JPS583189B2 - 空気分離装置における酸素製造量の自動制御方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、空気分離装置における酸素製造量の自動制御
方法に関し、特に酸素製造量を、使用先の消費量の変動
に応じ、自動的に決定して酸素製造を行なうことにより
、製造量と消費量のバランスを常時適正に維持し得るよ
うにしたものである。

戦後、鉄鋼生産量の飛躍的増大と製鋼プロセスにおける
酸素利用技術の確立にともなって、鉄鋼業における酸素
消費量は増大の一途をたどり、空気分離装置も、昨今１
００００〜３００００Ｎｍ／ｈの大能力を持った大型の
ものが設置されるに及んでいる。

製銑・製鋼プロセスにおける酸素の主な使用先として、
高炉と転炉を挙げることができる。

このうち、高炉操業は、周知のように連続的であるので
酸素の使用量に経時的な変動はなく、常に一定で安定し
ており、需給バランス上格別困難な問題はない。

これに対し、転炉操業は、バッチ的に断続して行なわれ
、しかも短時間内に大量の酸素を消費する。

７７１１えて、溶製鋼種の変更、再吹錬、２基同時吹錬
等、操業状況に多様性を有するため、常に一定量の酸素
消費が行なわれることはなく、短時間で急激かつ不規則
な変動を伴なうのが常態である。

このような変動を吸収するための手段として、空気分離
装置と、転炉等の使用先とを結ぶラインの途中に、大容
量の酸素ホルダを設置するのが一般である。

しかしながら、酸素ホルダのみで、消費量の変動を吸収
させることは到底不可能である３とりわけ、従来の手動
による運転で；ま、酸素製造量を変化させるのに熟練し
た手間のかかる作業を必要とするため、使用量の変化に
適確に追従することができない。

そのため、使用先に対して供給量不足による操業上の支
障を及ぼしてはいけないという事情を考慮して、実際に
使用先で必要とする量以上の製造を行ない、余剰の酸素
は未使用のまま大気へ放散させるという無駄を余儀なく
されているのが実情である。

このような実情に鑑み、本発明者等はさきに、「空気分
離装置の自動操業変更法」と題する特許出願（特願昭５
１−１１９５３４号）において、計算機制御システムに
より、酸素の製造量を短時間内に容易に変更し得る方法
を提供し、消費量の変動に応じて必要な量だけの酸素を
製造することを可能とし、大気中への無駄な放出の回避
と省エネルギ化の要請に応えた。

しかしながら、上記方法は、酸素製造量が指定されたの
ちの、実際の変更作業の自動化に関するものであって、
製造すべき酸素量を判断し、設定する作業は依然運転員
に任されたまゝであった。

この運転員は、メインテナンスその他の作業をも負担し
なければならず、製造量の監視に常時従事し得ないとい
う事情もあることから、更に一歩工夫を進めて酸素製造
量を自動゜的に決定して制御する方法の確立が強く要請
されていた。

本発明はこのような要請に応えるためになされたもので
あって、空気分離装置と使用先との間に設けられた酸素
ホルダ内の圧力を一定時間間隔で検出し、この検出値に
基づいて所定時間内での圧力平均値を求め、ついで該平
均値の推移によって酸素ホルダ内の圧力変化傾向を求め
、更にこの変化傾向と予めインプットされているその後
の経時的酸素使用予測量とによって、その時点における
酸素製造量を決定し、該算定製造量が、当該装置の能力
範囲内にあり、かつその製造量において副生ずる他の製
品量がその需要を満たし得るかどうかをチェックしたの
ち、最終的に酸素製造量を自動的に決定して自動的に制
御するようにした新規操業法を提供するものであり、こ
れによって運転員を煩雑な作業から解放すると同時に、
常に適切な酸素需給バランスを保持せしめ、従来大気中
に多量に放出していた無駄な酸素量を極小化しそれに要
する製造エネルギの大幅な節減を可能としたものである
。

空気分離装置と酸素使用先とを結ぶライン上に設置され
る酸素ホルダの圧力変動状況について、転炉用のそれを
例に挙げると、例えば第１図に示すごとくである。

転炉では前述のように、バッチ的操業により短時間に大
量の酸素が使用されるため、ホルダ内圧力は、同図に示
されるように、その操業間隔（通常約３０分）を周期と
するノコギリ刃状の波形を呈し、転炉内への酸素の吹込
みを行なう吹錬中には、ホルダ内圧力は降下し、吹錬が
終了すると上昇する。

なお、ホルソ゛内圧力はその耐圧（例えば２ ５ Ｋｇ
ｌｃｒｉ＆ ）以下に維持されるよう運転する必要があ
り、かつ転炉での操業に適合するには、約１５Ｋｇ７ｄ
ｇ以上に保持することが要求されるため、通常約２ ０
Ｋ，９／ｉ．９を目標値として運転が行なわれる。

しかるに、前記第１図に示されるホルダ内圧力は、目標
値２０Ｋｇ／ｃｍ２ｇに対して上下に大きく変動してお
り、酸素の使用量と製造量とのバランスは安定していな
い。

この圧力変動は第２図に示されるように、１５〜２５Ｋ
ｇ／ｃｍ２ｇの間において目標値２０ＫｇΔ鵡を中心と
する安定な状態に維持されることが望まれる。

このような安定した状態は、ホルダ内の圧力変化を検出
して適正なる酸素製造量を決定し、その需給バランスを
とることによって達成される。

なお、その場合、ホルダの容量は、転炉での酸素使用量
の急激な変化に対して追従できるように（例えばホルダ
内に貯えられた酸素量のみで１〜２回の吹錬が可能なよ
うに）設計されているので、圧力変化としては、転炉の
吹錬周期に同期して発生する変化に注目する必要はなく
、全体的な圧力変化を検出すれば十分である。

以下、本発明方法による処理手順について転炉操業を例
に挙げて詳しく説明する。

まず、第１段階として、ホルダ内圧力を検出し、同圧力
が上昇または下降のいずれの状態にあるかを自動的にチ
ェックする。

ホルダ内圧力は第１表に示す特性を持っており、同圧力
が一定値を保持しているときは、使用量と製造量とが等
しく、一方同圧力が上昇または下降状態にあるときは、
需給ハランスがくずれていることを示す。

上記圧力検出により、ホルダ内圧力が上昇していれば、
酸素製造量が使用量を上廻っているのであるから、その
製造量を減じ、逆に下降していれば不足分を補うべく製
造量を増加させることにより需給をバランスさせる。

上記ホルダ内圧力変化の検出は、前述のように転炉の吹
錬周期に同期して発生する変化に注目する必要はなく、
全体的な圧力変化を対象とすれば十分である。

この圧力検出は第３図に示すごとくに行なうことができ
る。

同図中、線１はホルダ内圧力設定値、２はホルダに設け
られた圧力精算計により測定されたホルダ内圧力の瞬時
値、３はその平均値を表わす●、△ｔは圧力測定周期で
ある。

まず、圧力積算計により、一定周期（△ｔ）ごとにサン
プリングしたホルダ内圧力積算値を読込み、読込んだ積
算値を、ホルダ内圧力算出用バツファ（． Ｂｕｆｆｅ
ｒ ）の一番古いデータと置換える。

例えば、（ｔｎ）時点においては、（ｔｉｎ−１ ）時
点でのデータと置換えられる。

そして、この置換えるデータ、すなわちホルダ内圧力算
出用バツファ内の最新（ｔ 時点）の積算データと、最
も古い（’ｎヨ時点）積算データとを用い、下式により
ホルダ内平均圧力を算出する。

平均圧力＝｛（最新の積算値）一（最も古い積算値）
）／（ ｛サンプリング周期（△ｔ ）｝Ｘ｛ホルダ内
圧力算出用バツファ個数（ｉ）｝ ）上記処理により同
第３図に示されるような圧力平均値が得られ、この平均
値と設定値とが一致するように制御を行なうことによっ
て需給をバランスさせる。

この需給バランスを達成するに際しては、上記手順にて
求められた現時点でのホルダ内圧力検出結果と併せて、
その時点以後における転炉運転状況の変化を考慮し、予
測される需給変動を加味して最終的な酸素製造量を決定
する。

すなわち、ホルダ内圧力をフィードバックに、転炉の生
産計画をフイードフォワードとして処理する。

例えば、第４図に示されるように、ホルダ内圧力の平均
値４が設定値５より低下した場合には、ｔ時点において
、その差ｅだけ酸素製造量を増加させる必要があると同
時に、今後の転炉生産計画をチェックし、もし吹錬が増
加する予定であれば、その増量予測分を上記圧力変化か
ら検出された増量分に上のせし、一方吹錬が減少する予
定であれば、それに相当する分量を差引くことにより最
終的な酸素製造量が決定される。

上記のごとく最終的に決定された酸素製造量が現時点の
製造量と異なるものであれば、その差異に応じて酸素製
造における操業変更を行なう。

その操業変更に当っては、変更後の操業条件が次の条件
を満たすかどうかを事前にチェックすることが必要であ
る。

：（Ｉ）当該空気分離装置自体の能力範囲内にあること
、さらにエアコンプレツサや膨張タービン等の構成機器
の使用能力範囲内にあること、（■）操業変更が、製造
量の減少である場合には、同装置において副生ずる他の
製品（窒素やアルゴン製品等）がその需要量を下廻らな
いこと。

上記いずれか１つでも満たされない場合は、アラームを
発して運転員に通知し、全条件を満足する場合にのみ操
業変更操作を実施する。

原料空気を液化し、沸点の差を利用して酸素と窒素に分
離するための熱交換器を備えた空気分離装置において前
記操業変更を自動的に行なうには、（ａｍ業変更中とい
えども、生成する製品酸素．窒素等の品質を悪くしては
ならないこと、（ｂ）制御パラメータの不適当な場合等
にもその影響を受けないこと、（Ｃ）操業変更を行なう
べきでないとき（例えば、変更後の操業条件が当該装置
能力を越えるものである場合等）には、操業変更異常と
して検出され得ること、および（ｄ）操業変更終了を迅
速かつ的確に検出し得ること、の各条件がすべて満たさ
れることが望まれる。

そのような条件下での操業変更による新たな酸素製造量
の調整は、例えば本発明者等による前記特許出願（特願
昭５１−１１９５３４号）に開示の方法に従って行なう
ことができる。

同法によれば、原料空気と製品酸素量の比を大きくして
（同比は、運転効率上小さい方が有利であるが、プロセ
スの外乱に対して強い状態とするには大きい方が望まし
い）、プロセスを十分に安定な状態となし、最終的には
同比が小さくなる方向に働く操作量を以って順次その比
を小さくし、正規の値にもどすようにした製品酸素・窒
素の増量・減量運転を行なう操業変更を実施するにあた
り、計算機システムにより、（Ｉ）気分離装置のいずれ
かの指示計及び制御ループに異常が発生した場合には、
正常な状態に回復するまで操業変更操作を一時中止し、
（■）一方操業変更を行なったときは、変更終了直後不
安定状態がつづくので蔦操業変更がその変更目標値に到
達した時点からプロセスが安定するまでの時期を操業変
更禁止時間として、該期間が経過するまでは次回の操業
変更を受けつけないこととし、（■）操業変更の完了は
、最後に残された原料空気流量と製品酸素ガス流量の比
を小さくする方向に働く操作量がその規定値まで操作さ
れたかどうかを判定することにより検出し、またσ０操
業変更に対応した操業変更許容時間を設け、該肖する許
容時間内に操業変更が完了したかどうかによって操業変
更の異常の有無を検出し、該許容時間内に操業変更が変
更目標値に到達しなかった場合には、その時の操業状態
で操業変更を終え、前記操業変更禁止時間に入る、とい
う手順によって空気分離装置の操業変更を自動的に行な
うことができる。

上記操業変更完了後、実際にホルダ内圧力にその結果が
あらわれるには、ある程度の時間経過を要する。

従って、その圧力変化を待たずに更に制御を続行してい
くと、過剰制御となって、所謂オーバ・ハンティング（
ｏｖｅｒ ｈｕｎｔｉｎｇ ）を生じるおそれがある
。

これを防止するため、酸素製造量変更後一定の休止期間
を設け、圧力変化を検出し、変更結果がホルダ内圧にあ
らわれるまでの間は制御動作を一時休止する。

変更結果が確認されたのち、制御を再開し、前記第１段
階にもどってホルダ内圧力検出にはじまる上記一連の操
作をくり返す。

上述のごとく制御を行なうことにより、使用先の酸素使
用量の変動にかかわらず、ホルダ内圧力は安定した良好
な状態に維持される。

第５図は、転炉用酸素ホルダにおける実操業運転データ
を示すグラフであり（同図Ｉは従来法、■は本発明方法
によるもの）図中、一点鎖線６は目標値、実線７は測定
値、破線８は測定値７の平均値を示す。

同図に示されるように、従来法では目標値に対して測定
値及びその平均値が大きく変動している（同図Ｉ）のに
対し、本発明方法によれば実測値の平均値はほぼ目標値
と一致し、かつ実測値の変動幅△Ｐ２も前者の変動幅△
４Ｐ，に比べて小さく安定していることが認められる。

このような安定した圧力変化は、とりもなおさず、空気
分離装置から供給される酸素製造量が、使用先の酸素使
用量の変動に追従して適確に制御され、両者が適切なバ
ランス状態にあることを意味するものである。

第６図は、空気分離装置と転炉における酸素使用量の経
時的変動の関係を例示したグラフであり、同図Ｉは従来
法による場合、同図■は本発明方法に従い、計算機制御
システムを用いて制御を行なった場合を示す。

各図中、実線ａ ， ａ’は酸素製造量、実線ｂは転炉
における実際の酸素使用量を示し、該実線ａまたはａ″
及びｂで囲まれる斜線部面積は、未使用のまゝ大気に放
散された余剰の酸素量を意味する。

なお、時刻Ｐ１〜Ｐ２の間は月例点検等による転炉操業
休止期間（酸素不使用期間）である。

従来においては、前述のように、使用量の変動に応じた
製造量のきめ細かい調整が不可能であるという制約のも
とで、使用先における最大使用量に応じなければならな
かったために、やむを得ず必要以上に多量の酸素を製造
・供給しており、そのため同図■中、実線ａ及びｂで囲
まれる斜線部領域Ｗに相当する多量の酸素を未使用のま
ゝ大気に放出するという無駄を余儀なくされていたので
あるが、本発明方法によれば、製造量を使用量の変動に
追従して適確に調整できるため、余剰酸素量は同図■中
、実線ａ′とげとで囲まれる面積Ｗ′に示されるように
極小化され、従来法に比し、ａ〜ａ′の間の面積に相当
する多量の酸素とその製造に要する製造エネルギの節減
効果をもたらす。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は酸素ホルダ内の圧力変化を模式的に
示す図、第３図及び第４図は酸素ホルダにおける圧力設
定値、測定値及びその平均値の変動状況説明図、第５図
１及び■は実操業における酸素ホルダ圧力変化を例示す
る図、第６図Ｉ及び■は転炉操業における酸素使用量と
酸素製造量の経時変化を模式的に示す図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 空気分離装置における酸素製造量を、使用先での消
   費量に応じて自動的に制御する方法であって、該空気外
   離装置と使用先とを結ぶラインに設けられた酸素ホルダ
   の圧力を一定時間間隔で検出し、この検出値に基づいて
   所定時間内での圧力平均値を求め、次いて該平均値の推
   移によって酸素ホルダ内の圧力変化傾向を求め、さらに
   この変化傾向と予めインプットされているその後の経時
   的酸素使用予測震とによって、その時点における酸素製
   造量を決定し、続いて該決定量が当該空気分離装置の能
   力および該空気分離装置に要求される諸条件を満足する
   か否かを判別し、満足する場合には前記決定された酸素
   製造量への変更を行ない、満足しない場合には警報を発
   するようにしたことを特徴とする空気分離装置における
   酸素製造量の自動制御方法。