JP3710252B2 - 空気液化分離装置の制御方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、空気液化分離装置の制御方法に関し、詳しくは、精留塔を三塔あるいは四塔使用した三塔式あるいは四塔式の深冷空気分離法による空気液化分離装置によって空気を酸素と窒素とに分離する空気液化分離装置であって、製品酸素の需要が変動する空気液化分離装置に適した制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
三塔式あるいは四塔式のプロセスを採用して酸素ガスを製造する空気液化分離装置として、米国特許第４２５４６２９号明細書や特開平１−１２１６７８号公報に記載された空気液化分離装置が知られている。これらのプロセスは、従来の二塔式空気液化分離装置に比べて製品酸素の製造動力を低減することはできるが、塔及び凝縮蒸発器の数が多くなるため、従来に比べて制御性が低下する。
【０００３】
また、これらの装置が複合型ガス化発電（ＩＧＣＣ）や溶融還元製鋼等のシステムで用いられる場合、空気液化分離装置には、大幅な負荷変動と急激な変動への追従とが要求される。この場合、製品酸素量の変動と同時に、製品濃度は一定のレベルに保たれなければならない。製品酸素濃度を保つためには、精留塔内の気液比を一定に保つことが重要であるが、空気液化分離装置の負荷が大きく変動する場合には、精留塔内の気液比が崩れ、製品酸素濃度に影響が出ることが多い。このため、例えば、製品酸素の貯蔵タンクを設け、製品酸素の需要量が増加する場合には不足分をタンクから補充し、逆に、製品酸素の需要量が減少した場合には、生産で余った分をタンクへ貯蔵する方法や、製品酸素量の変動に対して空気分離装置へ導入する原料空気を常に必要量以上とする方法が適用されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、製品酸素の貯蔵タンクを設けるものでは、大きなタンクを設置する必要があり、投資コストや設置面積に多くを要する不都合があった。また、装置へ導入する原料空気を常に必要量以上とする方法ではランニングコストが大となる不都合があった。
【０００５】
そこで本発明は、製品酸素の貯蔵タンクが不要で、かつ、原料空気を必要量以上に導入しなくても、製品酸素の需要変動に追従できる空気液化分離装置の制御方法を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の空気液化分離装置の制御方法は、高圧塔，中圧塔及び低圧塔からなる三塔式又は高圧塔，中圧塔，第１低圧塔及び第２低圧塔からなる四塔式の空気液化分離装置に原料空気を導入して深冷空気液化分離法により精留分離を行い、前記三塔式空気液化分離装置の低圧塔の下部又は四塔式空気液化分離装置の第１低圧塔の下部から製品酸素を得る空気液化分離装置の制御方法において、前記製品酸素の酸素純度を測定し、該酸素純度に応じて前記原料空気の導入量を調節することを特徴としている。
【０００７】
さらに、本発明は、前記製品酸素の需要量が急激に変動するときには、該製品酸素の需要変動量に応じて前記高圧塔底部の液面の設定を変更すること、前記製品酸素の需要量が急激に変動するときには、前記原料空気の導入量を前記製品酸素の需要量の増減に応じて増減させることを特徴としている。
【０００８】
また、本発明では、前記三塔式空気液化分離装置の低圧塔の上部又は四塔式空気液化分離装置の第２低圧塔の上部から製品窒素を得るにあたり、該製品窒素中の酸素濃度を測定し、該酸素濃度に応じて製品窒素の流量を調節すること、前記製品窒素の流量を前記原料空気の導入量に比例するように制御すること、さらに、前記中圧塔の頂部の窒素中に含まれる酸素濃度を測定し、該酸素濃度に応じて前記低圧塔又は第２低圧塔の還流液化窒素量を調節すること、前記還流液化窒素量を、前記原料空気の導入量に比例するように制御することを特徴とし、前記各制御を、カスケード制御とフィードフォワード制御とにより構成することを特徴としている。
【０００９】
【発明の実施の形態】
まず、図１は、本発明の対象となる四塔式の空気液化分離装置の一例を示すものである。この空気液化分離装置は、高圧塔１，第１低圧塔２及び第１凝縮蒸発器３を一体的に形成した第１複精留塔４と、中圧塔５，第２低圧塔６及び第２凝縮蒸発器７を一体的に形成した第２複精留塔８と、主熱交換器９，膨張タービン１０等を主要構成要素としている。
【００１０】
圧縮され、水，炭酸ガス等の不純物を除去された第１原料空気は、経路１１から原料空気の流量制御弁１２を通って主熱交換器９に入り、低温流体により冷却された後、経路１３から高圧塔１の下部に導入される。原料空気は、この高圧塔１での精留操作により塔底部の酸素富化液化空気と塔頂部の高純度窒素ガスとに分離する。
【００１１】
高圧塔１の塔頂から経路１４に抜き出された高純度窒素ガスは、第１低圧塔２の塔底部の第１凝縮蒸発器３で液化されて液化窒素となる。この液化窒素の一部は、弁１５で膨張して経路１６から中圧塔５の塔頂に導入されて中圧塔５の還流液となり、残りの液化窒素は、経路１７により高圧塔１に戻されて高圧塔１の還流液となる。高圧塔１の塔底から経路１８に抜き出された酸素富化液化空気は、過冷器１９で冷却された後、経路２０を経て弁２１で膨張した後に第２低圧塔６の中間部に導入される。
【００１２】
一方、圧縮され、水，炭酸ガス等の不純物を除去された第２原料空気は、経路２２から流量制御弁２３を通って主熱交換器９に入り、低温流体により冷却された後、経路２４から中圧塔５の下部に導入される。導入された第２原料空気は、この中圧塔５での精留操作により塔底部の酸素富化液化空気と塔頂部の高純度窒素ガスとに分離する。
【００１３】
中圧塔５の塔頂から抜き出された窒素ガスの一部は、経路２５を通って主熱交換器９で加熱された後、中間温度の膨張タービン用窒素ＥＴとなって経路２６から膨張タービン１０に導入されて膨張し、経路２７を経て再び主熱交換器９に導入されて常温になり、経路２８，弁２９を通ってコールドボックスを出る。このとき、膨張タービン用窒素ＥＴの流量は、弁１０ａ（可変ノズル又はバイパス弁）により調節される。中圧塔５の塔頂から抜き出された高純度窒素ガスの残部は、経路３０により、前記第２低圧塔６の塔底部に設けられた第２凝縮蒸発器７で液化して液化窒素となる。この液化窒素の一部は、経路３１から前記過冷器１９に導入されて冷却された後、経路３２を経て弁３３で膨張した後に第２低圧塔６の塔頂に導入されて第２低圧塔６の還流液となり、残りの液化窒素は、経路３４により中圧塔５に戻されて中圧塔５の還流液となる。中圧塔５の塔底から経路３５に抜き出された酸素富化液化空気は、前記過冷器１９で冷却された後、経路３６を経て弁３７で膨張した後に第２低圧塔６の中間部に導入される。
【００１４】
第２低圧塔６は、塔底に第２凝縮蒸発器７を備えた精留塔であって、中圧塔５から経路３２を経て導入された還流液化窒素及び経路３６を経て導入された酸素富化液化空気と、前記及び高圧塔１から経路２０を経て導入された酸素富化液化空気とは、この第２低圧塔６での精留操作により塔頂部の製品窒素ガスと塔中間部の廃窒素ガスと塔底部の酸素富化液化空気とに分離する。塔頂部から経路３８に抜き出された製品窒素と塔中間部から経路３９に抜き出された廃窒素は、前記過冷器１９及び主熱交換器９で常温まで加熱された後、製品窒素ガスは経路４０及び制御弁４１を経て、廃窒素は経路４２及び制御弁４３を経てそれぞれコールドボックスを出る。
【００１５】
第２低圧塔６の塔底からは、酸素濃度が６０〜８０％程度の酸素富化液化空気が経路４４に抜き出され、液ヘッドにより加圧された後、調節弁４５を通って第１低圧塔２の塔頂へ導入される。この第１低圧塔２は、塔底に前記第１凝縮蒸発器３を備えた精留塔であって、第２低圧塔６から導入された酸素富化液化空気は、この第１低圧塔２での精留操作により、塔底部の液化酸素及び製品酸素ガスと、塔頂部の酸素富化空気とに分離する。塔頂の酸素富化空気は、経路４６に抜き出され、弁４７を通って第２低圧塔６の下部に戻されて上昇ガスとなる。塔底の酸素ガスは、経路４８に抜き出されて前記主熱交換器９で常温まで加熱された後、経路４９から制御弁５０を通り、製品酸素ガスとしてコールドボックスを出る。
【００１６】
一般的に、このような四塔式の空気液化分離装置においては、第１低圧塔２及び第２低圧塔６は、１．３〜１．６ｂａｒで、中圧塔５は３．５〜４．５ｂａｒで、高圧塔１は４．５〜６ｂａｒで操作されるが、より高い圧力で操作することも可能である。
【００１７】
ここで、各種制御を行うための機器として、第１原料空気Ａ１の弁１２を制御する流量調節器（ＦＣ）５１、第２原料空気Ａ２の弁２３を制御する流量調節器（ＦＣ）５２、製品酸素ＧＯの弁５０を制御する流量調節器（ＦＣ）５３、製品窒素ＧＮの弁４１を制御する流量調節器（ＦＣ）５４、経路４２の廃窒素ＲＮの圧力を調節することにより第２低圧塔６の塔頂部の圧力を調節する弁４３を制御する塔頂圧力調節器（ＰＣ）５５、第２低圧塔６の還流液化窒素の弁３３を制御する流量調節器（ＦＣ）５６、高圧塔１からの酸素富化液化空気の弁２１を制御する液面調節器（ＬＣ）５７、中圧塔５からの酸素富化液化空気の弁３７を制御する液面調節器（ＬＣ）５８、第２低圧塔６からの酸素富化液化空気の弁４５を制御する液面調節器（ＬＣ）５９、第１低圧塔２から液化酸素を抜き出す経路７１の弁７２を制御する液面調節器（ＬＣ）６０、膨張タービン１０の弁１０ａを制御する流量調節器（ＦＣ）６１及び高圧塔１から中圧塔５への液化窒素の弁１５を制御する流量調節器（ＦＣ）６２がそれぞれ設けられている。
【００１８】
製品酸素量を減量するとき、あるいは増量するときには、空気液化分離装置全体の物質バランスを取るため、第１原料空気の流量、第２原料空気の流量、製品窒素の流量、中圧塔５の還流液化窒素の流量、第２低圧塔６の還流液化窒素の流量、膨張タービン用窒素の流量、高圧塔１の液面、中圧塔５の液面及び第２低圧塔６の液面をそれぞれ対応して変動させる。
【００１９】
これらの計算は、図２に示すメインコントローラ６３で行われ、各制御機器を介して各弁の開度を調節することにより各種制御が行われる。さらに、本発明では、これらの制御に加えて製品酸素の純度、製品窒素中の酸素濃度、中圧塔頂部の窒素ガス中の酸素濃度を測定して上記各制御の補正を行うようにしており、第１低圧塔２から抜き出した製品酸素ガスが流れる経路４８には酸素純度調節器（ＱＣ）６４が、第２低圧塔６の頂部から抜き出した製品窒素ガスが流れる経路４０には酸素濃度調節器（ＱＣ）６５が、中圧塔５の頂部から抜き出した窒素ガスが流れる経路２８には同じく酸素濃度調節器（ＱＣ）６６が、それぞれ設けられている。
【００２０】
上記各制御は、各制御内容に応じて図３乃至図５に示す制御構成の中の最適な制御方法により行われる。図３に示す制御は、いわゆる一般的なフィードバック制御であり、設定値Ｒに応じて調節器Ａが制御対象（弁の開度等）Ｂを制御し、この制御結果の検出値（測定値）Ｙを演算器Ｃにフィードバックして誤差ｅを算出し、調節器Ａによる制御対象Ｂの制御状態を補正するものである。
【００２１】
また、図４に示す制御は、上記制御に外乱信号Ｘが加わる場合の一般的なフィードバック制御であり、設定値Ｒに対して他の原因による制御条件等を外乱信号Ｘとして演算器Ｃ２に入力し、調節器Ａからの信号と外乱信号Ｘとにより制御対象Ｂの制御を行い、この結果を演算器Ｃ１にフィードバックして設定値Ｒとの誤差ｅを算出し、調節器Ａの設定を補正するようにしている。
【００２２】
図５に示す制御は、上述のフィードフォワード制御にカスケード制御を加えた構成の制御である。この場合、あらかじめ設定されている設定値Ｒが主調節器Ａｍに入力され、この主調節器Ａｍからの信号は、第２制御対象Ｂ２を制御するための副調節器Ａｓに伝えられる。副調節器Ａｓは、主調節器Ａｍからの信号に応じて第２制御対象Ｂ２を制御するとともに、これらの信号に応じて第１制御対象Ｂ１が制御される。同時に、第２制御対象Ｂ２の制御結果の検出値Ｚが第２演算器Ｃ２に入力されるとともに、外乱信号Ｘがメインコントローラ６３内のフィードフォワードコントローラＥを介して演算器Ｃ２に入力される。演算器Ｃ２では、主調節器Ａｍからの信号と検出値Ｚ及び外乱信号Ｘとに応じて誤差ｅ２を発生し、これによって副調節器Ａｓの設定値を補正する。さらに、これらによって制御される最終的な第１制御対象Ｂ１の制御結果Ｙが第１演算器Ｃ１にフィードバックされて設定値Ｒとの誤差ｅ１を算出し、主調節器Ａｍの設定を補正するようにしている。
【００２３】
次に、図２に基づいて上述の四塔式空気液化分離装置に対する制御方法の一例を説明する。なお、装置構成は、図１と同様であるから、主要部分にのみ符号を付して装置構成の詳細な説明は省略する。
【００２４】
まず、製品酸素量の変動信号は、ユーザーからの要求として入力信号６７によりメインコントローラ６３に入力される。この製品酸素量の変動信号を受けたメインコントローラ６３は、以下の（１）〜（１０）に示す基本制御ループの設定値の計算を行う。
【００２５】
（１）製品酸素ＧＯの流量制御
製品酸素流量の流量調節器５３の設定値は、製品酸素需要の変動量に合わせて弁５０によって同じように変動させる。
【００２６】
（２）第１原料空気Ａ１の流量制御
第１原料空気の流量調節器５１には、メインコントローラ６３で下記（１−１）式で演算されたフィードフォワード信号が設定される。弁１２によって製品酸素流量を減量すると、弁１２によって第１原料空気の流量も減量し、製品酸素流量を増量すると第１原料空気の流量も増量する。
ΔＦA1＝ＧFGO （Ｓ）ΔＦGO （１−１）
【００２７】
（３）第２原料空気Ａ２の流量制御
第２原料空気の流量は、第１原料空気の流量に比例させる。したがって、第２原料空気の流量調節器５２の設定値は、メインコントローラ６３で下記（１−２）式のように演算される。第１原料空気の流量が減量すると、弁２３によって第２原料空気の流量も減量し、第１原料空気の流量が増量すると第２原料空気の流量も増量する。
ΔＦA2＝ｋ1 ΔＦA1 （１−２）
【００２８】
（４）製品窒素ＧＮの流量制御
製品窒素の流量は、第１原料空気の流量に比例させる。製品窒素の流量調節器５４の設定値は、メインコントローラ６３で下記（１−３）式のように演算される。第１原料空気の流量が減量すると、弁４１によって製品窒素の流量も減量し、第１原料空気の流量が増量すると製品窒素流量も増量する。
ΔＦGN＝ｋ2 ΔＦA1 （１−３）
【００２９】
（５）膨張タービン１０の流量制御
膨張タービンの流量は、製品酸素の流量に比例させる。膨張タービンの流量調節器６１の設定値は、メインコントローラ６３で下記（１−４）式のように演算される。製品酸素の流量を減量すると、該膨張タービン１０の弁１０ａによって膨張タービン用の窒素流量も減量し、製品酸素流量を増量すると膨張タービンの流量も増量する。
ΔＦET＝ｋ3 ΔＦGO （１−４）
【００３０】
（６）中圧塔５の還流液化窒素の流量制御
経路１６から供給される中圧塔５の還流液化窒素の流量は、第１原料空気の流量に比例させる。還流液化窒素の流量調節器６２の設定値は、メインコントローラ６３で下記（１−５）式のように演算される。第１原料空気が減量すると、弁１５によって還流液化窒素の流量も減量し、第１原料空気が増量すると還流液化窒素の流量も増量する。
ΔＦLN5 ＝ｋ4 ΔＦA1 （１−５）
【００３１】
（７）第２低圧塔６の還流液化窒素の流量制御
経路３２から供給される第２低圧塔６の還流液化窒素の流量は、第１原料空気の流量に比例させる。還流液化窒素の流量調節器５６の設定値は、メインコントローラ６３で下記（１−６）式のように演算される。第１原料空気が減量すると、弁３３によって還流液化窒素の流量も減量し、第１原料空気が増量すると還流液化窒素の流量も増量する。
ΔＦLN6 ＝ｋ5 ΔＦA1 （１−６）
【００３２】
（８）高圧塔１の液面制御
高圧塔１の液面制御調節器５７の設定値は、製品酸素の流量に比例させる。高圧塔１の液面調節器５７の設定値は、メインコントローラ６３で下記（１−７）式のように演算される。製品酸素流量の減量に合わせて経路１８，２０を介して第２低圧塔６に供給する酸素富化液化空気の流量を弁２１によって減量させるために高圧塔１の液面調節器の設定値を上げる。また、製品酸素流量の増量に合わせて第２低圧塔６への酸素富化液化空気の流量を増やすため、高圧塔１の液面調節器の設定値を下げる。
ΔＬＥＶＥＬLP1 ＝ｋ6 ΔＦGO （１−７）
これは、下記（１−７ａ）式のような演算により、経路１８，２０を流れる酸素富化液化空気の流量制御に変えることもできる。
ΔＦLAIR1 ＝ｋ6´ΔＦGO （１−７ａ）
【００３３】
（９）中圧塔５の液面制御
中圧塔５の液面調節器５８の設定値は、製品酸素の流量に比例させる。中圧塔５の液面調節器５８の設定値は、メインコントローラ６３で下記（１−８）式のように演算される。製品酸素流量の減量に合わせて経路３５，３６を介して第２低圧塔６に供給する酸素富化液化空気の流量を弁３７によって減量させるため、中圧塔５の液面調節器５８の設定値を上げる。また、製品酸素流量の増量に合わせて第２低圧塔６への酸素富化液化空気の流量を増やすため、中圧塔５の液面調節器の設定値を下げる。
ΔＬＥＶＥＬLP5 ＝ｋ7 ΔＦGO （１−８）
これは、下記（１−８ａ）式により、経路３５，３６を流れる酸素富化液化空気の流量制御に変えてもできる。
ΔＦLAIR2 ＝ｋ7´ΔＦGO （１−８ａ）
【００３４】
（１０）第２低圧塔６の液面制御
第２低圧塔６の液面調節器５９の設定値は、第１原料空気の流量に比例させる。第２低圧塔６の液面調節器５９の設定値は、メインコントローラ６３で下記（１−９）式のように演算される。製品酸素流量の減量に合わせて経路４４から第１低圧塔２に供給する酸素富化液化空気の流量を弁４５によって減量させるため、第２低圧塔６の液面調節器５９の設定値を上げる。また、製品酸素流量の増量に合わせて第１低圧塔２への酸素富化液化空気の流量を増やすため、第２低圧塔６の液面調節器５９の設定値を下げる。
ΔＬＥＶＥＬLP6 ＝ｋ8 ΔＦGO （１−９）
これは、下記（１−９ａ）式により、経路４４を流れる酸素富化液化空気の流量制御に変えることもできる。
ΔＦLAIR3 ＝ｋ8´ΔＦGO （１−９ａ）
【００３５】
なお、上記各式において、
ＧFGO （Ｓ）：フィードフォワード伝達関数
ΔＦA1：第１原料空気の流量の設定値の変化値
ΔＦA2：第２原料空気の流量の設定値の変化値
ΔＦGO：製品酸素の流量の設定値
ΔＦGN：製品窒素の流量の設定値の変化値
ΔＦET：膨張タービンの流量の設定値の変化値
ΔＦLN5 ：中圧塔５の還流液化窒素の流量の設定値の変化値
ΔＦLN6 ：第２低圧塔６の還流液化窒素の流量の設定値の変化値
ΔＦLAIR1 ：経路２０を流れる酸素富化液化空気の流量の設定値の変化値
ΔＦLAIR2 ：経路３６を流れる酸素富化液化空気の流量の設定値の変化値
ΔＦLAIR3 ：経路４４を流れる酸素富化液化空気の流量の設定値の変化値
ΔＬＥＶＥＬLP1 ：高圧塔１の液面の設定値の変化値
ΔＬＥＶＥＬLP5 ：中圧塔５の液面の設定値の変化値
ΔＬＥＶＥＬLP6 ：第２低圧塔６の液面の設定値の変化値
である。また、ｋ1 ，ｋ2 ，ｋ3 ，ｋ4 ，ｋ5 ，ｋ6 ，ｋ6´，ｋ7 ，ｋ7´，ｋ8 ，ｋ8´は、それぞれの係数である。
【００３６】
本発明では、これらの基本制御に加えて、以下の三つの濃度制御ループを設定している。なお、括弧内は図５に対応する名称あるいは符号である。
【００３７】
（１１）製品酸素ＧＯの濃度制御
第１低圧塔２の塔底の酸素ガスの純度又は塔底から経路４８に抜き出した製品酸素の純度を測定し（検出値Ｙ）、演算器（Ｃ１）で純度設定値（Ｒ）との誤差（ｅ１）を算出し、これに基づいて酸素純度調節器（主調節器Ａｍ）６４の設定値を変更する。この酸素純度調節器６４で得られた信号と、メインコントローラ（フィードフォワードコントローラＥ）６３で得られた信号（外乱信号Ｘに基づく信号）と、第１原料空気の流量（検出値Ｚ）とによって加算器（演算器Ｃ２）６８で誤差（ｅ２）が算出され、これによって第１原料空気の流量調節器（副調節器Ａｓ）５１の設定値が変更される。この第１原料空気の流量調節器５１で得られた信号によって第１原料空気の原料空気制御弁（第２制御対象Ｂ２）１２の開度が制御され、第１原料空気の流量が調節される。さらに、これらの制御結果による製品酸素純度の変動は、酸素純度調節器６４にフィードバックされる。
【００３８】
（１２）製品窒素ＧＮ中の酸素濃度
製品窒素中の酸素濃度を酸素濃度調節器６５で測定し、濃度設定値との誤差を酸素濃度調節器（主調節器）６５で演算する。酸素濃度調節器６５で得られた信号とメインコントローラ６３で得られた信号とを加算器６９で加算し、得られた信号を製品窒素の流量調節器５４（副調節器）の設定値とする。流量調節器５４で製品窒素の流量を測定し、設定値との誤差を流量調節器５４で演算する。流量調節器４７で得られた信号を製品窒素の流量調節弁４１に渡す。
【００３９】
（１３）中圧塔５の塔頂のガス窒素中の酸素濃度制御（膨張タービン用窒素ＥＴ中の酸素濃度制御）
中圧塔５の塔頂のガス窒素中の酸素濃度を酸素濃度調節器６６で測定し、濃度設定値との誤差を酸素濃度調節器（主調節器）６６で演算する。酸素濃度調節器６６で得られた信号とメインコントローラ６３で得られた信号とを加算器７０で加算し、得られた信号を経路３２を流れる還流液化窒素の流量調節器（副調節器）５６の設定値とする。流量調節器５６で経路３２を流れる還流液化窒素の流量を測定し、設定値との誤差を流量調節器５６で演算する。流量調節器５６で得られた信号を還流液化窒素の流量を調節する弁３３に渡す。
【００４０】
上述のように構成した制御システムを、ダイナミックシミュレータを用いて検討した。まず、図６に示すように、製品酸素の流量を１００％から５８％の範囲で毎分６％のスピードで変動させた。そして、前記（１１）〜（１３）に示した濃度制御ループを採用した場合と、採用しない場合とにおいて、製品酸素の純度の変動を図７に、製品窒素中の酸素濃度の変動を図８に、中圧塔塔頂の窒素中の酸素濃度の変動を図９にそれぞれ示す。
【００４１】
この結果から、前記濃度制御ループを採用しない場合は、製品酸素純度が８９．５％まで下がり、製品窒素中の酸素濃度及び中圧塔塔頂の窒素中の酸素濃度は、それぞれ約３８００ｐｐｍ、約４５００ｐｐｍまで上がるのに対し、上記三つの濃度制御系を採用した場合は、、製品酸素純度の変動が±１％以内に抑えられ、製品窒素中の酸素濃度及び中圧塔塔頂の窒素中の酸素濃度は１ｐｐｍ以下に抑えられていることがわかる。
【００４２】
すなわち、製品酸素の需要変動に対して製品酸素の純度変動を小さくでき、製品酸素流量の大幅な増減及び急激な増減に対応することができる。また、製品酸素流量の増減に応じて原料空気の流量も増減させるので、製品酸素流量が減少したときには原料空気の流量も減少させるので、ランニングコストも低減できる。さらに、貯蔵タンクを設置する必要がないため、投資コストや設置面積の問題も解消できる。しかも、窒素を製品として採取する場合でも、製品窒素の純度の変動幅を小さくすることができる。
【００４３】
図１０は、本発明を三塔式の空気液化分離装置に適用した一例を示す系統図である。この空気液化分離装置は、高圧塔１０１，低圧塔１０２及び第１凝縮蒸発器１０３を一体的に形成した複精留塔１０４と、第２凝縮蒸発器１０５を備えた中圧塔１０６と、主熱交換器１０７，膨張タービン１０８等を主要構成要素としている。
【００４４】
圧縮され、水，炭酸ガス等の不純物を除去された第１原料空気Ａ１は、経路１１１から流量制御弁１１２を通って主熱交換器１０７に入り、低温流体により冷却された後、経路１１３から高圧塔１０１の下部に導入される。原料空気は、この高圧塔１０１での精留操作により塔底部の酸素富化液化空気と塔頂部の高純度窒素ガスとに分離する。
【００４５】
高圧塔１０１の塔頂から経路１１４に抜き出された高純度窒素ガスは、低圧塔１０２の塔底部の第１凝縮蒸発器１０３で液化されて液化窒素となる。この液化窒素の一部は、弁１１５で膨張して経路１１６から中圧塔１０６の塔頂へ導入されて中圧塔１０６の還流液となり、残りの液化窒素は、経路１１７により高圧塔１０１に戻されて高圧塔１の還流液となる。高圧塔１０１の塔底から経路１１８に抜き出された酸素富化液化空気の一部は、制御弁１１９で膨張して中圧塔１０６の中間段へ導入され、残りの酸素富化液化空気は、経路１２０に分岐し、過冷器１２１で冷却された後、弁１２２で膨張して経路１２３から低圧塔１０２の中間段に導入される。
【００４６】
また、水，炭酸ガス等の不純物を除去された第２原料空気Ａ２は、経路１２４から制御弁１２５を通って主熱交換器１０７に入り、低温流体により冷却され、経路１２６を経て中圧塔１０６の塔底部に導入される。この原料空気は、中圧塔１０６で精留されて塔底部の酸素富化液化空気と塔頂部の高純度窒素ガスとに分離する。中圧塔１０６の塔頂から経路１２７を経て経路１２８に抜き出された膨張タービン用窒素ＥＴは、主熱交換器１０７で加熱された後、膨張タービン１０８で膨張し、再び主熱交換器１０７に入って常温になり、経路１２９，弁１３０を通ってコールドボックスを出る。中圧塔１０６の塔頂から経路１２７に抜き出された高純度窒素ガスの残部は経路１３１により第２凝縮蒸発器１０５に導入され、液化して液化窒素となる。液化窒素の一部は、経路１３２に分岐して過冷器１２１で冷却された後、弁１３３で膨張して経路１３４を経て低圧塔１０２の塔頂へ導入され、低圧塔１０２の還流液化窒素となる。残りの液化窒素は、経路１３５により中圧塔１０６の塔頂に戻されて中圧塔１０６の還流液となる。
【００４７】
中圧塔１０６の塔底から経路１３６に抜き出された酸素富化液化空気は、過冷器１２１で冷却された後、弁１３７で膨張して経路１３８から第２凝縮蒸発器１０５に導入される。第２凝縮蒸発器１０５で高純度窒素ガスと熱交換した後、蒸発した酸素富化空気は、経路１３９を通って弁１４０で膨張した後、未蒸発の酸素富化液化空気の一部は、経路１４１を通って弁１４２で膨張した後、それぞれ低圧塔１０２の前記経路１２３より下の段に導入される。
【００４８】
低圧塔１０２は、塔底に第１凝縮蒸発器１０３を備えた精留塔であって、中圧塔１０６から経路１３４を経て導入された還流液化窒素と、経路１３９からの酸素富化空気と、経路１４１からの酸素富化液化空気と、高圧塔１０１から経路１２３を経て導入された酸素富化液化空気とが、ここでの精留操作によって塔頂部の製品窒素と、塔中上部の廃窒素と、塔底部の酸素ガス及び液化酸素とに分離される。塔頂部の製品窒素ＧＮは、経路１４３に抜き出され、過冷器１２１及び主熱交換器１０７で常温まで加熱された後、弁１４４，経路１４５を経てコールドボックスを出る。また、塔中上部から経路１４６に抜き出された廃窒素ＲＮは、過冷器１２１及び主熱交換器１０７で常温まで加熱された後、弁１４７，経路１４８を経てコールドボックスを出る。
【００４９】
低圧塔１０２の底部からは、経路１４９，弁１５０を介して液化酸素の一部が抜き出されている。また、第１凝縮蒸発器１０３で蒸発した酸素ガスの一部は、製品酸素ガスＧＯとして経路１５１に抜き出され、主熱交換器１０７で常温まで加熱された後、弁１５２，経路１５３を経てコールドボックスを出る。
【００５０】
一般的に、低圧塔１０２は１．３〜１．６ｂａｒで、中圧塔１０６は３．５〜４．５ｂａｒ、高圧塔１０１は４．５〜６．０ｂａｒで操作されるが、より高い圧力で操作することも可能である。
【００５１】
各種制御を行うための機器としては、第１原料空気Ａ１の弁１１２を制御する流量調節器（ＦＣ）１６１、第２原料空気Ａ２の弁１２５を制御する流量調節器（ＦＣ）１６２、製品酸素ＧＯの弁１５２を制御する流量調節器（ＦＣ）１６３、製品窒素ＧＮの弁１４４を制御する流量調節器（ＦＣ）１６４、廃窒素ＲＮの弁１４７を制御する圧力調節器（ＰＣ）１６５、低圧塔１０２への還流液化窒素の弁１３３を制御する流量調節器（ＦＣ）１６６、高圧塔１０１からの酸素富化液化空気の弁１２２を制御する高圧塔１０１の液面調節器（ＬＣ）１６７、高圧塔１０１からの酸素富化液化空気の弁１１９を制御する中圧塔１０６の液面調節器（ＬＣ）１６８、低圧塔１０２の底部から抜き出す液化酸素の弁１５０を制御する低圧塔１０２の液面調節器（ＬＣ）１６９、膨張タービン１０８の弁１０８ａを制御する流量調節器（ＦＣ）１７０、高圧塔１０１から中圧塔１０６への液化窒素の弁１１５を制御する流量調節器（ＦＣ）１７１、第２凝縮蒸発器１０５からの酸素富化空気の弁１４０を制御する圧力調節器（ＰＣ）１７２、第２凝縮蒸発器１０５に導入される酸素富化液化空気の弁１３７を制御する第２凝縮蒸発器１０５の液面調節器（ＬＣ）１７３、経路１５１の製品酸素ガスＧＯの純度により前記流量調節器１６１を介して弁１１２を制御する純度調節器（ＱＣ）１７４、経路１４３の製品窒素ガスＧＮの酸素濃度により前記流量調節器１６４を介して弁１４４を制御する酸素濃度調節器（ＱＣ）１７５、中圧塔１０６から抜き出された後に経路１２９を流れる膨張タービン用窒素ＥＴの酸素濃度により前記流量調節器１６６を介して弁１３３を制御する酸素濃度調節器（ＱＣ）１７６が設けられており、これらの全体的な制御は、メインコントローラ１７７により行われる。
【００５２】
製品酸素量を減らすとき、あるいは増やすとき、装置全体の物質バランスを取るため、第１原料空気の流量、第２原料空気の流量、製品窒素の流量、中圧塔１０６の還流液化窒素の流量、低圧塔１０２の還流液化窒素の流量、膨張タービン用窒素の流量、高圧塔１０１の液面及び中圧塔１０６の液面をそれぞれ対応して変動させる。
【００５３】
製品酸素量の変動信号は、入力信号１７８としてメインコントローラ１７７に入力され、メインコントローラ１７７では、以下の制御ループの設定値が計算される。
【００５４】
（１）製品酸素ＧＯの流量制御
製品酸素流量の流量調節器１６３の設定値は、製品酸素需要の変動量と同じ変動をさせる。
【００５５】
（２）第１原料空気Ａ１の流量制御
第１原料空気の流量調節器１６１には、メインコントローラ１７７で下記（２−１）式で演算されたフィードフォワード信号が設定される。製品酸素流量を減量すると第１原料空気の流量も減量する。同じく、製品酸素流量を増量すると第１原料空気の流量も増量する。
ΔＦA1＝ＧFGO （Ｓ）ΔＦGO （２−１）
【００５６】
（３）第２原料空気Ａ２の流量制御
第２原料空気の流量は、第１原料空気の流量に比例させる。第２原料空気の流量調節器１６２の設定値はメインコントローラ１７７で下記（２−２）式のように演算される。第１原料空気の流量を減量すると第２原料空気の流量も減量する。同じく第１原料空気の流量を増量すると第２原料空気の流量も増量する。
ΔＦA2＝ｋ1 ΔＦA1 （２−２）
【００５７】
（４）製品窒素ＧＮの流量制御
製品窒素の流量は、第１原料空気の流量に比例させる。製品窒素の流量調節器１６４の設定値はメインコントローラ１７７で下記（２−３）式のように演算される。第１原料空気の流量を減量すると製品窒素の流量も減量する。同じく、第１原料空気の流量を増量すると製品窒素の流量も増量する。
ΔＦGN＝ｋ2 ΔＦA1 （２−３）
【００５８】
（５）膨張タービン１０８の流量制御
膨張タービンの流量は、製品酸素の流量に比例させる。膨張タービン１０８の流量調節器１７０の設定値はメインコントローラ１７７で下記（２−４）式のように演算される。製品酸素の流量を減量すると膨張タービン用窒素流量も減量する。同じく、製品酸素流量を増量すると、膨張タービン流量も増量する。
ΔＦET＝ｋ3 ΔＦGO （２−４）
【００５９】
（６）中圧塔１０６の還流液化窒素の流量制御
経路１１６からの還流液化窒素の流量は、第１原料空気の流量に比例させる。還流液化窒素の流量調節器１７１の設定値はメインコントローラ１７７で下記（２−５）式のように演算される。第１原料空気の流量を減量すると還流液化窒素の流量も減量する。同じく、第１原料空気の流量を増量すると還流液化窒素の流量も増量する。
ΔＦLN106 ＝ｋ4 ΔＦA1 （２−５）
【００６０】
（７）低圧塔１０２の還流液化窒素の流量制御
経路１３４の還流液化窒素の流量は、第１原料空気の流量に比例させる。還流液化窒素の流量調節器１６６の設定値は、メインコントローラ１７７で下記（２−６）式のように演算される。第１原料空気の流量を減量すると還流液化窒素の流量も減量する。同じく、第１原料空気の流量を増量すると還流液化窒素の流量も増量する。
ΔＦLN102 ＝ｋ5 ΔＦA1 （２−６）
【００６１】
（８） 高圧塔１０１の液面制御
高圧塔１０１の液面制御調節器１６７の設定値は、製品酸素の流量に比例させる。高圧塔１０１の液面調節器１６７の設定値は、メインコントローラ１７７で下記（２−７）式のように演算される。製品酸素流量の減量に合わせて低圧塔１０２への酸素富化液化空気の流量を減量させるため、高圧塔１０１の液面調節器１６７の設定値を上げる。同じく、製品酸素流量の増量に合わせて低圧塔１０２への酸素富化液化空気の流量を増やすため、高圧塔１０１の液面調節器１６７の設定値を下げる。
ΔＬＥＶＥＬLP1 ＝ｋ6 ΔＦGO （２−７）
これは、下記（２−７ａ）式のような演算により、経路１２３を流れる液化空気の流量制御に変えることもできる。
ΔＦLAIR1 ＝ｋ6´ΔＦGO （２−７ａ）
【００６２】
（９）中圧塔１０６の液面制御
中圧塔１０６の液面制御調節器１６８の設定値は、製品酸素の流量に比例させる。中圧塔１０６の液面調節器１６８の設定値は、メインコントローラ１７７で下記（２−８）式のように演算される。製品酸素の流量の減量に合わせて低圧塔１０２への酸素富化液化空気の流量を減量させるため、中圧塔１０６の液面調節器１６８の設定値を下げる。同じく、製品酸素の流量の増量に合わせて低圧塔１０２への酸素富化液化空気の流量を増やすため、中圧塔１０６の液面調節器１６８の設定値を上げる。
ΔＬＥＶＥＬLP106 ＝ｋ7 ΔＦGO （２−８）
これは、下記（２−８ａ）式により、経路１３６を流れる酸素富化液化空気の流量制御に変えてもできる。
ΔＦLAIR2 ＝ｋ7´ΔＦGO （２−８ａ）
【００６３】
なお、上記各式において、
ＧFGO （Ｓ）：フィードフォワード伝達関数
ΔＦA1：第１原料空気の流量の設定値の変化値
ΔＦA2：第２原料空気の流量の設定値の変化値
ΔＦGO：製品酸素の流量の設定値
ΔＦGN：製品窒素の流量の設定値の変化値
ΔＦET：膨張タービンの流量の設定値の変化値
ΔＦLN106 ：中圧塔１０６の還流液化窒素の流量の設定値の変化値
ΔＦLN102 ：低圧塔１０２の還流液化窒素の流量の設定値の変化値
ΔＦLAIR1 ：経路１２３を流れる酸素富化液化空気の流量の設定値の変化値
ΔＦLAIR2 ：経路１３６を流れる酸素富化液化空気の流量の設定値の変化値
ΔＬＥＶＥＬLP101 ：高圧塔１０１の液面の設定値の変化値
ΔＬＥＶＥＬLP106 ：中圧塔１０６の液面の設定値の変化値
である。また、ｋ1 ，ｋ2 ，ｋ3 ，ｋ4 ，ｋ5 ，ｋ6 ，ｋ6´，ｋ7 ，ｋ7´は、それぞれの係数である。
【００６４】
これらは、基本的な制御であり、これ以外に以下の三つの濃度制御ループを備えている。
（１０）製品酸素の濃度制御
低圧塔１０の底部又は塔底から抜き出した製品酸素の純度を測定し、純度設定値との誤差を濃度調節器１７４で演算する。濃度調節器１７４で得られた信号とメインコントローラ１７７で得られた信号とを加算器１７９で加算し、加算器１７９で得られた信号を第１原料空気の流量調節器１６１の設定値とする。第１原料空気の流量を測定し、設定値との誤差を第１原料空気の流量調節器１６１で演算する。第１原料空気の流量調節器１６１で得られた信号を第１原料空気の流量制御弁１１２に渡す。
【００６５】
（１１）中圧塔１０６の塔頂の窒素ガス中の酸素濃度制御（膨張タービン用窒素中の酸素濃度制御）
中圧塔１０６の塔頂の窒素ガス中の酸素濃度を測定し、濃度設定値との誤差を濃度調節器１７６で演算する。濃度調節器１７６で得られた信号とメインコントローラ１７７で得られた信号とを加算器１８０で加算し、得られた信号を低圧塔１０２の還流液化窒素の流量調節器１６６の設定値とする。還流液化窒素の流量を測定し、設定値との誤差を還流液化窒素の流量調節器１６６で演算する。還流液化窒素の流量調節器１６６で得られた信号を還流液化窒素の流量制御弁１３３に渡す。
【００６６】
（１２）製品窒素中の酸素濃度
製品窒素中の酸素濃度を測定し、濃度設定値との誤差を濃度調節器１７５で演算する。濃度調節器１７５で得られた信号とメインコントローラ１７７で得られた信号とを加算器１８１で加算し、得られた信号を製品窒素の流量調節器１６４の設定値とする。製品窒素の流量を測定し、設定値との誤差を製品窒素の流量調節器１６４で演算する。製品窒素の流量調節器１６４で得られた信号を製品窒素の流量制御弁１４４に渡す。
【００６７】
前記同様に、ダイナミックシミュレータを用いてこれらの制御システムの検討を行った。製品酸素流量を図１１に示すように１００％から５８％の範囲で毎分６％のスピードで変動させた。濃度制御を採用しない場合と濃度制御を採用した場合の製品酸素純度の変動を図１２に、製品窒素中の酸素濃度の変動を図１３に、中圧塔塔頂の窒素ガス中の酸素濃度の変動を図１４に示す。濃度制御を採用しない場合、製品酸素純度は約８６％まで下がり、製品窒素中の酸素濃度及び中圧塔塔頂窒素中の酸素濃度はそれぞれ約１２０００ｐｐｍ、約１３５００ｐｐｍまで上がる。一方、前記三つの濃度制御系を採用した場合は、製品酸素の純度変動は±１％以内に抑えられ、製品窒素中の酸素濃度及び下部塔塔頂窒素中の酸素濃度は、１ｐｐｍ以下に抑えられている。
【００６８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の制御方法は、基本制御ループをベースとして三つの濃度制御ループを加えたので、製品酸素流量の大幅な増減量や急激な増減量にも自動的に追従することができ、製品酸素純度、製品窒素濃度の変動を許容範囲内に抑えることができる。したがって、製品酸素流量の大幅な増減量が可能で、かつ、製品酸素流量の急激な増減量も可能である。さらに、製品酸素の増減量と同時に原料空気流量も増減させるので、原料空気流量を減量しても製品濃度が一定に保たれ、ランニングコスト下げることができる。しかも、貯蔵タンクが不要になるため、投資コストを下げることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 四塔式の空気液化分離装置の一例を示す系統図である。
【図２】 本発明の制御系を示す系統図である。
【図３】 フィードバック制御のブロック図である。
【図４】 外乱信号を加えたフィードバック制御のブロック図である。
【図５】 フィードフォワード制御にカスケード制御を加えたブロック図である。
【図６】 製品酸素の流量の変動を示す図である。
【図７】 製品酸素の純度の変動を示す図である。
【図８】 製品窒素中の酸素濃度の変動を示す図である。
【図９】 中圧塔塔頂の窒素中の酸素濃度の変動を示す図である。
【図１０】 本発明を三塔式の空気液化分離装置に適用した一例を示す系統図である。
【図１１】 製品酸素の流量の変動を示す図である。
【図１２】 製品酸素の純度の変動を示す図である。
【図１３】 製品窒素中の酸素濃度の変動を示す図である。
【図１４】 中圧塔塔頂の窒素中の酸素濃度の変動を示す図である。
【符号の説明】
１…高圧塔、２…第１低圧塔、３…第１凝縮蒸発器、４…第１複精留塔、５…中圧塔、６…第２低圧塔、７…第２凝縮蒸発器、８…第２複精留塔、９…主熱交換器、１０…膨張タービン、１２…流量制御弁、１９…過冷器、２３…流量制御弁、５１…第１原料空気Ａ１の流量調節器（ＦＣ）、５２…第２原料空気Ａ２の流量調節器（ＦＣ）、５３…製品酸素ＧＯの流量調節器（ＦＣ）、５４…製品窒素ＧＮの流量調節器（ＦＣ）、５５…第２低圧塔の塔頂圧力調節器（ＰＣ）、５６…第２低圧塔の還流液化窒素の流量調節器（ＦＣ）、５７…高圧塔の液面調節器（ＬＣ）、５８…中圧塔５の液面調節器（ＬＣ）、５９…第２低圧塔の液面調節器（ＬＣ）、６０…第１低圧塔の液面調節器（ＬＣ）、６１…膨張タービンの流量調節器（ＦＣ）６１、６２…高圧塔から中圧塔への液化窒素の流量調節器（ＦＣ）、６３…メインコントローラ、６４…酸素純度調節器（ＱＣ）、６５…製品窒素の酸素濃度調節器（ＱＣ）、６６…中圧塔頂部の窒素ガスの酸素濃度調節器（ＱＣ）、６８，６９，７０…加算器、１０１…高圧塔、１０２…低圧塔、１０３…第１凝縮蒸発器、１０４…複精留塔、１０５…第２凝縮蒸発器、１０６…中圧塔、１０７…主熱交換器、１０８…膨張タービン、１６１…第１原料空気の流量調節器（ＦＣ）、１６２…第２原料空気の流量調節器（ＦＣ）、１６３…製品酸素の流量調節器（ＦＣ）、１６４…製品窒素の流量調節器（ＦＣ）、１６５…廃窒素の圧力調節器（ＰＣ）、１６６…低圧塔への還流液化窒素の流量調節器（ＦＣ）、１６７…高圧塔の液面調節器（ＬＣ）、１６８…中圧塔の液面調節器（ＬＣ）、１６９…低圧塔の液面調節器（ＬＣ）、１７０…膨張タービンの流量調節器（ＦＣ）、１７１…高圧塔から中圧塔への液化窒素の流量調節器（ＦＣ）、１７２…第２凝縮蒸発器の圧力調節器（ＰＣ）、１７３…第２凝縮蒸発器の液面調節器（ＬＣ）、１７４…製品酸素ガスの純度調節器（ＱＣ）、１７５…製品窒素ガスの酸素濃度調節器（ＱＣ）、１７６…中圧塔から抜き出した膨張タービン用窒素の酸素濃度調節器（ＱＣ）、１７７…メインコントローラ
【発明の属する技術分野】
本発明は、空気液化分離装置の制御方法に関し、詳しくは、精留塔を三塔あるいは四塔使用した三塔式あるいは四塔式の深冷空気分離法による空気液化分離装置によって空気を酸素と窒素とに分離する空気液化分離装置であって、製品酸素の需要が変動する空気液化分離装置に適した制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
三塔式あるいは四塔式のプロセスを採用して酸素ガスを製造する空気液化分離装置として、米国特許第４２５４６２９号明細書や特開平１−１２１６７８号公報に記載された空気液化分離装置が知られている。これらのプロセスは、従来の二塔式空気液化分離装置に比べて製品酸素の製造動力を低減することはできるが、塔及び凝縮蒸発器の数が多くなるため、従来に比べて制御性が低下する。
【０００３】
また、これらの装置が複合型ガス化発電（ＩＧＣＣ）や溶融還元製鋼等のシステムで用いられる場合、空気液化分離装置には、大幅な負荷変動と急激な変動への追従とが要求される。この場合、製品酸素量の変動と同時に、製品濃度は一定のレベルに保たれなければならない。製品酸素濃度を保つためには、精留塔内の気液比を一定に保つことが重要であるが、空気液化分離装置の負荷が大きく変動する場合には、精留塔内の気液比が崩れ、製品酸素濃度に影響が出ることが多い。このため、例えば、製品酸素の貯蔵タンクを設け、製品酸素の需要量が増加する場合には不足分をタンクから補充し、逆に、製品酸素の需要量が減少した場合には、生産で余った分をタンクへ貯蔵する方法や、製品酸素量の変動に対して空気分離装置へ導入する原料空気を常に必要量以上とする方法が適用されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、製品酸素の貯蔵タンクを設けるものでは、大きなタンクを設置する必要があり、投資コストや設置面積に多くを要する不都合があった。また、装置へ導入する原料空気を常に必要量以上とする方法ではランニングコストが大となる不都合があった。
【０００５】
そこで本発明は、製品酸素の貯蔵タンクが不要で、かつ、原料空気を必要量以上に導入しなくても、製品酸素の需要変動に追従できる空気液化分離装置の制御方法を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の空気液化分離装置の制御方法は、高圧塔，中圧塔及び低圧塔からなる三塔式又は高圧塔，中圧塔，第１低圧塔及び第２低圧塔からなる四塔式の空気液化分離装置に原料空気を導入して深冷空気液化分離法により精留分離を行い、前記三塔式空気液化分離装置の低圧塔の下部又は四塔式空気液化分離装置の第１低圧塔の下部から製品酸素を得る空気液化分離装置の制御方法において、前記製品酸素の酸素純度を測定し、該酸素純度に応じて前記原料空気の導入量を調節することを特徴としている。
【０００７】
さらに、本発明は、前記製品酸素の需要量が急激に変動するときには、該製品酸素の需要変動量に応じて前記高圧塔底部の液面の設定を変更すること、前記製品酸素の需要量が急激に変動するときには、前記原料空気の導入量を前記製品酸素の需要量の増減に応じて増減させることを特徴としている。
【０００８】
また、本発明では、前記三塔式空気液化分離装置の低圧塔の上部又は四塔式空気液化分離装置の第２低圧塔の上部から製品窒素を得るにあたり、該製品窒素中の酸素濃度を測定し、該酸素濃度に応じて製品窒素の流量を調節すること、前記製品窒素の流量を前記原料空気の導入量に比例するように制御すること、さらに、前記中圧塔の頂部の窒素中に含まれる酸素濃度を測定し、該酸素濃度に応じて前記低圧塔又は第２低圧塔の還流液化窒素量を調節すること、前記還流液化窒素量を、前記原料空気の導入量に比例するように制御することを特徴とし、前記各制御を、カスケード制御とフィードフォワード制御とにより構成することを特徴としている。
【０００９】
【発明の実施の形態】
まず、図１は、本発明の対象となる四塔式の空気液化分離装置の一例を示すものである。この空気液化分離装置は、高圧塔１，第１低圧塔２及び第１凝縮蒸発器３を一体的に形成した第１複精留塔４と、中圧塔５，第２低圧塔６及び第２凝縮蒸発器７を一体的に形成した第２複精留塔８と、主熱交換器９，膨張タービン１０等を主要構成要素としている。
【００１０】
圧縮され、水，炭酸ガス等の不純物を除去された第１原料空気は、経路１１から原料空気の流量制御弁１２を通って主熱交換器９に入り、低温流体により冷却された後、経路１３から高圧塔１の下部に導入される。原料空気は、この高圧塔１での精留操作により塔底部の酸素富化液化空気と塔頂部の高純度窒素ガスとに分離する。
【００１１】
高圧塔１の塔頂から経路１４に抜き出された高純度窒素ガスは、第１低圧塔２の塔底部の第１凝縮蒸発器３で液化されて液化窒素となる。この液化窒素の一部は、弁１５で膨張して経路１６から中圧塔５の塔頂に導入されて中圧塔５の還流液となり、残りの液化窒素は、経路１７により高圧塔１に戻されて高圧塔１の還流液となる。高圧塔１の塔底から経路１８に抜き出された酸素富化液化空気は、過冷器１９で冷却された後、経路２０を経て弁２１で膨張した後に第２低圧塔６の中間部に導入される。
【００１２】
一方、圧縮され、水，炭酸ガス等の不純物を除去された第２原料空気は、経路２２から流量制御弁２３を通って主熱交換器９に入り、低温流体により冷却された後、経路２４から中圧塔５の下部に導入される。導入された第２原料空気は、この中圧塔５での精留操作により塔底部の酸素富化液化空気と塔頂部の高純度窒素ガスとに分離する。
【００１３】
中圧塔５の塔頂から抜き出された窒素ガスの一部は、経路２５を通って主熱交換器９で加熱された後、中間温度の膨張タービン用窒素ＥＴとなって経路２６から膨張タービン１０に導入されて膨張し、経路２７を経て再び主熱交換器９に導入されて常温になり、経路２８，弁２９を通ってコールドボックスを出る。このとき、膨張タービン用窒素ＥＴの流量は、弁１０ａ（可変ノズル又はバイパス弁）により調節される。中圧塔５の塔頂から抜き出された高純度窒素ガスの残部は、経路３０により、前記第２低圧塔６の塔底部に設けられた第２凝縮蒸発器７で液化して液化窒素となる。この液化窒素の一部は、経路３１から前記過冷器１９に導入されて冷却された後、経路３２を経て弁３３で膨張した後に第２低圧塔６の塔頂に導入されて第２低圧塔６の還流液となり、残りの液化窒素は、経路３４により中圧塔５に戻されて中圧塔５の還流液となる。中圧塔５の塔底から経路３５に抜き出された酸素富化液化空気は、前記過冷器１９で冷却された後、経路３６を経て弁３７で膨張した後に第２低圧塔６の中間部に導入される。
【００１４】
第２低圧塔６は、塔底に第２凝縮蒸発器７を備えた精留塔であって、中圧塔５から経路３２を経て導入された還流液化窒素及び経路３６を経て導入された酸素富化液化空気と、前記及び高圧塔１から経路２０を経て導入された酸素富化液化空気とは、この第２低圧塔６での精留操作により塔頂部の製品窒素ガスと塔中間部の廃窒素ガスと塔底部の酸素富化液化空気とに分離する。塔頂部から経路３８に抜き出された製品窒素と塔中間部から経路３９に抜き出された廃窒素は、前記過冷器１９及び主熱交換器９で常温まで加熱された後、製品窒素ガスは経路４０及び制御弁４１を経て、廃窒素は経路４２及び制御弁４３を経てそれぞれコールドボックスを出る。
【００１５】
第２低圧塔６の塔底からは、酸素濃度が６０〜８０％程度の酸素富化液化空気が経路４４に抜き出され、液ヘッドにより加圧された後、調節弁４５を通って第１低圧塔２の塔頂へ導入される。この第１低圧塔２は、塔底に前記第１凝縮蒸発器３を備えた精留塔であって、第２低圧塔６から導入された酸素富化液化空気は、この第１低圧塔２での精留操作により、塔底部の液化酸素及び製品酸素ガスと、塔頂部の酸素富化空気とに分離する。塔頂の酸素富化空気は、経路４６に抜き出され、弁４７を通って第２低圧塔６の下部に戻されて上昇ガスとなる。塔底の酸素ガスは、経路４８に抜き出されて前記主熱交換器９で常温まで加熱された後、経路４９から制御弁５０を通り、製品酸素ガスとしてコールドボックスを出る。
【００１６】
一般的に、このような四塔式の空気液化分離装置においては、第１低圧塔２及び第２低圧塔６は、１．３〜１．６ｂａｒで、中圧塔５は３．５〜４．５ｂａｒで、高圧塔１は４．５〜６ｂａｒで操作されるが、より高い圧力で操作することも可能である。
【００１７】
ここで、各種制御を行うための機器として、第１原料空気Ａ１の弁１２を制御する流量調節器（ＦＣ）５１、第２原料空気Ａ２の弁２３を制御する流量調節器（ＦＣ）５２、製品酸素ＧＯの弁５０を制御する流量調節器（ＦＣ）５３、製品窒素ＧＮの弁４１を制御する流量調節器（ＦＣ）５４、経路４２の廃窒素ＲＮの圧力を調節することにより第２低圧塔６の塔頂部の圧力を調節する弁４３を制御する塔頂圧力調節器（ＰＣ）５５、第２低圧塔６の還流液化窒素の弁３３を制御する流量調節器（ＦＣ）５６、高圧塔１からの酸素富化液化空気の弁２１を制御する液面調節器（ＬＣ）５７、中圧塔５からの酸素富化液化空気の弁３７を制御する液面調節器（ＬＣ）５８、第２低圧塔６からの酸素富化液化空気の弁４５を制御する液面調節器（ＬＣ）５９、第１低圧塔２から液化酸素を抜き出す経路７１の弁７２を制御する液面調節器（ＬＣ）６０、膨張タービン１０の弁１０ａを制御する流量調節器（ＦＣ）６１及び高圧塔１から中圧塔５への液化窒素の弁１５を制御する流量調節器（ＦＣ）６２がそれぞれ設けられている。
【００１８】
製品酸素量を減量するとき、あるいは増量するときには、空気液化分離装置全体の物質バランスを取るため、第１原料空気の流量、第２原料空気の流量、製品窒素の流量、中圧塔５の還流液化窒素の流量、第２低圧塔６の還流液化窒素の流量、膨張タービン用窒素の流量、高圧塔１の液面、中圧塔５の液面及び第２低圧塔６の液面をそれぞれ対応して変動させる。
【００１９】
これらの計算は、図２に示すメインコントローラ６３で行われ、各制御機器を介して各弁の開度を調節することにより各種制御が行われる。さらに、本発明では、これらの制御に加えて製品酸素の純度、製品窒素中の酸素濃度、中圧塔頂部の窒素ガス中の酸素濃度を測定して上記各制御の補正を行うようにしており、第１低圧塔２から抜き出した製品酸素ガスが流れる経路４８には酸素純度調節器（ＱＣ）６４が、第２低圧塔６の頂部から抜き出した製品窒素ガスが流れる経路４０には酸素濃度調節器（ＱＣ）６５が、中圧塔５の頂部から抜き出した窒素ガスが流れる経路２８には同じく酸素濃度調節器（ＱＣ）６６が、それぞれ設けられている。
【００２０】
上記各制御は、各制御内容に応じて図３乃至図５に示す制御構成の中の最適な制御方法により行われる。図３に示す制御は、いわゆる一般的なフィードバック制御であり、設定値Ｒに応じて調節器Ａが制御対象（弁の開度等）Ｂを制御し、この制御結果の検出値（測定値）Ｙを演算器Ｃにフィードバックして誤差ｅを算出し、調節器Ａによる制御対象Ｂの制御状態を補正するものである。
【００２１】
また、図４に示す制御は、上記制御に外乱信号Ｘが加わる場合の一般的なフィードバック制御であり、設定値Ｒに対して他の原因による制御条件等を外乱信号Ｘとして演算器Ｃ２に入力し、調節器Ａからの信号と外乱信号Ｘとにより制御対象Ｂの制御を行い、この結果を演算器Ｃ１にフィードバックして設定値Ｒとの誤差ｅを算出し、調節器Ａの設定を補正するようにしている。
【００２２】
図５に示す制御は、上述のフィードフォワード制御にカスケード制御を加えた構成の制御である。この場合、あらかじめ設定されている設定値Ｒが主調節器Ａｍに入力され、この主調節器Ａｍからの信号は、第２制御対象Ｂ２を制御するための副調節器Ａｓに伝えられる。副調節器Ａｓは、主調節器Ａｍからの信号に応じて第２制御対象Ｂ２を制御するとともに、これらの信号に応じて第１制御対象Ｂ１が制御される。同時に、第２制御対象Ｂ２の制御結果の検出値Ｚが第２演算器Ｃ２に入力されるとともに、外乱信号Ｘがメインコントローラ６３内のフィードフォワードコントローラＥを介して演算器Ｃ２に入力される。演算器Ｃ２では、主調節器Ａｍからの信号と検出値Ｚ及び外乱信号Ｘとに応じて誤差ｅ２を発生し、これによって副調節器Ａｓの設定値を補正する。さらに、これらによって制御される最終的な第１制御対象Ｂ１の制御結果Ｙが第１演算器Ｃ１にフィードバックされて設定値Ｒとの誤差ｅ１を算出し、主調節器Ａｍの設定を補正するようにしている。
【００２３】
次に、図２に基づいて上述の四塔式空気液化分離装置に対する制御方法の一例を説明する。なお、装置構成は、図１と同様であるから、主要部分にのみ符号を付して装置構成の詳細な説明は省略する。
【００２４】
まず、製品酸素量の変動信号は、ユーザーからの要求として入力信号６７によりメインコントローラ６３に入力される。この製品酸素量の変動信号を受けたメインコントローラ６３は、以下の（１）〜（１０）に示す基本制御ループの設定値の計算を行う。
【００２５】
（１）製品酸素ＧＯの流量制御
製品酸素流量の流量調節器５３の設定値は、製品酸素需要の変動量に合わせて弁５０によって同じように変動させる。
【００２６】
（２）第１原料空気Ａ１の流量制御
第１原料空気の流量調節器５１には、メインコントローラ６３で下記（１−１）式で演算されたフィードフォワード信号が設定される。弁１２によって製品酸素流量を減量すると、弁１２によって第１原料空気の流量も減量し、製品酸素流量を増量すると第１原料空気の流量も増量する。
ΔＦA1＝ＧFGO （Ｓ）ΔＦGO （１−１）
【００２７】
（３）第２原料空気Ａ２の流量制御
第２原料空気の流量は、第１原料空気の流量に比例させる。したがって、第２原料空気の流量調節器５２の設定値は、メインコントローラ６３で下記（１−２）式のように演算される。第１原料空気の流量が減量すると、弁２３によって第２原料空気の流量も減量し、第１原料空気の流量が増量すると第２原料空気の流量も増量する。
ΔＦA2＝ｋ1 ΔＦA1 （１−２）
【００２８】
（４）製品窒素ＧＮの流量制御
製品窒素の流量は、第１原料空気の流量に比例させる。製品窒素の流量調節器５４の設定値は、メインコントローラ６３で下記（１−３）式のように演算される。第１原料空気の流量が減量すると、弁４１によって製品窒素の流量も減量し、第１原料空気の流量が増量すると製品窒素流量も増量する。
ΔＦGN＝ｋ2 ΔＦA1 （１−３）
【００２９】
（５）膨張タービン１０の流量制御
膨張タービンの流量は、製品酸素の流量に比例させる。膨張タービンの流量調節器６１の設定値は、メインコントローラ６３で下記（１−４）式のように演算される。製品酸素の流量を減量すると、該膨張タービン１０の弁１０ａによって膨張タービン用の窒素流量も減量し、製品酸素流量を増量すると膨張タービンの流量も増量する。
ΔＦET＝ｋ3 ΔＦGO （１−４）
【００３０】
（６）中圧塔５の還流液化窒素の流量制御
経路１６から供給される中圧塔５の還流液化窒素の流量は、第１原料空気の流量に比例させる。還流液化窒素の流量調節器６２の設定値は、メインコントローラ６３で下記（１−５）式のように演算される。第１原料空気が減量すると、弁１５によって還流液化窒素の流量も減量し、第１原料空気が増量すると還流液化窒素の流量も増量する。
ΔＦLN5 ＝ｋ4 ΔＦA1 （１−５）
【００３１】
（７）第２低圧塔６の還流液化窒素の流量制御
経路３２から供給される第２低圧塔６の還流液化窒素の流量は、第１原料空気の流量に比例させる。還流液化窒素の流量調節器５６の設定値は、メインコントローラ６３で下記（１−６）式のように演算される。第１原料空気が減量すると、弁３３によって還流液化窒素の流量も減量し、第１原料空気が増量すると還流液化窒素の流量も増量する。
ΔＦLN6 ＝ｋ5 ΔＦA1 （１−６）
【００３２】
（８）高圧塔１の液面制御
高圧塔１の液面制御調節器５７の設定値は、製品酸素の流量に比例させる。高圧塔１の液面調節器５７の設定値は、メインコントローラ６３で下記（１−７）式のように演算される。製品酸素流量の減量に合わせて経路１８，２０を介して第２低圧塔６に供給する酸素富化液化空気の流量を弁２１によって減量させるために高圧塔１の液面調節器の設定値を上げる。また、製品酸素流量の増量に合わせて第２低圧塔６への酸素富化液化空気の流量を増やすため、高圧塔１の液面調節器の設定値を下げる。
ΔＬＥＶＥＬLP1 ＝ｋ6 ΔＦGO （１−７）
これは、下記（１−７ａ）式のような演算により、経路１８，２０を流れる酸素富化液化空気の流量制御に変えることもできる。
ΔＦLAIR1 ＝ｋ6´ΔＦGO （１−７ａ）
【００３３】
（９）中圧塔５の液面制御
中圧塔５の液面調節器５８の設定値は、製品酸素の流量に比例させる。中圧塔５の液面調節器５８の設定値は、メインコントローラ６３で下記（１−８）式のように演算される。製品酸素流量の減量に合わせて経路３５，３６を介して第２低圧塔６に供給する酸素富化液化空気の流量を弁３７によって減量させるため、中圧塔５の液面調節器５８の設定値を上げる。また、製品酸素流量の増量に合わせて第２低圧塔６への酸素富化液化空気の流量を増やすため、中圧塔５の液面調節器の設定値を下げる。
ΔＬＥＶＥＬLP5 ＝ｋ7 ΔＦGO （１−８）
これは、下記（１−８ａ）式により、経路３５，３６を流れる酸素富化液化空気の流量制御に変えてもできる。
ΔＦLAIR2 ＝ｋ7´ΔＦGO （１−８ａ）
【００３４】
（１０）第２低圧塔６の液面制御
第２低圧塔６の液面調節器５９の設定値は、第１原料空気の流量に比例させる。第２低圧塔６の液面調節器５９の設定値は、メインコントローラ６３で下記（１−９）式のように演算される。製品酸素流量の減量に合わせて経路４４から第１低圧塔２に供給する酸素富化液化空気の流量を弁４５によって減量させるため、第２低圧塔６の液面調節器５９の設定値を上げる。また、製品酸素流量の増量に合わせて第１低圧塔２への酸素富化液化空気の流量を増やすため、第２低圧塔６の液面調節器５９の設定値を下げる。
ΔＬＥＶＥＬLP6 ＝ｋ8 ΔＦGO （１−９）
これは、下記（１−９ａ）式により、経路４４を流れる酸素富化液化空気の流量制御に変えることもできる。
ΔＦLAIR3 ＝ｋ8´ΔＦGO （１−９ａ）
【００３５】
なお、上記各式において、
ＧFGO （Ｓ）：フィードフォワード伝達関数
ΔＦA1：第１原料空気の流量の設定値の変化値
ΔＦA2：第２原料空気の流量の設定値の変化値
ΔＦGO：製品酸素の流量の設定値
ΔＦGN：製品窒素の流量の設定値の変化値
ΔＦET：膨張タービンの流量の設定値の変化値
ΔＦLN5 ：中圧塔５の還流液化窒素の流量の設定値の変化値
ΔＦLN6 ：第２低圧塔６の還流液化窒素の流量の設定値の変化値
ΔＦLAIR1 ：経路２０を流れる酸素富化液化空気の流量の設定値の変化値
ΔＦLAIR2 ：経路３６を流れる酸素富化液化空気の流量の設定値の変化値
ΔＦLAIR3 ：経路４４を流れる酸素富化液化空気の流量の設定値の変化値
ΔＬＥＶＥＬLP1 ：高圧塔１の液面の設定値の変化値
ΔＬＥＶＥＬLP5 ：中圧塔５の液面の設定値の変化値
ΔＬＥＶＥＬLP6 ：第２低圧塔６の液面の設定値の変化値
である。また、ｋ1 ，ｋ2 ，ｋ3 ，ｋ4 ，ｋ5 ，ｋ6 ，ｋ6´，ｋ7 ，ｋ7´，ｋ8 ，ｋ8´は、それぞれの係数である。
【００３６】
本発明では、これらの基本制御に加えて、以下の三つの濃度制御ループを設定している。なお、括弧内は図５に対応する名称あるいは符号である。
【００３７】
（１１）製品酸素ＧＯの濃度制御
第１低圧塔２の塔底の酸素ガスの純度又は塔底から経路４８に抜き出した製品酸素の純度を測定し（検出値Ｙ）、演算器（Ｃ１）で純度設定値（Ｒ）との誤差（ｅ１）を算出し、これに基づいて酸素純度調節器（主調節器Ａｍ）６４の設定値を変更する。この酸素純度調節器６４で得られた信号と、メインコントローラ（フィードフォワードコントローラＥ）６３で得られた信号（外乱信号Ｘに基づく信号）と、第１原料空気の流量（検出値Ｚ）とによって加算器（演算器Ｃ２）６８で誤差（ｅ２）が算出され、これによって第１原料空気の流量調節器（副調節器Ａｓ）５１の設定値が変更される。この第１原料空気の流量調節器５１で得られた信号によって第１原料空気の原料空気制御弁（第２制御対象Ｂ２）１２の開度が制御され、第１原料空気の流量が調節される。さらに、これらの制御結果による製品酸素純度の変動は、酸素純度調節器６４にフィードバックされる。
【００３８】
（１２）製品窒素ＧＮ中の酸素濃度
製品窒素中の酸素濃度を酸素濃度調節器６５で測定し、濃度設定値との誤差を酸素濃度調節器（主調節器）６５で演算する。酸素濃度調節器６５で得られた信号とメインコントローラ６３で得られた信号とを加算器６９で加算し、得られた信号を製品窒素の流量調節器５４（副調節器）の設定値とする。流量調節器５４で製品窒素の流量を測定し、設定値との誤差を流量調節器５４で演算する。流量調節器４７で得られた信号を製品窒素の流量調節弁４１に渡す。
【００３９】
（１３）中圧塔５の塔頂のガス窒素中の酸素濃度制御（膨張タービン用窒素ＥＴ中の酸素濃度制御）
中圧塔５の塔頂のガス窒素中の酸素濃度を酸素濃度調節器６６で測定し、濃度設定値との誤差を酸素濃度調節器（主調節器）６６で演算する。酸素濃度調節器６６で得られた信号とメインコントローラ６３で得られた信号とを加算器７０で加算し、得られた信号を経路３２を流れる還流液化窒素の流量調節器（副調節器）５６の設定値とする。流量調節器５６で経路３２を流れる還流液化窒素の流量を測定し、設定値との誤差を流量調節器５６で演算する。流量調節器５６で得られた信号を還流液化窒素の流量を調節する弁３３に渡す。
【００４０】
上述のように構成した制御システムを、ダイナミックシミュレータを用いて検討した。まず、図６に示すように、製品酸素の流量を１００％から５８％の範囲で毎分６％のスピードで変動させた。そして、前記（１１）〜（１３）に示した濃度制御ループを採用した場合と、採用しない場合とにおいて、製品酸素の純度の変動を図７に、製品窒素中の酸素濃度の変動を図８に、中圧塔塔頂の窒素中の酸素濃度の変動を図９にそれぞれ示す。
【００４１】
この結果から、前記濃度制御ループを採用しない場合は、製品酸素純度が８９．５％まで下がり、製品窒素中の酸素濃度及び中圧塔塔頂の窒素中の酸素濃度は、それぞれ約３８００ｐｐｍ、約４５００ｐｐｍまで上がるのに対し、上記三つの濃度制御系を採用した場合は、、製品酸素純度の変動が±１％以内に抑えられ、製品窒素中の酸素濃度及び中圧塔塔頂の窒素中の酸素濃度は１ｐｐｍ以下に抑えられていることがわかる。
【００４２】
すなわち、製品酸素の需要変動に対して製品酸素の純度変動を小さくでき、製品酸素流量の大幅な増減及び急激な増減に対応することができる。また、製品酸素流量の増減に応じて原料空気の流量も増減させるので、製品酸素流量が減少したときには原料空気の流量も減少させるので、ランニングコストも低減できる。さらに、貯蔵タンクを設置する必要がないため、投資コストや設置面積の問題も解消できる。しかも、窒素を製品として採取する場合でも、製品窒素の純度の変動幅を小さくすることができる。
【００４３】
図１０は、本発明を三塔式の空気液化分離装置に適用した一例を示す系統図である。この空気液化分離装置は、高圧塔１０１，低圧塔１０２及び第１凝縮蒸発器１０３を一体的に形成した複精留塔１０４と、第２凝縮蒸発器１０５を備えた中圧塔１０６と、主熱交換器１０７，膨張タービン１０８等を主要構成要素としている。
【００４４】
圧縮され、水，炭酸ガス等の不純物を除去された第１原料空気Ａ１は、経路１１１から流量制御弁１１２を通って主熱交換器１０７に入り、低温流体により冷却された後、経路１１３から高圧塔１０１の下部に導入される。原料空気は、この高圧塔１０１での精留操作により塔底部の酸素富化液化空気と塔頂部の高純度窒素ガスとに分離する。
【００４５】
高圧塔１０１の塔頂から経路１１４に抜き出された高純度窒素ガスは、低圧塔１０２の塔底部の第１凝縮蒸発器１０３で液化されて液化窒素となる。この液化窒素の一部は、弁１１５で膨張して経路１１６から中圧塔１０６の塔頂へ導入されて中圧塔１０６の還流液となり、残りの液化窒素は、経路１１７により高圧塔１０１に戻されて高圧塔１の還流液となる。高圧塔１０１の塔底から経路１１８に抜き出された酸素富化液化空気の一部は、制御弁１１９で膨張して中圧塔１０６の中間段へ導入され、残りの酸素富化液化空気は、経路１２０に分岐し、過冷器１２１で冷却された後、弁１２２で膨張して経路１２３から低圧塔１０２の中間段に導入される。
【００４６】
また、水，炭酸ガス等の不純物を除去された第２原料空気Ａ２は、経路１２４から制御弁１２５を通って主熱交換器１０７に入り、低温流体により冷却され、経路１２６を経て中圧塔１０６の塔底部に導入される。この原料空気は、中圧塔１０６で精留されて塔底部の酸素富化液化空気と塔頂部の高純度窒素ガスとに分離する。中圧塔１０６の塔頂から経路１２７を経て経路１２８に抜き出された膨張タービン用窒素ＥＴは、主熱交換器１０７で加熱された後、膨張タービン１０８で膨張し、再び主熱交換器１０７に入って常温になり、経路１２９，弁１３０を通ってコールドボックスを出る。中圧塔１０６の塔頂から経路１２７に抜き出された高純度窒素ガスの残部は経路１３１により第２凝縮蒸発器１０５に導入され、液化して液化窒素となる。液化窒素の一部は、経路１３２に分岐して過冷器１２１で冷却された後、弁１３３で膨張して経路１３４を経て低圧塔１０２の塔頂へ導入され、低圧塔１０２の還流液化窒素となる。残りの液化窒素は、経路１３５により中圧塔１０６の塔頂に戻されて中圧塔１０６の還流液となる。
【００４７】
中圧塔１０６の塔底から経路１３６に抜き出された酸素富化液化空気は、過冷器１２１で冷却された後、弁１３７で膨張して経路１３８から第２凝縮蒸発器１０５に導入される。第２凝縮蒸発器１０５で高純度窒素ガスと熱交換した後、蒸発した酸素富化空気は、経路１３９を通って弁１４０で膨張した後、未蒸発の酸素富化液化空気の一部は、経路１４１を通って弁１４２で膨張した後、それぞれ低圧塔１０２の前記経路１２３より下の段に導入される。
【００４８】
低圧塔１０２は、塔底に第１凝縮蒸発器１０３を備えた精留塔であって、中圧塔１０６から経路１３４を経て導入された還流液化窒素と、経路１３９からの酸素富化空気と、経路１４１からの酸素富化液化空気と、高圧塔１０１から経路１２３を経て導入された酸素富化液化空気とが、ここでの精留操作によって塔頂部の製品窒素と、塔中上部の廃窒素と、塔底部の酸素ガス及び液化酸素とに分離される。塔頂部の製品窒素ＧＮは、経路１４３に抜き出され、過冷器１２１及び主熱交換器１０７で常温まで加熱された後、弁１４４，経路１４５を経てコールドボックスを出る。また、塔中上部から経路１４６に抜き出された廃窒素ＲＮは、過冷器１２１及び主熱交換器１０７で常温まで加熱された後、弁１４７，経路１４８を経てコールドボックスを出る。
【００４９】
低圧塔１０２の底部からは、経路１４９，弁１５０を介して液化酸素の一部が抜き出されている。また、第１凝縮蒸発器１０３で蒸発した酸素ガスの一部は、製品酸素ガスＧＯとして経路１５１に抜き出され、主熱交換器１０７で常温まで加熱された後、弁１５２，経路１５３を経てコールドボックスを出る。
【００５０】
一般的に、低圧塔１０２は１．３〜１．６ｂａｒで、中圧塔１０６は３．５〜４．５ｂａｒ、高圧塔１０１は４．５〜６．０ｂａｒで操作されるが、より高い圧力で操作することも可能である。
【００５１】
各種制御を行うための機器としては、第１原料空気Ａ１の弁１１２を制御する流量調節器（ＦＣ）１６１、第２原料空気Ａ２の弁１２５を制御する流量調節器（ＦＣ）１６２、製品酸素ＧＯの弁１５２を制御する流量調節器（ＦＣ）１６３、製品窒素ＧＮの弁１４４を制御する流量調節器（ＦＣ）１６４、廃窒素ＲＮの弁１４７を制御する圧力調節器（ＰＣ）１６５、低圧塔１０２への還流液化窒素の弁１３３を制御する流量調節器（ＦＣ）１６６、高圧塔１０１からの酸素富化液化空気の弁１２２を制御する高圧塔１０１の液面調節器（ＬＣ）１６７、高圧塔１０１からの酸素富化液化空気の弁１１９を制御する中圧塔１０６の液面調節器（ＬＣ）１６８、低圧塔１０２の底部から抜き出す液化酸素の弁１５０を制御する低圧塔１０２の液面調節器（ＬＣ）１６９、膨張タービン１０８の弁１０８ａを制御する流量調節器（ＦＣ）１７０、高圧塔１０１から中圧塔１０６への液化窒素の弁１１５を制御する流量調節器（ＦＣ）１７１、第２凝縮蒸発器１０５からの酸素富化空気の弁１４０を制御する圧力調節器（ＰＣ）１７２、第２凝縮蒸発器１０５に導入される酸素富化液化空気の弁１３７を制御する第２凝縮蒸発器１０５の液面調節器（ＬＣ）１７３、経路１５１の製品酸素ガスＧＯの純度により前記流量調節器１６１を介して弁１１２を制御する純度調節器（ＱＣ）１７４、経路１４３の製品窒素ガスＧＮの酸素濃度により前記流量調節器１６４を介して弁１４４を制御する酸素濃度調節器（ＱＣ）１７５、中圧塔１０６から抜き出された後に経路１２９を流れる膨張タービン用窒素ＥＴの酸素濃度により前記流量調節器１６６を介して弁１３３を制御する酸素濃度調節器（ＱＣ）１７６が設けられており、これらの全体的な制御は、メインコントローラ１７７により行われる。
【００５２】
製品酸素量を減らすとき、あるいは増やすとき、装置全体の物質バランスを取るため、第１原料空気の流量、第２原料空気の流量、製品窒素の流量、中圧塔１０６の還流液化窒素の流量、低圧塔１０２の還流液化窒素の流量、膨張タービン用窒素の流量、高圧塔１０１の液面及び中圧塔１０６の液面をそれぞれ対応して変動させる。
【００５３】
製品酸素量の変動信号は、入力信号１７８としてメインコントローラ１７７に入力され、メインコントローラ１７７では、以下の制御ループの設定値が計算される。
【００５４】
（１）製品酸素ＧＯの流量制御
製品酸素流量の流量調節器１６３の設定値は、製品酸素需要の変動量と同じ変動をさせる。
【００５５】
（２）第１原料空気Ａ１の流量制御
第１原料空気の流量調節器１６１には、メインコントローラ１７７で下記（２−１）式で演算されたフィードフォワード信号が設定される。製品酸素流量を減量すると第１原料空気の流量も減量する。同じく、製品酸素流量を増量すると第１原料空気の流量も増量する。
ΔＦA1＝ＧFGO （Ｓ）ΔＦGO （２−１）
【００５６】
（３）第２原料空気Ａ２の流量制御
第２原料空気の流量は、第１原料空気の流量に比例させる。第２原料空気の流量調節器１６２の設定値はメインコントローラ１７７で下記（２−２）式のように演算される。第１原料空気の流量を減量すると第２原料空気の流量も減量する。同じく第１原料空気の流量を増量すると第２原料空気の流量も増量する。
ΔＦA2＝ｋ1 ΔＦA1 （２−２）
【００５７】
（４）製品窒素ＧＮの流量制御
製品窒素の流量は、第１原料空気の流量に比例させる。製品窒素の流量調節器１６４の設定値はメインコントローラ１７７で下記（２−３）式のように演算される。第１原料空気の流量を減量すると製品窒素の流量も減量する。同じく、第１原料空気の流量を増量すると製品窒素の流量も増量する。
ΔＦGN＝ｋ2 ΔＦA1 （２−３）
【００５８】
（５）膨張タービン１０８の流量制御
膨張タービンの流量は、製品酸素の流量に比例させる。膨張タービン１０８の流量調節器１７０の設定値はメインコントローラ１７７で下記（２−４）式のように演算される。製品酸素の流量を減量すると膨張タービン用窒素流量も減量する。同じく、製品酸素流量を増量すると、膨張タービン流量も増量する。
ΔＦET＝ｋ3 ΔＦGO （２−４）
【００５９】
（６）中圧塔１０６の還流液化窒素の流量制御
経路１１６からの還流液化窒素の流量は、第１原料空気の流量に比例させる。還流液化窒素の流量調節器１７１の設定値はメインコントローラ１７７で下記（２−５）式のように演算される。第１原料空気の流量を減量すると還流液化窒素の流量も減量する。同じく、第１原料空気の流量を増量すると還流液化窒素の流量も増量する。
ΔＦLN106 ＝ｋ4 ΔＦA1 （２−５）
【００６０】
（７）低圧塔１０２の還流液化窒素の流量制御
経路１３４の還流液化窒素の流量は、第１原料空気の流量に比例させる。還流液化窒素の流量調節器１６６の設定値は、メインコントローラ１７７で下記（２−６）式のように演算される。第１原料空気の流量を減量すると還流液化窒素の流量も減量する。同じく、第１原料空気の流量を増量すると還流液化窒素の流量も増量する。
ΔＦLN102 ＝ｋ5 ΔＦA1 （２−６）
【００６１】
（８） 高圧塔１０１の液面制御
高圧塔１０１の液面制御調節器１６７の設定値は、製品酸素の流量に比例させる。高圧塔１０１の液面調節器１６７の設定値は、メインコントローラ１７７で下記（２−７）式のように演算される。製品酸素流量の減量に合わせて低圧塔１０２への酸素富化液化空気の流量を減量させるため、高圧塔１０１の液面調節器１６７の設定値を上げる。同じく、製品酸素流量の増量に合わせて低圧塔１０２への酸素富化液化空気の流量を増やすため、高圧塔１０１の液面調節器１６７の設定値を下げる。
ΔＬＥＶＥＬLP1 ＝ｋ6 ΔＦGO （２−７）
これは、下記（２−７ａ）式のような演算により、経路１２３を流れる液化空気の流量制御に変えることもできる。
ΔＦLAIR1 ＝ｋ6´ΔＦGO （２−７ａ）
【００６２】
（９）中圧塔１０６の液面制御
中圧塔１０６の液面制御調節器１６８の設定値は、製品酸素の流量に比例させる。中圧塔１０６の液面調節器１６８の設定値は、メインコントローラ１７７で下記（２−８）式のように演算される。製品酸素の流量の減量に合わせて低圧塔１０２への酸素富化液化空気の流量を減量させるため、中圧塔１０６の液面調節器１６８の設定値を下げる。同じく、製品酸素の流量の増量に合わせて低圧塔１０２への酸素富化液化空気の流量を増やすため、中圧塔１０６の液面調節器１６８の設定値を上げる。
ΔＬＥＶＥＬLP106 ＝ｋ7 ΔＦGO （２−８）
これは、下記（２−８ａ）式により、経路１３６を流れる酸素富化液化空気の流量制御に変えてもできる。
ΔＦLAIR2 ＝ｋ7´ΔＦGO （２−８ａ）
【００６３】
なお、上記各式において、
ＧFGO （Ｓ）：フィードフォワード伝達関数
ΔＦA1：第１原料空気の流量の設定値の変化値
ΔＦA2：第２原料空気の流量の設定値の変化値
ΔＦGO：製品酸素の流量の設定値
ΔＦGN：製品窒素の流量の設定値の変化値
ΔＦET：膨張タービンの流量の設定値の変化値
ΔＦLN106 ：中圧塔１０６の還流液化窒素の流量の設定値の変化値
ΔＦLN102 ：低圧塔１０２の還流液化窒素の流量の設定値の変化値
ΔＦLAIR1 ：経路１２３を流れる酸素富化液化空気の流量の設定値の変化値
ΔＦLAIR2 ：経路１３６を流れる酸素富化液化空気の流量の設定値の変化値
ΔＬＥＶＥＬLP101 ：高圧塔１０１の液面の設定値の変化値
ΔＬＥＶＥＬLP106 ：中圧塔１０６の液面の設定値の変化値
である。また、ｋ1 ，ｋ2 ，ｋ3 ，ｋ4 ，ｋ5 ，ｋ6 ，ｋ6´，ｋ7 ，ｋ7´は、それぞれの係数である。
【００６４】
これらは、基本的な制御であり、これ以外に以下の三つの濃度制御ループを備えている。
（１０）製品酸素の濃度制御
低圧塔１０の底部又は塔底から抜き出した製品酸素の純度を測定し、純度設定値との誤差を濃度調節器１７４で演算する。濃度調節器１７４で得られた信号とメインコントローラ１７７で得られた信号とを加算器１７９で加算し、加算器１７９で得られた信号を第１原料空気の流量調節器１６１の設定値とする。第１原料空気の流量を測定し、設定値との誤差を第１原料空気の流量調節器１６１で演算する。第１原料空気の流量調節器１６１で得られた信号を第１原料空気の流量制御弁１１２に渡す。
【００６５】
（１１）中圧塔１０６の塔頂の窒素ガス中の酸素濃度制御（膨張タービン用窒素中の酸素濃度制御）
中圧塔１０６の塔頂の窒素ガス中の酸素濃度を測定し、濃度設定値との誤差を濃度調節器１７６で演算する。濃度調節器１７６で得られた信号とメインコントローラ１７７で得られた信号とを加算器１８０で加算し、得られた信号を低圧塔１０２の還流液化窒素の流量調節器１６６の設定値とする。還流液化窒素の流量を測定し、設定値との誤差を還流液化窒素の流量調節器１６６で演算する。還流液化窒素の流量調節器１６６で得られた信号を還流液化窒素の流量制御弁１３３に渡す。
【００６６】
（１２）製品窒素中の酸素濃度
製品窒素中の酸素濃度を測定し、濃度設定値との誤差を濃度調節器１７５で演算する。濃度調節器１７５で得られた信号とメインコントローラ１７７で得られた信号とを加算器１８１で加算し、得られた信号を製品窒素の流量調節器１６４の設定値とする。製品窒素の流量を測定し、設定値との誤差を製品窒素の流量調節器１６４で演算する。製品窒素の流量調節器１６４で得られた信号を製品窒素の流量制御弁１４４に渡す。
【００６７】
前記同様に、ダイナミックシミュレータを用いてこれらの制御システムの検討を行った。製品酸素流量を図１１に示すように１００％から５８％の範囲で毎分６％のスピードで変動させた。濃度制御を採用しない場合と濃度制御を採用した場合の製品酸素純度の変動を図１２に、製品窒素中の酸素濃度の変動を図１３に、中圧塔塔頂の窒素ガス中の酸素濃度の変動を図１４に示す。濃度制御を採用しない場合、製品酸素純度は約８６％まで下がり、製品窒素中の酸素濃度及び中圧塔塔頂窒素中の酸素濃度はそれぞれ約１２０００ｐｐｍ、約１３５００ｐｐｍまで上がる。一方、前記三つの濃度制御系を採用した場合は、製品酸素の純度変動は±１％以内に抑えられ、製品窒素中の酸素濃度及び下部塔塔頂窒素中の酸素濃度は、１ｐｐｍ以下に抑えられている。
【００６８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の制御方法は、基本制御ループをベースとして三つの濃度制御ループを加えたので、製品酸素流量の大幅な増減量や急激な増減量にも自動的に追従することができ、製品酸素純度、製品窒素濃度の変動を許容範囲内に抑えることができる。したがって、製品酸素流量の大幅な増減量が可能で、かつ、製品酸素流量の急激な増減量も可能である。さらに、製品酸素の増減量と同時に原料空気流量も増減させるので、原料空気流量を減量しても製品濃度が一定に保たれ、ランニングコスト下げることができる。しかも、貯蔵タンクが不要になるため、投資コストを下げることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 四塔式の空気液化分離装置の一例を示す系統図である。
【図２】 本発明の制御系を示す系統図である。
【図３】 フィードバック制御のブロック図である。
【図４】 外乱信号を加えたフィードバック制御のブロック図である。
【図５】 フィードフォワード制御にカスケード制御を加えたブロック図である。
【図６】 製品酸素の流量の変動を示す図である。
【図７】 製品酸素の純度の変動を示す図である。
【図８】 製品窒素中の酸素濃度の変動を示す図である。
【図９】 中圧塔塔頂の窒素中の酸素濃度の変動を示す図である。
【図１０】 本発明を三塔式の空気液化分離装置に適用した一例を示す系統図である。
【図１１】 製品酸素の流量の変動を示す図である。
【図１２】 製品酸素の純度の変動を示す図である。
【図１３】 製品窒素中の酸素濃度の変動を示す図である。
【図１４】 中圧塔塔頂の窒素中の酸素濃度の変動を示す図である。
【符号の説明】
１…高圧塔、２…第１低圧塔、３…第１凝縮蒸発器、４…第１複精留塔、５…中圧塔、６…第２低圧塔、７…第２凝縮蒸発器、８…第２複精留塔、９…主熱交換器、１０…膨張タービン、１２…流量制御弁、１９…過冷器、２３…流量制御弁、５１…第１原料空気Ａ１の流量調節器（ＦＣ）、５２…第２原料空気Ａ２の流量調節器（ＦＣ）、５３…製品酸素ＧＯの流量調節器（ＦＣ）、５４…製品窒素ＧＮの流量調節器（ＦＣ）、５５…第２低圧塔の塔頂圧力調節器（ＰＣ）、５６…第２低圧塔の還流液化窒素の流量調節器（ＦＣ）、５７…高圧塔の液面調節器（ＬＣ）、５８…中圧塔５の液面調節器（ＬＣ）、５９…第２低圧塔の液面調節器（ＬＣ）、６０…第１低圧塔の液面調節器（ＬＣ）、６１…膨張タービンの流量調節器（ＦＣ）６１、６２…高圧塔から中圧塔への液化窒素の流量調節器（ＦＣ）、６３…メインコントローラ、６４…酸素純度調節器（ＱＣ）、６５…製品窒素の酸素濃度調節器（ＱＣ）、６６…中圧塔頂部の窒素ガスの酸素濃度調節器（ＱＣ）、６８，６９，７０…加算器、１０１…高圧塔、１０２…低圧塔、１０３…第１凝縮蒸発器、１０４…複精留塔、１０５…第２凝縮蒸発器、１０６…中圧塔、１０７…主熱交換器、１０８…膨張タービン、１６１…第１原料空気の流量調節器（ＦＣ）、１６２…第２原料空気の流量調節器（ＦＣ）、１６３…製品酸素の流量調節器（ＦＣ）、１６４…製品窒素の流量調節器（ＦＣ）、１６５…廃窒素の圧力調節器（ＰＣ）、１６６…低圧塔への還流液化窒素の流量調節器（ＦＣ）、１６７…高圧塔の液面調節器（ＬＣ）、１６８…中圧塔の液面調節器（ＬＣ）、１６９…低圧塔の液面調節器（ＬＣ）、１７０…膨張タービンの流量調節器（ＦＣ）、１７１…高圧塔から中圧塔への液化窒素の流量調節器（ＦＣ）、１７２…第２凝縮蒸発器の圧力調節器（ＰＣ）、１７３…第２凝縮蒸発器の液面調節器（ＬＣ）、１７４…製品酸素ガスの純度調節器（ＱＣ）、１７５…製品窒素ガスの酸素濃度調節器（ＱＣ）、１７６…中圧塔から抜き出した膨張タービン用窒素の酸素濃度調節器（ＱＣ）、１７７…メインコントローラ
Claims (10)
- 高圧塔，中圧塔及び低圧塔からなる三塔式又は高圧塔，中圧塔，第１低圧塔及び第２低圧塔からなる四塔式の空気液化分離装置に原料空気を導入して深冷空気液化分離法により精留分離を行い、前記三塔式空気液化分離装置の低圧塔の下部又は四塔式空気液化分離装置の第１低圧塔の下部から製品酸素を得る空気液化分離装置の制御方法において、前記製品酸素の酸素純度を測定し、該酸素純度に応じて前記原料空気の導入量を調節することを特徴とする空気液化分離装置の制御方法。
- 前記酸素純度に応じて原料空気導入量を調節する制御は、カスケード制御とフィードフォワード制御とにより構成することを特徴とする請求項１記載の空気液化分離装置の制御方法。
- 前記製品酸素の需要量が急激に変動するときには、該製品酸素の需要変動量に応じて前記高圧塔底部の液面の設定を変更することを特徴とする請求項１記載の空気液化分離装置の制御方法。
- 前記製品酸素の需要量が急激に変動するときには、前記原料空気の導入量を、前記製品酸素の需要量の増減に応じて増減させることを特徴とする請求項１記載の空気液化分離装置の制御方法。
- 前記三塔式空気液化分離装置の低圧塔の上部又は四塔式空気液化分離装置の第２低圧塔の上部から製品窒素を得るにあたり、該製品窒素中の酸素濃度を測定し、該酸素濃度に応じて製品窒素の流量を調節することを特徴とする請求項１記載の空気液化分離装置の制御方法。
- 前記酸素濃度に応じて製品窒素の流量を調節する制御は、カスケード制御とフィードフォワード制御とにより構成することを特徴とする請求項５記載の空気液化分離装置の制御方法。
- 前記製品窒素の流量を、前記原料空気の導入量に比例するように制御することを特徴とする請求項５記載の空気液化分離装置の制御方法。
- 前記三塔式空気液化分離装置の低圧塔の上部又は四塔式空気液化分離装置の第２低圧塔の上部から製品窒素を得るにあたり、前記中圧塔の頂部の窒素中に含まれる酸素濃度を測定し、該酸素濃度に応じて前記三塔式空気液化分離装置の低圧塔又は四塔式空気液化分離装置の第２低圧塔の還流液化窒素量を調節することを特徴とする請求項１記載の空気液化分離装置の制御方法。
- 前記酸素濃度に応じて還流液化窒素量を調節する制御は、カスケード制御とフィードフォワード制御とにより構成することを特徴とする請求項８記載の空気液化分離装置の制御方法。
- 前記還流液化窒素量を、前記原料空気の導入量に比例するように制御することを特徴とする請求項８記載の空気液化分離装置の制御方法。
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