産業プラントの信頼度に注目した

早稲田大学大学院 環境・エネルギー研究科 博士学位論文

産業プラントの信頼度に注目した

電気設備メンテナンス計画に関する研究

Study on Electrical Equipment Maintenance focusing on

Reliability of Industrial Plant

2011 年 2 月

早稲田大学大学院 環境・エネルギー研究科 環境・電力システム研究

板 倉 誠 一

内容梗概

内容梗概

人 類 が 豊 か な 生 活 を 営 む た め に 、 継 続 し て 運 用 さ れ る 生 産 設 備 （ 例 え ば 、 石 油 精 製 、化 学 、製 鉄 プ ラ ン ト ）お よ び 大 規 模 イ ン フ ラ ス ト ラ ク チ ャ ー (例 え ば 、上 下 水 道 、 電 力 、 ガ ス 、 通 信 )の 産 業 プ ラ ン ト は 、 20 世 紀 に お け る 急 激 な 経 済 発 展 に 相 応 し た 需 要 の 増 大 に 対 応 す べ く 、Scrap and Buildに よ る 新 規 の 建 設 が 次 々 と 行 な わ れ て き た 。

そ の 後 、 二 度 の オ イ ル シ ョ ッ ク を 経 た 高 度 経 済 成 長 後 の 安 定 経 済 、 ま た 近 年 の グ ロ ー バ ル 経 済 の 下 で は 、 よ り 厳 密 に 新 規 投 資 に 対 す る 費 用 対 効 果 が 問 わ れ る よ う に な り 、 生 産 能 力 の 増 大 を 目 指 し た 闇 雲 な プ ラ ン ト の 新 規 建 設 で は な く 、 い か に 既 存 の 設 備 を 効 率 よ く 運 用 し 、 か つ 、 事 故 な く 継 続 的 に 運 転 を 行 な う か が 重 要 と な っ て き て い る 。

従 来 で は 、 既 存 の プ ラ ン ト の 維 持 ・ 改 善 よ り も 、 新 規 プ ラ ン ト の 建 設 に 重 点 が 置 か れ 、 作 ら れ た 設 備 の メ ン テ ナ ン ス が 時 と し て 軽 ん じ ら れ る 風 土 が 見 ら れ た 。 し か し な が ら 昨 今 で は 、 プ ラ ン ト 内 設 備 の 事 故 ま た は 故 障 等 を 原 因 と し た 突 発 的 な 停 止 が 発 生 し た 場 合 、 経 済 的 な 損 失 と い っ た 面 の み な ら ず 、 製 品 顧 客 ま た は 最 終 ユ ー ザ ー に 対 す る 信 用 喪 失 と い っ た 無 形 の 損 失 に も 目 が 向 け ら れ 、 メ ン テ ナ ン ス の 重 要 性 が 認 識 さ れ る こ と と な っ て き た 。

一 方 、 メ ン テ ナ ン ス の 計 画 に 際 し て は 、 既 存 の プ ラ ン ト を 効 率 良 く メ ン テ ナ ン ス を 行 い 、 か つ 、 起 こ り う る 事 故 を 事 前 に 予 知 ま た は 推 定 す る こ と の 困 難 さ と 、 産 業 プ ラ ン ト を 構 成 す る シ ス テ ム の 複 雑 さ か ら 、 メ ン テ ナ ン ス に 対 す る 定 量 的 な 判 断 指 標 に 不 足 し て い た の が 実 情 で あ る 。

社 会 的 に 重 要 な 役 割 を 持 つ 産 業 プ ラ ン ト で は 、長 時 間 の 連 続 運 転 が 常 に 要 求 さ れ 、 何 ら か の 理 由 で 産 業 プ ラ ン ト を 停 止 さ せ る こ と は 、 停 止 時 の 社 会 的 な 影 響 と そ の 費 用 が 非 常 に 大 き い こ と も 重 な り 、 容 易 で は な い 。 し か し な が ら 、 産 業 プ ラ ン ト を 停 止 さ せ ず に 連 続 し て 運 転 を 継 続 し た 場 合 、 劣 化 し た 設 備 の 故 障 リ ス ク が 時 間 の 経 過 と 共 に 次 第 に 高 ま る こ と は 容 易 に 理 解 で き る 。

更 に 、 事 故 ま た は 設 備 の 故 障 に よ り 産 業 プ ラ ン ト が 突 然 計 画 外 に 停 止 し た 場 合 の 損 害 は 、 計 画 さ れ た プ ラ ン ト 停 止 時 に 必 要 と な る 費 用 に 比 較 す る と 莫 大 な も の と な り う る こ と も ま た 容 易 に 推 測 で き る 。

一 般 的 に 産 業 プ ラ ン ト 内 に あ る 各 種 設 備 は 、メ ン テ ナ ン ス を 行 わ な い 場 合 に は 時 間 と 共 に 経 年 劣 化 し 、い ず れ は 重 大 な 故 障 や 破 損 を 発 生 す る 。一 方 、メ ン テ ナ ン ス を 適 切 に 行 え ば 、非 常 に 長 い 寿 命 を 有 す る も の が 多 い 。従 っ て 、産 業 プ ラ ン ト の 予

内容梗概

こ こ で 、産 業 プ ラ ン ト を 構 成 す る 各 種 機 器 資 材 の 中 で 重 要 な 位 置 を 占 め る 電 気 設 備 の メ ン テ ナ ン ス に 着 目 し 、こ れ ら の メ ン テ ナ ン ス に 際 し て は ど の よ う な 要 求 事 項 が あ り 、 ま た ど の よ う に 行 な わ れ て い る か に 焦 点 を 当 て る 。

電 気 設 備 の メ ン テ ナ ン ス は 、従 来 で は 、産 業 プ ラ ン ト に 対 す る 法 律・規 制 で 決 め ら れ た 期 間 内 、か つ そ れ ぞ れ の 電 気 設 備 メ ー カ ー の メ ン テ ナ ン ス 推 奨 時 期 に 応 じ て 実 行 さ れ る 、時 間 基 準 保 全 (Time Based Maintenance: TBM)が 主 流 で あ っ た 。し か し な が ら 、 こ の よ う な TBM で は 、 個 々 の 電 気 設 備 メ ー カ ー の メ ン テ ナ ン ス 推 奨 時 期 が 全 て 同 時 期 に 揃 う こ と は あ り え ず 、産 業 プ ラ ン ト を 構 成 す る 全 電 気 設 備 の メ ン テ ナ ン ス 時 期 を メ ー カ ー 推 奨 時 期 と し て 統 一 す る こ と は 困 難 で あ る 。

実 態 と し て は 、先 ず 過 去 の 経 験 に 基 づ い て メ ン テ ナ ン ス 間 隔 を 定 め 、推 奨 メ ン テ ナ ン ス 時 期 ま で に 余 裕 が あ る 電 気 設 備 の 早 め の メ ン テ ナ ン ス と 、一 部 の 電 気 設 備 に 対 し て は 、推 奨 メ ン テ ナ ン ス 時 期 を 過 ぎ た 状 態 で 使 用 す る こ と を 容 認 し 、大 多 数 の 電 気 設 備 を 集 中 し て メ ン テ ナ ン ス を 行 う 必 要 が あ っ た 。

そ の た め に 、TBMで は 必 ず し も す べ て の 電 気 設 備 に 適 し た タ イ ミ ン グ で の メ ン テ ナ ン ス が 行 わ れ な か っ た た め に 、 電 気 設 備 の 故 障 発 生 リ ス ク を 十 分 に 低 減 す る こ と は 不 可 能 で あ っ た 。 そ の TBM の 欠 点 を 補 う メ ン テ ナ ン ス の 考 え 方 と し て 、 電 気 設 備 の 状 態 を 常 に 監 視 し 、 そ の 状 態 監 視 か ら 故 障 リ ス ク が 高 ま っ た 際 に メ ン テ ナ ン ス を 行 う 状 態 監 視 保 全(Condition Based Maintenance: CBM)が 提 案 さ れ て い る 。 CBMは 、特 に そ の 故 障 が シ ス テ ム 全 体 に 与 え る 影 響 が 大 き い 設 備 を 中 心 に 導 入 例 が 多 い 。

近 年 は 信 頼 度 を 重 視 し た メ ン テ ナ ン ス の 重 要 性 に 対 す る 認 識 が 高 ま り 、個 々 の 設 備 単 位 で の 考 え 方 に と ど ま ら ず 、シ ス テ ム 全 体 の 効 果 的 な メ ン テ ナ ン ス を 行 う 信 頼 度 重 視 保 全(Reliability Centered Maintenance: RCM)と い う 考 え 方 に 基 づ い た メ ン テ ナ ン ス が 提 案 さ れ て い る 。

産 業 プ ラ ン ト 内 に は 多 数 の 電 気 設 備 が 存 在 し 、各 々 が 直 列 的 ま た は 並 列 的 に 接 続 さ れ て い る 。1 台 の 電 気 設 備 の 故 障 が 即 プ ラ ン ト の 停 止 に 繋 が る 場 合 も あ れ ば 、複 数 台 の 故 障 が 発 生 し て 初 め て プ ラ ン ト の 停 止 に 繋 が る 場 合 も あ る 。こ の よ う な 複 雑 か つ 多 彩 な 現 象 を 人 力 で 過 不 足 な く 検 討 す る こ と は 事 実 上 不 可 能 で あ る 。

本 論 文 で は 、RCM の 考 え 方 に 基 づ い た 産 業 プ ラ ン ト の 最 適 な メ ン テ ナ ン ス 間 隔 を 決 定 す る 手 法 を 新 た に 提 案 す る 。ま た 同 時 に 、産 業 プ ラ ン ト 内 電 気 設 備 で は 、プ ラ ン ト 全 体 の 信 頼 度 向 上 を 目 的 に 、多 く の 冗 長 性 を 考 慮 し た 電 気 系 統 の 構 築 が な さ れ て い る 。そ れ に よ り 、電 気 設 備 内 で の 突 発 的 な 事 故 ま た は 故 障 時 に 産 業 プ ラ ン ト が 全 停 止 す る リ ス ク を 低 減 し 、プ ラ ン ト 全 体 の 信 頼 度 の 向 上 を 目 指 し て い る 。し か し な が ら 、冗 長 性 を 考 慮 し た こ と に よ り 設 置 す る 電 気 設 備 が 増 加 す れ ば 、そ れ だ け

内容梗概

事 故 ま た は 故 障 の リ ス ク が 増 大 す る こ と も 考 慮 す る 必 要 が あ る 。そ こ で 、プ ラ ン ト 全 体 信 頼 度 と 戦 略 的 な メ ン テ ナ ン ス 計 画 の 観 点 か ら 、 最 適 な 設 備 冗 長 を 考 察 す る 。

本 論 文 の 第 1 章 で は 、 産 業 プ ラ ン ト の 社 会 に お け る 位 置 付 け を 簡 単 に 振 り 返 り、

そ の 発 展 の 経 緯 と 共 に 、産 業 プ ラ ン ト の 継 続 的 運 転 の 重 要 性 か ら 設 備 管 理 へ の 注 目 が 高 ま る 中 で 、産 業 プ ラ ン ト 設 備 の 重 要 な 構 成 要 素 で あ る 電 気 設 備 の メ ン テ ナ ン ス 思 想 の 状 況 を 述 べ る 。そ の 変 遷 に お い て 、プ ラ ン ト の 継 続 的 運 転 と 経 済 的 な 観 点 か ら 、い か に し て 効 率 的 な メ ン テ ナ ン ス を 実 現 す る か が 注 目 さ れ て き て い る 現 状 を 述 べ る 。

第 ２ 章 で は 、電 気 設 備 メ ン テ ナ ン ス 計 画 の 検 討 を 進 め る に 際 し て 重 要 な 要 素 と な る 、信 頼 度 の 基 礎 的 な 考 え 方 を 整 理 し 、電 気 設 備 が 産 業 プ ラ ン ト 全 体 の 信 頼 度 に 与 え る 影 響 と 、設 置 さ れ る 個 々 の 電 気 設 備 そ れ ぞ れ の 信 頼 度 の 状 況 と そ の 表 し 方 に つ い て 述 べ る 。

つ い で 第 ３ 章 で は 、産 業 プ ラ ン ト が 停 止 す る 場 合 に ど の よ う な 費 用 が 発 生 す る か を 定 量 的 に 考 察 す る 。プ ラ ン ト の 停 止 が 事 前 に 計 画 さ れ 、経 済 的 な 影 響 度 を 最 小 限 に 抑 え た 場 合 に 発 生 す る 費 用 と 、事 故・故 障 と い っ た 突 発 的 な 計 画 外 に 発 生 す る 費 用 は 自 ず と 異 な っ て く る 。突 発 的 な 計 画 外 の 停 止 は 、個 々 の 電 気 設 備 の 事 故 ま た は 故 障 の 発 生 確 率 と 系 統 構 成 が 係 る こ と で 生 じ る プ ラ ン ト の 全 停 止 で あ り 、個 々 の 電 気 設 備 の 信 頼 度 と プ ラ ン ト 全 体 信 頼 度 が 大 き く 係 っ て く る こ と を 示 す 。ま た 、プ ラ ン ト 全 体 の 信 頼 度 を 考 慮 す る こ と で 、事 前 に 計 画 さ れ た プ ラ ン ト の 停 止 と 、計 画 外 の 停 止 を 比 較 検 討 す る 手 法 に つ い て ま と め る 。

ま た 、 第 ２ 章 で の プ ラ ン ト 全 体 の 信 頼 度 と 停 止 に お け る 費 用 と を 融 合 す る こ と で 、 プ ラ ン ト 全 体 信 頼 度 の コ ス ト 化 を 計 り 、メ ン テ ナ ン ス 実 施 間 隔 の 定 量 的 な 判 断 指 標 の 概 念 を 示 す と 共 に 、簡 易 産 業 プ ラ ン ト モ デ ル を 使 用 す る こ と で 事 前 に 計 画 さ れ た プ ラ ン ト の 停 止 と 、計 画 外 の 停 止 に お け る 発 生 費 用 の 比 較 検 討 を 行 な い 、最 適 な メ ン テ ナ ン ス 間 隔 決 定 の 基 本 的 な 手 順 を 実 証 す る 。

第 ４ 章 で は 、第 ３ 章 で の メ ン テ ナ ン ス 実 施 間 隔 の 定 量 的 な 判 断 指 標 の 概 念 と 簡易 産業プラントモデルによる手 順 に 基 づ き 、 そ の 拡張として実 際 の 産 業 プ ラ ン ト に お け る 大 規 模 複 雑 な 電 気 設 備 モ デ ル を 対 象 と し て 最 適 メ ン テ ナ ン ス 間 隔 決 定 手 法 に つ い て 提 案 し 、 メ ン テ ナ ン ス 間 隔 計 画 へ の 適 用 に 資 す る も の で あ る 。

こ こ で は 新 た に モンテカルロ法の導入と、グラフ理論に基づいた電源と各電気設備間 の電源供給経 路 探 索 手 法 を 適 用 す る こ と で 、大 規 模 複 雑 系 産 業 プ ラ ン ト 電 気 設 備 へ の 拡 張 を 実 証 す る 。

内容梗概

備 を 対 象 と し て 、プ ラ ン ト 全 体 の 信 頼 度 向 上 を 進 め る 上 で 採 用 さ れ て い る 発 電 設 備 の 冗 長 度 が 、ど の よ う に メ ン テ ナ ン ス 計 画 に 影 響 し て い る か を 信 頼 度 の 観 点 か ら 比 較 評 価 を 行 な い 、プ ラ ン ト の 自 家 発 電 設 備 の 導 入・メ ン テ ナ ン ス 計 画 に 対 す る 示 唆 に つ い て 紹 介 す る 。

最 後 に 、第 ６ 章 で は 、各 章 で 得 ら れ た 結 論 か ら 、産 業 プ ラ ン ト の 継 続 的 運 転 の 必 要 性 と 重 要 性 を 認 識 し た 上 で 、冗 長 性 を 含 ん だ 全 体 電 気 系 統 に お け る 電 気 設 備 の メ ン テ ナ ン ス 計 画 に 対 し 、経 済 的・定 量 的 な 指 標 を 提 示 す る こ と で 得 ら れ た 結 論 と 知 見 に つ い て ま と め る 。

目次

目次

第 1 章 序論 1

1.1 はじめに 1

1.2 産業プラントにおける電気設備メンテナンス思想の変遷 7

1.2.1 従来のプラント電気設備に対するメンテナンス思想 7 1.2.2 プラント電気設備のメンテナンス思想の現状 8

1.3 電気設備メンテナンスの課題と解決法の提案 11

第 2 章 産業プラントの全体信頼度と電気設備個別の信頼度 13

との関係

2.1 電気設備がプラント全体の信頼度に与える影響 13

2.2 プラント内電気設備の信頼度の表わし方 21

2.3 まとめ 31

第 3 章 電気設備の信頼度に着目したプラント全体信頼度 32

のコスト化とメンテナンス間隔決定の概念

3.1 プラントの停止時に発生する費用 32

3.1.1 プラントが計画された状況で停止した場合の費用 33 3.1.2 プラントが突発的・計画外に停止した場合の費用 34

3.2 プラント全体信頼度のコスト化とメンテナンス間隔の関係 37

3.3 簡易産業プラントモデルを用いたメンテナンス間隔決定の計算例 42

3.4 まとめ 51

目次

第 4 章 複雑系産業プラント電気設備のメンテナンス間隔 52

を決定するための手法

4.1 簡易産業プラントモデルに対する拡張手法の適用 52

4.1.1 モンテカルロ法とワイブル分布近似による評価 52 4.1.2 信頼度曲線作成手法の比較および大規模プラント適用への課題 60

4.2 実系統に即した複雑系産業プラントモデルに対する提案手法の適用 62

4.2.1 実系統のモデル化と電気系統運用方法 62 4.2.2 電源と各電気設備間の線路探索手法 64 4.2.3 複雑系産業プラント電気設備の信頼度特性とプラントコストデータ 71

4.2.4 数値計算結果に対する評価と考察 74

4.3 まとめ 76

第 5 章 自家発電設備冗長度のメンテナンス計画に対する 77

影響

5.1 自家発電設備冗長導入と信頼度およびメンテナンス計画との関係 78

5.2 信頼度を考慮した自家発電設備の最適導入計画 83

5.3 まとめ 95

第 6 章 結論 96

参考文献 100

謝辞 105

研究業績 106

第 1 章 序論

1.1 はじめに

産 業 プ ラ ン ト と は 、「 何 ら か の 人 為 的 な 作 用 に よ り 、将 来 に わ た っ て 継 続 的 に 付 加 価 値 を 生 み 出 す 機 能 を 発 揮 す る た め に 配 置 さ れ ま た は 組 み 合 わ さ れ た 装 置 、工 作 物 、 そ の 他 の 機 械 の 複 合 体 を い う 。 」 と 定 義 さ れ 、 ま た 、 次 の よ う な 3つ の 条 件 全 て を 満 た す 製 品 で あ る と 定 め ら れ て い る 。

・ 生 産 設 備 ま た は 大 規 模 社 会 資 本 施 設 で あ る こ と 。

・ 特 定 の 地 点 ま た は 領 域 内 に お い て 当 該 地 域 の 文 化 ・ 社 会 に 応 化 す る よ う 設 計 、 建 設 等 さ れ 、 機 能 す る こ と 。

・ 恒 常 的 な 運 用 お よ び 将 来 に わ た る 付 加 価 値 の 創 出 を 想 定 し て 設 計 ・ 建 設 等 さ れ て い る こ と 。

（ 平 成 14年 プ ラ ン ト ・ エ ン ジ ニ ア リ ン グ 産 業 懇 談 会 資 料 に よ る ）

こ こ で 定 義 さ れ た よ う に 、 産 業 プ ラ ン ト に は 、 人 類 が 豊 か な 生 活 を 営 む た め に 、 継 続 的 に 運 用 さ れ る 生 産 設 備 お よ び 大 規 模 イ ン フ ラ ス ト ラ ク チ ャ ー が こ れ に あ た る 。ま た こ れ ら は 、当 該 地 域 に お い て の 文 化・社 会 に 応 化 し な が ら 、恒 常 的 に 運 用 さ れ 、 長 く 付 加 価 値 を 創 出 す る こ と が 求 め ら れ る 。

そ の な か で 、石 油 精 製 、化 学 、製 鉄 と い っ た 人 類 を 取 り 巻 く 消 費 財 の 基 幹 部 分 を 担 う 産 業 プ ラ ン ト は 、立 地 し て い る 国・地 域 の 文 化 に 相 応 し た 最 終 消 費 財 へ の 最 適 な 基 礎 素 材 を 生 み 出 す べ く 日 々 改 善 が 図 ら れ て き た 。そ の た め に は 、求 め ら れ る 消 費 財 に 対 す る 原 料 と し て 、継 続 し て 供 給 を 行 な う 運 用 が 重 要 で あ る と 共 に 、そ の 製 品 と し て の 付 加 価 値 が 必 要 で あ る こ と は 言 う ま で も な い 。し た が っ て 、そ れ に 向 け た 継 続 的 な 努 力 と し て 、そ の 時 代 で の 最 先 端 の 技 術 の 適 用 と 不 断 の 改 善・改 良 が 必 要 で あ り 、旺 盛 な 消 費 の 増 加 に 対 応 す べ く 基 礎 素 材 産 業 プ ラ ン ト の 大 容 量 化 が な さ れ て き た 。以 下 に 、石 油 化 学 の 基 幹 素 材 で あ り 石 油 化 学 プ ラ ン ト の 米 と も 言 う べ き 、

第１章 序論

7361 7739

7076 6125

4585 4291 4175

4784 4367 3851

3537 3097 2400 1783 1358 1065

777 505

6913 6882 7522 7570 7618

7367 7152 76877614

71387416 6944

5773 61426103 5810 5603 5057

4227 4365

35903688 3655 3979

3803 3399 41714176

346 232 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000

1962 1964 1966 1968 1970 1972 1974 1976 1978 1980 1982 1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 千トン

オイルショック

第2次オイルショック

バブル経済の崩壊

リーマンショック

出典：石 油 化 学 工 業 協 会 資 料 日 本 の 石 油 化 学 の 歩 み 図 1-1 エ チ レ ン 生 産 量 の 変 遷

Fig. 1-1 Transition of Ethylene Output

第１章 序論

図 に 示 さ れ る よ う に 、年 度 ご と に お け る 生 産 量 は 、1973年 ま で 高 度 成 長 期 に 相 ま っ て 国 内 消 費 の 増 大 と 輸 出 の 増 加 に よ り い わ ゆ る 右 肩 上 が り に 増 加 し 、オ イ ル シ ョ ッ ク 、 第 2次 オ イ ル シ ョ ッ ク で の 一 時 的 な 落 ち 込 み 、 バ ブ ル 経 済 で の 調 整 を 経 な が ら 1999年 に 生 産 量 史 上 最 高 を 記 録 し た 。そ の 後 、国 内 消 費 の 成 熟 と 輸 出 競 争 力 の 衰 退 か ら 、 微 増 ま た は 、 減 少 に 転 じ て き て い る 。

石 油 化 学 プ ラ ン ト で の プ ロ セ ス フ ロ ー に お い て 、エ チ レ ン プ ラ ン ト の 下 流 側 に 位 置 す る 各 種 の 化 学 プ ラ ン ト の 生 産 量 は 、上 流 側 で あ る エ チ レ ン プ ラ ン ト の 生 産 量 に 準 じ て ほ ぼ 同 様 の 変 化 を 示 し て い る 。

ま た 、エ チ レ ン プ ラ ン ト は 、プ ラ ン ト 内 機 器 を 構 成 す る 基 本 素 材 で あ る 鉄 の 技 術 的 発 展 を 基 盤 と し て 、タ ン ク 、タ ワ ー と い っ た 重 要 構 成 機 器 の 大 容 量 化 が 可 能 と な り 、 結 果 と し て 表 1-1に 示 す ご と く プ ラ ン ト の 大 規 模 化 が 進 め ら れ て き た 。

表 1-1 発 足 時 期 順 に 見 た 日 本 の エ チ レ ン コ ン ビ ナ ー ト の 生 産 能 力 Table 1-1 Capacity of Ethylene Complex（Japan）

出典：高 岡 短 期 大 学 紀 要

コンビナート エチレン

メーカー 操業開始時期 エチレン生産能力

(千ｔ／年) 備考

岩国・大竹 三井化学 Ｓ．３３ ( ９２) 旧三井石油化学､Ｈ．４休止､Ｈ．９廃業 愛媛 住友化学工業 Ｓ．３３ (１１２) Ｓ．５８休止・廃業

四日市 三菱化学 Ｓ．３４ (２７６) 旧三菱油化､Ｈ．１３

川崎 日本石油化学 Ｓ．３４ ４０４

川崎 東燃化学 Ｓ．３７ ４７８

四日市 東ソー Ｓ．３８ ４９３ 旧新大協和石油化学

五井 丸善石油化学 Ｓ．３９ ４８０

京葉エチレン Ｈ． ６ ６５０

水島 三菱化学 Ｓ．３９ ４５０ 旧三菱化成

徳山・南陽 出光石油化学 Ｓ．３９ ４５０

市原 三井化学 Ｓ．４２ ５５３

姉崎・袖ヶ浦 住友化学工業 Ｓ．４２ ３８０

大分 昭和電工 Ｓ．４４ ５６５

堺・泉北 三井化学 Ｓ．４５ ４５５ 大阪石油化学

鹿島 三菱化学 Ｓ．４６ ８２８ 旧三菱油化

水島 旭化成 Ｓ．４７ ４４３ 旧山陽石油化学

千葉 出光石油化学 Ｓ．６０ ３７４

こ の よ う な エ チ レ ン プ ラ ン ト に お け る 大 容 量 化 に 際 し て は 、プ ラ ン ト の エ ネ ル ギ

第１章 序論

チ ー ム と い っ た マ テ リ ア ル バ ラ ン ス の 改 善 と 共 に 、電 力 消 費 量 の 低 減 が な さ れ て き て い る 。し か し な が ら 一 方 で 、プ ラ ン ト の 大 容 量 化 に 相 応 し て プ ラ ン ト 構 成 機 器 類 の 複 雑 化・大 容 量 化 も 進 ん で き て お り 、プ ラ ン ト 構 成 機 器 と し て 重 要 な 要 素 で あ る 配 電 系 統 の 主 要 電 気 機 器 類 も 同 時 に 大 型 化 し て き て い る 。

例 え ば 、配 電 系 統 の 主 要 な 電 気 機 器 と し て 遮 断 器 が あ る が 、産 業 プ ラ ン ト の 発 展 と 時 期 を 共 に し て 、 そ の 基 本 構 造 ・ 構 成 要 素 の 変 化 に 加 え 、 容 量 (電 流 容 量 、 遮 断 容 量)も 増 大 し て い る 。 初 期 段 階 で の 基 本 構 造 は 、OCB(油 入 遮 断 器)、MBB(磁 気 遮 断 器)、ABB(空 気 遮 断 器)で あ り 、機 器 本 体 の 物 理 的 な 容 積 は 、現 在 の そ れ ぞ れ の 容 量 と 対 比 し た 場 合 、想 像 で き な い ほ ど 大 き な も の で あ っ た 。そ の 後 、VCB（ 真 空 遮 断 器)、MOCB(小 油 入 遮 断 器)、GCB(ガ ス 遮 断 器)が 開 発 さ れ る と と も に 、 容 積 の コ ン パ ク ト 化 と 容 量 の 増 大 が 図 ら れ 、産 業 プ ラ ン ト の 大 規 模 化 に 寄 与 し て い る 。ま た 同 時 に 遮 断 器 の 信 頼 度 が 劇 的 に 改 善 さ れ 、 故 障 の 頻 度 が 急 速 に 減 少 し た 。

一 方 、社 会 イ ン フ ラ ス ト ラ ク チ ャ ー に は 、上 下 水 道 、電 力 、ガ ス 、通 信 と い っ た 社 会 基 盤 に お け る 重 要 な シ ス テ ム が あ る 。人 類 が 生 活 す る 上 で 欠 く こ と が で き な い こ れ ら 産 業 プ ラ ン ト で は 、生 活 の 質 の 向 上 と 共 に 消 費 が 増 大 し 、消 費 量 に 見 合 っ た 供 給 量 の 増 加 と 運 用 の 継 続 性 が 重 要 と な っ て き て い る 。 図 1-2に 、 年 度 ご と の 日 本 で の 電 力 発 電 量 の 変 化 を 示 す 。

0 200 400 600 800 1,000 1,200 1,400

1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 (年度)

(十億kWh)

08 バブル経済崩壊

リーマンショック 第2次オイルショック

オイルショック

出典：EDMC エネルギー・経済統計要覧

図 1-2 日 本 の 発 電 電 力 量 の 推 移 Fig. 1-2 Transition of Power Generation Amount

第１章 序論

日 本 に お け る 年 度 ご と の 発 電 電 力 量 は 、オ イ ル シ ョ ッ ク 、第2次 オ イ ル シ ョ ッ ク 、 バ ブ ル 経 済 の 崩 壊 の 影 響 を さ ほ ど 受 け る こ と な く 、日 本 の 経 済 発 展 お よ び 生 活 の 質 の 向 上 と 共 に 拡 大 し て き て お り 、必 要 電 力 を 供 給 す る た め に 発 変 電 お よ び 送 配 電 の 各 シ ス テ ム は 複 雑 か つ 巨 大 化 し て き て い る 。こ れ ら シ ス テ ム を 継 続 的 に 運 転 し 、供 給 を 途 絶 え る こ と な く 運 用 す る た め に は 、消 費 量 に 見 合 う 十 分 な 発 電 プ ラ ン ト の 建 設 と 、そ れ を 継 続 的 に 消 費 者 に 届 け る 仕 組 み 、す な わ ち 、変 電・送 配 電 シ ス テ ム も 同 時 に 消 費 量 に 見 合 う 十 分 な 設 備 が 必 要 と な る 。さ ら に 、建 設 さ れ た プ ラ ン ト お よ び シ ス テ ム を 事 故 ま た は 故 障 な く 継 続 し て 運 用 す る 的 確 な 仕 組 み が 求 め ら れ て き て い る 。

こ の よ う な 社 会 基 盤 と な る プ ラ ン ト で は 、停 止 に 伴 う 供 給 遮 断 と な っ た 場 合 に は 、 生 活 に 与 え る 不 都 合 ば か り で は な く 、こ の よ う な 社 会 イ ン フ ラ ス ト ラ ク チ ャ ー を 基 盤 に 構 築 さ れ た 産 業 に お け る 経 済 損 失 は 多 大 な も の が あ る 。

産 業 プ ラ ン ト の 急 激 な 発 展 時 期 に お い て は 、構 成 機 器 の 老 朽 化 の ス ピ ー ド に 比 較 し 、技 術 の 発 展 が よ り 速 い 速 度 で 進 み 、加 え て 需 要 に 見 合 う プ ラ ン ト 規 模 拡 大 へ の 必 要 性 と 、 製 品 単 価 の 低 減 へ の 要 求 の 中 で 、 使 い 捨 て(Scrap and Build)に よ る 新 規 の プ ラ ン ト が 続 々 と 建 設 さ れ て き た 。し か し な が ら 、高 度 経 済 成 長 後 の 安 定 経 済 お よ び グ ロ ー バ ル 経 済 の 下 で は 、よ り 厳 密 な 新 規 投 資 へ の 費 用 対 効 果 が 問 わ れ る よ う に な っ て き て い る 。

そ こ で 、大 き な 費 用 を か け る こ と な く 、プ ラ ン ト を 継 続 し て 運 用 す る 方 策 と し て 、 主 要 電 気 機 器 単 体 を 新 規 設 備 に 置 換 す る こ と に よ る 信 頼 度 の 向 上 、ま た は 、重 要 な 電 気 機 器 を 冗 長 設 置 す る こ と に よ る 電 気 系 統 全 体 の 信 頼 度 向 上 が 採 ら れ て き た 。さ ら に 、既 存 の 設 備 を 効 率 よ く 運 用 し 、ま た 、事 故 な く 継 続 的 に 運 転 を 続 け る た め に 、 メ ン テ ナ ン ス が 重 要 と な っ て き て い る 。

従 来 で は 、新 し い プ ラ ン ト の 建 設 に 重 点 が 置 か れ 、作 ら れ た 設 備 の メ ン テ ナ ン ス を 時 と し て 軽 ん ず る 風 土 が 見 ら れ た が 、事 故 ま た は 故 障 に よ る プ ラ ン ト 停 止 で の 経 済 的 な 損 失 と い っ た 面 の み な ら ず 、供 給 停 止 か ら の 製 品 顧 客 に 対 す る 信 用 喪 失 と い っ た 無 形 の 損 失 に も 目 が 向 け ら れ 、メ ン テ ナ ン ス に よ る 信 頼 度 の 向 上 が 求 め ら れ て い る 。

プ ラ ン ト メ ン テ ナ ン ス の 必 要 性 は 別 の 観 点 か ら も 提 唱 さ れ て お り 、財 団 法 人 エ ン ジ ニ ア リ ン グ 振 興 協 会 で は 、高 度 メ ン テ ナ ン ス 検 討 委 員 会 に て 、プ ラ ン ト を 適 切 に メ ン テ ナ ン ス し 、産 業 プ ラ ン ト・社 会 資 本 を 長 寿 命 化 す る こ と で 寿 命 を 2倍 延 長 し 、 2035年 に お い て は 、 建 設 廃 棄 物 の 64％ の 大 幅 削 減 （ 247百 万 ト ン ） の 達 成 が 可 能 と 指 摘 さ れ て い る 。

第１章 序論

度 の 向 上 の み に と ど ま ら ず 、プ ラ ン ト の 生 産 性 と 製 品 品 質 の 維 持 、プ ラ ン ト 内 お よ び 周 辺 関 連 域 の 環 境 へ の 配 慮 、プ ラ ン ト 設 備 の 安 全 性 と そ こ に 従 事 す る 従 業 員 安 全 の 確 保 と 幅 広 い 分 野 に 通 じ る も の で あ る 。

プ ラ ン ト の 信 頼 度 向 上 と し て は 、事 故 ま た は 故 障 の 発 生 リ ス ク を 低 減 さ せ る た め に は 、適 切 な 予 防 的 メ ン テ ナ ン ス を 行 な う こ と が 要 求 さ れ る 。そ の た め に は 、起 こ り う る 事 故 ま た は 故 障 を 事 前 に 予 知 ま た は 推 定 す る こ と が 必 要 と な っ て く る が 、考 慮 す べ き 事 象・要 因 の 多 さ と 、産 業 プ ラ ン ト を 構 成 す る シ ス テ ム の 複 雑 さ か ら 、定 量 的 か つ 総 合 的 判 断 指 標 が 不 足 し て い た の が 実 情 で あ る 。

次 節 で は 、 メ ン テ ナ ン ス に 対 す る 考 え 方 の 経 緯 を 追 う こ と で 、 従 来 方 法 で の 課 題 ・ 問 題 点 を 明 ら か に し 、 そ れ を い か に 解 決 す る か を 考 察 す る 。

第１章 序論

1.2 産業プラントにおける電気設備メンテナンス思想 の変遷

1.2.1 従来のプラント電気設備に対するメンテナンス思想

前 節 に 述 べ た 、 表 1-1に 示 す エ チ レ ン プ ラ ン ト の 変 遷 か ら 、 日 本 に お け る 化 学 プ ラ ン ト 設 備 は 、日 本 が 経 済 大 国 に な る ま で の 過 程 、い わ ゆ る 高 度 成 長 期 の 昭 和 30-40 年 代 に 設 備 の 大 小 に 係 ら ず プ ラ ン ト の 建 設 が 盛 ん に 行 な わ れ 、特 に 大 規 模 プ ラ ン ト の 新 設 お よ び 設 備 の 拡 充 が 行 な わ れ て き た 。

こ の よ う に 、 化 学 プ ラ ン ト の 勃 興 期 に お い て は プ ラ ン ト 規 模 拡 張 の 要 求 が 強 く 、 新 設 プ ラ ン ト の 老 朽 化 の 速 度 以 上 に プ ラ ン ト 設 備 が 使 い 捨 て ら れ 、設 備 の 更 新 に つ ぐ 更 新 で 絶 え ず 最 新 鋭 の 生 産 設 備 を 使 い 生 産 規 模 増 大 に ま い 進 し て き た 。そ の な か で 、プ ラ ン ト 設 備 の メ ン テ ナ ン ス と は 、運 転 中 に 故 障 し た も の 、ま た は 動 か な い も の に 対 す る 修 繕 が 中 心 で あ り 、メ ン テ ナ ン ス を 行 な う こ と で 、設 備 の 能 力 水 準 の 改 善 ま た は 設 備 の 利 用 可 能 時 間 (ア ベ イ ラ ビ リ テ ィ )を 向 上 さ せ る と い っ た 考 え に は 及 ん で い な か っ た と い え る 。

特 に プ ラ ン ト 設 備 の 中 で の 電 気 設 備 は 、現 在 で は 、回 転 機 類 へ の 動 力 供 給 源 、制 御・通 信 系 へ の 電 源 、プ ラ ン ト 防 犯・防 消 火 設 備 等 の セ キ ュ リ テ ィ 電 源 、非 常 時 の プ ラ ン ト 安 全 停 止 装 置 へ の 電 源 、照 明 電 源 な ど 、プ ラ ン ト 運 転 上 の 中 枢 を 担 う 極 め て 重 要 な 設 備 と 認 識 さ れ て い る が 、当 初 は 、電 力 の 使 用 範 囲 も 限 定 さ れ 、プ ラ ン ト 設 備 に お け る 電 気 設 備 の 重 要 性 の 認 識 は 低 い も の で あ っ た と い わ ざ る を 得 な い 。そ の た め 、 他 の 設 備 と 比 較 し て 、 メ ン テ ナ ン ス へ の 関 心 は さ ら に 乏 し か っ た 。

そ の 後 約 30-50年 を 経 て 、そ れ ら の プ ラ ン ト に は 老 朽 化 が 進 ん で き た も の が あ り 、 そ の 対 策 と し て 、老 朽 化 し た 設 備 を よ り よ く 管 理 し て 寿 命 を 延 ば し 、よ り 長 期 間 使 用 し た い と い う 要 望 が 強 く な っ て き た 。特 に 、二 度 の オ イ ル シ ョ ッ ク と バ ブ ル 経 済 の 崩 壊 を 経 て 、昨 今 の サ ブ プ ラ イ ム ロ ー ン・リ ー マ ン シ ョ ッ ク 後 で の 世 界 的 な 新 規 設 備 投 資 抑 制 の 中 で は 、プ ラ ン ト 設 備 に 対 す る メ ン テ ナ ン ス が 重 要 視 さ れ て き て い る 。

こ の 流 れ は 、日 本 で の 化 学 プ ラ ン ト 勃 興 期 以 前 に 急 速 な 拡 充 が 図 ら れ て き た 、米 国 お よ び 主 要 な 欧 州 の 各 国 に お い て は よ り 顕 著 で あ り 、老 朽 化 し た プ ラ ン ト 設 備 の 拡 充・拡 大 を 図 る と 共 に 、安 定 し た 運 転 継 続 の 重 要 性 か ら 、メ ン テ ナ ン ス を 如 何 に 効 率 良 く 行 な う か が 論 じ ら れ る よ う に な っ た 。

こ の よ う な 状 況 下 に お い て 、旧 式 の 設 備 を ど の よ う に メ ン テ ナ ン ス す べ き か 、そ の た め の 費 用 は ど の よ う に 見 積 も る の か と い っ た 項 目 が 、い わ ゆ る 経 験 と 勘 だ け に

第１章 序論

で 、設 備 自 体 に 関 す る 固 有 技 術 開 発 へ の 取 り 組 み と 同 時 に 、設 備 に 関 す る 管 理 技 術 を 充 実 し 、従 来 の 実 績 主 義 に 基 づ く 管 理 か ら よ り 科 学 的・定 量 的 な 管 理 工 学 の 考 え 方 が 導 入 さ れ て き た 。す な わ ち 、既 存 の プ ラ ン ト 設 備 に お い て 適 切 な メ ン テ ナ ン ス を 戦 略 的・計 画 的 に 行 う こ と が 要 求 さ れ 、メ ン テ ナ ン ス の 必 要 性 に 関 わ る 多 種 多 様 な 要 因 と 多 く の 考 慮 す べ き 事 項 を 、 総 合 的 に 検 討 す る こ と が 必 要 と な っ て き た 。

プ ラ ン ト 設 備 に 対 し メ ン テ ナ ン ス を 行 な う こ と は 、設 備 の 能 力 水 準 の 改 善 や ア ベ イ ラ ビ リ テ ィ を 向 上 さ せ る こ と に つ な が る が 、逆 に そ の 作 業 に 係 る 費 用 に 加 え 、プ ラ ン ト 設 備 を 停 止 す る こ と で 通 常 得 る こ と が で き る 利 益 を 逸 す る 損 失 が 発 生 し 、見 か け の 費 用 が 増 大 す る 。し た が っ て 、い か に 両 者 の バ ラ ン ス を 最 適 に 取 る か が 重 要 な 検 討 項 目 と な っ て き た 。

1.2.2 プラント電気設備のメンテナンス思想の現状

電 気 設 備 を 含 む プ ラ ン ト 設 備 を 使 用 お よ び 運 用 可 能 な 状 態 に 維 持 し 、ま た 設 備 の 故 障 や 欠 点 な ど を 回 復 す る た め の 活 動 や 処 置 を 行 な う メ ン テ ナ ン ス は 、 以 下 の 図 1-3に 示 す よ う に 分 類 さ れ る 。

出典：設 備 管 理 工 学 入 門 図 1-3 メ ン テ ナ ン ス の 内 容

Fig. 1-3 Classification of Maintenance 状態監視保全

(Condition monitoring M.)

時間計画保全 (Scheduled M.)

緊 急 保 全 (Urgent M.)

通常事後保全 (Routine M.)

経時保全 (Age-based M.)

定期保全 (Periodic M.) 予 防 保 全

(Preventive M.)

事 後 保 全 (Corrective M.) 生 産 保 全

(Productive Maintenance)

第１章 序論

日 本 の 経 済 発 展 よ り 以 前 に 、急 速 な 産 業 プ ラ ン ト の 拡 充 と そ の 後 の 老 朽 化 を 経 験 し た 米 国 か ら は 、多 く の メ ン テ ナ ン ス の 考 え 方 が 導 入 さ れ 、そ の 発 展 し た 形 と し て 、 TPM(Total Production Maintenance)、TQC(Total Quality Control)と い っ た 代 表 的 な 考 え 方 が 定 着 し た 。こ れ ら は 、設 備 の 導 入 に 際 し て は 、設 備 の 信 頼 度 と ラ イ フ サ イ ク ル に お け る コ ス ト を 考 慮 し 、ま た 、設 備 の 運 転 に お い て は 、故 障 や 劣 化 を 極 力 防 止 す る 操 作 が 必 要 だ と の 考 え に 基 づ き 検 討 さ れ て き た 。そ の な か で 、設 備 の メ ン テ ナ ン ス に お い て は 、簡 単 な 清 掃 と い っ た 日 常 メ ン テ ナ ン ス か ら 事 前 に 計 画 さ れ た メ ン テ ナ ン ス ま で 、 い く つ か の ス テ ッ プ に お い て 行 な わ れ る も の で あ る 。

メ ン テ ナ ン ス に お い て は 、 ま ず 方 針 と 計 画 が 重 要 と な る 。 方 針 お よ び 計 画 で は 、 プ ラ ン ト 全 体 に 対 す る 統 一 し た も の か ら 、ユ ニ ッ ト や ア イ テ ム 別 に 行 な う も の ま で い く つ か の 段 階 が あ る が 、 従 来 に お け る メ ン テ ナ ン ス の 一 般 的 な 手 法 ・ 考 え 方 は 、 プ ラ ン ト 構 成 機 器 類 の 、事 故 ま た は 故 障 発 生 後 の 事 後 保 全 が 中 心 で あ り 、予 防 保 全 に お い て は 、法 律 ま た は あ る 基 準 に 従 っ た 定 期 メ ン テ ナ ン ス 、機 器 メ ー カ ー 推 奨 期 間 に 基 づ く メ ン テ ナ ン ス で あ り 、事 前 に 計 画 さ れ た 一 定 間 隔 で の メ ン テ ナ ン ス で あ る 。そ の た め 、予 期 せ ぬ 故 障 ま た は 破 損 に 対 し て は 緊 急 メ ン テ ナ ン ス で 対 応 す る も の で あ る 。 （ 時 間 基 準 保 全 Time-Based Maintenance(TBM)）

こ の 手 法 に お け る 問 題 点 と し て は 、プ ラ ン ト 内 設 備 に ひ と た び 故 障・破 損 が 発 生 し た 場 合 、状 況 に よ っ て は プ ラ ン ト 全 体 の 停 止 に 発 展 す る こ と も あ り 、そ の 場 合 に は 、製 品 を 得 る こ と が 出 来 な い こ と に よ る 機 会 利 益 の 逸 損 、ま た 緊 急 の 停 止 に よ る 売 り 物 と な ら な い 半 製 品 発 生 に よ る 損 害 、時 に は 製 造 設 備 の 破 損 、製 品 納 入 顧 客 に 対 す る 信 用 喪 失 等 、大 き な 損 害 リ ス ク を 抱 え る こ と に な る 。一 方 で 、こ れ ら の 損 害 リ ス ク に 対 す る 過 度 の 予 防 か ら 、安 全 性 重 視 に 偏 っ た 頻 度 の メ ン テ ナ ン ス を 行 な え ば 、 メ ン テ ナ ン ス に 係 る 費 用 増 大 に よ る 経 済 的 損 失 リ ス ク が 課 題 と な っ て く る 。

こ のTBMが 抱 え る 損 害 リ ス ク を 少 し で も 低 減 す る た め に 、プ ラ ン ト 構 成 機 器 類 お よ び 系 統 の 冗 長 度 を 高 め る 方 策 が 採 ら れ て い る 。プ ラ ン ト 電 気 設 備 に お い て は 、例 え ば 、プ ラ ン ト 配 電 系 統 内 の 重 要 機 器 と い え る 自 家 発 電 設 備 、上 流 側 の 変 電 設 備（ 遮 断 器 、変 圧 器 等 ）が そ の 対 象 と さ れ て い る 。し か し な が ら 、依 然 と し てTBMが 損 害 リ ス ク を 抱 え た メ ン テ ナ ン ス 方 式 で あ る 状 況 に 変 わ り は な い 。ま た 、冗 長 シ ス テ ム の 構 成 に よ っ て は 、 プ ラ ン ト 構 成 機 器 の 事 故 ま た は 故 障 の 数 の 増 加 に も つ な が り 、 結 果 と し て 損 害 リ ス ク の 低 減 に 真 に 役 立 つ か は 別 の 視 点 か ら 検 討 を 加 え る 必 要 が あ る 。

こ の よ う なTBMが 持 つ 課 題 に 対 し 、よ り 理 論 的 な 最 適 メ ン テ ナ ン ス 計 画 の 策 定 の 重 要 性 が 認 識 さ れ 、未 然 に 故 障・破 損 の 恐 れ を 前 も っ て 察 知 す る 目 的 で 、プ ラ ン ト

第１章 序論

Maintenance (CBM) の 研 究 が 進 め ら れ て い る 。

プ ラ ン ト 内 配 電 設 備 で は 、大 容 量 の 変 圧 器 、重 要 な 特 別 高 圧・高 圧 遮 断 器 、特 別 高 圧 ・ 高 圧 ケ ー ブ ル な ど で は 、 実 用 性 の あ る 成 果 が 得 ら れ て き て い る 。

し か し な が ら 、プ ラ ン ト 設 備 に 設 置 さ れ る 多 く の 配 電 設 備 ご と の 状 態 監 視 メ ン テ ナ ン ス 計 画 で は 、配 電 設 備 そ れ ぞ れ で ば ら ば ら な メ ン テ ナ ン ス 時 期 と な り 、部 分 最 適 と は な り 得 て も 全 体 最 適 と す る ま で に は 至 っ て い な い 。

以上の状況を背景に、近年では、信頼度を重視したメンテナンスの重要性に対する認 識が高くなり、Reliability Centered Maintenance(RCM)という考え方に基づいたメンテナン スが提案されている^(5)-(9)。

第１章 序論

1.3 電気設備メンテナンスの課題と解決法の提案

前 節 で 述 べ た よ う に 、 一 般 的 に 用 い ら れ て い る メ ン テ ナ ン ス の 手 法 と 考 え 方 は 、 時 間 基 準 メ ン テ ナ ン ス（TBM）で あ り 、そ の 問 題 点 と し て 、突 発 的 な プ ラ ン ト 内 設 備 の 故 障・破 損 に よ る プ ラ ン ト の 停 止 か ら の 大 損 害 と な る リ ス ク 、そ れ へ の 過 度 な 反 応 に よ る 、安 全 性 重 視 に 偏 っ た 頻 度 の メ ン テ ナ ン ス に よ る 経 済 的 損 失 へ の リ ス ク が あ り 、 い か に バ ラ ン ス よ く メ ン テ ナ ン ス 時 期 を 定 め る か が 課 題 と な っ て い る 。

ま た 、CBMに 基 づ く メ ン テ ナ ン ス 計 画 は 、構 成 す る 電 気 機 器 材 料 の 種 類 が そ れ ほ ど 多 く な い 、例 え ば 、電 力 系 統 に お け る 変 電 設 備 等 で は 有 効 な 手 法 と な っ て き て い る が 、多 岐 に わ た る 電 気 機 器 材 料 で 構 成 さ れ る プ ラ ン ト 配 電 系 統 で は 、最 適 な 補 修 時 期 が 電 気 機 器 材 料 ご と に 異 な り 、プ ラ ン ト の 配 電 系 統 全 体 へ の 適 用 に は 課 題 が 多 い 。

そ こ で 、プ ラ ン ト 構 成 電 気 設 備 の 個 々 の 信 頼 度 を 用 い 、プ ラ ン ト 配 電 設 備 全 体 の 信 頼 度 を 重 視 し た メ ン テ ナ ン ス で あ るRCMの 考 え を 導 入 す る こ と で 、TBMの 抱 え る 課 題 を 定 量 的 に 評 価 す る こ と が 必 要 と な る 。

し か し な が ら 現 状 に お い て は 、全 体 最 適 の 観 点 か らRCMに よ る メ ン テ ナ ン ス 計 画 を 策 定 す る こ と が 最 適 で あ る と の 認 識 は あ る も の の 、複 雑 な プ ラ ン ト 配 電 系 統 、配 電 系 統 を 構 成 し て い る 多 岐 に わ た る 電 気 機 器 材 料 お よ び 複 雑 な プ ラ ン ト の 運 転 モ ー ド 等 か ら 定 量 的 な 解 析 に 至 ら ず 、ほ と ん ど の メ ン テ ナ ン ス 計 画 の 策 定 に お い て は 、 従 来 型 のTBMに 定 性 的 な 検 討 を 加 え 、メ ン テ ナ ン ス の 時 期・間 隔 を 決 定 し て き て い る の が 実 情 で あ る 。

また、メンテナンスの実行計画を策定するにあたり、プラントにおける各種条件のも とで、如何に戦略的なメンテナンス計画を策定するかが重要な要求事項となっている。

このような課題に対し、経済性と安全性の均衡点を一概に決めることは非常に困難であ るが、リスクをコストとして数値化することにより、プラントに最も適した条件を見つ け出すことが容易になると考えられる。

そ こ で 、本 論 文 で は 、プ ラ ン ト 設 備 内 の 電 気 設 備 全 般 に 対 す る メ ン テ ナ ン ス 計 画 に お い て 、多 く の 要 素 が 関 与 す る 複 雑 系（ 即 ち 、複 雑 に 構 築 さ れ た 配 電 系 統 、そ の 構 成 要 素 で あ る 電 気 機 器 材 料 ご と に 異 な る 信 頼 性 、複 雑 な プ ラ ン ト 運 転 モ ー ド 、プ ラ ン ト の 運 転 に 重 要 な 要 素 と な る 制 御 系 の 信 頼 性 等 ） を 定 量 的 に 取 り 扱 い 、 か つ 的 確 に メ ン テ ナ ン ス 計 画 を 作 成 す る こ と に あ る 。

そ の た め に 、考 慮 す べ き 要 素 の 増 加 に よ っ て 級 数 的 に 複 雑 化 す る 数 値 解 析 を 、要 素 ご と で の 場 合 分 け で は な く 、プ ラ ン ト 設 備 内 電 気 設 備 全 般 の 的 確 な モ デ ル 化 を 行 い 、漏 れ な く 全 て の 要 素 の 組 み 合 わ せ に 対 し て モ ン テ カ ル ロ 解 析 法 を 適 用 し 、か つ プ ラ ン ト 停 止 判 定 ア ル ゴ リ ズ ム と し て 提 案 す る 電 源 経 路 探 索 手 法 を 融 合 す る こ と

第１章 序論

次 に 、1.2節 で 検 討 課 題 と し た 、 プ ラ ン ト 構 成 機 器 類 お よ び 系 統 の 冗 長 性 に 関 し て 考 察 を 進 め 、産 業 プ ラ ン ト の 電 気 設 備 と し て 重 要 な 役 割 を 占 め て い る 自 家 発 電 設 備 を 対 象 と し て 、プ ラ ン ト 全 体 の 信 頼 度 向 上 を 進 め る 上 で 採 用 さ れ て い る 発 電 設 備 の 冗 長 度 が 、ど の よ う に メ ン テ ナ ン ス 計 画 に 影 響 し て い る か を 信 頼 度 の 観 点 か ら 比 較 評 価 を 行 な い 、プ ラ ン ト の 自 家 発 電 設 備 の 導 入・メ ン テ ナ ン ス 計 画 に 対 し 示 唆 を 与 え る こ と と す る 。

第２章 産業プラントの全体信頼度と 電気設備個別の信頼度との関係

本章では、産業プラントが定常状態として運転を継続できているか、もしくは事故 または故障の発生から定常に運転を継続できない状態となっているかの観点で、プラ ント全体としての信頼度と、プラント内に設置されている個別の電気設備の信頼度と の関係について述べ、続いて個別の電気設備の信頼度についての信頼度曲線作成手法 について述べる。

2.1 電気設備がプラント全体の信頼度に与える影響

産業プラントは、電気設備、計装設備、機械設備（タンク、タワー、ポンプ、コン プレッサーなど）、配管設備、防消火設備などの複合体であり、それぞれの設備が全て 正常に作動することによって、その性能を発揮するものである。その中で、プラント の運転に目を向けると電力を主要な動力源とする設備が多いことに加え、ほとんどの 制御系が電気・電子製品となっている昨今では、電力を供給する電気設備の信頼度が プラント全体の性能に大きく影響する。

ここで、信頼度とは、モダン信頼性工学⁽¹⁾において次のように定義されている。

「信頼度とは、指定された条件下で、本来の目的に使用されたとき、与えられた期 間にわたって、故障することなく、必要な機能を遂行できる確率のことである。」

上記を言い換えれば、信頼度とは設備の事故率(故障率ともいう)がどれだけ低いか をあらわした指標であり、「1 －事故率」として表現される。すなわち、設備の信頼度 が高い状態にある期間はその設備の事故が少なく、そのような設備の複合体であるプ ラントも正常に稼動する確率が高くなり、本来の性能を発揮できていると考えること ができる。一方、設備の信頼度が低い状態にある期間では、そのような状態の設備が

第２章 産業プラントの全体信頼度と電気設備個別の信頼度との関係

を余儀なくされると考えることができる。

電気設備の信頼度を考えるにあたり、事前に考慮すべき点として、「電気設備の寿命」

がある。これは、信頼度に限らず後に考察する電気設備のメンテナンスにも関係があ るため、まず本節にて電気設備の寿命の考え方について整理する。

電気学会技術報告 第 831 号⁽²⁾において、電気設備のバスタブカーブとバスタブカー ブ上における寿命に関する位置づけが整理されている。

バスタブカーブとは、ある設備の事故率の時間変化を表した曲線である。このバス タブカーブ上において、電気設備に関するいくつかの「寿命」が定義されている(図 2-1)。以下、同報告で定義されている電気設備の寿命について紹介する。

第1世代 第2世代 第3世代 修 繕 更 新

初期故障 偶発故障 磨耗故障

○^X(延命化) ○^Y(寿命延長)

○^Z(長寿命化)

時 間 (年)

(法定耐用年数) (設計寿命) (更新推奨時期) (更新警告時期) (期待寿命) (寿命) (経済寿命) (期待寿命) (耐用寿命)

(社会的寿命)

○^A ○^B ○^C ○^D ○^E○^H ○^F○^G ○^E ○^J

15年 20年 25年 30～40年

○^ロ

○^イ

故障率

出典：電気学会技術報告 第 831 号 図 2-1 バスタブカーブ上における寿命に関する用語

Fig 2-1 Defined Lifetime on Bathtub Curve of Electrical Equipment

Ⓐ 法定耐用年数

財務省(旧大蔵省)が規定しているもので、建物付属設備などの耐用年数のうち、

電気設備は、蓄電池電源で 6 年、そのほかのものは 15 年となっている。ここで規 定されている耐用年数は、減価償却の考え方から定められたもので本来の電気設

第２章 産業プラントの全体信頼度と電気設備個別の信頼度との関係

備の寿命実態とは大きく異なる。

Ⓑ 設計寿命

メーカが開発・設計段階において決定する使用可能年数であり、あくまでも使 用条件は常規使用状態が前提である。一般に設計寿命は異常発生の手前の段階で とらえられているので設計寿命を過ぎても即異常発生とはならない。また、設計 寿命は時間(年数)のみではなく、動作回数で規定している機器もある。

Ⓒ 更新推奨時期

「機能や性能に対する製造者の保証値ではなく、通常の使用条件・環境条件の 下で、通常の保守・点検を行なって使用した場合に機器構成材の老朽化などによ り、新品と交換した方が経済性を含めて一般的に有利と考えられる時期である。」

と日本電機工業会(JEMA)で定義している。言い換えれば更新推奨時期は即寿命で はなく、そろそろ更新検討が必要であるという年数を表わしている。

Ⓓ 更新警告時期

故障 率が 増 加し 、機 器 の破 壊ま た は部 分破 壊 にい たる と 考え られ る 時期 で、

JEMA が定義している更新推奨時期に 5 年をプラスした年数で表わされている。

一般にはあまり使用されないが、PL法施行にあわせ警告という単語を使用してい る。更新推奨時期より寿命に限りなく近い年数である。

Ⓔ 期待寿命

一般にアンケート結果などからでてくる年数で、プラント全体の寿命などから

“これだけは使用したい”という期待の入った年数である。現実には部分修繕な どを加えることで期待寿命を全うしている場合が多い。

期待寿命は、修繕を加える前(第 1 世代)と修繕を加え次の更新に至る前(第 2 世代) とで使用される。

Ⓕ 寿命

更新の直近にあり、余寿命は限りなく零に近い状態をいう。電気設備の場合、

基本機能は複数あり、そのうちどの一つでも機能停止すれば使用不可能となるこ とから、機能劣化を寿命としている。また、実使用可能であっても機能は正常で ないこともあり注意が必要である。

Ⓖ 経済寿命

ライフサイクルコスト(LCC)からみた寿命をあらわし、一般にはイニシャルコ スト＋ランニングコストであらわされるトータルコストで判断する。理想的な設

第２章 産業プラントの全体信頼度と電気設備個別の信頼度との関係

いわれているが、現実は、他の要因もあってその時期を掴むのは難しい。

Ⓗ 社会的寿命

劣化や故障率の増加が原因で寿命に達するのではなく、その設備、機器が陳腐 化し、一方でメーカの部品供給や技術面での対応が困難になり、修繕が技術的に 不可能になった状態をいう。

社会的寿命が更新のきっかけの最大要因にはならないが、コストに換算(再製作し た場合のコスト・納期・ランニングコストなどの統合コスト)して考えれば、更新 検討において社会的寿命を無視することはできない。

社会的寿命は機器を取り巻く環境に大きく左右されることから、バスタブカーブ 上に特定することは難しい。

Ⓙ 耐用寿命

実際に全体更新するまでの年数をいう。部分修繕やオーバーホールなどを加え ながら延命化し、最後に全体更新に至るまでの年数である。

耐用寿命に至る要因には、劣化による寿命のほかに、社会的寿命で耐用寿命に至 る場合もある。

本論文におけるプラント電気設備の信頼度に対して考慮すべき寿命は、設計寿命お よび更新推奨時期とした。これは、電気設備の信頼度を考慮したメンテナンス計画に おいては、設備更新との経済比較が不要な期間(電気設備の新規導入から更新推奨時期 に至る前までの期間)に注目しているためである。また、次節で述べる信頼度曲線の作 成において、設計寿命を時間軸上のどの点とするかによって信頼度曲線の形状が変化 するため、本論文における考慮すべき電気設備の寿命は上述の 2 種類としている。

プラントや電力系統に導入される電気設備の寿命が実際に何年程度であるかについ ては、いくつか国内で調査報告がなされている^(3),(4)。また、規格⁽⁵⁾において寿命とす る現象、年数が定義されている電気設備もある。

表 2-1 に、電気学会による電気設備ユーザのアンケート結果をまとめた、電気設備 学会技術報告第 II-159 号⁽³⁾の電気設備の寿命と更新に関する調査結果を示す。また、

表 2-2 に、電気設備学会誌⁽⁴⁾で紹介されている、日本電機工業会による「受変電設備 保守点検の要点」での電気設備の保全に関してまとめた結果を示す。いずれの結果も、

電気設備の更新推奨時期は新規導入後 20 年から 25 年というものが多く、実際の更新 は 25 年から 30 年の間という結果が報告されている。

第２章 産業プラントの全体信頼度と電気設備個別の信頼度との関係

表 2-1 電気設備の寿命と更新に関する調査結果

Table 2-1 Research Results of Lifetime and Renewal of Electrical Equipment 出典：電気学会技術報告 第 II-159 号

※寿命の終期状態 No. 機器の種類 寿命の

平均値 寿命の年数

10 15 20 25 30 35 1 2 3 4 5

アンケート 回答数

1-1 油入変圧器 32.4 ^{○ ○} 83

-2 乾式・モールド変圧器 31.0 ○ ○ 64

2 コンデンサ 27.2 ^○ 80

3-1 油入変成器 (P・CT) 30.8 ○ 73

-2 乾式変圧器 ( 〃 ) 27.8 ^○ 80

4-1 油入しゃ断器 29.0 ^{○ ○} 72

-2 小油量しゃ断器 29.3 ^{○ ○} 63

-3 空気しゃ断器 30.4 ^○ ○ 59

-4 磁気しゃ断器 29.2 ^{○ ○} 62

-5 真空しゃ断器 28.2 ^○ ○ 52

-6 ガスしゃ断器 31.5 ^{○ ○} 41

5 断路器 29.8 ○ 81

6-1 気中開閉器 24.5 ^○ 77

-2 油入開閉器 25.8 ○ 62

-3 真空開閉器 25.6 ^○ 51

7-1 屋外閉鎖配電盤 24.5 ^{○ ○} 71

-2 屋内閉鎖配電盤 29.8 ^{○ ○} 80

-3 その他配電盤類 27.6 ^{○ ○} 77

8-1 高圧CVケーブル 24.0 ^○ 80

-2 低圧CVケーブル 26.6 ^○ 82

9-1 高圧誘導電動機 (B種) 28.1 ○ ○ 80 -2 高圧同期電動機 (B種) 28.9 ^{○ ○ ○} 58 -3 低圧誘導電動機 (E種) 26.7 ○ ○ ○ 78

-4 直流電動機 24.9 ^{○ ○ ○} 58

10 非常用発電設備 (D/G) 28.2 ○ 46

11-1 鉛バッテリー 14.5 ^{○ ○} 75

-2 アルカリバッテリー 16.8 ○ ○ 66

12 半導体応用品

(

)

※寿命の終期状態

1. 故障頻度が高くなり，停電による損失が多く なった時点

2. 交換部品の入手が困難になった時点 3. 修理が技術的に不可能になった時点 4. 性能が低下し，使用上の安全性が維持できな

いと判断した時点

5. 性能劣化により維持管理費の増大が著しくな った時点

寿命の年数の凡例 15 20 25 30 35

更新を考慮 中心値の 寿命の平均値 する時期 分散度合

第２章 産業プラントの全体信頼度と電気設備個別の信頼度との関係

表 2-2 電気設備の保全と更新時期

Table 2-2 Electrical Equipment Maintenance and Renewal Term

出典：「特高受変電設備の保守及び点検計画」電気設備学会誌

設備区分 機器名称 普通点検と

整 備 周 期

精密点検と 整 備 周 期

診断実施 推奨時期

更 新 推奨時期

使用者の平均 更新期待年数

(注 1) (注 2)

Ｃ-ＧＩＳ 3 年 6 年 20 年 25 年 28.0 年

断路器 3 年 6 年 15 年 20 年 27.1 年

油遮断器(ＯＣＢ) 3 年 6 年 15 年 20 年 26.1 年

空気遮断器(ＡＢＢ) 3 年 6 年 15 年 20 年 26.0 年 特高受電設備 真空遮断器(ＶＣＢ) 3 年 6 年 15 年 20 年 25.5 年 ガス遮断器(ＧＣＢ) 3 年 6 年 15 年 20 年 25.7 年

油入計器用変成器 3 年 6 年 15 年 20 年 26.5 年

避雷器 2 年 6 年 15 年 20 年 25.8 年

油入変圧器 3 年 6 年 20 年 25 年 27.6 年

ガス絶縁変圧器 3 年 6 年 20 年 25 年 －

スイッチギヤ 1 年 6 年 15 年 20 年 25.8 年

断路器 3 年 6 年 15 年 20 年 25.2 年

油遮断器(ＯＣＢ) 3 年 6 年 15 年 20 年 26.1 年

磁気遮断器(ＭＢＢ) 3 年 6 年 15 年 20 年 －

高圧受電設備 真空遮断器(ＶＣＢ) 3 年 6 年 15 年 20 年 25.5 年 ガス遮断器(ＧＣＢ) 3 年 6 年 15 年 20 年 26.8 年 モ ー ル ド 計 器 用 変 成

器 3 年 6 年 12 年 15 年 26.3 年

避雷器 2 年 － 12 年 15 年 －

油入変圧器 3 年 6 年 15 年 20 年 27.6 年

スイッチギヤ

コントロールギヤ 1 年 6 年 15 年 20 年 －

断路器、遮断器

計器用変成器 3 年 6 年 ^{高圧受電設}

備と同じ

高圧受電設 備と同じ

高圧受電設備 と同じ

負荷開閉器 1 年 2 年^{(注 3)} － 屋内 15 年

屋外 10 年

24.9 年 (屋内) 配 電 設 備 電磁接触器 3 年 6 年 12 年 15 年 真空 25.5 年

限流ヒューズ 1 年 － 8 年 屋内 15 年

屋外 10 年 16.2 年

電力用コンデンサ 1 年 3 年 12 年 15 年 23.2 年

油入変圧器 3 年 6 年 15 年 20 年 27.6 年

乾式変圧器 3 年 6 年 15 年 20 年 26.9 年

モールド変圧器 3 年 6 年 15 年 20 年 27.1 年

監視盤 1 年 6 年 15 年 20 年 －

従来形保護継電器 3 年 6 年 12 年 15 年 23.9 年

監 視 ・ 保 護 制 御

設備 デ ジ タ ル 形 保 護 継 電

器 3 年 6 年 12 年 15 年 18.2 年

(注 1) (社)日本電機工業会「受変電設備の保全に関するアンケート調査」報告書、平成 15 年 3 月 (注 2) 使用者の平均更新期待年数は、更新までの平均期待稼働年数

(注 3) 分解を伴わない点検