J-PARCニュートリノビームライン用 超伝導電磁石システム(21) -冷凍機節電運転モードの構築—

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1 J-PARC 超伝導ビームライン用低温システム節電運転モードの構築 高エネルギー加速器研究機構 大畠洋克, 槙田康博 はじめに J-PARC に建設されたニュートリノ超伝導ビームラインは 冷却性能 励磁性能とも問題なく試験を終了し 現在安定して稼動している 冷凍機の冷凍能力は 将来予測されるビームロスを加えても 十分な能力がある 当初設計では余剰寒冷は 全て液面制御ヒータで補償していたが 生成する寒冷の半分以上に達し 結果として無駄な圧縮機動力を消費している J-PARC の運転経費節減のみならず 温暖化問題にも積極的に貢献しようという目的で 節電モード制御を追加し 消費電力の節約を実現しましたので この制御ロジックと成果について報告する

2 目次 1. ニュートリノ超伝導設備の紹介 2. 冷凍機制御系の紹介 3. 節電運転モードの考え方 4. 節電運転モードの動作結果 5. まとめ

3 1. ニュートリノ超伝導設備の紹介 J-PARC を利用した実験の 1 つに ニュートリノ実験 (T2K) がある この設備では 人工的に生成したニュートリノを 295km 先のスーパーカミオカンデ検出器に向けて発射し 移動中に変化するニュートリノの性質を調べることを目的にしている J-PARC 加速器で 30 GeV まで加速された陽子は 超伝導磁石で構成されるビームラインによってスーパーカミオカンデに照準を向けられる

4 1. ニュートリノ超伝導設備の紹介 外観 ビームラインを構成する 28 台の超伝導磁石は 地下 12m のトンネルの中を 半径約 105m 長さ 150m にわたって設置 ヘリウムタンク 地上のヘリウム冷凍設備からは 4.5K の超臨界ヘリウムがポンプで循環され 磁石を低温に保持する

5 液体窒素は予冷時のみ使用 1. ニュートリノ超伝導設備の紹介 クロードサイクルのヘリウム冷凍機と超臨界ヘリウムポンプ循環の二元冷凍方式を採用 シールド冷却にはヘリウムガスを循環し 液体窒素は使用しない

6 2. 冷凍機制御系の紹介 制御端末 OS WindowsXP オペコンソフト HITS サーバー Web Data 保存 加速器制御 LAN EtherNet 冷凍機制御 LAN EtherNet コンパクト PCI ベースの中央処理装置 CPU ボード メモリーボード デバイスネットボードで構成 CPU 予備も装着 デバイスネット 計装入出力にはデバイスネット規格のモジュールを装着 大陽日酸製 DeMPICS デバイスネット版 低温設備は CompactPCI ベースの処理装置 ( 大陽日酸製 MPICS) によって 集中制御されている 節電運転モードは この制御系に新たにシーケンスを追加して実行している PT FT DPT PT GT TT AI AO 現場チェック時に使用 DI/DO

7 3. 節電運転モードの考え方節電運転シーケンスを作成する際に注意すべき点 圧縮機のアンローダーの容量制御特性を充分に理解してオイルセパレーター内の流速 (10 m/min) を上げ過ぎてオイルを破過させてしまわないこと 圧縮機の吐出圧力を制御する流量は 2 g/s から 7 g/s の範囲で圧縮機の低段アンローダーを制御すること タービンの最低回転数を守ること サーマルオシュレーションの原因となる圧力変動は起こさないこと

8 3. 節電運転モードの考え方制御シーケンスの大まかな流れ 直列タービン入口弁と超臨界タービン入口弁を徐々に絞って行きコールドボックスの入口流量を 155g/s から 140g/s 以下にする コールドボックスの入口流量が 140g/s 以下になったら 吐出圧力を制御しているアンロート 弁を用いて 1.3 MPaG に制御してる吐出圧力を 1.1 MPaG まで下げると 更にコールドボックス入口流量が下がり 液面制御ヒーターの出力が低下する コールドボックス入口流量が下がると アンロード弁が適正開度以上に開いてくるので 低段アンローダーの容量を下げて アンロード弁が適正の開度になるよう調整する

9 3. 節電運転モードの考え方関連する制御要素 アンロード弁の適正開度 アンロード弁の運転時の適正流量は 5g/s 程度なので実際の運転では 2~8g/s の間で制御するのが望ましい アンロード弁の Cv 値は 2.5 右の計算結果から 2g/s=15% 5g/s=39% 8g/s=51% アンロード弁の開度は 15% ~50% の間で低段アンローダーの容量制御を行う

10 3. 節電運転モードの考え方関連する制御要素 圧縮機容量制御特性 95% から 100% にかけて急激に負荷変動する特性を持っているので制御シーケンスを構築するにあたり考慮しなければならない

11 3. 節電運転モードの考え方コールドボックスの流量を下げるシーケンス SW=ON SW=ON SW=ON T1,T2 入口弁定常フラグ =ON T1,T2 入口弁定常フラグ =ON T1,T2 入口弁定常フラグ =ON T3 運転実行フラグ =ON クエンチハ ルフ 処理フラグ =OFF 圧縮機定格フラグ =ON タービン流量を下げるシーケンス T3 運転実行フラグ =ON クエンチハ ルフ 処理フラグ =OFF 圧縮機定格フラグ =ON T3 運転実行フラグ =ON クエンチハ ルフ 処理フラグ =OFF 圧縮機定格フラグ =ON 吐出圧力を下げるシーケンス サブクーラー液面 30% 以上 サブクーラー液面 30% 以上 サブクーラー液面 30% 以上 操作直列タービンの入口弁を 0.1%/10s の速度で 58% まで絞る 超臨界タービンの入口弁を 0.1%/10s の速度で 60% まで絞る 中フラグ =ON COLD BOX 入口流量 140g/s 以下 中フラグ =ON 操作吐出圧力の設定値を 1000 秒で 1.3MPaG から 1.1MPaG に下げる 吐出圧力設定値 1.12MPaG 以下 中フラグ =ON 操作サブクーラー液面制御ヒーター出力上限 =50% 各列のが成立するたびに操作を 1 回実行させる

12 3. 節電運転モードの考え方圧縮機容量制御シーケンス SW=ON アンロード弁開度 15% 以下 アンロード弁開度 15% 以下 アンロード弁開度 15% 以下 圧縮機容量制御 30S タイマーアップ 中フラグ =ON COLD BOX 入口流量 140g/s 以下 アンロード弁開度 50% 以上 圧縮機吐出圧力設定値 1.12MPaG 以下 圧縮機定格フラグ =ON 圧縮機容量制御タイマー停止 圧縮機吸入圧力 MPaG 以上 圧縮機定格フラグ =ON 圧縮機容量制御タイマー停止 操作圧縮機の低段アンローダーの容量制御出力値を 5% 上げる圧縮機容量制御 30S タイマースタート 圧縮機吸入圧力 0.015MPaG 以上 圧縮機定格フラグ =ON 圧縮機容量制御タイマー停止 操作圧縮機の低段アンローダーの容量制御出力値を 10% 上げる圧縮機容量制御 30S タイマースタート 圧縮機吐出圧力設定値 MPaG 以下 圧縮機定格フラグ =ON 圧縮機容量制御タイマー停止 操作圧縮機の低段アンローダーの容量制御出力値を 5% 上げる圧縮機容量制御 30S タイマースタート 操作圧縮機容量制御タイマー停止 タイマー アンローダーを上げるシーケンス 操作圧縮機の低段アンローダーの容量制御出力値を 0.5% 下げる圧縮機容量制御 30S タイマースタート アンローダーを下げるシーケンス 各列のが成立するたびに操作を 1 回実行させる

13 3. 節電運転モードの考え方停止 & インターロックフローチャート SW=OFF 中フラグ =ON SW=ON T1,T2 入口弁定常フラグ =OFF SW=ON T3 運転実行フラグ =OFF SW=ON クエンチハ ルク処理フラグ =ON 操作直列タービンの入口弁を 0.1%/10s の速度で 62% まで開く 超臨界タービンの入口弁を 0.1%/10s の速度で 65% まで開く 中フラグ =ON 操作 SW=OFF 中フラグ =ON 操作 SW=OFF 中フラグ =ON 操作 SW=OFF 吐出圧力の設定値を 1000 秒で 1.1MPaG から 1.3MPaG に上げる 中フラグ =OFF サブクーラー液面制御ヒーター出力上限 =100% 停止シーケンス インターロック 各列のが成立するたびに操作を 1 回実行させる

14 4. 節電モード動作結果

15 4. 節電モード動作結果

16 4. 節電モード動作結果動作前後の比較表 1 月あたり 185 万の電気代金を節約 1 月あたり 68 トンの CO 2 排出量の削減 * 地球温暖化対策推進法施行令より

17 まとめ J-PARC ニュートリノ冷凍機は 安全率やマージンを加味して設計され 熱負荷に対して十分な冷却性能を示すが これをヒーターで補償するのは 電力の無駄である 冷凍能力をさげ かつそれを圧縮機動力の低減に結びつけるシーケンスプログラムを開発した シーケンスプログラムは冷凍機のバランスを崩ことなくす安全に冷凍機能力の調節を行っており 2009 年 9 月から本格運用を開始し 現在 (2010 年 3 月末 ) まで安定して運用を行っている この結果 電気代は 1 月に約 185 万円節約し CO2 排出量は 1 月に約 68 トン削減でき 当初の目的を達成させた

18 まとめ (2) KEK_B BELLE( ソレノイド ) 冷凍機との比較 節電運転を行うと冷凍能力が 1/3 以下の KEK_B_BELLE ( ソレノイド ) 冷凍機よりも 1 ヶ月の運転経費が同等程度

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