JP2004220237A - ガスの安定供給方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複数のガス供給源からガス流路を介して複数のガス消費地にガスを供給する際、各ガス消費地へのガス供給量を変動させることなく、かつ、ガス供給系内にガス混合器やバッファータンク等を設置することなく各ガス消費地にガスを安定的に継続して供給できる方法を提供することを課題とする。
【解決手段】ガス流路に、ガス流量を調節するガス流量調節弁１ａ〜１ｄと、ガス圧力を調節するガス圧力調節弁２ａ〜２ｄと、ガス圧力を計測するガス圧力計測器４ａ〜４ｄとを設け、
ガス圧力計測器４ａ〜４ｄにて得られた圧力信号に基づいてガス流路の圧力変動が小さくなるような制御変数を動的圧力変動解析により決定し、この制御変数を用いてガス流量調節弁１ａ〜１ｄ及び／又はガス圧力調節弁２ａ〜２ｄの開度をＰＩＤ制御する。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガス製造工場等から発生するガスを消費地に安定供給する方法に関する。更に詳しくは、ガス供給量の変動、ガス消費量の変動に対応するために、ガス流路に設置された調節弁の開閉動作制御に関する。
【０００２】
【従来の技術】
エチレン製造の際に副生ガスとして発生する水素ガスは、そのガスの特性を利用して各種産業の製造工場において原料及びユーティリティとして使用されている。各種産業の製造工場等において使用される水素ガスは、継続的に安定供給することが絶対的条件として求められている。特に複数のガス供給源から供給されたガスを複数のガス消費地に分配供給する場合には、需給バランスをとるためのガス供給制御が複雑となるので、ガス圧力の変動に対する応答性が低下する。
【０００３】
そこで、供給系内にガス混合器を設置し、複数のガス供給源の内、いずれかのガス供給源のガス供給量に変動があった場合にも、他のガス供給源からガス混合器に速やかにガスを補給し、そのガス混合器を介してガス供給することによりガスを安定供給する制御装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平７−２６１８４７号公報
【０００５】
しかし、上記装置では、ガス混合器の設置スペースを確保する必要があり、また、ガス混合器にガスを補給しなければならないため、ガス供給源からのガス供給量を調節できない場合には適用できないという問題があった。
【０００６】
また、実プラントにおいては、通常、ガス流路に設置したガス圧力調節弁やガス流量調節弁の開度をＰＩＤ制御することにより、ガスの安定供給が行われている。これら調節弁の開度をＰＩＤ制御する際の制御変数は、運転中のプラントにおいて試行錯誤することによって適正な制御変数を求められ、速く滑らかな調節弁の制御を実現している。
【０００７】
しかしながら、運転中のプラントにおいて、適正なＰＩＤ制御変数を求めることは非常に困難である。というのも、試行錯誤で制御変数を求めていく過程では、変数Ｐ、Ｉ及びＤそれぞれを大きくし過ぎてしまったり、小さくし過ぎてしまったりして、各消費地への水素ガス供給量を大きく変動させてしまう恐れがあるからである。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記の従来技術の問題を解決しようとするものであり、各ガス消費地へのガス供給量を変動させることなく、かつ、ガス供給系内にガス混合器やバッファータンク等を設置することなく、複数のガス供給源から複数のガス消費地にガスを安定的に継続して供給できる方法を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明は、複数のガス供給源からガス流路を介して複数のガス消費地にガスを安定供給する方法であって、ガス流路には、ガス圧力を計測するガス圧力計測器と、ガス圧力を調節するガス圧力調節弁と、ガス流量を調節するガス流量調節弁とが設けられ、ガス圧力計測器にて得られた圧力信号に基づいてガス流路の圧力変動が小さくなるような制御変数を動的圧力変動解析により決定し、この制御変数を用いてガス圧力調節弁及び／又はガス流量調節弁の開度をＰＩＤ制御することを特徴としている。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明のガス供給方法について詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態に係るガス安定供給方法を適用するガス供給系の構成を示すブロック図である。
【００１１】
このガス供給系は、エチレン製造工場１０、第２の製造工場１１ａ及び第３の製造工場１１ｂからそれぞれ発生した水素ガスを図示しない制御装置による制御の下で第１〜第４のガス消費工場２０ａ〜２０ｄと燃料ガス系に分配供給するものである。
エチレン製造工場１０にガス流量計測器３ａ及びガス流量調節弁１ａを介して第１のガス消費工場２０ａが接続されると共に、エチレン製造工場１０にガス流量計測器３ｂ、ガス流量調節弁１ｂ、ガス流量計測器３ｄ及びガス流量調節弁１ｄを介して第２のガス消費工場２０ｂが接続されている。同様に、エチレン製造工場１０にガス流路５ａ、ガス圧力計測器４ａ、ガス流量計測器３ｃ及びガス流量調節弁１ｃを介して第３のガス消費工場２０ｃが接続され、さらにガス圧力計測器４ａから分岐し、ガス圧力調節弁２ｄ、ガス圧力計測器４ｄ及びガス流路５ｄを介して第４のガス消費工場２０ｄが接続されている。また、ガス圧力計測器４ａから分岐してガス圧力調節弁２ａが接続され、このガス圧力調節弁２ａにガス流路５ｃ、ガス圧力計測器４ｃ及びガス圧力調節弁２ｃを介して燃料ガス系が接続されている。
さらに、第２の製造工場１１ａがガス流路５ｄに接続され、第３の製造工場１１ｂがガス圧力計測器４ｂ及びガス圧力調節弁２ｂを介してガス流路５ｃに接続されている。
また、第３の製造工場１１ｂはエチレン製造工場１０と第２のガス消費工場２０ｂとの間に介在されたガス流量調節弁１ｂの下流側にも接続されている。
【００１２】
また、図示していない制御装置は、ガス圧力計測器４ａ〜４ｄにて得られた圧力信号に基づいて、入力された制御変数および制御目標値等からガス流量調節弁１ａ〜１ｄおよびガス圧力調節弁２ａ〜２ｄの開度を計算し、結果を電気または空気信号として出力し、これら調節弁の開度をＰＩＤ制御する機能を有する装置である。
【００１３】
ここで、ＰＩＤ制御とは、制御変数であるＰ（比例動作）、Ｉ（積分動作）およびＤ（微分動作）を用いて、制御対象の指示値を目標値に近づけるようにする制御のことをいう。
【００１４】
このようなガス供給系において、例えば、第４の消費工場２０ｄのガス消費量が変動すると、ガス流路５ｄの圧力が変動する。ガス流路５ｄの圧力が一定となるように、ガス圧力調節弁２ｄの開度がＰＩＤ制御され、ガス流路５ｄへ送出する水素ガス量を増減する。このガス圧力調節弁２ｄの開度調節に伴ってガス流路５ａの圧力が変動しないよう、ガス圧力調節弁２ａの開度がＰＩＤ制御され、ガス流路５ｃへ送出する水素ガス量を増減する。次いで、ガス圧力調節弁２ａの開度調節に伴ってガス流路５ｃの圧力が変動しないように、ガス圧力調節弁２ｃの開度がＰＩＤ制御され、燃料ガス系へ供給する水素ガス量を増減する。また、たとえガス流路５ｃの圧力が変動した場合でも、ガス流路５ｂの圧力が変動しないように、ガス圧力調節弁２ｂの開度がＰＩＤ制御され、ガス圧力調節弁２ｂからガス流路５ｃへ送出する水素ガス量が変動しないようにする。即ち、ガス圧力調節弁２ａ〜２ｄは、第４の消費工場２０ｄのガス消費量の変動を、最終的に燃料ガス系への供給量の増減によって調整し、ガス供給系内の圧力を安定化している。
【００１５】
本実施の形態において、調節弁の制御変数Ｐ、ＩおよびＤはそれぞれ、以下の各動作に対応している。
Ｐ動作：目標値と指示値に差Ｒ［％］が発生した時、その差Ｒに変数Ｐを乗じた値だけ弁の開度Ｓ［％］を瞬時に動かす制御動作
Ｉ動作：目標値と指示値に差Ｒ［％］が発生し続けた時、その差Ｒに変数Ｐを乗じた値だけ弁の開度Ｓ［％］を、変数Ｉ［分］の時間をかけて動かす制御動作Ｄ動作：目標値と指示値の差Ｒ［％］が１分間に１［％］増加したとき、変数Ｐに変数Ｄを乗じた値だけ、弁の開度Ｓ［％］を瞬時に動かす制御動作
【００１６】
上記説明から分かるように、変数Ｐは、弁動作の速さを決める制御変数であり、大き過ぎると弁動作が早すぎて振動の原因となり、小さ過ぎると弁動作が遅すぎて指示値を目標値に制御できなくなってしまう。変数Ｉは、弁動作の滑らかさを決める制御変数であり、大き過ぎると指示値を目標値に近づけるのに時間が掛かり過ぎ、小さ過ぎるとＰ動作に近づいてＩ動作の狙いである滑らかさが無くなってしまう。したがって、調節弁の速く滑らかな制御を実現するためには、振動が生じない範囲で変数Ｐを極力大きく、変数Ｉを極力小さくする必要がある。
【００１７】
また、変数Ｄは、指示値の単位時間当たり変化率に応じた弁動作を決めるので振動を抑制する特性を決める制御変数である。ゆえに、高周波の振動に対してＤ動作は、振動を増幅させてしまうこともあり、一般にこの種のＰＩＤ制御においては、変数Ｄ＝０とすることが多い。
変数Ｄ＝０とした場合、各ガス圧力調節弁２ａ〜２ｄの変数Ｐおよび変数Ｉが適正でないと、例えば、第４の消費工場２０ｄのガス消費量が変動したときに以下の問題が起こる。
１．ガス圧力調節弁２ｄの変数Ｐおよび変数Ｉが適正でないと、ガス流路５ａとガス流路５ｄの圧力が安定せず、第１の消費工場２０ａへの送出量とガス流路５ｂの圧力が変動してしまう。また、ガス流路５ｂの圧力変動に伴って第２の消費工場２０ｂへの送出量も変動してしまう。
２．ガス圧力調節弁２ａの変数Ｐおよび変数Ｉが適正でないと、ガス流路５ａの圧力変動は収まらない。また、ガス流路５ｃの圧力も変動する。
３．ガス圧力調節弁２ｂの変数Ｐおよび変数Ｉが適正でないと、ガス流路５ｂの圧力変動は収まらない。また、ガス流路５ｃの圧力も変動する。
４．ガス圧力調節弁２ｃの変数Ｐおよび変数Ｉが適正でないと、ガス流路５ｃの圧力変動は収まらない。
【００１８】
本発明においては、上記のような問題を起こすことのない制御変数を求めるために、動的圧力変動解析を用いる。動的圧力変動解析とは、時間変化する温度や流量等に対する供給系の圧力変化を時系列で算出する方法であり、例えば、汎用シミュレーションソフト「ＨＹＳＹＳ」を使用して解析を実行することができる。この解析により得られた適正な制御変数Ｐ、ＩおよびＤを制御装置に入力する。
【００１９】
【実施例】
図１と同様のガス供給系を用いて本発明の実施例を説明する。エチレン製造工場１０、第２の製造工場１１ａおよび第３の製造工場１１ｂから発生する計２００［容量単位／ｈ］の水素ガスを第１〜第４の消費工場２０ａ〜２０ｄと燃料ガス系に分配供給する。各製造工場からの水素ガス供給量、ならびに各消費工場および燃料ガス系における水素ガス消費量は以下の通りである。ただし、水素ガス供給量は一定であり、消費工場２０ａ、２０ｂおよび２０ｃにおける水素ガス消費量も一定である。
＜水素ガス供給量＞
エチレン製造工場１０ ：１６０［容量単位／ｈ］
第２の製造工場１１ａ ：２０［容量単位／ｈ］
第３の製造工場１１ｂ ：２０［容量単位／ｈ］
＜水素ガス消費量＞
第１の消費工場２０ａ ：１［容量単位／ｈ］
第２の消費工場２０ｂ ：６［容量単位／ｈ］
第３の消費工場２０ｃ ：５［容量単位／ｈ］
第４の消費工場２０ｄ ：１００［容量単位／ｈ］
燃料ガス系 ：８８［容量単位／ｈ］
【００２０】
エチレン製造工場１０より発生した１６０［容量単位／ｈ］の水素ガスは、ガス流量計測器３ａおよびガス流量調節弁１ａを介して第１の消費工場２０ａへ１［容量単位／ｈ］、ガス流路５ａ、ガス圧力計測器４ａ、ガス流量計測器３ｃ及びガス流量調節弁１ｃを介して第３の消費工場２０ｃへ５［容量単位／ｈ］の水素ガスが供給され、ガス流量計測器３ｂおよびガス流量調節弁１ｂを介して１［容量単位／ｈ］、ガス流路５ａ、ガス圧力計測器４ａおよびガス圧力調節弁２ａを介して７３［容量単位／ｈ］、ガス流路５ａ、ガス圧力計測器４ａ、ガス圧力調節弁２ｄおよびガス圧力計測器４ｄを介して８０［容量単位／ｈ］の水素ガスが送出される。
第２の製造工場１１ａより発生した２０［容量単位／ｈ］の水素ガスは、ガス圧力計測器４ｄから送出された８０［容量単位／ｈ］の水素ガスとガス流路５ｄで合流し、計１００［容量単位／ｈ］の水素ガスが第４の消費工場２０ｄへ供給される。
第３の製造工場１１ｂより発生した２０［容量単位／ｈ］の水素ガスのうち５［容量単位／ｈ］は、ガス流量調節弁１ｂから送出された１［容量単位／ｈ］の水素ガスとガス流路５ｂで合流し、計６［容量単位／ｈ］の水素ガスがガス流量計測器３ｄおよびガス流量調節弁１ｄを介して第２の消費工場２０ｂへ供給され、残り１５［容量単位／ｈ］の水素ガスは、ガス圧力計測器４ｂおよびガス圧力調節弁２ｂを介して、ガス圧力調節弁２ａから送出された７３［容量単位／ｈ］の水素ガスとガス流路５ｃで合流し、計８８［容量単位／ｈ］の水素ガスがガス圧力計測器４ｃおよびガス圧力調節弁２ｃを介して燃料ガス系へ送出される。
【００２１】
まず、各々のガス圧力調節弁２ａ〜２ｄの制御変数（変数Ｐ、変数Ｉおよび変数Ｄ）として以下の値を入力し、ガス圧力調節弁２ａ〜２ｄの開度をＰＩＤ制御して、３つのガス供給源（エチレン製造工場１０、第２の製造工場１１ａおよび第３の製造工場１１ｂ）からガス流路を介して４つのガス消費工場２０ａ〜２０ｄにガスを分配供給した。ガス流路５ｂの圧力変動を図２（適用前）、ガス流路５ｃの圧力変動を図３（適用前）およびガス流路５ｄの圧力変動を図４（適用前）に示す。各ガス流路５ｂ〜５ｄの圧力変動が±４％を超えており、各ガス消費工場に水素ガスを安定して供給することができないことが分かる。
（ガス圧力調節弁２ａ）＝（０．４，１．０，０．０）
（ガス圧力調節弁２ｂ）＝（１．０，１．０，０．０）
（ガス圧力調節弁２ｃ）＝（１．０，１．０，０．０）
（ガス圧力調節弁２ｄ）＝（１．５，５．０，０．０）
【００２２】
次に、汎用シミュレーションソフト「ＨＹＳＹＳ」により、図１のガス供給系を再現し、シミュレーションソフト上で各ガス圧力調節弁２ａ〜２ｄの制御変数（変数Ｐ、変数Ｉ、変数Ｄ）をそれぞれ変化させて、各ガス流路５ａ〜５ｄの圧力変動が小さくなるように制御変数を決定した。ここで決定した制御変数として、例えば、以下に示すような値を図示しない制御装置に入力し、ガス圧力調節弁２ａ〜２ｄの開度をＰＩＤ制御して、３つのガス供給源からガス流路を介して４つのガス消費工場にガスを分配供給した。ガス流路５ｂの圧力変動を図２（適用後）、ガス流路５ｃの圧力変動を図３（適用後）およびガス流路５ｄの圧力変動を図４（適用後）に示す。本発明の方法を適用したことにより、各ガス流路５ｂ〜５ｄの圧力変動を±０．２％未満にすることができ、各ガス消費工場に水素ガスを安定して供給することができた。
（ガス圧力調節弁２ａ）＝（０．４，１．０，０．０）
（ガス圧力調節弁２ｂ）＝（４．０，５．０，０．０）
（ガス圧力調節弁２ｃ）＝（７．０，４．０，０．０）
（ガス圧力調節弁２ｄ）＝（５．０，４．０，０．０）
【００２３】
【発明の効果】
本発明によれば、複数のガス供給源からガス流路を介して複数のガス消費地にガスを供給する際、運転中のプラントにおいて各ガス消費地への水素ガス供給量を変動させることなく、かつ、ガス供給系内にガス混合器やバッファータンク等を設置することなく各ガス消費地にガスを安定供給することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るガス安定供給方法を適用するガス供給系の構成を示すブロック図である。
【図２】一実施形態におけるガス流路の圧力を示すグラフである。
【図３】一実施形態におけるガス流路の圧力を示すグラフである。
【図４】一実施形態におけるガス流路の圧力を示すグラフである。
【符号の説明】
１ａ〜１ｄ ガス流量調節弁、２ａ〜２ｄ ガス圧力調節弁、３ａ〜３ｄ ガス流量計測器、４ａ〜４ｄ ガス圧力計測器、５ａ〜５ｄ ガス流路、１０ エチレン製造工場、１１ａ 第２の製造工場、１１ｂ 第３の製造工場、２０ａ 第１の消費工場、２０ｂ 第２の消費工場、２０ｃ 第３の消費工場、２０ｄ 第４の消費工場。

Claims (1)

1. 複数のガス供給源からガス流路を介して複数のガス消費地にガスを安定供給する方法であって、
   ガス流路には、ガス圧力を計測するガス圧力計測器と、ガス圧力を調節するガス圧力調節弁と、ガス流量を調節するガス流量調節弁とが設けられ、
   ガス圧力計測器にて得られた圧力信号に基づいてガス流路の圧力変動が小さくなるような制御変数を動的圧力変動解析により決定し、この制御変数を用いてガス圧力調節弁及び／又はガス流量調節弁の開度をＰＩＤ制御することを特徴とするガスの安定供給方法。

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