JP2008246403A

JP2008246403A - ガス製造装置

Info

Publication number: JP2008246403A
Application number: JP2007092368A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Takagi; 聡高木
Original assignee: Osaka Gas Co Ltd
Current assignee: Osaka Gas Co Ltd
Priority date: 2007-03-30
Filing date: 2007-03-30
Publication date: 2008-10-16
Anticipated expiration: 2027-03-30
Also published as: JP4878326B2

Abstract

【課題】無駄に消費される洗浄ガスの量を減らすとともに試運転時間を短縮し、しかも流量調節弁の故障を少なくしたガス製造装置を提供する。
【解決手段】ガス精製装置１ａ〜１ｄは、それぞれ原ガスに含まれる不純物を吸着材に吸着して目的ガスを製造する吸着動作と、洗浄ガスにより吸着材から不純物を脱着させる洗浄モードとを繰り返す。ガス精製装置１ａ〜１ｄが洗浄動作する際に洗浄ガスを導入する経路には流量調節弁４が設けられる。洗浄動作に移行した直後には、開度固定制御部３２が流量調節弁４の開度を一定に保つ。変化率演算部３５は流量センサ５により検出される流量の変化率を求め、選択部３３は流量の変化率が規定範囲内になると圧力変動が減少したと判断し、フィードバック制御部３１を選択して流量センサ５で検出した流量が目標流量を保つように流量調節弁５の開度をＰＩＤ制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、たとえば水素ガスを製造するにあたり、都市ガスのような燃料ガスを原料として製造した低純度の水素ガス（水素リッチガス）を原ガスとし、原ガスに含まれる不純物をガス精製装置に収容された吸着材に吸着させて目的ガスである高純度の水素ガスを製造する吸着動作と、ガス精製装置に洗浄ガスを導入することにより吸着材に吸着された不純物を脱着する洗浄動作とを繰り返すガス製造装置に関するものである。

従来から、燃料電池の燃料や水素トーチの燃料などに用いる水素ガスを製造する装置として、都市ガスのような燃料ガスと水蒸気とを混合し触媒の存在化において高温で反応させる改質器が知られている。改質器により製造される水素ガスは、不純物を３０％程度含む低純度の水素ガス（水素リッチガス）であって、不純物の主成分はＣＯ、ＣＯ_２、ＮＨ_４、Ｎ_２などである。水素リッチガスを製造する技術には、燃料ガスを原料とする技術のほか、メタノールのような液体燃料を原料とする技術などの各種技術が知られている（たとえば、特許文献１参照）。

水素リッチガスに含まれる不純物を除去して水素ガスの純度を高めるガス製造装置としては、ＰＳＡ（Pressure Swing Absorption）が知られている。ＰＳＡは、活性アルミナ、カーボンモレキュラーシーブ（ＣＭＳ）、ゼオライトなどの吸着材を収容するガス精製装置を備える。ガス精製装置は、原ガスとしての水素リッチガスに含まれる不純物を加圧下で吸着材に吸着させて除去し高純度の水素ガスを精製する吸着動作と、吸着動作のときよりも減圧してから洗浄ガスを導入することにより吸着材から不純物を脱着させる洗浄動作とを繰り返す。

洗浄ガスには、通常は、ガス精製装置で精製した高純度の水素ガスを用いる。また、吸着動作と洗浄動作との間には、ガス精製装置の内部の圧力を調整する期間も設けられる。そして、通常は、複数個のガス精製装置を併用し、いずれかのガス精製装置において洗浄動作を行い、他のガス精製装置において吸着動作を行うことによって、連続的に水素ガスを精製している。

洗浄動作においては、吸着材に吸着されている不純物の量に応じて、洗浄ガスの流量および洗浄動作の時間（つまり、洗浄量）を決める必要があり、吸着材に吸着されている不純物の量は、原ガスに占める不純物の濃度、目的ガスの精製量などによって決まる。原ガスに占める不純物の割合や洗浄動作の時間はほとんど変動しないとみなせるから、通常は目的ガスの精製量に応じて洗浄ガスの流量を決定する。洗浄ガスの流量は流量調節弁により調節されており、流量調節弁の開度を決定する技術には現状では以下の２種類の技術のいずれかが採用されている。

すなわち、目的ガスの精製量に対応付けて流量調節弁の開度を固定的に定める技術と、目的ガスの精製量で決まる目標流量を維持するように流量調節弁の開度をマスフローコントローラなどによってＰＩＤ制御する技術とが知られている。前者の技術では、目的ガスの精製量に応じて流量調節弁の開度を選択し、洗浄動作において選択した開度を洗浄量の指標に用いる。洗浄ガスの流量は、図１２（ａ）のように、洗浄動作の開始から急速に立ち上がり、圧力が増加するにつれて流量が減少するという動作になる。この技術では、目的ガスの精製量が変化すれば、その精製量に応じて開度が変更される。また、後者の技術では、目的ガスの精製量に応じて目標流量を定めるから、目的ガスの精製量が変化すれば、目標流量が変更され、結果的に流量調節弁の開度が調節される。洗浄ガスの流量は、図１２（ｂ）のように、洗浄動作に移行した初期には流量が増加しないから、急激に流量が増加させた後に目標流量に到達させる制御が採用される。この技術では、洗浄動作の期間における目標流量が洗浄量の指標になる。
特開２００５−２８９７３０号公報

ところで、目的ガスの精製量と流量調節弁の開度との関係は設備ごとに異なるから、前者の技術を採用するときには、目的ガスの精製量と流量調節弁の開度との関係を個々の設備ごとに試運転によって調整する必要があり、設備の導入から実際の運転までに、調整のために長時間を要するという問題がある。しかも、開度を最適値に設定することは難しいから、洗浄量に余裕を持たせる設定とすることになり、洗浄ガスの無駄が多くなる。また、流量調節弁の経年劣化により、目的ガスの精製量と流量調節弁の開度とガス製造装置の洗浄量との関係にずれが生じて、洗浄量に過不足が生じることになる。

一方、目的ガスの精製量に対する洗浄ガスの流量は理論的に決まるから、後者の技術を採用すると洗浄ガスの無駄がなくなるとともに、流量調節弁が経年劣化しても洗浄量を維持することが可能になる。

ところが、上述のように、洗浄動作を開始する前には吸着動作よりも減圧しているから、洗浄動作を開始するために、ガス精製装置に洗浄ガスとしての水素ガスを導入すると、ガス精製装置の内部圧力が大きく変動する。このように、洗浄動作の開始直後の圧力変動に伴う急激な流量変動に対して、流量調節弁では追従することができないにもかかわらず、後者の技術では、流量変動に追従しようとするから流量調節弁の開度が頻繁に変化することになる。また、ハンチングを生じる可能性もある。つまり、洗浄動作の開始直後には、洗浄ガスの流量が安定しないから、洗浄量を予測できず、しかも開度が頻繁に変化するから、いわゆるかじりや固着が生じやすくなり、流量調節弁の故障の原因になる。

この種のガス精製装置では、目的ガスの製造量を、吸着動作と洗浄動作との繰り返しサイクルの時間によって調節するものであるから、洗浄動作の期間の終了まで圧力変動が継続する可能性もあり、必要な洗浄量を確保するために洗浄ガスの無駄が多くなるという問題が生じる。

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、試運転期間を短縮するとともに流量調節弁が経年劣化しても洗浄量を維持することができるようにし、しかも無駄に消費される洗浄ガスの量を減らし、かつ流量調節弁の開度の変化を少なくすることで流量調節弁の故障を少なくしたガス製造装置を提供することにある。

請求項１の発明は、低純度の原ガスに含まれる不純物を吸着する吸着材が収容されたガス精製装置と、吸着材に吸着された不純物を脱着させる高純度の洗浄ガスをガス精製装置に導入する経路に配置され洗浄ガスの流量を調節する流量調節弁と、流量調節弁の開度を制御する制御装置と、ガス精製装置に導入する洗浄ガスの流量を検出する流量センサとを備え、ガス精製装置は、原ガスから不純物を吸着して目的ガスを製造する吸着動作と、吸着材から不純物を脱着する洗浄動作とを繰り返しており、洗浄ガスをガス精製装置に導入する前にガス精製装置の内部圧力を洗浄ガスの圧力よりも減圧し、制御装置は、ガス精製装置に洗浄ガスの導入を開始してから流量調節弁の開度を一定に保つ開度固定モードと、開度固定制御の間に流量センサにより検出される流量の変動が減少したことを示す規定条件が成立した後には流量センサにより検出される流量が目標流量に保たれるように流量調節弁の開度をフィードバック制御するフィードバックモードとを有することを特徴とする。

請求項２の発明では、請求項１の発明において、前記ガス精製装置を複数個備え、いずれかのガス精製装置において不純物を除去した目的ガスの一部を他のガス精製装置の洗浄ガスとして用いることを特徴とする。

請求項３の発明では、請求項１または請求項２の発明において、前記フィードバックモードでは、ＰＩＤ制御を行うことを特徴とする。

請求項４の発明では、請求項１ないし請求項３のいずれかの発明において、前記制御装置は、前記開度固定モードの間に前記流量センサにより検出される流量を一定時間ごとにサンプリングしており、流量の変化率が減少して規定範囲内となる状態が規定の複数回連続すると前記フィードバックモードに切り換えることを特徴とする。

請求項５の発明では、請求項４の発明において、前記制御装置は、前記ガス精製装置に洗浄ガスの導入を開始してから一定時間は変化率を検出しない不感時間を設けていることを特徴とする。

請求項６の発明では、請求項１ないし請求項５のいずれかの発明において、前記制御装置は、前記開度固定モードにおける前記流量調節弁の開度を、前回の洗浄動作における洗浄ガスの供給量と目標の供給量との誤差が許容範囲を超えるときに誤差を減少させる方向に規定の変化幅だけ変化させることを特徴とする。

請求項１の発明の構成によれば、洗浄動作の開始直後には流量調節弁の開度を一定に保つ開度固定モードとし、開度固定制御の間に流量センサにより検出される流量が目標流量に達したことを示す規定条件が成立した後には流量センサにより検出される流量が目標流量に保たれるように流量調節弁の開度をフィードバック制御するフィードバックモードとするから、洗浄動作の開始直後であって流量変動の大きい期間には流量調節弁の開度を固定し、流量変動が減少した後に流量調節弁の開度をフィードバック制御することになり、洗浄動作の開始直後の流量変動による流量調節弁の開度の変化をなくして流量調節弁の故障を防止することができる。

しかも、洗浄動作の初期を除いてはフィードバック制御により目標流量に維持するから、流量調節弁の開度を自動的に調節することができ、試運転による開度の調節の時間を短縮することができる上に、流量調節弁が経年劣化しても洗浄量を維持することができる。その上、フィードバック制御を行うことで、目標とする洗浄量に要する洗浄ガスの量の余裕度を少なくして最適化することができ、無駄に消費される洗浄ガスの量を減らすことができる。さらに、目的ガスの精製量を増加させるために、吸着動作と洗浄動作との繰り返しサイクルの時間を短縮した場合でも、洗浄動作に移行した時点からの圧力変動を比較的短い時間で整定し、目標流量と洗浄動作の時間とによって洗浄量が決まるから、洗浄動作における洗浄量を正確に制御することができる。

請求項２の発明の構成によれば、ガス精製装置を複数個備え、いずれかのガス精製装置において不純物を除去した目的ガスの一部を他のガス精製装置の洗浄ガスとして用いることにより、複数個のガス精製装置において吸着動作を順に行うことにより目的ガスを連続的に製造しながらも各ガス精製装置の洗浄動作を行うことができる。また、目的ガスの一部を洗浄ガスに用いる構成であって、原ガスに対する目的ガスの収率がやや減少するが、上述のように洗浄ガスの量に無駄がないから、収李を高いレベルに維持できる。

請求項３の発明の構成によれば、フィードバック制御としてＰＩＤ制御を行うから、洗浄動作の間に流量に変動が生じたときに流量調節弁の開度を迅速に追従させながらもむだ時間を抑制することができる。

請求項４の発明の構成によれば、洗浄動作において、流量をサンプリングして流量の変化率を監視し、流量の変化率が規定範囲内である状態が規定回連続すれば、流量変動が少なくなったとみなして開度固定モードからフィードバックモードに切り換えるから、フォードバックモードに切り換えるタイミングを適正化することができる。

請求項５の発明の構成によれば、洗浄動作の初期に流量の変化率を検出しない不感時間を設けているから、ガス製造装置に洗浄ガスの流入が開始された直後であって流量の変化率が小さい期間において、流量変動が少なくなったと判断されるのを防止することができる。

請求項６の発明の構成によれば、前回の洗浄動作における洗浄ガスの供給量と目標の供給量との差分によって供給量の誤差を評価し、供給量の誤差が許容範囲を超えているときには、供給量の誤差を減少させる方向に規定した変化幅の刻みで開度を変化させるから、開度を自動的に適正値に調節することができる。すなわち、洗浄動作に移行してから目標流量に達するまでの時間を短縮し、しかも洗浄ガスの無駄を抑制することができる。また、変化幅を適宜に設定しておけば、開度の急激な変化による供給量の誤差の増加を防止することができる。

本実施形態は、都市ガスのような燃料ガスを原料にして改質器により製造した水素リッチである改質ガスを原ガスとし、原ガスから不純物を除去した高純度の水素（製品水素ガス）を目的ガスとして製造する例を示す。ただし、原ガスの製造方法や目的ガスの種類は一例であり、本発明の技術は他の方法で製造した原ガスや他の種類の目的ガスであっても適用することができる。

図１に示すように、改質器２０には都市ガスと水蒸気とが原料として供給され、都市ガスと水蒸気とを混合するとともに触媒の存在下で高温で反応させることにより、水素リッチガスを製造する。反応のための熱源は、後述するガス製造装置の洗浄動作で排出されるオフガスを燃料に用いる。

本実施形態では、４個のガス精製装置１ａ〜１ｄを用いる。各ガス精製装置１ａ〜１ｄは、それぞれ上下方向に中心線を有する筒状に形成され、内部には背景技術で説明したように吸着材が収容される。

各ガス精製装置１ａ〜１ｄは、下端側に原ガスの導入口とオフガスの排出口とを有し、原ガスの導入口とオフガスの排出口とには、それぞれ流路を開閉する導入弁１１と排出弁１２とが設けられている。導入弁１１は１本の第１管路２１を介して改質器２０と接続される。つまり、第１管路２１から各導入弁１１を介してガス精製装置１ａ〜１ｄへの分岐経路が形成される。また、各排出弁１２は第２管路２２に接続され、各ガス精製装置１ａ〜１ｄからのオフガスは第２管路２２に集約されて排出される。導入弁１１と排出弁１２とは制御装置２により制御される。

各ガス精製装置１ａ〜１ｄは、上端側に３個ずつの導入排出口を備え、各導入排出口にはそれぞれ開閉弁１３，１４，１５が設けられる。各開閉弁１３は第３管路２３に接続され、各開閉弁１４は第４管路２４に接続され、各開閉弁１５は第５管路２５に接続される。第３管路２３は主として目的ガスの排出経路として用いられ、目的ガスの取出口に設けた圧力調節弁６に接続される。

第３管路２３は、目的ガスの一部を洗浄ガスとして用いるために、圧力調節弁６の入口側で分岐する第６管路２６の一端に接続される。第６管路２６の他端には流路を開閉する洗浄弁３と流量を調節する流量調節弁４とを介して第７管路２７の一端が接続され、第７管路２７の他端は第５管路２５に接続される。流量調節弁４を通過する洗浄ガス（目的ガスの一部）の流量は、第７管路２７に設けた流量センサ５により検出され、流量センサ５での検出値は制御装置２に与えられる。

さらに、第４管路２４と第６管路２６との間には流路を開閉する均圧弁１６が挿入され、第４管路２４と第５管路２５との間には流路を開閉する均圧弁１７が挿入される。洗浄弁３、流量調節弁４、開閉弁１３〜１５、均圧弁１６、１７は、いずれも制御装置２により制御される。

改質器２０に導入される原料ガスは加圧され（たとえば、ゲージ圧で０．９８ＭＰａ）、また、オフガスはゲージ圧で０．０２ＭＰａ程度になるように圧力調整される。なお、以下では圧力を数値で示す際にはゲージ圧を意味するものとする。

以下では、原ガスから目的ガスを精製する過程について簡単に説明する。４個の各ガス精製装置１ａ〜１ｄでは、原ガスから不純物を除去して目的ガスを精製する吸着動作、吸着動作の前に内部圧力を昇圧する昇圧動作、目的ガスの一部である洗浄ガスを用いて吸着材を洗浄する洗浄動作、洗浄動作の前に内部圧力を減圧する減圧動作、昇圧動作や減圧動作の際に急激な圧力変化が生じないように他のガス精製装置１ａ〜１ｄの内部圧力と均圧化する均圧動作、内部圧力を変化させない休止動作などをそれぞれ行う。１個のガス精製装置１ａ〜１ｄにおいて吸着動作を行っている間に、他のガス精製装置１ａ〜１ｄにおいて、洗浄動作などの他の動作を行う。したがって、吸着動作を行うガス精製装置１ａ〜１ｄを順に切り換えることによって、目的ガスを連続的に製造することができる。

以下では、ガス精製装置１ａが吸着動作である期間における他のガス精製装置１ｂ〜１ｄの動作について説明する。各ガス精製装置１ａ〜１ｄの動作は大きく分けて４過程になる。

第１過程では、図２に示すように、吸着動作を行うガス精製装置１ａでは、導入弁１１と開閉弁１３とを開にし、導入弁１１を通してガス精製装置１ａに導入された原ガスから不純物を除去し、開閉弁１３を通して目的ガスを排出する。なお、以下の説明に対応する図では、洗浄弁３、導入弁１１、排出弁１２、開閉弁１３〜１５、均圧弁１６、１７については、白抜きの丸印で開を表し、黒塗りの丸印で閉を示すものとする。

吸着動作を行っているガス精製装置１ａにおいて、目的ガスは、第３管路２３および圧力調節弁６を通して取り出される。吸着動作の開始直後には、ガス精製装置１ｂの開閉弁１４とガス精製装置１ｄの開閉弁１５とが開になり、さらに、ガス精製装置１ｂ，１ｄの間の均圧弁１７が開になって、両ガス精製装置１ｂ，１ｄの内部圧力が均圧化される。ガス精製装置１ｄは、この過程の前に吸着動作を行っていたことにより、原ガスの圧力に近い圧力まで昇圧されており（０．５〜０．７ＭＰａ）、一方、ガス精製装置１ｂは、この過程の前に洗浄動作の後の昇圧動作を行っており原ガスの圧力よりも内部圧力が低いから（洗浄動作の開始時は０．０２ＭＰａ程度）、均圧化によって、ガス精製装置１ｂの内部圧力が昇圧され、ガス精製装置１ｄの内部圧力が減圧される。さらに、ガス精製装置１ｃは洗浄動作に備えて減圧するために排出弁１２を開にしてオフガスの排出を行う。

第２過程では、図３のように、ガス精製装置１ｄについて開閉弁１５を閉にして休止動作とする。これは、第１過程においてガス精製装置１ｂ，１ｄでの内部圧力の均圧化により、ガス精製装置１ｄの内部圧力が吸着動作と洗浄動作の開始時との中間の圧力になるからである。また、ガス精製装置１ｂでは次の吸着動作に備えてさらに昇圧する必要があるから、開閉弁１４を開にするとともに均圧弁１６を開にして、吸着動作を行っているガス精製装置１ａから取り出されている目的ガスの一部をガス精製装置１ｂに導入する。この時点で、ガス精製装置１ｂに収容されている吸着材は洗浄済みであるから、目的ガスはガス精製装置１ｂに導入されるがオフガスとして排出されることはなく、後には目的ガスとして取り出されて無駄に消費されることはない。

第３過程では、図４に示すように、ガス精製装置１ｂの開閉弁１４と均圧弁１６とが開放された状態に保たれることにより昇圧が継続され、さらにガス精製装置１ｃは減圧動作から洗浄動作に移行する。洗浄動作に移行するにあたっては、ガス精製装置１ｃの排出弁１２については減圧動作のまま開の状態を維持し、新たに、洗浄弁３とガス精製装置１ｃの開閉弁１５とを開にする。ここで、減圧動作によってガス精製装置１ｃの内部圧力は０．０２ＭＰａ程度になっており、洗浄弁３を開にすることで目的ガスの０．７ＭＰａの圧力がガス精製装置１ｃに作用する。流量調節弁４の開度については後述する。なお、ガス精製装置１ｄは休止動作が維持される。

第４過程では、図５に示すように、依然として吸着動作を継続しているが、洗浄動作を行っていたガス精製装置１ｃについては、洗浄弁３および開閉弁１５を閉にして洗浄動作を終了し、次の吸着動作に備えて昇圧を開始する。この昇圧は、実際には、吸着動作の後に休止動作になっていたガス精製装置１ｄの開閉弁１５を開にするとともに、洗浄動作を終了したガス精製装置１ｃの開閉弁１４を開にし、さらに均圧弁１７を開にすることによって、ガス精製装置１ｃ，１ｄの内部圧力を均圧化することを意味する。

第５過程では、図６に示すように、ガス精製装置１ａの吸着動作が終了し、ガス精製装置１ｂでの吸着動作が開始される。第５過程は、ガス精製装置１ａ〜１ｄの添字のａ〜ｄをｂ〜ａと読み替えれば、図２の動作と同様である。つまり、１個のガス精製装置１ａ〜１ｄでは４過程ごとに吸着動作を行うガス精製装置１ａ〜１ｄを変更し、合計１６過程で１サイクルの動作が行われることになる。

ガス精製装置１ａ〜１ｄの内部圧力について上述した１６過程での変化を図７に示す。図７において、縦方向の矢印は、ガス精製装置１ａ〜１ｄの間で圧力が移動する際の移動元と移動先とを示している。なお、１回の吸着動作はたとえば５分間程度とする場合は、１回の洗浄動作はたとえば３０秒〜２分程度とする。また、図７に示す各ガス精製装置１ａ〜１ｄの圧力の最大値は原ガスの圧力にほぼ等しく、たとえば０．７ＭＰａであり、最小値はオフガスの圧力にほぼ等しく、たとえば０．０２ＭＰａである。図の第３過程、第７過程、第１１過程、第１５過程を見ると分かるように、洗浄動作に移行するときには、圧力が最小値になっているガス精製装置１ａ〜１ｄに対して、変化範囲の最大圧力が作用する。

ところで、洗浄動作に移行する際にガス精製装置１ａ〜１ｄに急激に大きな圧力が作用するから大きな圧力変動を生じる。このような圧力変動の影響を抑制し、かつ洗浄時の洗浄ガスの流量を管理して適正な洗浄量とするために、本実施形態では、洗浄動作に移行した直後の流量調節弁４の開度を制御装置２によって以下のように制御している。

制御装置２は、流量センサ５が検出する洗浄ガスの流量がほぼ一定の目標値に保たれるように流量調節弁４の開度をフィードバック制御するフィードバック制御部３１と、流量センサ５が検出する流量とは無関係に流量調節弁４の開度を一定に保つ開度固定制御部３２とを備え、フィードバック制御部３１を動作させるフィードバックモードと、開度固定制御部３２を動作させる開度固定モードとが選択可能になっている。洗浄動作に移行した直後には開度固定モードが選択され、圧力変動が減少したことを示す規定条件が成立するとフィードバックモードが選択される。具体的には、流量調節弁４の開度を調節する信号を、開度固定制御部３２の出力とフィードバック制御部３１の出力とから択一的に選択する選択部３３が設けられる。選択部３３では、洗浄動作に移行した時点では開度固定制御部３２を選択し、その後、流量センサ５で検出される流量の変化率が規定範囲内になるとフィードバック制御部３１を選択する。

実際には、流量センサ６で検出される流量を一定時間（たとえば、０．２秒）ごとにサンプリング部３４でサンプリングし、変化率演算部３５では時間軸方向において隣接するサンプリング値の差分を流量の変化率とみなして求める。流量センサ６の出力値は、たとえば図８のように時間経過とともに変化するから、図８に白丸で示すように流量変化よりも十分に短い時間間隔でサンプリングを行い（白丸がサンプリング値を示している）、隣接するサンプリング値の差分が規定範囲内（絶対値が規定値以下）になると圧力変動が減少したとして、固定開度モードからフィードバックモードに移行させる。ただし、流量の変化率が１回だけ規定範囲になっても圧力変動が減少したことが保証されないから、複数回（本例では２回）連続して規定範囲になると圧力変動が減少したと判断する。また、洗浄動作に移行した直後には、流量の変化率が小さい場合があるから、洗浄動作に移行してから一定時間（たとえば、０．６秒）である不感時間Ｔｄは変化率を演算しない。

上述の動作により、ガス精製装置１ａ〜１ｄにおいて洗浄動作に移行した直後の圧力変動が大きい期間には流量調節弁４の開度を固定し、圧力変動が減少すれば流量調節弁４の開度を流量センサ５での検出流量に基づいて目標流量になるようにフィードバック制御することができる。フィードバック制御はＰＩＤ制御で行うのが望ましい。ＰＩＤ制御を用いることにより、目標流量を維持するように流量調節弁４の開度を調節している間に圧力変動が生じても、ハンチングを起こすことなく短い整定時間で目標流量に戻すことができる。なお、上述の動作では、流量センサ５により洗浄ガスの流量を監視しているが、圧力センサを設けて圧力変動を監視することも可能である。

洗浄動作において開度固定モードからフィードバックモードに移行する際の動作を図９に示す。すなわち、洗浄動作に移行すると（Ｓ１）、流量調節弁４の開度を目的ガスの精製量に応じた開度に設定する（Ｓ２）。この間に流量変化率を求め（Ｓ３）、流量変化率が所定範囲まで減少すると（Ｓ４）、目的ガスの精製量に応じた目標流量を維持するようにＰＩＤ制御を行う（Ｓ５）。ここで、ガス精製装置１ａ〜１ｄに導入される洗浄ガスの量が規定量に達すると洗浄動作を完了する（Ｓ６）。なお、固定開度モードにおける目的ガスの精製量に応じた流量調節弁４の開度と、フィードバックモードにおける目標流量とは、試運転を行って制御装置３の図示しない記憶部に設定される。後述するように、記憶部に設定されたデータのうち固定開度モードにおける流量調節弁４の開度は適宜に更新される。

以下では、固定開度モードにおける流量調節弁４の開度を更新する動作について説明する。図８からわかるように、洗浄動作に移行してからフィードバック制御に移行しても、流量には過不足が生じる。図１０にＡで示す例は流量が過大である場合を示し、図１０にＢで示す例は流量が不足である場合を示している。開度固定モードでの流量に過不足が生じると、フィードバックモードに移行してから目標流量に達するまでの時間が長くなる。ここで、過不足の程度は、固定開度モードにおける流量調節弁４の開度に依存する。したがって、固定開度モードにおける流量調節弁４の開度を適正化することができれば、洗浄量（つまり、洗浄動作で使用する洗浄ガスの総量）をさらに適正化して無駄をなくすことができると考えられる。

そこで、本実施形態では、開度修正部３６を設けて、洗浄動作に移行し不感時間Ｔｄが終了した時点からフィードバック制御により目標流量に達するまでの期間において、目標流量であった場合の洗浄ガスの理想の総量と、同期間における実際の洗浄ガスの総量との差分を求め、この差分に基づいて流量調節弁４の開度を調節している。すなわち、固定開度モードにおける流量調節弁４の開度を更新している。開度修正部３６は、サンプリング部３４で得られる流量のサンプリング値とサンプリングの時間間隔とを乗じたものの総和を不感時間Ｔｄの終了から目標流量に達するまでの時間について求め、同時間において目標流量であった場合の総量との差分を求める（以下、求めた差分値を「洗浄量誤差」という）。

洗浄量誤差が正であれば、流量調節弁４の開度が過大であったことを意味し、洗浄量誤差が負であれば、流量調節弁４の開度が過小であったことを意味する。ただし、洗浄量誤差が許容範囲内であれば、過不足はないと判断する。たとえば、洗浄量誤差の許容範囲を目標流量であった場合の総量に対して±１０％とし、±１０％を超える過不足がある場合には、流量調節弁４の開度を１％刻みの変化幅で増減させる制御を行う。ここで、許容範囲の１０％と変化幅の１％という数値は一例であって、必ずしもこの値に設定する必要はないが、流量調節弁４の開度の調節量は、洗浄量誤差の大きさに依存せず、１０回程度の調節で目標流量に達するように設定するのが望ましい。

固定開度モードにおける流量調節弁４の開度を調節する動作を図１１に示す。上述のようにして求めた洗浄量誤差が目標値に対して＋１０％を超えている場合（Ｓ１１）、流量調節弁４の開度に対応する開度データを１％減少させる（Ｓ１２）。一方、洗浄量誤差が目標値に対して−１０％を超えている場合（Ｓ１３）、流量調節弁４の開度に対応する開度データを１％増加させる（Ｓ１４）。このように、開度データを変更した場合には、記憶部に格納されている開度データを更新する（Ｓ１５）。

なお、上述の例では、洗浄量誤差を洗浄ガスの総量の誤差としているが、開度固定モードにおいて検出したサンプリング値の規定回数分の平均値と目標流量との差分を洗浄量誤差とし、目標流量に対する洗浄量誤差の割合を用いて流量調節弁４の開度を決定してもよい。

このように固定開度モードにおける流量調節弁４の開度を自動的に調節する構成を採用する場合に、開度が初期値に対して規定値以上異なるようになったことを流量調節弁４が劣化したと判断してメンテナンスを促すように報知することも可能である。

実施形態を示す構成図図である。同上の第１過程を示す動作説明図である。同上の第２過程を示す動作説明図である。同上の第３過程を示す動作説明図である。同上の第４過程を示す動作説明図である。同上の第５過程を示す動作説明図である。同上におけるガス精製装置の圧力変化を示す動作説明図である。同上の洗浄動作における動作を説明する図である。同上の洗浄動作における制御例を示す動作説明図である。同上の洗浄動作の動作例を示す図である。同上において流量調整弁の開度の制御例を示す動作説明図である。従来技術の問題点を示す図である。

符号の説明

１ａ〜１ｄガス精製装置
２制御装置
３洗浄弁
４流量調節弁
５流量センサ
３１フィードバック制御部
３２開度固定制御部
３３選択部
３４サンプリング部
３５変化率演算部
３６開度修正部

Claims

低純度の原ガスに含まれる不純物を吸着する吸着材が収容されたガス精製装置と、吸着材に吸着された不純物を脱着させる高純度の洗浄ガスをガス精製装置に導入する経路に配置され洗浄ガスの流量を調節する流量調節弁と、流量調節弁の開度を制御する制御装置と、ガス精製装置に導入する洗浄ガスの流量を検出する流量センサとを備え、ガス精製装置は、原ガスから不純物を吸着して目的ガスを製造する吸着動作と、吸着材から不純物を脱着する洗浄動作とを繰り返しており、洗浄ガスをガス精製装置に導入する前にガス精製装置の内部圧力を洗浄ガスの圧力よりも減圧し、制御装置は、ガス精製装置に洗浄ガスの導入を開始してから流量調節弁の開度を一定に保つ開度固定モードと、開度固定制御の間に流量センサにより検出される流量の変動が減少したことを示す規定条件が成立した後には流量センサにより検出される流量が目標流量に保たれるように流量調節弁の開度をフィードバック制御するフィードバックモードとを有することを特徴とするガス製造装置。
前記ガス精製装置を複数個備え、いずれかのガス精製装置において不純物を除去した目的ガスの一部を他のガス精製装置の洗浄ガスとして用いることを特徴とする請求項１記載のガス製造装置。
前記フィードバックモードでは、ＰＩＤ制御を行うことを特徴とする請求項１または請求項２記載のガス製造装置。
前記制御装置は、前記開度固定モードの間に前記流量センサにより検出される流量を一定時間ごとにサンプリングしており、流量の変化率が減少して規定範囲内となる状態が規定の複数回連続すると前記フィードバックモードに切り換えることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のガス製造装置。
前記制御装置は、前記ガス精製装置に洗浄ガスの導入を開始してから一定時間は変化率を検出しない不感時間を設けていることを特徴とする請求項４記載のガス製造装置。
前記制御装置は、前記開度固定モードにおける前記流量調節弁の開度を、前回の洗浄動作における洗浄ガスの供給量と目標の供給量との誤差が許容範囲を超えるときに誤差を減少させる方向に規定の変化幅だけ変化させることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のガス製造装置。