JP2004225699A - プロセスフロー制御回路 - Google Patents

Abstract

【課題】ポンプまたは圧縮機などの流体移送装置を含む流速回路用の流速制御機構であり、流体移送装置の動力および圧力差をモニターして、一定の流体フロ−を自動的に維持するプロセスフロー制御回路を提供する。
【解決手段】流体移送装置の動力および圧力差を反映するデ−タを自動的にサンプリングし、かつ流体移送装置の動力および圧力差に基ずいて流体移送装置を通過する一定の流体フロ−を自動的に維持するために、コントロ−ラにソフトウエアコマンドをプログラムする。
【選択図】図１

Description

本発明は、概して流体のフロー制御の分野に関する。さらに詳しくは、本発明は、流体フロー回路の変動に応じて流体フロー回路を通過するフローを制御する方法および装置に関する。

流体フロー回路は概して、一連の配管によって相互に接続し回路を形成する熱交換器、バルブ、容器、ドラムなどの複数部分の流体取扱ハードウェアを含む。多くの場合、回路中に流体を駆動させるための動力は、圧縮機またはポンプなどの流体移送装置によって提供される。概して、流体移送装置による流体のフローは、流体移送装置によって流体に付与される圧力に依存する。この圧力は、装置前後の差圧と呼ぶこともできる。典型的に、差圧が増加すると、結果的に装置を介して伝達される流体フローの量は低下する。ほとんどの場合、差圧のこの増加は、装置が含まれるフロー回路内の圧力降下の増大によって生じる。フロー回路内の圧力降下の増大は、フロー回路の流体密度の低下、フロー回路内の１つの設備前後の圧力降下の増大、またはフロー回路内の特定の設備の作動圧力の増加など、様々な原因に帰することができる。

フロー回路内の圧力降下が１つの設備前後の圧力降下の増大によって引き起こされるケースは、圧力降下の増大が設備の汚損によって引き起こされる場合、特に厄介な問題になり得る。設備の汚損は通常、時間の経過と共に安定化または解消されるどころか増大し、したがって汚損した設備前後の圧力降下は使用により増大する。ある時点で、設備の汚損による回路の圧力降下の増大は、流体回路中の作動フローを容認できないレベルまで低下させる。この時点でシステムを停止し、設備を洗浄しなければならない。流体フロー回路の停止およびその洗浄は、その作業のみならず収益損失の観点からも高価となる。

流体フロー回路の汚損の問題の１つの解決策は、流量計により回路内の流速をモニターし、それに対応してフロー速度を正常または容認できる作動レベルまで増加させるために、流体移送装置の速度を高めることである。流量計の読みに頼ることの問題の１つは、流量計が時々、特に二相フロー様式で設置された場合、信頼できないことである。さらに、これらの流量計自体が時々汚損されることがあり得、それはその不信頼性を高めるだけでなく、流体フロー回路内の圧力降下をも増大する。したがって、流体移送装置および流体移送装置前後の流速を実質的に一定に維持することができる流体フロー回路を共に使用するための装置および方法に対する要望が存在する。さらに、該装置および方法は、流体移送装置前後のフローを実質的に一定に維持しながら、流体フロー回路の作動上の変化に応じることができなければならない。

本発明は、流体移送装置、流体移送装置前後の圧力差を測定する圧力差測定装置、流体移送装置の動力を測定する動力モニター装置、ならびに圧力差測定装置および動力モニター装置と連通するコントローラを備えた流体フロー回路を包含する。コントローラは、流体フロー回路内の変動する圧力損失に応じて流体移送装置の作動速度を調整することによって、流体移送装置を通過する一定の流体フローを維持する。流体移送装置は遠心ポンプ、容積式ポンプ、圧縮機、タービン、ダイヤフラムポンプ、もしくは水封式ポンプ、または流体フロー回路中に流体を移送することのできる任意の他の装置であることができる。

コントローラは、流体移送装置を通過する流体フローおよび圧力差測定装置によって測定される圧力差に応じて、流体移送装置の動力を維持する。流体フロー回路内の圧力降下の変動は、流体フロー回路の高圧部内（流体移送装置の下流）の流体フロー回路の圧力の上昇から生じることがあり得る。

本発明の流体フロー回路の一態様は、入口ポートおよび出口ポートを有し、入口ポートに第１圧力測定装置が配置されたポンプ、およびポンプの動力を測定する動力モニター装置を含むことができる。代替態様には、ポンプの回転速度を測定し、ポンプの回転速度を変動することができる速度制御装置、出口ポート内に配置された第２圧力測定装置、ならびに第１圧力測定装置、第２圧力測定装置、動力モニター装置、および速度制御装置と連通するコントローラをも含まれる。コントローラは速度制御装置と協働して、流体フロー回路内の変動する作動条件に応じてポンプの回転速度を調整することによってポンプを通過する一定の流体フローを維持する。

本発明は、流体フロー回路内に流体移送装置を設置するステップ、流体移送装置のベースラインフローを確立するステップ、流体移送装置前後の圧力差をモニターするステップ、流体移送装置に提供される動力をモニターするステップ、および流体移送装置に提供される動力を調整してベースラインフローにほぼ等しい流体移送装置を通過するフローを維持するステップを含む、流体フロー回路内の流体の一定のフローを維持する方法を含む。流体移送装置は遠心ポンプ、容積式ポンプ、圧縮機、ダイヤフラムポンプ、または水封式ポンプとすることができる。本発明の１つの方法は、流体移送装置の動力を、流体移送装置を通過する流体フローおよび圧力差測定装置によって測定された圧力差の関数として決定することを含む。

ここで図面を参照すると、配管１１、容器２０、流体移送装置３０、および流体処理装置４０を含むフロー回路１０が図１に示されている。流体処理装置４０は、フロー回路１０のその管側を通過するプロセス流体についての熱交換器として図示されている。しかしながら、任意の数の他のプロセスコンポーネントとして、流体処理装置４０を備えることができ、これは例えばフィルター、ドライヤー、セパレータ、またはコアレッサをはじめとする。同様に、これらの代替要素または他の同様の要素を容器２０の代わりとすることもできる。

図１に示したフロー回路１０に特定の要素は本発明にとって重要ではないが、図解のために示す。本発明は、図１に示した特定のアイテムによって、または追加的流体取扱ハードウェア、例えば他の容器、交換機など、もしくは図示したより少数のアイテムによって作動する。同様に、流体移送装置３０は遠心ポンプとして図示されているが、圧縮機、往復ポンプ、タービン、ダイヤフラムポンプ、またはプロセス回路を通過する流体を駆動させるために使用される任意の他の装置とすることもできる。

図１に示した本発明の１つの特定の態様において、容器２０内の流体２１は流体移送装置３０に流れ、そこでエネルギーが追加圧力の形で流体２１に付与される。流体２１は、増加した圧力で流体移送装置３０を出て、容器２０に戻る前に流体処理装置４０内を通過して流れる。各設備に接続されているのは、流体２１のための流路を提供する一連の配管１１である。流体２１は液体、ガス、蒸気、スラリー、粉体、流体処理装置４０を通って駆動される任意の物質、またはそれらの混合物であることができる。

圧力差測定装置５０は、流体移送装置３０の上流２９および下流３１の配管１１に接続され、流体移送装置３０前後の流体圧力差を測定する。典型的に、流体移送装置３０の上流２９の圧力は、流体移送装置３０の下流３１の圧力より低い。当業者はこの圧力差を得る適切な方法を得るための適切なハードウェアおよびモニター基準を容易に決定し、かつ実現することができることを理解されたい。

動力モニター装置５２は、流体移送装置３０によって消費される動力を測定する。典型的に、流体移送装置３０は電力によって動力を供給され、したがって動力モニター装置５２は流体移送装置３０に供給された電圧および電流を測定する。動力モニター装置５２によって測定された電圧および電流データはコントローラ５４に伝達される。流体移送装置３０によって消費された動力は、動力モニター装置５２内、コントローラ５４内、または何らかの他の装置内で算出されることができる。したがって、流体移送装置３０によって消費された動力を算出する方法および技法は、本発明にとって重要ではなく、流体移送装置３０の動力を得る任意の現在公知の方法または今後開発される方法が、本発明の範囲内で考えられる。

流体移送装置３０の流速は、その効率に、その動力消費に対する圧力差の比率を乗算したものに直接関連する。そのフローを決定するための一般方程式は、流速＝（消費動力／圧力差）×効率である。より特定的な関係において、遠心ポンプを通過する流速は次の方程式：流速（ｇｐｍ）＝（モーターに入力される電気ＨＰ）（モーター効率）（３９６０）（ポンプ効率）／（揚程_ｆｔ）（比重）から決定することができる。これらの関係を利用して、本発明は、流体移送装置３０を通過するフローをその動力消費および圧力差に基づいて決定することができる。手元の特定の流体移送装置の効率は、その製造元および型に完全に依存し、したがってその情報は装置の製造者から入手可能であるはずである。本発明は一連の流体移送装置に適用可能なだけでなく、多数の製造元および型のこれらの装置にも適用可能であることに注意されたい。提示したフロー相関関係は、流体移送装置３０の動力および圧力差に基づいてフローを決定する好適な方法を表わす。しかしながら、本発明の範囲はここで言及した方程式に限定されず、任意の数の公知の相関関係または今後開発される相関関係を含む。

ここで図２を参照すると、一連の曲線（６６〜６８）は流体移送装置の揚程およびフロー特性を表わす。周知の通り、各々の曲線（６６〜６８）は、流体移送装置が作動する一定回転速度に関係する。図解のために、参照番号６９は対応するベースライン揚程７０におけるベースライン体積フローを表わすものと想定する。ベースライン体積フロー６９およびベースライン揚程７０は、流体移送装置の所望のまたは設計された条件を表わす。さらに、流体移送装置が曲線６６に沿って作動する場合、ベースラインフローは曲線６６上の参照番号６１の位置で実現される。流体移送装置の出口圧が増大すると（一定入口圧および回転速度を想定する）、流体移送装置前後の圧力差（または揚程）が増加するので、流体移送装置は「曲線に沿って上に移動する」。図２から、流体移送装置が該曲線に沿って参照番号６２まで移動すると、流体移送装置のフローが低下することが分かる。しかしながら、流体移送装置の回転速度が曲線６７に沿って作動するように増加する場合、ベースライン揚程７０を満たし、あるいはそれを超えながら、ベースラインフロー６９を達成することができる。

流体移送装置３０の出口圧は様々な理由から増加し得る。例えば、流体２１内に懸濁する固体が流体処理装置４０の内側に堆積し（汚損としても知られる）、それによって流体処理装置４０の前後の圧力降下が増大することがあり得る。流体処理装置４０の前後の増大した圧力降下は、流体移送装置３０の出口における圧力の増大に変わり、それに応じて流体移送装置３０前後の圧力差が増大する。流体処理装置４０が熱交換器である場合、流体処理装置４０の汚損はほぼ確実に発生する。

システム曲線８０および８２は、流体移送装置３０が特定のフロー回路に対してどのように作動するかを表わす。しかしながら、システム曲線は、システム（または回路）が静的であり、流体フローの量および種類が同一であれば圧力損失量が変化しないことを前提とする。したがって、流体移送装置３０を組み込んだシステム（または回路）がその作動パラメータを変更または変化させた場合、システム曲線はもはや流体移送装置３０の作動パラメータ（揚程およびフロー）をモデル化しない。システムが変更される１つの例としては、システム内の特定の設備前後の圧力降下が増大する場合が挙げられ、すなわち熱交換器の汚損、流動要素の汚損、または多少の圧力降下をもたらす制御バルブをはじめとする。

コントローラ５４は任意の数の異なる製造元または型のものであることができるが、コントローラ５４は、フロー回路１０における比較的一定した流速を常時確保するために、フロー回路１０の自動化を達成する必要がある。したがって、コントローラ５４は、プログラム可能であるかまたはどこか別の場所に格納されたソフトウェアによって制御され、かつ、それに供給されるデータを頻繁に（すなわち毎分複数のサンプルを）サンプリングすることのできる、コンピュータまたはマイクロコンピュータシステムをはじめとする電気的処理システムから構成されることが好ましい。コントローラ５４はまた、データを評価し次いで瞬時またはほぼ瞬時のコマンドを送ってフロー回路１０の作動パラメータを調整することができるように、受け取ったデータを迅速に処理することもできるべきである。プログラム可能電気システムを使用する利点の１つは、コントローラ５４内にプログラムされているかあるいはコントローラ５４に送られるコマンドに基づいて、無限に異なる数のプロセスを評価することができる柔軟性である。

作動中、コントローラ５４は、流体移送装置３０によって消費される動力および流体移送装置３０前後の圧力差を評価することによって、流体移送装置３０を通過するフローを絶えずモニターする。流体移送装置３０を通過するフローが低下すると、流体移送装置３０によってフローに付与される動力も同様に低下する。コントローラ５４内にプログラムされた設定値は、流体がこれらの設定値未満に低下したときにトリガーされる。一旦設定値がトリガーされると、本発明のコントローラ５４は流体移送装置３０の速度を上昇（または低下）させ、その結果、流体移送装置３０におけるフローおよび揚程が増加（または低減）する。

図２に関連するより特定的な例において、流体移送装置３０が曲線６６上の参照番号６１で作動すると考えると、流体移送装置３０は揚程７０でフロー６９を送り出す。したがって、流体移送装置３０はシステム曲線８０上で作動する。流体移送装置３０の吐出し側における圧力が増加すると、流体移送装置３０のフロー特性は曲線に沿って参照番号６２まで上昇し、結果的に新しいフロー７１および揚程７２が得られる。したがって、システムはもはやシステム曲線８０によってではなく、かわりにシステム曲線８２によってモデル化することができる。例として、コントローラ内にプログラムされた設定値が参照番号６２でトリガーされると想定すると、コントローラは次いで、曲線６７上でベースラインフロー６９である参照番号６３の位置で作動するように、流体移送装置３０の速度を上昇させることができる。さらに、流体移送装置３０がそのフロー（と対応する揚程）を参照番号６９のベースラインフローより数パーセント高くなるように、設定値を確立することができる。

対照的に、フロー回路１０の圧力損失が低下した場合、コントローラ５４は、流体移送装置の速度を低下し、かつ特定のプロセスによって要求されるベースラインフローを維持するようにプログラムすることができる。したがって、フロー回路１０が比較的一定のフローを有し、かつ流体フロー回路１０内の作動上の変化に応じることを確実にするように、コントローラ５４をプログラムすることができる。これらの変化は、例えば密度または流速の変動による全体的な回路の、または圧力降下の変化が生じた特定の設備までの回路の圧力降下における変化を含む。

コントローラ５４の設定値を決定するための基準は、フロー回路１０ならびにその作動仕様、設計要件、および／またはシステム精度に依存する。一部のプロセス回路は広範囲の流速の変動があっても適切に機能することができる一方、適切に作動するためには、狭い範囲の流速を維持しなければならないものもある。したがって、フローの大きさおよび／またはフロー速度７１と６９の間の変化の百分率はほぼ完全に、本発明が実現される用途に依存する。当業者が過度の実験をせずとも本発明に使用する設定値を策定できることは理解される。

上述した方法で流体移送装置３０のフローを制御することには、多くの利点がある。例えば、フロー回路１０における圧力損失が熱交換器などの設備の汚損による状況では、ここに記載した動的システムは、汚損した設備を頻繁に取り外して洗浄し、かつ回路全体を運転停止することを必要とせずに、要求されるベースラインフローを維持するように応じることができる。これは、（メタ）アクリル酸またはスチレンなどの重合可能な物質が存在する化学的精製システムで特に有益である。例えば、その汚損がフロー回路１０のフローをベースラインフロー未満に低減させ圧力降下が増大する、交換器（たとえば、リボイラ）の洗浄サイクルを、３〜４ヶ月サイクルから１年またはそれ以上に変えることができる。したがって、本発明を実現することによって、メンテナンス、資本、およびその他の経費のかなりの節約を容易に実現することができる。代替のフロー制御法は一般的に様式内で制御バルブまたは流量計を必要とし、これはその中での流体摩擦損失を招くので、エネルギーコストもかなり低減される。これらの摩擦損失を排除すると、流体移送装置３０によって消費される作動エネルギは低減される。

本発明の別の利点は、ベースラインフローを調整することができる柔軟性である。コントローラ５４の利用により、プラントオペレータは流体回路１０がオンライン中にベースラインフローの値を更新することが可能になる。さらに、同様に流体回路１０がオンライン中に設定値を変更することもできる。

したがって、ここに記載した本発明は、目的を実行し、上述した最終目的および利点のみならずそれに内在する他の利点をも達成するのに充分に適応される。開示を目的として本発明の現在の好適な態様を挙げたが、所望の結果を達成するために手順の詳細に多数の変化が存在する。これらおよび他の同様の変更は当業者が容易に思いつくことができ、ここに開示した本発明の範囲内および添付の特許請求の請求の範囲に含める意図である。

フロー回路の概略図を示す。 流体移送装置のフロー曲線を示す。

符号の説明

１０ フロー回路
１１ 配管
２０ 容器
２１ 流体
２９ 流体移送装置３０の上流
３０ 流体移送装置
３１ 流体移送装置３０の下流
４０ 流体処理装置
５０ 圧力差測定装置
５２ 動力モニター装置
５４ コントローラ
６１ 参照番号
６２ 参照番号
６３ 参照番号
６６ 曲線
６７ 曲線
６８ 曲線
６９ ベースライン体積フロー
７０ ベースライン揚程
７１ フロー
７２ 揚程
８０ システム曲線
８２ システム曲線

Claims (12)

1. 流体移送装置、
   流体移送装置前後の圧力差を測定する圧力差測定装置、
   流体移送装置の動力を測定する動力モニター装置、
   圧力差測定装置および動力モニター装置と連通するコントローラ
   を含む流体フロー回路であって、
   流体移送装置の動力および圧力差を反映するデータを自動的にサンプリングし、かつ流体移送装置の動力および圧力差に基づいて流体移送装置を通過する実質的に一定の流体フローを自動的に維持するために、コントローラにソフトウェアコマンドがプログラムされた、前記流体フロー回路。
2. コントローラが、流体移送装置のシステム曲線の変動に応じて流体移送装置の速度を調整することによって、流体移送装置を通過する実質的に一定の流体フローを維持する、請求項１に記載の流体フロー回路。
3. 流体移送装置が、遠心ポンプ、容積式ポンプ、圧縮機、タービン、ダイヤフラムポンプ、および水封式ポンプからなる群から選択される、請求項１に記載の流体フロー回路。
4. 流体フロー回路内の変動する圧力降下が、流体フロー回路の圧力損失の増加を含む、請求項１に記載の流体フロー回路。
5. 一定の流体フローが流体フロー回路のベースラインフローにほぼ等しい、請求項１に記載の流体フロー回路。
6. 流体フロー回路内に流体移送装置を設置するステップ、
   流体移送装置のベースラインフローを確立するステップ、
   流体移送装置前後の圧力差をモニターするステップ、
   流体移送装置に提供される動力をモニターするステップ、および
   流体移送装置に提供される動力を調整して、流体移送装置を通過するフローをベースラインフローにほぼ等しいように維持するステップ
   を含む、流体フロー回路内の流体の一定のフローを維持する方法。
7. 流体移送装置が、遠心ポンプ、容積式ポンプ、圧縮機、タービン、ダイヤフラムポンプ、および水封式ポンプからなる群から選択される、請求項６に記載の方法。
8. 流体移送装置の動力を流体移送装置を通過する流体フローおよび圧力差測定装置によって測定された圧力差の関数として決定することをさらに含む、請求項６に記載の方法。
9. 流体移送装置への動力がその大きさを増大することによって調整される、請求項６に記載の方法。
10. 流体移送装置への動力がその大きさを低減することによって調整される、請求項６に記載の方法。
11. 流体移送装置への動力を調整して、ベースラインフローより大きい流体移送装置を通過するフローを生成する、請求項６に記載の方法。
12. 流体移送装置への動力を調整して、ベースラインフロー未満の流体移送装置を通過するフローを生成する、請求項６に記載の方法。

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