JPS6090802A - 水蒸気改質器に於ける改質ガス出口温度制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は水蒸気改質器に於て供給燃料熱量を制御するこ
とにより水蒸気改質器出口の改質ガス温度を運転条件に
応じて制御する方法に関する。

水蒸気改質による還元ガスの製造は天然ガスからナフサ
までの軽質炭化水素と水蒸気とを混合し、該混合物をニ
ッケル系触媒などの触媒を充填した反応管即ち触媒管に
導き加熱、反応させることによって行われる。この反応
は次式によって表すことができる。

Ｃ，ｎ　Ｈｓ＋　＋　ｎＨ２Ｏ−＋　ｎｃＯ＋　（ｎ　
＋、）　Ｈ２・・・・・・・・・〈１） ＣＯ＋３Ｈ：ＣＨ＋ｌ（Ｏ・・・・・・・・・〈２）２
　４　λ ＣＯ＋　ＨＯ：ｉ’Ｃ，０２十Ｈｚ　−−−（３）式１
は炭素数の多い炭化水素が還元ガスに移行する反応を表
しているが、実際に触媒上で起っている反応は遥かに複
雑である。十分に触媒の活性の高いリフオミング触媒の
存在下では、触媒層を出る炭化水素はメタンであり、エ
タンまたはそれより分子量の高い炭化水素はほとんど認
められないことから水蒸気改質器に於ける反応は総括的
に見て式２及び３による化学平衡としての取扱いが可能
である。

水蒸気改質反応は大きな吸熱を伴う反応であり、その反
応熱は触媒管を外部より加熱することにより与えられる
。加熱方法としては一般的には燃料を用いたバーナによ
る加熱方法である。この反応熱供給にはかなりの時間遅
れが伴うためにフィードバック制御によっては安定に制
御することが極めて困雌である。これは、主に、加熱炉
本体、触媒管及び触媒管内の触媒等が大きな熱容量を有
することに起因する。

そこで従来は作動条件をほぼ一定としオペレータの勘と
経験に頼る手動制御を行っていた。特に水蒸気改質によ
り製造される水素の華黄量の変動などにより負荷条件を
変える場合には、オペレータの経験や勘が運転上重要で
、作動条件を安定させるには高度の熟練度が必要であり
、このような水蒸気改質器の稼働を円滑に行うためには
、個々の改質器の運転に習熟したオペレータを必要とし
た。

このような水蒸気改質装置の稼働に於ける繁雑な操作を
解消するべく、本発明の主な目的は、供給燃料熱量の変
化に対し長いむだ時間遅れを伴って水蒸気改質器出口の
改質ガス温度が変化する特性を有する水蒸気改質器の出
口に於ける改質ガス温度を自動制御することにある。

本発明の第二の目的は水蒸気改質器出口に於ける改質ガ
ス温度をＩＩＩＩｌｌすることにより水蒸気改質装置に
より製造される水素を主成分とづるガスの組成を一定に
維持することにある。

本発明の第三の目的は作動条件が変動しても常に水蒸気
改質器への燃料熱量の供給をその変動に対応する条件へ
と最適に追従させることにより一方に於て熱量の節約を
計り他方に於て所望の作動条件を常に維持し得るような
水蒸気改質器の出口に於ける改質ガス温度を自動制御す
る方法を提供することにある。

本発明のこのような目的は、水蒸気改質器の出口温度を
制御する方法に於て、水蒸気改質器に供給される炭化水
素及び水蒸気の供給量と前記水蒸気改質器の入口及び出
口温度とに基づくフィードフォワード制御出力並びにフ
ィードバック制御出力の合成出力をもって前記水蒸気改
質器への燃料熱量の供給を調節することを特徴とする方
法及び水蒸気改質器の出口温度を制御する方法に於て、
水蒸気改質器に供給される炭化水素及び水蒸気の供給量
と前記水蒸気改質器の入口及び出口温度と、炭化水素の
組成、物性等の設計条件に基づき物質収支、熱収支を算
出するプロセスシミュレータを用いて作成された関数式
またはテーブル関数として表される水蒸気改質器モデル
から得られる出力データとに基づくフィードフォワード
制御出力並びにフィードバック制御出力の合成出力をも
って前記水蒸気改質器への燃料熱量の供給を調節するこ
とを特徴とする方法を提供することよりｉ成される。

以下、本発明の好適実施例を添付の図面にライて詳しく
説明する。

第１図はシステムの全体を表したものである。

改質ガスの原料となる天然ガス、ナフサなどの軽質炭化
水素を管路１、バルブ３ａ、及び管路５を経て水蒸気改
質器１４の対流部分１５８１次いで輻射部分をなす触媒
管１５ｂに供給する一０炭化水素の供給量は前記バルブ
３ａを制御する流量コントローラ３によって調節される
。流量コントローラ３は、後記するパラメータ算出演算
器３８等の設定器から信号線３９ｇを経て送られてくる
設定値を表す信号に基づいてバルブ３ａを制御し常に所
望の流量を確保する。

一方第二の原料となる水蒸気は管路６、バルブ８ａ、管
路１０を経て混合部分１１に送られ前記管路５に送られ
てきた炭化水素と混合される。供給されるべき適切な水
蒸気の聞は炭化水素の流量に応じて定まるので炭化水素
のための流山センサ−２から信号線１２を経て送られて
くる流量を表す信号に基づき水蒸気炭化水素比率設定器
１３によって設定される水蒸気量と炭化水素中の炭素と
の比Ｓ／Ｃに応じた水蒸気流量を改質器１４に供給する
べく、前記水蒸気炭化水素比率設定器１３からの信号に
基づき水蒸気のための流器コントローラ８がバルブ８ａ
を適宜開閉することにより管路１０に送られる水蒸気の
量を調節する。水蒸気炭化水素比率設定器１３は、常に
適正な水蒸気流量を確保するべく管路６に設けられた流
量センサ７から信号線すを経て送られてくる流量信号を
フィードバック信号として入力されている。

水蒸気改質器１４に於て、供給された炭化水素及び水蒸
気は対流部分１５ａの管路に於て４００℃〜５’５０℃
に加熱され触媒管１５ｂに送られる。

触媒管１５ｂに於て前記した化学反応が進み管路１６を
経て改質ガスとして管路３０に送られる。

このとき改質器の出口部分に於て温度センサ２９により
検出されるべき温度は６００℃〜１０００℃である。

この出口温度は製造される改質ガスの組成を決定する重
要なパラメータであるため適切に制御される必要がある
。

本実施例の場合、水蒸気改質器１４のための熱源として
通常の燃料バーナ３７が用いられている。

このバーナ３７に於て、管路１７、流量センサ１８、バ
ルブ２０ａ及び管路２１を経て送られてきた燃料が、水
蒸気改質器１４を加熱するべく燃焼される。流量センサ
１８に於て検出された流量は流量コントローラ１９に送
られ、流量コントローラ１９の出力は信号線２４を経て
圧力コントローラ２０に送られる。圧力コントローラ２
０は前記バルブ２０ａの開閉を制御するためのものであ
って、圧力センサ２２によって検出された。管路２１内
の圧力を表す信号を信号線２３を経て供給されまた前記
流量コントローラ１９からの信号を、圧力コントローラ
２０の設定値どして信号線２４を介して受け全体として
燃料の供給がカスケード制御されている。

符号２５はフィードバックコントローラを示しており、
温度センサ２９により検出され、水蒸気改質器１４の出
口温度を示す温度信号を信号線３３から入力信号として
供給され、また水蒸気及び炭化水素の供給量を示す信号
をそれぞれ信号線２７．２８から入力信号として供給さ
れている。フィードバックコントローラ２５は信号線３
６及び加算器３２を介して前記流量コントローラ１９の
設定値を調節することにより、各時点に於ける改質器１
４の作動状態に応じた指示を流量コントローラ１９に与
え、改質器１４の作動即ちその出口温度を制御する訳で
あるが、しかしながらこのようなフィードバック制御の
みをもっては、前記し′たような多大な時間遅れのため
に安定な制御を行なうことができない。

そこで本発明に基づき、前記フィードバックコントロー
ラ２５に加えてフィードフォワードコントローラ２６を
用いており、温度センサ３４により検出され、水蒸気改
質器１４の入口ｉｔを示す温度信号を信号線３５から入
力信号として供給さ名フィードバックコントローラ２５
の設定値を示ず信号を信号線４０から入力信号として供
給される。また水蒸気及び炭化水素の供給量を示す信号
をそれぞれ信号線゛２７．２８から入力信号として供給
されている。フィードフォワードコントローラ２６は改
質器１４の作動状態の変化を予め予測し、改質器１４の
作動条件を目標作動条件に向は調節すべく先行出力を信
号線３１を経て加算器３２に供給している。加算器３２
に於て、信号線３６．３１により供給されるフィードバ
ックコントローラ２５及びフィードフォワードコントロ
ーラ２６の出力を加算している。

符号３８は、パラメータ算出演算器を示しており、例え
ば第２図以下について詳しく説明するよりはアルゴリズ
ムを備えているものであって良く、信号線３９ａにより
炭化水素流量を設定し、信号線３９ｂ　、３９（ｌによ
り供給される改質器の入口温度、出口温度信号に基づき
、信号１！３９０〜３９ｆによってフィードバックコン
トローラ２５及びフィードフォワードコントローラ２６
に種々のパラメータを与えるものである。

フィードフォワードコントローラ２６及びフィードバッ
クコントローラ２５として、それぞれマイクロプロセッ
サを利用したワンループディジタルコントローラを使用
することができる。

このように従来手動で行なわれていた水蒸気改質器の制
御を自動化することにより省力化を図ることができる。

水蒸気改質器への燃料熱量供給用バーナとしては輻射部
の天井部に設置するダウンファイアリング法、床部に設
置するアップファイアリング法及び炉側壁に設置するサ
イドファイアリング法等の方法があり、本発明は上記す
べてのファイアリング方法に適用可能である。特にサイ
ドファイアリング法ではバーナを各段毎に個別に調節す
ることにより触媒管１５ｂに於ける温度分布を最適に維
持することができるために触媒及び触媒管を最も有効的
に利用できかつその寿命を長く保つことが可能である。

また水蒸気改質器の運転条件が常に一定に保たれるため
に製品水素の品質の向上が図れ、しかも燃料調整が常に
最適に保たれるために燃料消費量が節約される。

しかしながら、改質器内で行なわれる反応が触媒管内で
発生する吸熱反応であり、一般の加熱炉等に於ける場合
と異なり、加熱糧と燃料量との関係が極めて複雑である
ために、製品水素の消費量の変動その他の作動条件の大
幅な変更に対しては常にフィードフォワードコントロー
ラ２６及びフィードバックコントローラ２５の特性を適
切に保つことが困難である。

そこで本発明によれば水蒸気改質器内で行なわれる化学
反応を、原料の流量及び組成などの設計条件に基づいて
、物質収支、熱収支の計算を行なうプロセスシミュレー
タを用い、様々な条件下に於ける水蒸気改質器の作動特
性を予めめておき、作動条件の変動に応じてフィードフ
ォワードコントローラ２６及びフィードバックコントロ
ーラ２５の制御特性を適宜適応化することが可能である
。

このＪｌプロセスシミュレータとして大型計算機による
コンピュータシミュレーションを行ない、その結果得ら
れた各変数の関係を示す関数式またはテーブル関数をフ
ィードフォワードコントロー、う２６及びフィードバッ
クコントローラ２５にインプットしておくと良い。

こうすることにより作動条件の大幅な変動、即ち製品水
素ガスの消費量或いは供給炭化水素の大きな変動などに
対して常に適応し安定に作動することのできるフィード
フォワードコントロール及びフィードバックコントロー
ルが実現する。

そのような構成の具体例が第２図以下に詳しく示されて
いる。

第２図はフィードフォワードコントローラ２６に於て用
いられているフィードフォワード制御アルゴリズムを表
すブロックダイアグラムである。

当該アルゴリズムの入力は、炭化水素量ＦＮ１水蒸気量
と炭化水素中の炭素との比Ｓ／Ｃ，水蒸気改質器１４の
触媒管１５ｂの入口に於ける原料潤度ＴＦ、改質ガス出
口温度設定値Ｔｓ　１炉特性Ｅｆ及び燃料発熱量にであ
る。

予めブＯセスシミル−タを用いて算出された物質収支及
び熱収支を元に水蒸気炭化水素比Ｓ／Ｃ及び改質器出口
入口温度差ＴＳ−ＴＦをパラメータとして単位原料当り
の必要反応熱ｆｌＱｐＢ　を算出する関数式またはテー
ブル関数４０に水蒸気炭化水素比Ｓ／Ｃ及び減算器４１
から得られる改質器出口入口温度差Ｔｓ−ＴＦ　を入力
し単位原料当りの必要反応熱量１′１５　を算出する。

乗範器４２に於て単位原料当りの必要反応熱量ＱＲに原
料流量ＦＮを乗じて必要反応熱ｆｉＱＱを得る。必要反
応熱量Ｑｔ２に、乗算器４３に於て炉特性Ｅ「の逆数を
乗じて必要な燃料燃焼熱量ＱＦを得、それに燃料発熱Ｉ
Ｋの逆数を乗算器４４に於て乗じ必要な燃料流ＩＦＢを
得る。

第３図はフィードバックコントローラ２５に於て用いら
れているフィードバック制御アルゴリズムを表すブロッ
ク図である。当該アルゴリズムへの入力は炭化水素流量
ＦＮ、水蒸気と炭化水素中の炭素との比Ｓ／Ｃ，水蒸気
改質器の出口に於ける改質ガス温度測定値ＴＩ２、その
設定値ＴＳ　％Ｐ１０コントローラ５１のパラメータに
β　・Ｐ４　・Ｔ乙　・Ｔｊ、炉特性Ｅ子及び燃料発熱
ｊｉＫである。

予めプロセスシミュレータを用いて算出された物質収支
及び熱収支をもとに水蒸気炭化水素比Ｓ／Ｃ及び改質ガ
ス出口温度測定値ＴＲをパラメータとして反応熱量変化
に対する改質ガス出口温度変化１）Ｒを算出する関数式
またはテーブル関数４５を作成し、これに水蒸気炭化水
素比Ｓ／Ｃ及び改質ガス出口温度測定値Ｔ９Ｌを入力し
改質ガス出口温度変化ｐＰ、を得、それに４特性Ｅｆの
逆数及び燃料発熱量にの逆数をそれぞれ乗算器４６．４
７に於て乗じた後、除算器４８に於て原料流量Ｆ１．ｌ
をもって除することにより燃料量変化に対する改質ガス
出口温度の変化Ｐ、を得る。この温度変化Ｐ（をパラメ
ータ算出演算器３８で算出した専プロセスゲインＰ：及
びコントローラゲインＫＰをもって除算器４９．５０に
於て除することによりコントローラゲインＫｐを得る。

こうして（ｑられたコントａ−ラゲインＫｐ並びに後述
のパラメータ算出演算器で算出した微分時間Ｔｉ及び積
分時間ＴｊをＰＭＤコントローラ５１に与えることによ
り改質ガス出口温度実測値Ｔｌ１２をその設定値Ｔｓ　
に追随させるために必要な燃料流量ＦＢが算出される。

第４図はパラメータ算出演算器３８の一部であって、こ
れらフィードフォワードコントローラ２６及びフィード
バックコントローラ２５に於て必要となる４特性Ｅｆを
算出するための炉特性算出アルゴリズムを表すブロック
図である。

フィードフォワード制御アルゴリズムに於て用いられた
テーブル関数４０と同様のテーブル関数５２に水蒸気炭
化水素比Ｓ／Ｃ及び改質ガス出口温度の実測値Ｔ　と改
質ガス人口１　ｒｆＩＴ１＝：　との差ρ を入力し実際の単位原料当りの反応熱量ｑよを得、それ
に実際の原料流量Ｆ１を乗算器５４に於て乗することに
より実際の反応熱ｆｆ１Ｑ、を（ｑる。そしてその時点
に於ける燃料流ｆｆ１ＦＢに発熱ｆｆ１Ｋを乗算器５５
に於て乗することによりその時点での燃料熱量ＱＦを得
て、除算器５６に於て前記した実際の反応熱量ＱＲを除
することにより４特性Ｅｌを得る。

第５図はパラメータ算出演算器３８の一部であって、前
記したＰＩＤコントローラ５１のＰｒＤパラメータであ
るコントローラゲインＫＰ、微分時間Ｔ、＝及び積分時
間下Ｊを算出するためのアルゴリズムを表すブロック図
である。

燃料流量のステップ変化により生じた水蒸気改質器の出
口改質ガス温度の経時変化をステップ応答として測定し
、ステップ応答曲線により水蒸気改質器の燃料流量変化
に対する時定数とむだ時間とを算出する。更にこの算出
された時定数とむだ時間とに基づＧＮてライ−ブラー−
ニコルス（Ｚｉｅｇｌｅｒ　−Ｎ　１ｃｈｏｌｓ）の条
件からＰＩＤコントローラ５１のその時点に於ける最適
ＰＩＤパラメータを算出するものである。

このような作動条件の大幅な変動に対応し得る、より精
密なフィードフォワードコントロール及びフィードバッ
クコントロールを行なうことにより、負荷などの変動に
適応するための時間が短縮され、生産上必要に応じて自
由に負荷の変更を行なうことがで声るよ−１１になり−
［、かもそのｍ作をオペＴ自動的に行なうことができる
ために極めて便利である。

【図面の簡単な説明】

第１図は水蒸気改質器の出口に於（プる改質ガスの温度
を制御するための本発明に基づく構成を示す図式的概念
図である。 第２図はフィードフォワードコントローラ２６に於て用
いられているフィードフォワード制御アルゴリズムを表
すブロック図である。 第３図はフィードバックコントローラ２５に於て用いら
れているフィードバック制御アルゴリズムを表すブロッ
ク図である。 第４図はフィードフォワードコントローラ２６及びフィ
ードバックコントローラ２０に於て必要となる４特性Ｅ
ｆを算出覆るための炉特性算出アルゴリズムを表すブロ
ック図である。 第５図は前記したＰＩＤコントローラのＰＩＤパラメー
タであるコントローラゲイン、積分１ｍ及び微分時間を
算出するだめのアルゴリズムを表すブロック図である。 １・・・管路、２・・・流量センサ、３・・・流量コン
トローラ、３ａ・・・バルブ、５・・・管路、６・・・
管路、７・・・流量センサ゛、８・・・流量コントロー
ラ、ｆ３’ａ・・・バルブ、９・・・信号線、１０・・
・管路、１１・・・混合部分。 １２・・・信号線、１３・・・水蒸気炭化水素比コント
ローラ、１４・・・水蒸気改質器、１５ａ・・・対流部
分。 １５ｂ・・・触媒管、１６・・・管路、１７・・・管路
、１８・・・流量センサ、１９・・・流量コントローラ
、２０・・・圧力コントローラ、２０ａ・・・バルブ、
２１・・・管路。 ２２・・・圧力センサ、２３・・・信号線１２４・・・
信号線。 ２５・・・フィードフォワードコントローラ、２６・・
・フィードバックコントローラ、２７．２８・・・信号
線、２９・・・温度センサ、３０・・・管路、３１・・
・信号線、３２・・・加算器、３３・・・信号線、３４
・・・、温度センサ、３５．３６・・・信号線、３７・
・・バーナ、３８・・・パラメータ算出演算器、３９ａ
〜３９ｏ・・・信号線、４０・・・テーブル関数、４１
・・・減算器、４２．４３．４４・・・乗算器、４５・
・・テーブル関数、４６．４７・・・乗算器、４８．４
９．５０・・・除算器、５１・・・ＰＩＤコントｎ−ラ
、５２・・・テーブル関数、５３・・・減算器、５４．
５５・・・乗算器、５６・・・徐算器特許出願人　千代
田化工建設株式会社 代　理　人　弁理士　大　島　陽　− 第１図 第３図 第４図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）水蒸気改質器の出４口温度を制御する方法に於て
   、水蒸気改質器に供給される炭化水素及び水蒸気の供給
   饅と前記水蒸気改質器の入口及び出口濃度とに基づくフ
   ィードフォワード制御出力並びにフィードバック制御出
   力の合成出力をもって前記水蒸気改質器への燃料熱量の
   供給を調節することを特徴とする方法。
2. （２）水蒸気改質器の出口濃度を制−する方法に於て、
   水蒸気改質器に供給される炭化水素及び水蒸気の供給ｍ
   と前記水蒸気改質器の入口及び出口温度と、炭化水素の
   組成、物性等の設計条件に基づき物質収支、熱収支を□
   算出するプロセスシミュレータを用いて作成された関数
   式またはテーブル関数として表される水蒸気改質器モデ
   ルから得ら名、２１…＋Ｉ−Ｆ−々ンＬ−其づど７ノ一
   ジ７ナクーｇ伽制御出力並びにフィードバック制御出力
   の合成出力をもって前記水蒸気改質器への燃料熱量の供
   給を調節することを特徴とする方法。