JP2016176654A - Raw material gas liquefaction device and raw material gas liquefaction amount correction control method - Google Patents
Raw material gas liquefaction device and raw material gas liquefaction amount correction control method Download PDFInfo
- Publication number
- JP2016176654A JP2016176654A JP2015057520A JP2015057520A JP2016176654A JP 2016176654 A JP2016176654 A JP 2016176654A JP 2015057520 A JP2015057520 A JP 2015057520A JP 2015057520 A JP2015057520 A JP 2015057520A JP 2016176654 A JP2016176654 A JP 2016176654A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- raw material
- material gas
- refrigerant
- liquefaction
- amount
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 239000002994 raw material Substances 0.000 title claims abstract description 123
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 41
- 238000012937 correction Methods 0.000 title claims description 39
- 239000003507 refrigerant Substances 0.000 claims abstract description 145
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims abstract description 14
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 128
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 29
- 230000020169 heat generation Effects 0.000 claims description 14
- 238000009835 boiling Methods 0.000 claims description 6
- 229910001873 dinitrogen Inorganic materials 0.000 claims description 5
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 91
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 35
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 26
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 26
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 12
- 238000004064 recycling Methods 0.000 description 7
- 238000005057 refrigeration Methods 0.000 description 7
- 230000006870 function Effects 0.000 description 6
- 238000011144 upstream manufacturing Methods 0.000 description 5
- 230000032683 aging Effects 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 238000009529 body temperature measurement Methods 0.000 description 3
- 239000001307 helium Substances 0.000 description 3
- 229910052734 helium Inorganic materials 0.000 description 3
- SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N helium atom Chemical compound [He] SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- -1 For example Chemical compound 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 238000009530 blood pressure measurement Methods 0.000 description 1
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 1
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 229910052754 neon Inorganic materials 0.000 description 1
- GKAOGPIIYCISHV-UHFFFAOYSA-N neon atom Chemical compound [Ne] GKAOGPIIYCISHV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
- F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
- F25J1/0002—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the fluid to be liquefied
- F25J1/0005—Light or noble gases
- F25J1/001—Hydrogen
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
- F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
- F25J1/0002—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the fluid to be liquefied
- F25J1/0005—Light or noble gases
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
- F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
- F25J1/0002—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the fluid to be liquefied
- F25J1/0005—Light or noble gases
- F25J1/0007—Helium
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
- F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
- F25J1/003—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the kind of cold generation within the liquefaction unit for compensating heat leaks and liquid production
- F25J1/0047—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the kind of cold generation within the liquefaction unit for compensating heat leaks and liquid production using an "external" refrigerant stream in a closed vapor compression cycle
- F25J1/005—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the kind of cold generation within the liquefaction unit for compensating heat leaks and liquid production using an "external" refrigerant stream in a closed vapor compression cycle by expansion of a gaseous refrigerant stream with extraction of work
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
- F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
- F25J1/003—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the kind of cold generation within the liquefaction unit for compensating heat leaks and liquid production
- F25J1/0047—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the kind of cold generation within the liquefaction unit for compensating heat leaks and liquid production using an "external" refrigerant stream in a closed vapor compression cycle
- F25J1/0052—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the kind of cold generation within the liquefaction unit for compensating heat leaks and liquid production using an "external" refrigerant stream in a closed vapor compression cycle by vaporising a liquid refrigerant stream
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
- F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
- F25J1/006—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the refrigerant fluid used
- F25J1/0062—Light or noble gases, mixtures thereof
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
- F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
- F25J1/006—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the refrigerant fluid used
- F25J1/0062—Light or noble gases, mixtures thereof
- F25J1/0065—Helium
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
- F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
- F25J1/006—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the refrigerant fluid used
- F25J1/0062—Light or noble gases, mixtures thereof
- F25J1/0067—Hydrogen
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
- F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
- F25J1/02—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process
- F25J1/0203—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process using a single-component refrigerant [SCR] fluid in a closed vapor compression cycle
- F25J1/0204—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process using a single-component refrigerant [SCR] fluid in a closed vapor compression cycle as a single flow SCR cycle
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
- F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
- F25J1/02—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process
- F25J1/0221—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process using the cold stored in an external cryogenic component in an open refrigeration loop
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
- F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
- F25J1/02—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process
- F25J1/0243—Start-up or control of the process; Details of the apparatus used; Details of the refrigerant compression system used
- F25J1/0244—Operation; Control and regulation; Instrumentation
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
- F25J2210/00—Processes characterised by the type or other details of the feed stream
- F25J2210/42—Nitrogen
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
- F25J2215/00—Processes characterised by the type or other details of the product stream
- F25J2215/32—Neon
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
- F25J2230/00—Processes or apparatus involving steps for increasing the pressure of gaseous process streams
- F25J2230/30—Compression of the feed stream
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
- F25J2270/00—Refrigeration techniques used
- F25J2270/14—External refrigeration with work-producing gas expansion loop
- F25J2270/16—External refrigeration with work-producing gas expansion loop with mutliple gas expansion loops of the same refrigerant
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Separation By Low-Temperature Treatments (AREA)
Abstract
Description
本発明は、例えば水素ガスのような極低温で液化される原料ガスを、冷媒循環ラインで生成した冷熱を利用して液化する原料ガス液化装置、及び原料ガスの液化量補正制御方法に関する。 The present invention relates to a raw material gas liquefying apparatus for liquefying a raw material gas such as hydrogen gas that is liquefied at an extremely low temperature by using cold heat generated in a refrigerant circulation line, and a method for controlling the liquefaction amount correction of the raw material gas.
例えば水素ガスのような原料ガスの液化を行うシステムとして、例えば特許文献1には、原料の水素ガスを供給するフィードラインと、原料水素ガスの冷却を行う冷媒を循環させる冷媒循環ライン(リサイクルラインとも呼ぶ)とを備え、熱交換器による熱交換にて水素ガスの液化を行う液化システムが開示されている。ここでフィードラインには、原料水素ガスの昇圧を行うフィード圧縮機が備わり、一方、冷媒循環ラインには、冷媒の断熱膨張を行う膨張タービンと、冷媒の圧縮を行う低圧圧縮機及び高圧圧縮機とを設けている。
このように構成された液化システムにおける水素ガスの液化の制御方法として、特許文献1は、水素ガスの液化量設定値に基づいて、フィード圧縮機、低圧及び高圧の圧縮機、並びに膨張タービンの動作を制御して、液化機の負荷変更に対して冷媒循環ラインの負荷(冷媒量)を変更することで対応可能である旨を開示する。
For example, as a system for liquefying a raw material gas such as hydrogen gas, for example, Patent Document 1 discloses a feed line for supplying raw material hydrogen gas and a refrigerant circulation line (recycling line) for circulating a refrigerant for cooling the raw material hydrogen gas. And a liquefaction system for liquefying hydrogen gas by heat exchange using a heat exchanger. Here, the feed line is provided with a feed compressor for increasing the pressure of the raw material hydrogen gas, while the refrigerant circulation line is provided with an expansion turbine for adiabatic expansion of the refrigerant, and a low-pressure compressor and a high-pressure compressor for compressing the refrigerant. And are provided.
As a method for controlling the liquefaction of hydrogen gas in the liquefaction system configured as described above, Patent Document 1 discloses the operation of a feed compressor, a low-pressure and a high-pressure compressor, and an expansion turbine based on the set value of the liquefaction amount of hydrogen gas. It is disclosed that it is possible to cope with the change of the load of the liquefier by changing the load (refrigerant amount) of the refrigerant circulation line.
また特許文献2では、ヘリウム液化冷凍装置をはじめとする液化冷凍装置の運転制御方法及び装置が開示されている。
さらにまた特許文献3には、極低温環境部で急激な熱負荷の変動があった場合でも冷凍出力の過不足を発生することなく安定した運転状態を維持できるヘリウム液化、冷凍装置の運転制御方法が開示されている。
Furthermore, Patent Document 3 discloses a helium liquefaction and refrigeration apparatus operation control method capable of maintaining a stable operation state without causing excessive or insufficient refrigeration output even when there is a sudden change in heat load in a cryogenic environment section. Is disclosed.
上述の特許文献1に記載する液化システムでは、システムに備わる熱交換器、膨張タービン、及び圧縮機における経年劣化に伴う冷媒流量の減少が要因となり、原料水素ガスから所望の液化量が得られ難くなるという可能性がある。また、当該液化システム上流からの原料水素ガスの供給量の変動に関して、当該液化システムは対応していない。よって原料水素ガスの供給量の変動が生じた場合には、原料水素ガスに対する冷熱不足あるいは過冷却になり液化システム内のヒートバランスが崩れ、安定した液化運転が行えない可能性がある。 In the liquefaction system described in the above-mentioned Patent Document 1, it is difficult to obtain a desired liquefaction amount from the raw material hydrogen gas due to a decrease in the flow rate of the refrigerant accompanying aging deterioration in the heat exchanger, expansion turbine, and compressor included in the system. There is a possibility that. Further, the liquefaction system does not cope with the fluctuation of the supply amount of the raw material hydrogen gas from the upstream of the liquefaction system. Therefore, when the supply amount of the raw material hydrogen gas varies, there is a possibility that the heat balance in the liquefaction system is lost due to insufficient cooling or overcooling of the raw material hydrogen gas, and stable liquefaction operation cannot be performed.
また上述の特許文献2では、冷凍負荷の変動にかかわらず寒冷発生用の膨張タービンを効率よく運転する方法として、低圧膨張タービンの入口圧力に応じて、膨張タービンの入口弁の開度調節を実施し、高圧膨張タービン及び低圧膨張タービンの入口温度に応じて、戻りラインのバイパス弁開度を調整することが述べられている。しかしながら、特許文献2に開示される液化冷凍装置は、特許文献1に開示する冷媒循環ラインのみに対応し、原料ガスのフィードラインを有していない。したがってフィードラインを有する場合には、特許文献2に開示される液化冷凍装置においても、安定した液化運転は行えないと考えられる。
Moreover, in the above-mentioned
また上述の特許文献3では、He貯槽部において急激な熱負荷変動が生じた場合でも、安定した運転状態を維持する方法として、He貯槽部における液面又は圧力の変動から膨張タービンの流量を算出して流量を調整し、さらにタービンラインと冷媒戻りラインとの合流部の温度により補正をかけること、及び、He貯槽部における液面又は圧力の変動よりジュールトムソン弁(以下、JT弁と記す)を調整すること、が述べられている。しかしながら、特許文献3においても上述の特許文献2と同様に、原料ガスのフィードラインを有しておらず、フィードラインを有する場合には、安定した液化運転は行えないと考えられる。
Moreover, in the above-mentioned Patent Document 3, the flow rate of the expansion turbine is calculated from the fluctuation of the liquid level or pressure in the He storage tank section as a method for maintaining a stable operation state even when a sudden thermal load fluctuation occurs in the He storage tank section. The Joule-Thomson valve (hereinafter referred to as the JT valve) is adjusted by adjusting the flow rate, and further correcting the flow rate according to the temperature at the junction of the turbine line and the refrigerant return line. To adjust. However, similarly to
本発明は、上述したような問題点を解決するためになされたものであり、液化原料ガスのフィードラインを有する原料ガス液化装置において、従来に比べて安定した原料ガスの液化運転が可能な、原料ガス液化装置、及び原料ガスの液化量補正制御方法を提供することを目的とする。 The present invention was made to solve the above-described problems, and in a raw material gas liquefying apparatus having a liquefied raw material gas feed line, a stable liquefying operation of the raw material gas is possible as compared with the conventional case. It is an object of the present invention to provide a source gas liquefying apparatus and a source gas liquefaction amount correction control method.
上記目的を達成するため、本発明は以下のように構成する。
即ち、本発明の第1態様における原料ガス液化装置は、沸点が窒素ガスよりも低温である原料ガスを供給するフィードラインと、上記原料ガスを冷却するための冷媒を循環させる冷媒循環ラインとを有し、上記原料ガスを液化する原料ガス液化装置において、
上記冷媒循環ラインは冷熱生成系統を備え、この冷熱生成系統は、冷媒が液化することなくガス状態で移送され、冷媒を膨張させる膨張タービンを有して冷熱を生成し、
上記膨張タービンの出口側冷媒温度に応じて上記原料ガスの液化量を制御する制御装置を備えたことを特徴とする。
In order to achieve the above object, the present invention is configured as follows.
That is, the raw material gas liquefying apparatus according to the first aspect of the present invention includes a feed line that supplies a raw material gas whose boiling point is lower than that of nitrogen gas, and a refrigerant circulation line that circulates a refrigerant for cooling the raw material gas. In a raw material gas liquefying apparatus for liquefying the raw material gas,
The refrigerant circulation line includes a cold heat generation system, the cold heat generation system is transferred in a gas state without liquefying the refrigerant, has an expansion turbine for expanding the refrigerant, and generates cold.
A control device for controlling the amount of liquefaction of the raw material gas according to the outlet side refrigerant temperature of the expansion turbine is provided.
また、本発明の第2態様における原料ガス液化量補正制御方法は、沸点が窒素ガスよりも低温である液化用の原料ガスを供給するフィードラインと、上記原料ガスを冷却するための冷媒を循環させる冷媒循環ラインと、制御装置とを有する原料ガス液化装置にて実行される、原料ガスの液化量補正制御方法において、
上記冷媒循環ラインは冷熱生成系統を備え、この冷熱生成系統は、冷媒が液化することなくガス状態で移送され、冷媒を膨張させる膨張タービンを有して冷熱を生成し、
上記制御装置にて、上記膨張タービンの出口側冷媒温度に応じて上記原料ガスの液化量を補正制御することを特徴とする。
Further, the raw material gas liquefaction amount correction control method according to the second aspect of the present invention circulates a feed line for supplying a raw material gas for liquefaction whose boiling point is lower than that of nitrogen gas, and a refrigerant for cooling the raw material gas. In the raw material gas liquefaction amount correction control method, which is executed by the raw material gas liquefier having the refrigerant circulation line and the control device,
The refrigerant circulation line includes a cold heat generation system, the cold heat generation system is transferred in a gas state without liquefying the refrigerant, has an expansion turbine for expanding the refrigerant, and generates cold.
The control device corrects and controls the liquefaction amount of the source gas in accordance with the outlet side refrigerant temperature of the expansion turbine.
上記第1態様の原料ガス液化装置及び上記第2態様の原料ガス液化量補正制御方法によれば、冷媒循環ラインにおける膨張タービンの出口側冷媒温度に応じて原料ガスの液化量の制御を行う制御装置を備えたことで、冷媒温度と原料ガスの液化量との調整を取ることが可能である。その結果、当該原料ガス液化装置に備わる熱交換器、膨張タービン、及び圧縮機における経年劣化による流量減少、あるいは当該原料ガス液化装置の上流から供給される原料ガスの供給量変動にかかわらず、原料ガスの液化量を自動的に補正することが可能となり、原料ガスに対して冷熱不足あるいは過冷却が生じることはなく、従来に比べて安定した液化原料ガスの製造が実現可能である。 According to the raw material gas liquefaction apparatus of the first aspect and the raw material gas liquefaction amount correction control method of the second aspect, control for controlling the liquefaction amount of the raw material gas in accordance with the outlet side refrigerant temperature of the expansion turbine in the refrigerant circulation line. By providing the apparatus, it is possible to adjust the refrigerant temperature and the liquefaction amount of the source gas. As a result, regardless of the flow rate decrease due to aging in the heat exchanger, expansion turbine, and compressor provided in the raw material gas liquefaction device, or the fluctuation in the supply amount of the raw material gas supplied from the upstream of the raw material gas liquefaction device The amount of gas liquefaction can be automatically corrected, and there is no lack of cooling or overcooling of the raw material gas, and stable production of the liquefied raw material gas can be realized as compared with the conventional case.
本発明の第1態様における原料ガス液化装置、及び第2態様における原料ガス液化方法によれば、従来に比べて安定した原料ガスの液化運転が可能になる。 According to the raw material gas liquefying apparatus in the first aspect of the present invention and the raw material gas liquefying method in the second aspect, the liquefying operation of the raw material gas can be performed more stably than in the past.
実施形態である原料ガス液化装置、及び当該原料ガス液化装置にて実行される原料ガスの液化量補正制御方法について、図を参照しながら以下に説明する。尚、各図において、同一又は同様の構成部分については同じ符号を付している。また、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け当業者の理解を容易にするため、既によく知られた事項の詳細説明及び実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。また、以下の説明及び添付図面の内容は、特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。 A raw material gas liquefying apparatus as an embodiment and a raw material gas liquefaction amount correction control method executed by the raw material gas liquefying apparatus will be described below with reference to the drawings. In each figure, the same or similar components are denoted by the same reference numerals. In addition, in order to avoid the following description from becoming unnecessarily redundant and to facilitate understanding by those skilled in the art, a detailed description of already well-known matters and a duplicate description of substantially the same configuration may be omitted. . Further, the contents of the following description and the accompanying drawings are not intended to limit the subject matter described in the claims.
実施形態である原料ガス液化装置は、当該装置の上流側から供給される気体の原料ガスを冷媒で冷却し液化して液化原料ガスとして排出する装置であり、本実施形態では、液化される原料ガスとして水素ガスを例に採る。しかしながら実施形態の原料ガス液化装置において対象となる原料ガスは、水素ガスに限定されず、常温常圧では気体となり、窒素ガスの沸点(−196℃)よりも低温の沸点を有するガスであり、例えば水素ガス、ヘリウムガス及びネオンガスが相当する。 The raw material gas liquefying apparatus according to the embodiment is an apparatus that cools a gaseous raw material gas supplied from the upstream side of the apparatus with a refrigerant, liquefies it, and discharges it as a liquefied raw material gas. In this embodiment, the raw material gas liquefied Take hydrogen gas as an example. However, the target source gas in the source gas liquefaction apparatus of the embodiment is not limited to hydrogen gas, is a gas at room temperature and normal pressure, and has a boiling point lower than the boiling point of nitrogen gas (−196 ° C.), For example, hydrogen gas, helium gas, and neon gas are equivalent.
図1には、本実施形態の原料ガス液化装置101の概略全体構成を示している。この原料ガス液化装置101は、大きく分けて、液化させる水素ガスを供給するフィードライン110と、供給された水素ガスを冷却するための冷媒を循環させる冷媒循環ライン(「リサイクルライン」と記す場合もある)130と、フィードライン110及び冷媒循環ライン130に関して動作制御を行い水素ガスの液化量補正制御を行う制御装置150とを有し、液体水素を生成する装置である。
In FIG. 1, the schematic whole structure of the raw material
また原料ガス液化装置101は、原料ガス及び冷媒の予備冷却用としての窒素ライン170、及び、フィードライン110と冷媒循環ライン130との間で熱交換を行う複数の熱交換器180aから180g(総称して熱交換器180と記す場合もある)、181をも有する。ここで窒素ライン170には、外部から供給される液体窒素を貯留する液体窒素貯槽171が備わり、この液体窒素貯槽171内には2段目の熱交換器180bが設けられている。この2段目の熱交換器180bには、フィードライン110の通路111と、冷媒循環ライン130におけるリサイクル高圧圧縮機133の出口通路とが接続される。よって、フィードライン110を流れる水素ガス、及び冷媒循環ライン130を循環する冷媒は、2段目の熱交換器180bにて、液体窒素温度付近まで冷却される。
これらの熱交換器は、1段目の熱交換器180aから6段目の熱交換器180gへの順にて、原料ガスである水素ガスを順次より低温へ冷却し、さらに以下に記すように最終段の熱交換器181にて水素ガスを極低温に冷却する。
これらの構成部分について、以下に順次、説明する。
The raw material gas
These heat exchangers sequentially cool the hydrogen gas, which is a raw material gas, to a lower temperature in order from the first
These components will be sequentially described below.
まず、冷媒循環ライン130について説明する。
冷媒循環ライン130には、通路131、リサイクル低圧圧縮機132、リサイクル高圧圧縮機133、リサイクル入口圧力調節弁134、リサイクルライン入口圧力計135、リサイクル系ジュールトムソン弁(「リサイクル系JT弁」と記す場合もある)136、高圧膨張タービン137、低圧膨張タービン138、低圧膨張タービン出口温度計139、及び液体水素貯槽140が備わる。尚、通路131は、以下に説明する通路131A、131B等を含む総称である。
このような冷媒循環ライン130は、冷媒として、本実施形態では原料ガスと同じ水素ガスを使用して、閉ループ内で冷媒つまり水素ガスの冷却及び液化を繰り返し循環させる。尚、図示していないが、冷媒循環ライン130には、冷媒循環ライン130に冷媒を充填するための充填ラインが接続されている。
First, the
In the
In this embodiment, the
また冷媒循環ライン130は、冷媒の水素ガスをガス状態のままで移送して冷熱を生成する冷熱生成系統141と、この冷熱生成系統141で生成した冷熱を利用して冷媒の水素ガスを液化させる液化系統142とを有する。冷熱生成系統141には、高圧膨張タービン137、低圧膨張タービン138、低圧膨張タービン出口温度計139、及び通路131Aが含まれ、液化系統142には、リサイクル低圧圧縮機132、リサイクル高圧圧縮機133、リサイクル入口圧力調節弁134、リサイクルライン入口圧力計135、リサイクル系JT弁136、液体水素貯槽140、及び通路131Bが含まれる。
Further, the
液化系統142について説明する。リサイクル低圧圧縮機132及びリサイクル高圧圧縮機133は、冷媒循環ライン130を循環させる水素ガスの昇圧を行う圧縮機であり、リサイクル低圧圧縮機132とリサイクル高圧圧縮機133とは直列的に接続され、冷媒はリサイクル低圧圧縮機132からリサイクル高圧圧縮機133へ流れる。
リサイクル高圧圧縮機133の出口通路は、1段目の熱交換器180aへと接続される。ここでリサイクル高圧圧縮機133の入口側と出口側との間に、リサイクル高圧圧縮機133を通らないバイパスラインを設け、このバイパスラインにリサイクル入口圧力調節弁134が設置されている。よって、このリサイクル入口圧力調節弁134は、制御装置150による弁開度調節により、1段目の熱交換器180aへ供給する冷媒つまり水素ガスの圧力を調整する。この圧力は、リサイクルライン入口圧力計135によって計測される。つまりリサイクルライン入口圧力計135は、リサイクル入口圧力調節弁134の出口通路で1段目の熱交換器180aの直前に設置され、計測値を制御装置150へ送出する。
The
The outlet passage of the recycled high-
1段目の熱交換器180aを出た冷媒は、上述した液体窒素貯槽171内に設置した2段目の熱交換器180bにて液体窒素の温度付近まで冷却され、3段目の熱交換器180cへ供給され、さらに冷却される。
3段目の熱交換器180cの出口通路は、上述の冷熱生成系統141へ向かう通路131Aと、さらに次段以降の熱交換器へ向かう通路131Bとに分岐される。本実施形態では、3段目の熱交換器180cを出た冷媒の大半が冷熱生成系統141へ向かうように設計している。
熱交換器側へ向かう通路131Bは、4段目から7段目の熱交換器180dから180gへと順次接続され、リサイクル系JT弁136に接続される。よって通路131Bを流れる冷媒は、熱交換器180dから180gにて、この順に、順次冷却されていく。
The refrigerant leaving the first
The outlet passage of the third-
The
リサイクル系JT弁136は、7段目の熱交換器180gの出口側で液体水素貯槽140の入口に設置され、一連の熱交換器180aから180gにて冷却された低温高圧の冷媒水素ガスをジュールトムソン(等エンタルピー)膨張させて液化し、液体水素を生成する。
液体水素貯槽140は、生成された液体水素を貯留する。また液体水素貯槽140内には、最終段の熱交換器181が設置され、この熱交換器181にはフィードライン110の通路111が接続される。よってフィードライン110を流れる水素ガスは、熱交換器181及び液体水素貯槽140内の液体水素により、液体水素温度付近まで冷却される。
The
The liquid
また液体水素貯槽140には、液体水素から気化した水素ガスが通過する通路131Baが接続される。気化した水素ガスは、7段目の熱交換器180gから3段目の熱交換器180c、及び1段目の熱交換器180aの順に通過して昇温し、リサイクル低圧圧縮機132の入口へ導かれる。
The liquid
次に、冷熱生成系統141について説明する。
上述したように、3段目の熱交換器180cの出口側にて分岐した通路131Aは、高圧膨張タービン137の入口側に接続される。よって、リサイクル高圧圧縮機133で昇圧され3段目の熱交換器180cを通過した冷媒は、高圧膨張タービン137の動作により、上述のように大半が高圧膨張タービン137側に導入される。
高圧膨張タービン137は、熱交換器180cを通過して液体窒素温度よりも低温で高圧の冷媒を、膨張により降温及び降圧する。高圧膨張タービン137の出口通路は、5段目の熱交換器180eを通り、低圧膨張タービン138の入口に接続される。高圧膨張タービン137と低圧膨張タービン138とは直列に接続される。
Next, the cold
As described above, the
The high-
低圧膨張タービン138は、高圧膨張タービン137から導かれた低温高圧の冷媒を、膨張によりさらに降温及び降圧する。低圧膨張タービン138の出口通路には、低圧膨張タービン出口温度計139が設置され、低圧膨張タービン出口温度計139は、低圧膨張タービン138を出た冷媒の温度を計測し、制御装置150へ送出する。尚、本実施形態では、低圧膨張タービン138を出た冷媒は、極低温の水素ガスとなる。
また、低圧膨張タービン138を出た冷媒は、6段目の熱交換器180fから3段目の熱交換器180c、及び1段目の熱交換器180aの順に通過して昇温し、リサイクル低圧圧縮機132により昇圧された冷媒と合流し、リサイクル高圧圧縮機133の入口側へ戻される。
The low-
In addition, the refrigerant that has exited the low-
次に、フィードライン110について説明する。
フィードライン110には、通路111、フィード圧縮機112、フィード圧縮機出口側流量計113、フィード系JT弁入口圧力計114、フィード系JT弁入口温度計115、及びフィード系ジュールトムソン弁(「フィード系JT弁」と記す場合もある)116が備わる。
フィードライン110の通路入口には、原料ガス液化装置101の上流側から高純度の水素ガスが供給され、フィード圧縮機112は、その水素ガスの昇圧を行う。尚、昇圧された常温高圧の水素ガスの一部は、フィード圧縮機112の出口側の通路111に設けた分岐ラインを通して、冷媒循環ライン130に備わる膨張タービン137,138のタービン軸受へ供給される。この分岐点と1段目の熱交換器180aの入口との間の通路111には、フィード圧縮機出口側流量計113が設置され、フィード圧縮機出口側流量計113は、一連の熱交換器180aから180g、181へ供給される直前の、常温高圧の水素ガスの流量を計測し、計測値を制御装置150へ送出する。
Next, the
The
High purity hydrogen gas is supplied to the passage inlet of the
フィードライン110における通路111も、上述した冷媒循環ライン130を循環する冷媒と熱交換するために、1段目の熱交換器180aから7段目の熱交換器180gへ順次接続されていき、さらに、上述のように液体水素貯槽140内に設置されている最終段の熱交換器181に接続される。さらに熱交換器181の出口通路は、フィード系JT弁116へ接続される。
The
フィード系JT弁116は、当該フィードライン110の通路出口に配置され、一連の熱交換器180aから180g、181にて冷却された高圧の水素ガスを通過させることで、極低温高圧の水素ガスをジュールトムソン(等エンタルピー)膨張させて液化し、極低温常圧の液体水素を生成する。生成される液体水素量は、制御装置150により、フィード系JT弁116の開度が制御されることで調整される。
The feed
フィード系JT弁入口圧力計114及びフィード系JT弁入口温度計115は、このフィード系JT弁116の入口直前の通路111に設置され、フィード系JT弁116へ供給される前における極低温高圧の水素ガスの圧力及び温度を計測し、計測値を制御装置150へ送出する。尚、図1では、便宜上、フィード系JT弁116に近位してフィード系JT弁入口温度計115を図示しているが、フィード系JT弁入口圧力計114及びフィード系JT弁入口温度計115の位置関係は図示に限定されない。
The feed system JT valve
尚、本実施形態では、上で説明したフィードライン110及び冷媒循環ライン130について、フィードライン110におけるフィード圧縮機112及びフィード圧縮機出口側流量計113の部分、並びに、冷媒循環ライン130におけるリサイクル低圧圧縮機132、リサイクル高圧圧縮機133、リサイクル入口圧力調節弁134、及びリサイクルライン入口圧力計135の部分を除いた構成部分は、水素液化機120として構成している。尚、この構成により、冷媒循環ライン130におけるリサイクル入口圧力調節弁134及びリサイクルライン入口圧力計135は、水素液化機120への入口部分に配置されている。
In the present embodiment, regarding the
ここで、以上説明したように構成される、液体窒素貯槽171及び液体水素貯槽140を含めて熱交換器180aから180g、181による、フィードライン110における水素ガスの液化動作について説明する。
フィードライン110の入口に供給された高純度の水素ガスは、フィード圧縮機112によって昇圧される。昇圧された常温高圧の水素ガスは、1段目の熱交換器180aでは、液体窒素貯槽171で気化した窒素ガス、冷媒循環ライン130における低圧膨張タービン138を出た冷媒、及び冷媒循環ライン130における液体水素貯槽140で気化した水素ガスで冷却され、2段目の熱交換器180bでは液体窒素で冷却され、3段目から6段目の熱交換器180cから180fでは冷媒循環ライン130における膨張タービン137,138による冷却により、7段目の熱交換器180gでは冷媒循環ライン130における液体水素温度付近の温度を有する冷媒にて、さらに、最終段の熱交換器181では液体水素により、ほぼ液体水素温度まで冷却される。熱交換器181を通過した極低温高圧の水素ガスは、フィード系JT弁116を通過することで、膨張して液化し、極低温常圧の液体水素となり当該原料ガス液化装置101から排出される。尚、当該原料ガス液化装置101で生成され排出された液化原料ガスは、例えば貯留タンクに保持される。
Here, the liquefaction operation of hydrogen gas in the
The high purity hydrogen gas supplied to the inlet of the
次に、制御装置150について説明する。
制御装置150は、フィードライン110及び冷媒循環ライン130に関する動作制御を行う装置であり、本実施形態では特に原料ガスの液化量補正制御方法を実行する装置である。この原料ガス液化量補正制御方法の詳細については後述するが、この方法は、大きく分けて、フィード系JT弁116の開度指令210と、リサイクル入口圧力調節弁134の開度指令250とを有する。よって制御装置150は、これら2つの指令を行う制御機能部分を有する。尚、図1に示す制御装置150には、便宜上、2つの制御機能部分として「210」、「250」の符号を付したブロックを図示している。
このような制御装置150は、実際にはコンピュータを用いて実現され、上述の2つの制御機能部分を含めて以下に説明するような各機能は、対応するソフトウェアにて実行される。よって制御装置150は、このソフトウェアと、これを実行するためのCPU(中央演算処理装置)、メモリ等のハードウェアとから構成されている。
Next, the
The
Such a
この制御装置150には、フィードライン110及び冷媒循環ライン130におけるプロセスデータ、例えば流量、圧力、温度、液位、回転数、弁開度等、が供給される。本実施形態では、フィードライン110で生成される液体水素の液化量を自動的に補正制御(調整)するため、さらに冷媒循環ライン130における過冷却及び冷熱不足の防止を行いながら当該原料ガス液化装置101の安定運転を達成するため、制御装置150に供給するプロセスデータとして、次の5つの計測値が重要となる。即ち、説明したように、フィードライン110に設置した、フィード圧縮機出口側流量計113、フィード系JT弁入口圧力計114、及びフィード系JT弁入口温度計115からの各計測値、並びに、冷媒循環ライン130に設置した、リサイクルライン入口圧力計135及び低圧膨張タービン出口温度計139からの各計測値である。
The
制御装置150は、これらの計測値を用いて、フィードライン110におけるフィード系JT弁116、及び冷媒循環ライン130におけるリサイクル入口圧力調節弁134の開度を制御して、フィードライン110及び冷媒循環ライン130におけるプロセスバランスを適切に制御する。
その結果、原料ガス液化装置101内の各熱交換器180aから180g、181、並びに膨張タービン137,138及び圧縮機132,133,112の経年劣化による原料ガス及び冷媒の流量減少に対して、フィードライン110における原料ガスの液化量、及び冷媒循環ライン130における循環冷媒量が自動的に調整され、原料ガス液化装置101におけるプロセスバランスを崩すことなく、原料ガスの所望の液化量を得られることができる。また、フィードライン110への原料水素ガスの供給が変動するような状況下でも、原料ガスの液化量に応じて冷媒量を調整するため、原料ガス液化装置101におけるプロセスバランスを崩すことなく安定した運転を行うことができる。
The
As a result, the heat exchangers 180a to 180g and 181 in the raw material
また、例えば運転初期段階、つまり上述の熱交換器180,181、膨張タービン137,138、及び圧縮機112,132,133が新品同様の段階、あるいは上流の原料ガスが変動なく安定して供給されるような条件下では、上述した5つの計測値の内、特に、低圧膨張タービン出口温度計139の計測値に応じて、制御装置150は、フィードライン110におけるフィード系JT弁116の開度を制御して、フィードライン110で生成される原料ガス、本実施形態では水素ガス、の液化量を制御してもよい。
Further, for example, the initial stage of operation, that is, the above-described
以下には、制御装置150が実行する原料ガスの液化量補正制御方法について、図2から図4を参照して説明する。尚、図2から図4では、制御装置150に供給される上述した5つの計測器から得られる計測値について、図1に記した各計測器の符号を参考として記している。
Hereinafter, the method for controlling the correction of the liquefaction amount of the source gas performed by the
図2は、原料ガスの液化量補正制御方法に関する動作構成をブロック図にて示している。
図示するように、制御装置150は、各プロセスデータを用いて、最終的にフィード系JT弁116の開度指令210、及びリサイクル入口圧力調節弁134の開度指令250を行う。
まず、フィード系JT弁116の開度指令210について説明する。
既に説明したように、フィード系JT弁116の開度調節は、フィードライン110における水素ガスの液化量を調節することに対応する。フィードライン110における水素ガスの液化量は、基本的には当該原料ガス液化装置101に対して予めオペレータが設定した低圧膨張タービン出口温度設定値201と、低圧膨張タービン出口温度計139の実際の温度計測値とのフィードバック制御によって決定される。図2に示す「タービン出口温度制御」202は、このフィードバック制御に相当する。よって、当該液化量補正制御方法において最も基本的な制御方法は、低圧膨張タービン出口温度計139で計測される低圧膨張タービン138の出口における冷媒温度に応じて、原料ガスである水素ガスの液化量を制御することであり、制御装置150は、上記冷媒温度によってフィード系JT弁116の開度調節を行う。
しかしながら、上述のフィードバック制御だけではフィードライン110から所望の水素ガスの液化量が得られない場合も考えられる。そこで本実施形態では、このような事態にも対応可能とするため、以下のように構成している。
FIG. 2 is a block diagram showing an operation configuration related to the method for controlling the correction of the liquefaction amount of the source gas.
As shown in the figure, the
First, the
As described above, the opening degree adjustment of the feed
However, there may be a case where a desired amount of hydrogen gas liquefaction cannot be obtained from the
即ち、低圧膨張タービン出口温度計139の実際の温度計測値が、低圧膨張タービン出口温度設定値201より高ければ、原料水素ガスに対する冷熱不足の状態であるので、フィード系JT弁116の開度を下げて原料水素ガスの流量を下げる。一方、低圧膨張タービン出口温度計139の実際の温度計測値が、低圧膨張タービン出口温度設定値201より低ければ、原料水素ガスに対する過冷却の状態であるので、フィード系JT弁116の開度を上げて原料水素ガスの流量を上げる。
That is, if the actual temperature measurement value of the low-pressure expansion
つまり図2に示すように、上述のフィードバック制御に、フィード系JT弁116の開度補正演算230の結果を加えてフィード系JT弁116の開度指令210を行うようにしている。
That is, as shown in FIG. 2, the
フィード系JT弁116の開度補正演算230は、次のように行われる。
図2に示すように、フィード系JT弁116の開度補正演算230には、本実施形態では、一制御周期前のフィード系JT弁116に対する開度指令210の値(図内では「MV_last」と記す場合もある)であるフィード系JT弁開度(前回値)221と、フィード系JT弁入口圧力計114及びフィード系JT弁入口温度計115の各計測値と、フィードライン110におけるフィード圧縮機出口側流量の設定値に対する偏差(図内では「F_def」と記す場合もある)222と、補正演算を実行するか否かを指示するフラグ(「1」又は「0」)224とが供給される。ここで偏差222は、当該原料ガス液化装置101に対して予めオペレータが設定した負荷率223に対応した、フィード圧縮機出口側流量計113部分での原料ガスつまり水素ガスの設定流量値と、フィード圧縮機出口側流量計113部分での水素ガスの流量(フィードライン液化機入口流量)との偏差である。尚、上記設定流量値は、負荷率223と設定流量値との関係を示す情報、例えばテーブル関数によって求める。
The opening
As shown in FIG. 2, in the
ここで負荷率223とは、当該原料ガス液化装置101における定格液化量を生成するのに必要な冷媒循環ライン130の冷媒量を100%負荷とした場合の液化量の割合である。
以下で詳しく説明するが、冷媒循環ライン130における冷媒量は、リサイクルライン入口圧力計135部分における圧力値を用いて調整される。また本明細書では、フィード圧縮機出口側流量計113を通過した原料ガスは全量液化するとしている。したがって、負荷率を設定することで、図2に示すように、フィード圧縮機出口側流量計113を通過する原料ガスの設定流量と、リサイクルライン入口圧力計135部分における設定圧力とがそれぞれ設定される。例えば、負荷率が80%の場合、基本的には、原料ガスの設定流量値、つまり設定液化量は定格液化量の80%の値となり、定格液化量の80%を生成するために必要な冷媒量をリサイクルライン入口圧力で決定することになる。
Here, the load factor 223 is a ratio of the liquefaction amount when the refrigerant amount in the
As will be described in detail below, the refrigerant amount in the
開度補正演算230に関する動作構成をブロック図にて図3に示す。
開度補正演算230では、まずステップ225にて、フィード系JT弁入口圧力計114の計測値P1と、フィード系JT弁入口温度計115の計測値T1と、偏差222の値F_defとを元にして、フィード系JT弁116の、補正基準となる基準開度値CV_defを求める。その求め方の一例としては、図3に示す演算式が用いられる。しかしながら、この演算式に限定するものではなく、また基準開度値CV_defの求め方も演算式による方法に限定するものでもない。
FIG. 3 is a block diagram showing an operational configuration related to the opening
In the
次に、求めた基準開度値CV_defを元に、ステップ226では、フィード系JT弁116の補正開度値MV_defを求める。この補正開度値MV_defの求め方としては、本実施形態では一例として、フィード系JT弁116における弁開度と流量との関係が直線的な比例関係ではない場合も考慮して、例えば3つの弁開度区分を設定し、フィード系JT弁116に対する開度指令210の前回値MV_lastが対応する弁開度区分に応じて予め補正係数を設定しておき、この補正係数に基準開度値CV_defを乗じることで補正開度値MV_defを求める方法を採る。勿論、補正開度値MV_defの求め方は、この方法に限定するものではなく、公知の方法を採ることができる。例えば一例として、基準開度値CV_defと補正開度値MV_defとの関係をグラフあるいはテーブルの形態で保持しておき、これを用いて、求めた基準開度値CV_defから補正開度値MV_defを求めてもよい。よってこのような求め方においては、上述の前回値MV_lastを用いる必要はない。
Next, based on the obtained reference opening value CV_def, in
求めた補正開度値MV_defは、予めオペレータが入力した液化量補正制御実行フラグ224に応じて出力の有無が選択される。尚、このフラグ224が「1」の場合は求めたMV_defを出力し、液化量補正制御を行う。一方、フラグ224が「0」である場合には「0」を出力し、液化量補正制御は行わない。つまり、「0」である場合には、低圧膨張タービン出口温度設定値201と、低圧膨張タービン出口温度計139の実際の温度計測値とのフィードバック制御のみにより、フィード系JT弁116の開度指令210を決定することとなる。
The obtained corrected opening value MV_def is selected to be output according to the liquefaction amount correction
以上のような開度補正演算230を実行することで、フィードライン110における水素ガスの液化量が予め設定した液化量よりも多い場合には、フィード系JT弁116を絞ることで液化量を減らし、一方、液化量が予め設定した液化量よりも少ない場合には、フィード系JT弁116を開けることで液化量を増やすことができる。
By executing the
また本実施形態では、上述のように、フィード系JT弁入口温度計115の計測値T1も考慮して開度補正演算230を実行した。しかしながら、計測値T1は、多少、値が変動しても演算結果には大きく影響しないことから、計測値T1を考慮せずに開度補正演算230を実行することもできる。
よって、フィード系JT弁116の開度補正演算230は、最低限、フィード系JT弁入口圧力計114の計測値P1、及び、フィード圧縮機出口側流量計113部分での入口流量と負荷率に応じたフィードライン110の流量設定値との偏差222を用いて行うことができる。
In the present embodiment, as described above, the
Therefore, the opening
次に、リサイクル入口圧力調節弁134の開度指令250について説明する。
リサイクル入口圧力調節弁134の開度調節は、既に説明したように、冷媒循環ライン130を循環する冷媒量を調節することに対応する。
冷媒循環ライン130を循環する冷媒の量は、基本的には、当該原料ガス液化装置101に対して予めオペレータが設定した負荷率223を元に求めた、冷媒循環ライン130のリサイクルライン入口圧力計135部分における液化機入口圧力設定値と、リサイクルライン入口圧力計135からの実際の圧力計測値とのフィードバック制御によって決定される。
しかしながら、設定した負荷率223に対応した冷媒量では、フィードライン110から所望の水素ガスの液化量が得られない場合も考えられる。そこで本実施形態では、このような事態にも対応可能とするため、以下のように構成している。
Next, the
Adjustment of the opening degree of the recycle inlet pressure control valve 134 corresponds to adjusting the amount of refrigerant circulating through the
The amount of the refrigerant circulating through the
However, there may be a case where a desired amount of liquefied hydrogen gas cannot be obtained from the
即ち、図2に示すように、負荷率223に対応した、フィードライン110での原料ガスつまり水素ガスの設定液化量と、フィード圧縮機出口側流量計113部分での水素ガスの流量(フィードライン液化機入口流量)との偏差より、負荷率223の増減量に相当するΔ負荷率241を求める(ステップ240)。
That is, as shown in FIG. 2, the set liquefaction amount of the raw material gas, that is, hydrogen gas, in the
ここで、ステップ240について図4を参照して説明する。
既に説明したように、当該原料ガス液化装置101には、予めオペレータによって負荷率223が設定され、フィード圧縮機出口側流量計113部分における、負荷率223に対応した水素ガスの設定流量値と、フィード圧縮機出口側流量計113における水素ガスの実際の計測流量値との偏差222が求まる。ステップ240では、設定した負荷率に対応した水素ガスの流量値つまり定格流量に対して偏差222がどの程度ずれているか、言い換えると、負荷率において、偏差222は何パーセントのずれに相当するか、を求める。求めたものは、負荷率における偏差分に相当し、Δ負荷率241とする。尚、上述のフラグ224により、Δ負荷率241を出力するか否かの選択が可能であり、フラグ224が「1」の場合には、求めた偏差分をΔ負荷率241として出力し、フラグ224が「0」の場合には、「0」をΔ負荷率241として出力する。つまり、Δ負荷率241が「0」である場合には、冷媒循環ライン130のリサイクルライン入口圧力計135部分における液化機入口圧力設定値と、リサイクルライン入口圧力計135からの実際の圧力計測値とのフィードバック制御のみで、リサイクル入口圧力調節弁134の開度指令250を決定することとなる。
Here,
As already described, a load factor 223 is set in advance in the raw
次のステップ242では、求めたΔ負荷率241を上述の負荷率223に加算して「補正負荷率」を設定する。
そして次のステップ243では、補正負荷率と、リサイクルライン入口圧力計135部分における液化機入口圧力設定値との、予め用意した関係情報から、設定した上記「補正負荷率」に対するリサイクルライン入口圧力計135部分における圧力設定値244を求める。ここで、上記予め用意した関係情報として、例えばテーブル関数等を用いることができる。
次のステップ245では、リサイクルライン入口圧力計135から得られた、冷媒の実際の計測圧力値が圧力設定値244に近づくように、制御装置150は、冷媒循環ライン130のリサイクル入口圧力調節弁134の開度調節を行う。
In the
In the
In the
この開度調節によって、上述のように冷媒循環ライン130を循環する冷媒量が調節される。さらに、本実施形態ではΔ負荷率241を用いたことにより、フィードライン110において水素ガスの液化量が所望の液化量よりも多い場合には、設定している負荷率を上げることで、冷媒循環ライン130を循環する冷媒の量を多くし、一方、水素ガスの液化量が所望の液化量よりも少ない場合には、設定している負荷率を下げることで冷媒循環ライン130を循環する冷媒の量を少なくすることができる。この結果、当該原料ガス液化装置101におけるプロセスバランスを維持することが可能となる。
By adjusting the opening degree, the amount of refrigerant circulating through the
以上説明したように、本実施形態の原料ガス液化装置101によれば、図1に示す装置構成を有し、図2から図4に示す原料ガスの液化量補正制御方法を適用することにより、以下の効果を得ることができる。
即ち、当該原料ガス液化装置101に備わる熱交換器180aから180g、181、並びに、各膨張タービン137,138及び各圧縮機112,132,133における経年劣化に起因する、原料ガス及び冷媒の流量減少が発生した場合でも、フィードライン110における原料ガスの液化量、及び、冷媒循環ライン130を循環する冷媒の量を自動的に調整することができる。その結果、原料ガス液化装置101内のプロセスバランスを崩すことなく、原料ガスの所望の液化量を得ることができる。
また、フィードライン110に対する原料ガスの供給が変動するような状況下でも、フィードライン110における原料ガスの液化量に応じて、冷媒循環ライン130を循環する冷媒の量を自動的に調整することもできる。その結果、原料ガス液化装置101内のプロセスバランスを崩すことなく、安定した運転、つまり安定した液化原料ガスの製造を行うことが可能になる。
As described above, according to the raw material
That is, the flow rates of the raw material gas and the refrigerant are reduced due to aging deterioration in the heat exchangers 180a to 180g and 181 provided in the raw material
In addition, the amount of refrigerant circulating in the
上述の実施形態では、冷媒循環ライン130において、リサイクル高圧圧縮機133及びリサイクル低圧圧縮機132の2台を備え、また、高圧膨張タービン137及び低圧膨張タービン138の2台を備えている。しかしながら、これらの台数は、圧縮機及び膨張タービンの性能に依存するものであり、それぞれ2台に限定するものではない。
In the above-described embodiment, the
本発明は、例えば水素ガスのような極低温で液化される原料ガスを、冷媒循環ラインで生成した冷熱を利用して液化する原料ガス液化装置、及び原料ガスの液化量補正制御方法に適用可能である。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be applied to a raw material gas liquefying apparatus that liquefyes a raw material gas that is liquefied at a very low temperature such as hydrogen gas, using cold heat generated in a refrigerant circulation line, and a liquefaction amount correction control method for the raw material gas It is.
101…原料ガス液化装置、110…フィードライン、
113…フィード圧縮機出口側流量計、114…フィード系JT弁入口圧力計、
115…フィード系JT弁入口温度計、116…フィード系JT弁、
130…冷媒循環ライン、138…低圧膨張タービン、
139…低圧膨張タービン出口温度計、141…冷熱生成系統、142…液化系統、
150…制御装置、
222…偏差、230…開度補正演算。
101 ... Raw material gas liquefier, 110 ... Feed line,
113 ... Feed compressor outlet side flow meter, 114 ... Feed system JT valve inlet pressure gauge,
115 ... Feed system JT valve inlet thermometer, 116 ... Feed system JT valve,
130: Refrigerant circulation line, 138: Low-pressure expansion turbine,
139 ... Low pressure expansion turbine outlet thermometer, 141 ... Cold heat generation system, 142 ... Liquefaction system,
150 ... control device,
222: Deviation, 230: Opening correction calculation.
Claims (10)
上記冷媒循環ラインは冷熱生成系統を備え、この冷熱生成系統は、冷媒が液化することなくガス状態で移送され、冷媒を膨張させる膨張タービンを有して冷熱を生成し、
上記膨張タービンの出口側冷媒温度に応じて上記原料ガスの液化量を制御する制御装置を備えたことを特徴とする原料ガス液化装置。 In a raw material gas liquefying apparatus that has a feed line for supplying a raw material gas whose boiling point is lower than that of nitrogen gas and a refrigerant circulation line for circulating a refrigerant for cooling the raw material gas, and liquefys the raw material gas,
The refrigerant circulation line includes a cold heat generation system, the cold heat generation system is transferred in a gas state without liquefying the refrigerant, has an expansion turbine for expanding the refrigerant, and generates cold.
A raw material gas liquefying apparatus, comprising: a control device that controls a liquefaction amount of the raw material gas in accordance with an outlet side refrigerant temperature of the expansion turbine.
上記フィードラインは、上記液化系統にて液化された冷媒で冷却された原料ガスをジュールトムソン膨張させ液化するジュールトムソン弁を有する、請求項1に記載の原料ガス液化装置。 The refrigerant circulation line further includes a liquefaction system for liquefying the refrigerant using the cold generated by the cold generation system,
2. The raw material gas liquefying apparatus according to claim 1, wherein the feed line has a Joule-Thompson valve for liquefying the raw material gas cooled by the refrigerant liquefied in the liquefaction system by Joule-Thompson expansion.
上記冷媒循環ラインは冷熱生成系統を備え、この冷熱生成系統は、冷媒が液化することなくガス状態で移送され、冷媒を膨張させる膨張タービンを有して冷熱を生成し、
上記制御装置にて、上記膨張タービンの出口側冷媒温度に応じて上記原料ガスの液化量を補正制御することを特徴とする原料ガスの液化量補正制御方法。 Executed in a raw material gas liquefier having a feed line for supplying a raw material gas for liquefaction whose boiling point is lower than that of nitrogen gas, a refrigerant circulation line for circulating a refrigerant for cooling the raw material gas, and a control device In the source gas liquefaction amount correction control method,
The refrigerant circulation line includes a cold heat generation system, the cold heat generation system is transferred in a gas state without liquefying the refrigerant, has an expansion turbine for expanding the refrigerant, and generates cold.
The control device corrects and controls the liquefaction amount of the raw material gas in accordance with the outlet side refrigerant temperature of the expansion turbine.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2015057520A JP6591183B2 (en) | 2015-03-20 | 2015-03-20 | Raw material gas liquefaction apparatus and raw material gas liquefaction amount correction control method |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2015057520A JP6591183B2 (en) | 2015-03-20 | 2015-03-20 | Raw material gas liquefaction apparatus and raw material gas liquefaction amount correction control method |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2016176654A true JP2016176654A (en) | 2016-10-06 |
JP6591183B2 JP6591183B2 (en) | 2019-10-16 |
Family
ID=57069841
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2015057520A Active JP6591183B2 (en) | 2015-03-20 | 2015-03-20 | Raw material gas liquefaction apparatus and raw material gas liquefaction amount correction control method |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP6591183B2 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2018105564A1 (en) | 2016-12-08 | 2018-06-14 | 川崎重工業株式会社 | Raw material gas liquefaction device and control method for same |
CN115657745A (en) * | 2022-09-27 | 2023-01-31 | 华能曲阜热电有限公司 | Automatic hydrogen supplementing system and method for hydrogen-cooled generator |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS61268972A (en) * | 1985-05-21 | 1986-11-28 | 株式会社神戸製鋼所 | Method of controlling operation of helium liquefying and refrigerating device |
JP2005241232A (en) * | 2004-01-27 | 2005-09-08 | Kansai Electric Power Co Inc:The | Hydrogen liquefying device, and liquid hydrogen manufacturing system |
JP2007205667A (en) * | 2006-02-03 | 2007-08-16 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | Liquefied hydrogen production device |
-
2015
- 2015-03-20 JP JP2015057520A patent/JP6591183B2/en active Active
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS61268972A (en) * | 1985-05-21 | 1986-11-28 | 株式会社神戸製鋼所 | Method of controlling operation of helium liquefying and refrigerating device |
JP2005241232A (en) * | 2004-01-27 | 2005-09-08 | Kansai Electric Power Co Inc:The | Hydrogen liquefying device, and liquid hydrogen manufacturing system |
JP2007205667A (en) * | 2006-02-03 | 2007-08-16 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | Liquefied hydrogen production device |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2018105564A1 (en) | 2016-12-08 | 2018-06-14 | 川崎重工業株式会社 | Raw material gas liquefaction device and control method for same |
CN109661549A (en) * | 2016-12-08 | 2019-04-19 | 川崎重工业株式会社 | Unstrpped gas liquefying plant and its control method |
EP3553435A4 (en) * | 2016-12-08 | 2020-08-19 | Kawasaki Jukogyo Kabushiki Kaisha | Raw material gas liquefaction device and control method for same |
US11662140B2 (en) | 2016-12-08 | 2023-05-30 | Kawasaki Jukogyo Kabushiki Kaisha | Raw material gas liquefying device and method of controlling this raw material gas liquefying device |
CN115657745A (en) * | 2022-09-27 | 2023-01-31 | 华能曲阜热电有限公司 | Automatic hydrogen supplementing system and method for hydrogen-cooled generator |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP6591183B2 (en) | 2019-10-16 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
AU2011365154B2 (en) | Liquefier system | |
JP6585653B2 (en) | Operation method of natural gas liquefaction equipment | |
JP6591185B2 (en) | Method for starting and stopping raw material gas liquefier, and raw material gas liquefying device | |
CN109661549B (en) | Raw material gas liquefaction device and control method thereof | |
US10753659B2 (en) | Method for adjusting a Cryogenic refrigeration apparatus and corresponding apparatus | |
JP6591183B2 (en) | Raw material gas liquefaction apparatus and raw material gas liquefaction amount correction control method | |
US11808502B2 (en) | Raw material gas liquefying device and method of controlling this raw material gas liquefying device | |
JP5783945B2 (en) | Liquefaction device and starting method thereof | |
JP6176905B2 (en) | Refrigeration equipment | |
CN114136054B (en) | Method for controlling cooling of a main heat exchanger in a liquefied natural gas plant | |
US11913719B2 (en) | Liquefaction apparatus | |
JP2023135044A (en) | Air separation device and operating method for air separation device | |
KR101543713B1 (en) | Control apparatus for flow of refrigerants and control method for flow of refrigerants |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20180207 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20190514 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20190708 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20190903 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20190918 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 6591183 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |