成果報告書詳細
管理番号20160000000411
タイトル平成27年度成果報告書 戦略的省エネルギー技術革新プログラム 省エネルギー技術開発事業の重要技術に係る周辺技術・関連課題の検討 プラント内利用超電導ケーブルのための冷却システムの検討
公開日2016/8/6
報告書年度2015 - 2015
委託先名昭和電線ケーブルシステム株式会社
プロジェクト番号P12004
部署名省エネルギー部
和文要約件名:平成 27 年度成果報告書 戦略的省エネルギー技術革新プログラム 省エネルギー技術開発事業の重要技術に係る周辺技術・関連課題の検討 「プラント内利用超電導ケーブルのための冷却システムの検討」
1) モデルとなる工場の抽出
昭和電線ケーブルシステム(株)、エア・ウォーター(株)が担当した。構内で(I)窒素ガスあるいは液体窒素を使用する工場については、調査対象60工場のうち、59工場が37千Nm3/月以上の窒素消費量であった。窒素は、超電導ケーブル内を循環する液体窒素を冷却するために用いられる、液体窒素サブクーラーより排出され消費される。現在想定しているプラントにおいて、3kA級の三相同軸超電導ケーブルを運用した場合、必要とされる冷熱量は、3kWであり、それらを作り出すために必要な窒素として、37千Nm3/月(51Nm3/hr)と試算した。そのうち石油精製プラントの調査を行い、超電導ケーブルの置き換えが有効と考えられる電力量、設置環境を持つケーブル情報を抽出した。(II)液体窒素製造設備を保有する工場を調査し、最も消費電力の大きい茨城県内のプラントを候補として選定した。
2) モデルケースの窒素ガス、液体窒素使用状況、冷熱源の条件設定
昭和電線ケーブルシステム(株)、エア・ウォーター(株)が担当した。石油精製プラントの窒素ガス使用状況、ガス量などを調査した。空気分離プラントのケースでは、プラント内において、8千Nm3/hrの液体窒素が24時間製造されており、プラント内における超電導ケーブルの冷却に必要な液体窒素量(51Nm3/hr)が、十分確保されているため、冷熱源の条件については設定せず、超電導ケーブルシステムに必要とされる液体窒素量を用いることとした。
3) 超電導ケーブルの設計と熱負荷の算出
昭和電線ケーブルシステム(株)が担当した。延線距離が長い場合に重要となってくる外部コルゲート管の熱侵入量を測定した結果、アルミニウムを使用した場合は1.5W/m、SUSを使用した場合に1.3W/mであることがわかった。石油精製プラントの引込線、連系線を例として、3相同軸ケーブルを導入した場合のケーブル、端末、冷却システムを設計し、その熱負荷を算出した。250m長での熱負荷は1.6kW、超電導電流リードを開発し、電流導入部に適用させた場合は電流導入部からの熱侵入量が40%程度削減ができると算出された。
4) 各ケースでの冷却システムの設計
エア・ウォーター(株)が担当した。既存液体窒素をサブクーラーに導入し、真空ポンプを用いてサブクーラー内の窒素温度を-200℃以下とし、この液体窒素を用いて超電導ケーブルに循環する液体窒素を冷却する。窒素ガス使用工場ではサブクーラー内で蒸発した窒素を圧縮機を用いて工場に送ガスすることで、空気分離プラントではプラントに戻すことで、冷却システムのランニングコストが低減できることを確認した。本システムでのCOPは、冷熱を有効に利用することで0.15程度が見込まれる。また、屋外設置が可能な機器構成とできることを確認した。
5) 経済性の評価
昭和電線ケーブルシステム(株)が担当した。1)で記載の石油精製プラントの保有する国内プラントを訪問、ヒアリング調査を行い、構内の単線結線図をもとに超電導ケーブル導入効果のある線路につき省エネ効果を調査した。調査した250m、500m、2km長の石油精製プラントの引込線の場合を検討した。エネルギー損失は3kAの通電容量、条長250m及び700m場合で97%程度低減することができる。冷却に係る費用(液体窒素、電力量)を加味すると、3kA‐500m程度のケーブル長さから経済効果が得られると見込まれるが、更なるコスト低減が必要である。
6) 市場調査
昭和電線ケーブルシステム(株)とエア・ウォーター(株)が担当した。全国の石油精製プラントについて調査を行い、全国で24か所の石油精製プラントが存在し、インフラの更新時期が到来していることを確認した。また、エア・ウォーター(株)はガス製造事業者として全国の空気分離装置の情報をまとめた。空気分離装置は関東地域だけでも約20箇所あり、そのうちのおよそ4割が10千Nm3/hrを超える大型プラントであった。ガス生産プラントではエネルギー消費量の低減が収益性に大きなインパクトを与えることから、この省エネ対策には大きな関心を持っている。
英文要約Title : Study of the cooling system for utilizing superconducting cables in the plants FY2015 Final Report
SWCC Showa Cable Systems Co., Ltd. and Air Water Inc. took charge of this investigation.
1) Extraction of model factory
As for factories in which nitrogen gas (GN2) or liquid nitrogen (LN2) is utilized, 59 factories use GN2 consumption of 37,000Nm3/month or more. We investigated an oil refinement plant and extracted cable information which are thought that replacement to the superconducting (HTS) cable system is effective. Factories in which LN2 manufacturing equipment is in operation.
2) GN2 and LN2 usage condition, and condition setting the cold source's for the model case
GN2 usage condition and gas volume thereof etc. were investigated in the oil refinement plant. In the case of air separation plant, it was not necessary to set a specific condition because LN2 was always manufactured enough for the amount of LN2 necessary for the 3kA-class HTS cable cooling system.
3) Design of HTS cable and calculation of thermal loading
As a result of measuring the amount of the heat penetration in the external corrugate tube that becomes important in the case of long cable-line, it was obtained that the heat penetration is 1.5 W/m in the case of Al corrugate tube and 1.3 W/m for SUS corrugate tube. We designed HTS cable, terminals, and cryogenic system for a triaxial cable and calculated the thermal loading thereof, when a lead-in cable and a interconnection cable in the oil refinement plant were assumed to be an example. The thermal loading of the HTS cable in 250m length was calculated to be 1.6 kW.
4) Design of cooling system with each case
LN2 is introduced in a sub-cooler system and the temperature of LN2 in the system is controlled to be below -200deg. a sub-cooling state by using a vacuum pump, and then LN2 circulating to the HTS cable is cooled by this colder LN2. It was confirmed that operation cost of the cryogenic system could be decreased by returning LN2 generated in the sub-cooling system using a compressor in a plat where GN2 is utilized, and by returning LN2 to the air separation plant.
5) Evaluation of economics
We investigated the energy-saving effect by intriduction of the HTS cable for the oil refinement company etc. The cases of lead-in cable with 250m, 500m and 2km long were investigated. About 97% of energy loss could be reduced in the case of 3kA of rate current. However, econmmical effect may be expected in the case of 3kA-500m or longer considering the cost for cooling such as LN2 and electric energy.
6) Market research
We serched oil refinement plants existing in Japan and now is the time for renew old facilities into new one. Moreover, AWI summerized internal informetion on internal air separation plants as a company operting air separation plants. There are about 12 air separation plants even in Kanto-area, and 40% thereof are large-scale plant having the capacity of 10,000Nm3/hr or more.
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