JP6591183B2 - 原料ガス液化装置及び原料ガス液化量補正制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば水素ガスのような極低温で液化される原料ガスを、冷媒循環ラインで生成した冷熱を利用して液化する原料ガス液化装置、及び原料ガスの液化量補正制御方法に関する。

例えば水素ガスのような原料ガスの液化を行うシステムとして、例えば特許文献１には、原料の水素ガスを供給するフィードラインと、原料水素ガスの冷却を行う冷媒を循環させる冷媒循環ライン（リサイクルラインとも呼ぶ）とを備え、熱交換器による熱交換にて水素ガスの液化を行う液化システムが開示されている。ここでフィードラインには、原料水素ガスの昇圧を行うフィード圧縮機が備わり、一方、冷媒循環ラインには、冷媒の断熱膨張を行う膨張タービンと、冷媒の圧縮を行う低圧圧縮機及び高圧圧縮機とを設けている。
このように構成された液化システムにおける水素ガスの液化の制御方法として、特許文献１は、水素ガスの液化量設定値に基づいて、フィード圧縮機、低圧及び高圧の圧縮機、並びに膨張タービンの動作を制御して、液化機の負荷変更に対して冷媒循環ラインの負荷(冷媒量)を変更することで対応可能である旨を開示する。

また特許文献２では、ヘリウム液化冷凍装置をはじめとする液化冷凍装置の運転制御方法及び装置が開示されている。
さらにまた特許文献３には、極低温環境部で急激な熱負荷の変動があった場合でも冷凍出力の過不足を発生することなく安定した運転状態を維持できるヘリウム液化、冷凍装置の運転制御方法が開示されている。

特開２０１２−２１９７１１号公報 特開平６−２６５２３０号公報 特開昭６１−２６８９７２号公報

上述の特許文献１に記載する液化システムでは、システムに備わる熱交換器、膨張タービン、及び圧縮機における経年劣化に伴う冷媒流量の減少が要因となり、原料水素ガスから所望の液化量が得られ難くなるという可能性がある。また、当該液化システム上流からの原料水素ガスの供給量の変動に関して、当該液化システムは対応していない。よって原料水素ガスの供給量の変動が生じた場合には、原料水素ガスに対する冷熱不足あるいは過冷却になり液化システム内のヒートバランスが崩れ、安定した液化運転が行えない可能性がある。

また上述の特許文献２では、冷凍負荷の変動にかかわらず寒冷発生用の膨張タービンを効率よく運転する方法として、低圧膨張タービンの入口圧力に応じて、膨張タービンの入口弁の開度調節を実施し、高圧膨張タービン及び低圧膨張タービンの入口温度に応じて、戻りラインのバイパス弁開度を調整することが述べられている。しかしながら、特許文献２に開示される液化冷凍装置は、特許文献１に開示する冷媒循環ラインのみに対応し、原料ガスのフィードラインを有していない。したがってフィードラインを有する場合には、特許文献２に開示される液化冷凍装置においても、安定した液化運転は行えないと考えられる。

また上述の特許文献３では、Ｈｅ貯槽部において急激な熱負荷変動が生じた場合でも、安定した運転状態を維持する方法として、Ｈｅ貯槽部における液面又は圧力の変動から膨張タービンの流量を算出して流量を調整し、さらにタービンラインと冷媒戻りラインとの合流部の温度により補正をかけること、及び、Ｈｅ貯槽部における液面又は圧力の変動よりジュールトムソン弁（以下、ＪＴ弁と記す）を調整すること、が述べられている。しかしながら、特許文献３においても上述の特許文献２と同様に、原料ガスのフィードラインを有しておらず、フィードラインを有する場合には、安定した液化運転は行えないと考えられる。

本発明は、上述したような問題点を解決するためになされたものであり、液化原料ガスのフィードラインを有する原料ガス液化装置において、従来に比べて安定した原料ガスの液化運転が可能な、原料ガス液化装置、及び原料ガスの液化量補正制御方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は以下のように構成する。
即ち、本発明の第１態様における原料ガス液化装置は、沸点が窒素ガスよりも低温である原料ガスを供給するフィードラインと、上記原料ガスを冷却するための冷媒を循環させる冷媒循環ラインとを有し、上記原料ガスを液化する原料ガス液化装置において、
上記冷媒循環ラインは冷熱生成系統を備え、この冷熱生成系統は、冷媒が液化することなくガス状態で移送され、冷媒を膨張させる膨張タービンを有して冷熱を生成し、
上記膨張タービンの出口側冷媒温度に応じて上記原料ガスの液化量を制御する制御装置を備えたことを特徴とする。

また、本発明の第２態様における原料ガス液化量補正制御方法は、沸点が窒素ガスよりも低温である液化用の原料ガスを供給するフィードラインと、上記原料ガスを冷却するための冷媒を循環させる冷媒循環ラインと、制御装置とを有する原料ガス液化装置にて実行される、原料ガスの液化量補正制御方法において、
上記冷媒循環ラインは冷熱生成系統を備え、この冷熱生成系統は、冷媒が液化することなくガス状態で移送され、冷媒を膨張させる膨張タービンを有して冷熱を生成し、
上記制御装置にて、上記膨張タービンの出口側冷媒温度に応じて上記原料ガスの液化量を補正制御することを特徴とする。

上記第１態様の原料ガス液化装置及び上記第２態様の原料ガス液化量補正制御方法によれば、冷媒循環ラインにおける膨張タービンの出口側冷媒温度に応じて原料ガスの液化量の制御を行う制御装置を備えたことで、冷媒温度と原料ガスの液化量との調整を取ることが可能である。その結果、当該原料ガス液化装置に備わる熱交換器、膨張タービン、及び圧縮機における経年劣化による流量減少、あるいは当該原料ガス液化装置の上流から供給される原料ガスの供給量変動にかかわらず、原料ガスの液化量を自動的に補正することが可能となり、原料ガスに対して冷熱不足あるいは過冷却が生じることはなく、従来に比べて安定した液化原料ガスの製造が実現可能である。

本発明の第１態様における原料ガス液化装置、及び第２態様における原料ガス液化方法によれば、従来に比べて安定した原料ガスの液化運転が可能になる。

第１態様の原料ガス液化装置の概略構成を示す図である。 図１に示す原料ガス液化装置にて実行される液化量補正制御方法の動作を説明するブロック図である。 図２に示すフィード系ＪＴ弁の開度補正演算動作を説明するブロック図である。 図２に示すΔ負荷率算出動作を説明する図である。

実施形態である原料ガス液化装置、及び当該原料ガス液化装置にて実行される原料ガスの液化量補正制御方法について、図を参照しながら以下に説明する。尚、各図において、同一又は同様の構成部分については同じ符号を付している。また、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け当業者の理解を容易にするため、既によく知られた事項の詳細説明及び実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。また、以下の説明及び添付図面の内容は、特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。

実施形態である原料ガス液化装置は、当該装置の上流側から供給される気体の原料ガスを冷媒で冷却し液化して液化原料ガスとして排出する装置であり、本実施形態では、液化される原料ガスとして水素ガスを例に採る。しかしながら実施形態の原料ガス液化装置において対象となる原料ガスは、水素ガスに限定されず、常温常圧では気体となり、窒素ガスの沸点（−１９６℃）よりも低温の沸点を有するガスであり、例えば水素ガス、ヘリウムガス及びネオンガスが相当する。

図１には、本実施形態の原料ガス液化装置１０１の概略全体構成を示している。この原料ガス液化装置１０１は、大きく分けて、液化させる水素ガスを供給するフィードライン１１０と、供給された水素ガスを冷却するための冷媒を循環させる冷媒循環ライン（「リサイクルライン」と記す場合もある）１３０と、フィードライン１１０及び冷媒循環ライン１３０に関して動作制御を行い水素ガスの液化量補正制御を行う制御装置１５０とを有し、液体水素を生成する装置である。

また原料ガス液化装置１０１は、原料ガス及び冷媒の予備冷却用としての窒素ライン１７０、及び、フィードライン１１０と冷媒循環ライン１３０との間で熱交換を行う複数の熱交換器１８０ａから１８０ｇ（総称して熱交換器１８０と記す場合もある）、１８１をも有する。ここで窒素ライン１７０には、外部から供給される液体窒素を貯留する液体窒素貯槽１７１が備わり、この液体窒素貯槽１７１内には２段目の熱交換器１８０ｂが設けられている。この２段目の熱交換器１８０ｂには、フィードライン１１０の通路１１１と、冷媒循環ライン１３０におけるリサイクル高圧圧縮機１３３の出口通路とが接続される。よって、フィードライン１１０を流れる水素ガス、及び冷媒循環ライン１３０を循環する冷媒は、２段目の熱交換器１８０ｂにて、液体窒素温度付近まで冷却される。
これらの熱交換器は、１段目の熱交換器１８０ａから６段目の熱交換器１８０ｇへの順にて、原料ガスである水素ガスを順次より低温へ冷却し、さらに以下に記すように最終段の熱交換器１８１にて水素ガスを極低温に冷却する。
これらの構成部分について、以下に順次、説明する。

まず、冷媒循環ライン１３０について説明する。
冷媒循環ライン１３０には、通路１３１、リサイクル低圧圧縮機１３２、リサイクル高圧圧縮機１３３、リサイクル入口圧力調節弁１３４、リサイクルライン入口圧力計１３５、リサイクル系ジュールトムソン弁（「リサイクル系ＪＴ弁」と記す場合もある）１３６、高圧膨張タービン１３７、低圧膨張タービン１３８、低圧膨張タービン出口温度計１３９、及び液体水素貯槽１４０が備わる。尚、通路１３１は、以下に説明する通路１３１Ａ、１３１Ｂ等を含む総称である。
このような冷媒循環ライン１３０は、冷媒として、本実施形態では原料ガスと同じ水素ガスを使用して、閉ループ内で冷媒つまり水素ガスの冷却及び液化を繰り返し循環させる。尚、図示していないが、冷媒循環ライン１３０には、冷媒循環ライン１３０に冷媒を充填するための充填ラインが接続されている。

また冷媒循環ライン１３０は、冷媒の水素ガスをガス状態のままで移送して冷熱を生成する冷熱生成系統１４１と、この冷熱生成系統１４１で生成した冷熱を利用して冷媒の水素ガスを液化させる液化系統１４２とを有する。冷熱生成系統１４１には、高圧膨張タービン１３７、低圧膨張タービン１３８、低圧膨張タービン出口温度計１３９、及び通路１３１Ａが含まれ、液化系統１４２には、リサイクル低圧圧縮機１３２、リサイクル高圧圧縮機１３３、リサイクル入口圧力調節弁１３４、リサイクルライン入口圧力計１３５、リサイクル系ＪＴ弁１３６、液体水素貯槽１４０、及び通路１３１Ｂが含まれる。

液化系統１４２について説明する。リサイクル低圧圧縮機１３２及びリサイクル高圧圧縮機１３３は、冷媒循環ライン１３０を循環させる水素ガスの昇圧を行う圧縮機であり、リサイクル低圧圧縮機１３２とリサイクル高圧圧縮機１３３とは直列的に接続され、冷媒はリサイクル低圧圧縮機１３２からリサイクル高圧圧縮機１３３へ流れる。
リサイクル高圧圧縮機１３３の出口通路は、１段目の熱交換器１８０ａへと接続される。ここでリサイクル高圧圧縮機１３３の入口側と出口側との間に、リサイクル高圧圧縮機１３３を通らないバイパスラインを設け、このバイパスラインにリサイクル入口圧力調節弁１３４が設置されている。よって、このリサイクル入口圧力調節弁１３４は、制御装置１５０による弁開度調節により、１段目の熱交換器１８０ａへ供給する冷媒つまり水素ガスの圧力を調整する。この圧力は、リサイクルライン入口圧力計１３５によって計測される。つまりリサイクルライン入口圧力計１３５は、リサイクル入口圧力調節弁１３４の出口通路で１段目の熱交換器１８０ａの直前に設置され、計測値を制御装置１５０へ送出する。

１段目の熱交換器１８０ａを出た冷媒は、上述した液体窒素貯槽１７１内に設置した２段目の熱交換器１８０ｂにて液体窒素の温度付近まで冷却され、３段目の熱交換器１８０ｃへ供給され、さらに冷却される。
３段目の熱交換器１８０ｃの出口通路は、上述の冷熱生成系統１４１へ向かう通路１３１Ａと、さらに次段以降の熱交換器へ向かう通路１３１Ｂとに分岐される。本実施形態では、３段目の熱交換器１８０ｃを出た冷媒の大半が冷熱生成系統１４１へ向かうように設計している。
熱交換器側へ向かう通路１３１Ｂは、４段目から７段目の熱交換器１８０ｄから１８０ｇへと順次接続され、リサイクル系ＪＴ弁１３６に接続される。よって通路１３１Ｂを流れる冷媒は、熱交換器１８０ｄから１８０ｇにて、この順に、順次冷却されていく。

リサイクル系ＪＴ弁１３６は、７段目の熱交換器１８０ｇの出口側で液体水素貯槽１４０の入口に設置され、一連の熱交換器１８０ａから１８０ｇにて冷却された低温高圧の冷媒水素ガスをジュールトムソン（等エンタルピー）膨張させて液化し、液体水素を生成する。
液体水素貯槽１４０は、生成された液体水素を貯留する。また液体水素貯槽１４０内には、最終段の熱交換器１８１が設置され、この熱交換器１８１にはフィードライン１１０の通路１１１が接続される。よってフィードライン１１０を流れる水素ガスは、熱交換器１８１及び液体水素貯槽１４０内の液体水素により、液体水素温度付近まで冷却される。

また液体水素貯槽１４０には、液体水素から気化した水素ガスが通過する通路１３１Ｂａが接続される。気化した水素ガスは、７段目の熱交換器１８０ｇから３段目の熱交換器１８０ｃ、及び１段目の熱交換器１８０ａの順に通過して昇温し、リサイクル低圧圧縮機１３２の入口へ導かれる。

次に、冷熱生成系統１４１について説明する。
上述したように、３段目の熱交換器１８０ｃの出口側にて分岐した通路１３１Ａは、高圧膨張タービン１３７の入口側に接続される。よって、リサイクル高圧圧縮機１３３で昇圧され３段目の熱交換器１８０ｃを通過した冷媒は、高圧膨張タービン１３７の動作により、上述のように大半が高圧膨張タービン１３７側に導入される。
高圧膨張タービン１３７は、熱交換器１８０ｃを通過して液体窒素温度よりも低温で高圧の冷媒を、膨張により降温及び降圧する。高圧膨張タービン１３７の出口通路は、５段目の熱交換器１８０ｅを通り、低圧膨張タービン１３８の入口に接続される。高圧膨張タービン１３７と低圧膨張タービン１３８とは直列に接続される。

低圧膨張タービン１３８は、高圧膨張タービン１３７から導かれた低温高圧の冷媒を、膨張によりさらに降温及び降圧する。低圧膨張タービン１３８の出口通路には、低圧膨張タービン出口温度計１３９が設置され、低圧膨張タービン出口温度計１３９は、低圧膨張タービン１３８を出た冷媒の温度を計測し、制御装置１５０へ送出する。尚、本実施形態では、低圧膨張タービン１３８を出た冷媒は、極低温の水素ガスとなる。
また、低圧膨張タービン１３８を出た冷媒は、６段目の熱交換器１８０ｆから３段目の熱交換器１８０ｃ、及び１段目の熱交換器１８０ａの順に通過して昇温し、リサイクル低圧圧縮機１３２により昇圧された冷媒と合流し、リサイクル高圧圧縮機１３３の入口側へ戻される。

次に、フィードライン１１０について説明する。
フィードライン１１０には、通路１１１、フィード圧縮機１１２、フィード圧縮機出口側流量計１１３、フィード系ＪＴ弁入口圧力計１１４、フィード系ＪＴ弁入口温度計１１５、及びフィード系ジュールトムソン弁（「フィード系ＪＴ弁」と記す場合もある）１１６が備わる。
フィードライン１１０の通路入口には、原料ガス液化装置１０１の上流側から高純度の水素ガスが供給され、フィード圧縮機１１２は、その水素ガスの昇圧を行う。尚、昇圧された常温高圧の水素ガスの一部は、フィード圧縮機１１２の出口側の通路１１１に設けた分岐ラインを通して、冷媒循環ライン１３０に備わる膨張タービン１３７，１３８のタービン軸受へ供給される。この分岐点と１段目の熱交換器１８０ａの入口との間の通路１１１には、フィード圧縮機出口側流量計１１３が設置され、フィード圧縮機出口側流量計１１３は、一連の熱交換器１８０ａから１８０ｇ、１８１へ供給される直前の、常温高圧の水素ガスの流量を計測し、計測値を制御装置１５０へ送出する。

フィードライン１１０における通路１１１も、上述した冷媒循環ライン１３０を循環する冷媒と熱交換するために、１段目の熱交換器１８０ａから７段目の熱交換器１８０ｇへ順次接続されていき、さらに、上述のように液体水素貯槽１４０内に設置されている最終段の熱交換器１８１に接続される。さらに熱交換器１８１の出口通路は、フィード系ＪＴ弁１１６へ接続される。

フィード系ＪＴ弁１１６は、当該フィードライン１１０の通路出口に配置され、一連の熱交換器１８０ａから１８０ｇ、１８１にて冷却された高圧の水素ガスを通過させることで、極低温高圧の水素ガスをジュールトムソン（等エンタルピー）膨張させて液化し、極低温常圧の液体水素を生成する。生成される液体水素量は、制御装置１５０により、フィード系ＪＴ弁１１６の開度が制御されることで調整される。

フィード系ＪＴ弁入口圧力計１１４及びフィード系ＪＴ弁入口温度計１１５は、このフィード系ＪＴ弁１１６の入口直前の通路１１１に設置され、フィード系ＪＴ弁１１６へ供給される前における極低温高圧の水素ガスの圧力及び温度を計測し、計測値を制御装置１５０へ送出する。尚、図１では、便宜上、フィード系ＪＴ弁１１６に近位してフィード系ＪＴ弁入口温度計１１５を図示しているが、フィード系ＪＴ弁入口圧力計１１４及びフィード系ＪＴ弁入口温度計１１５の位置関係は図示に限定されない。

尚、本実施形態では、上で説明したフィードライン１１０及び冷媒循環ライン１３０について、フィードライン１１０におけるフィード圧縮機１１２及びフィード圧縮機出口側流量計１１３の部分、並びに、冷媒循環ライン１３０におけるリサイクル低圧圧縮機１３２、リサイクル高圧圧縮機１３３、リサイクル入口圧力調節弁１３４、及びリサイクルライン入口圧力計１３５の部分を除いた構成部分は、水素液化機１２０として構成している。尚、この構成により、冷媒循環ライン１３０におけるリサイクル入口圧力調節弁１３４及びリサイクルライン入口圧力計１３５は、水素液化機１２０への入口部分に配置されている。

ここで、以上説明したように構成される、液体窒素貯槽１７１及び液体水素貯槽１４０を含めて熱交換器１８０ａから１８０ｇ、１８１による、フィードライン１１０における水素ガスの液化動作について説明する。
フィードライン１１０の入口に供給された高純度の水素ガスは、フィード圧縮機１１２によって昇圧される。昇圧された常温高圧の水素ガスは、１段目の熱交換器１８０ａでは、液体窒素貯槽１７１で気化した窒素ガス、冷媒循環ライン１３０における低圧膨張タービン１３８を出た冷媒、及び冷媒循環ライン１３０における液体水素貯槽１４０で気化した水素ガスで冷却され、２段目の熱交換器１８０ｂでは液体窒素で冷却され、３段目から６段目の熱交換器１８０ｃから１８０ｆでは冷媒循環ライン１３０における膨張タービン１３７，１３８による冷却により、７段目の熱交換器１８０ｇでは冷媒循環ライン１３０における液体水素温度付近の温度を有する冷媒にて、さらに、最終段の熱交換器１８１では液体水素により、ほぼ液体水素温度まで冷却される。熱交換器１８１を通過した極低温高圧の水素ガスは、フィード系ＪＴ弁１１６を通過することで、膨張して液化し、極低温常圧の液体水素となり当該原料ガス液化装置１０１から排出される。尚、当該原料ガス液化装置１０１で生成され排出された液化原料ガスは、例えば貯留タンクに保持される。

次に、制御装置１５０について説明する。
制御装置１５０は、フィードライン１１０及び冷媒循環ライン１３０に関する動作制御を行う装置であり、本実施形態では特に原料ガスの液化量補正制御方法を実行する装置である。この原料ガス液化量補正制御方法の詳細については後述するが、この方法は、大きく分けて、フィード系ＪＴ弁１１６の開度指令２１０と、リサイクル入口圧力調節弁１３４の開度指令２５０とを有する。よって制御装置１５０は、これら２つの指令を行う制御機能部分を有する。尚、図１に示す制御装置１５０には、便宜上、２つの制御機能部分として「２１０」、「２５０」の符号を付したブロックを図示している。
このような制御装置１５０は、実際にはコンピュータを用いて実現され、上述の２つの制御機能部分を含めて以下に説明するような各機能は、対応するソフトウェアにて実行される。よって制御装置１５０は、このソフトウェアと、これを実行するためのＣＰＵ（中央演算処理装置）、メモリ等のハードウェアとから構成されている。

この制御装置１５０には、フィードライン１１０及び冷媒循環ライン１３０におけるプロセスデータ、例えば流量、圧力、温度、液位、回転数、弁開度等、が供給される。本実施形態では、フィードライン１１０で生成される液体水素の液化量を自動的に補正制御（調整）するため、さらに冷媒循環ライン１３０における過冷却及び冷熱不足の防止を行いながら当該原料ガス液化装置１０１の安定運転を達成するため、制御装置１５０に供給するプロセスデータとして、次の５つの計測値が重要となる。即ち、説明したように、フィードライン１１０に設置した、フィード圧縮機出口側流量計１１３、フィード系ＪＴ弁入口圧力計１１４、及びフィード系ＪＴ弁入口温度計１１５からの各計測値、並びに、冷媒循環ライン１３０に設置した、リサイクルライン入口圧力計１３５及び低圧膨張タービン出口温度計１３９からの各計測値である。

制御装置１５０は、これらの計測値を用いて、フィードライン１１０におけるフィード系ＪＴ弁１１６、及び冷媒循環ライン１３０におけるリサイクル入口圧力調節弁１３４の開度を制御して、フィードライン１１０及び冷媒循環ライン１３０におけるプロセスバランスを適切に制御する。
その結果、原料ガス液化装置１０１内の各熱交換器１８０ａから１８０ｇ、１８１、並びに膨張タービン１３７，１３８及び圧縮機１３２，１３３，１１２の経年劣化による原料ガス及び冷媒の流量減少に対して、フィードライン１１０における原料ガスの液化量、及び冷媒循環ライン１３０における循環冷媒量が自動的に調整され、原料ガス液化装置１０１におけるプロセスバランスを崩すことなく、原料ガスの所望の液化量を得られることができる。また、フィードライン１１０への原料水素ガスの供給が変動するような状況下でも、原料ガスの液化量に応じて冷媒量を調整するため、原料ガス液化装置１０１におけるプロセスバランスを崩すことなく安定した運転を行うことができる。

また、例えば運転初期段階、つまり上述の熱交換器１８０，１８１、膨張タービン１３７，１３８、及び圧縮機１１２，１３２，１３３が新品同様の段階、あるいは上流の原料ガスが変動なく安定して供給されるような条件下では、上述した５つの計測値の内、特に、低圧膨張タービン出口温度計１３９の計測値に応じて、制御装置１５０は、フィードライン１１０におけるフィード系ＪＴ弁１１６の開度を制御して、フィードライン１１０で生成される原料ガス、本実施形態では水素ガス、の液化量を制御してもよい。

以下には、制御装置１５０が実行する原料ガスの液化量補正制御方法について、図２から図４を参照して説明する。尚、図２から図４では、制御装置１５０に供給される上述した５つの計測器から得られる計測値について、図１に記した各計測器の符号を参考として記している。

図２は、原料ガスの液化量補正制御方法に関する動作構成をブロック図にて示している。
図示するように、制御装置１５０は、各プロセスデータを用いて、最終的にフィード系ＪＴ弁１１６の開度指令２１０、及びリサイクル入口圧力調節弁１３４の開度指令２５０を行う。
まず、フィード系ＪＴ弁１１６の開度指令２１０について説明する。
既に説明したように、フィード系ＪＴ弁１１６の開度調節は、フィードライン１１０における水素ガスの液化量を調節することに対応する。フィードライン１１０における水素ガスの液化量は、基本的には当該原料ガス液化装置１０１に対して予めオペレータが設定した低圧膨張タービン出口温度設定値２０１と、低圧膨張タービン出口温度計１３９の実際の温度計測値とのフィードバック制御によって決定される。図２に示す「タービン出口温度制御」２０２は、このフィードバック制御に相当する。よって、当該液化量補正制御方法において最も基本的な制御方法は、低圧膨張タービン出口温度計１３９で計測される低圧膨張タービン１３８の出口における冷媒温度に応じて、原料ガスである水素ガスの液化量を制御することであり、制御装置１５０は、上記冷媒温度によってフィード系ＪＴ弁１１６の開度調節を行う。
しかしながら、上述のフィードバック制御だけではフィードライン１１０から所望の水素ガスの液化量が得られない場合も考えられる。そこで本実施形態では、このような事態にも対応可能とするため、以下のように構成している。

即ち、低圧膨張タービン出口温度計１３９の実際の温度計測値が、低圧膨張タービン出口温度設定値２０１より高ければ、原料水素ガスに対する冷熱不足の状態であるので、フィード系ＪＴ弁１１６の開度を下げて原料水素ガスの流量を下げる。一方、低圧膨張タービン出口温度計１３９の実際の温度計測値が、低圧膨張タービン出口温度設定値２０１より低ければ、原料水素ガスに対する過冷却の状態であるので、フィード系ＪＴ弁１１６の開度を上げて原料水素ガスの流量を上げる。

つまり図２に示すように、上述のフィードバック制御に、フィード系ＪＴ弁１１６の開度補正演算２３０の結果を加えてフィード系ＪＴ弁１１６の開度指令２１０を行うようにしている。

フィード系ＪＴ弁１１６の開度補正演算２３０は、次のように行われる。
図２に示すように、フィード系ＪＴ弁１１６の開度補正演算２３０には、本実施形態では、一制御周期前のフィード系ＪＴ弁１１６に対する開度指令２１０の値（図内では「MV_last」と記す場合もある）であるフィード系ＪＴ弁開度（前回値）２２１と、フィード系ＪＴ弁入口圧力計１１４及びフィード系ＪＴ弁入口温度計１１５の各計測値と、フィードライン１１０におけるフィード圧縮機出口側流量の設定値に対する偏差（図内では「F_def」と記す場合もある）２２２と、補正演算を実行するか否かを指示するフラグ（「１」又は「０」）２２４とが供給される。ここで偏差２２２は、当該原料ガス液化装置１０１に対して予めオペレータが設定した負荷率２２３に対応した、フィード圧縮機出口側流量計１１３部分での原料ガスつまり水素ガスの設定流量値と、フィード圧縮機出口側流量計１１３部分での水素ガスの流量（フィードライン液化機入口流量）との偏差である。尚、上記設定流量値は、負荷率２２３と設定流量値との関係を示す情報、例えばテーブル関数によって求める。

ここで負荷率２２３とは、当該原料ガス液化装置１０１における定格液化量を生成するのに必要な冷媒循環ライン１３０の冷媒量を１００％負荷とした場合の液化量の割合である。
以下で詳しく説明するが、冷媒循環ライン１３０における冷媒量は、リサイクルライン入口圧力計１３５部分における圧力値を用いて調整される。また本明細書では、フィード圧縮機出口側流量計１１３を通過した原料ガスは全量液化するとしている。したがって、負荷率を設定することで、図２に示すように、フィード圧縮機出口側流量計１１３を通過する原料ガスの設定流量と、リサイクルライン入口圧力計１３５部分における設定圧力とがそれぞれ設定される。例えば、負荷率が８０％の場合、基本的には、原料ガスの設定流量値、つまり設定液化量は定格液化量の８０％の値となり、定格液化量の８０％を生成するために必要な冷媒量をリサイクルライン入口圧力で決定することになる。

開度補正演算２３０に関する動作構成をブロック図にて図３に示す。
開度補正演算２３０では、まずステップ２２５にて、フィード系ＪＴ弁入口圧力計１１４の計測値Ｐ１と、フィード系ＪＴ弁入口温度計１１５の計測値Ｔ１と、偏差２２２の値F_defとを元にして、フィード系ＪＴ弁１１６の、補正基準となる基準開度値CV_defを求める。その求め方の一例としては、図３に示す演算式が用いられる。しかしながら、この演算式に限定するものではなく、また基準開度値CV_defの求め方も演算式による方法に限定するものでもない。

次に、求めた基準開度値CV_defを元に、ステップ２２６では、フィード系ＪＴ弁１１６の補正開度値MV_defを求める。この補正開度値MV_defの求め方としては、本実施形態では一例として、フィード系ＪＴ弁１１６における弁開度と流量との関係が直線的な比例関係ではない場合も考慮して、例えば３つの弁開度区分を設定し、フィード系ＪＴ弁１１６に対する開度指令２１０の前回値MV_lastが対応する弁開度区分に応じて予め補正係数を設定しておき、この補正係数に基準開度値CV_defを乗じることで補正開度値MV_defを求める方法を採る。勿論、補正開度値MV_defの求め方は、この方法に限定するものではなく、公知の方法を採ることができる。例えば一例として、基準開度値CV_defと補正開度値MV_defとの関係をグラフあるいはテーブルの形態で保持しておき、これを用いて、求めた基準開度値CV_defから補正開度値MV_defを求めてもよい。よってこのような求め方においては、上述の前回値MV_lastを用いる必要はない。

求めた補正開度値MV_defは、予めオペレータが入力した液化量補正制御実行フラグ２２４に応じて出力の有無が選択される。尚、このフラグ２２４が「１」の場合は求めたMV_defを出力し、液化量補正制御を行う。一方、フラグ２２４が「０」である場合には「０」を出力し、液化量補正制御は行わない。つまり、「０」である場合には、低圧膨張タービン出口温度設定値２０１と、低圧膨張タービン出口温度計１３９の実際の温度計測値とのフィードバック制御のみにより、フィード系ＪＴ弁１１６の開度指令２１０を決定することとなる。

以上のような開度補正演算２３０を実行することで、フィードライン１１０における水素ガスの液化量が予め設定した液化量よりも多い場合には、フィード系ＪＴ弁１１６を絞ることで液化量を減らし、一方、液化量が予め設定した液化量よりも少ない場合には、フィード系ＪＴ弁１１６を開けることで液化量を増やすことができる。

また本実施形態では、上述のように、フィード系ＪＴ弁入口温度計１１５の計測値Ｔ１も考慮して開度補正演算２３０を実行した。しかしながら、計測値Ｔ１は、多少、値が変動しても演算結果には大きく影響しないことから、計測値Ｔ１を考慮せずに開度補正演算２３０を実行することもできる。
よって、フィード系ＪＴ弁１１６の開度補正演算２３０は、最低限、フィード系ＪＴ弁入口圧力計１１４の計測値Ｐ１、及び、フィード圧縮機出口側流量計１１３部分での入口流量と負荷率に応じたフィードライン１１０の流量設定値との偏差２２２を用いて行うことができる。

次に、リサイクル入口圧力調節弁１３４の開度指令２５０について説明する。
リサイクル入口圧力調節弁１３４の開度調節は、既に説明したように、冷媒循環ライン１３０を循環する冷媒量を調節することに対応する。
冷媒循環ライン１３０を循環する冷媒の量は、基本的には、当該原料ガス液化装置１０１に対して予めオペレータが設定した負荷率２２３を元に求めた、冷媒循環ライン１３０のリサイクルライン入口圧力計１３５部分における液化機入口圧力設定値と、リサイクルライン入口圧力計１３５からの実際の圧力計測値とのフィードバック制御によって決定される。
しかしながら、設定した負荷率２２３に対応した冷媒量では、フィードライン１１０から所望の水素ガスの液化量が得られない場合も考えられる。そこで本実施形態では、このような事態にも対応可能とするため、以下のように構成している。

即ち、図２に示すように、負荷率２２３に対応した、フィードライン１１０での原料ガスつまり水素ガスの設定液化量と、フィード圧縮機出口側流量計１１３部分での水素ガスの流量（フィードライン液化機入口流量）との偏差より、負荷率２２３の増減量に相当するΔ負荷率２４１を求める（ステップ２４０）。

ここで、ステップ２４０について図４を参照して説明する。
既に説明したように、当該原料ガス液化装置１０１には、予めオペレータによって負荷率２２３が設定され、フィード圧縮機出口側流量計１１３部分における、負荷率２２３に対応した水素ガスの設定流量値と、フィード圧縮機出口側流量計１１３における水素ガスの実際の計測流量値との偏差２２２が求まる。ステップ２４０では、設定した負荷率に対応した水素ガスの流量値つまり定格流量に対して偏差２２２がどの程度ずれているか、言い換えると、負荷率において、偏差２２２は何パーセントのずれに相当するか、を求める。求めたものは、負荷率における偏差分に相当し、Δ負荷率２４１とする。尚、上述のフラグ２２４により、Δ負荷率２４１を出力するか否かの選択が可能であり、フラグ２２４が「１」の場合には、求めた偏差分をΔ負荷率２４１として出力し、フラグ２２４が「０」の場合には、「０」をΔ負荷率２４１として出力する。つまり、Δ負荷率２４１が「０」である場合には、冷媒循環ライン１３０のリサイクルライン入口圧力計１３５部分における液化機入口圧力設定値と、リサイクルライン入口圧力計１３５からの実際の圧力計測値とのフィードバック制御のみで、リサイクル入口圧力調節弁１３４の開度指令２５０を決定することとなる。

次のステップ２４２では、求めたΔ負荷率２４１を上述の負荷率２２３に加算して「補正負荷率」を設定する。
そして次のステップ２４３では、補正負荷率と、リサイクルライン入口圧力計１３５部分における液化機入口圧力設定値との、予め用意した関係情報から、設定した上記「補正負荷率」に対するリサイクルライン入口圧力計１３５部分における圧力設定値２４４を求める。ここで、上記予め用意した関係情報として、例えばテーブル関数等を用いることができる。
次のステップ２４５では、リサイクルライン入口圧力計１３５から得られた、冷媒の実際の計測圧力値が圧力設定値２４４に近づくように、制御装置１５０は、冷媒循環ライン１３０のリサイクル入口圧力調節弁１３４の開度調節を行う。

この開度調節によって、上述のように冷媒循環ライン１３０を循環する冷媒量が調節される。さらに、本実施形態ではΔ負荷率２４１を用いたことにより、フィードライン１１０において水素ガスの液化量が所望の液化量よりも多い場合には、設定している負荷率を上げることで、冷媒循環ライン１３０を循環する冷媒の量を多くし、一方、水素ガスの液化量が所望の液化量よりも少ない場合には、設定している負荷率を下げることで冷媒循環ライン１３０を循環する冷媒の量を少なくすることができる。この結果、当該原料ガス液化装置１０１におけるプロセスバランスを維持することが可能となる。

以上説明したように、本実施形態の原料ガス液化装置１０１によれば、図１に示す装置構成を有し、図２から図４に示す原料ガスの液化量補正制御方法を適用することにより、以下の効果を得ることができる。
即ち、当該原料ガス液化装置１０１に備わる熱交換器１８０ａから１８０ｇ、１８１、並びに、各膨張タービン１３７，１３８及び各圧縮機１１２，１３２，１３３における経年劣化に起因する、原料ガス及び冷媒の流量減少が発生した場合でも、フィードライン１１０における原料ガスの液化量、及び、冷媒循環ライン１３０を循環する冷媒の量を自動的に調整することができる。その結果、原料ガス液化装置１０１内のプロセスバランスを崩すことなく、原料ガスの所望の液化量を得ることができる。
また、フィードライン１１０に対する原料ガスの供給が変動するような状況下でも、フィードライン１１０における原料ガスの液化量に応じて、冷媒循環ライン１３０を循環する冷媒の量を自動的に調整することもできる。その結果、原料ガス液化装置１０１内のプロセスバランスを崩すことなく、安定した運転、つまり安定した液化原料ガスの製造を行うことが可能になる。

上述の実施形態では、冷媒循環ライン１３０において、リサイクル高圧圧縮機１３３及びリサイクル低圧圧縮機１３２の２台を備え、また、高圧膨張タービン１３７及び低圧膨張タービン１３８の２台を備えている。しかしながら、これらの台数は、圧縮機及び膨張タービンの性能に依存するものであり、それぞれ２台に限定するものではない。

本発明は、例えば水素ガスのような極低温で液化される原料ガスを、冷媒循環ラインで生成した冷熱を利用して液化する原料ガス液化装置、及び原料ガスの液化量補正制御方法に適用可能である。

１０１…原料ガス液化装置、１１０…フィードライン、
１１３…フィード圧縮機出口側流量計、１１４…フィード系ＪＴ弁入口圧力計、
１１５…フィード系ＪＴ弁入口温度計、１１６…フィード系ＪＴ弁、
１３０…冷媒循環ライン、１３８…低圧膨張タービン、
１３９…低圧膨張タービン出口温度計、１４１…冷熱生成系統、１４２…液化系統、
１５０…制御装置、
２２２…偏差、２３０…開度補正演算。

Claims (10)

1. 沸点が窒素ガスよりも低温である原料ガスを供給するフィードラインと、上記原料ガスを冷却するための冷媒を循環させる冷媒循環ラインとを有し、上記原料ガスを液化する原料ガス液化装置において、
   上記冷媒循環ラインは冷熱生成系統を備え、この冷熱生成系統は、ガス状態の冷媒を膨張させ冷熱を生成する膨張タービンを有し、
   上記膨張タービンの出口側冷媒温度に応じて上記原料ガスの液化量を制御する制御装置を備えたことを特徴とする原料ガス液化装置。
2. 上記冷媒循環ラインは、上記冷熱生成系統で生成した冷熱を利用して冷媒を液化させる液化系統をさらに備え、
   上記フィードラインは、上記液化系統にて液化された冷媒で冷却された原料ガスをジュールトムソン膨張させ液化するジュールトムソン弁を有する、請求項１に記載の原料ガス液化装置。
3. 上記制御装置は、上記膨張タービンの出口側冷媒温度と該出口側冷媒温度の設定値とのフィードバック制御にて得られる上記フィードラインにおける上記ジュールトムソン弁の開度に補正演算結果を加えて上記ジュールトムソン弁の開度を補正して、上記原料ガスの液化量を制御する、請求項２に記載の原料ガス液化装置。
4. 上記ジュールトムソン弁の開度補正演算は、上記フィードラインにおける上記ジュールトムソン弁の入口圧力、及び、上記フィードラインの入口流量と負荷率に応じた上記フィードラインの流量設定値との偏差を用いて行う、請求項３に記載の原料ガス液化装置。
5. 上記ジュールトムソン弁の開度補正演算に、上記フィードラインにおける上記ジュールトムソン弁の入口温度をさらに加える、請求項４に記載の原料ガス液化装置。
6. 上記制御装置は、上記フィードラインの入口流量とその流量設定値との偏差を用いて上記冷媒循環ラインを循環する冷媒の量をさらに制御する、請求項１から５のいずれかに記載の原料ガス液化装置。
7. 上記制御装置による循環冷媒量の制御は、上記フィードラインの入口流量とその流量設定値との偏差を、当該原料ガス液化装置における設定液化率に対する増減量として求め、この増減量に従い上記冷媒循環ラインを循環する冷媒の量を制御する、請求項６に記載の原料ガス液化装置。
8. 沸点が窒素ガスよりも低温である原料ガスを供給するフィードラインと、上記原料ガスを冷却するための冷媒を循環させる冷媒循環ラインと、制御装置とを有する原料ガス液化装置にて実行される、原料ガスの液化量補正制御方法において、
   上記冷媒循環ラインは冷熱生成系統を備え、この冷熱生成系統は、ガス状態の冷媒を膨張させ冷熱を生成する膨張タービンを有し、
   上記制御装置にて、上記膨張タービンの出口側冷媒温度に応じて上記原料ガスの液化量を補正制御することを特徴とする原料ガスの液化量補正制御方法。
9. 上記制御装置にて、上記フィードラインの入口流量とその流量設定値との偏差を用いて上記冷媒循環ラインを循環する冷媒の量をさらに制御する、請求項８に記載の原料ガスの液化量補正制御方法。
10. 上記冷媒循環ラインにおける循環冷媒量の制御は、上記フィードラインの入口流量とその流量設定値との偏差を、当該原料ガス液化装置における設定液化率に対する増減量として求め、この増減量に従い上記冷媒循環ラインを循環する冷媒の量を制御する、請求項９に記載の原料ガスの液化量補正制御方法。

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