表4

再校

表1

三
井

DIC
160

造
船

平成 26 年 10 月 ■ 第 213 号

技

私たちは皆様のお役に立ち

報﹁期待され信頼される研究企業﹂を目指しております︒

創 造 と挑 戦

ISSN 0026-6825

MITSUI ZOSEN TECHNICAL REVIEW No. 213 2014

第 二
一
三
号

高度な試験計測技術、理論解析技術、数値計算技術により、
船舶・海洋構造物に関する様々なニーズにお応えします。

水槽試験

数値計算

初校

理論解析
平 成 二 十 六 年 十 月

三井造船昭島研究所は、昨年度、おかげさまで創立 35 周年を迎えました。
〒196-0012 東京都昭島市つつじが丘1-1-50
TEL：042-545-3111 FAX：042-546-3570

シミュレーション技術を活用した製品開発

五校

表3

主

営

業

品

目

｜

FAX 03 3544 3031｜

TEL 03 3544 3318｜

船舶・艦艇事業本部

要

再校

｜

表2

液化天然ガス （LNG）運搬船，液化石油ガス（LPG）運搬船，原油輸送船，石油精製品運搬船，ばら積貨物船，オープンハッチ型貨物船，鉱石運搬船，石炭運搬船，コンテナ船，自動車運搬船，FSO，FPSO，超高速貨物船，超高速カーフェリー，各種特殊船
修繕船，各種改造船工事，Ｍ＆Ｒエンジニアリング
護衛艦（DD），潜水艦救難母艦（AS），潜水艦救難艦（ASR），音響測定艦（AOS），輸送艦（LST），補給艦（AOE），掃海母艦（MST），海洋
観測艦（AGS），巡視船，練習船，海洋気象観測船，漁業調査船，漁業取締船，海洋調査船，研究調査船，物理探査船，環境整備船，視察船，測量船，交通艇，消防艇，高速旅客船，深海探査ロボット（AUV，ROV），小型水中ロボット，水道管点検ロボット
自動艦位保持装置（DPS），システム操船装置，艦橋情報表示装置（ABS ／ IBS）
，舵減揺装置，船体運動状態表示装置（SMACS），航海情報表示装置，フィンスタビライザー，中折式デッキクレーン，赤外線低減装置，弾薬搭載機材，補機制御表示装置，機関操縦装置，水中放射雑音シ
ミュレータ，防火防水実習場，各種訓練水槽，操船シミュレータ
橋梁，ハイブリッド構造物（浮防波堤，浮消波堤，浮桟橋，浮体式係船岸，ケーソン），海洋構造物（シーバース，ケーソン，沈埋函，ジャケット），浮体式海洋設備①

船舶運航支援のポータルサービス｜

FAX 03 3544 3055｜｜

TEL 03 3544 3950｜

機械・システム事業本部
舶用ディーゼル機関

往復動圧縮機，バイナリー発電設備，蒸気タービン，炉頂圧回収タービン，軸流・遠心式圧縮機
鍛造前誘導加熱装置（ビレットヒータ，バーヒータ，ピンヒータ 他），鉄鋼・非鉄分野向誘導加熱装置（薄板加熱装置，銅管焼鈍装置，線材加

Coverム（ＴＨＳ），排気ガス浄化のための再循環システム（EGR）や選択式触媒還元システム（SCR），排熱回収システム（VPC）などの新しい技術と装置の適用が実現しつつあり，そのシステムの振る舞いは複雑になっている．また，港湾荷役設備においても，大型化や高速化を推進する一方で，エネルギー消費量の削減を進めている．
このような状況において目標を短期間で達成するためには，シミュレーションによりシステムの特性を把握することが重要である．
シミュレーション技術を活用して開発した製品を実験により検証し，信頼される製品として迅速に提供する．
①開発を進める大型蓄電システムの搭載を目指す港湾荷役設備②ＴＨＳの適用を目指す中速リーンバーンガスエンジンのシミュレー
ションモデル

三井造船技報 No. 213（2014-10）

Mitsui Engineering & Shipbuilding Co., Ltd.（MES）has
been developing products using simulation technology andexperiments.
Concerning diesel engine development, in order toreduce NO X , PM and CO 2 emission, many kinds ofapparatus such as Turbo Hydraulic System（THS）,
Exhaust Gas Recirculation System（EGR）, Selective
Catalytic Reduction System（SCR）for exhaust gas
purification and low temperature energy recovery system
Variable Phase Cycle（VPC）as well as turbo compressor
are added, and the engine system behavior therefore has
become very complicated.
Furthermore, MES has been also increasing the size andthe speed of container handling cranes, to meet thedemand for CO2 reduction.
Under such circumstances, simulation technology helps
to understand complicated system and shorten
development period. After verification by experiments,
MES supplies new reliable products to the customers.
①Large Battery Management System for port areaequipment②Developing lean-burn gas engine simulator withsupercharging by THS

ビス，各種技術サービス（運転及びメンテナンスにかかわる技術指導・工事指導・工事施工），LSS（ライフサイクルソリューションサービス ：陸・舶用ディーゼルエンジン，各種ボイラ，プロセス用圧縮機，ガスタービン発電設備，ガスエンジン発電設備，蒸気タービン発電設備，炉頂
圧タービン発電設備，プロセス機器，誘導加熱装置，各種クレーンの保守，改造用部品・機器の供給，性能改善・改造工事・延命工事などのエ
ンジニアリング・サービスと施工）
SiC ウェハー，CVD-SiC コーティング，SiC 製半導体装置用部品
岸壁用コンテナクレーン，ヤード用コンテナクレーン，舶用ガントリークレーン，ローダー，アンローダー（連続式，グラブバケット式），
ジブクレーン，天井クレーン，コンテナターミナルマネジメントシステム
次世代リチウムイオン電池正極材

エンジニアリング事業本部

TEL 043 351 8000

FAX 043 351 8111｜

三井造船では，シミュレーションを活用した性能予測と実験を併用して，効率的な製品開発を進めている．
ディーゼルエンジンにおいては，燃料消費量及び環境負荷を抑制するために，ターボ圧縮機のみならず，油圧式排熱回収システ

IT を活用した各種設備・機器のリモートモニタリングサービス・診断サービス・情報サービス，各種設備・機器の包括／一括メンテナンスサー｜

シミュレーション技術を活用した製品開発

レーダ探査サービス，水理実験設備，塔，槽，熱交換器，回転式乾燥機

｜

表紙説明

Products Development using Simulation Technology

遠隔操作マニピュレータおよびその周辺機器，センシング機器（地中埋設物・建築物探査レーダ，太陽追尾採光システム，複合材剥離検査器），｜②

熱装置），高周波電源装置（PWM インバータ，サイリスタインバータ，トランジスタインバータ，ゾーンコントロール用電源）プラントのエンジニアリング及び建設工事（石油化学，化学繊維，合成樹脂，石油精製，ガス製造・精製，無機化学，化学肥料，石炭化学，発酵関連，ファインケミカル，代替エネルギー関連），プラント要素技術（加熱炉，分解炉，分解ガスクェンチャー，高粘度流体脱揮装置），エン
ジニアリング支援システム，フィージビリティースタディ，プラントメンテナンス，SDM 工事
海外土木・建築工事全般，特殊構造物，風力発電設備工事，海外橋梁
ディーゼルエンジン発電設備，太陽熱発電設備，バイオマス発電設備，各種コージェネレーションプラント，バイオエタノール設備
三井リサイクリング 21（キルン式ガス化溶融システム），廃棄物処理関連（流動床式焼却炉，粗大ごみ処理施設，リサイクルセンター，加熱脱塩素化装置，ダイオキシン分解触媒，炭化炉，PCB 処理），ガス処理関連（脱塩，集塵）
水処理関連（産業排水，汚泥），ガス処理関連（排煙脱硫，排煙脱硝，脱臭），廃棄物再資源化システム（焼酎廃液，有機性廃棄物からのメタン
発酵，コンポスト及び乾燥装置），バイオガスプラント（生ごみ・汚泥バイオガスプラント，油温減圧乾燥式食品廃棄物再資源化システム，家畜糞尿再資源化システム）

三 井 造 船 技 報2014 年（平成 26 年）10 月・第 213 号

目次

製品・技術解説
三井造船の米国における化学プラント建設の取り組み…………………………………
エンジニアリング事業本部

寺澤

1

慎祐

技術論文・報告
港湾設備を中心とした産業機械用の大型蓄電システムの開発…………………………
宮田

淳也

岡

浩司

桐野

睦

青山

5

直裕

THS による過給機アシスト機能を有する
中速リーンバーンガスエンジンの動特性予測シミュレーション…………………… 12
梶谷

哲平

坂入

信之

辻

康之

岡

俊郎

太陽熱発電システム（第 2 報）−蓄熱材の性能評価試験と蓄熱装置の設計手法−………………………………… 17
友保

純直

須山

達夫

佐藤

康光

筒井

伸幸

製品・技術ニュース
高性能地中レーダシステムによる平城宮跡東方官衙地区の遺跡調査－千三百年前の歴史的構造物遺構を最新テクノロジーで探知－…………………… 24
九州自動車道上の橋梁製作・架設工事－小川スマートインターチェンジの E ランプ橋他 1 橋－… ……………………… 26

MITSUI ZOSEN TECHNICAL REVIEW
No. 213 OCTOBER 2014
CONTENTS
Products and Technology Explanation… ………………………………………………………

1

Technical Paper and Report
Development of Large-Scale Battery System for Industrial Machinerywith a Focus on Port Facilities…………………………………………………………

5

Junya MIYATA，Koji OKA，Mutsumi KIRINO，Naohiro AOYAMA

Dynamic Simulation of Lean-Burn Gas Engine with Supercharging Function
by Turbo Hydraulic System………………………………………………………… 12
Teppei KAJITANI, Nobuyuki SAKAIRI, Yasuyuki TSUJI, Toshiro OKA

Concentrated Solar Power（CSP）System（Report #2）− Performance Test of Thermal Storage Material and
Designing Method for Thermal Storage Facility −……………………… 17
Yoshitada TOMOYASU, Tatsuo SUYAMA, Yasumitsu SATO, Nobuyuki TSUTSUI

Products and Technology News… …………………………………………………………

Published by
MITSUI ENGINEERING & SHIPBUILDING CO., LTD.
6-4, Tsukiji 5-chome, Chuo-ku, Tokyo 104-8439, JAPAN

24,  26

製品・技術解説

三井造船技報 No. 213（2014-10）

三井造船の米国における化学プラント建設の取り組み
エンジニアリング事業本部

1.

はじめに

1950 年頃，単体機器製作に始まった三井造船のプラント
関連業務は，石油化学の勃興とともに本格化した．1960 年
代までは，国内向けプラントメーカ的な色彩が強かったが，1970 年代初めの三井石油化学工業株式会社（現三井化学株

寺

澤

慎

祐

当社の米国における最近の化学プラントの受注実績の一例を紹介すると，① 2012 年受注の Kuraray America 向け La Porte, Texasのポバールプラントの EPC 工事，② 2013 年受注の Sasol Chemical Industries 向け Lake
Charles, Louisiana の 低 密 度 ポ リ エ チ レ ン の FEED式会社）との共同によるルーマニア向け高密度ポリエチレ
ンプラントとポーランド向けポリプロピレンプラントの受注，台湾向け DMT（Dimethyl Terephthalate）プラントの単独受注がプラント部門の海外進出の契機となった．1982
年に，初めてターンキー契約によるオマーン製油所向け改質装置の納入を経て，EPC（Engineering, Procurement andConstruction）コントラクタへと脱皮した．途中，1977 年に（Front End Engineering Design）作業，③ 2013 年受注の ExxonMobil Chemical 向け Baytown,
Texas のエチレンプラント分解炉の EPC 工事などがある．
これらのプロジェクトはいずれも大規模で，プラントの完成まで長期間を要する．このため，プラント受注の際における見積では，これらのリスク要因を考慮する必要がある．

プラント部門は化学プラント事業部として機械事業本部から独立し，1980 年にはプラントエンジニアリング事業部と改本報では，米国での化学プラントの見積時に配慮すべき主要な点を当社の経験を基に紹介する 2）．

レンの技術を導入し，ヒューストン郊外のプラント増強を計画した．その折，同プロセスのプラント建設に多くの実績を有する当社に対して引合いがあり，これを受注した．
同じ時期，米国の Advanced Polypro U.S.A. Resin も，同じく三井石油化学工業株式会社の技術によるポリプロピレンの企業化を計画していた．この時にも三井物産株式会社の援助もあって，1986 年 3 月に当社が受注し，米国のエンジニ
アリング会社をサブコントラクタとして採用し，1988 年 8月に工事を完成させることができた．
1985 年以降，対米プロジェクトが活発化したのに並行して，当社は積極的に受注活動を展開した．併せて，当社は現地業者の有効活用を図るため，米国のヒューストンに現地法
人 MES Engineering（MEI）を設立した．MEI 社は，エンジニアリング能力を高めるため，米国の中堅エンジニアリン
グ会社の Engineers and Constructors International（ECI）
を買収し傘下に収め，1992 年 3 月には米国の Kaneka Texas
から MBS 樹脂（塩ビ耐衝撃強化剤）製造プラントを受注するなど，その基礎を確かなものにした 1）．
現在，米国内では，シェールブームにより，米国内企業は言うまでもなく，日本企業を含む米国外の企業が，シェール
ガスを原料とした化学プラントの計画と建設を進めている．
当社においても，海外顧客からはもちろんのこと，日本国内の顧客からも米国へ建設する化学プラントの見積案件が増加している．

2.

米国における化学プラントの建設コスト

2.1 米国プラントコストインデックスの推移
米国プラントコストインデックスとしては，米国 NelsonFarrar Refinery Cost Index（NF-RCI）3）と米国 Chemical
Engineering Plant Cost Index（CH-CI）4）が知られている．
NF-RCI は，米国の Oil & Gas Journal に定期的（四半期毎に更新）に掲載されており，リファイナリーの代表的なインデックスとして利用されている．
一方，CH-CI は，米国の Chemical Engineering Journalに毎月掲載されており，化学工業界では著名である．
両者の 2013 年から 1990 年まで遡った米国プラントコスト

CH-CI
NF-RCI

コストインデックス

称され，石炭，ガスなど，新代替エネルギー関連をはじめとする新規分野へ進出し，業容の拡大を図った．
当 社 の 米 国 進 出 の き っ か け は，1986 年 の 米 国 Exxon
Chemical からのポリプロピレン増強工事の受注である．
Exxon Chemical は，三井石油化学株式会社からポリプロピ

19902000

図12010

米国プラントコストインデックス「全体」

1

三井造船技報 No. 213（2014-10）

製品・技術解説

インデックス「全体」を図 1 5）に示す．2008 年 9 月のリーマ
ンショックで下落したものの，ここ 10 年間で約 1.5 倍になっている．平均すると毎年，対前年比 4% の上昇となる．
「機器費」に限定した米国プラントコストインデックスを
図 2 5）に示すが，「全体」と同じ傾向である．
なお，
「機器費」
には，
配管，鉄骨，保温冷，塗装などの工事材料が含まれている．
一方，「建設労働者費」に限定した米国プラントコスト
インデックスを図 3 5）に示すが，両者で大きく異なっている．NF-RCI では，ここ 10 年間で約 1.4 倍となっているが，
CH-CI では 1.1 倍程度の増加である．
な お， 上 記 以 外 に も 米 国 の コ ス ト デ ー タ と し て，Engineering News-Record Magazine（ENR）や，RSMeans
Cost Data Books, Spon’s Price Books などの文献がある．
2.2 シェールブームによる建設労働者の不足
Engineering Business 誌によると，シェールガスによる米国の化学工業投資は約 100 件であり，大ブームとなっている 6）．多くの大型プロジェクトに関する Pre-FEED と FEED
が既に進行している．
このブームによる大きな懸念材料は，米国の労働市場，特に熟練労働者の市場がひっ迫することであり，溶接工，配管工，足場ビルダなどが挙げられる．地域的にはメキシコ湾岸地区が該当する．これらプラントの建設は，2014 〜 2017 年がピークとなることが予想されている．
また，ブームの結果，市場が過熱し，プロジェクトを非常に高価にすることも懸念される．コントラクタは，予想される建設労働者の不足を避けるための対策を考えており，プロジェクトのスケジュールを維持するために，プラントをモ
ジュール化し，現地工事量を削減するモジュール工法に向かっている．
当社においても米国向けの化学プラント建設に関し，タイでモジュールを製作する工法を採用しているプロジェクトもある．
一方，発表されたプロジェクトのうち，一部は建設労働者の不足から計画の遅延が懸念されている．
2.3 米国における建設労働者費の将来予想
建設労働者費の将来予想を記述した雑誌，文献などは，なかなか見当たらない．
将来予想の方法として，過去のデータ（グラフ）から延長法で予測することができる．しかし，昨今の建設ブームを考えると，延長法での予想は難しい．
当社が収集した情報によると，今後の建設状況は，3 種のコストインデックス

シナリオに分けられる．
表 1 に示すように，最も上昇する場合（現在計画中のプロジェクトがすべてスケジュール通りに進む場合）には，2013
年からの 4 年間で 29 〜 35% の上昇を予想している．平均す
ると毎年，対前年比 7% の上昇となる．
一方，いくつかのプロジェクトが中止になるか，海外からの安価な労働者が獲得できる場合には，表 2 に示すように，

19902000

図22010

米国プラントコストインデックス「機器費」

中間の上昇の場合として 4 年間で 19 〜 25% の上昇を予想している．
さらに，最も上昇しない場合には，表 3 に示すように，4
年間で 12 〜 15% の上昇を予想している．

表1

米国建設労働者費の将来予想（最大のシナリオ）
2013 年

コストインデックス

図322017 年

−

10.7

18.3

1.2

0.5

100.0

110.7

130.9

132.4

133.0

米国建設労働者費の将来予想（中間のシナリオ）
2013 年

2014 年2015 年

2016 年

対前年比［%］

−

7.3

12.5

0.8

0.3

指数

100.0

107.3

120.8

121.8

122.2

2017 年

米国建設労働者費の将来予想（最小のシナリオ）

2010

米国プラントコストインデックス「建設労働者費」

2016 年指数

表320002015 年

対前年比［%］

表219902014 年2013 年

2014 年2015 年

2016 年

対前年比［%］

−

4.5

7.7

0.5

2017 年
0.2

指数

100.0

104.5

112.5

113.1

113.3

三井造船の米国における化学プラント建設の取り組み
いずれも，特に最初の 2 年間の上昇が大きい．例えば，中間の上昇の場合，対前年比で，2014 年は 7.3%，2015 年は12.5%，2016 年は 0.8%，2017 年は 0.3% の上昇となっている．
2.4 米国プラント建設のロケーションファクタ
ロケーションファクタ（LF）とは，ある地域のプラント建
設費を異なる地域の建設費に変換するコスト指標であり，プ
ラント建設地域指数，海外立地コスト指数とも呼ばれ，式（1）で表される．

LF＝（特定地域の建設費 / 基準地域の建設費）×100……………………（ 1 ）
特定地域の LF は通常，日本，米国などの基準地域を 100とした基準地域通貨（円，米国ドルなど）建てコスト指標で表示される．
表 4 に示すように，工事費に関しては，日本，米国及びシンガポールにおける当社の最近の工事複合単価から，日本を 100 とした場合の米国とシンガポールの各工事複合単価の比率を算出した．なお，コンクリート工事，鉄骨工事，保温冷工事及び塗装工事には，工事材料も含まれている．また，為替レートは，100 円 / 米国ドル，78 円 / シンガポールドルとした．
表 5 に，当社の標準のプラントコスト構成比率を用いて，ホームオフィスコストと機材費は各国で同じと仮定し，現地工事費を前述の当社の最近の工事種毎の複合単価より LF を算出した結果を示す．なお，日本の輸送費は日本国内と近隣の韓国からの輸送が多いため，金額では小額となり，表記上は 0 とした．また，建設管理関係費は，米国とシンガポール
を日本の 1.5 倍とした．
ここで，①ホームオフィスコストは，マンパワーコストとホームオ②輸入関税とアンチダンピング関税は含まない，③官庁への許認可申請費用は含まない，④リスクマネー（危険費，予備費，変動費）は含まない，⑤一般管理費と利益は含まないとした．
これより，LF は，日本を 100 とした場合，米国は 165，
シンガポールは 116 となった．なお，為替レートは，表 4 と同じく 100 円 / 米国ドル，78 円 / シンガポールドルとした．

3.

見積時における米国化学プラント建設のリスク

3.1 建設労働者費の上昇
リスク項目としていくつかあるが，一番大きいのは，2.3に示した建設労働者費の上昇である．
以前は，プラント見積時にサブコントラクタ（工事業者）に対して，建設スケジュール（いつ建設するか）を示せば，建設時までのエスカレーション（変動費）をサブコントラク
タが見込んで見積コストを提出してきた．しかし，最近は先が読めないため，サブコントラクタは現時点ベースでのコストしか提出してこないことが多い．
したがって，当社から顧客に建設コスト見積を提出する際には，当社がエスカレーションを推定して加算しなければならない．この傾向は，米国に限らず，最近はシンガポールやマレーシアのサブコントラクタにも見られる．
3.2 アンチダンピング関税
考慮すべきリスクをもう一つ挙げるとすれば，アンチダン
ピング関税である．
3.2.1 米国の関税全般的な米国の関税制度については，日本貿易振興機構（JETRO）のホームページ 7）に示されているが，その要点を次に示す．

米国の貿易相手国のほとんどは，待遇上「正常貿易関係（Normal Trade Relations ： NTR）」として扱われている．
フィス経費，」待遇②機材費は，機器，配管材，計装材，電気材及び防消火材， NTR は以前，「最恵国（Most Favored-Nation：MFN）と呼ばれていたが，大部分の貿易相手国が MFN 待遇だった③輸送費は，海上輸送と内陸輸送，ことから，特別に最恵国ではないという指摘に基づき，1998④現地工事費は，土建（材料を含む），据付，配管，計装，電気，保温冷（材料を含む）及び塗装（材料を含む），
年に NTR と呼ばれるようになった．
⑤建設管理関係費は，仮設，建設管理費及び現場事務所経費
NTR 諸国から米国に輸入される製品は，原則として同率である．
関税が課される．米国が，ある NTR 国から輸入する関税率
なお，を引き下げ，あるいは関税を撤廃する際は，同じ措置が他の①機材は世界中から購入する，
NTR 国すべてに適用される．関税率は，米国関税率表（UnitedStates Harmonized Tariff Schedule）によって定められて
表4

各国の工事複合単価比率
日本

米国

シンガポール

コンクリート工事（材工）

100

160

110

鉄骨工事 （材工）

100

210

140

据付工事

（工）

100

130

80

ホームオフィスコスト

9

9

9

配管工事

（工）

100

360

150

機材費

52

52

52

保温冷工事（材工）

100

340

130

輸送費

0

3

3

塗装工事 （材工）

100

210

90

現地工事費

33

92

43

加重平均

100

為替レート

表5

ロケーションファクター（LF）
日本

米国

シンガポール

280

130

建設管理関係費

699100JPY/USD

78JPY/SGD

合計（ロケーションファクター）

100

165

116

3

三井造船技報 No. 213（2014-10）

製品・技術解説いる．
関税率は，次の 3 本建てとなっている．
①一般税率：NTR 諸国向けの税率であり，日本も当税率が適用される．
②特別税率：FTA（Free Trade Agreement）相手国や特定の開発途上国に対する一般特恵関税（Generalized
System of Preferences：GSP）など，特恵措置が適用される国からの輸入品に対する税率である．
③法定税率：キューバ及び北朝鮮の 2 カ国に対して適用される税率である．旧来は共産圏諸国向けの税率であったが，対象国が徐々に減り，2001 年末にアフガニスタンとベトナムも除外され，適用国はこの 2 カ国のみになった．
3.2.2 アンチダンピング関税とは1993 年に成立したアンチダンピング関税は，米国における不当に低い価格での販売を意図する輸入品に対して賦課される可能性がある追加関税である．このような不当に低い価
格は，競合する米国製品に対して輸入品に不当な競争優位を与えるような不正な海外貿易慣行の結果であるとする考え方
が，追加関税の根拠となっている．
ダンピング（不当廉売）とは，生産者がある商品に対して母国市場で付ける価格よりも低い価格で同一商品を米国内で販売しようとする輸出行為である．
アンチダンピング措置は，貿易相手国の企業がダンピングにより，国内販売価格よりも低い価格（またはコスト割れ）の製品を輸出し，それが米国内の産業に損害を与えていれば発動可能となる．
アンチダンピング関税は，通常の関税のように国に掛けるというよりは，ベンダーに掛けられる．見積の際には，事前によく調査しておく必要がある．ベンダーからの見積金額が安価であっても，アンチダンピング関税を加算すると高価になることがある．
なお，アンチダンピング関税の詳細については，次の米国政府機関のホームページに示されている．
・United States International Trade Commission 8）
・U.S. Customs and Border Protection 9）
3.2.3 関税率とコード
関税率とコードの関係について記述する．各国の関税率は，
HS コードで定められている．つまり，HS コードとは，あらゆる物品に固有分類番号を付けて，貿易上それが何であるか
を世界各国で共通して理解できるように取り決めた番号のことであり，Harmonized Commodity Description and Coding
System の略称である．HS コードは 6 桁の数字で成り立っており，上 2 桁を「類」，類を含む上 4 桁を「項」，項を含む
6 桁を「号」という．国際上は 6 桁だが，それ以上の細分も可能である．ちなみに，日本では 9 桁まで記載できる．

4と こ ろ が， 米 国 で は こ れ を さ ら に 独 自 改 良 し た HTS（Harmonized Tariff Schedule）コードを使用している．HS
コードは 6 桁まで世界共通だが，米国の HTS コードはこの6 桁に相当する部分が 4 桁となっている．より正確に言えば，
HS コードの基本品目分類番号は 6 桁だが，HTS コードでは
これを 4 桁に変え，この 4 桁の末尾に 2 桁と 4 桁の拡張コードをつけて品目の確定を行っている．したがって，HTS コー
ドは，サフィックスを含めると 10 桁番号となる．
HS コードと HTS コードは，番号の振り方が異なるため，互換性がないと言われるが，上 4 桁と上 6 桁で見ていくとおおむね同じものがほとんどである．

4.

おわりに

本報では，見積時における米国での化学プラント建設のコストとリスクについて述べた．
米国における化学プラントの建設は，コストも高く，リスクもある．しかし，シェールガスという安価な原料がある限
り，全体での経済評価を考えれば，しばらくは米国での建設ブームは続くものと思われる．
今後も当社は，化学プラントオーナとの関係を密にし，リスクを避けコストダウンを図りながら，米国における化学プ
ラントの建設を推進していく所存である．

参

考

文

献

1）三井造船：三井造船株式会社 75 年史，（1993-3）
2）寺澤：米国での化学プラント建設のコストとリスク，
化学工学会第 46 回秋季大会，（2014-9-17）3）Oil & Gas Journal,（2013-7-1）, p. 94, Penn Well
4）Chemical Engineering Journal,（2013-8）, p. 56, Elsevier5）国分．外：2013 年 PCI/LF 報告書，日本機械輸出組合，（2013-10）
6）Engineering Business,（2013-7-1）, GLOBAL Report,
p. 8, エンジニアリング・ジャーナル
7）日本貿易振興機構：基本的な米国の輸出入制度，
http://www.jetro.go.jp//world/n_america/us/trade_03/,（2014-8-27）
8）United States International Trade Commission：http://
www.usitc.gov/trade_remedy/,（2014-8-27）
9）U. S. Customs and Border Protection：
http://addcvd.cbp.gov/,（2014-8-27）〔問い合わせ先〕
エンジニアリング事業本部 プロジェクト部
TEL 043−351−9245 寺澤 慎祐

技術論文・報告

三井造船技報 No. 213（2014-10）

港湾設備を中心とした産業機械用の大型蓄電システムの開発
宮

田

淳

也＊

岡

浩

司＊

桐

野

睦＊＊

青

山

直

裕＊＊

Development of Large-Scale Battery System for Industrial Machinerywith a Focus on Port Facilities
Junya MIYATA，Koji OKA，Mutsumi KIRINO，Naohiro AOYAMAFor reducing environmental impact and energy consumption in the container yard，motorized / hybridization of
the container handling machine has been developed． Lithium-ion rechargeable battery of high-capacity and highperformance has been widely used as a battery of such machine．
In order to develop a Lithium-ion battery system optimized for the container handling machine，we have verified thebattery specifications by simulation with a load of the actual machine and the actual characteristics of the battery. And
we have completed the safe，simple and compact large battery system adaptable to quick load change in high-rate．
コンテナヤードにおける環境負荷低減と省エネ化を目指し，港湾荷役機械の電動化とハイブリッド化が進められている．
その蓄電池として大容量で高性能なリチウムイオン電池が普及しつつあるが，港湾荷役機械に必要とされる急速充放電を実現することが課題となっている．
三井造船は，港湾荷役機械に最適なリチウムイオン電池システムを開発することを目的として，まず電池の実特性と実機の負荷を用いた電池適用シミュレーションを行い，電池仕様を確認した．そして，シンプルかつコンパクトな構成でありながら安全性も確保し，港湾荷役機械特有のハイレートで短時間の負荷変動に対応可能な大型リチウムイオン電池システムを製作した．

（a）MES ハイブリッドトランステーナ（b）リチウムイオン電池モジュール

図 1 港湾荷役機械と蓄電池
Cargo Handling Machine and Battery＊

技術開発本部

玉野技術開発センター＊＊

三井造船システム技研株式会社

電子ソリューション事業部

5

三井造船技報 No. 213（2014-10）

1.

技術論文・報告

はじめに

昨今の環境負荷の低減と省エネ化，運用コストの削減などへの要求の高まりから，コンテナヤードにおいても港湾荷役
機械の電動化とハイブリッド化の取り組みがなされており，蓄電池の利用も注目されている．
三 井 造 船 で は， 環 境 に 配 慮 し た RTG（Rubber Tired
Gantry Crane）として MES ハイブリッドトランステーナ（以下，MES-HybridTT と称す）
（図 1（a））を製品化して
おり，港湾荷役機械への電池利用の実績を有する．MESHybridTT は従来のエンジン型と比較して，約 60% の燃費改善効果がある．
MES-HybridTT をはじめとした港湾荷役機械を低コストで電動化あるいはハイブリッド化し，これらを現状より更に効率よく運用することを考えると，対象とする機器の実負荷及び電池セルの実特性に基づき，最適な電池システムを構築する必要がある．
本報では，実機の負荷に最適なリチウムイオン二次電池（以下，リチウムイオン電池と称す）システムを搭載することを目的として，まず負荷と電池とのマッチングを把握し，最適な電池構成と仕様を決定するためのシミュレーション技術を紹介する．次に，RTG やヤードシャーシなどの短時間の負荷変動に対応可能なハイレート仕様の大型電池でありながら，シンプルかつコンパクトな構成で港湾荷役機械に必要な耐環境性を実現する新規な電池モジュール（図 1（b））を紹
介する．

2.

港湾荷役機械の電動化とハイブリッド化

2.1 港湾荷役機械に求められる電池システムの要件
アジアをはじめ世界的にコンテナ荷動き量は年々増加しており，これに対応するためコンテナヤードの新設や拡張により，港湾荷役機械の導入が盛んになっている．港湾荷役機械が増加する一方，地球温暖化防止のため二酸化炭素など温室効果ガス削減の要求の高まりや原油価格の高騰もあり，燃料使用量や運用コストを大幅に削減することが求められている．ヤード全体として荷役の効率化を行うこともさることな
がら，荷役機械 1 台当たりの燃料使用量を減らすことが，省エネ化に大きく寄与する．
港湾荷役機械の中では，ディーゼルエンジン発電機方式の RTG とヤードシャーシがコンテナヤードにおける燃料消費量のほとんどを占め，これら荷役機械の燃費を改善することが重要である．対策として，ヤードの新設や大規模改修と拡張の際には RTG ではなく陸電を利用する RMG（RailMounted Gantry Crane）を導入することで，燃料を使用しないことも可能となる 1）．しかしながら，新規荷役機械の導従来のエンジン方式からそのままリプレース可能である．エンジンを使用しているため燃料消費量がゼロにはならない
が，大幅な燃費改善が可能である．
ハイブリッド式における大きな燃費改善を考えると，エンジン発電機の負荷あるいは負荷変動を小さくして，巻下げによる回生エネルギーも多く利用できるようにする必要がある．
そのため，エネルギーを消費する場合と蓄積する場合の両方
向ともに，多くの負荷を蓄電装置に担わせることとなる．クレーンの主要動作である巻上げと巻下げの際には，高出力かつ高速充電が必要なことから，蓄電装置として当初はキャパシタが用いられていたが，近年，性能が向上しコストも下がってきたリチウムイオン電池が多く用いられるようになってきた．
クレーン用のリチウムイオン電池に求められる性能は，頻繁な急速充放電と長寿命である．自動車用や定置型のものは普及しつつあるが，大型のリチウムイオン電池で急速充放電が可能なものはない．産業用途として一部対応しているもの
がある程度存在するが，クレーン用に最適化されたものではない．現在の荷役時間を維持するためには 15 C を超える充放電レートを有する電池システムが必要と考えられる．ここで，“C”は充放電レートの単位であり，1 C であれば 60 分間で充電または放電が完了する電流値を表し，15 C であれば 4 分で完了することを表す．
また，ヤードシャーシにおいても燃費改善の観点から，電動化あるいはハイブリッド化のメリットがある．重量物を積載して短距離走行で頻繁な加速と減速を行うという運行パターンであるため，電池にはクレーンと同様に頻繁な急速充放電性能が求められる．一般の電気自動車とは負荷が異なるが，できるだけコンパクトに搭載したいという要求があるため，高エネルギー密度が求められる．
以上のことより，クレーンやヤードシャーシなど港湾荷役
機械の電動化とハイブリッド化に対しリチウムイオン電池を適用する場合，頻繁な急速充放電が可能な電池システムが必要となる．
2.2 リチウムイオン電池の特徴
リチウムイオン電池は，重量と容積の割に電池容量が大き
いため，ノート PC や携帯電話に広く用いられている．近年
更に大容量化と高性能化が進み，自動車や産業用途にも普及してきた．
リ チ ウ ム イ オ ン 電 池 の 利 点 と し て，（1）電 圧 が 高 い，
（2）エネルギー密度が高い，（3）自己放電が少ない，（4）メ
モリー効果がない，（5）サイクル寿命が長い，（6）急速充放電が可能などが挙げられる．一方，欠点として，過充電と過放電に弱い（過充電：発熱と発火，過放電：著しい性能低下）ため，これを防止するための保護回路が必要となる．

入に際して，レール敷設等で運用中のコンテナヤード荷役を止められないため，電動式あるいはハイブリッド RTG が検討される．電動 RTG は燃料を使用しないクレーンであるが，陸電を利用するためヤードに給電設備やケーブルを設置する必要がある．一方，ハイブリッド RTG は，ディーゼルエン

リチウムイオン電池の構造と動作原理を図 2 に示す．リチウム遷移金属酸化物などの正極と黒鉛系炭素材料などの負極が，電解液をしみ込ませたセパレータを介して配置される．
充放電は，正極材と負極材の間をリチウムイオンが移動することで行われる．充電の際はリチウムイオンが正極から負極へ移動し，放電の際はこの逆となる．

ジン発電機と蓄電池を利用し，地上設備の変更が不要なため，これを薄い層状にして複数積層し，ケースに収めることで6港湾設備を中心とした産業機械用の大型蓄電システムの開発

図 2 リチウムイオン電池の動作原理
Principle of Operation of Li-ion Battery

電池セルを構成する．電池セルの形状として円筒型，角型（缶），ラミネート型があり，特性や用途により選択する．金属ケースを使用する円筒型の構造は，内外の力に強く製作も容易であるが，組電池（モジュール）化した際の体積効率が悪く放熱もしにくい．角型は比較的内外の力に強くモジュール化した際の体積効率が良いが，コストも高く重量も大きい．
ラミネート型は比較的軽くて薄いが，内外の力により変形しやすい．
リチウムイオン電池の材料は多種のものがあり，その組み合わせで特性も変わる．特に正極材は電池電圧や安全性，コストに大きく影響する．正極材にはコバルト系，マンガン系，
ニッケル系，リン酸鉄系，三元系などがあり，エネルギー密度や電圧が高いコバルト系（LiCoO2）が多く使用されている．
しかし，原料のコバルトの資源的制約が大きいことや電池の安全性に対する要求が厳しいことなどから，その他の正極材も注目され開発が進んできた．例えば，リン酸鉄系（LiFePO4）の場合は，原料が豊富であり，熱的及び化学的安定性が良く安全性が高い．一方，電圧が低く導電性も低いが，導電性は微粒化などにより改善されている．

3.

シミュレーションによる電池仕様の検討

3.1 シミュレーションモデルの作成
港湾荷役機械を電動化あるいはハイブリッド化するにあたり，負荷と電池とのマッチングを把握し，最適な電池構成と仕様を決定する必要がある．ここでは，電池適用対象をRTG 及びヤードシャーシとし，リチウムイオン電池システムの構成と仕様を検討するシミュレーションについて述べる．
シミュレーションによる電池仕様検討のフローを図 3 に示す．まず，電池システムに使用する電池の実特性と電池適用
対象の実際の負荷特性を取得する．次に，汎用計算ツールを用いて，実特性及び電池制御ロジックを組み込んだ電池モデ
ルと電池適用対象のモデル（物理モデルなど）を作成し，これらを組み合わせることでシミュレーションモデルを構築する．この際，電池モデルは，セルの直列数，並列数などある程度想定される電池構成としておく．
このモデルを用いて，対象に対し実際の負荷特性を示す動きをさせた実負荷シミュレーションを行い，電池の挙動（電図 3 シミュレーションによる電池仕様検討フロー
Flow of the Battery Specification Study by Simulation

池電圧と電流の変化，インタロック動作の有無など）を確認する．
ここで，想定した電池構成で問題なければその電池システ
ムの仕様が決定できるが，そうでなければ，電池構成や動作条件など変更して再度シミュレーションを行う．例えば，大きな負荷がかかった際に電池電圧の低下が過大であれば，電池容量を増やしたり，高い充電状態（State of Charge：
SOC）を維持するような動作を行うなどして対応する．また，電池セルの開発にも関与できるならば，セル開発にフィードバックすることでセルの特性からアプリケーションまで一貫して最適な電池システムの仕様を決定できる．
図 4 に，ハイブリッド RTG 及び電動ヤードシャーシのシ
ミュレーションモデルを示す．このうち電池部分は，図 5 に示すモデルを用いた．シミュレーションモデルは汎用数値計
算ツールの MATLAB /Simulink を用いて作成した．
電池モデルでは，電池に必要な出力（電池が担うべき出力）から，充放電効率を考慮しつつ，そのときの SOC，電流及び電池電圧を求める．セル電圧は，実際のセルの基礎特性（レート特性）を基にしたマップ（Lookup Table）を用いて，現在の SOC と電流値（若しくは充放電レート）と温度より求めている．物理モデルではないが，計算負荷が軽く，仕様検討す
るには問題ない精度であること，セルの基礎特性（レート特性）が充放電試験により比較的簡単に得られ，そのデータをそのまま利用できることから，このようなマップを用いることとした．このマップを中心に，セルの直列又は並列数設定，充放電制御，SOC 計算，リミット判定のロジックを加えることで電池モデルを構成した．
ハイブリッド RTG では，ある程度荷役パターン（負荷パ7三井造船技報 No. 213（2014-10）

技術論文・報告

図 5 電池モデルの詳細
Battery Element Model（a）ハイブリッド RTG モデル

図 6 RTG の代表的な負荷パターン
Typical Load Pattern of RTG（b）電動ヤードシャーシモデル
図4

シミュレーションモデルの概要
Simulation Models（シミュレーション結果）
・充電側（巻下）の最大レート 15 C
・放電側（巻上）の最大レート 20 Cターン）が決まっており，図 6 に示す代表的な負荷パターン
・セル当たりの電圧変化
2.5 〜 3.5 Vを用いることで RTG から電池に要求する出力を模擬できる．
そこで，この負荷パターンをそのままモデルに用いることと（使用可能範囲：2.0 〜 4.0 V）
巻上げの瞬間に最もハイレートでの放電となるが，その際した．これに電池や発電機などを組み合わせて，シミュレー
ションモデルを構成した．
電動ヤードシャーシでは，一般の自動車に比較して走行パ

も電圧は問題ない範囲での変化となることが分かる．
次に，電動ヤードシャーシのシミュレーション条件及び結果を以下に示す．また，電池挙動（充放電レート，SOC 及びターンは限定されるものの負荷は様々である．また，得られる実データも出力ではなく，車速データであることが多い． 電圧の変化）を図 8 に示す．
そのため，電動ヤードシャーシについては車両の物理モデル （シミュレーション条件）を作成し，これを車速データに当てはめて電池に要求する出・電池容量：44.5 kWh・まず電池のみで駆動し，SOC20% 以下でレンジエクステ
力を求めた．この車両モデルに電池やレンジエクステンダ（オプション）を組み合わせて，シミュレーションモデルを構成ンダ（16 kW）を作動した．
・負荷：平均的な走行パターン（稼働時間，走行距離）及
3.2 シミュレーション結果
び平均的なコンテナ重量（実計測を基に推定）3.1 で作成したモデルを用いて，ハイブリッド RTG と電 （シミュレーション結果）
動ヤードシャーシについて電池適用シミュレーションを実施
・充電側（回生）の最大レート 2 C
・放電側（加速）の最大レート 5.7 C
した．電池モデルにおけるセルの実特性は，4.2 に示すリン・セル当たりの電圧変化
2.3 〜 3.3 V
酸鉄リチウムイオン電池の特性を使用した．
ハイブリッド RTG のシミュレーション条件及び結果を以下に示す．また，電池挙動（充放電レート，SOC 及び電圧の変化）を図 7 に示す．
（シミュレーション条件）
・電池容量：16.7 kWh・発電機出力：35.5 kW 一定（SOC50% 前後で推移する出力）・負荷：コンテナ荷役数 20 個 /h 相当
8（使用可能範囲：2.0 〜 4.0 V）
完全電動車とした場合には，途中で充電を行うような運用が必要となる場合も想定される．16 kW 程度のレンジエクステン
ダを搭載すれば，連続稼働時間を延ばすことは可能である．

4.

電池システムの開発

4.1

電池システムについて電池を搭載する RTG やヤードシャーシなどの港湾荷役機

港湾設備を中心とした産業機械用の大型蓄電システムの開発

図 9 開発したラミネートセル
Developed Laminate Cell（a）充放電レートと SOC の変化（b）セル電圧の変化
図7

ハイブリッド RTG のシミュレーション結果
Simulation Result of Hybrid RTG

図 10 モジュール構造
Structure of Battery Module

以下に，本研究で開発した電池セル，電池モジュール及びBMU の特長並びに電池モジュールの評価について示す．
4.2 電池セル
港湾荷役機械用に求められる急速充放電，長寿命及び安全性の三つの要件を満たし，正極にリン酸鉄リチウムを用いた電池セルを開発した．

（a）充放電レートと SOC の変化（b）セル電圧の変化
図 8 電動ヤードシャーシのシミュレーション結果
Simulation Result of Electric Yard Chassis

械では，高電圧かつ大電流の入出力がリチウムイオン電池に要求される．一般的に，このようなリチウムイオン電池は，複数の電池セルを接続した電池モジュールを多数連結し，電本電池セルは，図 9 に示すようなラミネートセルである．
サブミクロンサイズまで微粒子化した小粒径品のリン酸鉄リ
チウムを正極活物質に用い，また集電箔や電解液の添加剤を工夫することにより，電池セル単体で最大 20C（3 分で充放電が完了する電流値）の急速充放電を実現した．また，コン
テナクレーン用途の 1 回荷役の高負荷パターンに相当する20C で 4 秒，15C で 10 秒（SOC47 〜 53%）の充放電サイクルにおいて，25 000 サイクルで容量保持率 95% 以上の長寿命を実現した．さらに，安全性試験として，過充電試験，釘刺し試験を実施し，発火，破裂が無いことを確認し，電池セルの安全性が極めて高いことを確認した．
4.3 電池モジュールの構造
港湾荷役機械用に求められる大出力の電池モジュールは，
瞬間的に数百アンペアに及ぶ大電流で充放電することから，内部の電池セルは著しく発熱する．発熱による電池セルの温度上昇は，電池セルや，モジュールを構成する電子部品の劣化や故障などの原因となるため，大電流の充放電下における池の保護や制御を目的とした BMU（Battery Management
Unit）と組み合わせた電池システムとして使用される．
また，電池システムとして，電池セル及び電池モジュールを使用する場合には，特性試験や安全性試験といった評価を

電池セルの発熱による温度上昇を抑制することが重要な課題となる．
また，本電池モジュールで用いるラミネートセルは，セル本体が薄く表面積が大きいことから一般的に放熱性には優れるが，強度的に弱く変形しやすい．したがって，モジュール化する上で必要な電池セルの固定方法が課題となる．また，行い，性能と安全性を担保することを要求される．

タブリードは薄板状であるため接続が難しく，タブリードを
9

三井造船技報 No. 213（2014-10）

技術論文・報告

直並列する方法も課題となる．
さらに，港湾荷役機械における電池モジュールの使用環境
では，電池モジュール内部の電池セルや電子部品を，塩分や塵埃などの侵入から保護することも課題となる．
これらの課題を解決するために，板状であるラミネートセ
ルの形状を有効に利用して放熱し，かつ，セル固定の難しさを克服できるようにモジュール構造を工夫した（図 10）．具
体的には，難燃性と絶縁性を持つ放熱材をセル 2 枚で挟み込
み，放熱材の一端をヒートシンクへ接触させ，電池セルから

本 BMU の特長は，高電圧，大電流を必要とするコンテナ
クレーンなどに対応するため，一つの BMU で最大 20 台の電池モジュールを監視，制御できる．また，隣接する BMU
同士を連結する機能を持つことにより，監視，制御できる電池モジュールの数を増やすことを可能とし，大型電池シス
テムにも柔軟に拡張できる．さらに，高電圧入力に対応した
BMU 駆動電源を持ち，電池モジュールから駆動電力の供給を可能とすることで，駆動電力を外部供給できない環境においても使用できる．

発生する熱を効率よく外部へ逃がす構造とした．本構造を採用することにより，塵埃の侵入を防ぐ密閉型でありながら，
図 11 に示すように放熱材が無い場合に比べ，モジュール内部の上昇温度を最大 30% 程度抑制できる構造を完成した．
また，図 12 に示すように，薄板状のタブリードをワンタッ
チで接続するパーツを工夫し，タブリードの接続を安全に，かつ容易にした．
4.4 BMU
電池システムにおいては，必要とする電圧，容量を実現するため，複数の電池セル（電池モジュール）を接続することが一般的である．BMU は，電池システムに内蔵され，充電や放電の適切な管理や異常状態を検出したり，電池システムを保護するといったシステムの安全を確保するための制御，監視を行う．本 BMU は，図 13 に示すように制御ユニット，
表示装置，充放電電流を測定する電流センサ，電池システムを保護するためのコンタクタ及び駆動電源から構成される．
本 BMU が持つ機能を表 1 に示す．

モジュール内部の温度変化（℃）

表 1 BMU の機能
Functions of BMU

図 11 モジュール内部の温度変化
Temperature Rise inside the Module

図 12 薄板状タブリードの接続パーツ
Connection Parts of Thin Plate Tab Lead10

図 13 電池システムの構成と BMU
Configuration of Battery System and BMU

機能概要

バッテリーシステム
総電圧の検出

各セルの電圧を検出し，システムの総電圧を計算する．

電流検出システムへ入出力される電流を測定する．

セル温度の検出

セル，電池モジュール内部の温度を測定する．

SOC の推定

各セルの電圧などから電池残容量を推定する．

セル電圧の均等化

各セルの電圧を均等に揃える．

システムの保護

電圧や温度，電流から異常状態を検知し，警報を出力したり，電路の遮断を行う．

システムの故障診断

セルの電圧や温度からセルや電池
モ ジ ュ ー ル の 故 障 を 検 知 し た り，BMU 自体の故障も検知する．

他制御機器との通信

セル，電池モジュールの状態や運転の状況など他制御機器と通信する．

港湾設備を中心とした産業機械用の大型蓄電システムの開発
表 2 国連勧告安全性試験
UN Recommendations Safety Test
試験項目

主な内容

要求基準

T1 高度シミュ 11.6 kPa 以下，6 h 以上
レーション
20±5℃

液漏れ

75℃ / −40℃，6 h 以上保持 ベント動作

T2 温度
T3 振動

10 サイクル

破裂・発火なし

7 〜 200 Hz 〜 7 Hz

電圧 90％以上

15 分 ×12 回 3 軸
50 G

T4 衝撃

11 ms×3 軸 × 正負向き

T5 外部短絡
図 14 充電特性試験結果の一例
Example of the Charge Characteristic Test Results

質量減少

100 mΩ 55℃ ±2℃

170℃を超えない
6 h 発火・破裂なし

圧壊速度 15 mm/s

T6 圧壊

加圧 13 kN

T7 過充電最大電流の 2 倍，24 h

T8 強制放電

最大放電電流，定格容量

試験後 7 日間以内に破裂・発火なし

取得や実機規模での実証を目指す．そして，更に進むであろうリチウムイオン電池の種々の産業への応用に対応していきたい．
最後に，本電池システムの開発にあたり，エレクセル株式

図 15 放電特性試験結果の一例
Example of the Discharge Characteristic Test Results

会社，株式会社電源設計及び早稲田大学理工学術院紙屋雄史研究室の関係者の方々から多大なるご支援とご協力を頂いた
ことに厚く感謝の意を表する．なお，本研究は，独立行政法
人新エネルギー・産業技術総合開発機構の「リチウムイオン
電池応用・実用化先端技術開発事業（平成 24 年度から平成
26 年度）」において実施したものである．

参
4.5

電池モジュールの評価

電池システムとしての性能と安全性を評価するために，充放電における特性試験及び安全性試験を実施した．
充放電の特性試験については，3C 〜 16C までの各充放電

考

文

献

1）栢菅．外：次世代型高能率自動化コンテナターミナルの開発，三井造船技報，209（2013-7），p. 122）松尾．：リチウムイオン電池の安全性評価方法，技術情報協会，（2011），p. 189

電流にて充放電を行い，終止電圧までに確保できる電池容量を調べた．結果を，図 14 と図 15 に示す．16C の急速充放 〔問い合わせ先〕
技術開発本部 玉野技術開発センター
電下でも容量 80% 以上という良好な充放電特性が得られた．
TEL 0863−23−3021 宮田 淳也
また，16C での充放電において，電池モジュール内部の上昇
三井造船システム技研株式会社 電子ソリューション事業部
温度は，最大で約 10℃以内となり，内部温度の上昇も十分に
TEL 0863−23−3480 桐野 睦
抑えられた．
安全性については，表 2 に示す国連勧告安全性試験（UNManual of Test and Criteria，Part Ⅲ，
subsection 38.3）に則って試験を行い，評価を行った 2）．

5.

おわりに

港湾荷役機械の電動化とハイブリッド化について，電池と機械の負荷のマッチングをシミュレーションで確認しつつ電池システムの仕様を検討し，港湾荷役機械での使用に適した電池システムを開発した．今後，より大容量化した際の特性

宮田

淳也

岡

浩司

桐野

睦

青山

直裕

11

三井造船技報 No. 213（2014-10）

技術論文・報告THS による過給機アシスト機能を有する
中速リーンバーンガスエンジンの動特性予測シミュレーション
梶

谷

哲

平＊

坂

入

信

之＊＊

辻

康

之＊

岡

俊

郎＊＊＊

Dynamic Simulation of Lean-Burn Gas Engine with Supercharging Function
by Turbo Hydraulic System
Teppei KAJITANI, Nobuyuki SAKAIRI, Yasuyuki TSUJI, Toshiro OKA
In the situation that environmental protection becomes more important, the development of emission reduction
technologies for CO2, NOx and SOx has been conducted all over the world. Furthermore, the technology for highly
efficient energy utilization is also desired from the point of fuel cost reduction.
Mitsui Engineering & Shipbuilding Co., Ltd.（MES）has promoted the development of environment-friendly energy
devices which meet these requirements. As one of such devices, the lean-burn gas engine with Turbo Hydraulic System（THS）has been developed so that it realizes the improvement in energy efficiency and dynamic behavior simultaneously.
In the development stage, MES has built and utilized the simulation system which can predict the dynamic
behavior of the complicated whole engine system with THS. In this report, the outline of this simulation system andsome results obtained by this simulation system are described. As one of typical simulation results, it became evident
that the dynamic response time for rapid load change can be shortened by the supercharging function of the THS.
国際的な環境保全意識の高まりの中で，CO2 や NOx と SOx の削減技術の開発が進められ，加えて経済的な観点から省エネルギー技術も重要性が高まっている．三井造船では，高効率ガスエンジンやその周辺機器における環境対応技術の開発を推進している．
リーンバーンガスエンジンの燃費向上と負荷応答性の改善を実現するために，油圧式排熱回収システム（Turbo
Hydraulic System：THS）
を用いることとした．エンジンシステムと THS を含めた複雑な系の挙動を予測するために，リーンバーンガスエンジンに THS を追加したエンジンシステム全体のシミュレーションモデルを構築し，負荷変動時のシス
テムの挙動を予測した．これより，THS が過給機を良好にアシストし，負荷変動に対する応答性改善効果が期待できることを示した．

図 1 動特性予測シミュレータの出力例
Sample of Engine Simulator Screen（Left Side is Window to Make Model of Engine, Right Side is Result of Simulation）

＊
＊＊

12

技術開発本部 玉野技術開発センター
機械・システム事業本部 機械工場 ディーゼル設計部＊＊＊

機械・システム事業本部

機械工場

技術開発部

THS による過給機アシスト機能を有する中速リーンバーンガスエンジンの動特性予測シミュレーション

1.

はじめに

1.1 高効率ガスエンジンと環境対応技術
地球温暖化や酸性雨の防止など，近年の環境保全への国際的な取り組みの高まりに加え，東日本大震災後の電力供給への不安の高まりから従来型熱機関への期待が大きくなっている．中でも天然ガスを主燃料とするガスエンジンは，クリーンなエンジンとして注目されている．その特長として，石炭や石油に比べて燃焼時に大気汚染や酸性雨の原因となり得る
硫黄酸化物（SO X）を発生せず，窒素酸化物（NO X）は 60 〜
80%，二酸化炭素（CO2）は 20 〜 40% 排出量が少ないことが挙げられる．また，石油価格の高騰や北米でのシェールガス
革命を背景に経済面からも導入のメリットが高まっている．
三井造船においても，ダイハツディーゼル株式会社と共同で高効率リーンバーンガスエンジン MD-G シリーズを国内コジェネ市場に投入し，その後も性能向上のための研究開発を進めている 1）．一般的に，熱需要の少ない需要家は発電効率の高さを重視しているため，ガスエンジンコジェネレーションシステムは，この要求に適していると考えられる．また，ガスエンジンは主発電機としての運用もさることながら，非常用の発電装置や太陽光などの再生可能エネルギーを用いる
電力の負荷変動をカバーするバッファ電源としての需要もあり，負荷追従性を向上させることによる利点は大きい．これまでに，当社では独自の技術として，舶用大型低速ディーゼ
ルエンジン向けに排気ガスのエネルギーを油圧動力として回収し，エンジンの軸動力として利用する油圧式排熱回収シス
テム（Turbo Hydraulic System：THS）を開発した 2）．このTHS を中速リーンバーンガスエンジンに応用し，発電効率と負荷追従性の向上を図ることとした．
また当社では，ディーゼルエンジンに過給機等の設備を付加した複雑なシステムで最適制御を行うために，シミュレー
ションモデルを構築して評価を行い，短期間での開発を目指している 3）．シミュレーションモデルは，Mathworks 社の汎用解析ツール MATLAB/Simulink を用いて作成している．
図 1 はこのモデルの一例である．MATLAB/Simulink 環境
では，動的なシミュレータをグラフィカルな環境で作成することができ，直感的なプログラミングが可能となることが特長で，ブロック間の変数の受け渡しは同図の配線の接続関係で成り立つため，システムの構成を視覚的に理解することが容易である．
1.2 リーンバーンガスエンジンと動特性予測の必要性
リーンバーンガスエンジンは，理論空燃比より希薄側で燃焼させることによって，高出力化と NOx 排出量の低減を実現している．この希薄燃焼はその特性上，
図 2 に示すように，
空燃比がある一定範囲から外れると失火又はノッキングを引き起こす恐れがあるため，安定な燃焼を実現するためには空燃比を一定範囲に制御することが極めて重要となる．
シリンダに流入する空気量は給気圧力に依存するため，エンジンの出力を変動させる場合には給気圧力を適切な値に制御する必要があるが，給気圧力は過給機のタービン側で回収される排気ガスのエネルギー，すなわちエンジン出力の変動に大きく左右される．このことから，エンジンの出力変動に伴ったシステム全体の挙動は予測が難しく，更に過給機の特性や給排気管と配管の容積，THS 等の有無など，エンジン周辺機器の仕様変更によっても大きく変化することが予想される．
1.3 シミュレータの特長と THS を含むガスエンジン発電
システムの動特性予測の実現
図 1 では，ガスエンジン発電システムのモデルはシリンダ，
排気管，コンプレッサなど，主要な機能要素ごとに図 1 左側のブロック群のようにモジュールブロックとして作成した．
各モジュールのパラメータを変更することで，多様な条件での動作シミュレーションに対応できる．シミュレーションの結果は，図 1 右側のように簡便にグラフ化して表わすことができる．
本例では，ガスエンジンに THS を適用したシステムをベースに作成した．図 1 の左側中央部近くの灰色ブロックが
THS を示す．THS は，過給機余剰動力回収による燃費向上
機能だけでなく，負荷変動時にはクランク軸を動力源として過給機回転をアシストする機能による負荷追従性向上も狙ったものである．エンジンの出力に最適な空燃比とするためには，給気圧力を目標出力に対応する値まで変化させる必要があるが，過給機のコンプレッサ動力はエンジン出力と共に変化する排気ガスのエネルギーに依存しているため，給気圧力の上昇速度には一定の限界がある．そこで，THS を応用してクランク軸の動力エネルギーの一部を過給機に利用し，給気圧を素早く上昇させることでエンジンの負荷追従性を向上させることができる．本シミュレーションモデルを用いて THSを含むエンジンシステムの負荷変動時の動的な変化をシミュ
レーションすることで，実証試験前段階のシミュレーション
による動的な挙動の予測が可能となり，中速リーンバーンガ
スエンジン用 THS の実証試験に用いる機器仕様に反映した．

図 2 空燃比−平均有効圧力と異常燃焼の関係
Air-Fuel Ratio, Brake Mean Effective Pressure
and Abnormal Combustion of Lean Burn Gas Engine

2.

エンジンシステムのモデル化

2.1

シミュレーションモデルの概要

本報で述べるガスエンジンのシミュレーションモデル
は，当社のリーンバーンガスエンジン MD-G シリーズのう13三井造船技報 No. 213（2014-10）
表1

技術論文・報告リーンバーンガスエンジン 6MD36G の主要目
Specifications of 6MD36G Engine
出力

シリンダ

2 800 kW
配列

直列

数

6

径

360 mm表2

エンジンシステムモデルのモジュールと階層構造
Construction of Function Modules
上位層

大気状態計算ストローク

480 mm

回転数

600 min下位層
水蒸気量計算大気パラメータ計算
バイパスバルブ制御部

制御装置

燃料流量制御部THS 制御部−1

インター
クーラ（I/C）
給気管コンプレッサ出口・I/C 入口
高温 I/C
低温 I/C
給気室・給気管
給排気容積・行程容積

シリンダ

重量流量計算平均有効圧・燃焼・冷却
排気パラメータ計算

クランク軸

回転速度計算クランク軸角度計算

排気管
過給機ロータ
過給機

コンプレッサ
タービン

発電機

図 3 エンジンシステムモデルの概要
Schematic Diagram of Engine Simulator

ち 6MD36G をベースとして開発したものである．表 1 に
6MD36G の主要目を示す．このエンジンに，THS による油圧系のエネルギー移動を加えたシステム全体をモデル化した．図 3 に作成したエンジンシステムモデルの概要を示す．過給機（タービン，コンプレッサ），給排気系，シリンダ，クランク軸，発電機などの主要な要素機器，給気圧力と燃料ガス噴射量の制御を行うための制御装置という基本構
成に加え，油圧ポンプ，油圧モータなどで構成される油圧機器（THS）を加えたモデルとした．モデルは 1.1 で述べた
MATLAB/Simulink を用いて作成した．

数など，給気する気体の特性を計算した．
（2）制御装置
実際のエンジンでは，給気圧力の他にも各部の温度，圧力，
燃焼状態などをモニタリングしており，制御項目も燃料ガス
流量，パイロット燃料の噴射量とタイミングをはじめ，複雑な制御を行っている．本報ではモデルの簡略化のため，センシング対象を給気圧力のみとし，制御対象を給気圧力と燃料ガス流量とした．エンジンの設定出力に対応した目標給気圧力を定め，給気バイパス弁操作による圧力制御と実給気圧力に合わせた燃料流量の制御を簡単な PID 制御にて行った．
さらに，THS 稼働時には動力の回収量と加勢量の制御も行っ
た．
（3）インタークーラ，給気管及び排気管
内部を流れる気体は理想気体として扱った．流入・流出す

2.2 モデルを構成するモジュールの構造と機能
エンジンシステムを構成する機能要素はモジュールとして機能ごとに独立した形で作成し，視覚的に構造の判別を容易にするとともに，同様の機能を持つ部分にモジュールを複製る気体の重量流量と比エンタルピから，管内の気体の圧力と温度を計算した．外部との熱交換の発生を考慮したモデルとするため，インタークーラと給気管のモデルは大きく四つのブロックに分けて作成し，配管への熱損失やインタークーラ
内でのジャケット水とクーラ水による冷却を計算した．
（4）シリンダ及びクランク軸シリンダでは，給気空気量と燃料流量から，排気ガス量，して利用できるようにした．表 2 に各モジュールの階層構造を示す．上位層は大きくエンジンを構成する機器ごとに分け，下位層は更に分割した機器，又は機器の機能ごとに分けている．
（1）大気状態の計算
大気の状態（温度，圧力，相対湿度）を入力し，その値か
ら単位体積当たりの大気に含まれる水蒸気量，比熱，気体定

排気ガス温度，クランク軸出力などを計算した．給気空気量
は，シリンダ容量，給気圧力及び排気圧力の関数とした．メ
タンスリップ分を除いた燃料ガスは全て完全燃焼するものとし，燃焼後のシリンダ内の排気ガスは全て掃気され，残存はないものとした．燃焼による混合ガスの物性値の変化も計算しており，排気管以降の過程で用いる排気ガスの比熱等を再計算し，排気ガスの温度と圧力の導出や次項に示した過給機

14

THS による過給機アシスト機能を有する中速リーンバーンガスエンジンの動特性予測シミュレーション
モジュールにおけるタービンでの回収エネルギーの計算に用いた．
主軸回転数は，クランク軸出力と発電機による負荷トルクから求めた．THS 稼働時には，更に THS によるエネルギー
収支を加えた計算を行った．
（5）過給機
過給機モジュールは，タービン，コンプレッサ及び過給機
ロータの 3 要素で構成されている．タービンは臨界ノズルとして扱い，気体流量を計算した．排気ガスから回収するエネ
ルギーは，タービン通過前後の断熱変化により損失するエネ
ルギー，タービン翼とガスの速度比から簡易的に導出する回収効率及びタービンの回転数を用いて求めた．コンプレッサのモデルには，実エンジンで使用している過給機のコンプ
レッサマップを参照用データ（Lookup Table）として組み込んだ．コンプレッサの体積流量と効率はこのデータを用いて求めた．タービンでの回収エネルギーとコンプレッサでの消費エネルギーから過給機回転軸のエネルギー収支を求め，タービン / コンプレッサ（以下，T/C と称す）軸の回転数を求めた．THS 稼働時には，更に THS によるエネルギー収支を加えた．
（6）発電機
クランク軸に直結された発電機での発電電力は，負荷トルク，クランク軸回転数及び発電機効率から計算した．
（7）THS
制御器からの信号によって，T/C 軸からクランク軸への加勢，又はクランク軸から T/C 軸への加勢を行った．

3.

ネルギー回収量の関係をシミュレーションにより計算した．
図 4 に，この結果を示す．計算では，本来給気圧力を制御する給気バイパス弁を全閉状態にし，THS によるエネルギー
回収によって T/C 軸の回転数を抑え，給気圧力を制御させた．これより，各出力時の概略の回収エネルギーを見積もることができ，このデータを THS の仕様検討に用い，THS と過給機の連結部に必要な強度の見積もりを行った．
3.3 THS を含んだシステムの動特性予測
エンジンの出力を変化させるときの挙動の予測として，低出力での定常運転状態から出力を上昇させる場合のシミュ
レーションを行った．図 5 及び図 6 に，
この結果を示す．シミュ
レーションでは，エンジン出力 25% の定出力運転状態から出力を上昇させ，出力 100% の定常運転に至るまでを計算した．
THS による T/C 軸加勢を行わない場合には，エンジン出力が 40% 以下の低出力運転時で，T/C 軸の回転数と給気圧力の上昇が非常に遅い．コンプレッサによる給気圧力の維持と上昇に使われるエネルギーは，タービンで回収される排気ガスのエネルギーのみである．しかし，低出力運転時では排気ガスの圧力の低さや流量の少なさ，コンプレッサとタービ
ンの効率の低さから，回収できるエネルギー量が少なく，その大部分は給気圧力の維持に使用され，圧力上昇のために使用できるエネルギーが不足していると考えられる．エンジン
出力の上昇と共に排気ガスの圧力上昇と流量増加が進み，エンジン出力が 50% を上回る辺りから余剰エネルギーが増加
し，給気圧力も素早く上昇している．
負荷上昇時に燃料供給量を最大 5% 増加させた場合には，シミュレーション結果

3.1 定常運転時のシミュレーション結果
ガスエンジンを一定出力で運転させたときの結果について，当社玉野事業所の実証試験機 6MD36G の運転で得られた計測値と作成したシミュレーションモデルの計算値の比
較を表 3 に示す．エンジン出力の設定値は 100%，75% 及び 50% の 3 パターンとし，各出力で定常状態の値を記録した．いずれの場合においても，計測値に対する計算値の差は±10% 以下であり，静特性は良く一致していると言える．
3.2 THS による回収エネルギーの見積もり
THS による排気ガスからのエネルギー回収がどの程度可能なのかを見積もるために，エンジン出力と THS によるエ

表3連続最大出力図 4 エンジン出力と THS 回収エネルギーの関係
Engine Power and Energy Recovery of THS

一定出力運転時の実機運転結果とシミュレーション結果の比較
Simulation Results and Test Operation Data
100％

75％

50％

実機

計算

実機

計算

実機

計算

主機出力（kW）

2 760

2 764

2 070

2 132

1 380

1 373

主機回転数（min − 1）

600

600

600

600

600

600

過給機回転数（＊）

100

98.5

87.3

88.8

66.0

72.0

タービン入口温度（＊＊）

−

−3.6

−

−0.7

−

＋22.7

タービン出口温度（＊＊）

−

−21.7

−

−22.8

−

＋0.9

（ ）実機の出力 100％時の値を 100 とした時の値である．
（＊＊）タービンの入口と出口の温度範囲は，
入口で 500 〜 600℃前後，出口で 300 〜 500℃前後であり，本表には実機温度との差（℃）を示す．
＊

15

三井造船技報 No. 213（2014-10）

技術論文・報告

図 5 エンジン出力の時間変化
Simulation Results of Engine Power

図 6 排気ガスのタービン入口温度の時間変化
Simulation Results of Exhaust Gas Temperature at Turbine Inlet

全体的に所要時間は短くなっているが，燃料を増加したために排気ガスの温度が大きく上昇していることが分かる．あまり急激な温度上昇や最高温度の上昇は，ピストン，シリンダ
ライナなどの燃焼室部品に損傷を与える恐れがあり，空燃比
が小さくなり過ぎるとノッキング等の発生が懸念される．
THS を利用して主軸から T/C 軸へ加勢を行った場合には，
THS による加勢がない場合に比べて，100% に到達するまでの時間，特に低出力時の出力上昇に要する時間が大きく短縮できていることが確認できた．なお，T/C 軸への加勢エネル
ギー量は，そのときのエンジン主軸出力の最大 5% とした．
これより，
THS を介してエンジン出力の 5% 程度のエネルギーを加勢することで，十分な給気圧力の上昇効果が得られ，エンジン出力応答の改善が期待できることが分かった．

4.

おわりに

本報では，燃費改善効果と負荷追従性の向上を目的とした THS 付き中速リーンバーンガスエンジンを対象とし，MATLAB/Simulink による数値計算シミュレーションを報告した．本シミュレータを用いた計算から，実証試験前段
階の THS を含むガスエンジンシステムの挙動予測が可能となった．この予測結果から，THS による T/C 軸への加勢がエンジンの負荷追従性の改善に有効であることが示され，エンジンシステムの設計にも寄与することができた．
今後は実証試験結果を用いて，シミュレータによる予測の評価を行い，計測結果との乖離について検討し，より精度の高いシミュレータの開発を進める所在である．
16

なお，本研究は，独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）の助成事業による補助を受けて実施したものである．

参

考

文

献

1）近藤．外：高効率大型ガスエンジンを開発，三井造船
技報，191（2007-6），p. 192）大田．外：舶用低速ディーゼルエンジン用油圧式排熱回収システム（THS）の開発（第 1 報）−構成と基本性
能−，三井造船技報，205（2012-3），p. 13）辻．外：舶用低速ディーゼルエンジンのシミュレーショ
ン技術の開発，三井造船技報，204（2011-10），p.13〔問い合わせ先〕
技術開発本部 玉野技術開発センター
TEL 0863−23−3021 梶谷 哲平

梶谷

哲平

坂入

信之

辻

康之

岡

俊郎

技術論文・報告

三井造船技報 No. 213（2014-10）

太陽熱発電システム（第 2 報）−蓄熱材の性能評価試験と蓄熱装置の設計手法−
友

保

純

直＊

須

山

達

夫＊＊ 佐

藤

康

光＊＊＊ 筒井伸

幸＊Concentrated Solar Power（CSP）System（Report #2）− Performance Test of Thermal Storage Material and
Designing Method for Thermal Storage Facility −Yoshitada TOMOYASU, Tatsuo SUYAMA, Yasumitsu SATO, Nobuyuki TSUTSUI   Solar power is an extremely important renewable energy, while it requires highly efficient thermal storage systemthat stores heat during fine weather and produces stable electricity on demand during cloudy weather and nighttime for its practical use. Solid thermal storage technology using high temperature air as a heat medium is one of thepromising candidates for the thermal storage technology, which is being developed world wide.
   Mitsui Engineering & Shipbuilding Co., Ltd.（MES）currently works on the research and development of this solid
thermal storage system. We carried out the CFD simulations to investigate the thermal storage characteristics onvarious heat storage materials. They were confirmed with a large sized thermal storage testing facility, which wasconstructed based on the CFD results. As a result of the tests, MES clarified its concept on selecting suitable material
for CSP thermal storage, developed a method to calculate the performance of the material, and confirmed that it
accords well with the test result. Furthermore, MES made a provisional design of the commercial scale thermal
storage plant using the developed method and proved the feasibility of the solid thermal storage system for CSP.
太陽エネルギーは再生可能エネルギーとして極めて重要なエネルギーであるが，天候不良時や夜間などの時間帯でも，安定なエネルギー源として利用するためには，好天時の太陽熱を蓄熱して，必要に応じて，安定な電力として取り出せる
高効率な蓄熱システム技術が必要である．この蓄熱技術の一つに，高温空気を熱輸送媒体とする固体蓄熱技術があり，世界的にその開発が進められている．
現在，三井造船では，この固体蓄熱システムの研究開発に取り組んでおり，各種の蓄熱材について CFD（Computational
Fluid Dynamics）解析を行い，その結果に基づいて大型試験設備を建設して蓄熱試験を行った．この結果に基づいて，太陽熱蓄熱に適合した蓄熱材選定の考え方を明らかにするとともに，選定した蓄熱材の蓄熱特性を計算するための計算手法を開発し，試験結果と良く一致することを確認した．また，この計算手法を用いて実用規模の蓄熱装置の試設計を行い，太陽熱発電施設において固体蓄熱装置の実現が可能であることを確認した．

図 1 タワー型 CSP の概念図
CSP Conceptual View＊＊＊

エンジニアリング事業本部 玉野エンジニアリングセンター
技術開発本部 基盤技術センター

図 2 固体蓄熱装置付き CSP のフロー
CSP Conceptual Flow with Thermal Storage＊＊＊

エンジニアリング事業本部

企画管理部

17

三井造船技報 No. 213（2014-10）

1.

技術論文・報告

はじめに再生可能エネルギーの一つである太陽エネルギーの有効利用について，現在，世界的な規模で盛んに研究開発が進められている．
米国やスペインなどでは，他の再生可能エネルギーに比べて，発電の安定性に優れると言われている太陽熱発電（Concentrated Solar Power：CSP）の導入が進んでいる 1）．
三井造船では 2007 年以降，タワー型 CSP 技術の開発を進
めてきており，ヘリオスタットを用いた集光試験で太陽光の熱変換評価技術を取得した 2）．
しかし，CSP は出力が天候に支配されやすく，また，夜間のエネルギー供給が途絶えるという課題がある．この課題を解決するために，好天時に入射した熱エネルギーを蓄熱し，天候急変時の出力の安定化を図るとともに，夜間も発電することが可能となる蓄熱技術の開発が進められている．この蓄熱技術には，熱輸送媒体として溶融塩を用いた溶融塩蓄熱と，空気を用いた固体蓄熱の二つの大きな流れがある．前者では，
250 MW クラスの蓄熱付発電設備が実用化されて稼働中である 3）．しかし，溶融塩は常温では固化する性質があり，CSPのように環境条件が常時変化する場合には取り扱いが難し
い．一方，空気を熱輸送媒体とするシステムはタワー型 CSP
での採用が計画されているが，現段階では実証プラントが運転されているものの，本格的な実用プラントは未だ稼動していない 4）．
当社は，空気を熱輸送媒体とする固体蓄熱システムの研究開発を行い，実用プラント規模の蓄熱設備の設計に必要な手法を開発した．具体的には，2012 年に蓄熱性能把握のため，CFD（Computational Fluid Dynamics）解析の結果を基に試験装置を建設し，2 種類の蓄熱材のチェッカーブリック（以下，ブリックと称す）とセラミックハニカム（以下，ハニカ
ムと称す）について蓄熱試験を行った．また，その試験条件に合わせた CFD 解析や理論計算を行い，それぞれの結果が一致することを確認した．ここで得られた設計ツールを用いて，5 MW クラスの発電設備を 6 時間稼動するために必要な蓄熱設備の試設計を行い，コンパクトで実現可能であることを確認した．

2. 空気を熱輸送媒体とする CSP の蓄熱システムの概念③熱回収ボイラや蓄熱装置内で熱を放出した空気は低温空気となり，一部はレシーバに再循環され，再加熱される．
④レシーバからの高温空気量が不足して所定の蒸気量を確保できないとき，あるいは夜間など高温空気が得られないときには，熱回収ボイラ出口の低温空気は蓄熱装置の低温側に導かれる．そして蓄熱装置内の高温蓄熱材によって再加熱され高温空気となって熱回収ボイラに導かれる．これを放熱運転と呼ぶ．
なお，実際のプラントでは蓄熱運転と放熱運転が共存する状況もあり得る．
2.2 蓄熱装置の設計に関る基本的なプロセス条件
蓄熱運転時の蓄熱媒体を充填した容器（以下，蓄熱槽と称す）の入口空気温度は，常に一定値に制御される．この制御は，時々刻々変化するレシーバ入熱に応じて空気流量を調整することによって行われる．この温度は基本的には熱回収ボ
イラで高温蒸気を発生するために必要な値に設定されるが，レシーバにおける放熱損失の低減やレシーバ材質の保護の観点から極力低い温度であることが望ましい．
一方，放熱運転では，必要電力負荷に応じて熱回収ボイラを通過する空気流量が制御される．すなわち，蓄熱装置の運転状態は，そのときのレシーバ入熱や必要負荷に応じて蓄熱
運転や放熱運転に切り替わる．
蓄熱運転では，蓄熱槽出口空気温度は運転時間の経過とともに上昇する．この空気はレシーバに再循環されるため，レシーバ入口温度の許容上限温度以下でなければならない．
また，放熱運転では，蓄熱槽出口空気温度は時間の経過とともに下降するが，この温度はボイラの蒸気温度を確保するために必要な温度以上でなければならない．すなわち，蓄熱運転と放熱運転の両者で蓄熱槽出口温度の許容変化幅が規定される．
さらに，蓄熱槽中の蓄熱媒体（以下，蓄熱層と称す）の容量を決定するための要因として蓄熱時間と放熱時間がある．蓄熱時間は一日の日照時間に応じて決まる値であり，放熱時間は
太陽光入射のない間の放熱運転が可能な時間として決まる値
である．
また，蓄熱装置では運転動力低減のために，圧力損失を極力低く抑える必要がある．
以上のことより，蓄熱装置の設計に関る基本的なプロセス
条件は，蓄熱運転及び放熱運転のそれぞれにおける空気流量，
蓄熱槽入口及び出口空気温度と，槽出口温度変化の許容幅及2.1 蓄熱システムにおける空気の流れ
当社では，空気を熱輸送媒体とする蓄熱装置付タワー型
CSP の開発を目指している．この基本概念の全体構成を図 1に，また全体フローの概念図を図 2 に示す．
この蓄熱装置を備えた CSP 発電システムの運転プロセスを，図 3 及び以下の①〜④に示す．
①ヘリオスタットで集光された太陽エネルギーはレシーバ受
熱面で熱エネルギーに変換されて，レシーバに供給される
低温空気を加熱し，高温空気として取り出される．
②高温空気は，熱回収ボイラと蓄熱装置に導かれ，一部は熱回収ボイラで高温高圧の蒸気の発生に使われ，残りは蓄熱装置の蓄熱に使われる．これを蓄熱運転と呼ぶ．
18

蓄熱装置

図 3 蓄熱運転及び放熱運転フローの概念図
Air Flow Concept of Charging and Discharging Process

太陽熱発電システム（第 2 報） −蓄熱材の性能評価試験と蓄熱装置の設計手法−
び最大許容圧力損失などによって決まる．これらの条件のうち，温度に関する代表的な設計条件を図 4 に示す．
2.3 蓄熱装置の性能に関する影響因子
実際の蓄熱装置の設計においては，2.2 に記載の諸条件を満足することは必須であるが，この他に，性能に関する影響因子として，蓄熱材の蓄熱特性の把握が必要である．また，実用プラント設計において蓄熱材を評価する際に重要な因子
は，蓄熱材のコスト，蓄熱材によって決まる蓄熱層の容積や重量，蓄熱材の熱的安定性，据付工事等における取り扱いの容易さなどが上げられる．すなわち，蓄熱装置の総コストと寿命が評価の対象となる．

3.

蓄熱材の性能評価試験装置

3.1 蓄熱試験の目的
性能評価試験は各種の蓄熱材の特性を把握し，蓄熱装置の設計手法を確立すること，適切な蓄熱材を選定すること，蓄熱設備の運転や設備のコストに与える影響を把握することなどを目的として実施した．
3.2

蓄熱材の選定CSP 用固体蓄熱材として用いられる材料は砂利等の天然物，各種レンガ類，セラミックボール類，ハニカム類，セラ
ミック充填物，金属片充填物など多岐にわたるが，参考文献 5）なども調査した上で，蓄熱材として使用実績のあるブリックとハニカム（写真 1）の 2 種類の蓄熱材を選び，性能確認試

績に裏付けられた蓄熱材であり，ハニカムは RTO（Regenerative Thermal Oxidizer）用蓄熱材として多く用いられているものである．
3.3 試験装置及び試験条件
蓄熱試験は，図 4 に示す CSP 実用プラントの蓄熱装置の温度条件に近い条件で行うため，写真 2 の試験装置を使って実施した．このための蓄熱槽の大きさ等は，実用プラントに近い結果を得るという観点から決めた．
蓄熱材としてブリックやハニカムを用いた場合に，所定の温度条件を実現するために必要な試験装置の設備規模，
蓄熱・放熱時の空気流量，試験時間などを CFD 解析で予測した．
ここで採用した CFD 解析手法については 5.1 で述べる．
試験装置の全体フローを図 5 に示す．蓄熱運転時の高温
空気は，灯油を燃料とする熱風発生炉によって 650℃の温度まで昇温した高温流体で代替した．また，放熱運転時の低温
流体は，常温に近い外気空気を用いた．
蓄熱層内流体の偏流を抑えるために，蓄熱運転時の高温流
体は蓄熱槽上部から下部に向かって流れ，放熱運転時の低温
流体は，蓄熱槽下部から上部に向かって流れるように配置し，更に蓄熱層の入口部と出口部に偏流防止用の抵抗体を設置した．本試験で実施したブリックとハニカムに関する試験条件
を表 1 に示す．蓄熱・放熱運転時の空塔速度は原則として験を実施した．
ここで選んだブリックは製鉄高炉熱風炉用として多くの実図 4 蓄熱槽周りの空気温度設計条件
Air Temperature Condition around Thermal Storage（a）チェッカーブリック

写真 2 蓄熱試験装置の外観
Thermal Storage Test Facility（b）セラミックハニカム

写真 1 蓄熱材の外観
Thermal Storage Materials used for the Tests

図 5 蓄熱試験装置フロー
Schematic Flow of Test Facility

19技術論文・報告

三井造船技報 No. 213（2014-10）
表 1 試験条件
Test Conditions
項目
空気空塔速度（Nm/s）

ブリック

ハニカム

0.16

0.18

蓄熱時入口（℃）

650

650

蓄熱時出口（℃）

150 以下150 以下放熱時入口（℃）

常温

常温

放熱時出口（℃）

570 以上570 以上（℃）

空気温度

図 7 運転モードによる空気温度とブリック温度の変化の詳細
Detail of Air and Solid Temperature under Charge and Discharge（Nm3／h）（℃）（h）

ターンがほぼ等しくなった時点で静定したとみなした．
図 6 の⑪サイクル目の流体温度とブリック温度の時間変化に注目し拡大したものを図 7 に示す．ブリックでは伝熱特性上，流体と固体温度の温度差が大きくなり，その結果と（h）

して，蓄熱槽入口及び出口における流体温度の最大温度差
が 150 〜 200℃程度にもなっている．詳細は 4.4 で述べるが，同一とした．
空気流量の計測はサーマル式流量計を用いた．また，空気

この温度差が大きいということは，レシーバや熱回収ボイラを対象とする蓄熱材としては極めて不適切である．
4.3 ハニカムの試験結果
ハニカムの試験結果を図 8 に示す．ハニカムでは 3 回の蓄熱・放熱の繰り返しで，ほぼ静定状態に達したとみなして試温度及び固体温度の測定は熱電対を用いた．
その測定位置は，
蓄熱層入口部，出口部及び中間部とし，各断面において断面
中央部と蓄熱層壁面近傍の位置とした．

験を終了した．静定状態に達するまでの繰り返し回数の違い
は，ブリックとハニカムの蓄熱特性の違いによるものである．
また，図 8 から明らかなように，ハニカムの場合，流体温

図 6 ブリック試験時の空気温度と空気流量の変化
Temperature Change of Checker Brick during Test

4.1 試験方法
表 1 に示す条件を目標条件として設定した．蓄熱・放熱の繰り返し時の温度変化のパターンがほぼ同一パターンを示すようになった時点を静定状態とみなして，各条件における試験を終了した．結果的に，蓄熱・放熱時の蓄熱層出口は表 1の条件を越えることとなったが，これは成り行きとした．

度と固体温度の差が非常に小さいということが特徴であり，これが両者の蓄熱特性の違いをもたらす原因の一つである．
図 8 において，蓄熱時と放熱時で温度変化のパタ−ンが中央断面位置と周辺位置（壁に近い位置）で異なる．これは蓄熱層断面を通過する流体の偏流の発生状況が，蓄熱時と放熱時では異なることが原因であると推定している．
図 8（b）の最下段面部の温度は蓄熱運転時の蓄熱層出口流体温度の変化を示しているが，目標温度 150℃を大幅に超え

4.2 ブリックの試験結果
ブリック試験の測定結果の一例を図 6 に示す．図中の丸付
き数値は蓄熱と放熱の繰り返しサイクル番号を示している．
蓄熱層最上部空気温度は，蓄熱運転時には蓄熱空気の入口
温度を，放熱運転時には放熱空気の出口温度を示す．蓄熱層て，さらに第 2 回目，第 3 回目と徐々に高くなっている．これは，所定の空気流量に対して蓄熱時間が若干長過ぎたことによる．蓄熱時間の調整によって，目標温度以内に保持することは可能である．
図 9 に蓄熱層内各高さ位置における放熱開始から放熱終最下部空気温度はこれの逆となる．
初回の蓄熱運転では蓄熱体の温度が常温であるため，この熱容量分の昇温のために蓄熱時間が長くなっているが，回を重ねるにつれて蓄熱時間が短くなり，蓄熱時間と放熱時間の長さが近づいている．
蓄熱時の入口空気温度を一定としても，蓄熱層中間部及び最下部空気温度は運転サイクルの繰り返しによって徐々に上昇し，最終的には一定値に静定している．
10 サイクル程度繰り返し後，蓄熱・放熱の時間と温度パ了の間のハニカム温度変化の測定値を示す．比較のためにブリックの場合について，放熱開始から放熱終了の間の固体温度の変化を図 9 に併せて示す．ブリックでは同一高さにおける温度の変化幅は小さいのに比べて，ハニカムでは温度変化の幅が大きく，多くの部分で蓄熱・放熱の入口温度の全温度範囲で変化している．蓄熱量はこの温度差と蓄熱材の熱容量の積によって決まるが，温度変化幅が大きいことは少量の蓄熱材で多くの熱を蓄熱することができることを意味している．

4.

20

試験方法と試験結果及び考察

蓄熱層最下部からの高さ（m）

温度

蓄熱層最下部からの高さ（m）（℃），流量（Nm3／h）

太陽熱発電システム（第 2 報） −蓄熱材の性能評価試験と蓄熱装置の設計手法−（h）（a）蓄熱層最上部（℃）（℃）（℃），流量（Nm3／h）（a）ハニカム（b）ブリック

温度（Nm3／h）（kPa）

図 9 放熱開始時から終了時までの固体温度の変化
Solid Temperature Distribution at Start-up and Stop（h）（b）蓄熱層最下部
図 8 ハニカム試験時の空気及び固体温度と空気流量の変化
Temperature Change of Honeycomb Ceramics during Test

また，本試験で得たハニカム層の圧力損失の測定結果を
図 10 に示す．蓄熱層内空気温度分布が時間とともに変化す
るため，空気流量は一定でも圧力損失は変化する．
4.4 ブリックとハニカムの蓄熱特性の評価
ハニカムでは固体温度と流体温度の温度差が非常に小さいのに対し，ブリックでは図 7 に示したようにこの差が大きい．
放熱終了時の熱回収ボイラ入口流体温度を所定の温度以上に保持するという蓄熱装置の必須条件を満たすためには，ブリックではハニカムに比べて，蓄熱時の入口流体温度を大幅に高く設定する必要がある．例えば図 7 の例では，蓄熱時の蓄熱層入口流体温度の最高値と放熱時の蓄熱層出口の流体
温度の最低値の差は 200℃程度もあるため，その差だけ蓄熱層入口の蓄熱流体温度を高くしなければならない．
これは，レシーバの運転温度をそれだけ高温側に設定する必要があることを意味している．その結果，レシーバの受熱
面温度が高くなり，放熱損失を大幅に増加させ，更にレシーバを構成する材料はより高い耐熱性が要求される．
以上のことから，本試験に用いたハニカムはブリックに比べて蓄熱特性が大幅に優れていると言える．

5.

蓄熱材の蓄熱性能の計算方法

5.1 CFD による計算法
蓄熱試験装置の計画にあたって，蓄熱層の必要な大きさ，圧力損失などを決めるために，先ずブリックやハニカムの蓄（h）

図 10 ハニカム蓄熱層の圧力損失の変化
Pressure Difference Change of Honeycomb Layer during Test

熱特性について CFD 解析を行った．
解析では , 内部流路を流れる空気の対流と熱対流，熱伝導及び固体領域の熱伝導を考慮した．作動流体の密度は理想気
体の状態方程式に従うとし，CFD 解析は汎用熱流動解析コードとして FLUENT を用いて非定常解析を行った．
5.2 蓄熱理論式の近似解による計算法
CSP 用蓄熱装置の基本設計を行う際には，最適化の検討
や，日照時間や入熱変動などの運転条件を考慮した検討のために，短時間に多くのケーススタディーを行う必要がある．
しかし，CFD 解析では計算時間等の制約があることから，
伝熱理論に基づいた計算手法を導き出した．なお，4.4 の蓄熱特性の評価結果より，解析の対象はハニカムのみとした．
ハニカムの計算モデルとして図 11 に示す微小区間について式（1）の非定常伝熱の基礎式を考える．蓄熱槽内の空気の熱容量は，ハニカムに比べて十分小さいので無視する．
ハニカムの壁厚さ L は，考慮する蓄熱時間に対して十分に薄いため厚さ方向の温度は均一であるとする．なお，多くの文献によれば，ビオー数（Bi ＝αL/λ）が 0.1 以下であれば計算誤差は 5% 以下であり，試験に用いたハニカムのビ
オー数は 0.09 前後であるため，本仮定は妥当と考えられる．
21

（m）

技術論文・報告（m）

三井造船技報 No. 213（2014-10）

図 11 ハニカムの蓄熱計算モデル
Calculation Model for Thermal Storage on Honeycomb

Cps・ρs・

（℃）

∂ts
F
∂2t
＝λ・ 2s −α・ Vs ・（ts−ta）……（ 1 ）
∂h
∂x
s

（℃）

（a）1 時間蓄熱後（b）2 時間蓄熱後

Cps・ρs・Vs・（m）間の熱移動を考慮した計算項であるが，ハニカムでは λ はα･Fs/Vs に比べて十分に小さい（＜ 1/1000）ため，この項を無視すると式（2）となる．

（m）

式（1）の右辺第 1 項はハニカム長手方向の隣り合うΔx 区∂ts＝α・Fs・（ta−ts）……………（ 2 ）∂h

さらに，
Δx 区間の空気側の熱バランスから式（3）が得られる．

Cpa・Ga・∂ta（ta−ts） ……………（ 3 ）＝−α・Fs・∂x（℃）（c）3 時間蓄熱後ここに， Cps ：ハニカム比熱（J/gK），（℃）（d）4 時間蓄熱後ハニカム層の空気及び固体の温度分布に関する試験値，CFD 解析値及び理論計算値の比較
Comparison between Experimental Data, CFD Data
and Calculation Data on Honeycomb Layer Temperature
図 12

ρs ：ハニカム密度（g/m3），
Vs ：ハニカム体積（m3/m），
α：熱伝達率（W/m2K），
Fs ：ハニカム伝熱面積（m2/m），
x ：ハニカム高さ（m），
h ：経過時間（s），
ta ：空気温度（K），
ts ：ハニカム温度（K），
λ ：ハニカム熱伝導率（W/mK），
Cpa：空気比熱（J/gK），
Ga：空気流量（g/s）

値（以下，理論計算値と称す）を比較した一例を図 12 に示す．
このうち周辺部の空気温度については，場所の異なる 2 点について測定を行なった．
図から明らかなように，空気温度と固体温度の差はほとん
ど無く，CFD 解析値と理論計算値は，若干の傾向の違いはあるが，いずれも試験値と良い相関を示している．
また，図 10 に示した圧力損失についても，同じ条件で求式（2）及び式（3）の連立微分方程式に差分法を適用することにより，微小区間 Δx 及び微小時間 Δh 経過後の Δt a とめた圧力損失の理論計算結果を図 13 に示す．図 10 と図 13を比較してみると，圧力損失についても試験値と計算値はよく一致している．
以上より，5.2 で導いた計算方法は妥当な結果を与えるとである．

Δ ts の値を求めることができる．

本計算式中の熱伝達率及び圧力損失は，蓄熱層内の空気流れが十分に発達した層流であるとして求めた．
この方法によれば，入射熱量が時間に従って変化する場合の Δ h 経過後の空気流量の変化や ､ 空気や固体の温度変化
時の物性値の変化も考慮することができる．

6. 試験結果と計算結果の比較による計算方法の検証
ハニカムについて，蓄熱層高さ方向の流体と固体温度分布に関する試験値と CFD 解析値及び伝熱理論に基づいた計算
22

言える．したがって，本計算方法を用いて実機プラント用蓄熱層の設計が可能であると判断した．

7.

実用規模の CSP 用蓄熱装置の試設計5.2 で求めた理論計算手法を用いて，発電出力 5 MW で 6
時間連続運転を可能とするための蓄熱装置を試設計した．
発電出力を 5 MW 一定とするための熱回収ボイラの入口
空気の温度条件は図 4 に示す値とした．このときの必要空気流量は，ボイラや蒸気タービン発電機の設計条件によって変わってくるが，ここでは放熱運転時の運転時間は 6 時間と

（m）

（m）

（kPa）

太陽熱発電システム（第 2 報） −蓄熱材の性能評価試験と蓄熱装置の設計手法−（h）

図 13 ハニカム蓄熱層の圧力損失に関する理論計算結果
Calculation Results on Pressure Drop in Honeycomb Layer

し，必要空気流量を 140 000 kg/h とした．
蓄熱運転時には，実際の設備では地域，季節，時刻，天候などによって，日照時間や DNI（Direct Normal Irradiation）が変化するため，蓄熱装置入口の空気流量は時々刻々変化す

（℃）

（℃）

（a）蓄熱運転時（b）加熱運転時

図 14 試設計によるハニカム蓄熱装置の蓄熱層内温度分布の変化
Temperature Distribution Change in the Honeycomb Layerof Provisional Design Plant

る．5.2 の計算法では，この変化の状況を入力することによって蓄熱状況を把握することが可能である．
ここでは簡略化のために，蓄熱時間もほぼ 6 時間とし，空気流量は放熱時の空気流量と同じ 140 000 kg/h で一定として必要蓄熱層サイズを求めた．
実際のプラントでは蓄熱時の空気流量の変化に対応しやす
くすること，装置の圧力損失をできるだけ小さくすることなどを考慮して，蓄熱槽を 4 槽に分割し，1 槽当たりの空気流
量を 70 000 kg/h，蓄熱・放熱の各時間を 3 時間とした．また，各蓄熱層の許容圧力損失を 2 kPa 以下という条件で計算した．
この条件で求めた蓄熱槽の外寸法の大きさは 9 mW ×
9 mD × 9 mH × 4 槽で，ハニカムの必要容積は約 400 m3 × 4
槽＝1 600 m3 となり，コンパクトな蓄熱装置で対応可能であることが分かった．
蓄熱・放熱の静定時の蓄熱層内温度分布の時刻変化を
図 14 に示す．同図ではハニカム温度及び空気温度を表示しているが，その温度差は小さく，図では読み取れない程度の
差である．

8.

おわりに

太陽エネルギーから安定した電力を得るためには，蓄熱技術の確立が必須である．そのために実機性能に近いデータが得られる試験装置を建設し，2 種類の蓄熱材について蓄熱特性を把握するための試験を行った．その結果に基づいて，実用規模のプラントに必要な蓄熱装置を設計する手法を確立することができた．
本報の検討では，太陽エネルギーを蓄熱するための熱輸送
媒体は空気とした．これを可能にするための高性能の空気レ
シーバの技術については，既に確立済みの蒸気レシーバ技
術 2）を基に検討を進めている．さらに，今後，本空気システ
ムに蒸気発電システムを組み合わせた CSP プラントの全体システムについても種々検討が必要となるが，当社のエンジ
ニアリング技術で対応可能である．今後，蓄熱システムを含む全体システムの構築，構成装置の低コスト化などに取り組
み，CSP 技術の実用化・普及に貢献していきたい．

参

考

文

献

1）J. Forrester：The Value of CSP with Thermal Energy
Storage in Providing Grid Stability, Proc. of the
SolarPACES 2013 International Conference, 49,（2014）,
p. 16322）安藤．外：太陽熱発電システム（第 1 報）−集熱レシーバーの性能実証試験−，三井造船技報，206（2012-7），p. 73）National Renewable Energy Laboratory：
http://www.nrel.gov/csp/solarpaces/project_detail.
cfm/projectID=23
4）S . Z u n f t , e t a l .：J ü r i c h S o l a r P o w e r T o w e r Experimental Evaluation of the Storage Subsystem
and Performance Calculations, Journal of Solar
Energy Engineering, 133（2011-8）, p. 1049
5）S.Zunft, et al.：A Design Study for Regeneratortype Heat Storage in Solar Tower Plants-Results andConclusions of the HOTSPOT Project, Proc. of the
SolarPACES 2013 International Conference, 49,（2014）,p. 1088〔問い合わせ先〕
エンジニアリング事業本部 企画管理部
TEL 043−351−9020 塚田 純

友保

純直

須山

達夫

佐藤

康光

筒井

伸幸

23

製 品 ・ 技 術 ニ ュ ー ス

高性能地中レーダシステムによる平城宮跡東方官衙地区の遺跡調査−千三百年前の歴史的構造物遺構を最新テクノロジーで探知−

写真 2

東方官衙地区の全景と遺跡調査状況初の事例である．
写真 1

遺跡計測に使用したレーダと準備状況調査フィールドと結果

株式会社三造試験センターでは，高性能地中レーダシステ
ムを使用して路面下空洞調査やコンクリート構造物の調査を測定箇所は平城宮史跡の中の，東西約 60 m，北約 16 mの範囲である．現地は整地されておらず，植物が生い茂る環
境で，通常のレーダ調査と異なっていたが，レーダを 2 名で実施している．この地中レーダは，送信エレメントから送信されたマイクロ波が地中を透過し，地中の電気的性質が異なる部位で発生する反射波を受信エレメントで受信して，地中の構造を調査する非破壊検査装置であり，道路やトンネルの牽引してデータを取得することができた（写真 2）．取得したデータの解析作業は，現地作業と合わせて 1 週間程度で終了した．
得られたデータの解析は，埋設物が多く発掘されている

空洞探査，コンクリート中の配筋調査，コンクリート製橋梁の施工状況調査など様々な分野で適用されている．

30 cm 以上の深さとした．本レーダの検出限界は 150 cm であるが，現地の測定環境を考慮すると 100 cm 程度の深さまでは調査可能であると考えた．
測定後，取得データを地表面下約 34 cm 〜 85 cm までの範囲を三つの深さの地層（図 1）に分け描画した．解析の結果，地表から約 68 cm 〜 85 cm のところに縦横に規則的に配置された物体からの反射波が確認でき，観測結果を描画することに成功した（図 2）．最深部の地層は，これより浅い地層と顕著な違いが表れている．この地層からスポット的な強い反射が規則的に認められており，同一深さに計画的に配置された人工構造物の遺構と考えられる（図 3）．

新たな調査対象の依頼
平城宮は今から約千三百年前の奈良時代の首都平城京の北端に位置し，平城宮跡は国の特別史跡に指定されている．歴史的にも貴重なため世界遺産にも登録されており，現在も未確認の埋蔵文化財が多数存在することが知られている．また，
ここは長期間保全地域であったため，多種な動植物が生息し，重要種の貴重な植物も多く確認されている．
地中の調査は，マイクロ波帯域の電磁波を使用する調査手法が適用できると考えられることから，奈良文化財研究所と東北大学の依頼により，平城宮跡東方官衙（かんが）地区の遺跡の試計測を実施することになった．この調査には，道路下の空洞探査にも使用されている当社の一度に 2.5 m の幅が計測できる FMCW シングルパスリニアアレイレーダを用いることが最適と判断した（写真 1）．FMCW とは，周波数変

本非破壊調査により，埋設物の広範囲なスクリーニング情報が得られることが実証された．今後，同様の発掘調査の計画や，試掘箇所の削減など，発掘調査の効率化に繋がるものと期待される．

調連続波（Frequency Modulated Continuos Wave）の英語の頭文字を取ったもので，地中レーダに用いられる方式の一つである．本調査は，本レーダを考古学の分野に適用した最特 長（1）特別史跡で，植生をできるだけ傷めず，かつ遺構の発掘を行わない調査のため，当社の可搬型 FMCW シングル

24

三井造船技報 No. 213（2014-10）

（a）深さ約 34 cm 〜 51 cm（b）深さ約 51 cm 〜 68 cm（c）深さ約 68 cm 〜 85 cm
図1

測定データ分析モデル

図3

図2

拡大した深さ約 68 cm 〜 85 cm の遺構観測部

パスリニアアレイレーダを使用した．
（2）調査方法には，一度に調査する範囲が幅 2.5 m，深さ1.5 m が可能となるエレメント構成システムを選定した．
（3）取得データの解析ソフトで平面スライス処理を行うこと
により，実際の遺跡に近い平面透視画像が得られた．
（4）さらに，高速画像処理が可能なシステムを採用することにより，取得データの判定を容易にした．
主要目
レーダ方式 ：FMCW シングルパルスリニアアレイレーダ
主要寸法：625×2 346×170 mm

三井造船技報 No. 213（2014-10）

地中レーダ解析結果（平面表示）

アンテナ数 ：16
探査幅：2.5 m最大探査深度：約 1.5 m（乾燥した最適条件時）
最大計測速度：50 km/h（計測ピッチ 40 mm の場合）
（株式会社三造試験センター）〔問い合わせ先〕
西部事業所 新事業企画部
TEL 0863−23−2364 井上
東部事業所 営業グループ
TEL 0436−43−8931 小原

勝美
治之

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製 品 ・ 技 術 ニ ュ ー ス

九州自動車道上の橋梁製作・架設工事－小川スマートインターチェンジの E ランプ橋他 1 橋－

写真 1

架橋後の全景写真 2一括架設の施工状況

スマートインターチェンジは，高速道路の SA，PA，バス
停などに設置されている ETC 専用のインターチェンジである．現在，全国で 70 箇所が開通し，59 箇所が設置中であり，立時に合成床版の FRP パネル部を桁上に搭載し，一括架設を行うことを可能とした．
・稲川高塚橋は，多軸台車による送り出し工法で架橋した．

徐々に増加している．
本工事は九州自動車道の松橋 IC と八代 IC の中間に新設される小川スマートインターチェンジの九州自動車道の上に本橋合成床版には，当社の MESLAB を採用した．送り出し架設前に底鋼板パネルを桁上に搭載し，塗装完了後に送り出すことで，橋下高速道路の通行規制を不要とした．

架かる E ランプ橋及び他 1 橋（稲川高塚橋）の製作・架設工事である（写真 1）．
特長
本工事の主な特長を以下に示す．
（1）合成床版採用による現地工事の軽減
・鋼・コンクリート合成床版は，底鋼板とコンクリートとをズレ止めで一体化させた床版で，鋼部材が型枠と支保工の役割を果たすため，現地施工の安全性の確保とともに，工期短縮が図れるなどの特長を持つ．
・稲川高塚橋の鋼・コンクリート合成床版は，当社製品である“MESLAB（エムイースラブ）”を採用した．
（2）FRP 合成床版による軽量化･ ポータルラーメン構造の E ランプ橋は FRP 合成床版を採用し，鋼材の使用量を削減することにより，橋梁の重量を軽量化した．
（3）架設工法
・軽量化された E ランプ橋は，大型クレーンによる大ブロッ
ク一括架設工法を採用した（写真 2）．これにより，桁地組

26

主要目
工 事 名：九州自動車道 小川スマートインターチェンジ
E ランプ橋他 1 橋（鋼上部工）工事
工事場所：熊本県八代郡氷川町大字高塚
発 注 者：西日本高速道路株式会社 九州支社
請 負 者：三井造船鉄構エンジニアリング株式会社
工期：平成 24 年 8 月 9 日〜平成 25 年 11 月 1 日
工事範囲：鋼橋上部工
鋼ポータルラーメン橋（E ランプ橋）
鋼 2 径間連続合成鈑桁橋（稲川高塚橋）
工事延長：35.0 m（E ランプ橋），89.0 m（稲川高塚橋）
鋼
重：約 75.3 t（E ランプ橋），120.1 t（稲川高塚橋）
床版面積：約 549 m2（E ランプ橋），774 m2（稲川高塚橋）（三井造船鉄構エンジニアリング株式会社）〔問い合わせ先〕
西部建設本部 工事部
TEL 06−6446−3101

笹本英樹

三井造船技報 No. 213（2014-10）

お詫びと訂正
三井造船技報 第 212 号（2014-7）表紙裏面の表紙説明文に誤りがありましたので，お詫びして訂正いたします．

（誤）

（正）

①日本最初のポーテーナ（神戸港摩耶埠頭向け）②最新の大型ポーテーナ（マレーシア／ケラン港向け）③日本最初のトランステーナ（神戸港摩耶埠頭向け）④ケーブルリール給電方式の電動型トランステーナ（清水港新興津埠頭向け）① The first PORTAINER® in Japan（Maya, Port of Kobe）② Recent large size PORTAINER®（Port Kelang, Malaysia）③ The first TRANSTAINER® in Japan（Maya, Port of Kobe）④ TRANSTAINER® with cable reeled shore power system（Shinokitsu, Port of Shimizu）①日本最初のトランステーナ（神戸港摩耶埠頭向け）②ケーブルリール給電方式の電動型トランステーナ（清水港新興津埠頭向け）③日本最初のポーテーナ（神戸港摩耶埠頭向け）④最新の大型ポーテーナ（マレーシア／ケラン港向け）① The first TRANSTAINER® in Japan（Maya, Port of Kobe）② TRANSTAINER® with cable reeled shore power system（Shin-okitsu, Port of Shimizu）③ The first PORTAINER® in Japan（Maya, Port of Kobe）④ Recent large size PORTAINER®（Port Kelang, Malaysia）

三

三井造船技報編集委員会

井

造

船

技

報

委員長

中

谷

龍

男

第 213 号

委

木

澤

厚

夫

神

永

肇

2014 年（平成 26 年）10 月 31 日発行（年 3 回発行）

倉

山

潔

速

水

礼

佐

野

健

一

鎌

田

勤

也

宍

倉

進

兼

本

浩

員

発行人

土

発行所

三井造船株式会社 技術開発本部〒104−8439  東京都中央区築地 5 丁目 6 番 4 号
TEL  03−3544−3266
http://www.mes.co.jp

印株式会社  三造ビジネスクリエイティブ〒261−7128  千葉県千葉市美浜区中瀬 2−6−1

刷

井

宣

男

三井造船技報に関するお問い合せは，e-mail：gihojim@mes.co.jp まで．
万一，落丁・乱丁がありました節は，お取り替えします．

三井造船技報 No. 213（2014-10）（非売品，無断転載を禁ず）

27

三

井

造

船

株

式

会

社

http：//www.mes.co.jp/
TEL 03 3544 3147

幕張センター〒 261 7128

千葉県千葉市美浜区中瀬 2 丁目 6 番 1

TEL 043 351 8000

北海道支社

〒 060 0807

札幌市北区北七条西 4 丁目 5 番地 1（伊藤 110 ビル）

TEL 011 736 0036

東 北 支 社

〒 980 0811

仙台市青葉区一番町 2 丁目 7 番 17 号（朝日生命仙台一番町ビル） TEL 022 262 3481

中 部 支 社〒 450 0003

名古屋市中村区名駅南 1 丁目 24 番 30 号（名古屋三井ビル）

TEL 052 582 0145

関 西 支 社〒 550 0004

大阪市西区靱本町 1 丁目 11 番 7 号（信濃橋三井ビル）

TEL 06 6447 2001

中 国 支 社

〒 730 0051

広島市中区大手町 2 丁目 7 番 10 号（広島三井ビル）

TEL 082 248 0311

呉 営 業 所

〒 737 0045

広島県呉市本通 3 丁目 5 番 18 号（メゾンロイヤル）TEL 0823 25 7837

九 州 支 社

〒 812 0011

福岡市博多区博多駅前 1 丁目 1 番 1 号（博多新三井ビル）

TEL 092 411 8111

東九州支店

〒 870 0027

大分県大分市末広町 1 丁目 1 番 18 号（ニッセイ大分駅前ビル）

TEL 097 537 9260

沖 縄 支 店

〒 900 0033

沖縄県那覇市久米 2 丁目 4 番 16 号（三井生命那覇ビル）

TEL 098 869 3135

玉野事業所

〒 706 8651

岡山県玉野市玉 3 丁目 1 番 1 号

TEL 0863 23 2010

千葉事業所

〒 290 8531

千葉県市原市八幡海岸通 1 番地

TEL 0436 41 1112

大分事業所

〒 870 0395

大分県大分市日吉原 3 番地

TEL 097 593 3111

玉野技術開発センター〒 706 0014

岡山県玉野市玉原 3 丁目 16 番 1 号

TEL 0863 23 3001

千葉技術開発センター〒 290 8531

千葉県市原市八幡海岸通 1 番地

TEL 0436 41 1110

基盤技術センター〒 706 0014

岡山県玉野市玉原 3 丁目 16 番 1 号

TEL 0863 23 3101

昭島研究センター〒 196 0012

東京都昭島市つつじが丘 1 丁目 1 番 50 号

TEL 042 545 3111

つくば研究センター〒 104 8439

東京都中央区築地 5 丁目 6 番 4 号

TEL 03 3544 3266

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東京都中央区築地 5 丁目 6 番 4 号｜〒 104 8439
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社

本

海外事務所

北京，ジャカルタ，ハノイ，クアラルンプール

海外現地法人三井造船ヨーロッパ株式会社（ロンドン）

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技術開発本部

三井造船（U.S.A.）株式会社
三井造船（上海）商貿有限公司
三井造船アジア株式会社（シンガポール）

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三井造船技報 No. 213（2014-10）

三井造船技報 第 213 号の発行に当たって「三井造船技報」をご高覧いただき，ありがとうございます．
本誌は，当社が平素ご指導いただいている方々へ，最近の当社の新製品や，それを支える技術についてご紹介するものです．
本誌の内容につきましては，更に充実を図る所存ですので，忌憚のない御意見を賜りましたら，大変幸甚です．
送付先の貴組織名，ご担当部署，所在地などにつきましては正確を期しておりますが，変更などがございましたら，以下にご記入の上，FAX または e-mail でお知らせ頂きたくお願い申し上げます．
敬具
キ

リ

ト

リ

線

FAX：0 3 − 3 5 4 4 − 3 1 2 5e-mail：gihojim@mes.co.jp
三井造船株式会社

1.  送

付

先：

技報編集委員会

事務局

三井造船技報送付先の確認と第 213 号へのご意見等について

□従来通り

□変更

□削除 （いずれかに V を付けてください）

〒

︱

〒

︱

a ）旧送付先
所 在 地

行（TEL. 03−3544−3266）

旧送付先は，現在の宛先ラベルのコピーをここに貼付して頂いても構いません．

組織名称
担当部署

b ）新送付先
キ
リ

所 在 地

ト リ

組織名称

線

担当部署

ご担当者
TEL No.

FAX No.

2.  今後の編集に反映させていただくため，下記アンケートにご協力をお願いします．
（ 1 ）本号で興味のあった記事をお知らせください．
（最初のページ No. で可．複数回答可）
技術論文・報告では……

製品・技術ニュースでは ……
その他の記事では……

（ 2 ）その他，ご意見・ご要望あれば，お聞かせください．

五校

表3

主

営

業

品

目

｜

FAX 03 3544 3031｜

TEL 03 3544 3318｜

船舶・艦艇事業本部

要

再校

｜

表2

液化天然ガス （LNG）運搬船，液化石油ガス（LPG）運搬船，原油輸送船，石油精製品運搬船，ばら積貨物船，オープンハッチ型貨物船，鉱石運搬船，石炭運搬船，コンテナ船，自動車運搬船，FSO，FPSO，超高速貨物船，超高速カーフェリー，各種特殊船
修繕船，各種改造船工事，Ｍ＆Ｒエンジニアリング
護衛艦（DD），潜水艦救難母艦（AS），潜水艦救難艦（ASR），音響測定艦（AOS），輸送艦（LST），補給艦（AOE），掃海母艦（MST），海洋
観測艦（AGS），巡視船，練習船，海洋気象観測船，漁業調査船，漁業取締船，海洋調査船，研究調査船，物理探査船，環境整備船，視察船，測量船，交通艇，消防艇，高速旅客船，深海探査ロボット（AUV，ROV），小型水中ロボット，水道管点検ロボット
自動艦位保持装置（DPS），システム操船装置，艦橋情報表示装置（ABS ／ IBS）
，舵減揺装置，船体運動状態表示装置（SMACS），航海情報表示装置，フィンスタビライザー，中折式デッキクレーン，赤外線低減装置，弾薬搭載機材，補機制御表示装置，機関操縦装置，水中放射雑音シ
ミュレータ，防火防水実習場，各種訓練水槽，操船シミュレータ
橋梁，ハイブリッド構造物（浮防波堤，浮消波堤，浮桟橋，浮体式係船岸，ケーソン），海洋構造物（シーバース，ケーソン，沈埋函，ジャケット），浮体式海洋設備①

船舶運航支援のポータルサービス｜

FAX 03 3544 3055｜｜

TEL 03 3544 3950｜

機械・システム事業本部
舶用ディーゼル機関

往復動圧縮機，バイナリー発電設備，蒸気タービン，炉頂圧回収タービン，軸流・遠心式圧縮機
鍛造前誘導加熱装置（ビレットヒータ，バーヒータ，ピンヒータ 他），鉄鋼・非鉄分野向誘導加熱装置（薄板加熱装置，銅管焼鈍装置，線材加

Coverム（ＴＨＳ），排気ガス浄化のための再循環システム（EGR）や選択式触媒還元システム（SCR），排熱回収システム（VPC）などの新しい技術と装置の適用が実現しつつあり，そのシステムの振る舞いは複雑になっている．また，港湾荷役設備においても，大型化や高速化を推進する一方で，エネルギー消費量の削減を進めている．
このような状況において目標を短期間で達成するためには，シミュレーションによりシステムの特性を把握することが重要である．
シミュレーション技術を活用して開発した製品を実験により検証し，信頼される製品として迅速に提供する．
①開発を進める大型蓄電システムの搭載を目指す港湾荷役設備②ＴＨＳの適用を目指す中速リーンバーンガスエンジンのシミュレー
ションモデル

三井造船技報 No. 213（2014-10）

Mitsui Engineering & Shipbuilding Co., Ltd.（MES）has
been developing products using simulation technology andexperiments.
Concerning diesel engine development, in order toreduce NO X , PM and CO 2 emission, many kinds ofapparatus such as Turbo Hydraulic System（THS）,
Exhaust Gas Recirculation System（EGR）, Selective
Catalytic Reduction System（SCR）for exhaust gas
purification and low temperature energy recovery system
Variable Phase Cycle（VPC）as well as turbo compressor
are added, and the engine system behavior therefore has
become very complicated.
Furthermore, MES has been also increasing the size andthe speed of container handling cranes, to meet thedemand for CO2 reduction.
Under such circumstances, simulation technology helps
to understand complicated system and shorten
development period. After verification by experiments,
MES supplies new reliable products to the customers.
①Large Battery Management System for port areaequipment②Developing lean-burn gas engine simulator withsupercharging by THS

ビス，各種技術サービス（運転及びメンテナンスにかかわる技術指導・工事指導・工事施工），LSS（ライフサイクルソリューションサービス ：陸・舶用ディーゼルエンジン，各種ボイラ，プロセス用圧縮機，ガスタービン発電設備，ガスエンジン発電設備，蒸気タービン発電設備，炉頂
圧タービン発電設備，プロセス機器，誘導加熱装置，各種クレーンの保守，改造用部品・機器の供給，性能改善・改造工事・延命工事などのエ
ンジニアリング・サービスと施工）
SiC ウェハー，CVD-SiC コーティング，SiC 製半導体装置用部品
岸壁用コンテナクレーン，ヤード用コンテナクレーン，舶用ガントリークレーン，ローダー，アンローダー（連続式，グラブバケット式），
ジブクレーン，天井クレーン，コンテナターミナルマネジメントシステム
次世代リチウムイオン電池正極材

エンジニアリング事業本部

TEL 043 351 8000

FAX 043 351 8111｜

三井造船では，シミュレーションを活用した性能予測と実験を併用して，効率的な製品開発を進めている．
ディーゼルエンジンにおいては，燃料消費量及び環境負荷を抑制するために，ターボ圧縮機のみならず，油圧式排熱回収システ

IT を活用した各種設備・機器のリモートモニタリングサービス・診断サービス・情報サービス，各種設備・機器の包括／一括メンテナンスサー｜

シミュレーション技術を活用した製品開発

レーダ探査サービス，水理実験設備，塔，槽，熱交換器，回転式乾燥機

｜

表紙説明

Products Development using Simulation Technology

遠隔操作マニピュレータおよびその周辺機器，センシング機器（地中埋設物・建築物探査レーダ，太陽追尾採光システム，複合材剥離検査器），｜②

熱装置），高周波電源装置（PWM インバータ，サイリスタインバータ，トランジスタインバータ，ゾーンコントロール用電源）プラントのエンジニアリング及び建設工事（石油化学，化学繊維，合成樹脂，石油精製，ガス製造・精製，無機化学，化学肥料，石炭化学，発酵関連，ファインケミカル，代替エネルギー関連），プラント要素技術（加熱炉，分解炉，分解ガスクェンチャー，高粘度流体脱揮装置），エン
ジニアリング支援システム，フィージビリティースタディ，プラントメンテナンス，SDM 工事
海外土木・建築工事全般，特殊構造物，風力発電設備工事，海外橋梁
ディーゼルエンジン発電設備，太陽熱発電設備，バイオマス発電設備，各種コージェネレーションプラント，バイオエタノール設備
三井リサイクリング 21（キルン式ガス化溶融システム），廃棄物処理関連（流動床式焼却炉，粗大ごみ処理施設，リサイクルセンター，加熱脱塩素化装置，ダイオキシン分解触媒，炭化炉，PCB 処理），ガス処理関連（脱塩，集塵）
水処理関連（産業排水，汚泥），ガス処理関連（排煙脱硫，排煙脱硝，脱臭），廃棄物再資源化システム（焼酎廃液，有機性廃棄物からのメタン
発酵，コンポスト及び乾燥装置），バイオガスプラント（生ごみ・汚泥バイオガスプラント，油温減圧乾燥式食品廃棄物再資源化システム，家畜糞尿再資源化システム）

表4

再校

表1

三
井

DIC
160

造
船

平成 26 年 10 月 ■ 第 213 号

技

私たちは皆様のお役に立ち

報﹁期待され信頼される研究企業﹂を目指しております︒

創 造 と挑 戦

ISSN 0026-6825

MITSUI ZOSEN TECHNICAL REVIEW No. 213 2014
第 二
一
三
号

高度な試験計測技術、理論解析技術、数値計算技術により、
船舶・海洋構造物に関する様々なニーズにお応えします。

水槽試験

数値計算

理論解析
平 成 二 十 六 年 十 月

三井造船昭島研究所は、昨年度、おかげさまで創立 35 周年を迎えました。
〒196-0012 東京都昭島市つつじが丘1-1-50
TEL：042-545-3111 FAX：042-546-3570

初校

シミュレーション技術を活用した製品開発