エネルギー効率の高い発電プラントのための設計エンジニアリング

発電プラントにおけるエネルギー効率の重要性

発電プラントのエネルギー効率は、施設内の消費率を最小限に抑えるために不可欠です。エネルギー効率とは、社内制御システムを最適に構成し、無駄なく必要な電力のみを使用する効果的な手段です。本記事では、施設開発時の懸念事項と、エネルギー効率の実現が容易ではない理由を掘り下げます。

---

設計における課題：技術的・非技術的障壁

発電プラントのエネルギー効率設計には、技術的・非技術的な多くの課題があります。電気エンジニアリングに関連するものとして以下が挙げられます。

• 発電プラント設計において、電気エンジニアリングは機械系と制御システムの後に最後に関与することが多い

これにより、電気エンジニアが統合的なエネルギー効率設計に十分に関与する余地がほとんどありません。これは発電プラントのエネルギー効率に悪影響を及ぼし、電気システムを通じて消費されるすべての内部エネルギーが非効率に使用されることを意味します。

• 電力システムが最初に指定される項目である

これにより、電気エンジニアが社内プラント運用に重要な概念研究に費やせる時間がさらに制限されます。概念研究は通常、分析に基づく更なる効率改善の基盤となる、基本的なエネルギー効率改善設計変更の影響を理解する最良の機会です。エネルギー効率のための電力品質スタディには以下が含まれます。

• 負荷解析
• 潮流・電圧降下解析
• モータ起動解析
• 短絡解析

負荷解析

負荷解析は、エネルギー効率を高めるための最も重要なエンジニアリングステップの一つです。電力システムが遭遇するすべての負荷に関する情報とデータを収集することが設計の第一歩です。これには、重要負荷、デューティサイクル、季節変動、起動要件の理解が含まれます。これらの情報は通常、機械設計チームと制御設計チームから提供されます。サプライヤーの断片化により、詳細な負荷リストの作成は決して容易ではありません。実績データがない場合は、類似の過去プロジェクトを参考にできます。

負荷解析は、実際の負荷と負荷係数に基づく最大運転負荷の定量化から始めるべきです。メーカーから提示される過大な値は、電源のオーバーサイジングを招きます。また、システム上の負荷数も考慮に入れる必要があります。

潮流・電圧降下解析

発電プラントのシステム電圧はエネルギー効率に確実な影響を与えます。可能な限り高い母線電圧を選択すると、低圧母線に比べて電流レベルが低くなるため、オーム損失を削減できます。低圧ではなく中圧のドライブとモータを選択すると、ドライブ電力機器のオーム損失を低減できます。より高い電圧レベルで定格されたモータと変圧器は、最終的に高い効率を持ちます。したがって、高い母線電圧により、より少ない大容量変圧器を指定でき、システム全体のエネルギー効率が向上します。

起動解析

ソフトスタータを用いたモータは、起動時に定格負荷電流を大きく超える電流を引き起こします。起動時の高トルク要求は電力システムへの負荷を増大させ、コンポーネントのオーバーサイジングを招き、連続運転時の効率低下につながります。モータ起動要件を理解することで、パラメータを過大見積もりせずに相互接続コンポーネントを設計でき、適切なコンポーネントで正確な運転条件に対応できます。

短絡解析

短絡解析の主目的は、短絡条件下でブレーカーが過負荷にならないことを保証することです。ブレーカーは正常負荷電流を遮断できなければならず、故障電流を遮断できる必要があります。ブレーカーが遮断定格を超える電流を遮断しようとすると、損傷を招く可能性があります。定格電流と遮断定格が合理的な範囲内にあることを確認することで、システムコンポーネントへの予防的損傷防止の可能性が高まります。

機器サイジングと母線設計の重要性

母線間で負荷を適切にバランスさせることで、電力品質とエネルギー効率が向上します。発電プラントには複数の電源があり、適切なバランスを取ることで、電力システムコンポーネントのサイズを最適化し、各母線の起動要件を削減できます。

適切な解析により、最適なブレーカーとケーブルサイズが導き出されます。コンポーネントの不適切なサイジングは、エネルギー効率と保護機能の両方に悪影響を及ぼします。ケーブルが過小だと損失が大きくなることを理解することは、ケーブルサイズ決定に重要です。

銅母線サイジングのガイドライン

• 断面積を増やしてエネルギー損失を削減
• 導体断面積を2倍にすると抵抗が半減し、損失を実質的に半減
• 最小許容値から数段階のサイズアップで損失に大きな差が出るが、それ以降は効果が逓減
• 単一母線に複数本のバーを選定することも、システム損失低減の検討事項

母線は長寿命のプラントコンポーネントであり、その運転エネルギーコストはライフサイクル計算でより重みを持ちます。適切な母線選定には、通常運転時にシステムが遭遇する電圧降下、短絡電流、スキン効果の理解が必要です。

適切な発電プラントシステムケーブルレイアウトの設計

電力システムコンポーネントの物理レイアウト、ケーブルの長さと直径は、損失を最小限にするよう選定すべきです。電気システムではケーブルで電力損失が発生します。損失には、開閉装置や制御・保護回路などの電流伝送デバイスでの損失も含まれます。損失低減のための設計ガイドライン：

• 変圧器、開閉装置の負荷中心を中央に配置し、ケーブル経路長と損失・電圧降下を削減
• 母線とタップを可能な限り短くし、補助変圧器と発電機の距離を短縮
• 小径ケーブルの直径を1〜2ゲージ太くすることで、オーム損失低減、ケーブル種類削減による設置時の廃棄削減と最小発注単位での有利な条件獲得

メイン機器のレイアウトが先に決まり、それらの間の接続が後から決まることが多いです。初期材料コスト削減のために最小許容径ケーブルを選定すると、生涯運転コストが大幅に増大します。

ケーブル設計決定

相互接続負荷間のケーブル断面積は、運転条件とケーブル長に関連して計算する必要があります。ケーブル断面積に影響する要因：

• 通常条件下の許容負荷（周囲温度と敷設方法を考慮）
• 熱的短絡強度
• 通常条件および起動時のケーブル経路における許容電圧降下
• 過負荷時の保護装置動作、危険電圧を遮断するための最小短絡電流

ケーブルルート計画

複雑な施設設置、発電プラント、開閉所でのケーブルルーティングには、エンジニアとプランナーの多大な労力が必要です。特定の組み合わせが互いに悪影響を及ぼさないよう確保しながら、始点から終点までの最短経路でケーブルを配置する作業です。

コンピュータ支援設計（CAD）は、コンポーネントとケーブルレイアウトの適切な実装開発・エンジニアリング手段として広く活用されています。発電プラント施設では、完全に機能しエネルギー効率の高いフローを開発する際に多大な注意が必要です。

E3.3D Routing Bridge

E3.3D Routing Bridgeは、機械CADソフトウェアと完全統合された簡易な経路ルーティングを可能にします。相互接続コンポーネント間の配線長、直径、ケーブル選定規格の決定がこれまでになく容易になります。

最高の設計を目指すため、図研はE3.seriesと主要MCAD（メカニカルCAD）ベンダー間のリンクを開発し、完全統合設計モデルの作成を可能にしました。E3.3D Routing Bridgeを使用すると、E3.seriesからの回路図と接続情報をすべての主要MCADシステムにインターフェースできます。主な機能：

• MCADへのコンポーネント情報転送（コネクタ、ピン、スプライス）
• MCADとのデータ双方向転送
• MCADでの衝突・干渉検出チェック
• 配線曲げ半径チェック
• MCADでの配線とセグメント長の自動計算
• E3.Formboardでの製造ドキュメント自動作成

E3.Schematic

回路図、端子台計画、PLCを含む電気制御システムの設計とドキュメント化を支援します。設計段階でエラーを防ぎ、最高のエネルギー効率設計のためのシステム開発を可能にします。簡単なドラッグ＆ドロップインターフェースで接続とコンポーネントの設計時間を短縮し、プラント効率により多くの時間を割けます。機械設計と電気設計の統合により、電気エンジニアが機械・制御システム設計後に電気設計を検討する場合でも設計開発が進めやすくなります。E3.Schematicの主な機能：

• 電気回路図の効率的な作成とドキュメント化
• 組み込み設計ルールによるエラー防止
• 事前設計・承認・テスト済みコンポーネントの巨大ライブラリを活用した設計
• ドラッグ＆ドロップ設計
• 電気コンポーネントの簡単な接続
• 配線番号の自動付与
• 独自サブサーキットの事前定義
• 複数シート間の端子をインテリジェントに管理
• シンプルなステップでプロジェクトドキュメント生成