パイロットプラントのプロセス制御に供給する圧縮空気システムに求められる重要な要件とは？安全で安定した運転のための設計

重要な要件は、清浄で乾燥し、安定しており、確実に利用できる圧縮空気です。パイロットプラントの計装および制御用空気は、配管内で水分が凝縮したり空気圧機器が損傷したりしないよう、オイルフリーで、冷却・乾燥されている必要があります。システムには、適切なコンプレッサー構成、屋外からの空気吸入口、ろ過および乾燥装置、需要変動を吸収するエアレシーバー、各計器での局所圧力調整を備えるべきです。

計装用空気は、単なるプラントエアではなく、制御システムのユーティリティです。汚染、結露、圧力の不安定化は、制御精度の低下、アクチュエーターの故障、または危険なプロセス挙動を引き起こす可能性があるため、その品質と圧力は接続された計器の要件範囲内に維持する必要があります。

計装用空気の品質が重要な理由

水分による故障の防止

圧縮空気は高温の状態でコンプレッサーから出て、多量の水蒸気を含んでいることがあります。レシーバーや供給配管内で冷却されると、その水蒸気が凝縮し、制御弁、ポジショナー、チューブ、その他の計器に入り込む可能性があります。

したがって、供給前に空気を冷却・乾燥する必要があります。凝縮水が集まる可能性のある場所には、排水ポイントと適切な水分除去装置も必要です。

油による汚染の管理

油のキャリーオーバーは、空気圧機器を汚染し、バルブの作動を妨げ、プロセスを汚染する可能性があります。望ましい解決策は、オイルフリーコンプレッサーを使用するか、油が計装用空気ネットワークに侵入しないよう適切に選定・設計されたシステムを使用することです。

ミストフィルターまたはコアレッシングフィルターは油のキャリーオーバーを低減できますが、オイルフリーコンプレッサーと自動的に同等とみなすべきではありません。フィルターには、適切な容量選定、保守、交換が必要であり、その性能は上流側のコンプレッサーと要求される空気品質レベルにも左右されます。

適切なろ過の実施

空気処理設備は、空気が敏感な制御機器に到達する前に、微粒子と残留エアロゾルを除去する必要があります。ろ過は、コンプレッサーの種類、乾燥機、予想される汚染物質、計器メーカーの要件に適合させなければなりません。

目的は、単に見た目がきれいな空気にすることではありません。需要が変化する期間を含め、通常運転中を通して清浄で乾燥した状態を維持する空気を供給することです。

安定した圧力のための設計

エアレシーバーの使用

バッファー貯蔵タンク、すなわちエアレシーバーは、システムの重要な構成要素です。コンプレッサーの運転サイクルと短時間の需要急増を平滑化し、複数の空気圧機器が同時に作動した際の圧力低下を防ぎます。

レシーバーは、一時的な供給中断時に限られた貯蔵容量を提供することもできます。ただし、適切なコンプレッサー容量、乾燥、ろ過、またはユーティリティ故障時の対応策の代替にはなりません。

供給圧力の設定

一般的なパイロットプラントの構成では、局所的に減圧する前の供給圧力を100 psi前後に維持します。この値は実用的な目安であり、普遍的な要件ではありません。最終的な圧力は、接続される計器、アクチュエーター、チューブ、および適用される機器仕様に基づいて決定してください。

圧力は、各プロセス計器の位置またはその近くで、適切なレギュレーターを使用して減圧する必要があります。局所的な圧力調整により、ユーティリティネットワーク全体を不必要に高い圧力で運転することなく、各機器に必要な圧力を供給できます。

圧力変動の回避

制御弁や空気圧アクチュエーターは、急速で断続的な需要を発生させることがあります。コンプレッサー、レシーバー、配管、レギュレーターは、これらの事象によって重要な計器の圧力が許容できないほど変化しないよう選定する必要があります。

パイロットプラントでは運転構成が変化することが多いため、設計では平均消費量だけでなく、合理的に想定される最大同時需要を考慮すべきです。

ユーティリティシステムの配置と構成

屋外から空気を取り込む

実行可能な場合、コンプレッサーの吸入口は建物の外部から空気を取り込むようにしてください。これにより、コンプレッサーの騒音を低減し、空調された室内空気を繰り返し圧縮することを避けられます。

ただし、吸入口の位置は、排気口などの近隣の汚染源や、プロセス蒸気が蓄積する可能性のある場所を避けて選定する必要があります。吸入口の保護と耐候性も、設置設計の一部です。

処理設備へのアクセスを確保する

コンプレッサー、レシーバー、フィルター、乾燥機、ドレン、レギュレーターには、点検と保守が必要です。パイロットプラントの他の活動を妨げることなく、運転員や保守担当者が安全にアクセスできる場所に設置してください。

凝縮水ドレンとフィルターエレメントは、特に重要な保守箇所です。フィルターやドレンが整備されている場合にのみ設計仕様を満たすシステムは、その保守が管理されていない限り、実際には信頼性があるとはいえません。

ユーティリティ品質とプロセスエア品質を分けて考える

計装用空気と一般用途のサービスエアは、同一の品質要件であると想定すべきではありません。空気圧制御に使用する空気には、重要度の低いユーティリティ作業に使用する空気よりも、水分と油を大幅に厳密に管理することが求められる場合があります。

共通システムで両方の用途に対応する場合は、一般サービスの需要や汚染によって計装用空気の供給が損なわれないよう、設計上確実に対策する必要があります。

安全なパイロットプラント運転の支援

空気の喪失をプロセス危険源として扱う

圧縮空気が失われると、制御弁やアクチュエーターが故障時の位置に移動したり、その位置に留まったり、使用できなくなったりする可能性があります。必要な挙動はプロセスによって異なるため、制御および安全設計で考慮しなければなりません。

したがって、重要な機能については、低空気圧または空気の完全喪失に対する対応を定義する必要があります。これらの対応は、プロセス危険分析および安全計装機能に意図された挙動と整合させるべきです。

アラームとインターロックの検証

パイロットプラントでは、圧縮空気ユーティリティおよびプロセスに関連する低圧アラーム、制御インターロック、その他の保護機能を試験する必要があります。試験では、システムが異常状態を検知し、意図した安全な対応を実行することを確認してください。

これは、経験レベルの異なる利用者が機器を操作する可能性がある教育施設や研究施設では特に重要です。

圧力保護の点検

レシーバーやその他の加圧部品には、適切な圧力逃し保護と点検が必要です。圧力逃し装置はアクセス可能な状態にし、施設の点検・保守プログラムに含めるべきです。

信頼性の高いユーティリティシステムとは、通常運転中に圧力を維持するだけのものではありません。異常な圧力状態による影響を抑制できるよう設計・保守されていなければなりません。

トレードオフの理解

オイルフリーコンプレッサーと下流側ろ過の比較

オイルフリーコンプレッサーは、供給源で油が空気供給に混入するリスクを低減しますが、購入、運転、保守に関して異なる考慮事項が生じる場合があります。油を使用するコンプレッサーには、効果的な分離とろ過が必要であり、下流側のフィルターを保守不要の安全策とみなすことはできません。

選択は、要求される空気品質、計器の感度、ライフサイクル全体での保守能力、汚染が発生した場合の影響に基づいて行うべきです。

高圧運転と効率的な運転の比較

供給システムを100 psi前後で運転すると、局所的な圧力調整に有用な余裕を確保できますが、高い圧力が必ずしも優れているわけではありません。過剰な圧力は、エネルギー消費、漏れ損失、部品への負荷を増加させる可能性があります。

接続された機器と必要な過渡性能を満たす、安定した最低限の供給圧力を使用してください。

集中型ユーティリティと局所設備の比較

集中型システムは供給を簡素化し、複数のパイロットユニットに対応できますが、故障時には施設全体に影響する可能性があります。局所コンプレッサーや専用の空気処理装置は、選択した機器の独立性を高められる一方で、設備数と保守作業を増加させます。

適切な構成は、プロセスの重要度、利用者数、共通ユーティリティを失った場合の影響によって異なります。

標準化と保守性

技術的に適切な範囲でレギュレーター、フィルター、センサー、関連するプロセス制御機器を標準化すると、運転員の訓練と予備部品の管理が簡素化されます。また、パイロットプラントの各ユニットで予防保全をより一貫して実施できます。

標準化によって計器固有の要件を無視してはなりません。共通部品は、必要な圧力、空気品質、使用条件に適合している場合にのみ価値があります。

パイロットプラントへの適用方法

最終設計は、計器メーカーの要件およびプロセス安全評価に照らして確認する必要があります。

• 主な関心が空気品質の場合：オイルフリーの供給源または適切に設計された油除去システムを使用し、計器に到達する前に空気を冷却、乾燥、ろ過します。
• 主な関心が圧力安定性の場合：十分な容量のエアレシーバーを設置し、最大同時需要に対応できるようコンプレッサーと配管を選定し、各計器で局所的に圧力を調整します。
• 主な関心が信頼性の場合：アクセスしやすく、保守可能なフィルターとドレンを備えたシステム、屋外空気吸入口、低圧または空気完全喪失時の対応を定義したシステムを使用します。
• 主な関心が運転員と作業員の安全の場合：パイロットプラントの安全・試運転プログラムの一環として、アラーム、インターロック、圧力逃し装置、フェイルセーフ対応を検証します。
• 主な関心がライフサイクルコストの場合：各計器の空気品質または圧力要件を損なうことなく、互換性のある部品と保守方法を標準化します。

適切に設計された計装用空気システムは、パイロットプラントに安定した制御基盤をもたらします。つまり、精度のための清浄な空気、信頼性のための乾燥した空気、安全な運転のための安定した圧力です。

まとめ表：

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