JP4866175B2 - 燃料ガス供給装置における燃料ガスの供給制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料ガスの供給設備において、ユーザに安定的に燃料ガスを送出することのできる燃料ガスの供給制御方法に関する。

図４は、燃料ガスの供給業者から一般家庭や事業所等のユーザに燃料ガスを安定的に供給するための装置の概略図である。
燃料ガスを貯蔵するタンク１には、図示しない複数の燃料ガス供給源から、供給管１１〜１５を介して燃料ガスが供給される。なお、供給管１５のみについて図示するが、燃料ガスは、通常、供給源から液相の状態で供給され、供給管１１〜１５の途中に設けられた気化器２で気化される。気化器２には蒸気が供給され、この蒸気によって燃料ガスが加熱される。符号２ａは、気化器２に供給される蒸気流量を調整する弁で、この弁の開度を調整することで、タンク１に供給する燃料ガスの流量を調整することができるようになっている。

タンク１からは、送出管１６を介して複数の消費者に燃料が送出される。送出管１６から送り出された燃料ガスは、各消費者の燃料ガス供給管４１〜４５に分配される。各消費者には、符号５で示すようなヒータ等の熱機器が設けられていて、この熱機器５で燃料ガスが消費される。
また、タンク１には圧力計６ａが設けられていて、消費量の変化に伴う圧力の変化が、この圧力計６ａで検出されて、ＰＩＤコントローラ等の制御器３に送信される。制御器３は、タンク１内の圧力を一定に保つように、弁２ａに操作変数を出力する。

制御器３による燃料ガスの供給制御方法としては、特許文献１に記載するようなものが知られている。この文献に記載の技術は、圧力計にて得られた圧力信号に基づいてガス流路の圧力変動が小さくなるような制御変数を動的圧力変動解析により決定し、この制御変数を用いてガス圧力調節弁やガス流量調節弁の開度をＰＩＤ制御するものである。
特開２００４−２２０２３７号公報

ところで、この種の燃料ガス供給装置において消費者が燃料ガスの使用を開始する際には、まず、消費者側の弁をいっぱいに開いてヒータ等の加熱機器に燃料ガスを供給する。そして、前記加熱機器の運転が開始された後に、燃料ガスの熱量に従って適宜に弁の絞り込みを行うようにしている。
そのため、圧力に基づいて燃料ガスの供給制御を行うと、図５に示すように、制御器３からの操作出力は、流量にしたがった初期と熱量にしたがった後期とで段階的になり、燃料ガスの供給制御が不安定になるうえ目標値に達するまでに無駄時間ｔが発生するという問題がある。

本発明は上記の問題に鑑みてなされたもので、簡単，安定的かつ無駄なく燃料ガスの供給制御を行うことができる燃料ガスの供給制御方法の提供を目的とする。

本発明の発明者は、燃料ガスの発熱量が、燃料ガスの供給重量（モル重量）に密接に関係することに着目し、タンクから送出される燃料ガスの流量の変化からただちに、各供給源からの燃料ガスの変化量を予測し、その変化量を補うべく、供給する燃料ガスの調整を行えばよいことに想到した。

具体的には、燃料ガスを供給源から消費者に供給する燃料ガス供給装置における燃料ガスの供給制御方法において、タンクから前記消費者に送出される燃料ガスの流量を検出する工程と、複数の、供給源から気化器を介して燃料ガスを前記タンクに供給するための供給管における燃料ガスの流量をそれぞれ検出する工程と、前記消費者に送出される燃料ガスの流量に変化が生じたときに、前記燃料ガスの流量の変化から前記タンク内の燃料ガスの圧力変化を予測する工程と、予測された圧力の変化量から、前記複数の供給管における燃料ガスの流量の変化量を予測する工程と、予測された前記複数の供給管における燃料ガスの変化量に基づき、前記気化器に供給する蒸気量を調整することによって供給側の前記供給管における燃料ガスの流量を調整する工程とを有する方法としてある。

また、一ステップ前の送出側の燃料ガス流量の実測値とタンクの圧力及び温度とから、前記複数の供給管から供給される燃料ガスの理論容積を求め、この理論容積に基づいて前記複数の供給管から供給される燃料ガスの総和と、タンクの圧力，容積，温度から送出側の燃料ガスの予測流量を求め、この予測流量と前記一ステップ前の送出側の燃料ガス流量の実測値との差から補正値を求め、この補正値によって、供給側の燃料ガスの流量を調整する工程において前記気化器に供給する蒸気量の調整を行う際に、その調整量の補正を行う方法としてある。

また、前記補正値による補正を、前記複数の供給管のうち最も燃料ガス供給量の多い供給管について行う方法としてある。

本発明は上記のように構成されているので、圧力変化と無関係に供給側の燃料ガスの流量をただちに調整することができ、安定的で無駄なく燃料ガスを消費者に供給することができる。

以下、本発明の好適な実施形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、燃料ガス供給装置の全体構成を示す概略図である。図１の燃料ガス供給装置の構成は、図４に示す燃料ガス供給装置と基本的に同じであるので、同一箇所には同一の符号を付して、詳しい説明は省略する。
また、図１の燃料ガス供給装置では、タンク１に五つの供給管１１〜１５から燃料ガスが供給され、送出ルート１６から複数の消費者に燃料ガスが送出されるものとする。
この実施形態では各供給管１１〜１５に、燃料ガスの流量を検出する流量計１１ａ〜１５ａが設けられている。さらに、送出管１６には、タンク１から消費者に送出される燃料ガスの流量を検出する流量計１６ａが設けられている。

図２は、図１の燃料ガス供給装置の制御システムのブロック図である。
図示するように、この実施形態の制御システムは、ＰＩＤコントローラ３１及び内部モデル３３を基本的な構成要素とする制御器３を備えている。
ＰＩＤコントローラ３１には、制御対象プロセス３２からの出力値Ｘｐと、内部モデル３３からの出力値Ｘｍとの差（Ｘｐ−Ｘｍ）が入力される。ＰＩＤコントローラ３１の入力側には、予め設定された許容値の範囲内で、制御対象プロセス３２に生じた系統誤差（外乱）をキャンセルするフィルタ３０が設けられている。

また、内部モデル３３には制御対象のモデル３３ａと、このモデル３３ａでの演算結果における遅れ時間を補償するＩＭＣ形のスミス予測器３３ｂが設けられている。ＰＩＤコントローラ３１から出力された操作変数ｕは、制御対象プロセス３２と内部モデル３３に入力され、制御対象プロセス３２からはプロセス出力値Ｘｐが、内部モデル３３からは遅れ時間を補償したモデル出力値Ｘｍが出力される。そして、プロセス出力値Ｘｐとモデル出力値Ｘｍとの差（Ｘｐ−Ｘｍ）がＰＩＤコントローラ１にフィードバックされる。

各消費者の燃料ガス供給管４１〜４５の燃料ガスの合計消費量は、送出管１６を通る燃料ガスの流量である。この流量は、流量計１６ａによって計測される。
流量計１６ａによる流量の計測結果、すなわち送出管１６を通る燃料ガスの送出流量をＦ６（実測値）とすると、流量Ｆ６の変化（変化量をｄＦ６とする）によるタンク１内の圧力変化の予測値（ｄＰ）は、シャルルの法則より、
ｄＰ＝ｄＦ６・ＲＴ／Ｖ （１）
となる。ここで、Ｒは気体定数、Ｔは燃料ガスの絶対温度、Ｖは送出される燃料ガスの容積である。

一方、供給管１１〜１５の各々からタンク１に供給される燃料ガスの流量（Ｆ１〜Ｆ５）は、シャルルの法則より、
Ｆｉ＝Ｐ・Ｖｉ／（Ｒ・Ｔ） （ｉ＝１，２，３，４，５） （２）
で表すことができる。
供給管１１〜１５の各々からタンク１に供給される各燃料ガスの容積Ｖｉは、流量Ｆｉの実測値を上記（２）式に代入することで求めることができる。
タンク１に対する燃料ガスの供給量と送出量とのバランスから、
Ｆ６＝Ｆ１＋Ｆ２＋Ｆ３＋Ｆ４＋Ｆ５ （３）
でなければならない。
供給側の流量Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４，Ｆ５に基づく送出側の流量Ｆ６の予測値は、
Ｆ６＝Ｐ／（Ｒ・Ｔ）×（Ｖ１+Ｖ２+Ｖ３+Ｖ４+Ｖ５） （４）
で表される。

しかし、実際には、ガス密度の影響によって、上記（３）及び（４）の等式は成立しない。すなわち、送出側の流量Ｆ６の実測値と予測値との間に差が生じるわけである。
そこで、（３）の式の右辺に補正値を掛け合わせて、実測値と予測値とが一致する補正を行う。この実施形態では、流量Ｆ１〜Ｆ５のうち、最も大きい流量Ｆ５を他の式から切り離し、この流量Ｆ５に関係する部分に補正係数ｋを掛け合わせるようにしている。
すなわち、上記の（３）式は、
Ｆ６＝Ｆ１＋Ｆ２＋Ｆ３＋Ｆ４＋ｋ・Ｆ５ （５）
と書き換えることができる。

ここで、補正係数ｋは、一ステップ前の送出側の実測流量とタンク内の圧力変化から演算した予測流量との差にもとづいて補正値を求め、この補正値を補正係数ｋとしている。

消費者が弁４１ａ〜４５ａを調整することで燃料ガスの使用量に変化が生じると、この使用量の変化は送出管１６を流れる流量Ｆ６の変化となって検出される。流量Ｆ６の変化ｄＦ６によるタンク１の圧力の変化量ｄＰは、式（１）より予測することができる。
この圧力変化ｄＰによる各供給ルート１１〜１５の流量のそれぞれの変化量は、シャルルの法則から、
ｄＦｉ＝ｄＰ・Ｖｉ／ＲＴ （但しｉ＝１，２，３，４，５） （６）
ｋ・ｄＦ５＝ｄＰ・ｋ・Ｖ５／ＲＴ （７）
として求めることができる。

モデル３３ａには、式（５）（６）（７）に示すモデル式が含まれている。また、内部モデル３３には、実測値の流量Ｆ１〜Ｆ５に基づいて演算された容積Ｖ１〜Ｖ４及びｋＶ５が記憶された記憶部（図示せず）が設けられている。この記憶部の内容は、流量Ｆ１〜Ｆ６の実測値によって、定期的に又は必要に応じて書き換えられる。

モデル３３ａにおいて、式（６）（７）に基づいてｄＦｉ及びｋ・ｄＦ５を得ることによって、ガス密度の影響を除いたガスの供給量を求めることができる。また、内部モデル３３では、スミス予測器３３ｂによってモデル３３ａの演算結果に対して遅れ時間を補償する。
このようにして、実際に計測された流量Ｆ６の変化量ｄＦ６（制御対象プロセス３２の出力Ｘｐ）と、圧力変化ｄＰから求めた流量の予測変化量の和ｄＦ１＋ｄＦ２＋ｄＦ３＋ｄＦ４＋ｋ・ｄＦ５（内部モデル３３の出力Ｘｍ）との差（Ｘｐ−Ｘｍ）はＰＩＤ制御器３１にフィードバックされる。このとき、差（Ｘｐ−Ｘｍ）が予め設定された許容値の範囲内であるときは、ＰＩＤコントローラ３１に入力されるに先立ち、前記差が系統誤差とみなされてフィルタによってキャンセルされる。

本発明によれば、消費者の燃料ガスの使用量の変化からただちに供給側の燃料ガスの供給量の変化を求めることができる。そのため、本発明では、消費者が消費する燃料ガスの熱量とは無関係に供給制御を行うことができ、図３に示すように、無駄時間がなく、迅速で安定した燃料ガスの供給制御が可能になる。

本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の説明に限られるものではない。
例えば、上記の実施形態では、説明の簡素化のためタンク１は一つとして説明したが、高圧タンクと低圧タンクの二つを準備し、低圧タンクから送出管１６を経て消費者に燃料ガスが供給されるようにするとともに、高圧タンクから低圧タンクに燃料ガスが補填されるように構成してもよい。この場合は、高圧タンクに供給管１１〜１５の全て又は一部を連結して、燃料ガスの供給を行うようにしてもよい。
また、供給管１１〜１５を経て供給される燃料ガスの種類は、同一種類のものであってもよいし、異なる種類のものであってもよい。

本発明は、燃料ガスを消費者に供給する燃料ガス供給装置に広範に適用が可能であり、一種類の燃料ガスを供給する場合に限らず、複数種類のガスをブレンドして消費者に供給する場合にも適用が可能である。また、本発明の制御装置は、一般的なＰＩＤ制御に限らず、Ｐ，Ｉ，Ｄの制御パラメータによる制御であれば、Ｉ−ＰＤ，ＰＩ−ＰＤ等の他のＰＩＤ系の全ての制御も含まれる。

本発明の一実施形態にかかり、燃料ガス供給装置の概要を説明する図である。 図１における燃料ガス供給装置の制御ブロック図である。 本発明の作用を説明するグラフである。 本発明の従来例にかかり、燃料ガス供給装置の概要を説明する図である。 従来技術の問題点を説明するグラフである。

１ タンク
１１〜１５ 供給管
１１ａ〜１５ａ 流量計
１６ 送出管
１６ａ 流量計
４１〜４５ 供給管（消費者側）
２ 気化器
２ａ 弁
３ 制御器

Claims (3)

1. 燃料ガスを供給源から消費者に供給する燃料ガス供給装置における燃料ガスの供給制御方法において、
   タンクから前記消費者に送出される燃料ガスの流量を検出する工程と、
   複数の、供給源から気化器を介して燃料ガスを前記タンクに供給するための供給管における燃料ガスの流量をそれぞれ検出する工程と、
   前記消費者に送出される燃料ガスの流量に変化が生じたときに、前記燃料ガスの流量の変化から前記タンク内の燃料ガスの圧力変化を予測する工程と、
   予測された圧力の変化量から、前記複数の供給管における燃料ガスの流量の変化量を予測する工程と、
   予測された前記複数の供給管における燃料ガスの変化量に基づき、前記気化器に供給する蒸気量を調整することによって供給側の前記供給管における燃料ガスの流量を調整する工程と、
   を有することを特徴とする燃料ガス供給装置における燃料ガスの供給制御方法。
2. 一ステップ前の送出側の燃料ガス流量の実測値とタンクの圧力及び温度とから、前記複数の供給管から供給される燃料ガスの理論容積を求め、
   この理論容積に基づいて前記複数の供給管から供給される燃料ガスの総和と、タンクの圧力，容積，温度から送出側の燃料ガスの予測流量を求め、この予測流量と前記一ステップ前の送出側の燃料ガス流量の実測値との差から補正値を求め、この補正値によって、供給側の燃料ガスの流量を調整する工程において前記気化器に供給する蒸気量の調整を行う際に、その調整量の補正を行うことを特徴とする請求項１に記載の燃料ガス供給装置における燃料ガスの供給制御方法。
3. 前記補正値による補正を、前記複数の供給管のうち最も燃料ガス供給量の多い供給管について行うことを特徴とする請求項２に記載の燃料ガス供給装置における燃料ガスの供給制御方法。

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