化学工場の圧縮空気システムはどのように設計すべきか。用気の品質、配管および安全制御の要点

はじめに

化学工場の生産において、圧縮空気は電力に次ぐ第二の動力源とされています。そのシステムの信頼性と安定性は、プロセスの連続性および製品品質に直接影響を及ぼします。したがって、圧縮空気システムを科学的かつ合理的に設計することは、化学工場における基礎工事設計における重要な要素です。

一、ガス品質設計の要点

化学工場では、各工程によって圧縮空気の品質要件に大きな差があり、設計段階で具体的な使用箇所に応じた段階的な処理を施す必要があります。

• 露点制御：計装用空気およびプロセス用ガスについては、圧力露点を厳格に管理する必要があります。通常、配管内での結露による計装の誤作動やプロセスの汚染を防止するため、圧力露点を当地域の過去の極端な最低気温以下に設定することが求められます。
• 油分含有量と粒子状物質の制御：計装用空気および製品と接触するプロセス用空気には、無油コンプレッサーを採用するか、高効率の除油フィルターコンポーネントを設置しなければなりません。フィルタリング精度は工芸上の要求を満たす必要があり、通常、計装用空気の油分含有量は極めて低く抑えられ、粒子径についても厳格に制限される必要があります。
• 段階的処理の原則：一律の高水準処理を回避する。工場全体の用気を計装用空気、プロセス用空気、一般工場用空気の三種類に区分し、それぞれに対応した乾燥・濾過設備を設置することで、初期投資および運転時のエネルギー消費を低減する。

二、配管システム設計の要点

配管網の設計は、輸送効率にとどまらず、システム全体の圧力損失や耐用年数にも大きな影響を及ぼします。

• 管材の選定計装用空気およびプロセス用空気の配管には、内部の錆による二次汚染を防止するため、通常ステンレス鋼管または亜鉛めっき鋼管が使用されます。一般の工場用空気配管については、炭素鋼製の継目なし鋼管を採用することが可能です。また、すべての配管の内面は滑らかに仕上げて、摩擦抵抗を低減する必要があります。
• 勾配と排水設計圧縮空気配管は、流れの方向に沿って千分の三以上の勾配を設ける必要があります。配管の低点、末端および分岐部には凝縮水排出装置を設置し、定期的に凝縮水を排出して、ウォーターハンマー現象や配管の腐食を防止しなければなりません。
• 流速と管径の制御管内の流速を適切に制御することが、圧力損失の低減の鍵である。主管道の流速は通常、低めの範囲に抑え、支管の流速はやや高めてもよい。配管径の設計にあたっては、最大使用流量、同時使用率および許容圧力損失を総合的に考慮し、末端の圧力がプロセス要求を満たすことを確保する必要がある。
• 環状配管網の配置大型の化学工場では、幹管は環状配管網の設計を採用するのが望ましい。これにより、配管網内の圧力バランスが図られ、局所的な圧力損失が低減されるだけでなく、部分的な保守点検時にも他の区域への正常な供気を確保できる。

三、安全および制御の要点

圧縮空気システムは圧力容器および圧力配管に該当し、安全設計が最も重要である。

• 圧力制御および連動空気圧縮機の出口には、圧力調整および過圧連動保護を設ける必要があります。貯気タンクの圧力が設定された上限に達した場合、空気圧縮機は自動的に負荷解除または停止し、圧力が下限まで低下した場合には自動的に負荷投入または起動することで、システム圧力の変動を許容範囲内に抑制します。
• 安全解放装置：ガス貯蔵タンク、ドライヤーおよび重要な配管区間には、必ず安全弁を設置しなければならない。安全弁の吐出能力はコンプレッサの最大発生ガス量を上回る必要があり、さらに排出口は安全区域へ誘導し、高圧ガスによる人的被害や二次的事故の発生を防止しなければならない。
• サージ防止と逆流防止複数台の空気圧縮機を並列運転する場合、各機器の出口には逆止弁を設置し、ガスの逆流による機器の損傷を防止しなければなりません。また、遠心式空気圧縮機にはサージ防止制御システムを備え、設備が安全な運転条件下で稼働することを確保する必要があります。
• オンライン監視と警報：重要な節点に、圧力・温度・露点および油分含有量のオンライン監視計器を設置する。データは工場の分散制御システムに接続し、警報閾値を設定することで、異常状態の早期警戒と自動介入を実現する。

結語

化学工場における圧縮空気システムの設計は、プロセス要件、流体力学、安全規格を総合的に検討する必要のあるシステム工学的な課題である。用気の品質を厳密に管理し、配管レイアウトを最適化するとともに、厳格な安全対策を徹底することで、システムの運転効率と信頼性を効果的に向上させ、化学工場の長期間にわたる安定した生産を確かなものにすることができる。