで、吸着塔３は、吸着サイクル（例えば１５分程度の吸着運転）と再生サイクル（例えば３０分程度の再生運転）とが繰り返されるため、吸着塔再生条件改善制御動作（自己修正制御動作）としては、放出制御弁３０を制御して吸着塔３へ回す再生ガスの量を制御する動作がある。即ち、吸着塔３の再生ガス量は、ＤＣＳ制御計算機５０からの制御指令（再生ガスの圧力制御設定値ＳＶ）に基く再生ラインのＰＩＣ制御で制御される。この設定値ＳＶが高いほど放出制御弁３０が閉じる方向となり、吸着塔３へ回る再生ガスが増加することになる。つまり、ステップＳ３３における吸着塔再生条件改善制御動作は、ＤＣＳ制御計算機５０が再生条件が悪くなったと判断すると、再生ラインのＰＩＣ制御の設定値ＳＶを自動で高く変更すること（ステップＳ３４）を意味する。このとき、放出制御弁３０のＰＩＣ制御は、保冷槽１１の内部の主凝縮器（窒素凝縮器）６の圧力へも影響することになるので、上記設定値ＳＶは主凝縮器６の圧力が許容される範囲で上げることになる。これを凝縮器圧力制限付と称する。また、吸着塔再生条件改善制御動作としては、ＴＳＡ吸着塔の場合には、再生ガスを加熱器（図示せず）で加熱して吸着塔３へ供給する流路も存在するので、上記加熱器の温度制御動作も含むことになる。即ち、ＴＳＡ吸着塔の場合において、ＤＣＳ制御計算機５０は、温度計ＴＩ３３で計測される測器再生ガスブロー温度（ＴＳＡ吸着塔で再生ガスの出口温度）の長期的な傾向を監視し、異常傾向にあれば、放出制御弁３０を閉じるように制御して再生ガスの自動増加および／または上記加熱器（図示せず）を制御して再生温度の自動変更を行う。
【００３６】
また、吸着塔再生条件改善制御動作としては、流量制御弁３２をＰＩＣ制御して製品送出の流量を制御する動作がある。即ち、需要側に送られる製品量（製品窒素ガス量）は、ＤＣＳ制御計算機５０からの制御指令（流量制御設定値）に基く製品送出のＰＩＣ制御で制御される。この設定値が低いほど流量制御弁３２が絞られる方向となり、需要側に送られる製品量が減少することになる。つまり、ステップＳ３３における吸着塔再生条件改善制御動作は、ＤＣＳ制御計算機５０が再生条件が悪くなったと判断すると、製品送出のＰＩＣ制御の設定値を自動で低く変更すること（ステップＳ３５）を意味する。このとき、流量制御弁３２のＰＩＣ制御において急激に減量すると精留塔５に影響することになるので、上記設定値は減量する速度が許容される範囲で下げることになる。これを減量速度下限付きと称する。
【００３７】
次に、本発明に係る吸着塔３に関する第２の実施例について説明する。該第２の実施例では、ＤＣＳ制御計算機５０は、温度計測器２６で計測されて入力される吸着塔３の入口の温度Ｔ２６および圧力計測器２１で計測されて入力される圧力Ｐ２１の経時変化から、水分負荷を事前に入力した一次関数（図４（ａ）、（ｂ）に示す）から自動計算し、該計算された水分負荷が吸着塔３の能力を超えた状態の時間が長い（継続した）場合には、第１の実施例と同様に警報を出し、自動的に上記再生条件改善制御動作（再生ガス圧力変更制御および、原料空気量制御、製品量制御）を行う。ところで、吸着塔３の入口の温度および圧力が決まれば、吸着塔３に入力される空気に含まれる水分量が図３（ａ）、（ｂ）に示すように一律に決まることになる。従って、吸着塔３に入力される空気は、相対湿度１００％のウエット空気であるので、その圧力および温度で決まる飽和水分量が吸着塔３への水分負荷となる。
【００３８】
以上説明した実施の形態によれば、深冷空気分離プラントにおいて、各プロセス値からＤＣＳ制御計算機５０で計算した各判断指針が、規定値を越え続けた場合に、自動で警報を出し、改善処置を管理者へ通知すると同時に改善されない場合には、プラントが自動で延命目的で、上記各種制御を行うことによって連続運転不能まで陥った状態でのプラント停止を無くすことが可能となる。即ち、深冷空気分離プラントにおいて、ＤＣＳ制御計算機５０にてプラントの長期的な観点からの異常兆候を内部計算、警報を出すことで、プラント管理者に注意を促すと共に、その兆候がある限度を超えた場合は自動で、是正動作を行うことが可能となる。
【００３９】
【発明の効果】
本発明によれば、自動診断制御に基づいてプラント停止の未然防止、ハード損傷の未然防止等を行うことにより、プラントの連続安定運転性を確保できるようにした深冷空気分離プラントを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る深冷空気分離プラント（装置）の一実施の形態を示す構成図である。
【図２】本発明に係る空気熱交換器の前後の圧力差（圧力損失）（ΔＰ１）、原料空気圧縮機の吐出圧力と精留塔の圧力との圧力差（ΔＰ２）および精留塔の圧力と製品窒素ガス圧力との圧力差（ΔＰ３）の経時変化の一実施例を示す図である。
【図３】本発明に係るＤＣＳ制御計算機における演算・制御指令の処理フロー（演算・制御機能）を示す図である。
【図４】本発明に係る吸着塔の入口における圧縮空気の圧力および温度と吸着塔への水分負荷を示す飽和水分量との関係を示す図である。
【符号の説明】
１…原料空気圧縮機、２…冷却塔、３…吸着塔、４…空気熱交換器、５…コールドボックス（保冷槽）、６…主凝縮器（窒素凝縮器）、７…膨張タービン、８…膨張タービンクーラ、９…放出器、１０…放出器、１２…放散塔、２０…流量計測器ＦＩ、２１、２４、２５、２７、２８…圧力計測器ＰＩ、２２、３０、３１…放出制御弁、２３…制御弁、２６、３３…温度計測器、３２…流量制御弁、５０…ＤＣＳ制御計算機、５１…入力手段、５２…出力手段である表示装置、５３…記憶装置。
Claims (6)
- 原料空気圧縮機にて大気から圧縮され、吸着塔にて前処理された空気を原料とし、該原料の空気からコールドボックスにおいて深冷分離法にて主に窒素ガス又は液体窒素の製品を分離連続生産する深冷空気分離プラントであって、
前記深冷空気分離プラントの運転状態を長期的に監視することによってプラント停止に至る兆候を自己診断し、該自己診断の結果前記兆候が認められた時点において警報を発し、更に前記兆候をうち消す方向の制御を可能な範囲で開始させるＤＣＳ制御計算機を備えたことを特徴とする深冷空気分離プラント。 - 前記ＤＣＳ制御計算機において、更に、前記自己診断の結果を基に、予め用意された是正方向へ前記深冷空気分離プラントを自動的に運転移行させるように制御することを特徴とする請求項１記載の深冷空気分離プラント。
- 前記ＤＣＳ制御計算機において、更に、前記自己診断の結果異常兆候が表れたときに、このまま運転を持続した場合の運転可能日数を算出して通知することを特徴とする請求項１または２記載の深冷空気分離プラント。
- 原料空気圧縮機にて大気から圧縮され、吸着塔にて前処理された空気を原料とし、該原料の空気からコールドボックスにおいて深冷分離法にて主に窒素ガス又は液体窒素の製品を分離連続生産する深冷空気分離プラントであって、
前記吸着塔の運転状態を長期的に監視することによってプラント停止に至る兆候を自己診断し、該自己診断の結果前記兆候が認められた時点において警報を発し、更に前記兆候をうち消す方向の吸着塔再生条件改善制御を可能な範囲で開始させるＤＣＳ制御計算機を備えたことを特徴とする深冷空気分離プラント。 - 更に、少なくとも前記吸着塔と前記コールドボックス内の精留塔との間に設けられた空気熱交換器の前後の圧力損失を計測する計測手段を備え、前記ＤＣＳ制御計算機において前記吸着塔の運転状態の長期的な監視を、前記計測手段で計測された少なくとも空気熱交換器の前後の圧力損失を基に行うように構成したことを特徴とする請求項４記載の深冷空気分離プラント。
- 更に、前記吸着塔へ入力される圧縮空気の温度および圧力を計測する計測手段を備え、前記ＤＣＳ制御計算機において前記吸着塔の運転状態の長期的な監視を、前記計測手段で計測される圧縮空気の温度および圧力に応じて決まる水分負荷を基に行うように構成したことを特徴とする請求項４記載の深冷空気分離プラント。
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