プロセスダイナミックシミュレーション / 水撃解析
プロセスダイナミックシミュレーション
千代田では、プラントのスタートアップ、シャットダウン、運転モード切替および機器の故障、停止に伴うシステムの挙動やプロセス条件への影響を解析/検討するため、高度なダイナミックシミュレーション技術を駆使したソリューションを提供します。プラントの動的な運転の視点からのシステム健全性評価、安全対策、機器サイジング、適切な制御系の検討のために、プロセスダイナミックシミュレーションは必須な要素になっています。
検討においては、各機器、配管、弁、コントローラをモデル化し、シミュレーションを実施します。モデル化に際しては、機器のサイズ、慣性モーメント、機器の性能特性、配管や槽の容量や抵抗、弁の流量特性、動作速度等のデータを反映し、目的に合わせたモデルを作成します。
近年、コンピュータやツールの進歩と共に扱えるモデルの範囲も大きくなっており、プラント全体を対象とした大規模なシステムの設計や複雑かつ高度な制御システムの検証などにも、ダイナミックシミュレーションが適用されています。
プロセスダイナミックシミュレーション検討範囲の一例（天然ガス液化プラント）
プロセスダイナミックシミュレーション検討結果の一例（コンプレッサ緊急停止）
水撃解析(サージ解析)
千代田では緊急時や非定常運転を考慮したプラントの安全設計の一環として、水撃解析(サージ解析)を実施しております。水撃現象とは、水や油などの液体が流れる配管において、緊急遮断弁の閉止やポンプの起動/停止など、運転状態の急激な変化に伴い、配管内を流れる流体の流速が変わることで発生する圧力変動のことを指します。特にオフサイト設備における長距離配管での原料や製品の入出荷ラインや、防消火設備の急な通水のような非定常操作を行う際に見られます。時には通常運転時に見られない高い圧力を発生させ、配管や支持構造体、機器への損傷を引き起こす場合があります。こういった背景から千代田では1970年代から40年以上に亘り、数多くのプラントにおいて水撃解析を実施してまいりました。また近年では、設備の運用変更に伴い、設計当時と異なる原料や製品を貯槽・操液する事例も多く、既存設備における運転方法の見直しや設備改造による対応など、新設のプラントに限らず既設のプラントに対する検討要求が増加しています。
例1）タンカー出荷設備における水撃現象
例2）防消火設備における水撃現象
特徴
プロセスダイナミックシミュレーション
- プラントのスケールアップ時や新しいシステムの導入時には、従来は予想し得なかった問題が発生する可能性があります。シミュレーションモデルを使うことで、問題発生時の影響を実装置にダメージを与えることなく安全に検証を行うことが可能です。
- 巨大災害に伴う全停電時といった通常運転時には確認・検証できないシナリオについても、ダイナミックシミュレーションを用いて確認することが可能です。例として、所内全停電時の総フレアリング量推算にあたり、ダイナミックシミュレーションを用いて機器のダイナミクスを考慮した現実的な噴出し量を計算可能です。
水撃解析(サージ解析)
- 緊急時/非定常運転時に発生する水撃による影響を把握することで、安全な設備設計、運転方法、そして水撃による影響を防止する機器の選定を含め適切な設備設計を実現し、プラントの安全対策強化に貢献します。
- 世界で数多くのプラント建設に携わってきた千代田の知見やノウハウに加え、40年以上の検討実績による信頼性の高い解析と現実的な対策案の立案を行います。
- 解析ソフトは、自社開発のプログラムに加え、近年では市販のシミュレーターを用い、弁の閉止/開放、ポンプの起動/停止、ポンプの回転数制御や水撃対策機器もモデル化が可能で、広域配管網などの複雑なシステムにおいても対応できます。
- 自社開発ソフトである流体過渡現象解析プログラム"HYTRAC" (HYdraulic TRansient Analysis by Characteristic method) は、特性曲線法を用いたコンピュータプログラムであり、多数の実験データとの比較にて検証されたプログラムです。また、液柱分離現象が関係する複雑な水撃現象についても検証されており、精度の高い解析を行います。
- 市販のシミュレーターにおいても、工学的知見と経験に基づき検証を行い、解析技術の観点からシミュレーターの性質を把握した上で適切な検討を行っております。
- 解析結果は時刻歴の圧力や流量に加え、水撃現象により各配管に作用する衝撃荷重を確認でき、安全設計の提案やトラブル時の対策方針立案に用いられます。
適用可能な範囲
プロセスダイナミックシミュレーション
- 冷凍系：冷凍コンプレッサの緊急停止、再起動、バイパスバルブの要否検討。並列コンプレッサの停止、起動、1台運転から並列運転への変更手順確認。
- 液化系：液化器停止時の健全性評価。
- スチーム系：スチームタービン停止・起動時の手順確認（ボイラ、レットダウン量、スチームタービンバイパスの挙動）。スチームユーザー停止時の挙動確認。
- 燃料ガス系：燃料ガスコンプレッサ停止時の系内圧力変動の確認。
- フレアを含む緊急脱圧システム 等
水撃解析
石油精製/石油化学/ガス/一般化学プラントの配管系など、様々な液配管系において適応可能です。
- 入出荷設備
- 液移送設備
- 冷却水設備
- 工業用水設備
- 防消火設備
- 長距離パイプラインなど