石油プラントへの低位熱発電システムの適用 - jsme.or.jphelixchanger(abb) o/h...

日本機械学会日本機械学会 No.09No.09--94 94 第二回湘南ワークショップ第二回湘南ワークショップ 11

石油プラントへの石油プラントへの低位熱発電システムの適用低位熱発電システムの適用

富士石油㈱富士石油㈱袖ケ浦製油所袖ケ浦製油所

生産技術部技術課生産技術部技術課永田永田英記英記


内容内容

nn 富士石油㈱の紹介富士石油㈱の紹介

nn 低位熱発電システム導入の背景低位熱発電システム導入の背景

nn 設備概要設備概要

nn 実証運転結果実証運転結果

nn エネルギー削減効果と経済性エネルギー削減効果と経済性

nn 普及展開の展望と課題普及展開の展望と課題


富士石油㈱富士石油㈱袖ケ浦製油所袖ケ浦製油所

所在地所在地：千葉県袖ケ浦市：千葉県袖ケ浦市敷地面積敷地面積：：118118万万22千平方メートル（約千平方メートル（約3636万坪）万坪）製油能力製油能力：日量：日量1919万万22千バーレル（約千バーレル（約3050030500kl/kl/日）日）


ガソリンガソリン

CC重油重油

ディーゼルディーゼル

ナフサナフサ

CrudeCrude

減圧蒸留減圧蒸留

軽油脱硫軽油脱硫

アイソシーブアイソシーブ

プロパン・ブタンプロパン・ブタン

常圧常圧蒸留蒸留

間接脱硫間接脱硫

ユリカピッチユリカピッチ

ベンゼンベンゼン

灯油・ジェット灯油・ジェット

灯油脱硫灯油脱硫

ノルマルパラフィンノルマルパラフィン

接触改接触改質質

ガス回収ガス回収

ナフサ脱硫ナフサ脱硫

水素化脱アルキル水素化脱アルキル

混合キシレン混合キシレン

FCCFCCナフサ脱硫ナフサ脱硫

アスファルトアスファルト

接触脱蝋接触脱蝋

キシレン分キシレン分留留

溶剤抽出溶剤抽出

アルキレーションアルキレーション

11FCCFCC

ユリカ熱分解ユリカ熱分解

富士石油㈱富士石油㈱袖ケ浦製油所袖ケ浦製油所精製工程精製工程

22FCCFCC


ユリカ減圧残さ油熱分解装置ユリカ減圧残さ油熱分解装置

PetroleumPetroleumPitchPitch

GasGas

CHOCHO

CLOCLO

VacuumVacuumResidueResidue

SteamSteam

G/C

Cracking Heater

Preheater

Steam Super Heater

Main Column

Pitch Flaker

Pitch Stabilizer

Reactor

ATGATG ElectricityElectricity


導入の背景導入の背景

n 目的n コンビナート内複数工場の排熱を、

従来の利用限界を超える低位熱の範囲までカスケード的に共有し利用する低位熱エネルギーの統合回収技術の開発を行う。　

n 省エネ量目標n 10,500 coe-kL/年

n 研究期間n Ｈ15年10月～Ｈ19年3月　　　　　　

　　　　　　　　　　　　　n （Ｈ17年7月設備導入完了）n 開発要素技術

n ① エネルギー共有設備システムn ② 統合エネルギー監視システムn ③ 低位熱発電システム　　

NEDONEDO共同研究；共同研究；コンビナート低位熱エネルギー統合回収技術の開発コンビナート低位熱エネルギー統合回収技術の開発共同受託事業　；富士石油･住友化学・千代田化工建設　共同受託事業　；富士石油･住友化学・千代田化工建設　　　　　

①

①

富士石油

住友化学

③

②プロセス側

用役側

境界線


温度　℃

0

50

100

150

200

250

300

エンタルピー　ＭＷ

0 500 1000-1000 -500

冷却需要

加熱需要

破線：現状実線：ターゲット

低低圧蒸気の回収と利用

温水の回収と利用

排熱の回収と利用

富士石油富士石油++住友化学　熱複合線図住友化学　熱複合線図


0

50

100

150

200

250

0 100 200 300 400 500

冷却熱量 [MW]

温度

[℃

]袖ケ浦製油所の排熱複合線図袖ケ浦製油所の排熱複合線図

200［MW]


蒸留塔

EE--T/C; T/C; メインカラム塔頂熱負荷メインカラム塔頂熱負荷

C-18-301nn O/HO/H熱負荷熱負荷nn 流体流体

nn 炭化水素炭化水素((オイルオイル) + ) + 水蒸気水蒸気

nn 温度温度：：116116→→3636℃℃

nn Cooling DutyCooling Duty：：50 [MW]50 [MW]nn 大量の蒸気流入大量の蒸気流入

コンデンサー(AFC)

アフタークーラー


蒸留蒸留塔塔塔塔頂ベーパー空冷式熱交換器頂ベーパー空冷式熱交換器


GE

冷却水

SLP

A

A

低位熱発電システム低位熱発電システム概略フロー図概略フロー図

アンモニア水凝縮槽

蒸発器

再生器

分離槽

凝縮器

蒸留塔

空冷式熱交換器

タービン＆発電機

循環ポンプ

過熱器

冷却器


　　

低位熱発電システム概要低位熱発電システム概要

n 熱源n 流体：蒸留塔塔頂ベーパー

n 流量：122130 [kg/h]n 温度(入口/出口)：116/73 [℃]n 排熱量：42000 [kW]

n 発電システムn 作動流体 : アンモニア水

n 発電量(定格)：4000 [kW]


蒸発器蒸発器--Heating CurveHeating Curve

405060708090

100110120130

0 10 20 30 40

Heating Duty [MW]

Tem

pera

ture

[℃]

E-T/C O/H Ammonia Water Ammonia

アンモニア 100%

O/H

アンモニア水


設備建設状況設備建設状況 ((建設前建設前))


横 14.5 m

高さ33.5M

発電設備

縦 22.0 m

冷水塔設備

設備建設状況設備建設状況 ((H17H17年年22月月中旬中旬))


蒸発器蒸発器

凝縮器凝縮器タービン＆発電機タービン＆発電機

循環ポンプ循環ポンプ

低位熱発電システム低位熱発電システム


アンモニア循環ポンプアンモニア循環ポンプ ((PP--1818--721AB)721AB)

nn 型式型式：：1212段縦型遠心ポンプ段縦型遠心ポンプ

nn 設計流量設計流量：：260 [260 [m3/h]m3/h]nn 吸入圧力吸入圧力：：1303 [1303 [kPakPa--A]A]nn 吐出圧力吐出圧力：：3877 [3877 [kPakPa--A]A]nn Diff. Head Diff. Head : 470 [m]: 470 [m]


アンモニア水循環ポンプアンモニア水循環ポンプ


蒸発器蒸発器 ((EE--1818--721AB)721AB)

nn 型式型式 : : 縦型シェル縦型シェル&&チューブチューブ

nn 基数基数 :: 22 [[基基] ] nn Heat DutyHeat Duty : 41.9: 41.9 [MW][MW]nn 伝熱面積伝熱面積 : 2,643 : 2,643 [[m3/m3/基基]]nn チューブ長さチューブ長さ : 13,715 : 13,715 [[mm]mm]nn Shell I.D. Shell I.D. : 1,490 : 1,490 [mm][mm]nn 特徴特徴nn ヘリカルヘリカル((らせんらせん))バッフルの採用バッフルの採用((ABB)ABB)


O/H Vapor Inlet

　蒸発器　蒸発器 ((EE--1818--721AB)721AB)

アンモニア-水蒸発系で成分分離による伝熱阻害を回避するために、十分なミキシングが得る(流速が確保できる)

HELIXCHANGER(ABB)

O/H Vapor Outlet

アンモニア水 Outlet

アンモニア水 Inlet


蒸発器蒸発器 ((EE--1818--721AB)721AB)


アンモニアタービンアンモニアタービン//発電機発電機

nn アンモニアタービンアンモニアタービン((ATAT--1818--721) 721) nn ギア減速機内蔵ギア減速機内蔵11段タービン段タービン

nn 製作会社：神戸製鋼所製作会社：神戸製鋼所

nn 発電機発電機((GEGE--1818--721)721)nn 誘電発電機誘電発電機 4,000 [4,000 [kW]kW]nn 製作会社：東芝製作会社：東芝


タービン＆発電機タービン＆発電機


凝縮器凝縮器((EE--1818--724A724A--D)D)

nn 凝縮器凝縮器((EE--1818--724A724A--D)D)nn 型式型式：：プレートプレート&&フレームフレーム

nn 基数基数：：44基基

nn 交換熱量交換熱量 : 40.6 [: 40.6 [MW]MW]nn 伝熱面積伝熱面積 : 1125 [: 1125 [m2/m2/基基]]nn 概略寸法概略寸法((基基): ): 幅幅11701170×高さ×高さ3128 3128 ×奥×奥56295629

nn 特徴特徴nn 装置のコンパクト化装置のコンパクト化

nn プレート式熱交換器の採用プレート式熱交換器の採用nn アンモニア蒸気吸収機能の付加アンモニア蒸気吸収機能の付加((吸収槽の削減吸収槽の削減))


凝縮器凝縮器


実証運転実証運転結果結果

・発電性能：定格出力(4000[kW])を確認・冬季は出力制限（定格＜最大出力）

　

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

H18年1月 H18年3月 H18年5月 H18年7月 H18年9月 H18年11月 H19年1月

発電

端出

力　

[kW

]

10

20

30

40

50

60

70

80

冷却

水（ W

CS

）温度

　℃

平均最小最大冷却水温度

機器開放点検

出力範囲60～100％


実証運転状況実証運転状況最大出力　ｖｓ　冷却水温度

2,500

3,000

3,500

4,000

10 20 30

凝縮器冷却水温度　[℃ ]

発電

端出

力　

最大

[ k

W ]


実証運転状況実証運転状況

3200

3300

3400

3500

3600

3700

3800

3900

4000

06:30 07:00 07:30 08:00 08:30 09:00 09:30 10:00 10:30 11:00 11:30

発電

量 [kW

]

45分周期

熱源側の周期的変動により発電出力が変化しているが、簡単な制御で変動に追従し、運転は極めて安定しており、運転員の操作を全く必要としない。

⊿600kW

定格出力の15％に相当する変化


実証運転状況実証運転状況

備　考

夏季冬季年平均

作動流体の入熱量入熱量　[kW] ① 39,800 42,300 41,100

タービン入口圧力 [Mpa] 3.0 3.0 2.7～3.0

出口圧力 [Mpa] 1.2 0.7 0.7～1.2

発電機発電端出力[kW] ② 2,630 3,790 3,300 定格：4000[kW]

熱効率発電端　　 % ①/② 6.6 8.9 8.0

稼働率％ % 2年に1回定期点検

省エネルギー量原油換算[Kl/ｙ] 年間稼働時間：8,500

実　績

97

5,800

計画計画 5,600[5,600[kl/y]kl/y]

①

②


エネルギー削減効果と経済性エネルギー削減効果と経済性

nn 目標省エネルギー量；目標省エネルギー量；nn 年間原油換算年間原油換算 : 5,600[: 5,600[kl]kl]

nn 経済性経済性nn ペイアウト年数ペイアウト年数((単純単純)) ：：7.37.3年年((含含NEDONEDO負担金負担金))nn 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　：：3.63.6年年　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　※　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　※NEDONEDO負担金は研究予算の負担金は研究予算の1/21/2　　

　註　「コンビナート低位熱エネルギー統合回収技術の開発｣によるエネルギー　註　「コンビナート低位熱エネルギー統合回収技術の開発｣によるエネルギー共有設備システムを確立したことで、国の支援策として「複数企業による共有設備システムを確立したことで、国の支援策として「複数企業による共同省エネルギーの推進」が設定された（補助金共同省エネルギーの推進」が設定された（補助金1/21/2））


--8016地熱発電 *1

68.3

25～32

45.5

設備コスト[万¥/kWh ]

48～73

9～12

8.5～9.7

発電コスト[¥/kWh ]

(住宅・非住宅用)13～153太陽光発電 *1

202000風力発電 *1

設備コストが高いものの、稼動率が高いため、発電コストは新エネルギーと同等以上の経済性を有す。

694000低位熱発電

備　考稼動％発電規模[kW]

新ｴﾈﾙギーとの比較

*1 NEDO　新エネルギーガイドブック2008より抜粋

注：発電コストは資本回収法により算出。耐用年数17年、保全費用は設置費ｘ1.5％発電コスト＝

出典：総合エネルギー調査会　新エネルギー部会著作権者：経済産業省資源エネルギー庁

設置費用×年経費率＋燃料費＋運転経費発電電力量

ｒ

１-（1+ｒ）-ｎ

r：金利、　ｎ：耐用年数

年経費率＝

新エネルギーとの発電コスト比較試算新エネルギーとの発電コスト比較試算


116116((HC+SteamHC+Steam))

124124

9898((温水温水))

温度温度((℃℃))

2000200020002000地熱地熱HusavikurHusavikur((アイスランドアイスランド))

200720073500 3500 地熱地熱UnterhachingUnterhaching((ドイツドイツ))

2005200540004000蒸留塔蒸留塔

塔頂排熱塔頂排熱富士石油富士石油

袖ケ浦製油所袖ケ浦製油所

1999199938003800転炉排熱転炉排熱住友金属住友金属

鹿島製鉄所鹿島製鉄所

稼動年稼動年発電量発電量((kW)kW)

熱源熱源

アンモニア水サイクルの普及状況アンモニア水サイクルの普及状況


現在の取組み現在の取組みnn 設備設備//運転最適化運転最適化

nn シミュレーション技術の活用シミュレーション技術の活用nn 設備費の削減設備費の削減

nn 限界設計指標構築限界設計指標構築nn 熱交換器の効率化熱交換器の効率化nn 吸収凝縮工程の高性能化吸収凝縮工程の高性能化

nn 適用範囲の拡大適用範囲の拡大nn 小型パッケージユニットの設計開発小型パッケージユニットの設計開発nn 複数熱源の利用による設計開発複数熱源の利用による設計開発nn 地熱・温泉水利用への普及調査地熱・温泉水利用への普及調査

nn 経年運転による設備の影響調査経年運転による設備の影響調査nn 機器開放点検による腐食、エロージョンの継続調査機器開放点検による腐食、エロージョンの継続調査

àà NEDO NEDO 「「環境調和型製鉄プロセス技術開発」環境調和型製鉄プロセス技術開発」排熱回収技術の一つとして研究を継続排熱回収技術の一つとして研究を継続


シミュレータによる解析シミュレータによる解析//最適化最適化

運転ポイント

最適ポイント


まとめまとめ

n アンモニア-水を作動媒体に用いて、石油プラント蒸留塔の塔頂排熱発電設備を建設し、安定的に運転できることを実証した。

n 本システムは大量の低位熱を有する石油・化学・鉄鋼・製紙・セメント等の大規模工場向けに極めて有効である。

n 今後普及のために、さらにシステムの高効率化及び設備コストの削減を進める必要がある。

n さらにグリーン電力の１つに認証されることも、普及の一助になると考えられる

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