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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。

1.4 圧縮機周りの設計条件
1.4.1 圧縮機と運転条件

圧縮機(遠心)システムを構成するために最低限必要な機器は吸込(ガス)冷却器、吸込(ガス)ドラムおよび圧縮機本体、それ以外に配管および計装機器です。
左からプロセスガス(process gas)が吸込(ガス)冷却器で冷却され、プロセスガスに含まれる水蒸気を冷却凝縮し、吸込(ガス)ドラムで水分を分離します。分離された水分はドレン(drain or condensate)として系外に排出されます。また水分を分離したプロセスガスはプロセスガス圧縮機に供給され所定の圧力まで昇圧されます。圧縮されたプロセスガスは下流のシステムに送られますが、一部のガスはプロセスガス圧縮機の運転を安定に保つために圧縮機の吸込側に戻されます。これを循環あるいはspill backと言っています。

圧縮機周り

この圧縮機システムの設計条件を決定する上で注意すべきことは、圧縮機の運転モードとその時の運転圧力の変化です。表1.4-1に圧縮機周りにおける運転条件を示しました。これによれば、圧縮機吸込側の圧力は1.80~1.85MPa(abs)、温度は38~85℃ですが、圧縮機吐出側の圧力は3.5MPa(abs)と高い圧力になっており、温度も、温度110℃と決して低い数値ではありません。

この運転圧力をもとに設計圧力を決定するわけですが、一般的なやり方(運転圧力×1.1 or 運転圧力+0.1MPa)で設定しますと以下のようになります。

  1. 吸込冷却器設計圧力:運転圧力(1.75MPaG)×1.1=1.925→1.95MPaG
  2. 吸込ドラム設計圧力:運転圧力(1.70MPaG)×1.1=1.87→1.90MPaG
  3. 圧縮機設計圧力:運転圧力(3.40MPaG)×1.1=3.74→3.75MPaG


ただし、設計圧力は小数点下二桁目を "0.00 or 0.05" として切り上げとします。
これで果たして正しいでしょうか?ヒントは、

圧縮機が停止した場合の圧力バランスはどのようになるのか?


次回は圧縮機停止における圧力変動について説明する予定です。

表1.4-1 圧縮機システムの運転条件(定常時)

場所 圧力 温度 備考
単位 MPa deg.C ----
吸込冷却器入口 1.85 85.0 ----
吸込ドラム出口 1.80 35.0             圧縮機吸込
圧縮機出口 3.80

110.0 

----  

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

サージングとストーンウォール

遠心圧縮機におけるサージングとは、機器本体と配管系で発生する自励振動により、圧力および流量が変動する現象を言います。圧縮機のヘッド-流量特性曲線で見れば、小流量の高ヘッド領域でこの現象が見られます。

これと逆に大流量の低ヘッド領域で見られる現象がストーンウォール(stonewall) と呼ばれる現象です。流量を増加させますと、性能曲線上、吐出圧力が低くなります。それが行きすぎますと吐出側配管などの抵抗に打ち勝つことが出来なくなってガスが吐出側に流れることが出来なくなり、ガスが圧縮機を逆流する現象です。

下図の圧縮機の性能曲線を示しました。この圧縮機の運転可能範囲はサージング曲線(O-As)、ストーンウォール曲線(O-Aw)および性能曲線(As-A-Aw)で囲まれた領域です。