JP6712672B1 - 超臨界ｃｏ２ガスを用いた発電装置及び発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】工学的成立性が高く、低建設コスト化、高経済性、易保守性、易製造性、商用電源としての高い適応性、及び高い安全性を提供する超臨界ＣＯ_２ガスタービンを用いた発電システムを提供する。
【解決手段】
超臨界ＣＯ_２ガスタービン１は、一つの回転軸の周りに回転可能な細長い回転軸体３を備える。超臨界ＣＯ_２ガスが回転軸体３に沿って流れる方向に直列に低圧圧縮機４と、高圧圧縮機５と、バイパス圧縮機６とが同一の回転数で回転するように回転軸体３に一軸連結される。これらの圧縮機は複数の段構造を備え、段構造は径方向に延在する翼部を有する。発電装置２は、ガスタービン１とこれに連結された発電機１５とをハウジング内に含み、超臨界ＣＯ_２ガスの閉循環システム３０を構成する。閉循環システム３０は、熱エネルギーを得る主熱交換器２０と、配管２１〜２１と、第１及び第２の再生熱交換器２６ａ、２６ｂと、冷却器２８、２９とを備えている。
【選択図】図３

Description

本発明は、超臨界ＣＯ_２ガスを用いた発電装置及び発電システムに関する。

下記特許文献１には、蒸気タービンや高温ガスタービンなどを用いた従来の発電方式に対して、超臨界点近傍での気体分子間力の特異性により圧縮仕事が軽減されることに着目した全く新しい超臨界ＣＯ_２ガスタービン発電システムが提案されている。この超臨界ＣＯ_２ガスタービン発電システムでは、圧縮仕事が同じ閉サイクル高温ガス炉発電に比べると半減されるとともに、中高温度域においては５％程度高いサイクル熱効率が得られるとされている。また、開放ランキンサイクルである低中温度域の軽水発電方式と比較すると、圧縮仕事は大きいがタービン効率が高いことから同一タービン入口温度では同程度の熱効率となる。このように超臨界ＣＯ_２ガスタービン発電は中温度領域における発電効率が最も高くコンパクトな発電方式である。また、超臨界ＣＯ_２ガスタービンの原子力発電への応用では、水を用いないため、原子炉から放射される高エネルギー中性子により水分子中の水素が放射性同位体であるトリチウムに変換されて環境中に漏れるおそれがなく、また冷却水の異常加熱による水素及び水蒸気爆発の危険性のない、より安全な発電システムを提供することができる。

しかし、特許文献１には、工学的成立性、効果並びに経済性／製造加工性／商用性を実現するための超臨界ＣＯ_２ガスタービンの具体的な構成及び設計方法が開示されていなかった。例えば、特許文献１では、複数の圧縮機とガスタービンとが、どのように連結されているか明らかではなかった。また、特許文献１では、圧縮機が遠心式ポンプであることが開示されているが、遠心式ポンプの場合、記載された所定復圧を１台で達成するためには、(1)高速回転するか、(2)複数台化することが必要となる。しかし、(1)で解決する場合は、ＣＯ_２流体1トン/sec級の大容量流体を処理できる圧縮機の圧縮比の確保、材質等の構造強度の問題が新たに発生し、この段階でタービン等他の構造や回転機器との回転調和を合わせることができなくなる。(2)で解決する場合、各複数台の圧縮機にそれぞれモータを取り付けた独立運転となることから、もはや１軸で設計することは不可能となる。

他方、ガスタービンのコンパクト化を目的に圧縮機とタービンを一軸一体化させた技術も提案されている。しかしながら、圧縮機とガスタービンとを合わせた一軸設計が高速回転体発電システムとして成立するため、如何なる圧縮機を如何に組み合わせれば達成可能であるかは、明らかではなかった。

特開２０１２−１４５０９２号公報

本発明は、上記課題を解決するためなされたものであり、（１）４５.６３％以上の熱効率を有する工学的成立性、(２)発電系システム全体を最小コンパクト化及び／又は縦置き配置等による低建設コスト化、(３)高効率発電による高経済性、(４)コンパクト1軸設計による易保守性、(５)従来製造技術・材料による易製造性、(６)商用電源としての高い適応性及び(７)不活性・非毒性冷却媒体を採用することによる高い安全性等の要件すべてを同時に具現できる超臨界ＣＯ_２ガスタービンを用いた発電装置及び発電システムを提供することをその目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の超臨界ＣＯ _２ ガスを用いた発電装置は、一つの回転軸の周りに回転可能な細長い回転軸体を有する超臨界ＣＯ _２ ガスタービンと、前記超臨界ＣＯ _２ ガスタービンの前記回転軸体の端部に一軸連結された発電機と、外部の熱エネルギー源により主熱交換器を介して加熱された超臨界ＣＯ _２ ガスを前記超臨界ＣＯ _２ ガスタービンを通して循環させる、超臨界ＣＯ _２ ガスの閉循環システムと、を備え、前記超臨界ＣＯ _２ ガスタービンは、超臨界ＣＯ _２ ガスが前記回転軸体に沿って流れる方向に直列に、１台の低圧圧縮機と、１台の高圧圧縮機と、１台のバイパス圧縮機と、前記低圧圧縮機、前記高圧圧縮機及び前記バイパス圧縮機により順次圧縮された超臨界ＣＯ _２ ガスによって回転されるように配置された１台のガスタービン部と、を、構成機器として備え、前記閉循環システムにおいて前記主熱交換器から前記超臨界ＣＯ _２ ガスタービンへの超臨界ＣＯ _２ ガスの入口温度が５５０℃以上の条件で前記発電装置のサイクル熱効率が４５．６３％以上の熱効率目標及びコンパクト化を達成するため、前記構成機器が、同一方向に同一の回転数で回転するように前記回転軸体に一体となって一軸連結されると共に、前記構成機器は、各々、回転軸方向に直列に配置された複数の段構造を備え、前記複数の段構造の各々は、前記回転軸体から径方向に延在する複数の翼部が周方向に配列された軸流式の構成を有し、前記バイパス圧縮機は、前記低圧圧縮機及び高圧圧縮機よりも高温運転が可能で超臨界ＣＯ _２ ガスへの圧縮仕事率がより大きく、前記回転軸体は、前記発電装置が対象とする発電電力に応じて所定の関係で一意に定まる特定回転数で回転するように制御され、前記低圧圧縮機、前記高圧圧縮機及び前記バイパス圧縮機の各々が断熱効率８０％以上、前記ガスタービン部が断熱効率９０％以上を達成するための、構造強度及び材料強度的に十分な前記構成機器の各々の設計限界範囲は、前記発電電力によって制限され、前記設計限界範囲は前記発電電力が大きくなるほど狭くなり、前記構成機器の各々の設計限界範囲は、少なくとも、許容流量、許容入口温度範囲、前記段構造の許容段数範囲、前記段構造当たりの翼部の数、並びに、各構成機器の軸方向長さ及び直径の各種条件に関するものであり、前記発電装置の前記熱効率目標及びコンパクト化が達成されるように、前記構成機器の性能限界範囲から前記構成機器の各々の各種条件の値が選択されていると共に、前記特定回転数が前記構成機器すべての許容回転数内に収まり、前記回転軸体に沿って流れる超臨界ＣＯ _２ ガスの流量が各構成機器の前記許容流量内に収まっている。
本願発明の一例及び好ましい態様は以下の通りである。

前記発電装置１基当たりの発電電力が１００MWの場合における前記構成機器の各々の性能限界範囲が本願明細書の表１に記載されている。また、前記発電装置１基当たりの発電電力が３GWの場合における前記構成機器の各々の性能限界範囲が、本願明細書の表２に記載されている。

本願発明によって最小コンパクト化された前記発電装置１基全体の軸長長さ及び軸直径が本願明細書の表３に記載されている。
前記各種条件は、前記構成機器の各々の翼部の強度、出入口温度/圧力/流速、圧損、並びにスタートアップ時の前記構成機器の危険速度をさらに含む。
前記回転軸体を支持するため、該回転軸体の両端部に磁気ジャーナルベアリングを各々備え、一方の端部に磁気スラストベアリングを備える。

前記低圧圧縮機、前記高圧圧縮機及び前記バイパス圧縮機と、前記ガスタービン部との間の押し合いを緩和するためのバランスピストンを備え、これによって前記磁気ジャーナルベアリング及び前記磁気スラストベアリングに掛かる全軸方向力を低減させる。
前記発電機は、前記同一の回転数で回転するように前記回転軸体に分離可能に連結されている。

発電装置は、常用電源周波数５０〜６０Ｈｚに対応する特定回転数３６００ｒｐｍに対して前記所定の関係から導き出された発電電力を発生するように構成されている。
前記超臨界ＣＯ _２ ガスの閉循環システムは、前記主熱交換器の内部に設けられた熱交換配管であって、前記主熱交換器は、前記熱交換配管内を流れる超臨界ＣＯ _２ ガスに前記熱エネルギー源からの熱エネルギーを与える、前記熱交換配管と、前記熱エネルギー源によって加熱された超臨界ＣＯ _２ ガスを前記ガスタービン部に供給して前記回転軸体を回転させるため、前記熱交換配管の出口側と前記ガスタービン部の入口側とを接続する第１の配管と、前記ガスタービン部の出口側から出た超臨界ＣＯ _２ ガスを前記低圧圧縮機の入口側へと導く第２の配管と、前記バイパス圧縮機から出た超臨界ＣＯ _２ ガスの一部を前記主熱交換器に戻すため、前記バイパス圧縮機の出口側と前記熱交換配管の入口側とを接続する第３の配管と、前記ガスタービン部の出口側から出た超臨界ＣＯ _２ ガスの一部を前記バイパス圧縮機に戻すため、前記第２の配管から分岐して前記バイパス圧縮機の入口側へと接続される、第４の配管と、前記第２の配管の経路上に設けられた第１の再生熱交換器であって、前記第３の配管は、前記第１の再生熱交換器内を通過し、これによって、前記ガスタービン部の出口側から出た超臨界ＣＯ _２ ガスによって、前記バイパス圧縮機から前記主熱交換器へと戻る超臨界ＣＯ _２ ガスを再生加熱する、前記第１の再生熱交換器と、前記高圧圧縮機で圧縮された超臨界ＣＯ _２ ガスの一部を前記主熱交換器に戻すため、前記高圧圧縮機の出口側から延びて、前記第１の再生熱交換器の上流の位置で前記第３の配管に合流する第５の配管と、前記第２の配管の経路上の前記第１の再生熱交換器の下流で前記第４の配管の分岐点の上流に設けられた第２の再生熱交換器であって、前記第５の配管は、前記第３の配管と合流する前に、前記第２の再生熱交換器内を通過し、これによって、前記ガスタービン部の出口側から出た超臨界ＣＯ _２ ガスによって、前記高圧圧縮機から前記主熱交換器へと戻る超臨界ＣＯ _２ ガスをさらに再生加熱する、前記第２の再生熱交換器と、前記第２の再生熱交換器と前記低圧圧縮機との間の前記第２の配管に設けられた前置冷却器と、前記低圧圧縮機の出口側から前記高圧圧縮機の入口側へと接続する第６の配管と、
前記低圧圧縮機により圧縮されたガスの一部を冷却して前記高圧圧縮機に供給するため前記第６の配管に設けられた中間冷却器と、をさらに備える。
前記超臨界ＣＯ _２ ガスタービン、前記発電機、及び、前記閉循環システム全体を覆う容器をさらに備える。前記超臨界ＣＯ _２ ガスタービン及び前記発電機は、前記容器内に縦に収容される。前記容器は、開閉可能な蓋部を有し、該蓋部を開放することによって、少なくとも前記超臨界ＣＯ _２ ガスタービン及び前記発電機を前記容器から出し入れ可能となる。前記閉循環システムは、超臨界ＣＯ _２ ガスを冷却材として外部へ噴出するための開閉可能な噴出口をさらに備える。

本願発明の発電装置は、起動時に、前記発電機に商用電源の電力を供給することにより前記発電機をモータとして機能させて前記超臨界ＣＯ _２ ガスタービンを回転させる。
上記発電装置を備える本願発明の発電システムは、前記熱エネルギー源は、核分裂炉、核融合炉、火力熱源、又は、太陽熱若しくは地熱の自然エネルギーの熱源のいずれかであり、前記核融合炉は、トカマク炉、ヘリカル炉、レーザ爆縮炉、タンデムミラー炉、又は、常温核融合炉のいずれかである。発電システムにおいて、前記熱エネルギー源が太陽熱である態様では、太陽光により加熱される集熱部と、少なくとも前記集熱部で溶融塩を循環させる１次循環系と、前記１次循環系の少なくとも一部が設けられたタワーであって、前記集熱部は、前記タワーの頭部に設けられている、前記タワーと、太陽の運行に追従して太陽光を反射して前記集熱部に集光させるヘリオスタットと、前記集熱部で加熱された溶融塩を蓄え、該溶融塩を前記主熱交換器に供給するため、該主熱交換器の入口側に接続される高温溶融塩タンクと、前記主熱交換器の出口側に接続され、前記主熱交換器で超臨界ＣＯ _２ ガスと熱交換を行った溶融塩を蓄える低温溶融塩タンクと、を備え、前記１次循環系は、２次循環系である前記閉循環システムを流れる超臨界ＣＯ _２ ガスと熱交換を行うため、前記主熱交換器を介在し、前記溶融塩はFLiNaKである。

前記熱エネルギー源が核融合炉である態様では、前記核融合炉は、ブランケットを備え、該ブランケットにはFLiNaKが循環する１次循環系が配置され、該１次循環系は、２次循環系である前記閉循環システムを流れる超臨界ＣＯ _２ ガスと熱交換を行うため、前記主熱交換器を介在し、前記１次循環系は、火力熱源と前記核融合炉とのいずれかから熱供給されるように切り替え可能である。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る発電装置に備えられる、最小化された1軸回転軸体の超臨界ＣＯ_２ガスタービンの側面図である。 図２は、本発明の第１の実施形態に係る発電装置に備えられる、最小化された1軸回転軸体の超臨界ＣＯ_２ガスタービンの一部の斜視図である。 図３は、本発明の第１の実施形態に係る、図１の超臨界ＣＯ_２ガスタービンを用いた発電装置／発電システムの概略図である。 図４は、１００MWから３GW高温外部熱源範囲において、図３の発電装置を１００ＭＷ級の熱エネルギー源から発電する発電システム１基として設計した場合における、各構成機器の超臨界ＣＯ_２ガスの温度、圧力、流量、消費電力或いは発生電力の一例を示したものである。 図５は、１００MWから３GW高温外部熱源範囲において、図３の発電装置を３ＧＷ級の熱エネルギー源から発電する発電システム１基として設計した場合における、各構成機器の超臨界ＣＯ_２ガスの温度、圧力、流量、消費電力或いは発生電力の一例を示したものである。 図６は、図５に示した第２の実施形態に係る発電システムを起動・運転・停止する方法を示すフローチャートである。 図７は、従来技術と比較した本発明の優位性を示す図であって、（Ａ）はタービン入口温度に対するサイクル熱効率を示し、（Ｂ）は本発明のガスタービンと従来の蒸気タービンのサイズ比較を示し、（Ｃ）は、水蒸気発電の建屋と本発明の発電システムの建屋との比較を示す。 図８は、本発明の発電装置１基において入力電力（ＧＷ）に対する回転軸体３の制御回転数（ｒｐｍ）を示したグラフである。 図９は、本発明の第４の実施形態に係る、ガスタービンと発電機との連結態様を示す側面図である。 図１０は、本発明の第５の実施形態に係る１００ＭＷ級の発電装置のメンテナンス法の一例を示す概略図である。 図１１は、本発明の各実施形態に係る発電システムの熱エネルギー源の具体例を示す図であって、（Ａ）は火力熱源、（Ｂ）は火力熱源を使用した発電システム、（Ｃ）はヘリカル炉を使用した発電システムを示す。 図１２は、熱エネルギー源として太陽熱を使用した第３の実施形態に係る発電システムの概略図である。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態に係る超臨界ＣＯ_２ガスタービンと、これを用いた発電装置及び発電システムを説明する。
（第１の実施形態）
図１には、本発明の第１の実施形態に係る１基の軸流式超臨界ＣＯ_２ガスタービン１が示されている。超臨界ＣＯ_２ガスタービン１は、一つの回転軸Ａの周りに回転可能な細長い回転軸体３を備えている。矢印Ｂ方向は、超臨界ＣＯ_２ガスが回転軸体３の表面に沿って流れる方向である。回転軸体３には、矢印Ｂ方向に直列に、低圧圧縮機４と、高圧圧縮機５と、バイパス圧縮機６と、ガスタービン部７とが、一軸連結されている。回転軸体３の一端部は、ジャーナルベアリング９によって回転可能に軸支され、回転軸体３の他方の端部は、ジャーナルベアリング１０とスラストベアリング１４（油軸受けや磁気軸受け（特に、熱源への油混入を防ぐのに効果的である））によって回転可能に軸支される。また、構成機器（４、５、６、７）の間には、圧縮機側とガスタービン側との押し合いを緩和するためのバランスピストン１１が設けられている。バランスピストン１１は、軸方向に摺動するピストンの両側にある部屋（図示しない）の各々のガス圧を、両側の部屋を連通する配管に設けられた制御弁の開閉を制御することによってバランスするよう調節し、これによって、ベアリング９、１０、１４に掛かる全軸方向力を低減させる。

回転軸体３は、剛体であるため、回転軸体３が回転軸Ａの周りに回転されるとき、これに連結された低圧圧縮機４、高圧圧縮機５、バイパス圧縮機６及びガスタービン部７は、同一方向に同一の回転数で回転する。

ガスタービン部７は、低圧圧縮機４、高圧圧縮機５及びバイパス圧縮機６により圧縮された超臨界ＣＯ_２ガスによって回転され、この回転によって低圧圧縮機４、高圧圧縮機５及びバイパス圧縮機６も回転されるため、ガスタービン部７に供給する超臨界ＣＯ_２ガスの圧縮仕事をなすことになる。後述するようにガスタービン部７は、圧縮機４〜７以外の構成機器から供給される超臨界ＣＯ_２ガスによっても回転する。

図１に示されるように、低圧圧縮機４、高圧圧縮機５、バイパス圧縮機６及びガスタービン部７は、各々、回転軸Ａ方向に直列に配置された複数の段構造８を備えている。図２に示されるように、複数の段構造８の各々は、回転軸体３から径方向に延在する複数の翼部１２が周方向に配列されている。超臨界ＣＯ_２ガスタービン１は、ハウジング１３によって覆われており、後述する超臨界ＣＯ_２ガスの発電システムにおける閉循環システムを構成している。

図３には、超臨界ＣＯ_２ガスタービン１を用いた発電装置２が示されている。同図に示されるように、回転軸体３の一方の端部には、発電機１５が連結されており、回転軸体３が回転することによって発電機１５も回転され、電力を発生する。発電機１５は、分解点検の際に圧縮機のようなターボ機器とは点検要項が異なり、作業場所が異なることから、圧縮機群４〜７とは分離可能に構成されるのが好ましい。図３の例では、発電機１５は、ガスタービン部７側の回転軸体３の端部に連結されているが、低圧圧縮機４側の回転軸体３の反対側端部に連結されていてもよい。さらに、超臨界ＣＯ_２ガスタービン１を大型化する場合等には、圧縮機群４〜７と、ガスタービン部７とを分離可能に構成するのが好ましい。

発電装置２は、超臨界ＣＯ_２ガスの閉循環システム３０をさらに備えている。閉循環システム３０は、図示しない外部の熱エネルギー源からの熱エネルギーを超臨界ＣＯ_２ガスに与えるための主熱交換器２０と、熱エネルギー源によって加熱された超臨界ＣＯ_２ガスをガスタービン部７に供給して回転軸体３を回転させるため、主熱交換器２０内の熱交換配管の出口側とガスタービン部７の入口側とを接続する第１の配管２１と、ガスタービン部７の出口側から出た超臨界ＣＯ_２ガスを低圧圧縮機４の入口側へと導く第２の配管２２と、を備えている。

また、超臨界ＣＯ_２ガスの閉循環システム３０は、バイパス圧縮機６から出た超臨界ＣＯ_２ガスの一部を主熱交換器２０に戻すため、バイパス圧縮機６の出口側と主熱交換器２０内の熱交換配管の入口側とを接続する第３の配管２３と、ガスタービン部７の出口側から出た超臨界ＣＯ_２ガスの一部をバイパス圧縮機６に戻すため、第２の配管２２から分岐してバイパス圧縮機６の入口側へと接続される、第４の配管２４と、を備えている。

さらに、超臨界ＣＯ_２ガスの閉循環システム３０は、第２の配管２２の経路上に第１の再生熱交換器２７ａを備えている。第３の配管２３は、第１の再生熱交換器２７ａ内を通過し、これによって、ガスタービン部７の出口側から出て第２の配管２２を通る超臨界ＣＯ_２ガスによって、バイパス圧縮機６から主熱交換器２０へと戻る超臨界ＣＯ_２ガスを再生加熱する。

超臨界ＣＯ_２ガスの閉循環システム３０は、高圧圧縮機５で圧縮された超臨界ＣＯ_２ガスの一部を主熱交換器２０に戻すため、高圧圧縮機５の出口側から延びて、第１の再生熱交換器２７ａの上流の位置で第３の配管２３に合流する第５の配管２５をさらに備える。

超臨界ＣＯ_２ガスの閉循環システム３０は、第２の配管２２の経路上の第１の再生熱交換器２７ａの下流で第４の配管２４の分岐点の上流に第２の再生熱交換器２７ｂをさらに備える。第５の配管２５は、第３の配管２３と合流する前に、第２の再生熱交換器２７ｂ内を通過し、これによって、ガスタービン部７の出口側から出た超臨界ＣＯ_２ガスによって、高圧圧縮機５から主熱交換器２０へと戻る超臨界ＣＯ_２ガスを再生加熱する。第３の配管２３と合流した、高圧圧縮機５からの超臨界ＣＯ_２ガスは、バイパス圧縮機６から出て第３の配管２３を通る超臨界ＣＯ_２ガスと共に第１の再生熱交換器２７ａによって、さらに再生加熱される。

超臨界ＣＯ_２ガスの閉循環システム３０は、第２の再生熱交換器２７ｂと低圧圧縮機４の入口側との間の第２の配管２２に、該第２の配管２２を流れる超臨界ＣＯ_２ガスを冷却する前置冷却器２８をさらに備える。これによって、より低温の超臨界ＣＯ_２ガスを超臨界ＣＯ_２ガスタービン１に供給することができる。

超臨界ＣＯ_２ガスの閉循環システム３０は、低圧圧縮機４の出口側から高圧圧縮機５の入口側へと接続する第６の配管２６をさらに備え、第６の配管２６は、低圧圧縮機４により圧縮されたガスの一部を冷却して高圧圧縮機５に供給する中間冷却器２９をさらに備える。

ここでの圧縮機４〜６の主目的はできるだけ少ない仕事で復圧することであり、高温では圧縮効率が低下するため低温化して最低動力下で運転する必要があり、そのため低圧圧縮機４及び高圧圧縮機５で復圧後に再生熱交換器２７ａ、２７ｂにより必要な戻り温度まで再加熱する。ただし、バイパス圧縮機６は例外で、高温運転を可能とする設計となっている。バイパス圧縮機６では、処理量を少なくしているが、必要動力はその分大きくなる。そのため、当該バイパス圧縮機の必要段数は低・高圧圧縮機に比して多くなっている。

本発明によれば、上述した発電装置２と熱エネルギー源とを組み合わせて発電システムを構築することができる。発電装置２と組み合わせるべき熱エネルギー源は、後述する火力、核分裂炉、核融合炉、及び自然エネルギー等の熱源のいずれかであってもよい。ここで、自然エネルギーとして、後述する太陽熱、又は、地熱を用いることができる。また、核融合炉については、後述するヘリカル炉、トカマク炉、レーザ炉、タンデムミラー炉、常温核融合炉等さまざまな炉系に対応可能である。

例えば、図１１（Ａ）に示す火力熱源５０を１００ＭＷ級の熱エネルギー源として用いた場合、図１１（Ｂ）に示されるように、発電システム９０は、発電装置２と、火力発電用のタービン５３と、ボイラー５２と、ボイラー５２の内部に配置された主熱交換器２０のＣＯ_２配管とを備えて構成される。また、図１１（Ｃ）に示すヘリカル炉５１を３ＧＷ級の熱エネルギー源として用いる発電システム９０ａの構築も可能である。図１１（Ｃ）の例については第２の実施形態において後述する。

低圧圧縮機４、高圧圧縮機５、バイパス圧縮機６及びガスタービン部７の構成機器の各々は、対象とする発電電力において、所望のパラメータを達成するため各種条件の許容範囲をそれぞれ満足するように設計されている。この設計において、構成機器４〜７は、同一の回転数で回転するのであるから、構成機器４〜７のすべてに許容可能な回転数は拘束されることになる。また、構成機器４〜７を順次通って超臨界ＣＯ_２ガスが流れるのであるから、構成機器４〜７のすべてに許容可能な超臨界ＣＯ_２ガスの流量も拘束されることになる。

表１には、外部熱源容量１００MWから３GWの範囲のうち、１００ＭＷ級発電システム１基における各構成機器の性能限界範囲が示されている。各構成機器の所望のパラメータとして、より高いサイクル熱効率を達成するため、低圧圧縮機４、高圧圧縮機５及びバイパス圧縮機６の断熱効率が８０％以上であり、ガスタービン部７の断熱効率が９０％以上としている。

表１より、１００ＭＷ級で１基の発電装置２の設計を行う場合、超臨界ＣＯ_２流体流量２００Ｋｇ／ｓ相当及び共通回転数１０，０００ｒｐｍにおいて設計成立性があると判断することができる。すなわち、本発明の第１の実施形態によれば、１００ＭＷ級発電システムにおいて圧縮機４〜６及びガスタービン部７を、複数の翼部を有する段構造を複数備えるように構成したことにより、高い断熱効率を達成しつつ、許容可能な超臨界ＣＯ_２ガス流量を用いながら許容可能な共通回転数で回転する一軸設計が可能になる。

表２には、外部熱源容量１００MWから３GWの範囲のうち、３ＧＷ級発電システムにおける各構成機器の性能限界範囲が示されている。各構成機器の所望のパラメータとして、１００ＭＷ級発電システムと同様に、より高いサイクル熱効率を達成するため、低圧圧縮機４、高圧圧縮機５及びバイパス圧縮機６の断熱効率が８０％以上であり、ガスタービン部７の断熱効率が９０％以上としている。

表２より、３ＧＷ級で１基の発電装置２の設計を行う場合、超臨界ＣＯ_２流体流量１５，０００Ｋｇ／ｓ相当及び共通回転数２，０００ｒｐｍにおいて設計成立性があると判断することができる。すなわち、本発明の第１の実施形態によれば、３ＧＷ級発電システムにおいて圧縮機４〜６及びガスタービン部７を、複数の翼部を有する段構造を複数備えるように構成したことにより、高い断熱効率を達成しつつ、許容可能な超臨界ＣＯ_２ガス流量を用いながら許容可能な共通回転数で回転する一軸設計が可能になる。

上記のような設計において、表１、表２で各構成機器４〜７の許容可能な各種条件として、構成機器４〜７の各々の段構造当たりの翼部の数、翼部の強度、出入口温度/圧力/流速、圧損、並びにスタートアップ時の構成機器４〜７の危険速度をさらに考慮することもできる。

次に本発明の第１の実施形態の作用を説明する。
発電装置２の起動時には、外部の熱エネルギー源を稼働すると共に、発電機１５に外部商用電源の電力を供給することにより発電機１５をモータとして機能させて超臨界ＣＯ_２ガスタービン１を回転させる。ガスタービン１の回転とともに超臨界ＣＯ_２ガスが閉循環システム３０の配管内を圧縮機により昇圧されながら循環開始する。主熱交換器２０を流れる超臨界ＣＯ_２ガスには、外部の熱エネルギー源から熱エネルギーが移行し、加熱された超臨界ＣＯ_２ガスが第１の配管２１を通ってガスタービン部７の入口側へと供給される。ガスタービン部７は、供給された超臨界ＣＯ_２ガスによって回転し、この回転は、回転軸体３を通して、低圧圧縮機４、高圧圧縮機５、バイパス圧縮機６に伝えられ、これらの圧縮機４〜６及びガスタービン部７は同一回転数で回転する。超臨界ＣＯ_２ガスタービン１の自立運転が可能と判断したとき、商用電源から発電機１５への電力供給をオフにし、発電機１５を発電モードに切り替える。

超臨界ＣＯ_２ガスは、回転軸体３に沿って、回転駆動されている低圧圧縮機４、高圧圧縮機５、バイパス圧縮機６を通過しながら、より高温高圧のガスへと順次圧縮され、バイパス圧縮機６から出た超臨界ＣＯ_２ガスはガスタービン部７を回転させる。これによって、回転軸体３に連結された発電機１５が回転し発電を行う。ガスタービン部７を回転させる仕事を行った超臨界ＣＯ_２ガスは、配管２２を通って２基の再生熱交換器（２７ａ、２７ｂ）を通過し、その際に後述する主熱交換器２０への戻りパスを流れる超臨界ＣＯ_２ガスに熱エネルギーを与えることにより低温となり、さらに前置冷却器２８により冷却されて、低温低圧状態で低圧コンプレッサ４へと送られ、上述したように、圧縮機群により再度圧縮されてガスタービン部７を回転させる仕事をなす。再生熱交換器２７ｂを出た超臨界ＣＯ_２ガスの一部は配管２４を通ってバイパス圧縮機６に送られ、バイパス圧縮機６により圧縮された超臨界ＣＯ_２ガスの一部は、配管２３を通って再生熱交換器２７ａを通過して熱エネルギーが与えられ、主熱交換器２０へと戻ってさらに加熱され、配管２１を通ってガスタービン部７に送られる。また、高圧圧縮機５により圧縮された超臨界ＣＯ_２ガスの一部も、配管２５を通って再生熱交換器２７ｂ、２７ａを順次通過して加熱され、主熱交換器２０へと送られる。すなわち、低圧圧縮機４、高圧圧縮機５では、運転動力を小さくするため、超臨界ＣＯ_２ガスを低温で復圧し、バイパス圧縮機６では、運転動力は高くなるが、高温となった超臨界ＣＯ_２ガスを復圧する。

本願発明の第１の実施形態によれば、圧縮機及びガスタービンを回転させる媒体として、超臨界ＣＯ_２ガスを用いているため、超臨界点近傍での気体分子間力の特異性により圧縮仕事が軽減されるとともに、下記バイパス経路ならびにバイパス圧縮機を導入することで低/高圧縮機運転動力を低減化させている。圧縮仕事は同じ閉サイクルヘリウムガスタービンに比べると半減される。さらに、ガスタービン部７の出口から二基の再生熱交換器（２７ａ、２７ｂ）を通した主ＣＯ_２媒体流体の一部を約半半（低/高圧圧縮機流量275.8815kg/s、バイパス流量205.1797kg/s）にバイパスさせ、その一部を前置冷却器２８で冷却後、低圧縮機４により復圧するパス（第２の配管２２）と残りのＣＯ_２媒体をそのままの温度圧力で直接バイパス圧縮機６に投入して復圧するパス（第４の配管２４）とのバイパス方式を採用することにより、従来このバイパス経路の無いブレイトンサイクル方式で約２０〜３５％程度であった発電効率を飛躍的に改善することができる。また、低圧圧縮機４から高圧圧縮機５へと流れるガスの一部を第６の配管２６でバイパスさせ、中間冷却器２９で冷却してから高圧圧縮機５に戻しているため、低/高圧圧縮機運転動力の低減が可能となる。さらに、高圧圧縮機５により圧縮されたガスの一部を、第５の配管２５を通して、第２の再生熱交換器２７ｂ、第１の再生熱交換器２７ａを通過させて加熱し、主熱交換器２０へと戻すことで1次系熱サイクル（550℃/384℃）への温度要求仕様に対応が可能となる。

閉サイクルガスタービンサイクルの有効仕事はタービン仕事から圧縮機仕事を差し引いたものであり、有効仕事と熱入力の比がサイクル熱効率であるから、同一タービン入口ガス温度で比較すると、図７（Ａ）に示されるように、５％程度高いサイクル熱効率が得られる。開放ランキンサイクルである蒸気タービンと比較すると、圧縮仕事は大きいがタービン効率が高いことから同一タービン入口温度では同程度の熱効率となる。

図４に、１００ＭＷ級の電力に相当する熱エネルギー源とこれに対応して設計された発電装置２とを備える発電システム９０を示す。図４には、各構成機器の超臨界ＣＯ_２ガスの温度、圧力、流量、消費電力或いは発生電力の一例が示されている。図４の発電装置２では、低圧圧縮機４の圧縮仕事率が１．５５ＭＷ、高圧圧縮機５の圧縮仕事率が５．５ＭＷ、バイパス圧縮機６の圧縮仕事率が１３．８ＭＷであり、これらの圧縮機４〜６により圧縮された超臨界ＣＯ_２ガスによってガスタービン部７に与えられる回転仕事率が６６．４５ＭＷである。従って、発電機１５の発電電力は、６６．４５ＭＷ−（１．５５ＭＷ＋５．５ＭＷ＋１３．８ＭＷ）＝４５．６ＭＷ（図４では、正確な値を用いて、６６．４４８２−（１．５５４＋５．４９３＋１３．７７）＝４５．６３ＭＷとなる）となる。外部熱エネルギーが主発電機２０に与えるパワーは、１００ＭＷであるから、図４に示される発電システムでは、４５．６３／１００＝４５．６３％のサイクル熱効率を達成している。なお、図４に示される配管系及び熱交換器の構成は、一例に過ぎず、主熱交換器２０を介する１次系熱源運転温度が550℃/384℃の場合で、1次系の要求温度によって（例えば600℃/400℃）システム仕様が変わるとともに熱効率が向上することはいうまでもない。

図５に、３ＧＷ級の電力に相当する熱エネルギー源とこれに対応して設計された発電装置２とを備える発電システム９０ａを示す。図５の発電装置２では、低圧圧縮機４の圧縮仕事率が４８．３ＭＷ、高圧圧縮機５の圧縮仕事率が１６３．３ＭＷ、バイパス圧縮機６の圧縮仕事率が４１２．９ＭＷであり、これらの圧縮機４〜６により圧縮された超臨界ＣＯ_２ガスによってガスタービン部７に与えられる回転仕事率が２０１０．７ＭＷである。従って、発電機１５の発電電力は、２０１０．７ＭＷ−（４８．３ＭＷ＋１６３．３ＭＷ＋４１２．９ＭＷ）＝１．３８６ＧＷとなる。外部熱エネルギーが主熱交換器２０に与えるパワーは、３ＧＷであるから、図４に示される発電システムでは、１．３８６／３＝４６．２％のサイクル熱効率を達成している。

表３には、表１、２に基づいて１００ＭＷ級及び３ＧＷ級の各々で設計された超臨界ＣＯ_２ガスタービン１の図１に示す代表的な最小各種寸法の具体的数値が示されている。なお、各種寸法において、Ｌは長さ、Ｄは直径を示している。

表３より、１００ＭＷ級発電システムでは、長さＬ＝２．５ｍ、最大直径L_ByC＝０．９８ｍとなり、３ＧＷ級発電システムでは、最小軸長長さＬ＝１０．０ｍ、最大直径L_ByC＝５．０ｍとなり、本発明の構成を用いて非常にコンパクトな超臨界ＣＯ_２ガスタービンを実現できることが理解できる。

ガスタービンの寸法について本発明と従来技術とを比較すると、蒸気タービンでは１０ＭＰａ程度の入口圧力から０．００５ＭＰａの出口圧力まで蒸気を膨張させる、即ち約２０００倍に膨張させるために出口寸法は巨大になる。一方、超臨界ＣＯ_２ガスタービンの膨張比は約２．５であるので、図７（Ｂ）に示されるようにタービン寸法は格段に小さい。またシステム構成でも、蒸気タービンは多数段の給水加熱や脱気器等を必要とするのに比べて、新たに必要な機器は再生熱交換器のみであって、非常にシンプルである。さらに当該発電システムを縦置き配置による省スペース化により発電施設の大幅な容積低減を実現でき、したがって資本費節約を期待できる。600MW級Ｎａ冷却高速炉や3GW級核融合炉発電システムに適用した場合の建屋の比較を図７（Ｃ）に示す。タービン建屋の容積は６０％まで大幅に低減される。
（第２の実施形態）
第２の実施形態は、３ＧＷ級の核融合炉を備える、図５に示した発電システム９０ａに関する。

図５に示されるように、第２の実施形態に係る発電システム９０ａは、熱エネルギー源として、３ＧＷの外部火力熱源５０（または商用電源）と、３ＧＷの核融合炉５１とを切り替えて用いる。主熱交換器２０には、溶融塩としてFLiNaKを循環させる１次系ループ３１が設けられており、このFLiNaK循環１次系ループ３１を流れるFLiNaKが外部火力熱源５０と核融合炉５１とのいずれかを循環することによって、それらの熱エネルギーを主熱交換器２０を介して超臨界ＣＯ_２の閉循環システム３０（２次循環系）にもたらす。ここで、１次循環系３１の主熱交換器２０への入口側の温度は６００℃、出口側の温度は４００℃となり、これに対して２次循環系３０の主熱交換器の入口側の温度は３８２℃、出口側の温度は５５０℃となり、熱損失を小さく抑えている。

核融合炉５１は、一例として連続運転可能なヘリカル炉であり、図１１（Ｃ）に示されるように、ヘリカル炉５１の側部にブランケット５５が配置されており、ブランケット５５の内部には、FLiNaK１次循環系ループ３１の配管が配置されており、炉内の高温プラズマによりFLiNaKが加熱される。

次に、第２の実施形態に係る発電システム９０ａを起動・運転・停止する方法を図６のフローチャートを用いて説明する。
図６のフローチャートに示されるように、起動前の状態では、溶融塩FLiNaKがリザーバータンク３２（図５）に常温／常圧で貯蔵され、ＣＯ_２がリザーバータンク３３（図５）に常温／常圧で貯蔵され、ヘリカル炉５１が停止状態（常温／常圧）となっている（ステップ１００）。起動要求があるまでこの状態が維持される（ステップ１０２否定判定）。起動要求があると（ステップ１０２肯定判定）、リザーバータンク３３（図５）からＣＯ_２を超臨界状態にした上で２次循環系３０に供給すると共に外部商用電源（−６２４．６ＭＷ）を用いて超臨界ＣＯ_２ガスタービン１ｂを駆動開始し（ステップ１０４）、１次循環系３１からの受熱を準備する。これは、発電機１５をモータとして機能させるべく発電機１５に外部商用電源の電力を供給して超臨界ＣＯ_２ガスタービン１ｂを回転することによってなすことができる。このとき圧縮機４〜７により超臨界ＣＯ_２ガス（１４．２６Ｔｏｎ／ｓ）の復圧が行われる。

次に室温状態（３００Ｋ）のFLiNaKの１次循環系３１に３ＧＢ外部火力熱源５０（または商用外部電源（−１．９３３ＭＷ以上））を用いて、循環のための溶融最低温度（６５７Ｋ）にまで温度を上げて、ポンプ３６（図５）を用いて１次循環系３１のFLiNaKの循環駆動を開始する（ステップ１０６）。１次循環系３１から２次循環系３０へと熱交換器２０を介して熱輸送が開始されると、２次循環系の商用外部電源をオフにし、３ＧＷ外部火力熱源／商用電源供給５０を用いた１次循環系３１の循環により熱交換された超臨界ＣＯ_２ガスのガスタービン発電システムによる自己発電運転（＋１３８６．２ＭＷ）を開始する（ステップ１０８）。

１次循環系３１及び２次循環系３０の運転および冷却系が安定化すると（ステップ１１０肯定判定）、超臨界ＣＯ_２ガスタービン発電システムの電力の一部（−３１２ＭＷ）をヘリカル炉５１に供給し３ＧＷ熱出力運転を開始する（ステップ１１２）。

プラズマ出力上昇時に徐々に外部火力電源５０をFLiNaKの１次循環系３１から切り離すと同時にブランケット５５（図１１（Ｃ））から１次循環系３１を介して２次循環系３０へ熱供給を開始する（ステップ１１４）。

３ＧＷ熱出力プラズマからブランケット５５（図１１（Ｃ））を介して１次循環系３０、２次循環系３０へ熱供給を行うと共に、超臨界ＣＯ_２ガスタービン発電システムからの電気出力（＋１３８６．２ＭＷ）及びヘリカル運転維持電力（−２８３ＭＷ）を確保することで発電システムの運転（＋１１０３．２ＭＷ）を安定化する（ステップ１１６）。

ヘリカル炉５１の運転が安定すると（ステップ１１８肯定判定）、発電された電力を外部に供給する（ステップ１２０）。このとき、ヘリカル炉５１の本体要求電源はー２８．７ＭＷに下がることから正味の発電量は、＋１３５７．５ＭＷに増加する。電気出力のうち０．５ＭＷ分を起動用水素燃料製造に充てた際の外部供給電力量は＋１３５７ＭＷとなり、発電効率は４５．２％となる。

発電停止要求があると（ステップ１２２肯定判定）、超臨界ＣＯ_２ガスタービン発電システムからヘリカル炉５１の運転要求電力を徐々に低減し、プラズマ出力を低下させる（ステップ１２４）。これと同時に１次循環系のFLiNaKをリザーバータンク３２へと移送し、外部商用電源からの圧縮機駆動用電力（−６２４．６ＭＷ）を供給することで、２次循環系のＣＯ２をリザーバータンク３３へ移送し、発電システム全体を完全停止する初期状態へと戻る（ステップ１００）。
（第３の実施形態）
第３の実施形態は、熱エネルギー源として、太陽熱を用いた発電システムに関する。以下、図１２を用いて第３の実施形態に係る発電装置２ｃを説明する。なお、図１２において、第１及び第２の実施形態と同様の構成要件については同様の参照番号を附して詳細な説明を省略する。

図１２に示されるように、第３の実施形態に係る発電システム９０ｃは、タワー６０と、少なくともタワー６０内を通過して循環する溶融FLiNaKの配管６２を有する１次循環系６７と、上述された超臨界ＣＯ_２ガスタービン１を有する２次循環系としての閉循環システム３０と、を備えている。

タワー６０は、その頭部に集熱部６１を備えており、集熱部６１は、太陽光を受けて加熱される。集熱部６１にはFLiNaKの配管６２が配設されており、集熱部６１が太陽光を受けたとき熱が発生し、その熱で配管６２内のFLiNaKが加熱される。また、タワー６０の周囲の例えば地面の上には複数のミラーとして構成されたヘリオスタット６３が配置されている。ヘリオスタット６３は、反射した太陽光が集熱部６１に集光されるように向きづけられており、太陽の天球上での動きに合わせて向きを自動的に変えることで、太陽が出ている限り、集熱部６１には太陽光が直接照射されると共にヘリオスタット６３から反射した太陽光が照射され続ける。

１次循環系６７は、集熱部６１から下る配管６２が接続されて太陽光で加熱されたFLiNaKを蓄える高温溶融塩タンク６４と、高温溶融塩タンク６４から延びて２次循環系の主熱交換器２０の入口に接続される配管６２ａと、主熱交換器２０の出口から延びる配管６２ｂと、配管６２ｂに接続されて、主熱交換器２０で超臨界ＣＯ_２ガスに熱を与えて低温になったFLiNaKを蓄える低温溶融塩タンク６５と、低温溶融塩タンク６５内に蓄えられたFLiNaKを再び、タワー６０の集熱部６１まで汲み上げるためのポンプ６６と、を備えている。

第３の実施形態によれば、低温溶融塩タンク６５に蓄えられていたFLiNaKが、ポンプ６６によりタワー６０の集熱部６１まで汲み上げられて集熱部６１を流れる間に太陽熱で加熱され、配管６２を流れ下って高温溶融塩タンク６４に一旦、蓄えられる。高温溶融塩タンク６４内の高温FLiNaKは、配管６２ａを通って主熱交換器２０へと至り、そこで、２次循環系３０内を流れる超臨界ＣＯ_２ガスとの熱エネルギーの交換が行われる。熱エネルギーを失って低温となったFLiNaKは、主熱交換器２０から出て配管６２ｂを通って低温溶融塩タンク６５に至り、再び循環されて太陽熱により加熱される。１次循環系６７を流れるFLiNaKにより加熱された超臨界ＣＯ_２ガスは、超臨界ＣＯ_２ガスタービン１を回転させる仕事を行い、発電機１５が回転することにより発電が行われる。

熱放射エネルギーは絶対温度の４乗に比例して増大するため、集熱部６１が高温になり過ぎると、放射熱損失が大きくなるが、集熱部６１を流れるFLiNaKに速やかに熱エネルギーが移行するため、放射熱損失も小さく抑えることができる。

上記例では、蓄熱材溶融塩としてFLiNaKを用いているが、本発明は、この例に限定するものではない。例えば、太陽熱の蓄熱材溶融塩として金属アルミニウムを用いることもできる。アルミニウムは熱伝導率が大きく、伝熱に有利な上、６６０℃で溶融し、融解熱及び比熱が大きいので、蓄熱（融解熱、顕熱）に有利となる。また、太陽光が照射されるその場で、蓄熱することができるので、溶融したアルミニウムの配管は不要となる。さらに、性能劣化が少なく、半永久的に使用可能となるので、保守費用も安価となる。

太陽熱により金属アルミニウムの温度が上昇すると、上述した放射熱損失が生じるので、液体ナトリウムが循環する冷却系を金属アルミニウムに配置しておけば、温度を一定以下に抑えて放射熱損失を低減させることができる。そして、熱エネルギーを吸収した液体ナトリウムの循環系を第１の実施形態に係る発電装置２の主熱交換器２０に配置すれば、超臨界ＣＯ_２ガスを加熱して発電を行うことができる。
（第４の実施形態）
第４の実施形態は、商用電源等に対応した、超臨界ＣＯ_２ガスタービン１と発電装置１５との組み合わせに関する。なお、以下の説明では、第１の実施形態等（図１〜図３）と同一の構成要件については同一の参照番号を附して詳細な説明を省略し、異なる部分について説明する。

図８には、超臨界ＣＯ_２ガスタービン１において入力電力（ＧＷ）に対する回転軸体３の制御回転数（ｒｐｍ）と、圧縮機４〜６の設計許容回転数範囲（上下限ドット範囲で示す）とが示されている。図８に示されるように、軸流圧縮機１軸設計における当該発電システムの設計限界はその制御回転数において厳しくその制約を受ける。５０〜６０Ｈｚの通常発電に合わせた発電機同調回転数（3,600rpm)を一軸圧縮機側に求める場合、１〜２ＧＷ発電であれば対応可能である。しかしながら、２ＧＷ以上では低速回転域、１ＧＷ以下では高速回転域があり、発電機１５と構成機器（圧縮機４〜６、ガスタービン部７）の間での同調操作・機構が必要となる。

そこで、第４の実施形態では、図９に示されるように、ガスタービン１と発電機１５との間の接続部に回転数変換機構（例えば遊星歯車機構）４０を設けた発電装置２ａを提供する。これによって、ガスタービン１の回転数を、５０〜６０Ｈｚの発電機１５に対応する回転数(３６００ｒｐｍ）に変換することが可能となる。例えば、０．１ＧＷの発電装置２の場合、ガスタービン１の制御回転数１０，０００ｒｐｍを５０〜６０Ｈｚの発電機１５のための３，６００ｒｐｍに変換することができる。また、３ＧＷの発電装置２の場合、ガスタービン１の制御回転数２，０００ｒｐｍを３，６００ｒｐｍに変換することができる。第４の実施形態によれば、圧縮機４〜７やガスタービン部７の設計の自由度が増大するため、発電効率のよい発電装置２ａを容易に設計、構築することが可能となる。なお、1〜２ＧＷの発電装置の場合は、回転数変換機構４０を設けなくともよい。
（第５の実施形態）
第５の実施形態は、メンテナンスを容易にした発電装置に関する。なお、以下の説明では、第１の実施形態等（図１〜図３）と同一の構成要件については同一の参照番号を附して詳細な説明を省略し、異なる部分について説明する。

図１０には、１００ＭＷ級の発電装置２ｂのメンテナンス法の一例が示されている。本発明では、上述の通りガスタービン系が超小型化することが可能となるため、プラント設備のコンパクト化に効果のある縦型配置を実現することができる。図１０の発電装置２ｂでは、超臨界ＣＯ_２ガスタービン１と発電機１５とが連結された状態で、蓋部４１付きの容器１７内に回転可能に縦に収容される。図３、図４に示されている閉循環システム３０の少なくとも一部の機器・配管系１６も容器１７内に収容されている。例えば、一部の機器・配管系１６には、配管２１〜２６、再生熱交換器（２７ａ、２７ｂ）、前置冷却器２８、中間冷却器２９等が含まれていてもよい。主熱交換器２０に関しては、大型になる場合には、容器１７内に収容することができないため、容器１７に、外部の主熱交換器から配管２１、２３に接続するためのポートを設ける。

超臨界ＣＯ_２ガスタービン１と発電機１５とを分解点検する際は、蓋部４１を外して、その中から、一方向に引っ張り上げて一軸連結された超臨界ＣＯ_２ガスタービン１と発電機１５とを取り出すだけでよい。点検し修理が完了した後には、点検済の超臨界ＣＯ_２ガスタービン１と発電機１５とを容器１７内に入れて蓋部４１で閉じることで容易に組み立てを行うことができる。超臨界ＣＯ_２ガスタービン１と発電機１５とは一軸連結されているため、引っ掛かりがなく、非常にスムーズに出し入れを行うことができる。

さらに、閉循環システム３０を循環する超臨界ＣＯ_２ガスを冷却材として外部へ噴出するための開閉可能な噴出口（図示しない）を設けることもできる。
以上説明した本発明の効果を項目別に要約すると、以下の通りとなる。
（１）熱効率４５.６３％を超える工学的成立性については、図４のヒート・マスバランスにより各コンポーネント間での必要熱量（Heat Duty）により設計バランスが取れた発電システムを構築することができる。
(２)コンパクト性については、低圧圧縮機/高圧圧縮機/バイパス圧縮機/ガスタービン/発電機を１軸設計することにより発電系における最小コンパクト化を実現し、さらには縦置き配置により、熱源本体を含む発電設備全面積を（さらにタービン発電システムを縦置き設計することにより）世界最小に抑えることが可能となる。
(３)経済性については、上記(1)の高効率化と（２）コンパクト化により発電設備建設コストが少なくとも同規模の蒸気発電設備に比して1/10程度に削減できる。
(４)保守性については、1軸設計としており主要構成機器基数を最小限に抑えてあること、同軸1軸設計により分解点検は動力容器から全機種を引き出すことにより効率的に行うことが可能となる。また、予備コンポーネントにそのまま入れ替え、保守点検工期の短縮化を図れる。
(５)製造可能性については、本設計範囲において施設規模ならびに構造強度、材料強度学的に十分な設計許容範囲にあるとともに、施設製造規模においても現存製造技術により製造・検査が十分に可能である。
(６)商用性については、熱源容量（数10〜数GW）により様々な高温熱源との運転条件で対応できる、高効率、低コスト、省スペース/軽量を特徴とする極めて汎用性の高い超臨界CO2ガスタービン発電システムを実現できる。特に日本国における常用電源周波数は50〜60Hzであり、本設計本体の回転数を３６００ｒｐｍに設定することにより、商用電源化に対応することも可能である。
(７)安全性については、ＣＯ_２は非可燃性/不活性冷却材であるとともに、上記原子力発電への適用において原子炉本体1次系から発生するトリチウムを含む各種核分裂生成物（以下FP：Fission Products）は２次系の超臨界ＣＯ_２ガスタービン発電システムに混入拡散した場合においても水冷却材のような化合物化せず、分離回収が可能である。また、1次系に水蒸気爆発や水素爆発がなどの不具合が生じた場合、２次系ＣＯ_２冷却材を消火剤として用いた鎮火、冷却作業を行うことができる。

以上が本発明の実施形態であるが、本発明は上記例に限定されるものではなく、本発明の範囲内において任意好適に変更可能である。
例えば、上記実施形態では、１００ＭＷ級及び３ＧＷ級の熱エネルギー源を一例にしたが、本発明のガスタービン及び発電装置は、かかる例以外の電力の熱エネルギー源に対応するように超臨界ＣＯ_２ガスタービン、発電装置及び発電システムを設計・構築することが可能である。一例として、３ＧＷの発電電力に達しない１〜２ＧＷ級の熱エネルギー源も考えられる。

１ 超臨界ＣＯ_２ガスタービン
２、２ａ、２ｂ 発電装置
３ 回転軸体
４ 低圧圧縮機
５ 高圧圧縮機
６ バイパス圧縮機
７ ガスタービン部
８ 段構造
９、１０ ジャーナルベアリング
１１ バランスピストン
１２ 翼部
１３ ハウジング
１４ スラストベアリング
１５ 発電機
１６ 閉循環システムの少なくとも一部（配管、再生熱交換器、冷却器）
１７ 容器
２０ 主熱交換器
２１ 第１の配管
２２ 第２の配管
２３ 第３の配管
２４ 第４の配管
２５ 第５の配管
２６ 第６の配管
２７ａ 第１の再生熱交換器
２７ｂ 第２の再生熱交換器
２８ 前置冷却器
２９ 中間冷却器
３０ 超臨界ＣＯ_２ガスの閉循環システム（２次循環系）
３１ FLiNaK１次循環系
３２ FLiNaKリザーバータンク
３３ ＣＯ_２リザーバータンク
３４ 凝結器
３５ ポンプ
３６ ポンプ
４０ 回転数変換機構
４１ ハウジングの蓋部
５０ 火力熱源
５１ ヘリカル炉
５２ ボイラー
５３ 蒸気タービン
５４ 発電機
５５ ブランケット
６０ タワー
６１ 集熱部
６２、６２ａ、６２ｂ 溶融FLiNaKの配管
６３ ヘリオスタット
６４ 高温溶融塩タンク
６５ 低温溶融塩タンク
６６ ポンプ
６７ １次循環系
９０、９０ａ、９０ｂ 発電システム

Claims (15)

1. 超臨界ＣＯ _２ ガスを用いた発電装置であって、
   一つの回転軸の周りに回転可能な細長い回転軸体を有する超臨界ＣＯ _２ ガスタービンと、
   前記超臨界ＣＯ _２ ガスタービンの前記回転軸体の端部に一軸連結された発電機と、
   外部の熱エネルギー源により主熱交換器を介して加熱された超臨界ＣＯ _２ ガスを前記超臨界ＣＯ _２ ガスタービンを通して循環させる、超臨界ＣＯ _２ ガスの閉循環システムと、
   を備え、
   前記超臨界ＣＯ _２ ガスタービンは、
   超臨界ＣＯ_２ガスが前記回転軸体に沿って流れる方向に直列に
   １台の低圧圧縮機と、
   １台の高圧圧縮機と、
   １台のバイパス圧縮機と、
   前記低圧圧縮機、前記高圧圧縮機及び前記バイパス圧縮機により順次圧縮された超臨界ＣＯ_２ガスによって回転されるように配置された１台のガスタービン部と、
   を、構成機器として備え、
   前記閉循環システムにおいて前記主熱交換器から前記超臨界ＣＯ _２ ガスタービンへの超臨界ＣＯ _２ ガスの入口温度が５５０℃以上の条件で前記発電装置のサイクル熱効率が４５．６３％以上の熱効率目標及びコンパクト化を達成するため、
   前記構成機器が、同一方向に同一の回転数で回転するように前記回転軸体に一体となって一軸連結されると共に、前記構成機器は、各々、回転軸方向に直列に配置された複数の段構造を備え、
   前記複数の段構造の各々は、
   前記回転軸体から径方向に延在する複数の翼部が周方向に配列された軸流式の構成を有し、
   前記バイパス圧縮機は、前記低圧圧縮機及び高圧圧縮機よりも高温運転が可能で超臨界ＣＯ_２ガスへの圧縮仕事率がより大きく、
   前記回転軸体は、前記発電装置が対象とする発電電力に応じて所定の関係で一意に定まる特定回転数で回転するように制御され、
   前記低圧圧縮機、前記高圧圧縮機及び前記バイパス圧縮機の各々が断熱効率８０％以上、前記ガスタービン部が断熱効率９０％以上を達成するための、構造強度及び材料強度的に十分な前記構成機器の各々の設計限界範囲は、前記発電電力によって制限され、前記設計限界範囲は前記発電電力が大きくなるほど狭くなり、
   前記構成機器の各々の設計限界範囲は、少なくとも、許容流量、許容入口温度範囲、前記段構造の許容段数範囲、前記段構造当たりの翼部の数、並びに、各構成機器の軸方向長さ及び直径の各種条件に関するものであり、
   前記発電装置の前記熱効率目標及びコンパクト化が達成されるように、前記構成機器の性能限界範囲から前記構成機器の各々の各種条件の値が選択されていると共に、前記特定回転数が前記構成機器すべての許容回転数内に収まり、前記回転軸体に沿って流れる超臨界ＣＯ_２ガスの流量が各構成機器の前記許容流量内に収まっている、超臨界ＣＯ _２ ガスを用いた発電装置。
2. １００MWから３GW範囲における、前記発電装置１基当たりの発電電力が１００MWの場合の前記構成機器の各々の性能限界範囲は、下記表１の通りであり、
   
   １００MWから３GW範囲における、前記発電装置１基当たりの発電電力が３GWの場合の前記構成機器の各々の性能限界範囲は、下記表２の通りである、
   
   ことを特徴とする、請求項１に記載の超臨界ＣＯ _２ ガスを用いた発電装置。
3. 発電電力が１００ＭＷ及び３GWの各々における前記発電装置１基全体の軸長長さ及び軸直径が下記表３の通り最小コンパクト化されており、
   
   ここで、Ｌは軸方向長さ、Ｄは直径を表し、添え字LPC,HPC,LPC,turbinは、前記低圧圧縮機、前記高圧圧縮機、前記バイパス圧縮機及び前記ガスタービン部のものであることを表している、請求項２に記載の超臨界ＣＯ _２ ガスを用いた発電装置。
4. 前記各種条件は、前記構成機器の各々の翼部の強度、出入口温度/圧力/流速、圧損、並びにスタートアップ時の前記構成機器の危険速度をさらに含む、請求項１から３のいずれか１項に記載の発電装置。
5. 前記回転軸体を支持するため、該回転軸体の両端部に磁気ジャーナルベアリングを各々備え、一方の端部に磁気スラストベアリングを備える、請求項１から４のいずれか１項に記載の発電装置。
6. 前記低圧圧縮機、前記高圧圧縮機及び前記バイパス圧縮機と、前記ガスタービン部との間の押し合いを緩和するためのバランスピストンを備え、これによって前記磁気ジャーナルベアリング及び前記磁気スラストベアリングに掛かる全軸方向力を低減させる、請求項５に記載の発電装置。
7. 前記発電機は、前記同一の回転数で回転するように前記回転軸体に分離可能に連結されている、請求項１から６のいずれか１項に記載の発電装置。
8. 常用電源周波数５０〜６０Ｈｚに対応する特定回転数３６００ｒｐｍに対して前記所定の関係から導き出された発電電力を発生するように構成された、請求項１から７のいずれか１項に記載の発電装置。
9. 前記超臨界ＣＯ_２ガスの閉循環システムは、
   前記主熱交換器の内部に設けられた熱交換配管であって、前記主熱交換器は、前記熱交換配管内を流れる超臨界ＣＯ_２ガスに前記熱エネルギー源からの熱エネルギーを与える、前記熱交換配管と、
   前記熱エネルギー源によって加熱された超臨界ＣＯ_２ガスを前記ガスタービン部に供給して前記回転軸体を回転させるため、前記熱交換配管の出口側と前記ガスタービン部の入口側とを接続する第１の配管と、
   前記ガスタービン部の出口側から出た超臨界ＣＯ_２ガスを前記低圧圧縮機の入口側へと導く第２の配管と、
   前記バイパス圧縮機から出た超臨界ＣＯ_２ガスの一部を前記主熱交換器に戻すため、前記バイパス圧縮機の出口側と前記熱交換配管の入口側とを接続する第３の配管と、
   前記ガスタービン部の出口側から出た超臨界ＣＯ_２ガスの一部を前記バイパス圧縮機に戻すため、前記第２の配管から分岐して前記バイパス圧縮機の入口側へと接続される、第４の配管と、
   前記第２の配管の経路上に設けられた第１の再生熱交換器であって、前記第３の配管は、前記第１の再生熱交換器内を通過し、これによって、前記ガスタービン部の出口側から出た超臨界ＣＯ_２ガスによって、前記バイパス圧縮機から前記主熱交換器へと戻る超臨界ＣＯ_２ガスを再生加熱する、前記第１の再生熱交換器と、
   前記高圧圧縮機で圧縮された超臨界ＣＯ_２ガスの一部を前記主熱交換器に戻すため、前記高圧圧縮機の出口側から延びて、前記第１の再生熱交換器の上流の位置で前記第３の配管に合流する第５の配管と、
   前記第２の配管の経路上の前記第１の再生熱交換器の下流で前記第４の配管の分岐点の上流に設けられた第２の再生熱交換器であって、前記第５の配管は、前記第３の配管と合流する前に、前記第２の再生熱交換器内を通過し、これによって、前記ガスタービン部の出口側から出た超臨界ＣＯ_２ガスによって、前記高圧圧縮機から前記主熱交換器へと戻る超臨界ＣＯ_２ガスをさらに再生加熱する、前記第２の再生熱交換器と、
   前記第２の再生熱交換器と前記低圧圧縮機との間の前記第２の配管に設けられた前置冷却器と、
   前記低圧圧縮機の出口側から前記高圧圧縮機の入口側へと接続する第６の配管と、
   前記低圧圧縮機により圧縮されたガスの一部を冷却して前記高圧圧縮機に供給するため前記第６の配管に設けられた中間冷却器と、をさらに備える、請求項１から８のいずれか１項に記載の発電装置。
10. 前記超臨界ＣＯ_２ガスタービン、前記発電機、及び、前記閉循環システムの全体を覆う容器をさらに備える、請求項１から９のいずれか１項に記載の発電装置。
11. 前記超臨界ＣＯ_２ガスタービン及び前記発電機は、前記容器内に縦に収容される、請求項１０に記載の発電装置。
12. 前記容器は、開閉可能な蓋部を有し、該蓋部を開放することによって、少なくとも前記超臨界ＣＯ_２ガスタービン及び前記発電機を前記容器から出し入れ可能となる、請求項１０又は１１に記載の発電装置。
13. 前記閉循環システムは、超臨界ＣＯ_２ガスを冷却材として外部へ噴出するための開閉可能な噴出口をさらに備える、請求項１から１２のいずれか１項に記載の発電装置。
14. 起動時に、前記発電機に商用電源の電力を供給することにより前記発電機をモータとして機能させて前記超臨界ＣＯ_２ガスタービンを回転させる、請求項１から１３のいずれか１項に記載の発電装置。
15. 請求項１から１４のいずれか１項に記載の発電装置を備える発電システムであって、
    前記熱エネルギー源は、核分裂炉、核融合炉、火力熱源、又は、太陽熱若しくは地熱の自然エネルギーの熱源のいずれかであり、
    前記核融合炉は、トカマク炉、ヘリカル炉、レーザ爆縮炉、タンデムミラー炉、又は、常温核融合炉のいずれかである、発電システムであって、
    前記熱エネルギー源が太陽熱である態様では、
    太陽光により加熱される集熱部と、
    少なくとも前記集熱部で溶融塩を循環させる１次循環系と、
    前記１次循環系の少なくとも一部が設けられたタワーであって、前記集熱部は、前記タワーの頭部に設けられている、前記タワーと、
    太陽の運行に追従して太陽光を反射して前記集熱部に集光させるヘリオスタットと、
    前記集熱部で加熱された溶融塩を蓄え、該溶融塩を前記主熱交換器に供給するため、該主熱交換器の入口側に接続される高温溶融塩タンクと、
    前記主熱交換器の出口側に接続され、前記主熱交換器で超臨界ＣＯ_２ガスと熱交換を行った溶融塩を蓄える低温溶融塩タンクと、
    を備え、
    前記１次循環系は、２次循環系である前記閉循環システムを流れる超臨界ＣＯ_２ガスと熱交換を行うため、前記主熱交換器を介在し、
    前記溶融塩はFLiNaKであり、
    前記熱エネルギー源が核融合炉である態様では、
    前記核融合炉は、ブランケットを備え、該ブランケットにはFLiNaKが循環する１次循環系が配置され、該１次循環系は、２次循環系である前記閉循環システムを流れる超臨界ＣＯ_２ガスと熱交換を行うため、前記主熱交換器を介在し、
    前記１次循環系は、火力熱源と前記核融合炉とのいずれかから熱供給されるように切り替え可能である、発電システム。