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安全設計とリスク解析

この”安全設計とリスク解析”では、プラントの安全設計を行う上で注意すべき事柄やリスクをどのようにして見つけ出して対応するかについて述べていきたいと思っております。

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「安全設計」の進め方

安全設計とプロセス設計は非常に密な関係にあります。

プロセス設計品質が悪ければ、スタートアップやシャットダウンはおろか、定常時においても安全な運転を継続することが出来ません。

トラブル続きでおちおち製品の品質確保も疎かになり、稼働率も下がり利益も半減(?)あるいは無くなってしまうかもしれません。また、設計条件を決める際に抜けがあれば、運転条件が設計条件を超えてしまい、これも運転の継続が不可能となってしまいます。

2. ユーティリティー停止と安全設計

2.1 スチーム停止とスチームシステムの安全性
2.1.1 スチームシステム

プラントに必要なユーティリティーのどれかが欠けても、プラント運転の安全性が脅かされることになります。
特にスチームの停止はスチームユーザーにとって致命的であり、プラント全体あるいはユーティリティーを除いたプロセスプラントが停止する可能性があります。

スチームシステムについてはすでに基本設計演習「プロセス設計の実務」の”燃焼系熱回収とスチーム発生”、基本設計演習「エタノール合成設備」の”Ethanol Synthesisi Loop & Steam System”で説明しておりますが、ここで安全性あるいは安全設計について説明するには不十分なので、あらためてスチームシステムの構成やフローなどについて説明いたします。

(1) スチームシステムの三要素

スチームシステムを構成する機器の中で特に重要な機器は以下の3つです。

  1. ボイラ給水系:脱気器+ボイラ給水ポンプ
  2. スチーム発生系:(廃熱)ボイラ+スチームドラム+スチーム過熱器
  3. 動力系:スチームタービン+復水器

これらの機器がスチームシステムのどこに配置されているか、そしてスチームや水のフローがどうなっているかを下図に示しましたので、それを使いながら説明します。

ボイラ給水系はスチームのもとになるボイラ給水の供給と運転条件の静定をになっており、運転条件は低圧です。
スチーム発生系はボイラ給水を加熱蒸発させるてスチームを作るボイラと、ボイラ給水を一時的に貯そうするスチームドラム、それとスチームを過熱するスチーム過熱器から構成されています。運転条件は高温高圧です。
動力系はスチームタービンと復水器から構成されており、図に示すように大型スチームタービンと小型スチームタービンが配置されることが一般的です。
このようなスチームシステムはエチレンプラントやアンモニアプラントやメタノールプラントで採用されており、その設計や運転には多くのノウハウが必要とされています。

(2) スチームシステムの三条件

スチームシステムの三要素に対応して、スチームシステムの設計や運転において重要な運転条件が以下の三項目です。

  1. ボイラ給水条件:ボイラ給水圧力は少なくてもスチーム圧力より高くなければならず、ボイラ給水ポンプ吐出圧が13MPaを超えることも珍しくはありません。また、運転温度は脱気器の運転温度に等しく、外部から供給される補給水中の脱酸などを考慮して決定されますが、多くは105~140℃の範囲にあります。
  2. スチーム条件:ボイラおよびスチームドラムの運転条件で、熱効率の改善を意識してより高圧になっており、化学プラントでも10~12MPa程度が採用されているようです。また、発生したスチームを過熱しすることで更に熱効率が改善されますので、480~530℃で設計されることも珍しくはありません。この運転条件がスチームタービンの入口条件になっています。(原子力発電所では安全なスチーム過熱源がないので飽和スチームのまま使用しております)
  3. タービン出口条件:復水器の運転条件(温度)のことで、この温度がより低ければ低いほどスチームタービンの熱効率が上昇します。ただし、この温度は冷媒温度に支配されており、水や海水を使用する冷却器(復水器)では45~50℃、空気冷却器では60~70℃が一般的です。

(3) スチームシステムの物質収支の三要素

スチームシステムの物質熱収支をスチームバランスと言いますが、物質収支には以下の三要素があります。

  1. 補給水:水処理装置で適切な処理をされた後に供給されてスチームシステムに供給される水。
  2. スチームエクスポート&インポート:スチームシステムと外部との間でスチームの出し入れがある場合、スチームを外部に供給することを”スチームエクスポート”その逆を”スチームインポート”と行っており、出し入りがないケースをセルフバランスと言っています。
  3. 復水:補給水が外部から供給される水ならば、この復水はスチームタービン排気を凝縮した水で、外部に送出します。

これら三つの間には以下の関係があり、これがスチームバランスの基本概念になっています。

補給水+スチームインポート = スチームエクスポート+復水

厳密にはフラッシュドラムからのドレンや脱気器から排出されるスチームなどを考慮する必要があります。

次回は具体的にスチームバランスを計算し、その結果をもとにスチームシステムの安全性について議論していきたいと考えております。

第1章 プロセス設計と安全設計
1.1 設計条件と安全設計
1.1.1 安全設計とは
1.1.2 設計条件の決め方
1.2 設計条件と運転モード
1.2.1 運転条件と運転状態
1.2.2 運転モードと運転時間
1.2.3 設計条件と運転時間
1.3 蒸留系運転と設計条件
1.3.1 蒸留系説明
1.3.2 運転条件の設定
1.3.3 設計条件の選定
1.3.4 設計条件と水運転
1.3.5 物性の違いと設計条件
1.3.6 安全弁の吹き出し温度
1.3.7 還流ポンプの設計圧力
1.3.8 蒸留塔凝縮器と最高運転条件
1.4 圧縮機周りの設計条件
1.4.1 圧縮機と運転条件
1.4.2 圧縮機停止における運転状況
1.4.3 プロセス制御システム
1.4.4 放出弁と圧力推移
1.4.5 圧力推移シミュレーション①
1.4.6 圧力推移シミュレーション②
第2章 ユーティリティー停止と安全設計
2.1 スチーム停止とスチームシステムの安全性
2.1.1 スチームシステム
2.1.2 スチーム停止による影響
2.2 スチーム停止とプロセススチーム
2.2.1 プロセススチーム
2.2.2 プロセススチームの確保
2.3 スチームソースと加熱源
2.3.1 スチームドラム
2.3.2 スチームドラムの保有熱量
2.4 加熱源としての水蒸気改質炉
2.4.1 水蒸気改質炉とプロセススチーム
2.4.2 改質管と改質触媒
2.4.3 プロセススチーム・ループ
2.4.4 計算結果と考察
第3章 停電と安全設計
3.1 停電とプラント
3.1.1 停電と電力供給
3.1.2 化学プラントにおける電力供給安定化
3.1.3 ディーゼルエンジン発電機の起動
3.2 緊急用発電装置停止
3.2.1 緊急用発電装置と連結機器
3.2.2 緊急用発電装置停止による影響

スチームシステムとスチームバランス

スチームシステムの物質熱収支を特別にスチームバランスと言います。このスチームバランスにはスチームの原料となる水(ボイラ給水や凝縮水)も含めた物質熱収支計算となります。
セルフバランスとイクスポート
スチームシステムでは水が加熱され蒸発してスチームとなり、そのスチームがスチームタービンで仕事をしたり、加熱器の熱媒として利用されます。使用されたスチーム全量が水として回収され再び循環するシステムでは、水とスチームは形を変えただけで循環していますので、このケースをセルフバランスと言います。
これに対して発生したスチームが外部に供給され、再びスチームシステムに戻ってこないケースをスチームエクスポートと行っています。