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JP4932886B2 - ガス処理装置 - Google Patents

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Description

本願は、ガス処理装置に関する。
従来、冷凍系コンプレッサを備えるガス処理装置のシステム構成として、冷媒ガスを循環させて運転するクローズドサイクルシステムが知られている。例えば、下記特許文献１（特に、下記特許文献１の図１参照）に開示されるクローズドサイクルシステムでは、コンプレッサの下流にエキスパンダを設置し、エキスパンダの冷媒ガスの出口から流出した冷媒ガスをコンプレッサの冷媒ガスの入口に戻すことにより、冷媒ガスを再循環させている。このため、クローズドシステムにおいては、エキスパンダの冷媒ガスの出口の圧力が常にコンプレッサの冷媒ガスの入口の圧力よりも高い状態となり、エキスパンダの冷媒ガスの出口の圧力がコンプレッサの冷媒ガスの入口の圧力よりも低くなる運転状態はない。
米国特許出願公開第２００８／０１４８７７０号明細書
一方、上述した従来のクローズドサイクルシステムにおいては、窒素等の専用の冷媒ガスにより運転を行っているが、プロセスの効率化や装置構成の簡略化等を考慮した場合、冷媒ガスとしてプロセスガスを利用し、同時にプロセスガスを処理する構成が考えられる。このとき、システム構成はオープンサイクルシステムとなり、プロセスガスを上流の設備より冷媒ガスとして利用する。この場合には、プロセスガスの供給元である上流の設備の状態等によりプロセスガスの流量が変化することとなる。
このため、オープンサイクルシステムにおいて、冷媒ガスとしてプロセスガスを利用した場合、上流の設備から供給されるプロセスガスの流量が減少すると、コンプレッサに供給されるプロセスガスの流量が減少して、エキスパンダの出口から流出するプロセスガスの流量も減少してしまう。
そして、コンプレッサへのプロセスガスの流量が減少するとコンプレッサの運転点がサージングに入ってしまうため、コンプレッサ部分だけでリサイクル運転してサージングを回避することが考えられるが、エキスパンダ部分を含むプロセス部分におけるガスの流量が減少してしまうために、プロセス部分のロードが低下して、ガス処理装置の運転が行えなくなってしまう。
以上のことから、本発明は、供給されるプロセスガスの流量に関わらず運転を行うことができるガス処理装置を提供することを目的とする。
上記の課題を解決する第１の発明に係るガス処理装置は、
プロセスガスを圧縮するコンプレッサと、
前記コンプレッサの下流に配置され前記プロセスガスを処理する第１のプロセスと、
前記第１のプロセスの下流に配置され前記プロセスガスを膨張させて動力を得るエキスパンダと、
前記エキスパンダの下流に配置され前記プロセスガスを処理する第２のプロセスと、
前記コンプレッサを駆動する駆動手段と
を備えるガス処理装置において、
前記コンプレッサの前記プロセスガスの入口に配置され前記プロセスガスの圧力を測定する第１の圧力計と、
前記第２のプロセスの前記プロセスガスの出口に配置され前記プロセスガスの圧力を測定する第２の圧力計と、
前記第２のプロセスの前記プロセスガスの出口から、前記コンプレッサの前記プロセスガスの入口に接続される前記プロセスガスを再循環させる再循環流路と、
前記再循環流路に配置され再循環させる前記プロセスガスの圧力を調節する第１の圧力調節弁と、
前記第２の圧力計の下流に配置され前記プロセスガスの圧力を調節する第２の圧力調節弁と、
前記駆動手段の回転速度を測定する回転速度計と、
前記第１の圧力計及び前記第２の圧力計により測定した圧力並びに回転速度計により測定した回転速度に基づき、前記駆動手段の回転速度、前記第１の圧力調節弁及び前記第２の圧力調節弁のうち少なくともいずれかひとつを制御する制御手段と
を備える
ことを特徴とする。
上記の課題を解決する第２の発明に係るガス処理装置は、第１の発明に係るガス処理装置において、
前記第２のプロセスの前記プロセスガスの出口と前記第２の圧力調節弁との間に接続されたプロセスガス出口流路と、
前記プロセスガス出口流路に配置され前記プロセスガスの圧力を測定する第３の圧力計と、
前記プロセスガス出口流路の前記第３の圧力計の上流に配置され前記プロセスガスの圧力を調節する第３の圧力調節弁と
を備え、
前記制御手段は、前記第３の圧力計により測定した圧力に基づき、前記第３の圧力調節弁を制御する
ことを特徴とする。
本発明によれば、供給されるプロセスガスの流量に関わらず運転を行うことができるガス処理装置を提供することができる。
本発明の第１の実施例に係るガス処理装置の構成を示した模式図である。 本発明の第１の実施例に係るガス処理装置の制御ブロック図である。 本発明の第１の実施例に係るガス処理装置における第１のファンクションジェネレータの入出力特性を示した図である。 本発明の第１の実施例に係るガス処理装置における第２のファンクションジェネレータの入出力特性を示した図である。 本発明の第１の実施例に係るガス処理装置における第３のファンクションジェネレータの制御ブロック図である。 本発明の第１の実施例に係るガス処理装置における第３のファンクションジェネレータのヒステリシスの入出力特性を示した図である。 本発明の第１の実施例に係るガス処理装置における第３のファンクションジェネレータのスイッチの入出力特性を示した図である。 本発明の第１の実施例に係るガス処理装置における第３のファンクションジェネレータのレートリミッタの入出力特性を示した図である。 本発明の第１の実施例に係るガス処理装置における第３のファンクションジェネレータの入出力特性を示した図である。 本発明の第２の実施例に係るガス処理装置の構成を示した模式図である。 本発明の第２の実施例に係るガス処理装置の制御ブロック図である。
以下、本発明に係るガス処理装置を実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。
以下、本発明に係るガス処理装置の第１の実施例について説明する。
はじめに、本発明の第１の実施例に係るガス処理装置の構成について説明する。
なお、本実施例に係るガス処理装置の上流にはプロセスガスの供給元となる設備が設置されており、下流には処理後のプロセスガスを利用する設備が設置されているが、ここでの説明は省略する。また、プロセスガスとしては、例えば、窒素や水素や二酸化炭素を含む混合ガスを用いることができる。
図１は、本発明の第１の実施例に係るガス処理装置の構成を示した模式図である。
図１に示すように、本実施例に係るガス処理装置は、上流の設備より供給されたプロセスガスを圧縮するコンプレッサ１を備えている。コンプレッサ１の下流には、コンプレッサ１により圧縮されたプロセスガスに処理を施す第１のプロセス２を備えている。プロセス２の下流には、プロセスガスを膨張させて動力を得るエキスパンダ３を備えている。エキスパンダ３の下流には、エキスパンダ３により膨張させられたプロセスガスに処理を施す第２のプロセス４を備えている。また、本実施例に係るガス処理装置は、コンプレッサ１を駆動する駆動装置５を備えている。
コンプレッサ１のプロセスガスの入口には、プロセスガスの流路である第１の流路２０が接続されている。第１の流路２０の端部には、プロセスガスの供給元となる上流の設備との接続部であるプロセスガス入口２５が設置されている。コンプレッサ１のプロセスガスの出口と第１のプロセス２のプロセスガスの入口との間には、第２の流路２１が設置されている。
第１のプロセス２のプロセスガスの出口とエキスパンダ３のプロセスガスの入口との間には、第３の流路２２が設置されている。エキスパンダ３のプロセスガスの出口には、第４の流路２３が接続されている。第４の流路２３の端部には、処理後のプロセスガスを利用する下流の設備との接続部である第１のプロセスガス出口２６が設置されている。
第１の流路２０上には、コンプレッサ１のプロセスガスの入口の圧力を測定する第１の圧力計（ＰＩ1）１０が設置されている。第４の流路２３上には、第２のプロセス４のプロセスガスの出口の圧力を測定する第２の圧力計（ＰＩ2）１１が設置されている。また、第２のプロセス４のプロセスガスの出口と第２の圧力計１１との間から、プロセスガス入口２５と第１の圧力計１０との間には、プロセスガスを再循環させる再循環流路２４が設置されている。
再循環流路２４上には、再循環させるプロセスガスの圧力を調節する第１の圧力調節弁（ＣＶ1）１２が設置されている。第４の流路２３上の第２の圧力計１１と第１のプロセスガス出口２６との間には、プロセスガスの圧力を調節する第２の圧力調節弁（ＣＶ2）１３が設置されている。駆動装置５の回転軸には回転速度を測定する回転速度計（ＳＩ）１４が設置されている。
本実施例に係るガス処理装置は、第１の圧力計１０及び第２の圧力計１１により測定した圧力並びに回転速度計１４により測定した回転速度に基づき、駆動装置５の回転速度、第１の圧力調節弁１２及び第２の圧力調節弁１３のうち少なくとも１つを制御する制御装置６を備えている。なお、本実施例においては、制御装置６は駆動装置５の回転速度を制御する構成について説明したが、コンプレッサ１のインレットガイドベーンの角度を制御するようにしてもよい。
そして、本実施例に係るガス処理装置における制御装置９は、上流の設備から供給されるプロセスガスの流量が多いときには第２の圧力調節弁１３の開度を大きくしてエキスパンダ３における動力の回収量を増大させることができる。また、上流の設備から供給されるプロセスガスの流量が少なくなり、再循環させるプロセスガスが得られない場合には第１のプロセスのプロセスガスの出口の圧力を下げてエキスパンダ３からの動力を得ることにより、ガス処理装置全体における動力を低減することができる。
次に、本実施例に係るガス処理装置の制御方法について詳細に説明する。
図２は、本発明の第１の実施例に係るガス処理装置の制御ブロック図である。
図２に示すように、本実施例に係るガス処理装置における制御装置６は、第１の圧力計１０により測定した圧力に応じた信号を出力する第１の圧力制御部（ＰＣ1）３３と、第１の圧力制御部３３からの信号を入力して所定の入出力特性に基づき第１の圧力調節弁１２を制御する信号を出力する第１のファンクションジェネレータ（ＦＸ1）３０と、回転速度計１４により測定した回転速度に応じた信号を出力する速度制御部（ＳＣ）３４と、第１の圧力制御部３３からの信号を入力して所定の入出力特性に基づき信号を出力する第２のファンクションジェネレータ（ＦＸ2）３１と、第２の圧力計１１により測定した圧力に応じた信号を出力する第２の圧力制御部（ＰＣ2）３５と、第１の圧力制御部３３からの信号を入力して所定の入出力特性に基づき信号を出力する第３のファンクションジェネレータ（ＦＸ3）３２を備えている。
図３は、本発明の第１の実施例に係るガス処理装置における第１のファンクションジェネレータの入出力特性を示した図である。
図３に示すように、本実施例に係る制御装置６における第１のファンクションジェネレータ３０の入出力特性は、第１の圧力計１０からの信号に応じて入力を０％〜１００％として設定し、入力が０％のときには出力を１００％とし、入力が５０％のときには出力を０％とし、入力が０％〜５０％の間は直線的に出力を減少させ、入力が５０％〜１００％の間は出力を０％とする入出力特性を有している。
そして、第１のファンクションジェネレータ３０からの信号により第１の圧力調節弁１２を制御する。これにより、本実施例に係る制御装置６は、第１の圧力計１０により測定した圧力に応じて第１の圧力調節弁１２の開度を適宜調節することができる。
図４は、本発明の第１の実施例に係るガス処理装置における第２のファンクションジェネレータの入出力特性を示した図である。
図４に示すように、本実施例に係る制御装置６における第２のファンクションジェネレータ３１の入出力特性は、第１の圧力計１０からの信号に応じて入力を０％〜１００％として設定し、入力が０％〜５０％の間は出力を所定のＸ％とし、入力が１００％のときには出力を１００％とし、入力が５０％〜１００％の間は直線的に出力を増加させる入出力特性を有している。
そして、速度制御部３４は、第２のファンクションジェネレータ３１からの信号と、回転速度計１４からの信号とが入力され、第２のファンクションジェネレータ３１からの信号と、回転速度計１４からの信号とに応じて駆動装置５を制御する。これにより、本実施例に係る制御装置６は、第１の圧力計１０により測定した圧力と回転速度計１４により測定した回転速度とに応じて駆動装置５の回転速度を適宜調節することができる。
図５は、本発明の第１の実施例に係るガス処理装置における第３のファンクションジェネレータの制御ブロック図である。
図５に示すように、本実施例に係る制御装置６における第３のファンクションジェネレータ３２は、第１の圧力制御部３３からの信号を入力してヒステリシスを持たせて信号を出力するヒステリシス３６と、所定の信号を発生させる第１のシグナルジェネレータ（ＳＧ1）３７−１と、所定の信号を発生させる第２のシグナルジェネレータ（ＳＧ2）３７−２と、ヒステリシス３６からの入力Ｉｎｐｕｔ3に応じて第１のシグナルジェネレータ３７−１からの入力Ｉｎｐｕｔ1と第２のシグナルジェネレータ３７−２の入力Ｉｎｐｕｔ2のいずれか一方を出力するスイッチ（ＳＷ）３８と、スイッチ３８からの入力の増加及び減少に伴い出力の増加及び減少の割合に制限を施すレートリミッタ（ＲＬＴ）３９とを備えている。
図６は、本発明の第１の実施例に係るガス処理装置における第３のファンクションジェネレータのヒステリシスの入出力特性を示した図である。
図６に示すように、本実施例に係る第３のファンクションジェネレータ３２のヒステリシス３６の入出力特性は、第１の圧力制御部３３からの信号に応じ、入力が閾値βを上回るまでは出力をＯＦＦとし、入力が閾値βを上回った場合に出力をＯＮとし、その後、入力が閾値αを下回った場合に出力をＯＦＦとする入出力特性を有している。
図７は、本発明の第１の実施例に係るガス処理装置における第３のファンクションジェネレータのスイッチの入出力特性を示した図である。
図７に示すように、本実施例に係る第３のファンクションジェネレータ３２のスイッチ３８は、ヒステリシス３６からの信号に応じ、入力Ｉｎｐｕｔ3がＯＦＦの場合には第１のシグナルジェネレータ３７−１からの入力Ｉｎｐｕｔ1を出力し、入力Ｉｎｐｕｔ3がＯＮの場合には第２のシグナルジェネレータ３７−２からの入力Ｉｎｐｕｔ2を出力する入出力特性を有している。
図８は、本発明の第１の実施例に係るガス処理装置における第３のファンクションジェネレータのレートリミッタの入出力特性を示した図である。
図８に示すように、本実施例に係る第３のファンクションジェネレータ３２のレートリミッタ３９は、スイッチ３８からの信号に応じ、入力が増加した場合には図８中に矢印ａで示すように単位時間当たりの増加の割合に制限を施して信号を出力し、入力が減少した場合には図８中に矢印ｂで示すように単位時間当たりの減少の割合に制限を施して信号を出力する入出力特性を有している。
図９は、本発明の第１の実施例に係るガス処理装置における第３のファンクションジェネレータの入出力特性を示した図である。
図９に示すように、第３のファンクションジェネレータ３２において、ヒステリシス３６は、図９（ａ）に示す入力に対し、図９（ｂ）に示す信号を出力する。スイッチ３８は、図９（ｂ）に示す信号に対し、図９（ｃ）に示す信号を出力する。レートリミッタ３９は、図９（ｃ）に示す入力に対し、図９（ｄ）に示す信号を出力する。
そして、第２の圧力制御部３５は、第３のファンクションジェネレータ３２からの信号と、第２の圧力計１１からの信号とが入力され、第３のファンクションジェネレータ３２からの信号と、第２の圧力計１１からの信号とに応じて第２の圧力調節弁１３を制御する。これにより、本実施例に係る制御装置６は、第２の圧力計１１により測定した圧力に応じて第２の圧力調節弁１３の開度を適宜調節することができる。
以上のように、本実施例に係るガス処理装置によれば、上流の設備から供給されるプロセスガスの流量に関わらず運転を行うことができるガス処理装置を提供することができる。
以下、本発明に係るガス処理装置の第２の実施例について説明する。
本実施例に係るガス処理装置は、第１の実施例に係るガス処理装置とほぼ同様の構成であるが、処理後のプロセスガスを利用する下流の設備において所望する圧力を得られるように、プロセスガスの出口の圧力を調節することができる構成となっている。
図１０は、本発明の第２の実施例に係るガス処理装置の構成を示した模式図である。
図１０に示すように、本実施例に係るガス処理装置は、第１の実施例に係るガス処理装置の構成に加え、第２の圧力計１１と第２の圧力調節弁１３との間に第５の流路４０が接続されている。第５の流路４０の端部には、第２のプロセスガス出口４３が設置されている。第５の流路４０上には、プロセスガスの圧力を測定する第３の圧力計（ＰＩ3）４１が設置されている。第５の流路４０上の第３の圧力計４１の上流には、プロセスガスの圧力を調節する第３の圧力調節弁（ＣＶ3）４２が設置されている。
本実施例に係るガス処理装置においては、第２のプロセスガス出口４３に処理後のプロセスガスを利用する下流の設備を接続し、第１のプロセスガス出口２６から出たプロセスガスは、プロセスガスの種類や排出量等に応じて適切に処理する。例えば、プロセスガスが、窒素や水素や二酸化炭素を含む混合ガスの場合には地中隔離や大気に放出するなどして処理する。
そして、本実施例に係るガス処理装置においては、制御装置６は、第３の圧力計４１により測定した圧力に基づき、第３の圧力調節弁４２を制御する。
次に、本実施例に係るガス処理装置の制御方法について詳細に説明する。
図１１は、本発明の第２の実施例に係るガス処理装置の制御ブロック図である。
図１１に示すように、本実施例に係るガス処理装置における制御装置６は、第１の実施例に係るガス処理装置における制御装置６の構成に加え、第３の圧力計４１により測定した圧力に応じた信号を出力する第３の圧力制御部（ＰＣ3）４４を備えている。
そして、第３の圧力制御部４４は、第３の圧力計４１からの信号が入力され、第３の圧力計４１からの信号に応じて第３の圧力調節弁４２を制御する。これにより、本実施例に係る制御装置６は、第３の圧力計４１により測定した圧力に応じて第３の圧力調節弁４２の開度を適宜調節することができる。
以上のように、本実施例に係るガス処理装置によれば、第１の実施例に係るガス処理装置の作用及び効果に加え、第２のプロセスガス出口４３から流出するプロセスガスの圧力を、下流の設備において所望する圧力に調節して供給することができる。
本発明は、例えば、冷媒ガスの再循環流路を有し、冷媒ガスとしてプロセスガスを利用し、同時にプロセスガスを処理するガス処理装置に利用することが可能である。
１ コンプレッサ
２ 第１のプロセス
３ エキスパンダ
４ 第２のプロセス
５ 駆動装置
６ 制御装置
１０ 第１の圧力計（ＰＩ1）
１１ 第２の圧力計（ＰＩ2）
１２ 第１の圧力調節弁（ＣＶ1）
１３ 第２の圧力調節弁（ＣＶ2）
１４ 回転速度計（ＳＩ）
２０ 第１の流路
２１ 第２の流路
２２ 第３の流路
２３ 第４の流路
２４ 再循環流路
２５ プロセスガス入口
２６ 第１のプロセスガス出口
３０ 第1のファンクションジェネレータ（ＦＸ1）
３１ 第２のファンクションジェネレータ（ＦＸ2）
３２ 第３のファンクションジェネレータ（ＦＸ3）
３３ 第１の圧力制御部（ＰＣ1）
３４ 速度制御部（ＳＣ）
３５ 第２の圧力制御部（ＰＣ2）
３６ ヒステリシス
３７−１ 第１のシグナルジェネレータ（ＳＧ1）
３７−２ 第２のシグナルジェネレータ（ＳＧ2）
３８ スイッチ（ＳＷ）
３９ レートリミッタ（ＲＬＴ）
４０ 第５の流路
４１ 第３の圧力計（ＰＩ3）
４２ 第３の圧力調節弁（ＣＶ3）
４３ 第２のプロセスガス出口
４４ 第３の圧力制御部（ＰＣ3）

Claims (2)

  1. プロセスガスを圧縮するコンプレッサと、
    前記コンプレッサの下流に配置され前記プロセスガスを処理する第１のプロセスと、
    前記第１のプロセスの下流に配置され前記プロセスガスを膨張させて動力を得るエキスパンダと、
    前記エキスパンダの下流に配置され前記プロセスガスを処理する第２のプロセスと、
    前記コンプレッサを駆動する駆動手段と
    を備えるガス処理装置において、
    前記コンプレッサの前記プロセスガスの入口に配置され前記プロセスガスの圧力を測定する第１の圧力計と、
    前記第２のプロセスの前記プロセスガスの出口に配置され前記プロセスガスの圧力を測定する第２の圧力計と、
    前記第２のプロセスの前記プロセスガスの出口から、前記コンプレッサの前記プロセスガスの入口に接続される前記プロセスガスを再循環させる再循環流路と、
    前記再循環流路に配置され再循環させる前記プロセスガスの圧力を調節する第１の圧力調節弁と、
    前記第２の圧力計の下流に配置され前記プロセスガスの圧力を調節する第２の圧力調節弁と、
    前記駆動手段の回転速度を測定する回転速度計と、
    前記第１の圧力計及び前記第２の圧力計により測定した圧力並びに回転速度計により測定した回転速度に基づき、前記駆動手段の回転速度、前記第１の圧力調節弁及び前記第２の圧力調節弁のうち少なくともいずれかひとつを制御する制御手段と
    を備える
    ことを特徴とするガス処理装置。
  2. 前記第２のプロセスの前記プロセスガスの出口と前記第２の圧力調節弁との間に接続されたプロセスガス出口流路と、
    前記プロセスガス出口流路に配置され前記プロセスガスの圧力を測定する第３の圧力計と、
    前記プロセスガス出口流路の前記第３の圧力計の上流に配置され前記プロセスガスの圧力を調節する第３の圧力調節弁と
    を備え、
    前記制御手段は、前記第３の圧力計により測定した圧力に基づき、前記第３の圧力調節弁を制御する
    ことを特徴とする請求項１に記載のガス処理装置。
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