JP3843714B2 - Gas temperature control device - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンタルピ変化の無いプロセスにおける気体温度を制御する気体温度制御装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
気体燃料を用いて燃焼させ、そのエネルギーを利用して設備を運転するプラントにおいては、燃料流量、燃料圧力、燃料温度を所定の値に保持することが、安定な燃焼状態を得るために必要な条件である。このため、燃料ラインには、通常、これらの値を制御するための設備が備わっている。このうち、燃料圧力を所定の値に制御するための減圧設備は減圧弁の開度を制御することによって気体の通過流量を制限し、下流の圧力を下げて一定値に保つ働きを行うものである。
【0003】
一般に気体は減圧プロセスを通過する際には、断熱膨張を起こすため、減圧弁通過後においては気体の温度は低下することになる。特に減圧後の圧力変化が大きい場合にはこの温度低下も大きいものであるため、このような温度低下が問題となるようなプラントにおいては、減圧弁を通過する前に気体を予め加熱しておき、減圧後の気体温度を補償して、減圧後において所定の温度となるように制御している。
【0004】
図11は、従来の温度制御方法を説明するための構成図である。
【0005】
この制御方法を図を参照して説明する。
【0006】
燃料ラインを流れる気体燃料51は熱交換器58を経由して減圧弁52で減圧された後、温度計53でその温度が測定される。温度測定値54は温度制御装置55に入力され、温度設定値56と比較される。温度測定値54が温度設定値56よりも高い場合は、温度制御装置55は流量制御弁57の開度を絞り、熱交換器58を流れる加熱流体59の流量を少なくして交換される熱量を減少させ、気体燃料51の温度を下げる。これと反対に、温度測定値54が温度設定値56よりも低い場合は、温度制御装置55は流量制御弁57の開度を開き、熱交換器58を流れる加熱流体59の流量を増して交換される熱量を増加し、気体燃料51の温度を上昇させる。
【0007】
このように温度計による測定値をフィードバックして、熱交換器の加熱流量を温度制御装置55でPID制御することで、気体燃料の制御が行われていた。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、プラントを建設するに際しては、使用できるスペースの制約があるため、気体加熱用熱交換器の設置場所と減圧弁の設置場所が大きく離れてしまうことがある。この場合には、従来の方法では精度良く温度を制御することが困難となっていた。この制御が不安定となる原因は、熱交換器で加熱された気体が減圧弁の下流にある温度計の位置に到達するまでの遅れ時間が増加し、変化するためである。
【0009】
即ち、気体燃料の流量が多い場合は流速が速い結果、前記遅れ時間が比較的に小さくなり、制御上安定するが、気体燃料の流量が少ない場合には流速が遅くなる結果、前記遅れ時間が大きくなるため、制御が不安定になるという問題が発生する。この制御の不安定さは、制御系に含まれる遅れ時間が大きいためであり、またさらに、この遅れ時間が一定でなく運転状況によって変化することが原因である。従って、従来技術で説明したような単一のPID定数に基づく調節計によってこのような対象を制御することは、本質的に限界がある。
【0010】
かかる、対象の制御特性が変化するプロセスを制御する方法として、モデル化による手法が知られている。この手法は、対象をモデル化し、そのモデルをベースとして制御しようとする状態量を予測し、その予測値に基づいて操作量を決定するものである。
【0011】
しかしながら、この手法においては対象のモデル化が適切に行われていることが前提となるが、一般的に対象に関する正確な情報を入手することには困難が多いため、正確なモデルを作成することも困難が多い。また、正確な情報が入手できる場合であっても、時々刻々変化する対象から正確な状態量を入手する手段を備え、かつ、その状態量に対応して適切な制御パラメータを決定してコントローラのパラメータを変更する処理を行おうとすれば、制御装置が複雑化することは避けられない。
【0012】
本発明は、従来技術のかかる問題点に鑑みてなされたものであり、熱交換器と減圧弁の距離が離れている場合で、かつ、気体の流速が遅い場合にも、比較的単純な制御系によって、安定した温度制御が可能となる気体温度制御装置を提供することを目的とする。
【0015】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明に関わる気体温度制御装置は、気体を加熱もしくは冷却する熱交換設備と、前記熱交換設備の後流に配置された等エンタルピ変化プロセスを備えたパイプラインにおける気体温度制御装置において、前記プロセス通過後における気体の目標圧力値と第1の目標温度値を設定入力する手段と、前記目標圧力値と第1の目標温度値から、前記プロセス通過後の気体が保有する目標エンタルピを算出するエンタルピ算出手段と、前記目標エンタルピと、前記プロセス通過前で前記熱交換設備通過後の位置の気体圧力実績値から、前記プロセス通過前における気体の第2の目標温度値を算出する温度計算手段と、前記プロセス通過後の気体温度実績値と前記第1の目標温度値から、前記第2の目標温度値を補正して前記プロセス通過前における第3の目標温度値を算出する温度算出手段と、前記プロセス通過前における気体温度が前記第3の目標温度値となるように、前記熱交換設備を制御する手段とを備えた構成である。
【0016】
以上のように構成することで、制御すべき気体の温度が必ずしも目標温度に一致しないような環境にある場合でも、目標温度に制御することができる。
【0019】
更に、本発明の気体温度制御装置は、気体を加熱もしくは冷却する熱交換設備と、前記熱交換設備の後流に配置された等エンタルピ変化プロセスを備えたパイプラインにおける気体温度制御装置において、前記プロセス通過後における気体の目標圧力値と目標温度値を設定入力する手段と、前記目標圧力値と目標温度値から前記プロセス通過後の気体が保有する目標エンタルピを算出する第1のエンタルピ算出手段と、前記熱交換設備通過前の気体圧力実績値と気体温度実績値から、前記気体が保有する初期エンタルピを算出する第2のエンタルピ算出手段と、 前記目標エンタルピ、前記初期エンタルピおよび前記プロセスを通過する気体の質量流量から前記熱交換設備において熱交換すべき熱量を算出する手段と、前記熱交換すべき熱量が気体に与えられるように前記熱交換設備の第1の制御目標値を算出する手段と、前記プロセス通過後の気体温度実績値と前記目標温度値から、前記熱交換設備の第1の制御目標値を補正して前記熱交換設備の第2の制御目標値を算出する手段と、前記第2の制御目標値に基づいて前記熱交換設備を制御する手段を備えた構成としている。
【0020】
このように構成することにより、制御すべき気体の温度が必ずしも目標温度に一致しないような環境にある場合でも、気体温度を目標値に制御することができる。
【0021】
更に、本発明に関わる気体温度制御装置は、気体圧力を減圧するプロセスで適用することができるように構成している。
【0022】
このように構成することで、多くのパイプラインにおいて幅広く適用することができる。
【0023】
また、本発明に関わる気体温度制御装置は、前記熱交換設備を制御する手段が、その熱交換設備に用いる熱交換用媒体の流量を制御するように構成している。
【0024】
このように構成することで、一般的な熱交換設備を用いて確実に制御することができる。
【0025】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態の説明に先立ち、本発明の原理について説明する。
【0026】
一般に物質のエンタルピは(1)式で表される。
【0027】
H=U+PV …(1)
ここで、Hはエンタルピ、Uは内部エネルギ、Pは圧力、Vは体積である。
【0028】
いま、(1)式を気体に関して適用すれば、気体の内部エネルギUは温度Tをパラメータとする関数で表すことができるため、気体のエンタルピHは気体の圧力P、体積V、温度Tの3つの変数によって記述されることになる。
【0029】
一方、気体においては圧力P、体積V、温度Tの3つの変数は互いに各種の経験的状態方程式において、ある近似的な関係式で結ばれることが、実在気体について確認されている。従って、この状態方程式を用いると、3つの変数のうち1つの変数は残りの2つの変数で表すことができることになり、結局、気体のエンタルピHは、圧力P、体積V、温度Tの3つの変数のうちの2つの変数によって近似的に表すことが可能である。
【0030】
このことは、「化学熱力学線図」原 徹著、化学工業社、昭和45年発行、に記載されている線図によっても明らかである。この文献には、ある気体のエンタルピを圧力と温度によって表現した線図が掲載されている。
【0031】
図1は前記先行文献に記載されてある線図に基づいて、エンタルピH、圧力Pおよび温度Tの関係を模式的に示した図である。
【0032】
本図では、縦軸に圧力P、横軸にエンタルピHを取り、温度Tをパラメータとして表現している。この図から圧力がP1、温度がT1のときにエンタルピはH1であり、圧力がP1、温度がT2のときにエンタルピはH2であることが一意的に定まることがわかる。
【0033】
従って、前記関係は関数Fを用いて(2)式で表現できる。
【0034】
H=F(P、T) …(2)
更に、上記の関係とは逆に、エンタルピHと圧力Pが決まれば、温度Tを一意に決定することが可能である。
【0035】
この関係は関数Gを用いて(3)式で表現できる。
【0036】
T=G(H、P) …(3)
今、気体が多孔物質あるいは弁を通って流れる場合を考える。その流れの運動エネルギーの変化が無視できるほどに小さければ、その流れのエンタルピ変化は0である。即ち、周囲との熱交換が無いプロセスを通過する場合には、そのプロセス通過前後の気体エンタルピ(熱力学的なエネルギ)は保存される。このようなプロセスは等エンタルピ変化プロセスと呼ばれる。
【0037】
本発明は、上述の関係を用いて、等エンタルピ変化プロセスである減圧弁の下流の温度制御を行うもので、その制御方法は次の2つの考え方に基づいている。
【0038】
第1の考えに基づく制御方法は、温度制御すべき制御対象位置を変更するものである。
【0039】
減圧弁通過後の気体の目標圧力P2sと目標温度T2sから、(4)式によって目標エンタルピH2を算出する。
【0040】
H2 = F( P2s, T2s ) …(4)
一方、減圧弁は等エンタルピ変化プロセスであるため、減圧弁通過前後において気体のエンタルピは保存される。従って、減圧弁通過前の気体温度目標値T1sは、減圧弁通過前の気体圧力測定値P1と目標エンタルピH2を用いて、(5)式で求めることができる。
【0041】
T1s= G( H2, P1 ) …(5)
(5)式に(4)式を代入して、(6)式が得られる。
【0042】
T1s=G( F(P2s,T2s),P1 ) …(6)
この結果、(6)式により求められた気体温度目標値で、例えば熱交換器直後位置の温度を制御すれば、減圧弁通過後の温度を目標温度に制御することができることを示している。
【0043】
このため、温度制御すべき制御対象位置を減圧弁後の位置から熱交換器直後の位置に変更することが可能になり、温度制御上で問題とされる、気体が移動することに伴う遅れ時間の影響を最小限に抑えることが可能となる。
【0044】
第2の考えに基づく制御方法は、制御対象を温度から熱交換量に変更するものである。
【0045】
気体の単位時間当りの重量である質量流量K(Kg/H)が測定可能な場合は、先ず熱交換器入口前の気体の初期圧力P0と初期温度T0とから(7)式を用いて算出した初期エンタルピH0と、(4)式を用いて求めた目標エンタルピH2を用いて、熱交換器で与えるべき単位時間当たりの熱量Qを(8)式で算出できる。
【0046】
H0= F( P0, T0 ) …(7)
Q =( H2 ― H0 )× K …(8)
この(8)式は、熱交換器であたえるべき熱量が、熱交換器に入力する前の気体圧力P0と気体温度T0を測定することによって、すでに求められることを示している。
【0047】
一般的に、物質の温度は熱の伝達により変化するものであるため、気体のような熱伝達率の小さい物質を対象とした温度制御においては時定数が大きく、応答性が良くない。したがって、気体温度が一定値に制御されるまでには、十分な時間が必要となる。
【0048】
しかしながら、このような場合でも(8)式により必要な熱交換量を定量化できるため、この所定の熱交換が行われるよう予め熱交換器を調節しておけば、温度制御の応答性をより一層高めることができる。
以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
図2は本発明に係る温度制御装置の第1の実施の形態を示す構成図である。先ず制御の対象となるプロセスについて説明する。
【0049】
気体燃料が流れる燃料ライン1にはこの気体燃料を加熱するための熱交換器12と気体燃料の圧力を調整するための減圧弁6が設置され、さらにこれらの設備を用いて温度制御を行うために必要なセンサである、加熱前温度計2、加熱前圧力計3、上流温度計4、上流圧力計5、下流温度計7、下流圧力計8および下流流量計9が設けられている。
【0050】
前記燃料ライン1を通流する気体燃料を加熱するための加熱ライン10には前記熱交換器12に供給する加熱流体の流量を調節する加熱流量調節弁14と、加熱流量制御を行うために必要とされるセンサである、熱交換器入口温度計11、熱交換器出口温度計13および加熱流量計15が設けられている。
【0051】
以上のように構成されるプラントの燃料気体温度を制御するため、本発明に係る気体温度制御装置20は、制御すべき圧力目標値を設定する下流圧力設定器21と第1の目標温度値を設定する下流温度設定器22、燃料気体の圧力を調節する下流圧力調節部23、エンタルピに関する計算を行って第2の目標温度値である上流温度目標値を算出するエンタルピ算出処理部24、前記上流温度目標値に基づいて加熱流量目標値を出力する上流温度調節部25、前記加熱流量目標値に従って加熱流量を制御する加熱流量調節部26によって構成されている。
【0052】
また、上記エンタルピ算出処理部24は、下流圧力目標値と下流温度目標値から目標エンタルピH2を計算するエンタルピ計算処理部24a、前記目標エンタルピH2と上流圧力測定値P1から上流温度目標値を算出する温度計算処理部24bで構成されている。
【0053】
次に、以上のような装置の動作について説明する。
【0054】
先ず、制御すべき気体燃料の圧力と温度の目標値を、下流圧力設定器21と下流温度設定器22を用いて設定する。この設定された下流圧力目標値P2に基づいて下流圧力調節部23は下流における制御対象の1つである圧力を所定値に制御する。
【0055】
これと並行して、エンタルピ算出処理部24においては、エンタルピ計算処理部24aが、設定入力された下流圧力目標値P2sと下流温度目標値T2sから目標エンタルピH2を計算し、また温度計算処理部24bが、この目標エンタルピH2と上流圧力P1から上流温度目標値T1sを計算する。
【0056】
エンタルピ算出処理部24における、目標エンタルピH2と上流温度目標値T1sの算出は以下の原理と方法に基づいて行われる。
【0057】
発明者らは圧力Pと温度TによってエンタルピHを求める算出方法について鋭意検討を重ねた。その結果、複数のガス組成からなる混合気体である気体燃料についても、単組成の気体に関する図1に示す線図とは形が異なるものの、(2)式と(3)式が成立する線図で表現できること、さらにその気体燃料の使用される温度と圧力範囲内では、エンタルピHは次の(9)式で近似的に表すことができることを見出した。
【0058】
H=A(P)×B(T) + C(P) …(9)
ここで、A、Cは圧力Pの関数、Bは温度Tの関数を表す。
【0059】
また、逆にこの(9)式を用いれば、温度TはエンタルピHと圧力Pとによって(10)式で表わされる。
【0060】
B(T)={H−C(P)}/A(P) …(10)
そして、B(T)が求まれば、その逆関数でTを求めることができる。
【0061】
図3に本装置において関数を表現する方法を示す。本装置においては、最大6点の登録ポイントを結んだ折れ線近似によって任意の関数を表現する、関数ブロックと呼ばれる機能を用いて、エンタルピHを求めるための関数A、B、Cについて関数機能を実現している。
【0062】
尚、関数ブロックではなく、図4に示す2次元テーブルを作成し、そのテーブルを参照して値を求めることもできる。このテーブルは圧力Pと温度TよりエンタルピHを求めるものであり、列方向には圧力Pのレンジを分割した値を格納し、行方向には温度Tのレンジを分割した値を格納した構成である。
【0063】
このテーブルを用いれば、例えば、圧力P2、温度T2のときのエンタルピの値は、図4においては対応した行列の交点の位置にあるH22として求めることができる。もし、圧力Pnと温度Tnがレンジを分割した値の中間にある場合、即ち(11)式の関係にある場合には、エンタルピHnは(12)式で求めることができる。
【0064】
P1< Pn < P2 、 T1< Tn < T2 …(11)
Hn=Ha+(Tn―T1)×(Hb―Ha)/(T2―T1) …(12)
ここで、Ha=H11+(Pn―P1)×(H21−H11)/(P2−P1)
Hb=H12+(Pn―P1)×(H22−H12)/(P2−P1)
図5に本発明に係る、エンタルピ計算処理部24aの構成を示す。
【0065】
この処理は、入力値に対応した所定の関数の値を出力する関数ブロックと、入力値同士を乗算して結果を出力する乗算ブロックと、複数の入力値を加算して結果を出力する加算ブロックによって構成している。
【0066】
図5において、下流圧力目標値P2は関数ブロック30と関数ブロック32に入力され、所定の関数Aに対応した値A(P2s)と、関数Cに対応した値C(P2s)とを算出する。また、下流温度目標値T2sは関数ブロック31に入力され、所定の関数Bに対応した値B(T2s)を算出する。
【0067】
続いて、値A(P2s)と値B(T2s)を乗算ブロック33により乗算した結果を、加算ブロック34で値C(P2s)と加算して目標エンタルピH2を算出する。
【0068】
以上の動作によって、エンタルピ処理部24aは(9)式に基づくエンタルピを算出している。
【0069】
図6に、温度計算処理部24bの構成を示す。
【0070】
この処理部は、入力値に対応した所定の関数の値を出力する関数ブロックと、入力値同士を減算して結果を出力する引算ブロックと、入力値同士を除算して結果を出力する除算ブロックによって構成している。
【0071】
図6において、上流圧力P1は関数ブロック30と関数ブロック32に入力され、所定の関数Aに対応した値A(P1)と、関数Cに対応した値C(P1)とを算出する。続いて、目標エンタルピH2から値C(P1)を減じた値が引算ブロック35で計算され、この結果と値A(P1)が除算ブロック36で除算されて上流温度目標値T1sの関数値B(T1s)が求められる。更に、この値B(T1s)は、関数Bの逆関数を出力するように構成された関数ブロック37に入力され、(10)式に基づく上流温度目標値T1sが算出される。
【0072】
以上説明した温度計算処理部24bの動作によって求められた上流温度目標値T1sを、図2に示す上流温度調節部25の設定値として入力する。上流温度調節部25では前記上流温度目標値T1sと測定値である上流温度T1との偏差を求め、この偏差に対応した制御信号FLsを加熱流量調節部26に入力する。加熱流量調節部26は加熱流体の流量FLの制御ループを構成するとともに、制御信号FLsに対応して加熱流量の目標値を変更するカスケード制御を行い、上流温度T1を応答性良く上流温度目標値T1sに制御する。
【0073】
尚、本制御系の構成においてカスケード制御を用いたのは温度制御の応答性を高めることを目的としたためであるが、応答性が特に必要とされない場合では、図7に示すように、加熱流量調節部26を省略し上流温度調節部25の出力で直接加熱流量調節弁14を制御するように構成しても良い。
【0074】
以上のように構成することにより、温度制御すべき制御対象位置を減圧弁後の位置から熱交換器直後の位置に変更できるため、温度制御上で問題とされる、気体が移動することに伴う遅れ時間の発生を最小限に抑え、簡便な構成によって精度よく制御することができる。
【0075】
また、本実施の形態では、熱交換器を流れる加熱流体を制御することにより気体燃料の温度を制御するよう構成しているが、加熱流体に替えて冷却流体を流すなどの冷却手段によって気体燃料の温度を制御しても良く、この場合にあっても本実施の形態と同様に構成された装置で実現することができる。
【0076】
次に、図8に本発明に係る温度制御装置の第2の実施の形態である制御ブロック図を示す。
【0077】
本実施の形態を説明するに、ここでは、その要部についてのみ述べ、図2に記載した第1の実施の形態と同じ構成部分については、再度の説明は行わず、以下の説明においては同一の番号を付して引用する。
【0078】
本実施の形態では、第1の実施の形態の制御装置に加えて、下流温度調節部27と加算器28が新たに設けられた構成である。
【0079】
下流温度調節部27には第1の目標温度値である下流温度目標値T2sと下流温度T2が入力され、その両信号の偏差に対応した制御信号を加算器28に出力する。加算器28ではエンタルピ算出処理部24で算出された第2の目標温度値である上流温度目標値に前記制御信号を加算した値を、第3の目標温度値である新たな上流温度目標値T1sとして上流温度調節部25に出力する。
【0080】
今、下流温度T2が設定値T2sよりも低い場合は、下流温度調節部27は正値の制御信号を出力するため、上流温度調節部25の設定値として与えられる上流温度目標値T1sは、エンタルピ算出処理部24の算出結果よりも大きな値となる。このため、加熱流量調節部26ではより多くの加熱流量を流すように加熱流量調節弁14の開度を調節する。
【0081】
下流温度T2が設定値T2sよりも高い場合は、前述の制御動作とは逆の働きによって、加熱流量調節部26ではより少ない加熱流量を流すように加熱流量調節弁14の開度を調節する。
【0082】
このように、本実施の形態では、上流温度調節部25の設定値T1sをエンタルピ算出処理部24の算出結果のみで決定するのではなく、下流温度T2によって補正するように構成している。
【0083】
以上のように構成することで、例えば、エンタルピ計算の精度が良くない場合、配管からの放熱量の季節変動、その他の要因により下流温度T2が必ずしも目標温度に一致しない場合にあっても、下流温度T2の値をフィードバックすることで目標温度に到達させることができる。
【0084】
また、本実施の形態では、熱交換器を流れる加熱流体を制御することにより気体燃料の温度を制御するよう構成しているが、加熱流体に替えて冷却流体を流すなどの冷却手段によって気体燃料の温度を制御しても良く、この場合にあっても本実施の形態と同様に構成された装置で実現することができる。
【0085】
次に、図9に本発明に係る気体温度制御装置の第3の実施の形態である制御ブロック図を示す。
【0086】
第3の実施の形態に係る気体温度制御装置40は、制御すべき目標値を設定する下流圧力設定器41と下流温度設定器42、燃料気体の圧力を調節する下流圧力調節部43、エンタルピに関する計算を行って加熱流量目標値を算出するエンタルピ算出処理部44、前記加熱流量目標値に従って加熱流量を制御する加熱流量調節部48によって主たる制御部分を構成している。
【0087】
さらに、前記制御性能を良くするために、下流温度設定器42の目標値に基づいて加熱流量補正値を出力する下流温度調節部46と加算器47を備えている。
【0088】
また、上記エンタルピ算出処理部44は、下流圧力目標値P2sと下流温度目標値T2sから第1のエンタルピである目標エンタルピH2を計算する目標エンタルピ計算処理部44a、加熱前圧力P0と加熱前温度T0から第2のエンタルピである初期エンタルピH0を計算する初期エンタルピ計算処理部44c、前記目標エンタルピH2と初期エンタルピH0等から熱交換すべき熱量を算出して第1の制御目標値である加熱流量目標値を出力する目標流量計算処理部44bで構成されている。
【0089】
次に、以上のような装置の動作について説明する。
【0090】
本、第3の実施の形態における気体温度制御の対象となるプロセスの構成は、図2を参照して説明した第1の実施の形態と同じ構成であるため、ここでは再度の説明は行わず、以下の説明において同一の番号を付して引用する。
【0091】
先ず、制御すべき気体燃料の圧力と温度の目標値を、下流圧力設定器41と下流温度設定器42を用いて設定する。この設定された下流圧力目標値P2sに基づいて下流圧力調節部43は下流における流体条件の1つである下流圧力P2を所定値に制御する。これと並行して、目標エンタルピ計算処理部44aは、設定入力された下流圧力目標値P2と下流温度目標値T2から目標エンタルピH2を計算し、一方、初期エンタルピ計算処理部44cは加熱前圧力P0と加熱前温度T0から初期エンタルピH0を計算する。これらのエンタルピの計算方法は、第1の実施の形態で説明した関数ブロックを用いて行う。
【0092】
続いて、目標流量計算処理部44bが熱交換器12に流すべき加熱流量目標値を算出するが、この計算方法について以下に説明する。
【0093】
初期エンタルピH0が熱交換器12によって熱量Qsを与えられて、目標エンタルピH2になると考えれば、(13)式が成立する。
【0094】
Qs=( H2 − H0 )× Fg …(13)
ここで、Fgは下流流量計9で測定した下流流量である。
【0095】
熱交換器によって与えられる熱量Qrは、熱交換器前後において加熱流体が失う熱量と考えられるので、
Qr=( T0 − T1 )× FL× CL …(14)
ここで、T0は熱交換器入口温度計11で測定した温度
T1は熱交換器出口温度計13で測定した温度
FLは加熱流量計15で測定した流量
CLは加熱流体の比熱
従って、QsとQrが等しくなるような加熱流体の流量目標値FLsは(15)式で表わされる。
【0096】
FLs=(H2−H0)× Fg/(T0−T1)/FL …(15)
図10に示す目標流量計算処理44bの構成を参照して、動作を説明する。
【0097】
先ず、目標エンタルピH2と初期エンタルピH0の減算を減算ブロック38aで計算し、続いて乗算ブロック38bで、下流流量Fgとの乗算を行い熱量Qsを算出する。減算器45の出力である、熱交換器入口温度T0と熱交換器出口温度T1の減算結果は、乗算ブロック38cに入力され、加熱流体比熱CLとの乗算を行う。この結果は、除算ブロック38dに入力し、前記演算結果であるQsとの除算を行い、第1の制御目標値である加熱流量目標値FLsを算出する。
【0098】
一方、下流温度目標値T2sと下流温度T2は下流温度調節部46に入力され、下流温度調節部46は両信号の偏差に対応した制御信号を加算器47に出力する。加算器47では第1の制御目標値である前記加熱流量目標値FLsに前記制御信号を加えた値を、第2の制御目標値である新たな加熱流量目標値FLaとして、加熱流量調節部48に出力する。加熱流量調節部48では、加熱流量目標値FLaと加熱流量FLの偏差に対応して、加熱流量調節弁14に制御信号を出力し、加熱流量を所定の値に制御する。
【0099】
以上のように構成することにより、気体燃料の加熱前の圧力・温度に基づいて熱交換器に流すべき加熱流体流量を予め決定できるため、気体燃料を所定温度に迅速に制御することができる。
【0100】
また、上記構成に加えて、下流温度T2に基づく補正をするように制御系を構成しているため、さらに下流温度を目標温度に精度良く制御することができる。
【0101】
更に、本第3の実施の形態においては、下流温度T2に基づいて補正を行うように構成してあるが、第1の実施の形態と同様に構成することによって、上流温度T1に基づいて補正を行うようにしても良い。
【0102】
尚、本実施の形態では、熱交換器を流れる加熱流体を制御することにより気体燃料の温度を制御するよう構成しているが、加熱流体に替えて冷却流体を流すなどの冷却手段によって気体燃料の温度を制御しても良く、この場合にあっても本実施の形態と同様に構成された装置で実現することができる。
さらに、本発明に記載した、等エンタルピ変化プロセスにおける温度等の制御方法に関わる技術は、熱交換器を使用しない、例えば、加熱流体と被加熱流体を混合させることで温度を制御する手段を有するプロセスについても適用することができるものである。
【0103】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、等エンタルピ変化プロセス通過前後の気体エンタルピが保存されることを利用して、温度制御すべき制御対象位置を減圧弁後の位置から熱交換器直後の位置に変更することが可能になるため、熱交換器と減圧弁が離れて配置されているような場合であっても温度制御上で問題とされる、気体が移動することに伴う遅れ時間の影響を最小限に抑えることが可能となり、安定した温度制御が可能となる。
【0104】
また、本発明は等エンタルピ変化プロセス通過前に必要な熱交換量を定量化できるため、予め熱交換を実施するように制御することができるため、フィードバック制御により温度制御を行う場合と比較して、温度制御の応答性をより向上することができる。
【0105】
さらに、本発明で用いるエンタルピ計算では、制御対象に関して複雑なモデル化を行ってそのモデルの特性変化を同定するなどの特別な処理が必要ないため、比較的単純な構成で装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】エンタルピH、圧力Pおよび温度Tの関係を模式的に示す図。
【図2】本発明の気体温度制御装置の第1の実施の形態を示す構成図。
【図3】本発明の気体温度制御装置において関数を折線近似で示す図。
【図4】本発明の気体温度制御装置において関数を温度と圧力のテーブルで示す図。
【図5】本発明の気体温度制御装置におけるエンタルピ計算処理部の構成を示す図。
【図6】本発明の気体温度制御装置における温度計算処理部の構成を示す図。
【図7】本発明の気体温度制御装置の第1の実施の形態の変形例を示す構成図。
【図8】本発明の気体温度制御装置の第2の実施の形態を示す構成図。
【図9】本発明の気体温度制御装置の第3の実施の形態を示す構成図。
【図10】本発明の気体温度制御装置における目標流量計算処理部の構成を示す図。
【図11】従来の気体温度制御装置の構成図。
【符号の説明】
1…燃料ライン
2…加熱前温度計
3…加熱前圧力計
4…上流温度計
5…上流圧力計
6…減圧弁
7…下流温度計
8…下流圧力計
9…下流流量計
10…加熱ライン
12…熱交換器
15…加熱流量計
20…気体温度制御装置
21…下流圧力設定器
22…下流温度設定器
23…下流圧力調節部
24…エンタルピ算出処理部
24a…エンタルピ計算処理部
24b…温度計算処理部
25…上流温度調節部
26…加熱流量調節部
27…下流温度調節部
28…加算器
40…気体温度制御装置
41…下流圧力設定器
42…下流温度設定器
43…下流圧力調節部
44…エンタルピ算出処理部
44a…目標エンタルピ計算処理部
44b…目標流量計算処理部
44c…初期エンタルピ計算処理部
46…下流温度調節部
48…加熱流量調節部
51…気体燃料
52…減圧弁
53…温度計
55…温度制御装置
57…流量制御弁
58…熱交換器
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a gas temperature control device for controlling a gas temperature in a process without enthalpy change.
[0002]
[Prior art]
In a plant that burns with gaseous fuel and uses the energy to operate equipment, it is necessary to maintain the fuel flow rate, fuel pressure, and fuel temperature at predetermined values in order to obtain a stable combustion state. It is a condition. For this reason, fuel lines are usually equipped with equipment for controlling these values. Among these, the pressure reducing equipment for controlling the fuel pressure to a predetermined value controls the gas flow rate by controlling the opening of the pressure reducing valve, and lowers the downstream pressure to maintain a constant value. is there.
[0003]
In general, when gas passes through the pressure reducing process, it undergoes adiabatic expansion, so that the temperature of the gas decreases after passing through the pressure reducing valve. In particular, when the pressure change after depressurization is large, this temperature decrease is also large. Therefore, in a plant where such a temperature decrease becomes a problem, the gas is preheated before passing through the pressure reducing valve. The gas temperature after depressurization is compensated, and the temperature is controlled to be a predetermined temperature after depressurization.
[0004]
FIG. 11 is a configuration diagram for explaining a conventional temperature control method.
[0005]
This control method will be described with reference to the drawings.
[0006]
The gaseous fuel 51 flowing through the fuel line is depressurized by a pressure reducing valve 52 via a heat exchanger 58 and then its temperature is measured by a thermometer 53. The temperature measurement value 54 is input to the temperature control device 55 and compared with the temperature set value 56. When the temperature measurement value 54 is higher than the temperature set value 56, the temperature control device 55 reduces the flow rate of the heating fluid 59 flowing through the heat exchanger 58 by reducing the opening degree of the flow control valve 57, and the amount of heat exchanged. Decrease the temperature of the gaseous fuel 51. On the other hand, when the temperature measurement value 54 is lower than the temperature set value 56, the temperature control device 55 opens the flow control valve 57 and exchanges it by increasing the flow rate of the heating fluid 59 flowing through the heat exchanger 58. The amount of heat generated is increased, and the temperature of the gaseous fuel 51 is increased.
[0007]
As described above, the measurement value by the thermometer is fed back, and the heating flow rate of the heat exchanger is PID controlled by the temperature control device 55 to control the gaseous fuel.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, when constructing a plant, there are restrictions on the space that can be used, so the installation location of the heat exchanger for gas heating and the installation location of the pressure reducing valve may be greatly separated. In this case, it has been difficult to accurately control the temperature by the conventional method. The reason why this control becomes unstable is that the delay time until the gas heated by the heat exchanger reaches the position of the thermometer downstream of the pressure reducing valve increases and changes.
[0009]
That is, when the flow rate of gaseous fuel is large, the flow rate is fast, so that the delay time is relatively small and stable in terms of control. Since it becomes large, the problem that control becomes unstable arises. This instability of control is because the delay time included in the control system is large, and furthermore, this delay time is not constant but varies depending on the driving situation. Therefore, controlling such objects with a controller based on a single PID constant as described in the prior art is inherently limited.
[0010]
As a method for controlling the process in which the control characteristic of the target changes, a method using modeling is known. This method models an object, predicts a state quantity to be controlled based on the model, and determines an operation amount based on the predicted value.
[0011]
However, this method is based on the premise that the target is properly modeled, but it is generally difficult to obtain accurate information about the target. There are many difficulties. In addition, even when accurate information is available, a means for obtaining an accurate state quantity from an object that changes from time to time is provided, and an appropriate control parameter is determined in accordance with the state quantity to determine the controller. If processing for changing parameters is performed, it is inevitable that the control device becomes complicated.
[0012]
The present invention has been made in view of such problems of the prior art, and is relatively simple control even when the distance between the heat exchanger and the pressure reducing valve is large and the gas flow rate is slow. An object of the present invention is to provide a gas temperature control device capable of stable temperature control by a system.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
To solve the above problems The gas temperature control device according to the present invention is a gas temperature control device in a pipeline comprising a heat exchange facility for heating or cooling a gas, and an enthalpy change process disposed downstream of the heat exchange facility. A target enthalpy possessed by the gas after passing through the process is calculated from means for setting and inputting the target pressure value and first target temperature value of the gas after passing through the process, and the target pressure value and the first target temperature value. Enthalpy calculating means, the target enthalpy, and temperature calculating means for calculating a second target temperature value of the gas before passing through the process from the actual gas pressure value at the position after passing through the heat exchange equipment before passing through the process; The second target temperature value is corrected from the actual gas temperature value after passing through the process and the first target temperature value before passing through the process. And temperature calculation means for calculating a third target temperature value, as the gas temperature is the third target temperature before the process passes is a configuration and means for controlling the heat exchange equipment.
[0016]
With the configuration as described above, even if the environment is such that the temperature of the gas to be controlled does not necessarily match the target temperature, the target temperature can be controlled.
[0019]
Furthermore, the gas temperature control device of the present invention is a gas temperature control device in a pipeline comprising a heat exchange facility for heating or cooling a gas, and an equal enthalpy change process disposed downstream of the heat exchange facility. Means for setting and inputting a target pressure value and a target temperature value of the gas after passing through the process; and a first enthalpy calculating means for calculating a target enthalpy possessed by the gas after passing through the process from the target pressure value and the target temperature value; A second enthalpy calculating means for calculating an initial enthalpy possessed by the gas from a gas pressure actual value and a gas temperature actual value before passing through the heat exchange equipment, and passing through the target enthalpy, the initial enthalpy and the process. Means for calculating the amount of heat to be exchanged in the heat exchange facility from the mass flow rate of gas, and the amount of heat to be exchanged From the means for calculating the first control target value of the heat exchange equipment to be given to the gas, the actual gas temperature value after passing through the process and the target temperature value, the first control target value of the heat exchange equipment And a means for calculating a second control target value of the heat exchange facility and a means for controlling the heat exchange facility based on the second control target value.
[0020]
By configuring in this way, the gas temperature can be controlled to the target value even in an environment where the temperature of the gas to be controlled does not necessarily match the target temperature.
[0021]
Furthermore, the gas temperature control apparatus according to the present invention is configured to be applicable in a process for reducing the gas pressure.
[0022]
With this configuration, it can be widely applied in many pipelines.
[0023]
Moreover, the gas temperature control apparatus according to the present invention is configured such that the means for controlling the heat exchange facility controls the flow rate of the heat exchange medium used in the heat exchange facility.
[0024]
By comprising in this way, it can control reliably using a general heat exchange installation.
[0025]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Prior to the description of the embodiments of the present invention, the principle of the present invention will be described.
[0026]
In general, the enthalpy of a substance is represented by the formula (1).
[0027]
H = U + PV (1)
Here, H is enthalpy, U is internal energy, P is pressure, and V is volume.
[0028]
If the equation (1) is applied to a gas, the internal energy U of the gas can be expressed by a function having the temperature T as a parameter. Therefore, the enthalpy H of the gas is 3 of the gas pressure P, volume V, and temperature T. Will be described by two variables.
[0029]
On the other hand, it has been confirmed for real gases that three variables of pressure P, volume V, and temperature T are connected to each other by various approximate relational expressions in various empirical equation of state. Therefore, when this equation of state is used, one of the three variables can be expressed by the remaining two variables. Eventually, the enthalpy H of the gas is the pressure P, volume V, and temperature T. It can be approximately represented by two of the variables.
[0030]
This is apparent from the diagram described in “Chemical Thermodynamic Diagram” by Toru Hara, Chemical Industry Co., Ltd., published in 1970. This document contains a diagram representing the enthalpy of a certain gas by pressure and temperature.
[0031]
FIG. 1 is a diagram schematically showing the relationship among enthalpy H, pressure P, and temperature T based on the diagram described in the prior art document.
[0032]
In this figure, the vertical axis represents pressure P, the horizontal axis represents enthalpy H, and temperature T is expressed as a parameter. It can be seen from this figure that the enthalpy is H1 when the pressure is P1 and the temperature is T1, and that the enthalpy is H2 when the pressure is P1 and the temperature is T2.
[0033]
Therefore, the relationship can be expressed by equation (2) using the function F.
[0034]
H = F (P, T) (2)
Furthermore, contrary to the above relationship, if the enthalpy H and the pressure P are determined, the temperature T can be uniquely determined.
[0035]
This relationship can be expressed by equation (3) using the function G.
[0036]
T = G (H, P) (3)
Consider the case where gas flows through a porous material or valve. If the change in kinetic energy of the flow is negligibly small, the change in enthalpy of the flow is zero. That is, when passing through a process without heat exchange with the surroundings, the gas enthalpy (thermodynamic energy) before and after passing through the process is preserved. Such a process is called an isoenthalpy change process.
[0037]
The present invention performs temperature control downstream of the pressure reducing valve, which is an isenthalpy change process, using the above-described relationship, and the control method is based on the following two concepts.
[0038]
The control method based on the first idea is to change the position to be controlled for temperature control.
[0039]
The target enthalpy H2 is calculated from the target pressure P2s of the gas after passing through the pressure reducing valve and the target temperature T2s by the equation (4).
[0040]
H2 = F (P2s, T2s) (4)
On the other hand, since the pressure reducing valve is an isoenthalpy changing process, the gas enthalpy is preserved before and after passing through the pressure reducing valve. Therefore, the gas temperature target value T1s before passing through the pressure reducing valve can be obtained by the equation (5) using the gas pressure measured value P1 before passing through the pressure reducing valve and the target enthalpy H2.
[0041]
T1s = G (H2, P1) (5)
By substituting equation (4) into equation (5), equation (6) is obtained.
[0042]
T1s = G (F (P2s, T2s), P1) (6)
As a result, it is shown that the temperature after passing through the pressure reducing valve can be controlled to the target temperature, for example, by controlling the temperature immediately after the heat exchanger with the gas temperature target value obtained by the equation (6).
[0043]
For this reason, it becomes possible to change the control target position to be temperature controlled from the position after the pressure reducing valve to the position immediately after the heat exchanger, and the delay time associated with the movement of gas, which is a problem in temperature control. Can be minimized.
[0044]
The control method based on the second idea is to change the control object from temperature to heat exchange amount.
[0045]
When the mass flow rate K (Kg / H), which is the weight per unit time of the gas, can be measured, first calculate from the initial pressure P0 and initial temperature T0 of the gas before the heat exchanger inlet using the equation (7) Using the initial enthalpy H0 and the target enthalpy H2 obtained using the equation (4), the heat quantity Q per unit time to be given by the heat exchanger can be calculated by the equation (8).
[0046]
H0 = F (P0, T0) (7)
Q = (H2-H0) x K (8)
This equation (8) indicates that the amount of heat to be given by the heat exchanger has already been obtained by measuring the gas pressure P0 and the gas temperature T0 before being input to the heat exchanger.
[0047]
In general, since the temperature of a substance changes due to heat transfer, the temperature control for a substance having a low heat transfer coefficient such as gas has a large time constant and is not responsive. Therefore, sufficient time is required until the gas temperature is controlled to a constant value.
[0048]
However, even in such a case, since the necessary heat exchange amount can be quantified by the equation (8), if the heat exchanger is adjusted in advance so that the predetermined heat exchange is performed, the responsiveness of the temperature control is further improved. It can be further enhanced.
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 2 is a block diagram showing a first embodiment of the temperature control apparatus according to the present invention. First, a process to be controlled will be described.
[0049]
In the fuel line 1 through which the gaseous fuel flows, a heat exchanger 12 for heating the gaseous fuel and a pressure reducing valve 6 for adjusting the pressure of the gaseous fuel are installed, and temperature control is performed using these facilities. The pre-heating thermometer 2, the pre-heating pressure gauge 3, the upstream thermometer 4, the upstream pressure gauge 5, the downstream thermometer 7, the downstream pressure gauge 8, and the downstream flow meter 9 are provided.
[0050]
The heating line 10 for heating the gaseous fuel flowing through the fuel line 1 is necessary to control the heating flow rate control valve 14 for adjusting the flow rate of the heating fluid supplied to the heat exchanger 12 and the heating flow rate control. A heat exchanger inlet thermometer 11, a heat exchanger outlet thermometer 13, and a heating flow meter 15 are provided.
[0051]
In order to control the fuel gas temperature of the plant configured as described above, the gas temperature control device 20 according to the present invention sets the downstream pressure setter 21 for setting the pressure target value to be controlled and the first target temperature value. A downstream temperature setter 22 for setting, a downstream pressure adjusting unit 23 for adjusting the pressure of the fuel gas, an enthalpy calculation processing unit 24 for calculating an upstream temperature target value which is a second target temperature value by performing calculations related to enthalpy, and the upstream An upstream temperature adjustment unit 25 that outputs a heating flow rate target value based on the temperature target value and a heating flow rate adjustment unit 26 that controls the heating flow rate according to the heating flow rate target value are configured.
[0052]
The enthalpy calculation processing unit 24 calculates an enthalpy calculation processing unit 24a that calculates a target enthalpy H2 from the downstream pressure target value and the downstream temperature target value, and calculates an upstream temperature target value from the target enthalpy H2 and the upstream pressure measurement value P1. It is comprised by the temperature calculation process part 24b.
[0053]
Next, the operation of the above apparatus will be described.
[0054]
First, the target values of the pressure and temperature of the gaseous fuel to be controlled are set using the downstream pressure setting device 21 and the downstream temperature setting device 22. Based on the set downstream pressure target value P2, the downstream pressure adjusting unit 23 controls the pressure, which is one of the downstream control targets, to a predetermined value.
[0055]
In parallel with this, in the enthalpy calculation processing unit 24, the enthalpy calculation processing unit 24a calculates the target enthalpy H2 from the set downstream pressure target value P2s and the downstream temperature target value T2s, and the temperature calculation processing unit 24b. However, the upstream temperature target value T1s is calculated from the target enthalpy H2 and the upstream pressure P1.
[0056]
The calculation of the target enthalpy H2 and the upstream temperature target value T1s in the enthalpy calculation processing unit 24 is performed based on the following principle and method.
[0057]
The inventors made extensive studies on a calculation method for obtaining enthalpy H by pressure P and temperature T. As a result, the gas fuel, which is a mixed gas composed of a plurality of gas compositions, is different from the diagram shown in FIG. 1 relating to a single-composition gas, but is a diagram in which equations (2) and (3) are established. It was also found that enthalpy H can be expressed approximately by the following equation (9) within the temperature and pressure range in which the gaseous fuel is used.
[0058]
H = A (P) × B (T) + C (P) (9)
Here, A and C represent a function of the pressure P, and B represents a function of the temperature T.
[0059]
On the other hand, if the equation (9) is used, the temperature T is expressed by the equation (10) by the enthalpy H and the pressure P.
[0060]
B (T) = {HC (P)} / A (P) (10)
If B (T) is obtained, T can be obtained by its inverse function.
[0061]
FIG. 3 shows a method for expressing a function in this apparatus. In this device, function functions are realized for functions A, B, and C for obtaining enthalpy H by using a function called a function block that expresses an arbitrary function by broken line approximation connecting up to six registered points. is doing.
[0062]
In addition, instead of the function block, a two-dimensional table shown in FIG. 4 can be created and values can be obtained by referring to the table. This table obtains the enthalpy H from the pressure P and the temperature T, and stores the value obtained by dividing the range of the pressure P in the column direction and stores the value obtained by dividing the range of the temperature T in the row direction. is there.
[0063]
Using this table, for example, the value of enthalpy at pressure P2 and temperature T2 can be obtained as H22 at the intersection of the corresponding matrix in FIG. If the pressure Pn and the temperature Tn are in the middle of the values obtained by dividing the range, that is, in the relation of the expression (11), the enthalpy Hn can be obtained by the expression (12).
[0064]
P1 <Pn <P2, T1 <Tn <T2 (11)
Hn = Ha + (Tn−T1) × (Hb−Ha) / (T2−T1) (12)
Here, Ha = H11 + (Pn−P1) × (H21−H11) / (P2−P1)
Hb = H12 + (Pn−P1) × (H22−H12) / (P2−P1)
FIG. 5 shows a configuration of the enthalpy calculation processing unit 24a according to the present invention.
[0065]
This process consists of a function block that outputs a value of a predetermined function corresponding to the input value, a multiplication block that multiplies the input values and outputs the result, and an addition block that adds a plurality of input values and outputs the result It is composed by.
[0066]
In FIG. 5, the downstream pressure target value P2 is input to the function block 30 and the function block 32, and a value A (P2s) corresponding to a predetermined function A and a value C (P2s) corresponding to the function C are calculated. Further, the downstream temperature target value T2s is input to the function block 31, and a value B (T2s) corresponding to a predetermined function B is calculated.
[0067]
Subsequently, the result obtained by multiplying the value A (P2s) and the value B (T2s) by the multiplication block 33 is added to the value C (P2s) by the addition block 34 to calculate the target enthalpy H2.
[0068]
With the above operation, the enthalpy processing unit 24a calculates the enthalpy based on the equation (9).
[0069]
FIG. 6 shows the configuration of the temperature calculation processing unit 24b.
[0070]
This processing unit is a function block that outputs a value of a predetermined function corresponding to an input value, a subtraction block that subtracts the input values and outputs a result, and a division that divides the input values and outputs the result It consists of blocks.
[0071]
In FIG. 6, the upstream pressure P1 is input to the function block 30 and the function block 32, and a value A (P1) corresponding to a predetermined function A and a value C (P1) corresponding to the function C are calculated. Subsequently, a value obtained by subtracting the value C (P1) from the target enthalpy H2 is calculated by the subtraction block 35, and this result and the value A (P1) are divided by the division block 36 to obtain the function value B of the upstream temperature target value T1s. (T1s) is obtained. Further, this value B (T1s) is input to a function block 37 configured to output an inverse function of the function B, and an upstream temperature target value T1s based on the equation (10) is calculated.
[0072]
The upstream temperature target value T1s obtained by the operation of the temperature calculation processing unit 24b described above is input as a set value of the upstream temperature adjustment unit 25 shown in FIG. The upstream temperature adjustment unit 25 obtains a deviation between the upstream temperature target value T1s and the measured upstream temperature T1, and inputs a control signal FLs corresponding to the deviation to the heating flow rate adjustment unit 26. The heating flow rate adjusting unit 26 constitutes a control loop for the heating fluid flow rate FL, and performs cascade control for changing the heating flow rate target value in response to the control signal FLs, so that the upstream temperature T1 has a high response to the upstream temperature target value. Control to T1s.
[0073]
The reason why cascade control is used in the configuration of this control system is to increase the responsiveness of temperature control. However, when the responsiveness is not particularly required, as shown in FIG. The adjusting unit 26 may be omitted, and the heating flow rate adjusting valve 14 may be directly controlled by the output of the upstream temperature adjusting unit 25.
[0074]
By configuring as described above, the control target position to be temperature-controlled can be changed from the position after the pressure reducing valve to the position immediately after the heat exchanger, which is accompanied by the movement of gas, which is a problem in temperature control. The generation of the delay time can be minimized, and the control can be performed with high accuracy by a simple configuration.
[0075]
In the present embodiment, the temperature of the gaseous fuel is controlled by controlling the heating fluid flowing through the heat exchanger. However, the gaseous fuel is cooled by cooling means such as flowing a cooling fluid instead of the heating fluid. In this case, the temperature can be controlled by an apparatus configured in the same manner as in this embodiment.
[0076]
Next, FIG. 8 shows a control block diagram as a second embodiment of the temperature control apparatus according to the present invention.
[0077]
To describe the present embodiment, only the main part will be described here, and the same components as those of the first embodiment described in FIG. 2 will not be described again. Quote with the number.
[0078]
In the present embodiment, in addition to the control device of the first embodiment, a downstream temperature adjustment unit 27 and an adder 28 are newly provided.
[0079]
A downstream temperature target value T2s and a downstream temperature T2, which are first target temperature values, are input to the downstream temperature adjusting unit 27, and a control signal corresponding to the deviation between the two signals is output to the adder 28. In the adder 28, a value obtained by adding the control signal to the upstream temperature target value that is the second target temperature value calculated by the enthalpy calculation processing unit 24 is used as a new upstream temperature target value T1s that is the third target temperature value. To the upstream temperature control unit 25.
[0080]
If the downstream temperature T2 is lower than the set value T2s, the downstream temperature adjustment unit 27 outputs a positive control signal. Therefore, the upstream temperature target value T1s given as the set value of the upstream temperature adjustment unit 25 is enthalpy. The value is larger than the calculation result of the calculation processing unit 24. For this reason, the heating flow rate adjusting unit 26 adjusts the opening degree of the heating flow rate adjusting valve 14 so that a larger heating flow rate flows.
[0081]
When the downstream temperature T2 is higher than the set value T2s, the heating flow rate adjusting unit 26 adjusts the opening degree of the heating flow rate adjusting valve 14 so that a smaller heating flow rate flows by the reverse operation of the control operation described above.
[0082]
As described above, in the present embodiment, the set value T1s of the upstream temperature adjustment unit 25 is not determined only by the calculation result of the enthalpy calculation processing unit 24, but is corrected by the downstream temperature T2.
[0083]
By configuring as described above, for example, when the accuracy of enthalpy calculation is not good, even when the downstream temperature T2 does not necessarily match the target temperature due to seasonal fluctuations in the amount of heat released from the piping, or other factors, the downstream The target temperature can be reached by feeding back the value of the temperature T2.
[0084]
In the present embodiment, the temperature of the gaseous fuel is controlled by controlling the heating fluid flowing through the heat exchanger. However, the gaseous fuel is cooled by cooling means such as flowing a cooling fluid instead of the heating fluid. In this case, the temperature can be controlled by an apparatus configured in the same manner as in this embodiment.
[0085]
Next, FIG. 9 shows a control block diagram which is a third embodiment of the gas temperature control apparatus according to the present invention.
[0086]
The gas temperature control device 40 according to the third embodiment relates to a downstream pressure setting device 41 and a downstream temperature setting device 42 for setting a target value to be controlled, a downstream pressure adjusting unit 43 for adjusting the pressure of the fuel gas, and enthalpy. An enthalpy calculation processing unit 44 that performs calculation to calculate a heating flow rate target value and a heating flow rate adjustment unit 48 that controls the heating flow rate according to the heating flow rate target value constitute main control parts.
[0087]
Further, in order to improve the control performance, a downstream temperature adjusting unit 46 and an adder 47 for outputting a heating flow rate correction value based on the target value of the downstream temperature setting unit 42 are provided.
[0088]
The enthalpy calculation processing unit 44 is a target enthalpy calculation processing unit 44a that calculates a target enthalpy H2 that is a first enthalpy from the downstream pressure target value P2s and the downstream temperature target value T2s, a preheating pressure P0, and a preheating temperature T0. The initial enthalpy calculation processing unit 44c for calculating the initial enthalpy H0, which is the second enthalpy, calculates the amount of heat to be exchanged from the target enthalpy H2 and the initial enthalpy H0, etc., and the heating flow rate target which is the first control target value The target flow rate calculation processing unit 44b outputs a value.
[0089]
Next, the operation of the above apparatus will be described.
[0090]
The configuration of the process that is the object of gas temperature control in the third and third embodiments is the same as that of the first embodiment described with reference to FIG. 2 and therefore will not be described again here. In the following description, the same numbers are used for reference.
[0091]
First, the target values of the pressure and temperature of the gaseous fuel to be controlled are set using the downstream pressure setting device 41 and the downstream temperature setting device 42. Based on the set downstream pressure target value P2s, the downstream pressure adjustment unit 43 controls the downstream pressure P2, which is one of the downstream fluid conditions, to a predetermined value. In parallel with this, the target enthalpy calculation processing unit 44a calculates the target enthalpy H2 from the set downstream input pressure value P2 and the downstream temperature target value T2, while the initial enthalpy calculation processing unit 44c calculates the pre-heating pressure P0. And the initial enthalpy H0 is calculated from the temperature T0 before heating. These enthalpy calculation methods are performed using the function blocks described in the first embodiment.
[0092]
Subsequently, the target flow rate calculation processing unit 44b calculates a heating flow rate target value to be passed through the heat exchanger 12, and this calculation method will be described below.
[0093]
If it is considered that the initial enthalpy H0 is given the heat quantity Qs by the heat exchanger 12 and becomes the target enthalpy H2, equation (13) is established.
[0094]
Qs = (H2-H0) * Fg (13)
Here, Fg is the downstream flow rate measured by the downstream flow meter 9.
[0095]
The amount of heat Qr given by the heat exchanger is considered to be the amount of heat lost by the heating fluid before and after the heat exchanger.
Qr = (T0−T1) × FL × CL (14)
Here, T0 is the temperature measured by the heat exchanger inlet thermometer 11.
T1 is the temperature measured by the heat exchanger outlet thermometer 13
FL is a flow rate measured by the heating flow meter 15.
CL is the specific heat of the heating fluid
Therefore, the flow target value FLs of the heated fluid so that Qs and Qr are equal is expressed by equation (15).
[0096]
FLs = (H2−H0) × Fg / (T0−T1) / FL (15)
The operation will be described with reference to the configuration of the target flow rate calculation process 44b shown in FIG.
[0097]
First, the subtraction between the target enthalpy H2 and the initial enthalpy H0 is calculated by the subtraction block 38a, and then the multiplication block 38b is multiplied by the downstream flow rate Fg to calculate the heat quantity Qs. The subtraction result of the heat exchanger inlet temperature T0 and the heat exchanger outlet temperature T1, which is the output of the subtractor 45, is input to the multiplication block 38c and multiplied by the heating fluid specific heat CL. This result is input to the division block 38d, and is divided by Qs that is the calculation result to calculate the heating flow rate target value FLs that is the first control target value.
[0098]
On the other hand, the downstream temperature target value T2s and the downstream temperature T2 are input to the downstream temperature adjustment unit 46, and the downstream temperature adjustment unit 46 outputs a control signal corresponding to the deviation between both signals to the adder 47. In the adder 47, a value obtained by adding the control signal to the heating flow rate target value FLs that is the first control target value is used as a new heating flow rate target value FLa that is the second control target value. Output to. The heating flow rate adjusting unit 48 outputs a control signal to the heating flow rate adjusting valve 14 corresponding to the deviation between the heating flow rate target value FLa and the heating flow rate FL, and controls the heating flow rate to a predetermined value.
[0099]
By configuring as described above, the flow rate of the heating fluid to be flowed to the heat exchanger can be determined in advance based on the pressure and temperature before heating the gaseous fuel, so that the gaseous fuel can be quickly controlled to a predetermined temperature.
[0100]
In addition to the above configuration, since the control system is configured to perform correction based on the downstream temperature T2, the downstream temperature can be further accurately controlled to the target temperature.
[0101]
Further, in the third embodiment, the correction is made based on the downstream temperature T2, but the correction is made based on the upstream temperature T1 by configuring the same as in the first embodiment. May be performed.
[0102]
In this embodiment, the temperature of the gaseous fuel is controlled by controlling the heated fluid flowing through the heat exchanger. However, the gaseous fuel is cooled by cooling means such as flowing a cooling fluid instead of the heated fluid. In this case, the temperature can be controlled by an apparatus configured in the same manner as in this embodiment.
Furthermore, the technology related to the method for controlling the temperature in the isoenthalpy change process described in the present invention does not use a heat exchanger, for example, has a means for controlling the temperature by mixing the heated fluid and the fluid to be heated. It can also be applied to processes.
[0103]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, by utilizing the fact that the gas enthalpy before and after passing through the isoenthalpy change process is stored, the position to be controlled should be controlled from the position after the pressure reducing valve to the position immediately after the heat exchanger. Since it is possible to change the position, the delay time associated with the movement of the gas, which is a problem in temperature control even when the heat exchanger and the pressure reducing valve are arranged apart from each other, is considered. The influence can be minimized and stable temperature control becomes possible.
[0104]
In addition, since the present invention can quantify the amount of heat exchange required before passing through the isoenthalpy change process, it can be controlled to carry out heat exchange in advance, so compared to the case where temperature control is performed by feedback control. In addition, the responsiveness of temperature control can be further improved.
[0105]
Furthermore, the enthalpy calculation used in the present invention does not require special processing such as performing complicated modeling on the controlled object and identifying characteristic changes of the model, so that the apparatus can be realized with a relatively simple configuration. it can.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram schematically showing the relationship between enthalpy H, pressure P, and temperature T. FIG.
FIG. 2 is a configuration diagram showing a first embodiment of a gas temperature control device of the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing a function in a polygonal line approximation in the gas temperature control device of the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing functions in a temperature and pressure table in the gas temperature control apparatus of the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing a configuration of an enthalpy calculation processing unit in the gas temperature control device of the present invention.
FIG. 6 is a diagram showing a configuration of a temperature calculation processing unit in the gas temperature control device of the present invention.
FIG. 7 is a configuration diagram showing a modification of the first embodiment of the gas temperature control device of the present invention.
FIG. 8 is a configuration diagram showing a second embodiment of the gas temperature control device of the present invention.
FIG. 9 is a configuration diagram showing a third embodiment of the gas temperature control device of the present invention.
FIG. 10 is a diagram showing a configuration of a target flow rate calculation processing unit in the gas temperature control device of the present invention.
FIG. 11 is a configuration diagram of a conventional gas temperature control device.
[Explanation of symbols]
1 ... Fuel line
2 ... Thermometer before heating
3. Pressure gauge before heating
4 ... Upstream thermometer
5 ... Upstream pressure gauge
6 ... Pressure reducing valve
7. Downstream thermometer
8 ... Downstream pressure gauge
9 ... Downstream flow meter
10 ... Heating line
12 ... Heat exchanger
15 ... Heating flow meter
20 ... Gas temperature control device
21 ... Downstream pressure setting device
22 ... Downstream temperature setter
23 ... Downstream pressure adjustment unit
24. Enthalpy calculation processing unit
24a ... enthalpy calculation processing unit
24b ... Temperature calculation processing unit
25 ... Upstream temperature control section
26 ... Heating flow rate control unit
27 ... Downstream temperature control unit
28 ... Adder
40. Gas temperature control device
41 ... Downstream pressure setting device
42 ... Downstream temperature setting device
43. Downstream pressure adjustment unit
44. Enthalpy calculation processing unit
44a ... Target enthalpy calculation processing unit
44b ... Target flow rate calculation processing unit
44c ... Initial enthalpy calculation processing section
46. Downstream temperature control unit
48 ... Heating flow rate control unit
51 ... Gaseous fuel
52. Pressure reducing valve
53 ... Thermometer
55 ... Temperature control device
57 ... Flow control valve
58 ... Heat exchanger

Claims (4)

気体を加熱もしくは冷却する熱交換設備と、前記熱交換設備の後流に配置された等エンタルピ変化プロセスを備えたパイプラインにおける気体温度制御装置において、
前記プロセス通過後における気体の目標圧力値と第1の目標温度値を設定入力する手段と、
前記目標圧力値と第1の目標温度値から、前記プロセス通過後の気体が保有する目標エンタルピを算出するエンタルピ算出手段と、
前記目標エンタルピと、前記プロセス通過前で前記熱交換設備通過後の位置の気体圧力実績値から、前記プロセス通過前における気体の第2の目標温度値を算出する温度計算手段と、
前記プロセス通過後の気体温度実績値と前記第1の目標温度値から、前記第2の目標温度値を補正して前記プロセス通過前における第3の目標温度値を算出する温度算出手段と、
前記プロセス通過前における気体温度が前記第3の目標温度値となるように、前記熱交換設備を制御する手段と
を備えたことを特徴とする気体温度制御装置。
In a gas temperature control device in a pipeline comprising a heat exchange facility for heating or cooling gas, and an isenthalpy change process arranged downstream of the heat exchange facility,
Means for setting and inputting a target pressure value of the gas after passing through the process and a first target temperature value;
Enthalpy calculating means for calculating a target enthalpy possessed by the gas after passing through the process from the target pressure value and the first target temperature value;
A temperature calculation means for calculating a second target temperature value of the gas before passing through the process from the target enthalpy and the gas pressure actual value at a position after passing through the heat exchange facility before passing through the process;
A temperature calculating means for correcting the second target temperature value from the gas temperature actual value after the process and the first target temperature value to calculate a third target temperature value before the process;
A gas temperature control apparatus comprising: means for controlling the heat exchange facility so that the gas temperature before passing through the process becomes the third target temperature value.
気体を加熱もしくは冷却する熱交換設備と、前記熱交換設備の後流に配置された等エンタルピ変化プロセスを備えたパイプラインにおける気体温度制御装置において、
前記プロセス通過後における気体の目標圧力値と目標温度値を設定入力する手段と、
前記目標圧力値と目標温度値から前記プロセス通過後の気体が保有する目標エンタルピを算出する第1のエンタルピ算出手段と、
前記熱交換設備通過前の気体圧力実績値と気体温度実績値から、前記気体が保有する初期エンタルピを算出する第2のエンタルピ算出手段と、
前記目標エンタルピ、前記初期エンタルピおよび前記プロセスを通過する気体の質量流量から前記熱交換設備において熱交換すべき熱量を算出してその熱量が気体に与えられるように前記熱交換設備の第1の制御目標値を算出する手段と、
前記プロセス通過後の気体温度実績値と前記目標温度値から、前記熱交換設備の第1の制御目標値を補正して前記熱交換設備の第2の制御目標値を算出する手段と、
前記第2の制御目標値に基づいて前記熱交換設備を制御する手段と
を備えたことを特徴とする気体温度制御装置。
In a gas temperature control device in a pipeline comprising a heat exchange facility for heating or cooling gas, and an isenthalpy change process arranged downstream of the heat exchange facility,
Means for setting and inputting a target pressure value and a target temperature value of the gas after passing through the process;
First enthalpy calculating means for calculating a target enthalpy possessed by the gas after passing through the process from the target pressure value and the target temperature value;
A second enthalpy calculating means for calculating an initial enthalpy possessed by the gas from a gas pressure actual value and a gas temperature actual value before passing through the heat exchange facility;
First control of the heat exchange equipment is calculated such that the heat quantity to be exchanged in the heat exchange equipment is calculated from the target enthalpy, the initial enthalpy and the mass flow rate of the gas passing through the process, and the heat quantity is given to the gas Means for calculating a target value;
Means for correcting the first control target value of the heat exchange facility and calculating the second control target value of the heat exchange facility from the actual gas temperature value after the process and the target temperature value;
A gas temperature control device comprising: means for controlling the heat exchange facility based on the second control target value.
請求項1または2に記載の気体温度制御装置において、
等エンタルピ変化プロセスは、気体圧力を減圧するプロセスであることを特徴とする気体温度制御装置。
In the gas temperature control device according to claim 1 or 2 ,
The isoenthalpy changing process is a process of reducing the gas pressure, and a gas temperature control device.
請求項1または2に記載の気体温度制御装置において、
前記熱交換設備を制御する手段は、その設備に用いる熱交換用媒体の流量を制御するものであることを特徴とする気体温度制御装置。
In the gas temperature control device according to claim 1 or 2 ,
The gas temperature control apparatus according to claim 1, wherein the means for controlling the heat exchange equipment controls a flow rate of a heat exchange medium used in the equipment.
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