VPSA/PSA酸素発生装置におけるモジュール式スキッドマウント設計

エンジニアリング業界では、新設プラントにおいて機器統合がますます標準要件となっています。モジュール式スキッドマウント組み立ては、そのような統合を実現するための様々な方法の一つです。

1. VPSA/PSA酸素プラントにおけるモジュール化とスキッドマウントの概念

スキッドマウントとは、一連の VPSA（真空圧力スイング吸着） およびPSA（圧力スイング吸着）酸素装置を、アングル鋼またはIビーム製のベースに固定することを指します。酸素ユニット全体は、吊り上げ装置やクレーンを使用して移動できます。スキッドマウント式酸素装置は産業分野で広く使用されています。

一方、モジュール化とは、酸素製造プロセスと機器を効率的に統合し、各スキッドがそれぞれ独立した機能を持つようにすることです。同時に、異なるスキッド間の連携動作を可能にし、分散設計、製造、輸送を容易にし、吊り上げの難易度も低減します。これらのモジュールの例としては、吸着塔入口/出口スキッド、酸素圧縮スキッド、排気・計量スキッドなどがあります。

VPSA/PSA酸素システムにおけるモジュール式スキッドマウント設計は、高い統合性、詳細な設計、短い建設期間、小さな設置面積、高度な制御システム、信頼性の高い動作などを提供し、酸素ユニットの現場建設における技術的課題を効果的に解決します。

この文脈において、「モジュール」は機能の統合を指し、「スキッド」は空間の統合を指します。単一のモジュールに複数のスキッドが含まれる場合もあり、同様に、一つのスキッドが複数のモジュールで構成されることもあります。

2. VPSA/PSA-O2プラントのモジュール式スキッドマウント設計

(1) 設計アプローチ

A. VPSA/PSA酸素プラントのモジュール設計

a. 酸素生成プロセスの機能ユニットに基づいて、 VPSA/PSA酸素 発生システムを複数の単一機能ユニットに分割し、モジュールユニットシリーズを形成します。

b. モジュール式酸素ユニット全体を基礎として、単一モジュール内のコンポーネントの最大サイズと重量、輸送の実現可能性、および現場での設置の容易さを考慮します。最終的な設計では、モジュールユニット内のパイプライン、機器、電気計器などのコンポーネントを統合し、モジュール全体のレイアウトを確定します。

c. モジュール内部の配管コンポーネント、特に計器類は、設計時に可能な限りモジュール内に組み込む必要があります。

d. 設計は主要設備に焦点を当てており、補助コンポーネントも含まれています。すべての配管、計器、バルブが1つのユニットに統合されており、その後のスキッド組立工程が容易になります。

e. モジュラーユニットの制御配線、電気回路、計装回路は事前に配線され、酸素生成システムの制御盤に整然と接続されます。現場で電源が供給されれば、簡単な調整後、酸素発生装置を迅速に稼働させることができます。

B. VPSA/PSA酸素プラントのスキッド搭載設計

a. 酸素生成プロセスに基づき、各モジュールユニット内のすべての設備、配管、計器などのコンポーネントをスキッドに組み立て、複数のスキッドユニットを形成します。

b. VPSA/PSA酸素発生装置の全体レイアウトと重量に基づき、ベース寸法、耐荷重ビーム位置、鉄骨構造の仕様を決定します。

c. 配管レイアウトとプロセスフローを使用して、鉄骨構造ベース上の配管サポートの位置を定義し、スキッド間の接続を最小限に抑えることを目指します。

d. 全体的なスキッド設計プロセスでは、吊り上げや輸送、現場設置、操作およびメンテナンスの容易さなどの要素を十分に考慮し、実用的で効率的な使いやすさを確保します。

(2) VPSA/PSA酸素設備レイアウトの要点

設備レイアウトはモジュラースキッド設計の技術原理に従います。事前に定義されたモジュラーユニットに基づき、酸素設備コンポーネントは主に統一されたプラットフォーム上に配置され、間隔規制を満たし、コンパクトな配置を確保しつつ、操作、点検、保守スペースの要件を満たします。さらに、酸素ユニット内のすべての配管、計器などのコンポーネントはプレハブ化され設置されるため、現場到着後はスキッド間の配管接続を溶接するだけで酸素生成システムの設置が完了します。

スキッド配管レイアウトの原則は以下の通りです：

• プロセスフローの要件に準拠し、スキッドのサイズと重量の仕様を満たすこと。

• 操作と管理を容易にし、安全な生産を確保すること。

• 配管のメンテナンスとバルブ操作を便利にすること。

• 全体的な設計は調和が取れ美観的であること、同時に材料使用量を最小限に抑えること。

酸素プラントのスキッドをモデリングする際、設計者は配管原則を厳守し、設備配置に重点を置く必要があります。比較的高い設備は中央に配置し、低いものやバルブは周囲に配置します。これにより、保守担当者とその工具がコンポーネントに容易にアクセスでき、VPSA/PSA-O2プラントの日常業務、メンテナンス、修理、分解にとって重要です。

将来の現場での迅速かつ信頼性の高い接続を確実にするために、スキッド間の配管は可能な限りフランジで接続する必要があります。スキッド内に人員通路が必要な場合、幅は900mm以上、高さは2150mm以上とします。

(3) VPSA/PSA酸素設備の選定

コストが合理的で管理可能であるという前提のもと、可能な限り高効率で多機能な設備を選定することが不可欠です。モジュラースキッド搭載設計は、酸素生成プロセスと設備を単に「積み重ねる」のではなく、設備機能の統合から始めるべきです。

(4) スキッドの圧力試験と輸送

スキッド設計図面が完成すると、工場で製造と設置のプロセスが始まります。完了後、各スキッドは国家規格に準拠して、探傷試験、水圧試験、気密試験、パージ、防食処理が行われます。これらの試験によりスキッドの品質と信頼性が保証され、酸素プラントが納入時に使用可能な状態であることが確保されます。

海上および陸上輸送の複雑さを考慮すると、輸送中に酸素ユニットスキッドが損傷しないようにすることが重要です。スキッドおよびその他のコンポーネントは個別に梱包し、防水容器に入れ、名前、番号、設備リスト、図面参照を含む梱包明細書を明確にラベル付けし、現場での配置と分解を容易にします。

3. VPSA/PSAモジュラースキッド搭載技術の課題

VPSA/PSA酸素プラントのモジュラースキッド搭載技術は、大規模酸素プラントの生産ユニットを機能要件と輸送制約に基づいて複数のモジュールに分割します。各モジュールは個別に設計され、設備、配管、計装などのコンポーネントはプレハブ工場で完成・設置されます。初期統合と簡単な調整後、モジュールは分解され、現場に輸送され、再組み立てされます。最後に、酸素システム全体が運転前に総合的な調整と圧力試験を受けます。この技術は、安全性、環境保護、プロジェクトスケジュール、コスト、品質において大きな利点を提供しますが、実際の適用にはいくつかの課題と障害にも直面します。

(1) 技術的課題

モジュラースキッド搭載技術の実装には、VPSA/PSAモジュール設計の精度、 PSA酸素プラントVPSA/PSAモジュールコンポーネントの製造精度、およびこれらのVPSA/PSAコンポーネントの輸送と設置の実現可能性を含む一連の技術的課題を克服する必要があります。

• 多分野横断的な協調設計：モジュラースキッド搭載VPSA/PSA酸素設備は、プロセス、設備、配管、構造、電気工学などの複数の分野を網羅します。効率的な協調設計と正確な建設計画が不可欠です。

• 3Dモデリングの作業量の多さ：スキッド搭載設備の構造の複雑さのため、合理的な設計を確保し潜在的な競合を回避するために、詳細な3Dモデリングが必要です。

• 現場での組立と分解：多層スキッド搭載ユニットは、工場で層ごとに組み立てる必要があります。吊り上げ、輸送、現場での再組立の必要性を考慮し、これらのプロセスの詳細な計画を策定する必要があります。

さらに、モジュール設計は物理的条件、資格要件、人的・組織的条件、およびインテリジェントソフトウェアの適用を考慮する必要があり、これらはすべてVPSA/PSAプラントのモジュール設計の成功した実装に不可欠です。

（2）標準化と拡張性

現在、国内外ともにモジュール設計はまだ発展の初期段階にあり、標準化された拡張可能なモジュール式スキッド搭載型製造サプライチェーンは確立されていません。つまり、モジュール式スキッド搭載型技術を導入する際、統一された基準や仕様が不足し、異なるプロジェクト間での互換性や交換性に問題が生じる可能性があります。

（3）環境要因と安全要因

極端な気象条件や複雑な地形など、特定の特殊な環境では、モジュール式スキッド搭載型技術の導入にさらなる課題が生じる可能性があります。

モジュール式 スキッド搭載型技術の利点を活かして、PKU Pioneerは効率的なモジュール式VPSA/PSA酸素発生装置を提供しており、コスト効率、設置面積の削減、納期の短縮において優れています。この酸素発生システムは特別に設計され、コンテナに設置されているため、スペースに制約があり、低酸素流量（通常<450Nm³/h）を必要とするお客様に最適です。

2023年、PKU Pioneerはイタリアとマレーシアのユーザーに、下水処理および食品産業向けのコンテナ型PSA酸素プラントを納入しました。1999年の設立以来、PKU Pioneerは20以上の産業分野において、多様な国際ニーズに対応した適応性のある酸素生成ソリューションを提供し、世界中のVPSAおよびPSA業界で信頼され、選ばれるプロバイダーとなっています。