JP2018096555A - 原料ガス液化装置及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】原料ガス液化装置の良好なサイクルバランスを保つことにより、液化原料ガスの製造を安定化する。【解決手段】原料ガス液化装置は、原料ガスが、熱交換器、液化冷媒貯槽、及び、供給系ＪＴ弁の順に通過するフィードラインと、冷媒が、圧縮機、熱交換器、循環系ＪＴ弁、液化冷媒貯槽、及び、熱交換器の順に通過して圧縮機へ戻る冷媒液化ルートと、冷媒が、圧縮機、熱交換器、膨張機、熱交換器の順に通過して圧縮機へ戻る冷熱生成ルートとを有する冷媒循環ラインと、制御装置とを有する。制御装置は、冷媒貯槽液位が所定の許容範囲内であるか否かを判定し、冷媒貯槽液位が許容範囲内であれば、供給系ＪＴ弁の開度を操作して、熱交換器の高温側冷媒流路の出口側冷媒温度を所定の温度設定値に制御し、冷媒貯槽液位が許容範囲外であれば、供給系ＪＴ弁の開度を操作して、冷媒貯槽液位を許容範囲内に制御する。【選択図】図１

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液化する原料ガス液化装置及びその制御方法に関する。

従来、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液化する原料ガス液化装置が知られている。特許文献１には、この種の技術が開示されている。

特許文献１の原料ガス液化装置は、本願の発明者らにより考案されたものであり、本願発明の先行技術にあたる。図９は、特許文献１に示された従来の原料ガス液化装置２００が示されている。図９に示すように、特許文献１の原料ガス液化装置２００は、原料ガス（例えば、水素ガス）が流れるフィードライン１と、原料ガスの冷却を行う冷媒（例えば、水素ガス）が流れる冷媒循環ライン３とを備えている。また、原料ガス液化装置２００には、フィードライン１の原料ガスと冷媒循環ライン３の冷媒とが熱交換する熱交換器８１〜８６と、液化冷媒貯槽４０に貯えられた液化冷媒で原料ガスを冷却する冷却器８８とが設けられている。

フィードライン１は、熱交換器８１〜８６、冷却器８８、及び供給系ジュールトムソン弁（以下、供給系ＪＴ弁１６）の順に通過する。フィードライン１には、図示しない圧縮機などで昇圧された高圧の原料ガスが導入される。フィードライン１では、熱交換器８１〜８６及び冷却器８８を通過するうちに冷却された原料ガスが、供給系ＪＴ弁１６でジュールトムソン（等エンタルピー）膨張することにより液化され、液化原料ガスとなる。

冷媒循環ライン３には、冷媒液化ルート４１と冷熱生成ルート４２との、部分的に重複する２つの循環流路が形成されている。冷媒液化ルート４１は、低圧圧縮機（以下、低圧側の圧縮機３２）、高圧側の圧縮機（以下、高圧圧縮機３３）、熱交換器８１〜８６、循環系ジュールトムソン弁（以下、循環系ＪＴ弁３６）、液化冷媒貯槽４０、及び熱交換器８６〜８１を順に通過して低圧圧縮機３２へ戻る。この冷媒液化ルート４１の冷媒は、圧縮機３２，３３で昇圧され、熱交換器８１〜８６で冷却され、循環系ＪＴ弁３６でジュールトムソン膨張することにより液化され、液化冷媒貯槽４０へ流入する。液化冷媒貯槽４０で生じた液化冷媒のボイルオフガスは、熱交換器８６〜８１を通過するうちに昇温され、低圧圧縮機３２の入口へ戻される。一方、冷熱生成ルート４２は、高圧圧縮機３３、熱交換器８１〜８２、高圧側の膨張機（以下、高圧膨張機３７）、熱交換器８４、低圧側の膨張機（以下、低圧膨張機３８）、及び、熱交換器８５〜８１を順に通過して高圧圧縮機３３へ戻る。冷媒液化ルート４１と冷熱生成ルート４２は、高圧圧縮機３３から２段目の熱交換器８２までを共用している。２段目の熱交換器８２を出た冷媒の一部は、冷熱生成ルート４２に分かれる。冷熱生成ルート４２の冷媒は、膨張機３７，３８を通過して低温ガスとなり、その低温ガスは熱交換器８５〜８１を通過するうちに昇温され、高圧側の圧縮機３３の入口へ戻される。

原料ガス液化装置２００のプロセスは、制御装置６によって管理されている。制御装置６では、フィードライン１及び冷媒循環ライン３のプロセスデータ（例えば、原料ガス及び冷媒の流量・圧力・温度、液化冷媒貯槽４０の液位、圧縮機３２，３３及び膨張機３７，３８の回転数など）が入力され、それらに基づいてバイパス弁３４やＪＴ弁１６，３６の開度を制御する。

特許文献１の原料ガス液化装置２００では、低圧膨張機３８の出口側冷媒温度が所定の設定値となるように、供給系ＪＴ弁１６の開度が調整されることによって、原料ガスの液化量が制御される。これにより、冷媒温度と原料ガスの液化量とが、原料ガスに対する冷熱不足や過冷却が生じないようにバランスされる。また、特許文献１の原料ガス液化装置２００では、高圧圧縮機３３をバイパスするバイパス流路３１ｂが設けられ、ここにバイパス弁３４が設けられている。そして、高圧圧縮機３３の出口側冷媒圧力を検出し、その出口側冷媒圧力が所定の圧力となるようにバイパス弁３４の開度を調整することにより、冷媒循環ライン３を循環する冷媒の量が制御されている。

特開２０１６−１７６６５４号公報

一般に、ジュールトムソン弁は、入口温度や圧力（即ち、等エンタルピー膨張を開始する温度や圧力）により液化収率が変化し、入口温度が低いほど液化収率は高い。上記特許文献１の原料ガス液化装置２００において、仮に、循環系ＪＴ弁３６の入口圧力や入口温度が変動すると、循環系ＪＴ弁３６の液化収率が変動する。循環系ＪＴ弁３６の液化収率が変動すると、液化冷媒貯槽４０の液位が安定しにくくなり、サイクルバランスが一旦乱れると回復しにくい。特許文献１では、循環系ＪＴ弁３６の開度や液化冷媒貯槽４０の液位の制御については特に説明されていない。

そこで、本発明は、原料ガス液化装置において、液化冷媒貯槽の液位を安定化させつつ、良好なサイクルバランスを保つことにより、液化原料ガスの製造を安定化することを課題としている。

本発明の一態様に係る原料ガス液化装置は、
原料ガスが、熱交換器の原料流路、液化した冷媒が貯えられた液化冷媒貯槽、及び、供給系ジュールトムソン弁の順に通過するフィードラインと、
前記冷媒が、圧縮機、前記熱交換器の高温側冷媒流路、循環系ジュールトムソン弁、前記液化冷媒貯槽、及び、前記熱交換器の第１低温側冷媒流路の順に通過して前記圧縮機へ戻る冷媒液化ルートと、前記冷媒が、前記圧縮機、膨張機、前記熱交換器の第２低温側冷媒流路の順に通過して前記圧縮機へ戻る冷熱生成ルートとを有する冷媒循環ラインと、
前記熱交換器の高温側冷媒流路の出口側冷媒温度又は前記熱交換器の原料流路の出口側原料ガス温度を検出する温度センサと、
前記液化冷媒貯槽の液位である冷媒貯槽液位を検出する液位センサと、
前記冷媒貯槽液位が所定の許容範囲内であるか否かを判定し、前記冷媒貯槽液位が前記許容範囲内であれば、前記供給系ジュールトムソン弁の開度を操作して、前記温度センサで検出された温度を所定の温度設定値となるように制御し、前記冷媒貯槽液位が前記許容範囲外であれば、前記供給系ジュールトムソン弁の開度を操作して、前記冷媒貯槽液位を前記許容範囲内となるように制御する制御装置とを、備えることを特徴としている。

また、本発明の一態様に係る原料ガス液化装置の制御方法は、
原料ガスが、熱交換器の原料流路、液化した冷媒が貯えられた液化冷媒貯槽、及び、供給系ジュールトムソン弁の順に通過するフィードラインと、
前記冷媒が、圧縮機、前記熱交換器の高温側冷媒流路、循環系ジュールトムソン弁、前記液化冷媒貯槽、及び、前記熱交換器の第１低温側冷媒流路の順に通過して前記圧縮機へ戻る冷媒液化ルートと、前記冷媒が、前記圧縮機、膨張機、前記熱交換器の第２低温側冷媒流路の順に通過して前記圧縮機へ戻る冷熱生成ルートとを有する、冷媒循環ラインとを備えた原料ガス液化装置の制御方法であって、
前記液化冷媒貯槽の液位である冷媒貯槽液位が所定の許容範囲外のときに、前記供給系ジュールトムソン弁の開度を操作して、前記冷媒貯槽液位を前記許容範囲内となるように制御し、
前記冷媒貯槽液位が前記許容範囲内のときに、前記供給系ジュールトムソン弁の開度を操作して、前記熱交換器の高温側冷媒流路の出口側冷媒温度又は前記熱交換器の原料流路の出口側原料ガス温度を所定の温度設定値となるように制御することを特徴としている。

上記原料ガス液化装置及びその制御方法によれば、冷媒貯槽液位が許容範囲外のときには、冷媒貯槽液位が許容範囲となるように冷媒貯槽液位が制御される。つまり、冷媒貯槽液位が許容範囲外のときは、冷媒貯槽液位を許容範囲とすることが優先される。これにより、冷媒貯槽液位の初期位置に関わらず、冷媒貯槽液位が速やかに許容範囲となり、液化冷媒貯槽の液位が安定しやすくなる。

また、上記原料ガス液化装置及びその制御方法によれば、冷媒貯槽液位が許容範囲内のときには、熱交換器の出口側冷媒温度又は出口側原料ガス温度が温度設定値に保持されるように、出口側冷媒温度又は出口側原料ガス温度が制御され、熱交換器の出口側冷媒温度が安定する。これにより、循環系ジュールトムソン弁の入口温度が安定化し、循環系ジュールトムソン弁の液化収率が安定するので、冷媒貯槽液位を安定化させることができる。このように、良好なサイクルバランスが得られるように、冷熱生成ルートで生成された冷熱量が、冷媒液化ルートとフィードラインとに分配される。従って、液化冷媒貯槽の液位を安定化させつつ、良好なサイクルバランスを保つことができ、これにより、液化原料ガスの製造の安定化に寄与することができる。

本発明によれば、原料ガス液化装置において、液化冷媒貯槽の液位を安定化させつつ、良好なサイクルバランスを保つことにより、液化原料ガスの製造を安定化することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る原料ガス液化装置の全体的な構成を示す図である。 図２は、原料ガス液化装置の制御系統の構成を示すブロック図である。 図３は、循環系ＪＴ弁開度制御部の処理の流れを説明する図である。 図４は、供給系ＪＴ弁開度制御部の処理の流れを説明する図である。 図５は、負荷率設定値と冷媒の設定温度との関係を示す図表である。 図６は、液化冷媒貯槽の液位と設定温度補正量との関係を示す図表である。 図７は、変形例１に係る原料ガス液化装置の全体的な構成を示す図である。 図８は、変形例２に係る原料ガス液化装置の全体的な構成を示す図である。 図９は、従来の原料ガス液化装置の全体的な構成を示す図である。

次に、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る原料ガス液化装置１００の全体的な構成を示す図、図２は、原料ガス液化装置１００の制御系統の構成を示すブロック図である。本実施形態に係る原料ガス液化装置１００は、供給される原料ガスを、冷却し、液化することにより、液化原料ガスを生成する装置である。本実施形態では、原料ガスとして高純度の水素ガスが用いられ、その結果、液化原料ガスとして液体水素が生成される。但し、原料ガスは、水素ガスに限定されず、常温常圧で気体であり、且つ、窒素ガスの沸点（−１９６℃）よりも沸点が低い物質であればよい。このような原料ガスとして、例えば、水素ガス、ヘリウムガス、ネオンガスなどが挙げられる。

図１及び図２に示すように、原料ガス液化装置１００は、原料ガスが流れるフィードライン１と、冷媒が循環する冷媒循環ライン３と、原料ガス液化装置１００の動作を司る制御装置６とを備えている。原料ガス液化装置１００には、フィードライン１を流れる原料ガスと冷媒循環ライン３を流れる冷媒とを熱交換させる複数段の熱交換器８１〜８６と、冷却器７３，８８とが設けられている。

〔フィードライン１の構成〕
フィードライン１は、原料ガスが流れる流路であって、熱交換器８１〜８６内の高温側流路（原料流路）、冷却器７３，８８内の流路、供給系ジュールトムソン弁（以下、供給系ＪＴ弁１６）、それらを繋ぐ配管内の流路などによって形成されている。フィードライン１には、図示されない圧縮機などにより昇圧された常温高圧の原料ガスが供給される。

フィードライン１は、１段目の熱交換器８１、予備冷却器７３、２段目から６段目の熱交換器８２〜８６、冷却器８８、及び供給系ＪＴ弁１６を、その順に通過する。熱交換器８１〜８６では、原料ガスと冷媒との熱交換が行われ、原料ガスが冷却される。

フィードライン１は、１段目の熱交換器８１から出て２段目の熱交換器８２に入るまでに予備冷却器７３を通る。予備冷却器７３は、液体窒素を貯える液体窒素貯槽７１と、その液体窒素貯槽７１へ外部から液体窒素を供給する窒素ライン７０とを備えており、液体窒素貯槽７１内にフィードライン１が通されている。予備冷却器７３では、原料ガスがおよそ液体窒素の温度まで冷却される。

また、フィードライン１は、６段目の熱交換器８６から出て供給系ＪＴ弁１６に入るまでに冷却器８８を通る。冷却器８８は、冷媒循環ライン３の冷媒が液化した液化冷媒を貯える液化冷媒貯槽４０を備えており、その液化冷媒貯槽４０内にフィードライン１が通されている。冷却器８８では、液化冷媒貯槽４０内の液化冷媒によって原料ガスがおよそ液化冷媒の温度（即ち、極低温）まで冷却される。

上記のように冷却器８８から出た極低温の原料ガスは、供給系ＪＴ弁１６に流入する。供給系ＪＴ弁１６では、極低温の原料ガスがジュールトムソン膨張することにより、低温常圧の液体となる。このようにして液化した原料ガス（即ち、液化原料ガス）は、図示されない貯槽へ送られて貯えられる。液化原料ガスの生成量（即ち、液化量）は、供給系ＪＴ弁１６の開度によって調整される。

〔冷媒循環ライン３の構成〕
冷媒循環ライン３は、冷媒が循環する閉じられた流路であって、熱交換器８１〜８６内の流路、冷却器７３内の流路、２台の圧縮機３２，３３、２台の膨張機３７，３８、循環系ジュールトムソン弁（以下、循環系ＪＴ弁３６）、液化冷媒貯槽４０、及び、それらを繋ぐ配管内の流路などによって形成されている。

冷媒循環ライン３には、冷媒を充填するための充填ライン（図示略）が接続されている。本実施形態では、冷媒として、水素が用いられている。但し、冷媒は、水素に限定されず、常温常圧で気体であり、且つ、沸点が原料ガスと同じ又はそれ以下の物質であればよい。このような冷媒として、例えば、水素、ヘリウム、ネオンなどが挙げられる。

冷媒循環ライン３は、冷媒液化ルート４１と冷熱生成ルート４２との、部分的に流路を共有する２つの循環流路（閉ループ）を有する。

冷媒液化ルート４１は、低圧側の圧縮機（以下、低圧圧縮機３２）、高圧側の圧縮機（以下、高圧圧縮機３３）、１段目の熱交換器８１の高温側冷媒流路、予備冷却器７３、２段目から６段目の熱交換器８２〜８６の高温側冷媒流路、循環系ＪＴ弁３６、液化冷媒貯槽４０、及び、６段目から１段目の熱交換器８６〜８１の低温側冷媒流路を順に通過して低圧圧縮機３２へ戻る。

低圧圧縮機３２の入口には、低圧流路３１Ｌが接続されている。低圧圧縮機３２の出口と高圧圧縮機３３の入口とは、中圧流路３１Ｍで接続されている。低圧流路３１Ｌの冷媒は、低圧圧縮機３２で圧縮されて、中圧流路３１Ｍへ吐出される。高圧圧縮機３３の出口と、循環系ＪＴ弁３６の入口とは高圧流路３１Ｈで接続されている。中圧流路３１Ｍの冷媒は、高圧圧縮機３３で圧縮されて、高圧流路３１Ｈへ吐出される。

低圧流路３１Ｌと中圧流路３１Ｍは、低圧圧縮機３２を通らない第１バイパス流路３１ａで接続されている。第１バイパス流路３１ａには、第１バイパス弁３０が設けられている。また、中圧流路３１Ｍと高圧流路３１Ｈは、高圧圧縮機３３を通らない第２バイパス流路３１ｂで接続されている。第２バイパス流路３１ｂには、第２バイパス弁３４が設けられている。

高圧流路３１Ｈの冷媒は、１段目の熱交換器８１の高温側冷媒流路、予備冷却器７３、及び、２段目から６段目の熱交換器８２〜８６の高温側冷媒流路をその順に通って冷却され、循環系ＪＴ弁３６に流入する。循環系ＪＴ弁３６で、ジュールトムソン膨張することにより液化した冷媒は液化冷媒貯槽４０に流入する。液化冷媒の生成量（即ち、液化量）は、循環系ＪＴ弁３６の開度によって調整される。

液化冷媒が貯えられた液化冷媒貯槽４０では、ボイルオフガスが生じる。このボイルオフガスは、液化冷媒貯槽４０の出口と低圧圧縮機３２の入口とを繋ぐ低圧流路３１Ｌへ流入する。低圧流路３１Ｌは、１段目から６段目の熱交換器８１〜８６を、高圧流路３１Ｈとは逆の順に通る。つまり、低圧流路３１Ｌは、６段目の熱交換器８６から１段目の熱交換器８１までを、その順に通る。低圧流路３１Ｌの冷媒は、熱交換器８６〜８１の低温側冷媒流路を通過するうちに昇温され、低圧圧縮機３２の入口へ戻される。

一方、冷熱生成ルート４２は、高圧圧縮機３３、１段目から２段目の熱交換器８１〜８２の高温側冷媒流路、高圧側の膨張機（以下、高圧膨張機３７）、４段目の熱交換器８４、低圧側の膨張機（以下、低圧膨張機３８）、及び、５段目から１段目の熱交換器８５〜８１の低温側冷媒流路を順に通過して高圧圧縮機３３へ戻る。

冷媒液化ルート４１と冷熱生成ルート４２は、高圧圧縮機３３から２段目の熱交換器８２までの流路を共用している。高圧流路３１Ｈにおいて、２段目の熱交換器８２の出口から３段目の熱交換器８３の入口までの間に分岐部３１ｄが設けられており、この分岐部３１ｄに冷熱生成流路３１Ｃの上流端が接続されている。冷熱生成流路３１Ｃの下流端は、中圧流路３１Ｍと接続されている。

冷熱生成流路３１Ｃは、分岐部３１ｄから中圧流路３１Ｍまでの間に、高圧膨張機３７、４段目の熱交換器８４、低圧膨張機３８、及び、５段目から１段目の熱交換器８５〜８１の低温側冷媒流路を通る。高圧流路３１Ｈにおいて２段目の熱交換器８２を通過した冷媒は、高圧膨張機３７の動作により、その大半が冷熱生成流路３１Ｃへ流れ、残余が３段目の熱交換器８３へ流れる。

冷熱生成流路３１Ｃに流入した液体窒素温度よりも低温で高圧の冷媒は、高圧膨張機３７で膨張により降圧・降温され、４段目の熱交換器８４を通過したのち、低圧膨張機３８で膨張により更に降圧・降温される。低圧膨張機３８から出た極低温の冷媒は、更に、５段目の熱交換器８５から１段目の熱交換器８１までを順に通過して昇温されて（即ち、原料ガス及び高圧流路３１Ｈの冷媒を冷却して）、中圧流路３１Ｍの冷媒と合流する。

なお、上記フィードライン１及び冷媒循環ライン３において、１〜６段目の熱交換器８１〜８６、予備冷却器７３、冷却器８８、及び、膨張機３７，３８を含む部分が、液化機２０として構成されている。

〔原料ガス液化装置１００の制御系統の構成〕
フィードライン１及び冷媒循環ライン３には、原料ガス液化装置１００のプロセスデータを検出するための各種センサが設けられている。冷媒循環ライン３において、高圧流路３１Ｈの１段目の熱交換器８６より上流側であって、冷媒液化ルート４１と冷熱生成ルート４２が流路を共有している部分には、冷媒循環ライン３を流れる冷媒の流量Ｆ１を検出する流量センサ５１が設けられている。また、冷熱生成流路３１Ｃの上流部には、高圧膨張機３７の入口の冷媒の流量Ｆ２を検出する流量センサ５２が設けられている。つまり、流量Ｆ１は、冷媒液化ルート４１及び冷熱生成ルート４２を流れる冷媒の流量の和であり、流量Ｆ２は、冷熱生成ルート４２を流れる冷媒の流量である。

高圧流路３１Ｈにおいて熱交換器８１〜８６の高圧側冷媒流路の出口側には、熱交換器８１〜８６の高温側冷媒流路の出口側冷媒温度Ｔを検出する温度センサ５３が設けられている。温度センサ５３は、最終段（本実施形態では６段目）の熱交換器８６の出口と循環系ＪＴ弁３６の入口とを繋ぐ流路に設けられていればよい。また、温度センサ５３は、熱交換器８１〜８６の高温側冷媒流路の出口側冷媒温度Ｔに代えて、循環系ＪＴ弁３６の入口の冷媒温度を検出してもよい。

液化冷媒貯槽４０には、貯められている液化冷媒の液位（以下、「冷媒貯槽液位Ｌ」）を検出する液位センサ５４が設けられている。冷熱生成流路３１Ｃには、高圧膨張機３７の入口の冷媒の圧力Ｐを検出する圧力センサ５５が設けられている。流量センサ５１、流量センサ５２、温度センサ５３、液位センサ５４、及び圧力センサ５５は、検出値を送信可能に制御装置６と有線又は無線で接続されている。

第１バイパス弁３０、第２バイパス弁３４、循環系ＪＴ弁３６、及び供給系ＪＴ弁１６の開度は制御装置６によって制御されている。制御装置６は、供給系ＪＴ弁１６の開度を制御する供給系ＪＴ弁開度制御部６１と、循環系ＪＴ弁３６の開度を制御する循環系ＪＴ弁開度制御部６２と、第１バイパス弁３０及び第２バイパス弁３４の開度を制御するバイパス弁開度制御部６３との各機能部を有している。制御装置６は、所謂、コンピュータであって、予め記憶されたプログラムを実行することにより、供給系ＪＴ弁開度制御部６１、循環系ＪＴ弁開度制御部６２、及びバイパス弁開度制御部６３としての機能を発揮する。これらの機能部は、取得したプロセスデータに基づいて、対応する弁の開度を求め、開度指令を出力する。

〔バイパス弁開度制御部６３の処理〕
上記構成の原料ガス液化装置１００において、冷媒循環ライン３の圧力が変動すると、循環系ＪＴ弁３６の入口圧力が変動するため、循環系ＪＴ弁３６の液化収率が不安定となり、液化冷媒貯槽４０の液位が安定しにくくなる。そこで、バイパス弁開度制御部６３は、高圧流路３１Ｈの冷媒圧力を計測する圧力センサ（図示略）の検出値に基づいて、高圧流路３１Ｈの冷媒の圧力が所定の圧力となるように、第１バイパス弁３０及び第２バイパス弁３４の開度を制御する。

〔循環系ＪＴ弁開度制御部６２の処理〕
原料ガス液化装置１００において、冷媒循環ライン３の高圧流路３１Ｈから冷熱生成流路３１Ｃに分かれる冷媒の割合（又は、冷媒循環ライン３の冷媒液化ルート４１と冷熱生成ルート４２とを合わせた流量に対する、冷熱生成ルート４２の流量の流量比）が変動すると、冷熱生成ルート４２で生成される冷熱量が変動する。冷媒液化ルート４１で生成される冷熱量が変動すると、循環系ＪＴ弁３６の入口温度が変動するため、循環系ＪＴ弁３６の液化収率が不安定となり、液化冷媒貯槽４０の液位が安定しにくくなる。そこで、循環系ＪＴ弁開度制御部６２は、冷熱生成ルート４２で生成される冷熱量が一定となるように、循環系ＪＴ弁３６の開度を制御する。

図３は、循環系ＪＴ弁開度制御部６２の処理の流れを説明する図である。図３に示すように、制御装置６の循環系ＪＴ弁開度制御部６２は、除算器７５と、流量比に基づく循環系流量制御器７６と、切換器７７とを備えている。

除算器７５は、高圧流路３１Ｈにおける１段目の熱交換器８１の入口の冷媒の流量Ｆ１と、冷熱生成流路３１Ｃにおける高圧膨張機３７の入口の冷媒流量Ｆ２とを取得し、それらの値から、冷媒循環ライン３を流れる冷媒のうち冷熱生成ルート４２へ流れる冷媒の割合を求める。具体的には、除算器７５は、流量Ｆ１を分母とし、流量Ｆ２を分子とする流量比Ｒを求め、循環系流量制御器７６に出力する。流量比Ｒは、冷媒循環ライン３を流れる冷媒のうち冷熱生成ルート４２へ流れる冷媒の割合を表している。

循環系流量制御器７６は、予め記憶された流量比設定値Ｒ’と、流量比Ｒとを取得し、流量比Ｒと流量比設定値Ｒ’との偏差がゼロになるような循環系ＪＴ弁３６の開度（操作量）を求め、それを出力する。

切換器７７は、液化機２０の負荷率が一定であるか変動しているかに基づいて、循環系ＪＴ弁３６の開度指令を切り替える。なお、液化機２０の負荷率の変動幅が所定の閾値以下のときに負荷率が一定であるとし、それ以外のときに負荷率が変動しているとしてよい。

なお、負荷率［％］は、高圧膨張機３７の入口の冷媒の圧力に比例する。例えば、負荷率が５０％のときの高圧膨張機３７の入口圧力をＰ50、負荷率が１００％のときの高圧膨張機３７の入口圧力をＰ100、圧力センサ５５で検出された高圧膨張機３７の入口圧力をＰとすると、負荷率ｘは次式で求めることができる。
ｘ＝［（Ｐ−２×Ｐ50＋Ｐ100）×５０］／（Ｐ100−Ｐ50）

負荷率が一定であるときは、現在の循環系ＪＴ弁３６の開度指令が、循環系ＪＴ弁３６の開度指令として出力される。つまり、液化機２０の負荷率が一定であるときは、冷媒循環ライン３に圧力変動が生じないように、循環系ＪＴ弁３６の開度は固定される。

一方、負荷率が変動しているときは、循環系流量制御器７６からの出力が、循環系ＪＴ弁３６の開度指令として出力される。例えば、流量比Ｒが流量比設定値Ｒ’より大きいときは、冷熱生成ルート４２での冷熱生成量が過剰であり、冷却過多となる。そこで、上記制御では、冷媒液化ルート４１の流量を増大させて、つまり、循環系ＪＴ弁３６の開度を増大させて、流量比Ｒを流量比設定値Ｒ’に近づける。また、例えば、流量比Ｒが流量比設定値Ｒ’より小さいときは、冷熱生成ルート４２での冷熱生成量が不足しており、冷却不足となる。そこで、冷媒液化ルート４１の流量を減少させて、即ち、循環系ＪＴ弁３６の開度を減少させて、流量比Ｒを流量比設定値Ｒ’に近づける。

上記の循環系ＪＴ弁開度制御部６２の処理によれば、負荷率が変動するときも、冷熱生成ルート４２へ流れる冷媒の割合（流量比）が所定の値に保持されるので、冷媒循環ライン３の冷熱生成量を安定させることができる。

〔供給系ＪＴ弁開度制御部６１の処理〕
図４は、供給系ＪＴ弁開度制御部６１の処理の流れを説明する図である。図４に示すように、制御装置６の供給系ＪＴ弁開度制御部６１は、制御方法判定器９０、設定温度演算器９１、設定温度補正量演算器９２、加算器９３、温度に基づく液化量制御器９４、温度に基づく液化量制御器９５、及び、切換器９６を備えている。

制御方法判定器９０は、供給系ＪＴ弁１６の開度の制御を、冷媒貯槽液位Ｌを重視した液位制御とするか、サイクルバランスを重視した温度制御とするかを判定する。図６に示すように、冷媒貯槽液位Ｌに関し、液位の許容範囲が規定されている。液位の許容範囲は、下限値Ｌ1［ｍ］以上、且つ、上限値Ｌ4［ｍ］以下の範囲である。なお、液位の許容範囲に、液位の適正範囲が含まれている。液位の適正範囲は、下限値Ｌ2［ｍ］以上、且つ、上限値Ｌ3［ｍ］以下の範囲である（但し、Ｌ1＜Ｌ2＜Ｌ3＜Ｌ4）。なお、下限値Ｌ2［ｍ］と上限値Ｌ3［ｍ］が同じであり、液位の適正範囲が一意的に決まる場合もある。

制御方法判定器９０は、冷媒貯槽液位Ｌが許容範囲外であるか否かを判定し、冷媒貯槽液位Ｌが許容範囲から外れているときは（Ｌ＜Ｌ1，Ｌ4＜Ｌ）は、液位制御の選択（信号ＯＮ）を出力し、冷媒貯槽液位Ｌが許容範囲内にあるときは（Ｌ1≦Ｌ≦Ｌ4）は、温度制御の選択（信号ＯＦＦ）を出力する。制御方法判定器９０の出力は、切換器９６へ入力され、切換器９６は温度に基づく液化量制御器９４と液位に基づく液化量制御器９５のいずれから供給系ＪＴ弁１６の開度指令を出力するかを切り替える。

（供給系ＪＴ弁１６の開度の液位制御）
まず、供給系ＪＴ弁１６の開度を液位制御する場合について説明する。供給系ＪＴ弁開度制御部６１では、冷媒貯槽液位Ｌが許容範囲から外れているときは（Ｌ＜Ｌ1，Ｌ4＜Ｌ）、供給系ＪＴ弁１６の開度を操作して、冷媒貯槽液位Ｌが速やかに許容範囲内となるように、冷媒貯槽液位Ｌを制御する。

具体的には、液位に基づく液化量制御器９５は、冷媒貯槽液位Ｌと、液位設定値Ｌ’とを取得して冷媒貯槽液位Ｌと液位設定値Ｌ’との偏差がゼロになるような供給系ＪＴ弁１６の開度（操作量）を求め、供給系ＪＴ弁１６の開度指令として出力する。なお、液位設定値Ｌ’は、液位の許容範囲内の値であり（Ｌ1≦Ｌ’≦Ｌ4）、望ましくは、液位の適正範囲内の値である（Ｌ2≦Ｌ’≦Ｌ3）。

上記の制御によれば、冷媒貯槽液位Ｌが許容範囲の下限値Ｌ1［ｍ］より小さいときは、供給系ＪＴ弁１６の開度を減少させる開度指令が出力される。これにより、フィードライン１の流量(液化量)を減らし、その分の冷熱量が冷媒循環ライン３へ与えられることで、冷媒循環ライン３の液化収率（冷却能力）が上がり、冷媒貯槽液位Ｌを許容範囲内に戻すことができる。一方、冷媒貯槽液位Ｌが許容範囲の上限値Ｌ4［ｍ］を超えるときは、供給系ＪＴ弁１６の開度を増大させる開度指令が出力される。これにより、冷媒循環ライン３の液化収率(冷却能力)を下げて、その分の冷熱量がフィードライン１へ与えられることで、フィードライン１の流量(液化量)が増えて、冷媒貯槽液位Ｌを許容範囲内とすることができる。

（供給系ＪＴ弁１６の開度の温度制御）
次に、供給系ＪＴ弁１６の開度を温度制御する場合について説明する。供給系ＪＴ弁開度制御部６１は、冷媒貯槽液位Ｌが許容範囲内のときは、冷熱生成ルート４２で生成された一定の冷熱量が、フィードライン１と冷媒循環ライン３の冷媒液化ルート４１とにサイクルバランスが安定するように分配されるように、供給系ＪＴ弁１６の開度を操作する。フィードライン１に配分される冷熱量は、熱交換器８１〜８６の高温側原料流路で原料ガスに移動する冷熱量（即ち、原料ガスから低温側冷媒流路の冷媒に与える熱量）である。また、冷媒液化ルート４１に配分される冷熱量は、熱交換器８１〜８６の高温側冷媒流路で冷媒に移動する冷熱量（即ち、高温側冷媒流路の冷媒から低温側冷媒流路の冷媒に与える熱量）である。フィードライン１に配分される冷熱量と冷媒液化ルート４１に配分される冷熱量とは、一方が減れば、他方が増える、という関係を有する。

具体的に、設定温度演算器９１は、液化機２０の所定の負荷率設定値を取得し、その負荷率設定値に基づいて熱交換器８１〜８６の出口側冷媒温度Ｔの設定温度を求め、その設定温度を加算器９３へ出力する。なお、本実施形態において「出口側冷媒温度Ｔ」とは、冷媒循環ライン３の冷熱生成ルート４２で生成された冷熱を利用して、原料ガス（及び、冷媒）を冷却する熱交換器８１〜８６の高温側冷媒流路の出口側の温度のことである。本実施形態では、６段の熱交換器８１〜８６の全ての高温側冷媒流路を通過した後の冷媒の温度（即ち、循環系ＪＴ弁３６の入口の冷媒温度）を、出口側冷媒温度Ｔとしている。

設定温度演算器９１には、負荷率から設定温度を一義的に算出するための、負荷率と設定温度との関係（例えば、式、マップ、テーブルなど）が予め記憶されている。図５の図表は、負荷率と冷媒の設定温度との関係を示している。この図表では、縦軸が設定温度を表し、横軸が負荷率を表している。熱交換器８１〜８６の出口側冷媒温度の設定温度は、負荷率がＤ1［％］まではＴ2［℃］で一定であり、負荷率がＤ1［％］から１００［％］の範囲ではＴ2［℃］からＴ1［℃］まで一次関数的に減少し、負荷率が１００［％］を超えるとＴ1［℃］で一定であるという特徴を有している（但し、Ｔ1＜Ｔ2）。

熱交換器８１〜８６の出口側冷媒温度Ｔに基づいて供給系ＪＴ弁１６の開度が操作されている間も、冷媒貯槽液位Ｌが変化する。そこで、冷媒貯槽液位Ｌが許容範囲内に維持されるように、上記の設定温度を冷媒貯槽液位Ｌと関連付けられた設定温度補正量で補正する。このように、冷媒貯槽液位Ｌと、供給系ＪＴ弁１６の液化量とを関連付けて制御することにより、フィードライン１と冷媒循環ライン３との良好なサイクルバランスが崩れにくくなる。

具体的には、設定温度補正量演算器９２は、冷媒貯槽液位Ｌを取得し、その冷媒貯槽液位Ｌに基づいて設定温度補正量を求め、その設定温度補正量を加算器９３へ出力する。設定温度補正量演算器９２には、冷媒貯槽液位Ｌから設定温度補正量を一義的に算出するための、設定温度補正量と冷媒貯槽液位Ｌとの関係（例えば、式、マップ、テーブルなど）が予め記憶されている。図６の図表は、設定温度補正量と冷媒貯槽液位Ｌとの関係を示している。この図表では、縦軸が設定温度補正量を表し、横軸が冷媒貯槽液位Ｌを表している。設定温度補正量は、冷媒貯槽液位ＬがＬ1［ｍ］でＣ1［℃］であり、冷媒貯槽液位ＬがＬ1［ｍ］からＬ2［ｍ］まではＣ1［℃］から０［℃］まで一次関数的に増加し、冷媒貯槽液位ＬがＬ2［ｍ］からＬ3［ｍ］までの適正範囲内で０［℃］であり、液位ＬがＬ3［ｍ］からＬ4［ｍ］までは０［℃］からＣ2［℃］まで一次関数的に増加し、液位ＬがＬ4［ｍ］でＣ2［℃］であるという特徴を有している（但し、Ｃ1＜０＜Ｃ2）。

加算器９３は、設定温度と設定温度補正量の和を温度設定値Ｔ’として、温度に基づく液化量制御器９４へ出力する。なお、冷媒貯槽液位Ｌが適正範囲内であるときは、設定温度がそのまま温度設定値Ｔ’となる。この液化量制御器９４は、熱交換器８１〜８６の出口側冷媒温度（循環系ＪＴ弁３６の入口の冷媒温度）Ｔを取得し、冷媒温度Ｔと温度設定値Ｔ’との偏差がゼロになるような供給系ＪＴ弁１６の開度（操作量）を求め、供給系ＪＴ弁１６の開度指令として出力する。

上記の制御では、冷媒貯槽液位Ｌが適正範囲内のときは（Ｌ2≦Ｌ≦Ｌ3）、設定温度補正量は０であり、熱交換器８１〜８６の出口側冷媒温度Ｔが液化機２０の負荷率により決定される設定温度となるように、供給系ＪＴ弁１６の開度が決定される。また、冷媒貯槽液位Ｌが適正範囲を超えるときは（Ｌ3＜Ｌ≦Ｌ4）、供給系ＪＴ弁１６の開度を増大させる開度指令が出力される。これにより、冷媒循環ライン３の冷却能力(液化収率)を下げて、その分の冷熱量をフィードライン１へ与えることで、フィードライン１の流量(液化量)が増えて、冷媒貯槽液位Ｌが適正範囲内に収まる。また、冷媒貯槽液位Ｌが適正範囲に満たないときは（Ｌ1≦Ｌ＜Ｌ2）、供給系ＪＴ弁１６の開度を減少させる開度指令が出力される。これにより、フィードライン１の流量(液化量)を減らし、その分の冷熱量が冷媒循環ライン３へ与えられることで、冷媒貯槽液位Ｌが適正範囲内に収まる。

以上に説明したように、本実施形態の原料ガス液化装置１００は、フィードライン１と冷媒循環ライン３と、制御装置６とを備えている。フィードライン１は、沸点が窒素ガスよりも低温である原料ガスが、熱交換器８１〜８６の原料流路、液化した冷媒が貯えられた液化冷媒貯槽４０、及び、供給系ＪＴ弁１６の順に通過する。冷媒循環ライン３は、冷媒液化ルート４１と冷熱生成ルート４２の、部分的に流路を共用する循環流路を有する。
冷媒液化ルート４１では、冷媒が、圧縮機３２，３３、熱交換器８１〜８６の高温側冷媒流路、循環系ＪＴ弁３６、液化冷媒貯槽４０、及び、熱交換器８６〜８１の第１低温側冷媒流路の順に通過して圧縮機３２へ戻る。冷熱生成ルート４２では、冷媒が、圧縮機３３、膨張機３７，３８、熱交換器８５〜８１の第２低温側冷媒流路の順に通過して圧縮機３３へ戻る。上記の原料ガス液化装置１００には、熱交換器８１〜８６の高温側冷媒流路の出口側冷媒温度Ｔを直接的又は間接的に検出する温度センサ５３と、液化冷媒貯槽４０の液位（冷媒貯槽液位Ｌ）を検出する液位センサ５４とが設けられている。

そして、原料ガス液化装置１００は、制御装置６が、冷媒貯槽液位Ｌが所定の許容範囲内であるか否かを判定し、冷媒貯槽液位Ｌが許容範囲内であれば、供給系ＪＴ弁１６の開度を操作して、温度センサ５３で検出された温度（即ち、熱交換器８１〜８６の高温側冷媒流路の出口側冷媒温度Ｔ）を所定の温度設定値となるように制御し、冷媒貯槽液位Ｌが許容範囲外であれば、供給系ＪＴ弁１６の開度を操作して、冷媒貯槽液位Ｌを許容範囲内となるように制御することを特徴としている。

また、本実施形態の原料ガス液化装置１００の制御方法は、液化冷媒貯槽４０の液位である冷媒貯槽液位Ｌが所定の許容範囲外のときに、供給系ＪＴ弁１６の開度を操作して、冷媒貯槽液位Ｌを許容範囲内となるように制御し、冷媒貯槽液位Ｌが許容範囲内のときに、供給系ＪＴ弁１６の開度を操作して、熱交換器８１〜８６の高温側冷媒流路の出口側冷媒温度Ｔを所定の温度設定値となるように制御することを特徴としている。

上記の原料ガス液化装置１００及びその制御方法によれば、冷媒貯槽液位Ｌが許容範囲を外れるときは、冷媒貯槽液位Ｌを許容範囲内とすることが優先される。これにより、冷媒貯槽液位Ｌの初期位置に関わらず、冷媒貯槽液位Ｌが速やかに許容範囲内となり、冷媒貯槽液位Ｌが安定しやすくなる。また、冷媒貯槽液位Ｌが許容範囲内のときは、熱交換器８１〜８６の出口側冷媒温度Ｔが温度設定値となるように、供給系ＪＴ弁１６の開度が操作される。なお、温度設定値は、フィードライン１と冷媒循環ライン３とのサイクルバランスが安定するような値が設定される。よって、上記の制御によれば、冷媒循環ライン３で生成された冷熱量が、フィードライン１と冷媒循環ライン３とに、サイクルバランスが安定するように分配させることができる。また、循環系ＪＴ弁３６に流入する冷媒温度が安定するので、供給系ＪＴ弁１６の液化量が安定し、冷媒貯槽液位Ｌが安定しやすくなる。このように、冷媒貯槽液位Ｌを安定させつつ、フィードライン１及び冷媒循環ライン３のサイクルバランスを保つことができるので、液化原料ガスの製造を安定化させることができる。

また、上記実施形態に係る原料ガス液化装置１００及びその制御方法では、負荷率が高くなるに従って温度設定値が低下するように、温度設定値が負荷率に関連付けられており、負荷率の設定値に基づいて求めた温度設定値が用いられる。

これにより、負荷率の設定値に応じて、良好なサイクルバランスが得られるような温度設定値が制御に用いられる。

また、上記実施形態に係る原料ガス液化装置１００及びその制御方法では、冷媒貯槽液位Ｌが所定の許容範囲内に含まれる所定の適正範囲のときにゼロとなり、冷媒貯槽液位Ｌが適正範囲未満のときに負の値となり、冷媒貯槽液位Ｌが適正範囲を超えるときに正の値となるように、設定温度補正量が冷媒貯槽液位Ｌに関連付けられており、温度設定値が、冷媒貯槽液位Ｌに基づいて求めた設定温度補正量で補正されている。

このように、設定温度補正量によって、冷媒貯槽液位Ｌが適正範囲よりも高いとき（即ち、冷媒循環ライン３の冷熱量が過多気味のとき）に温度設定値が上がり、冷媒貯槽液位Ｌが適正範囲よりも低いとき（即ち、冷媒循環ライン３の冷熱量が不足気味のとき）に温度設定値が下がるように補正されるので、熱交換器８１〜８６の出口側冷媒温度Ｔを温度設定値に制御しながら、冷媒貯槽液位Ｌを許容範囲内に維持することができる。

また、上記実施形態に係る原料ガス液化装置１００及びその制御方法では、負荷率の変動が所定範囲内のときは、循環系ＪＴ弁３６の開度を固定し、負荷率の変動が所定範囲外のときは、循環系ＪＴ弁３６の開度を操作して、冷媒循環ライン３を流れる冷媒のうち冷熱生成ルート４２へ流れる冷媒の割合が所定の値となるように、冷熱生成ルート４２へ流れる冷媒の流量を制御する。ここで、原料ガス液化装置１００には、冷媒循環ライン３を流れる冷媒のうち冷熱生成ルート４２へ流れる冷媒の割合を検出するために、流量センサ５１，５２が設けられている。

このように、負荷率が変動するときには、冷熱生成ルート４２へ流れる冷媒の割合を所定の値に維持するように循環系ＪＴ弁３６の開度（液化量）が操作されるので、負荷率が変動するときにも冷熱生成ルート４２で生成される冷熱量を安定させることができる。

なお、負荷率と膨張機３７へ流入する冷媒圧力とは比例関係を有するように、負荷率と膨張機３７へ流入する冷媒圧力とが関連付けられており、膨張機３７へ流入する冷媒圧力に基づいて求めた負荷率が制御に用いられる。負荷率を求めるために、原料ガス液化装置１００には、高圧膨張機３７へ流入する冷媒圧力を検出する圧力センサ５５が設けられている。

以上に本発明の好適な実施の形態を説明したが、本発明の精神を逸脱しない範囲で、上記実施形態の具体的な構造及び／又は機能の詳細を変更したものも本発明に含まれ得る。上記の原料ガス液化装置１００の構成は、例えば、以下のように変更することができる。

上記実施形態では、温度センサ５３で検出される熱交換器８１〜８６の高温側冷媒流路の出口側冷媒温度Ｔを用いて、フィードライン１と冷媒液化ルート４１に分配される冷熱量のバランスを調整している。ここで、温度センサ５３は、冷媒循環ライン３の冷媒液化ルート４１で生成された冷熱を利用して原料ガスを冷却する熱交換器８１〜８６の出口側、即ち、最終段（６段目）の熱交換器８６の出口側の流路に設けられている。但し、高圧流路３１Ｈの分岐部３１ｄより下流側であれば、最終段（６段目）の他の熱交換器８３〜８５の高温側冷媒流路の出口側冷媒温度又は入口側冷媒温度を用いて、フィードライン１と冷媒液化ルート４１に分配される冷熱量のバランスを調整してもよい。

例えば、図７に示す変形例１に係る原料ガス液化装置１００Ａでは、冷媒循環ライン３の冷媒液化ルート４１の５段目の熱交換器８５と６段目の熱交換器との間に温度センサ５３Ａが設けられている。この温度センサ５３Ａでは、５段目の熱交換器８５の高温側冷媒流路の出口側冷媒温度（又は、６段目の熱交換器８６高温側冷媒流路の入口側冷熱温度）が検出される。そして、原料ガス液化装置１００Ａの制御装置６は、温度センサ５３Ａの検出値と、これに対し設定された温度設定値とを用いて、前述の実施形態と同様に、供給系ＪＴ弁１６の開度を操作して、５段目の熱交換器８５の高温側冷媒流路の出口側冷媒温度の制御を行う。

また、前述の実施形態に係る原料ガス液化装置１００では、冷媒液化ルート４１を流れる冷媒の温度（熱交換器８１〜８６の高温側冷媒流路の出口側冷媒温度Ｔ）を用いて、フィードライン１と冷媒液化ルート４１に分配される冷熱量のバランスを調整している。但し、冷熱生成ルート４２で生成される一定の冷熱量は、フィードライン１と冷媒液化ルート４１とで分配されることから、フィードライン１を流れる原料ガスの温度を用いて、フィードライン１と冷媒液化ルート４１に分配される冷熱量のバランスを調整してもよい。

例えば、図８に示す変形例２に係る原料ガス液化装置１００Ｂでは、フィードライン１において、熱交換器８１〜８６の原料流路の出口側原料ガス温度を検出する温度センサ５３Ｂが設けられている。具体的には、フィードライン１において、最終段（６段目）の熱交換器８６と冷却器８８との間に原料ガスの温度を検出する温度センサ５３Ｂが設けられている。この原料ガス液化装置１００Ｂの制御装置６は、温度センサ５３Ｂの検出値と、これに対し設定された温度設定値とを用いて、前述の実施形態と同様に、供給系ＪＴ弁１６の開度を操作して、温度センサ５３Ｂで検出された原料ガスの温度を所定の温度設定値となるように制御する。

また、前述の実施形態に係る原料ガス液化装置１００では、冷媒循環ライン３の高圧流路３１Ｈの１段目の熱交換器８１の入口に設けた流量センサ５１と、冷熱生成流路３１Ｃの高圧膨張機３７の入口に設けた流量センサ５２とを用いて、冷媒循環ライン３を流れる冷媒のうち冷熱生成ルート４２へ流れる冷媒の割合を検出している。但し、それ以外の場所に設けられた流量センサを用いて、冷媒循環ライン３を流れる冷媒のうち冷熱生成ルート４２へ流れる冷媒の割合を検出してもよい。

例えば、図８に示す変形例２に係る原料ガス液化装置１００Ｂでは、高圧流路３１Ｈの１段目の熱交換器８１の入口に流量センサ５１が設けられており、高圧流路３１Ｈの分岐部３１ｄよりも下流側に流量センサ５２Ｂが設けられている。この場合、制御装置６は、それらの流量センサ５１，５２Ｂの検出値に基づいて、冷媒循環ライン３を流れる冷媒のうち冷熱生成ルート４２へ流れる冷媒の割合を求めることができる。また、図示しないが、冷熱生成流路３１Ｃの高圧膨張機３７の入口に流量センサを設け、高圧流路３１Ｈの分岐部３１ｄよりも下流側に流量センサを設け、それらの流量センサの検出値に基づいて、冷媒循環ライン３を流れる冷媒のうち冷熱生成ルート４２へ流れる冷媒の割合を求めることもできる。

また、前述の実施形態に係る原料ガス液化装置１００では、圧縮機３２，３３と、膨張機３７，３８とをそれぞれ２台ずつ備えている。しかしながら、これらの台数は、圧縮機３２，３３及び膨張機３７，３８の性能に依存するものであり、上記実施形態に限定されるものではない。また、前述の実施形態に係る原料ガス液化装置１００では、６段の熱交換器８１〜８６を備えているが、熱交換器８１〜８６の数はこれに限定されるものではない。

１ ：フィードライン
３ ：冷媒循環ライン
６ ：制御装置
１６ ：供給系ジュールトムソン弁
２０ ：液化機
３０，３４ ：バイパス弁
３１Ｃ ：冷熱生成流路
３１Ｈ ：高圧流路
３１Ｌ ：低圧流路
３１Ｍ ：中圧流路
３１ａ，３１ｂ ：第１バイパス流路
３１ｄ ：分岐部
３２，３３ ：圧縮機
３６ ：循環系ジュールトムソン弁
３７，３８ ：膨張機
４０ ：液化冷媒貯槽
４１ ：冷媒液化ルート
４２ ：冷熱生成ルート
５１，５２ ：流量センサ
５３ ：温度センサ
５４ ：液位センサ
５５ ：圧力センサ
６１ ：供給系ＪＴ弁開度制御部
６２ ：循環系ＪＴ弁開度制御部
６３ ：バイパス弁開度制御部
７０ ：窒素ライン
７３ ：予備冷却器
７５ ：除算器
７６ ：循環系流量制御器
７７ ：切換器
８１〜８６ ：熱交換器
８８ ：冷却器
９０ ：制御方法判定器
９１ ：設定温度演算器
９２ ：設定温度補正量演算器
９３ ：加算器
９４ ：液化量制御器
９５ ：液化量制御器
９６ ：切換器
１００ ：原料ガス液化装置

Claims (10)

1. 原料ガスが、熱交換器の原料流路、液化した冷媒が貯えられた液化冷媒貯槽、及び、供給系ジュールトムソン弁の順に通過するフィードラインと、
   前記冷媒が、圧縮機、前記熱交換器の高温側冷媒流路、循環系ジュールトムソン弁、前記液化冷媒貯槽、及び、前記熱交換器の第１低温側冷媒流路の順に通過して前記圧縮機へ戻る冷媒液化ルートと、前記冷媒が、前記圧縮機、膨張機、前記熱交換器の第２低温側冷媒流路の順に通過して前記圧縮機へ戻る冷熱生成ルートとを有する冷媒循環ラインと、
   前記熱交換器の高温側冷媒流路の出口側冷媒温度又は前記熱交換器の原料流路の出口側原料ガス温度を検出する温度センサと、
   前記液化冷媒貯槽の液位である冷媒貯槽液位を検出する液位センサと、
   前記冷媒貯槽液位が所定の許容範囲内であるか否かを判定し、前記冷媒貯槽液位が前記許容範囲内であれば、前記供給系ジュールトムソン弁の開度を操作して、前記温度センサで検出された温度を所定の温度設定値となるように制御し、前記冷媒貯槽液位が前記許容範囲外であれば、前記供給系ジュールトムソン弁の開度を操作して、前記冷媒貯槽液位を前記許容範囲内となるように制御する制御装置とを、備える、
   原料ガス液化装置。
2. 負荷率が高くなるに従って前記温度設定値が低下するように、前記温度設定値が前記負荷率に関連付けられており、
   前記制御装置が、前記負荷率の設定値に基づいて求めた前記温度設定値を用いる、
   請求項１に記載の原料ガス液化装置。
3. 前記冷媒貯槽液位が前記許容範囲内に含まれる所定の適正範囲のときにゼロとなり、前記冷媒貯槽液位が前記適正範囲未満のときに負の値となり、前記冷媒貯槽液位が前記適正範囲を超えるときに正の値となるように、設定温度補正量が前記冷媒貯槽液位に関連付けられており、
   前記制御装置が、前記冷媒貯槽液位に基づいて前記設定温度補正量を求め、その設定温度補正量で補正された前記温度設定値を用いる、
   請求項２に記載の原料ガス液化装置。
4. 前記冷媒循環ラインを流れる前記冷媒のうち前記冷熱生成ルートへ流れる前記冷媒の割合を検出する流量センサを、更に備え、
   前記制御装置は、負荷率の変動が所定範囲内のときは、前記循環系ジュールトムソン弁の開度を固定し、前記負荷率の変動が所定範囲外のときは、前記冷媒循環ラインを流れる前記冷媒のうち前記冷熱生成ルートへ流れる前記冷媒の割合が所定の値となるように、前記循環系ジュールトムソン弁の開度を操作して、前記冷熱生成ルートへ流れる前記冷媒の流量を制御する、
   請求項１に記載の原料ガス液化装置。
5. 前記負荷率が前記膨張機へ流入する冷媒圧力に比例するように、前記負荷率が前記膨張機へ流入する冷媒圧力と関連付けられており、
   前記膨張機へ流入する冷媒圧力を検出する圧力センサを更に備え、
   前記制御装置が、前記膨張機へ流入する冷媒圧力に基づいて求めた前記負荷率を用いる、
   請求項４に記載の原料ガス液化装置。
6. 原料ガスが、熱交換器の原料流路、液化した冷媒が貯えられた液化冷媒貯槽、及び、供給系ジュールトムソン弁の順に通過するフィードラインと、
   前記冷媒が、圧縮機、前記熱交換器の高温側冷媒流路、循環系ジュールトムソン弁、前記液化冷媒貯槽、及び、前記熱交換器の第１低温側冷媒流路の順に通過して前記圧縮機へ戻る冷媒液化ルートと、前記冷媒が、前記圧縮機、膨張機、前記熱交換器の第２低温側冷媒流路の順に通過して前記圧縮機へ戻る冷熱生成ルートとを有する、冷媒循環ラインとを備えた原料ガス液化装置の制御方法であって、
   前記液化冷媒貯槽の液位である冷媒貯槽液位が所定の許容範囲外のときに、前記供給系ジュールトムソン弁の開度を操作して、前記冷媒貯槽液位を前記許容範囲内となるように制御し、
   前記冷媒貯槽液位が前記許容範囲内のときに、前記供給系ジュールトムソン弁の開度を操作して、前記熱交換器の高温側冷媒流路の出口側冷媒温度又は前記熱交換器の原料流路の出口側原料ガス温度を所定の温度設定値となるように制御する、
   原料ガス液化装置の制御方法。
7. 負荷率が高くなるに従って前記温度設定値が低下するように、前記温度設定値が前記負荷率に関連付けられており、
   前記温度設定値が、前記負荷率の設定値に基づいて求めた値である、
   請求項６に記載の原料ガス液化装置の制御方法。
8. 前記冷媒貯槽液位が前記所定の許容範囲内に含まれる所定の適正範囲のときにゼロとなり、前記冷媒貯槽液位が前記適正範囲未満のときに負の値となり、前記冷媒貯槽液位が前記適正範囲を超えるときに正の値となるように、設定温度補正量が前記冷媒貯槽液位に関連付けられており、
   前記温度設定値が、前記冷媒貯槽液位に基づいて求めた前記設定温度補正量で補正されている、
   請求項７に記載の原料ガス液化装置の制御方法。
9. 負荷率の変動が所定範囲内のときは、前記循環系ジュールトムソン弁の開度を固定し、前記負荷率の変動が所定範囲外のときは、前記冷熱生成ルートへ分岐する前の前記冷媒の流量に対する前記冷熱生成ルートへ分岐した前記冷媒の流量の割合が所定の値となるように、前記循環系ジュールトムソン弁の開度を操作して、前記冷熱生成ルートへ流れる前記冷媒の流量を制御する、
   請求項６に記載の原料ガス液化装置の制御方法。
10. 前記負荷率が前記膨張機へ流入する冷媒圧力に比例するように、前記負荷率が前記膨張機へ流入する冷媒圧力と関連付けられており、
    前記負荷率が、前記膨張機へ流入する冷媒圧力に基づいて求めた値である、
    請求項９に記載の原料ガス液化装置の制御方法。

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