KR100768319B1 - 공기분리장치의 한냉손실방지를 위한 운전방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고장 수리 등을 위하여 짧은 시간동안 구동이 정지되었을 때 이웃한 다른 공기분리장치에서 배출된 여분의 공기로 한냉을 발생시켜 설비를 냉각시킴에 의해 설비의 재가동시간을 단축시킬 수 있도록 된 공기분리장치의 한냉손실방지를 위한 운전방법에 관한 것으로서, 공기압축기가 정지된 후 이웃한 공기분리장치에서 생성된 여분의 고압공기를 한냉발생기(150)의 승압기(150A)에 공급하고, 상기 한냉발생기(150)의 승압기(150A)에서 배출된 공기로 주 열교환기(140)를 냉각시킨 다음 한냉발생기(150)의 팽창터빈(150B)에 공급하며, 상기 팽창터빈(150B)에서 배출된 공기를 정류탑(160)에 공급하여 정류탑(160)의 하탑(164)과 상탑(162)을 냉각유지시킴을 특징으로 한다.
공기분리장치, 온도, 한냉손실, 바이패스

Description

공기분리장치의 한냉손실방지를 위한 운전방법{Operating method for preventing air separation unit from cooling}
도1은 일반적인 공기분리장치가 도시된 개략 구성도;
도2는 본 발명의 방법에 이용되도록 변형된 공기분리장치의 요부에 대한 구성도;
도3은 도2의 장치가 보다 구체화된 구성도;
도4는 본 발명의 작용을 설명하기 위한 블록도;
도5 및 도6은 본 발명의 방법에 의한 작용을 설명하기 위한 그래프도이다.
※도면의 주요부분에 대한 부호의 설명※
110 : 공기압축기 120 : 수세냉각탑
130 : 흡착기 140 : 주열교환기
141a, 141b, 141c : 온도계 150 : 한냉발생기
150A : 승압기 150B : 팽창터빈
160 : 정류통 162 : 상탑
164 : 하탑 200 : 공동배관
210 : 공기지관 220 : 액체공기분리기
232 : 온도계
본 발명은 공기분리장치의 운전방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고장 수리 등을 위하여 짧은 시간동안 구동이 정지되었을 때 이웃한 다른 공기분리장치에서 배출된 여분의 공기로 한냉을 발생시켜 설비를 냉각시킴에 의해 설비의 재가동시간을 단축시킬 수 있도록 된 공기분리장치의 한냉손실방지를 위한 운전방법에 관한 것이다.
일반적으로 공기분리장치는 비점차(산소: -183℃, 질소: -196℃, 아르곤: -186℃ )를 이용한 정유 원리에 의해 고순도의 산소, 질소 및 아르곤 가스를 생산하기 위한 장치이며, 고장수리 등의 이유로 짧은 시간 동안, 예컨대 5일 이하의 시간 동안 설비의 가동을 정지시킨다.
그리고, 이러한 공기분리장치는 다수대가 구비되어 사용처의 가스 사용량에 대응하여 일부 또는 전부를 가동시킨다.
대기중의 공기를 원료로 하고 비점 차이를 이용하여 산소, 질소 및 아르곤 등을 생산하는 제조설비는 여러 개의 공기분리장치로 이루어지고, 이 공기분리장치의 종래 구성은 도1에 도시된 바와 같다.
질소 78%, 산소 21%, 아르곤 1% 정도가 함유된 대기중의 공기를 흡입하여 공기압축기(110)에서 6㎏/㎠ 정도의 압력으로 압축시키고, 이렇게 압축된 원료공기는 수세 냉각탑(120)에 보내져 공기 속에 수용성 먼지를 제거시킴은 물론 공기의 온도 를 약 30℃ 정도로 냉각시키며, 계속하여 흡착기(130)를 통과시켜 공기 속에 포함된 수분 및 이산화탄소를 제거시킨 후, 주 열교환기(140)를 통과시킴에 의해 정류통(160)의 상탑(162)에서 분리되어 나오는 저온의 산소, 질소 및 불순질소 가스와의 열교환에 의해 약 -173℃ 정도로 냉각시킨다.
그리고, 상기 주 열교환기(140)에서 냉각된 공기는 정류통(160)의 하탑(164)에 공급되며, 이 하탑(164)의 압력이 4㎏/㎠ 이상이 되면 한냉발생기(150)를 기동시켜 일부는 주 열교환기(130)를 거쳐 정류통(160)에서 생산된 질소가스와 함께 배관(191)을 통해 사용처에 공급되고, 나머지는 정류통(160)의 상탑(162)으로 공급된다.
또한, 정류통(160)의 하탑(164)으로 공급된 저온의 공기는 배관들을 통해 상탑(162)으로 공급되는바, 이 과정에서 주 응축기(166)와 트레이(Tray)에 의해 1차적인 공기분리가 이루어져 액화공기는 하탑(162)으로 모여져 배관을 통해 상탑(164)과 아르곤 분리기(170)로 이송되고, 하탑(164)에서 분리된 순수 질소가스 및 산소가 포함된 불순 질소가스가 배관을 상탑(162)으로 이송된다.
그리고, 상탑(162)에서는 트레이에 의해 각 가스의 비점차이를 이용한 2차적인 분리가 이루어져 산소, 질소 및 불순 질소 가스로 분리되며, 산소 가스의 일부는 기화되는 불순 질소 가스에 의해 액체산소로 만들어져 주 응축기(166) 하부에 모여져 하탑(164)의 불순 질소 가스를 냉각시키면서 순도 조정 단계를 거친 다음에 고 순도의 산소와 질소 가스로 생산되고, 이렇게 생산된 산소가스와 질소가스는 배관(191)(192)을 통해 각각 사용처로 보내진다.
또한, 아르곤 분리기(170)에서도 상탑(162)에서 공급된 산소 중의 아르곤 가스를 분리시켜 배관을 통해 사용처로 보내지고, 전체 공기량의 60% 이상을 차지하는 미 응축 가스인 불순 질소 가스는 배관을 통해 주 열교환기(140)를 거쳐 대기로 방출된다.
이와 같은 공기분리장치는 상기한 운전 방법에 의해 연속적으로 운전되고 있으나, 설비의 안전 점검이나 설비 고장 등에 의해 단시간, 예컨대 5일 이하의 시간에 걸쳐 가동을 정지시킬 필요가 있고, 이러한 경우 장치를 이루는 구성요소들의 온도가 서서히 상승하는 한냉손실이 발생된다.
그리고, 한냉손실이 발생된 공기분리장치를 재가동시키는 경우, 공기압축기(110)에 의해 압축되고 수세 냉각탑(120)과 흡착기(130)를 거친 공기가 주 열교환기(140)를 통과하여 정류통(160)으로 공급될 때, 상기 주 열교환기(140)의 내부온도가 한냉손실에 의해 상승되어 있는 상태이기 때문에 상기 주 열교환기(140)에서 배출되어 정류통(160)으로 공급되는 공기의 온도가 정상적인 공기분리장치의 가동 상태일 때에 비하여 매우 높은 것이며, 이에 의하여 하탑(164)의 액체공기와 상탑(162)의 액체산소가 순간적으로 증발되면서 각각의 레벨을 저하시켜 정상적인 공기분리작용이 이루어질 때까지는 상당한 시간이 소요되는 문제점을 갖는 것이었다.
본 발명은 이러한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 고장 수리 등을 위하여 짧은 시간동안 구동이 정지되었을 때 이웃한 다른 공기분리장치에서 배출된 여분의 공기로 한냉을 발생시켜 설비를 냉각시킴에 의해 설비의 재가동시간을 단축시킬 수 있도록 된 공기분리장치의 한냉손실방지를 위한 운전방법을 제공함에 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 기술적인 구성으로서, 본 발명은, 공기압축기가 일정시간 정지됨에 의해 공기분리장치의 구성요소들이 가열되면서 한냉손실이 발생되는 것을 방지하기 위한 방법에 있어서, 공기압축기가 정지된 후 이웃한 공기분리장치에서 생성된 여분의 고압공기를 한냉발생기의 승압기에 공급하고, 상기 한냉발생기의 승압기에서 배출된 공기로 주 열교환기를 냉각시킨 다음 한냉발생기의 팽창터빈에 공급하며, 상기 팽창터빈에서 배출된 공기를 정류탑에 공급하여 정류탑의 하탑과 상탑을 냉각유지시킴을 특징으로 하는 공기분리장치의 한냉손실방지를 위한 운전방법을 마련함에 의한다.
이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.
도2는 본 발명의 방법에 이용되도록 변형된 공기분리장치의 요부에 대한 구성도로서, 가동중인 이웃한 공기분리장치의 흡착기(130')에서 배출된 공기의 일부가 공동배관(200)으로 공급되고, 이 공동배관(200)의 공기는 공기지관(210)을 통하여 한냉발생기(150)에 공급되도록 연결된다.
상기 공기지관(210)에는 유량제어밸브(212), 체크밸브(214) 및 개폐밸브(216)가 설치되고, 또한 상기 공기지관(210)을 통해 한냉발생기(150)로 유입되는 공기의 압력을 측정할 수 있도록 압력계(218)가 장착된다.
상기 한냉발생기(150)의 출구측에 액체공기분리기(220)가 설치되고, 이 액체공기분리기(220)는 액체공기를 배출시키는 액체공기배관(222)과 기체공기를 배출시키는 기체공기배관(224)을 가지며, 내부의 액체공기레벨을 측정하기 위한 레벨기(226)가 설치된다.
상기 액체공기배관(222)은 레벨제어밸브(2228)를 구비하여 주 열교환기(140)와 정류통(160) 하부를 연결시키는 배관(142)에 연결되고, 상기 기체공기배관(224)은 분지되어 하나는 유량제어밸브(225)를 구비하여 정류통(160)의 상탑(162)에 연결되며 다른 하나는 정류통(160) 상부와 주 열교환기(140)를 연결시키는 배관(144)에 연결 설치된다. 그리고, 상기 배관(144)에는 상탑압력 제어밸브(145)가 설치된다. 물론, 상기 배관(142)은 공기압축기, 수세 냉각탑 및 흡착기를 통해 주 열교환기(140)로 공기를 공급하는 배관(141)과 연결되어 있다.
또한, 상기 정류통(160)의 하탑(164) 내부에 설치된 트레이(165) 부분과 상기 배관(144)이 하탑압력 제어밸브(151)를 갖는 연결배관(150)에 의해 연결되고, 이 연결배관(150)이 배관(144)에 연결된 부분은 주 열교환기(140)와 상기 기체공기배관(224)의 분지관이 연결된 부분의 사이이다.
그리고, 상기 정류통(160)에는 하탑(164)의 내부 압력을 측정하기 위한 압력계(168a)와 상탑(162)의 내부 압력을 측정하기 위한 압력계(168b)가 구비된다.
또한, 정류통(160)에서 배출되어 주 열교환기(140)를 거쳐 대기로 불순 질소를 배출시키도록 연결된 배관(146)에는 온도측정을 위한 온도계(147), 압력측정을 위한 압력계(148) 및, 불순질소 출구의 압력을 제어하기 위한 압력제어밸브(149)가 각각 설치된다.
도3은 도2의 장치가 보다 구체화된 것으로, 주 열교환기(140)에 공기를 공급하는 배관(141)으로부터 분지된 분지배관(141A)이 유량제어밸브(143)를 구비하여 한냉발생기(150)의 승압기(150A) 입구로 연결되고, 상기 승압기(150A)의 출구에 구비된 중간압 배관(241)은 유량제어밸브(243)를 통해 주 열교환기(140)의 제1 교환기(140A)로 공급되고 유량제어밸브(244)를 통해 팽창터빈(150B)의 입구로 연결된다. 그리고, 상기 중간압 배관(241)에는 상기 승압기(150A)의 출구측에 배관 내부의 압력 측정을 위한 압력계(245)가 구비된다. 또한, 이 중간압 배관(241)은 유량제어밸브(243)와 압력계(245) 사이에서 바이패스관(246)이 분지되고, 이 바이패스관(246)은 바이패스밸브(247)를 구비하여 상기 승압기(150A)의 입구쪽으로 연결된다.
상기 팽창터빈(150B)의 출구와 액체공기분리기(220)의 입구를 연결시키는 연결관(230)에는 유량제어밸브(231), 온도계(232) 및 압력계(233)가 구비된다.
상기 주 열교환기(140)를 이루는 제1 교환기(140A)와 제2 교환기(140B)에는 각각 제1 온도계(141a)와 제3 온도계(141c)가 구비되고 이들 교환기(140A)(140B) 사이에는 제2 온도계(141b)가 구비된다.
이하, 본 발명의 작용을 설명한다.
정상운전되고 있던 공기분리장치가 필요에 의해 정지되면, 설비제어컴퓨터에 구비된 운전모드가 한냉손실방지운전모드인가를 판단(310)하여, 한냉손실방지운전을 위한 밸브류 개폐동작이 이루어진다(320).
즉, 정상운전중 개방되어 있던 승압기(150A)의 입구와 출구측 유량제어밸브(143)(243), 바이패스관(246)의 바이패스밸브(247), 팽창터빈(150B)의 입구와 출구측 유량제어밸브(244)(231)들중 승압기(150A)의 입구측 유량제어밸브(143)만이 폐쇄되고 나머지 밸브들은 개방된 상태로 유지시킨다.
그리고, 이웃한 공기분리장치의 흡착기에서 수분 및 이산화탄소가 제거된 공기를 공동배관(200)과 공기지관(210)을 통해 한냉발생기(150)의 승압기(150A) 입구로 공급하며, 이러한 상태에서 공기지관(210)의 유량제어밸브(212)를 조절하여 공기압력을 5㎏/㎠을 유지시키면서 한냉발생기(150)를 가동시킨다(단계 330).
상기 한냉발생기(150)의 승압기(150A)에서 공기의 압력이 약 8㎏/㎠ 정도로 상승되고 팽창터빈(150B)에서 약 0.58㎏/㎠ 정도로 떨어지면서 약 -165∼170℃ 정도로 냉각되어 한냉을 발생시키며, 이때 승압기(150A)에서 배출된 고압이면서 상온인 공기가 주 열교환기(140)로 공급되어 주 열교환기(140)의 내부 온도가 순간적으로 상승되지만 액체공기분리기(220)의 기체공기배관(224)과 정류통(160) 상부에 연결된 배관(144)을 통해 공급되는 찬 공기와 질소가스에 의해 서서히 냉각되어진다.
그리고, 상기한 주 열교환기(140)의 각 부분에 대한 온도의 관리가 매우 중요하며, 승압기(150A)에서 배출되는 공기의 입구측 온도, 즉 제1 온도계(141a)에서 검출되는 온도가 약 20 ~ 25℃, 제1 교환기(140A)와 제2 교환기(140B) 사이의 온도, 즉 제2 온도계(141b)에서 검출되는 온도가 약 -110∼-120℃, 공기 출구 온도, 즉 제3 온도계(141c)에서 검출되는 온도가 약 -170∼-175℃로 유지시켜야 하며, 이때, 주 열교환기(140)의 공기 출구온도와 팽창터빈(150B)의 출구 온도를 측정(단계 340)하여, 이 온도차이와 설정된 온도(약 5℃)를 서로 비교(단계 350)한다.
상기 온도차이가 설정된 온도보다 작으면 한냉발생기(150)의 승압기(150A) 배출구측 바이패스관(246)의 밸브(247)가 개방되어져 한냉발생기(150)에 공급되고 있는 공기량을 감소시켜 과도한 냉각을 방지(단계 352)시키는 반면에 온도차이가 설정된 온도보다 크면 바이패스밸브(247)를 폐쇄시켜 한냉발생기(150)의 냉각량을 증가시킨다(단계 354).
또한, 2차적으로 냉각된 공기는 주 열교환기(140)의 불순 질소 출구측 배관(146)에 설치된 압력계(148)와 온도계(147)에 의해 동작되는 압력제어밸브(149)를 작동시킴에 의해 냉각된 공기량을 제어하여 주 열교환기(140)가 과도하게 냉각되는 것을 방지한다.
상기의 냉각운전을 계속 수행하면서 정류통(160)의 주 응축기(166)가 적정한 냉각 상태를 유지시켜 주 응축기(166)의 레벨이 유지되게 하여야 하며, 이를 위하여는 팽창터빈(150B)의 출구측 유량제어밸브(244)를 서서히 개방시켜 상탑(162)에 한냉 공급을 개시함으로써 상탑(162)의 냉각운전을 실시한다. 이와 같이 상탑(162)에 한냉이 계속적으로 공급되면 상탑(162)의 압력이 상승되고 이러한 상탑(162)의 압력은 상탑압력 제어밸브(145)의 동작에 의해 주 열교환기(140)쪽으로 차가운 한냉을 공급시키면서 불순질소 압력제어용 유량제어밸브(149)를 통해 적정한 양의 불순질소가 대기로 배출되게 한다.
또한, 정류통(160)의 하탑(164)을 냉각시키기 위하여는 상기한 냉각운전을 계속 수행하면서 팽창터빈(150B) 출구에서 배출되는 액체 공기를 하탑(164)에 공급 하며, 이때 액체공기분리기(220)의 액체공기 레벨을 일정하게 유지시키면서 액체공기가 하탑(164)에 공급되게 한다. 즉, 레벨계(226)에서 검출된 액체공기의 레벨에 의해 레벨제어밸브(228)가 개폐되어 액체공기를 하탑(164)에 공급하며, 이 과정중 하탑(164)의 압력이 상승되면 유량조절밸브(251)가 동작되어 주 열교환기(140)에 차가운 한냉을 공급하면서 불순질소 압력제어용 유량조절밸브(149)를 통해 불순질소가 대기로 배출되게 한다.
상기한 운전은 설비의 재가동(단계 360에서 판단)시까지 이루어지며, 설비가 재가동되면 모든 밸브류들은 정상운전상태로 절환된다(370).
도5 및 도6은 종래기술과 본 발명의 방법에 따라 설비를 5일간 정지시킨 후 재가동하여 사용가능한 가스를 생산할 때까지의 시간과 공기온도의 관계를 나타낸 그래프도이다.
도5의 (a)와 도6의 (a)에서 알 수 있듯이, 재가동을 시작하여 질소순도가 10ppm 이하가 되는 시점을 비교하면, 종래기술에서는 약 10시간 정도가 소요되는 반면, 본 발명의 방법에서는 약 2시간 정도만이 소요됨을 알 수 있고, 이에 의하면 본 발명의 방법에 의해 한냉손실을 방지시킴으로써 보다 빠른 시간내에 설비의 정상적인 가동이 가능하도록 한다.
또한, 도5의 (b)와 도6의 (b)에서 나타나 있는 바와 같이 액체산소레벨과 액체공기레벨이 상기한 시간 후에 일정하게 유지됨을 알 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 공기분리장치의 한냉손실방지를 위한 운전 방법에 의하면, 공기분리장치의 가동이 정지되었을 때 이웃한 공기분리장치로부터 제공되는 고압공기로 한냉을 발생시켜 장치를 냉각시켜 한냉 손실을 방지시킴으로써 설비의 재가동이 신속하게 이루어질 수 있는 효과를 갖는다.

Claims (2)

  1. 공기압축기가 일정시간 정지됨에 의해 공기분리장치의 구성요소들이 가열되면서 한냉손실이 발생되는 것을 방지하기 위한 방법에 있어서,
    공기압축기가 정지된 후 이웃한 공기분리장치에서 생성된 여분의 고압공기를 한냉발생기(150)의 승압기(150A)에 공급하고, 상기 한냉발생기(150)의 승압기(150A)에서 배출된 공기로 주 열교환기(140)를 냉각시킨 다음 한냉발생기(150)의 팽창터빈(150B)에 공급하며, 상기 팽창터빈(150B)에서 배출된 공기를 정류탑(160)에 공급하여 정류탑(160)의 하탑(164)과 상탑(162)을 냉각유지시킴을 특징으로 하는 공기분리장치의 한냉손실방지를 위한 운전방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 한냉발생기(150)의 팽창터빈(150B)에서 배출된 공기의 온도와 주 열교환기(140)에서 배출된 공기의 온도 차이를 측정하고, 상기 온도 차이가 설정된 범위에 있으면, 상기 한냉발생기(150)의 승압기(150A) 입, 출구를 연결시키는 바이패스배관(246)에 구비된 바이패스밸브(247)의 개도를 증가시키며, 상기 온도 차이가 설정된 범위를 벗어나면, 상기 바이패스밸브(247)의 개도를 감소시킴을 특징으로 하는 공기분리장치의 한냉손실방지를 위한 운전방법.
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