「ユーティリティ」は「設備を動かすために必要なもの」らしいけど、具体的にどういう種類があるの？
あと、設備を動かすためにそれぞれどんな役割を果たしているの？
「ユーティリティ」は具体的にどうやって設備まで供給されているんだろう？
よく分からん、、、
皆さんは、上にある過去の私のように、
「ユーティリティの種類とそれぞれの役割が分かっていない」
「各ユーティリティがどのような仕組みで設備に供給されているのか分かっていない」
という状態ではないでしょうか？
「ユーティリティ」は、設備を稼働させるために必要となるものであり、もし、「ユーティリティ」の供給が止まってしまうと設備は停止し、プラント全体が停止します。まさに「プラントの生命線」ともいえる重要な存在です。
そして、そんな「ユーティリティ」を具体的に理解することで、プラントの内部構造をより高い解像度で理解することができるようになります。
そこで本記事では、ユーティリティの種類、役割、供給方法を具体的に理解できるよう、ユーティリティの主要6種類を紹介するとともに、それぞれの果たす役割と供給方法を解説します！
この記事で分かること
- ユーティリティの主要な6種類が分かる
- 主要な6種類のユーティリティが果たす役割とそれぞれの供給方法が分かる
そして、
- ユーティリティの種類、役割、供給方法を具体的に理解することができ、プラントの内部構造をより高い解像度で理解できるようになる
その結果、
- 「この人はよく分かっているな」と社内外の技術者から信頼され、対等な議論ができるようになる
文系出身で現在、プラントエンジニアリング業界の調達部門で働く武将が、自身の経験を踏まえてわかりやすく解説しますので、ぜひ一緒に学んでいきましょう！！
「ユーティリティ」と「ユーティリティ設備」
ユーティリティの主要6種類を説明する前に、まず「ユーティリティ」と「ユーティリティ設備」という言葉の意味を整理しておきます。
●ユーティリティの定義
「設備を稼働させるために必要なエネルギーや資源」
●ユーティリティ設備の定義
「ユーティリティを供給するための設備」
車がガソリンを入れて初めて走れるように、設備もそれ単体では動きません。外部からエネルギーや資源が供給されて、はじめて稼働できる仕組みになっています。
このように、設備を動かすために必要となるエネルギーや資源のことを「ユーティリティ」と呼びます。
そして、ユーティリティには数多くの種類がありますが、まず皆さんは、この記事でこれから解説していく主要な6種類を覚えておくようにしましょう。
- 水
- 電力
- 圧縮空気
- 不活性ガス
- 蒸気
- 燃料
また、これらのユーティリティを供給するための設備を「ユーティリティ設備」といいます。
この「ユーティリティ設備」が「ユーティリティ」を供給することで、各種設備は正常に稼働することができます。
また、「ユーティリティ」と「ユーティリティ設備」については、下記２点の内容も覚えておきましょう！
- 設備によって必要とする「ユーティリティ」は異なる
- 「ユーティリティ設備」を稼働させるためにも「ユーティリティ」が必要となる
覚えておくべき内容 1．について
例えば、「設備A」を稼働させるために、ユーティリティとして電気と水が必要だけど、「設備B」はユーティリティとして電気だけを必要とするといった感じで、設備により必要とするユーティリティが異なるという意味です。
ぜひ、皆さんの業務で扱う設備はどんなユーティリティが必要なのか確認してみてください！設備によって必要なユーティリティが異なっているということが分かると思います。
覚えておくべき内容２．について
例えば、設備に水を供給する「ユーティリティ設備C」を稼働させるには、電気を供給する必要があるといった感じで、ユーティリティを供給するユーティリティ設備自体にも、ユーティリティが必要になるという意味です。
設備に不可欠なユーティリティの主要６種類
ここまでで、「ユーティリティ」と「ユーティリティ設備」がどんなものなのか、大まかに理解できたと思います。
ここからは、ユーティリティをより具体的に理解していくために、ユーティリティの主要６種類が、供給された設備でそれぞれどのような役割を果たしているのかと、それぞれどのように各設備まで供給されているのかを解説していきます。
- 水
- 電力
- 圧縮空気
- 不活性ガス
- 蒸気
- 燃料
それぞれ順番に解説していきます！
ユーティリティの主要６種類：①水
水が果たす役割：冷却
- 設備を冷やすために使用される
- 設備の中には、稼働していると熱が発生する設備が存在する
- 発生した熱を放置していると、その熱によって設備が損傷する危険があるため、水を使用して設備を冷やす必要がある
設備を冷やすために使用される水を「冷却水」といいます
- 設備を冷やす方法としては、各設備にあらかじめ設けられた冷却水通路へ常に冷却水を流し続けることで、設備を冷やすことができる。
大きい設備の冷却水通路としては、上図のようなジャケット型の構造が多いです
水の供給方法
- 工業用水から水をプラント敷地内に引き込む
- 引き込まれた水はプラント内の水処理・ろ過設備で水質を調整される
- 水質を調整された水はプラント内の循環ラインに入り、温度調節設備（冷却塔、チラーなど）で冷却される
- 冷却された水は冷却水として設備へ供給され、設備内の冷却水通路を通ることで、設備を冷却する。
- 設備内の冷却水通路を通過した水は循環ライン内の水処理・ろ過設備に流れ、水質を調整される。
- 水質を調整された水は再度、温度調節設備へ運ばれ、冷却される
- 以降４→５→６を繰り返す
- 水は配管を通って運ばれる
- 水はポンプの力で押し出されることで、配管内を流れていくことができる
- 水の使用量を抑えるために、冷却水はプラント内で循環させて繰り返し使用するのが一般的
- 一方、循環している水も徐々に汚れていくため、汚れた水は捨てて、新しい水を補給して水質を保つ必要がある
- 温度調節設備（チラー、冷却塔など）
- 水処理・ろ過設備
- ポンプ
ユーティリティの主要６種類：②電力
電力が果たす役割１：動力源
- 設備を物理的に動かすために使用される
- 設備内のモーターや電磁石に電気が流れることで、電気エネルギーが運動エネルギーに変換され、設備が物理的に動作する
- 具体例①：工場やプラントに設置されているクレーンは、内部のモーターに電力が供給されることで、何十トンといった荷物を吊り上げることができる
- 具体例②：配管に取り付けられた電磁弁は、内部の電磁石に電気が流れることで、弁体を動かし、流体の流れをコントロールすることができる
電力が果たす役割２：電気信号
- 各設備に取り付けられたセンサーとコンピューターの間で情報や指示をやり取りするために使用される。
- 各設備に取り付けられたセンサーは読み取った情報（圧力や温度、流量など）を電気信号に変換することでコンピューターに伝えている
- コンピューターはセンサーから送られた情報を読み取って、各設備への指示を電気信号として伝える
プラントに存在する設備のほとんどはコンピューターの指示を受けて稼働しているため、電気が止まると指示が受けられず、プラントは停止します。
そのため、最も重要なユーティリティといえます。
電力が果たす役割３：照明・電熱
- 照明を点灯させたり、電気ヒーターを発熱させるために使用される
各設備への供給方法
- 電力会社から電線を通じて、プラント敷地内の受電設備に高電圧の電気が供給される
- 受電設備から高電圧のままプラント敷地内の複数の変電設備へ供給される
- 変電設備で各設備が使用できる電圧まで下げられる
- 変電設備から各設備へ送電される
- 電力は電線を通って運ばれる
- 受電設備から変電設備まで高電圧で供給される理由は、低い電圧の時よりも送電ロス（熱として逃げる電気）が少なくて済むから。プラントは広い敷地を持ち、送電距離も長いため、送電ロスの少ない高電圧で電気を送っている
- UPS（無停電電源装置）や非常発電機を設置しておくことで、停電時にも一定時間、プラントの必要な設備へ電力を供給できるよう備えてある
- 受電設備
- 変電設備
- 配線
- UPS
- 非常発電機
本ブログでは、説明の便宜上、電力供給にかかわるユーティリティ設備のみ「配線・電気部品」として扱っています。
別記事では、「ユーティリティ設備」と「配線・電気部品」を分けて記載しておりますが、どちらも本質的にはユーティリティ設備ですので、ご了承ください。
ユーティリティの主要６種類：③圧縮空気
圧縮空気が果たす役割：動力源
- 設備を物理的に動かすために使用される
- 設備内の「アクチュエーター」と呼ばれる機器（エアシリンダーなど）に圧縮空気が流れこむことで、圧縮空気の持つ圧力エネルギーが運動エネルギーに変換され、設備が物理的に動作する
- 例えば、工場やプラントには空圧で動作するバルブや昇降装置がたくさん存在するが、それらは、付属のアクチュエーターに圧縮空気が流れ込むことで動作している
流体の力や電気の力を機械的な動きに変える機器のことをアクチュエーターといいます
各設備への供給方法
- プラント内のコンプレッサーという設備で周囲の空気を吸気し、圧縮する
- コンプレッサーで圧縮された空気は、「高温」、「湿っている」、「油や粉じんを含んでいる」状態←このままアクチュエーターに供給すると破損してしまう
- コンプレッサーで圧縮された空気はアフタークーラーという設備を通ることで冷却される
- アフタークーラーで冷却された圧縮空気はタンクに貯められる
- ある程度の量の圧縮空気をタンクに貯めておくことで、一時的に圧縮空気がたくさん使用されても対応できるようになる
- タンクが無ければ、急激な圧縮空気の使用量増にコンプレッサーが対応できず、供給できなくなる
- タンクで溜められた圧縮空気は、使用されるタイミングで「エアドライヤー」と「ラインフィルター」を通ることで、乾燥とろ過が行われ、配管を通じて、末端の設備（アクチュエーター）に運ばれる
- 末端の設備（アクチュエーター）へ供給される直前、「FRL３点セット」と呼ばれる機器を通ることで、圧縮空気へ「異物のろ過」「減圧」「給油」が行われる
- 末端の各設備（アクチュエーター）へ供給される
- 圧縮空気は配管を通って運ばれる
- 圧縮空気は上流のほうが圧力が高いため、圧力の低い末端の各設備へは、圧力差によって配管を通じて自動的に流れていく
- コンプレッサー
- アフタークーラー
- タンク
- エアドライヤー
- ラインフィルター
- FRL３点セット
ユーティリティの主要６種類：④不活性ガス
不活性ガスとは、窒素（N2）やアルゴン（Ar）のように化学反応が起こりづらい気体のことを言います。
不活性ガスが果たす役割：パージ
- パージとは、不要な気体（酸素、可燃性ガス、毒性ガスなど）を、窒素などの不活性ガスで「追い出し、置き換える」こと
- 設備内や配管内の不要な気体をパージするために、化学反応が極めて起こりづらい気体である不活性ガスが使用される
- パージの目的は主に「酸化防止」、「爆発防止」。
酸化防止
- 製品や材料が空気中の酸素と化学反応を起こし、酸化するのを防ぐために、製品や材料が入った（or これから入れる）容器内に不活性ガスを注入し、満たすことで、容器内の空気（酸素含む）をパージする。
- 不活性ガスは化学反応が極めて起こりづらい気体であるため、製品や材料と化学反応を起こす心配がない
- 例えば、食品プラントにおいて、食品の劣化を防ぐために、食品の入った容器に窒素ガスを注入して、密閉する
爆発防止
- 設備や配管が爆発するのを防ぐために、設備内や配管内へ不活性ガスを注入し、爆発の恐れのある可燃性ガスや酸素をパージする。
- 不活性ガスは化学反応が極めて起こりづらい気体であるため、酸素や可燃性ガスと化学反応を起こして爆発する心配がない
- 例えば、設備内部に人が入ってメンテナンスをする時、設備内部へ空気を入れる必要があるが、内部の可燃性ガスと空気が混ざることで爆発する恐れがある。そのため、設備内部へ空気を入れる前に、不活性ガスを注入して、可燃性ガスをパージすることで、安全に空気を入れることができるようになる。
各設備への供給方法
- 不活性ガス発生装置を設置してプラント内で不活性ガスを生成するか、外部より不活性ガスを購入してタンクで保管する（タンク内のガスは高圧な状態）
- タンクから各設備までは配管を通じて高い圧力のまま供給される
- 各設備へ供給される直前で減圧弁が設置されており、各設備にあった圧力まで下げて供給される
- また、配管の途中にバルブが設置されて各設備が必要なタイミングで不活性ガスが供給されるようコントロールしている
- 不活性ガスは配管を通って運ばれる
- 不活性ガスは圧縮空気と同様に、上流のほうが圧力が高いため、圧力の低い末端の各設備へは、圧力差によって配管を通じて自動的に流れていく
- 不活性ガス発生装置
- タンク
- 減圧弁
- バルブ
ユーティリティの主要６種類：⑤蒸気
蒸気が果たす役割：加熱・保温
- 蒸気は高温となるため、設備や配管を加熱、保温するために使用される
- 蒸気は、ボイラーという設備で水を沸騰させて生成する。
- 冷却水と同様に、各設備・配管にあらかじめ設けられた蒸気通路へ蒸気を流し続けることで、設備・配管を加熱・保温することができる。
- 例えば、設備内での化学反応を促進するために、設備に蒸気を供給して、設備内の温度を上昇させる
蒸気が果たす役割：動力源
- 設備を物理的に動かすために使用される
- 設備内部の蒸気タービンに蒸気が流れることで、蒸気の持つ圧力エネルギーが運動エネルギーに変換され、設備が物理的に動作する
- 例えば、工場やプラントには蒸気圧で稼働する発電機や大型のポンプが存在するが、それらは、付属の蒸気タービンに蒸気が流れ込むことで動作している
同じ動力源という役割を果たす圧縮空気との違いは、「出力規模」です。
蒸気は圧縮空気に比べて圧倒的に大きい力を出すことが可能です。
そのため蒸気は、巨大な蒸気タービンを回し続けることが可能で、大型のの発電機やポンプを稼働させることができます。
また、圧縮空気よりも安価に生成できるため、連続的に使用することが可能です。
一方、圧縮空気は、蒸気に比べて出力が小さい代わりに、コントロールしやすいため、バルブの開閉など精密な動作で使用されます。
各設備への供給方法
- 工業用水から水をプラント敷地内に引き込む
- 引き込まれた水はプラント内の水処理・ろ過設備で水質を調整される
- 水質を調整された水は「補給水」としてプラント内の蒸気循環ラインに入り、ボイラーで加熱され、蒸気に変化する。
- ボイラーで生成された蒸気は各設備へ供給され、各設備・配管に設けられた蒸気通路を通ることで、設備を加熱・保温したり、設備内部の蒸気タービンを回転させる。
- 各設備・配管に設けられた蒸気通路を通過した蒸気は冷えて水に変化し、蒸気循環ラインに戻り、循環ライン内の水処理・ろ過設備で水質を調整される
- 水質を調整された水はボイラーへ運ばれ、蒸気に変化する
- 以降４→５→６を繰り返すが、循環ラインから漏れたり失われたりした分を「補給水」で補い続ける。
- 水・蒸気は配管を通って運ばれる
- 蒸気はボイラーで生成されたタイミングで最も圧力が高いため、圧力の低い末端の各設備・配管へは、圧力差によって配管を通じて自動的に流れていく。
- 一方、蒸気が冷却され水へ変化した後は、ポンプの力でボイラーまで流す必要がある。
- 水の使用量を抑えるために、水はプラント内で循環させて繰り返し使用するのが一般的
- ボイラー
- 水処理・ろ過設備
- ポンプ
ユーティリティの主要６種類：⑥燃料
燃料とは、天然ガスや重油のように可燃性の物質のことをいいます
燃料が果たす役割：熱源
- 燃料は設備内で燃焼させて、熱源として使用される
- 設備内のバーナーに供給することで燃焼させ、燃焼した際に発生する熱で材料や製品、ユーティリティ等を加熱する。
- 例えば、蒸気を生成するために、ボイラーへ燃料を供給し燃焼させることで、ボイラー内の水を沸騰させ、蒸気を生成する
燃料が果たす役割：動力源
- 燃料は設備内で燃焼させて、動力源として使用される
- 設備内で燃焼させ、燃焼した際に発生する燃焼ガスの圧力エネルギーがガスタービンやエンジンを動作させ、運動エネルギーへ変換される
- 例えば、発電機内のエンジンに燃料を供給し、燃焼させることで、エンジンが動作し、発電がおこなわれる
各設備への供給方法
- 外部より燃料を調達し、プラント敷地内の貯蔵場所（タンクなど）で貯蔵する
- タンク等から各設備までは燃料の状態（気体、液体、個体）によって供給方法が異なる
気体の場合（貯蔵場所から各設備まで）
- タンク等の貯蔵場所から各設備までは配管を通じて高い圧力のまま供給される
- 各設備へ供給される直前で減圧弁が設置されており、各設備で使用できる圧力まで下げて供給されている
- また配管の途中にバルブが設置されており、各設備が必要なタイミングで、必要な量の燃料が供給されるようコントロールされている
液体の場合（貯蔵場所から各設備まで）
- タンク等の貯蔵場所から各設備までは配管を通じて供給される
- 燃料が液体の場合は、ポンプを使用して目的の設備まで燃料を運んでいる
- また配管の途中にバルブが設置されており、各設備が必要なタイミングで、必要な量の燃料が供給されるようコントロールされている
固体の場合（貯蔵場所から各設備まで）
- タンク等の貯蔵場所から各設備まではベルトコンベアなどの搬送機器を通じて供給される
- 気体、液体の燃料は配管を通って運ばれる
- 個体の燃料搬送機器を通って運ばれる
- タンク
- ポンプ
まとめ
今回は、ユーティリティの種類、役割、供給方法を具体的に理解できるよう、ユーティリティの主要6種類を紹介するとともに、それぞれの果たす役割と供給方法を解説しました。
〇ユーティリティの定義
「設備を稼働させるために必要なエネルギーや資源」
〇ユーティリティ設備の定義
「ユーティリティを供給するための設備」
- 「ユーティリティ」を供給される設備によって、必要とするユーティリティは異なる
- 「ユーティリティ設備」を稼働させるためにも「ユーティリティ」が必要となる
〇設備に不可欠なユーティリティの主要６種類
- 水（冷却）
- 電力（動力源、電気信号、照明・熱源）
- 圧縮空気（動力源）
- 不活性ガス（パージ）
- 蒸気（加熱・保温、動力源）
- 燃料（熱源、動力源）
上記の内容を理解しておくことで、ユーティリティの種類、役割、供給方法を具体的に理解することができ、プラントの内部構造をより高い解像度で理解できるようになります。
その結果、皆さんは、社内外の技術者から「この人はよく分かっているな」と信頼され、対等な議論ができるようになります。
今後は、皆さんが理解しておくべき各ユーティリティ設備の詳細についても解説していきますので、ぜひ一緒に学んでいきましょう！
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