JP6280715B2

JP6280715B2 - 気体分離装置

Info

Publication number: JP6280715B2
Application number: JP2013199977A
Authority: JP
Inventors: 拓也國友; 勝本　武; 武勝本; 之家任
Original assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Priority date: 2013-09-26
Filing date: 2013-09-26
Publication date: 2018-02-14
Anticipated expiration: 2033-09-26
Also published as: JP2015066467A

Description

本発明は窒素または酸素等の製品ガスを大気から抽出する装置に関する。

本技術分野の背景として、特開２０１３−７８７３４号公報（特許文献１）がある。この公報には、圧縮機が故障した場合に、装置を完全停止するか、他の故障していない圧縮機により気体分離装置を作動し続けるかモードを選択可能にする、と記載されている。

また、通常モードとして、圧縮機が１台でも故障により停止した場合に、装置を完全に停止するか、応急モードとして、他の正常な圧縮機により気体分離装置を作動し続け、製品ガスの性能（濃度、圧力、流量）が満たされていない状況でも運転し続ける、と記載されている。

特開２０１３−７８７３４号公報

特許文献１では、通常モードにおいて、圧縮機が１台故障しても、正常な圧縮機により気体分離装置を作動することで製品ガスの性能を満たして作動することが可能であっても、装置を完全に停止するので製品ガスの供給を継続することができないという問題がある。また、応急モードにおいて、圧縮機の故障台数が増加した場合、製品ガスの性能が急激に減少し、場合によっては製品ガス濃度または圧力について基準値を維持できない状態となってしまう。その場合、装置を運転させているエネルギーが無駄となってしまうという問題がある。また、それらのモード選択の具体的な記載がない。
そこで、本発明の目的は、無駄なエネルギーの消費を抑え、省エネ効果を得ることである。

上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。本発明は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、圧縮機の故障台数または故障した圧縮機の容量が所定の値を超えた場合に装置全体を停止することで解決される。

本発明によれば、複数台の圧縮機のうち一部の圧縮機が故障した場合であっても、閾値に満たない場合には製品ガスの供給を継続することができ、また、製品ガスの性能が減少する場合の装置を運転させているエネルギーを無駄とせず省エネ効果を得ることができる。

本発明の実施例１、実施例２における気体分離装置を示す全体構成図である。本発明の実施例１における制御のフロー図である。本発明の実施例２における制御のフロー図である。

本発明の実施例１について図１を用いて説明する。図１は、本実施例における気体分離装置の全体構成である。

図１において、気体分離装置はＰＳＡ(Pressure Swing Adsorption)式の気体（ガス）分離装置である。ＰＳＡ式ガス分離装置１は、空気を供給する空気供給ユニット２と、製品ガスを生成するＰＳＡユニット３で構成される。
空気供給ユニット２は、空気を圧縮する圧縮機４と、圧縮空気を貯留させる空気槽（空気タンク）５と、圧縮空気を除湿するエアードライヤー６と、析出したドレン水を回収しながら不純物を除去するドレンフィルタ７と、制御部１０を有している。本実施例では、一例として、これら圧縮機４と、空気槽５と、エアードライヤー６とドレンフィルタ７と制御部１０とは筐体に格納されている。制御部１０は、圧縮機４の故障状態を監視し、圧縮機４が故障した場合は故障信号を出力する。また、空気供給ユニット２全体の停止制御を行い、さらに、ＰＳＡユニット３との通信を行う。

一方、ＰＳＡユニット３は、空気供給ユニット２から供給される圧縮空気から所定の気体を分離することにより、製品ガスを生成する吸着槽１９Ａ、１９Bと、製品ガス（窒素）を貯留する窒素槽（製品ガス貯留タンク）４１を有している。

空気槽５で貯留された圧縮空気は後述の吸着槽１９Ａ、１９Bに供給され、空気槽５で貯留された圧縮空気から所定の気体が分離される。本実施例では、吸着槽１９Ａ、１９Bで酸素を吸着することにより、窒素を分離する場合について説明するが、窒素を吸着することにより酸素を分離してもよいし、大気以外の圧縮空気から他の気体を分離するものであってもよい。

圧縮機４として、往複動式、スクリュー式あるいはスクロール式等の圧縮機や、外部から１次圧を供給され再圧縮するブースタ圧縮機等が用いられており、それらは複数台搭載されている。本実施例としては、４台搭載しているものとして説明する。

空気槽５には、空気槽５からの圧縮空気を流す配管１６が接続されており、この配管１６の端末位置には２系統に分岐した配管１７Ａ、１７Bが接続されている。配管１７Ａ、１７Ｂには、それぞれ流路を開閉する供給弁１８Ａ、１８Ｂが途中に設けられており、端末には酸素分子を吸着して窒素ガスを製品ガスとして取り出すための吸着槽１９Ａ，１９Ｂがそれぞれ接続されている。この吸着槽は容積一定である。また、配管１７Ａ、１７Ｂには、それぞれ供給弁１８Ａ、１８Ｂと吸着槽１９Ａ，１９Ｂとの間の位置に配管２１Ａ、２１Ｂが接続されており、これら配管２１Ａ、２１Ｂには、途中に流路を開閉する排気弁２２Ａ、２２Ｂが、端末に消音用のフィルタ付きの排気サイレンサ２３が設けられている。この排気サイレンサは各吸着槽１９Ａ、１９Ｂ毎に設けられていてもよい。また、配管１７Ａ、１７Ｂには、互いの配管２１Ａ、２１Ｂと吸着槽１９Ａ、１９Ｂとの間の位置を結ぶように配管２５Ａ、２５Ｂが接続されており、この配管２５Ａ、２５Ｂには流路を開閉する下均圧弁２６Ａ、２６Ｂが設けられている。

吸着槽１９Ａ，１９Ｂには、例えば、酸素分子を吸着する吸着手段である吸着剤が充填されている。吸着剤は、具体的には分子ふるいカーボンやゼオライト等を用いている。吸着槽１９Ａ、１９Ｂには、端末位置で互いに合流する配管３１Ａ、３１Ｂがそれぞれ接続されている。これら配管３１Ａ、３１Ｂには、互いの吸着槽１９Ａ、１９Ｂ側同士を結ぶように配管３２Ａ、３２Ｂが接続されており、この配管３２Ａ、３２Ｂには絞り３３が設けられている。また、配管３１Ａ、３１Ｂには、互いの配管３２Ａ、３２Ｂよりも吸着槽１９Ａ、１９Ｂとは反対側同士を結ぶように配管３５Ａ、３５Ｂが接続されており、この配管３５Ａ、３５Ｂには流路を開閉する上均圧弁３６Ａ、３６Ｂが設けられている。また、配管３１Ａ、３１Ｂには、それぞれの配管３５Ａ、３５Ｂよりも吸着槽１９Ａ、１９Ｂとは反対側に流路を開閉する取り出し弁３８Ａ、３８Ｂがそれぞれ設けられている。

配管３１Ａ、３１Ｂの合流位置には配管４０が接続されており、この配管４０の端末位置には窒素ガスを貯留させる製品ガス貯留タンクとしての窒素層４１が接続されている。この窒素層４１には、端末位置が吐出口４２とされた配管４３が接続されており、この配管４３の途中位置には窒素槽４１側から順に、塵埃等を除去するとともにガスの流量を調整するフィルタレギュレータ４４、流路を開閉する吐出弁４５、製品ガスの流量を調整する流量調整弁４６が設けられている。

配管４３のフィルタレギュレータ４４と吐出弁４５との間位置には配管４８および配管４９が接続されており、配管４８には、配管４３側から順に、流路を開閉する開閉弁５０と、ガスの流量を調整する流量調整弁５１と、サイレンサ５２とが設けられている。配管４９には、配管４３側から順に、流路を開閉する開閉弁５４と、ガスの流量を調整する流量調整弁５５と、酸素濃度を検出する酸素センサー５６とが設けられている。酸素センサー５６は制御部６０に通信可能に接続されており、検出信号を制御部６０に出力する。

供給弁１８Ａ、１８Ｂ、排気弁２２Ａ、２２Ｂ、下均圧弁２６Ａ、２６Ｂ、上均圧弁３６Ａ、３６Ｂ、取り出し弁３８Ａ、３８Ｂ、吐出弁４５、開閉弁５０および５４は、制御部６０に通信可能に接続されており、制御部６０からの指令で作動する。

以上、ＰＳＡ式ガス分離装置１の構成を説明したが、次に、気体分離装置において行われる気体分離方法について説明する。

ＰＳＡ式ガス分離装置１では、圧縮機４によって空気を圧縮する圧縮工程、圧縮工程により圧縮された空気を空気槽５に貯留する貯蔵工程、圧縮空気をエアードライヤー６により除湿する除湿工程、除湿工程により除湿された空気から気体を分離する分離工程が行われる。

分離工程では、以下の（ａ）〜（ｄ）の工程が順次繰り返される。

（ａ）吸着工程：圧縮機４により圧縮され空気槽５に貯留された圧縮空気を、供給弁１８を開くことで、吸着剤が充填された吸着槽１９に供給するとともに、窒素槽４１内に残存する窒素ガスを、取り出し弁３８を開くことで吸着槽１９に還流して吸着槽１９内を昇圧させ、圧力を利用して吸着剤に酸素分子を吸着させる工程。

（ｂ）取り出し工程：吸着工程から引き続いて、空気槽５から圧縮空気を吸着槽１９に供給し続けると同時に、吸着剤により分離生成された窒素ガスを吸着槽１９より取り出して窒素層４１に貯留させる工程。

（ｃ）均圧工程：上均圧弁３６および下均圧弁２６の開閉により取り出し工程終了後の一対の吸着槽１９の均圧化を図り、次回の吸着工程の吸着効率を高めて、より高純度の窒素ガスを生成するための工程。

（ｄ）再生工程：均圧工程終了後の吸着槽１９内を、排気弁２２を開くことにより配管２１を介して、吸着剤に吸着された酸素分子を脱着することにより吸着剤を再生する工程。なお、この再生工程において、排気弁２２以外の吸着槽１９に関連する供給弁１８、下均圧弁２６、上均圧弁３６および取り出し弁３８は、閉状態とする。

吸着槽１９Ａで吸着工程・取り出し工程（工程（ａ）（ｂ））が行われている間に吸着槽１９Ｂでは、再生工程（工程（ｄ））が行われる。その後、（ｃ）均圧工程が同時に行われ、吸着槽１９Ａ、１９Ｂを入れ替えて吸着工程・取り出し工程（工程（ａ）（ｂ））と再生工程（工程（ｄ））が行われる。

次に、本実施例の制御フローを図２を用いて説明する。なお、本実施例では、圧縮機４に搭載している圧縮機の容量は、全て同じ容量とする。そして、あらかじめ圧縮機４の故障台数の閾値Pを制御部６０に設けておく。

図２において、ステップ２０１でPSA式ガス分離装置１の運転を開始してから、ステップ２０２で故障台数FNが、FN＜Pの場合は、空気供給ユニット２側から圧縮機の故障信号が制御部６０に送信された場合でも、ステップ２０３で、空気供給ユニット２の運転を継続し、PSA式ガス分離装置１の運転を継続する。一方、故障台数FN≧Pとなった場合は、ステップ２０４で制御部１０が空気供給ユニット２を停止し、ステップ２０５で制御部６０へ停止信号を送る。そして、ステップ２０６で停止信号を受け取った制御部６０はPSA式ガス分離装置全体を停止する。
なお、以上の説明では、圧縮機の容量は全て同じ容量で、圧縮機の故障台数により閾値判定するとしたが、圧縮機の容量は全て同じでなくても、圧縮機の故障台数により閾値判定しても良い。その場合は、圧縮機の故障の合計容量は変動するものの、簡単な台数のみで管理できるので、処理が簡単となるという利点がある。
また、停止信号の送受信は、空気供給ユニット２の制御部１０からの故障信号に基づき、PSAユニットの制御部６０から空気供給ユニットへ送信して、それに基づきPSA式ガス分離装置全体を停止してもよいし、空気供給ユニット２の制御部１０から停止信号を送信しPSA式ガス分離装置全体を停止してもよい。

さらに、閾値Pは、あらかじめ制御部６０に設定しておいてもよいし、PSA式ガス分離装置の使用者が任意に設定できるようにしてもよい。

以上のように、本実施例によれば、複数台の圧縮機のうち一部の圧縮機が故障した場合であっても、故障台数が閾値に満たない場合には製品ガスの供給を継続することができ、また、複数台の圧縮機のうち閾値を満たす台数の圧縮機が故障した場合、製品ガスの性能が減少する可能性があるので、装置全体を停止して、運転エネルギーを無駄とせず、省エネ効果を得ることができ、無駄なエネルギーの消費を抑えることができる。

本発明の実施例２について説明する。本実施例では、搭載している複数台の圧縮機の容量が異なる場合の例である。なお、装置の構成、動作は実施例１で説明したPSA式ガス分離装置１と同様のため省略する。

本実施例では、搭載している複数台の圧縮機の容量として、５．５kW圧縮機Aが２台、３．７kW圧縮機がBが２台搭載されているものとして説明する。

本実施例における圧縮機の制御フローを図３に示す。
実施例１においては、搭載している複数台の圧縮機容量は全て等しいと仮定し、故障台数の閾値Pをもうけていたが、本実施例では、故障した圧縮機の容量により、PSA式ガス分離装置の運転を継続するか、停止するかを決定する。例えば、下記条件１〜４の場合には運転を継続し、条件５、６の場合にはPSA式ガス分離装置１を停止するように制御部６０にあらかじめ閾値を設けておく。
条件１：５．５kW圧縮機Aが１台故障
条件２：３．７kW圧縮機Bが１台故障
条件３：３．７kW圧縮機Bが２台故障
条件４：５．５kW圧縮機Aが１台、３．７kW圧縮機Bが１台故障
条件５：５．５kW圧縮機Aが２台故障
条件６：５．５kW圧縮機Aが１台、３．７kW圧縮機Bが２台故障
本条件では、故障した圧縮機の容量が、組み合わせとして取り得る合計９．２ｋW以下の場合はPSA式ガス分離装置１の運転を継続し、１１ｋW以上の場合はPSA式ガス分離装置１の運転を停止するよう制御部６０に閾値を設けている。

すなわち、図３において、ステップ３０１でPSA式ガス分離装置１の運転を開始してから、ステップ３０２で、故障している圧縮機の容量の合計である圧縮機故障容量FVが、FV＜Pの場合は、空気供給ユニット２側から圧縮機の故障信号が制御部６０に送信された場合でも、ステップ３０３で、空気供給ユニット２の運転を継続し、PSA式ガス分離装置１の運転を継続する。一方、圧縮機故障容量FV≧Pとなった場合は、ステップ３０４で空気供給ユニット２が空気供給ユニット２を停止し、ステップ３０５で制御部６０へ停止信号を送る。そして、ステップ３０６で停止信号を受け取った制御部６０はPSA式ガス分離装置全体を停止する。

なお、本実施例では、搭載している複数台の圧縮機の容量が異なる場合について説明したが、圧縮機の容量が同じでも、本実施例のように、故障した圧縮機の合計容量により閾値判断をしても良い。そうすれば、圧縮機の容量の如何にかかわらず、故障した圧縮機の合計容量のみで閾値判断ができるので、処理が簡単になるという効果がある。

また、実施例１と同様に、停止信号の送受信は、空気供給ユニット２からの故障信号に基づき、PSAユニットから空気供給ユニットへ送信して、それに基づきPSA式ガス分離装置全体を停止してもよいし、空気供給ユニットから停止信号を送信しPSA式ガス分離装置全体を停止してもよい。
さらに、閾値Pは、あらかじめ制御部６０に設定しておいてもよいし、PSA式ガス分離装置の使用者が任意に設定できるようにしてもよい。

以上のように、本実施例によれば、複数台の圧縮機のうち一部の圧縮機が故障した場合であっても、故障した圧縮機の合計容量が閾値に満たない場合には製品ガスの供給を継続することができ、また、複数台の圧縮機のうち故障した圧縮機の合計容量が閾値を満たす場合、製品ガスの性能が減少する可能性があるので、装置全体を停止して、運転エネルギーを無駄とせず、省エネ効果を得ることができ、無駄なエネルギーの消費を抑えることができる。

以上実施例について説明したが、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加、削除、置換をすることも可能である。

１・・・ＰＳＡ式ガス分離装置
２・・・空気供給ユニット
３・・・ＰＳＡユニット
４・・・圧縮機
５・・・空気槽（空気貯留タンク）
１０・・・制御部
１９・・・吸着槽
４１・・・窒素槽
６０・・・制御部

Claims

空気供給ユニットと製品ガスを生成するＰＳＡユニットとからなる気体分離装置に用いられる空気供給ユニットであって、
該空気供給ユニットは、空気を圧縮する複数の圧縮機と、該圧縮機が故障したかどうかの故障信号を出力する制御部を有し、
前記空気供給ユニットは、異なる容量の圧縮機を含めることが可能であり、
前記制御部は、前記複数の圧縮機のうち、故障した圧縮機の容量の合計が製品ガスの性能を維持した状態で気体分離装置を運転できる値か運転できない値か判断し、製品ガスの性能を維持した状態で気体分離装置を運転できない値である場合、全ての圧縮機の運転を停止し、前記ＰＳＡユニットへ停止信号を送信することを特徴とする空気供給ユニット。
空気供給ユニットと製品ガスを生成するＰＳＡユニットとからなる気体分離装置に用いられるＰＳＡユニットであって、
前記空気供給ユニットは、異なる容量の圧縮機を含めることが可能であり、
該ＰＳＡユニットは、供給された圧縮空気のうち一の気体を分離して他の気体を製品ガスとして生成する吸着槽と、該吸着槽への圧縮空気の入力および生成した製品ガスの出力を制御する制御部と、前記空気供給ユニットから、該空気供給ユニットを構成する複数の圧縮機が故障したかどうかの故障信号を入力する手段を有し、
前記制御部は、前記故障信号によって、前記複数の圧縮機のうち、故障した圧縮機の容量の合計が製品ガスの性能を維持した状態で気体分離装置を運転できる値か運転できない値か判断し、製品ガスの性能を維持した状態で気体分離装置を運転できない値である場合、前記空気供給ユニットに全ての圧縮機の運転を停止する停止信号を出力し、ＰＳＡユニットの製品ガス生成を停止することを特徴とするＰＳＡユニット。
空気供給ユニットと製品ガスを生成するＰＳＡユニットとからなる気体分離装置の制御方法であって、
前記空気供給ユニットは、異なる容量の圧縮機を含めることが可能であり、
前記空気供給ユニットを構成する複数の圧縮機の故障した圧縮機の容量の合計が製品ガスの性能を維持した状態で気体分離装置を運転できる値か運転できない値か判断し、製品ガスの性能を維持した状態で気体分離装置を運転できない値である場合、全ての圧縮機の運転を停止し、前記気体分離装置を停止することを特徴とする気体分離装置の制御方法。
空気供給ユニットと製品ガスを生成するＰＳＡユニットとからなる気体分離装置に用いられる空気供給ユニットの制御方法であって、
前記空気供給ユニットは、異なる容量の圧縮機を含めることが可能であり、
前記空気供給ユニットを構成する複数の圧縮機の故障した圧縮機の容量の合計が製品ガスの性能を維持した状態で気体分離装置を運転できる値か運転できない値か判断し、製品ガスの性能を維持した状態で気体分離装置を運転できない値である場合、全ての圧縮機の運転を停止し、前記ＰＳＡユニットへ停止信号を送信することを特徴とする空気供給ユニットの制御方法。
空気供給ユニットと製品ガスを生成するＰＳＡユニットとからなる気体分離装置に用いられるＰＳＡユニットの制御方法であって、
該ＰＳＡユニットは、前記空気供給ユニットから、該空気供給ユニットを構成する複数の圧縮機が故障したかどうかの故障信号を入力する手段を有しており、
前記空気供給ユニットは、異なる容量の圧縮機を含めることが可能であり、
該故障信号によって、前記複数の圧縮機のうち、故障した圧縮機の容量の合計が製品ガスの性能を維持した状態で気体分離装置を運転できる値か運転できない値か判断し、製品ガスの性能を維持した状態で気体分離装置を運転できない値である場合、前記空気供給ユニットに全ての圧縮機の運転を停止する停止信号を出力し、ＰＳＡユニットの製品ガス生成を停止することを特徴とするＰＳＡユニットの制御方法。