WO2005080772A1 - ガスタービンプラント - Google Patents

Description

明 細 書

ガスタービンプラント 技術分野

[0001] 本発明は、高温ガス炉によって発生した熱を利用するガスタービンプラントに関す るもので、特に、高温ガス炉の熱により加熱されたガスにより駆動するとともに排ガス を高温ガス炉に供給するガスタービンを備えたガスタービンプラントに関する。

背景技術

[0002] 原子炉の一形式である高温ガス炉は、燃料として核燃料を熱に強 ヽ熱分解炭素 (P yC)や炭化珪素 (SiC)で被覆した被覆粒子燃料を用いるとともに減速剤と炉内構造 材に熱に強い黒鉛を使用するもので、ヘリウムガスがその冷却材に用いられる。又、 この高温ガス炉に用いられる被覆粒子燃料として、黒鉛ブロックに燃料棒を挿入した ブロック型燃料や球状に圧縮成型したぺブルベッド型燃料が使用されて 、る。そして 、炉心を金属材料の代わりにセラミックス材料で構成することによって、炉心が 1000 °C近くの高温でも耐えることのできる構成とされる。

[0003] よって、高温ガス炉より発生した熱を利用して、 800°C以上の高い出口ガス温度と V、う他の形式の原子炉では得られな!/、高温のガス温度を得ることができ、熱効率の 高い発電を達成することができる。又、使用される燃料は、燃料温度が上昇しても燃 料溶融、被覆層破損はほとんど生じず、事故条件下においても核分裂生成物を保持 するため、その安全性にも優れている。又、この高温ガス炉として、我が国においても 、高温工学試験研究炉 (HTTR: High

Temperature Engineering Test Reactor)の;!^ 行われて 、 。

[0004] このような高温ガス炉が発電プラントにおいて、高温ガス炉からの高温ガスによって 蒸気を発生し蒸気タービンを駆動する蒸気サイクル発電や、高温ガス炉からの高温 ガスによりガスタービンを駆動する閉サイクルガスタービン発電が用いられて 、る。こ のとき、在来の火力発電並の蒸気条件の蒸気タービン発電では、略 40%の熱効率 が得られるが、原子炉出口冷却材温度を略 850°C以上とする閉サイクルガスタービ ン発電を使用することにより、 45— 50%の熱効率が得られる可能性がある。 [0005] そして、この熱効率の高い閉サイクルガスタービン発電を利用した高温ガス炉として 、高温ガス炉を循環する系統とガスタービンを循環する系統とを異なる系統としたガ スタービンプラントにおける高温ガス炉が開示されている（特許文献 1参照)。特許文 献 1で開示されたガスタービンプラントにおいては、一次回路に備えられる高温ガス 炉で得られた高温のヘリウムガスを用いて二次回路のヘリウムガスを加熱し、加熱し た二次回路のヘリウムガスによりガスタービンが駆動する。

[0006] 又、本出願人は、高圧コンプレッサと同軸のガスタービン及び発電機と同軸のガス タービンとを別軸にして備えるとともに、この別軸のガスタービンを高温ガス炉からの ヘリウムガスによって駆動するガスタービンプラントを開示して 、る（特許文献 2参照） 。このガスタービンプラントでは、ガスタービン力も排出されたヘリウムガスがコンプレ ッサで圧縮された後、高温ガス炉に供給される。このような構成のガスタービンプラン トに使用されるとともにぺブルベッド型燃料を使用するぺブルベッド炉心を備えたぺ ブルベッドモジュール型高温ガス炉（PBMR： Pebble

Bed Modular Reactor)が開発されている。

[0007] 又、特許文献 2におけるガスタービンプラントは、 2軸のガスタービンを備えたガスタ 一ビンとし、発電機と同軸のガスタービンを更に低圧コンプレッサとも一軸となるように 構成している。そのため、この低圧コンプレッサ及び発電機と一軸に接続されるガス タービンにかかる負荷が大きくなる。よって、上述の PBMRを用いたガスタービンプラ ントにおいて、この負荷を分散させるために、低圧コンプレッサと一軸にしたガスター ビンを設け、 3軸構成としたガスタービンプラントが採用されているものが開発されて いる。

特許文献 1：特開平 10- 322215号公報

特許文献 2：特開平 9— 144557号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0008] これらのガスタービンプラントにおいては、その起動時に、ガスタービンを構成する 各動翼を共振させる回転数を回避するために、各ガスタービンの回転数を安全領域 の回転数まで一気に昇速させる必要がある。このとき、特許文献 2におけるガスター ビンプラントにおいては、発電機をサイリスタとして動作させて発電機と同軸のガスタ 一ビンの回転数を昇速させるとともに、高温ガス炉カゝらのヘリウムガスを供給すること でコンプレッサと同軸のガスタービンの回転数を昇速させる。

[0009] し力しながら、高温ガス炉からのヘリウムガスで昇速されるガスタービンが複数軸あ る場合、従来は各軸毎に制御する構成とされていな力つた。そのため、起動時にこの 複数軸のガスタービンを安全領域の回転数まで昇速制御する際、 、ずれかのガスタ 一ビンが安全領域の回転数に到達せず、動翼の共振が発生して翼の破損が生じる 恐れがあった。

[0010] このような問題を鑑みて、本発明は、複数軸のガスタービンを備えるとともに、起動 時に各ガスタービンを安全に帘1』御することができるガスタービンプラントを提供するこ とを目的とする。

課題を解決するための手段

[0011] 上記目的を達成するために本発明のガスタービンプラントは、被覆粒子燃料内の 被覆された核分裂生成物を核分裂させて得られた熱エネルギーにより冷却材に加温 する高温ガス炉と、該高温ガス炉で加温された前記冷却材により回転するとともに前 記冷却材を圧縮するコンプレッサと同軸となる n軸の第 1ガスタービンと、前記 n軸の 第 1ガスタービンそれぞれを回転させた後に最終段となる前記第 1ガスタービンから 排出される前記冷却材により回転するとともに発電動作を行う発電機と同軸となる第 2ガスタービンと、前記 n軸の第 1ガスタービンの内、前記高温ガス炉に近い初段の前 記第 1ガスタービン以外の n— 1軸の前記第 1ガスタービンそれぞれを前記冷却材に バイパスさせる n—i個のバイパス弁と、を備え、起動時に、前記 n— 1個のバイパス弁 の開度を制御して、前記 n軸の第 1ガスタービンそれぞれを前記初段の第 1ガスター ビンカゝら順番に 1軸毎に定格回転数までその回転数を高くすることを特徴とする。

[0012] 又、本発明のガスタービンプラントは、被覆粒子燃料内の被覆された核分裂生成物 を核分裂させて得られた熱エネルギーにより冷却材に加温する高温ガス炉と、該高 温ガス炉で加温された前記冷却材により回転するとともに前記冷却材を圧縮する高 圧コンプレッサと同軸となる高圧ガスタービンと、該高圧ガスタービン力 排出された 前記冷却材により回転するとともに前記冷却材を圧縮する低圧コンプレッサと同軸と なる低圧ガスタービンと、該低圧ガスタービン力 排出された前記冷却材により回転 するとともに発電動作を行う発電機と同軸となる発電用ガスタービンと、低圧ガスター ビンを前記冷却材にバイパスさせるバイパス弁とを備え、起動時に、前記バイパス弁 を全閉状態にして前記冷却材を充填した後、まず、前記バイパス弁の開度を調節し て前記高圧コンプレッサの回転数を定格回転数まで高くし、次に、前記バイパス弁を 全閉状態にして前記低圧コンプレッサの回転数を定格回転数まで高くすることを特 徴とする。

発明の効果

[0013] 本発明によると、複数軸のガスタービンプラントを起動時に定格回転数まで昇速さ せるとき、バイパス弁を設けることによって、このバイパス弁の開度を制御してコンプレ ッサと同軸のガスタービンそれぞれを個々に制御して昇速させることができる。よって 、全てのガスタービンを一度に昇速させる場合と比べて、各ガスタービン毎に定格回 転数まで昇速された力否かを確認することができるので、安全に起動させることがで きる。

図面の簡単な説明

[0014] [図 1]は、第 1の実施形態のガスタービンプラントの構成を示すブロック図である。

[図 2A]は、図 1のガスタービンプラントの起動時の HPTの回転数の変遷を示すタイミ ングチャートである。

[図 2B]は、図 1のガスタービンプラントの起動時の LPTの回転数の変遷を示すタイミ ングチャートである。

[図 2C]は、図 1のガスタービンプラントの起動時のバイパス弁の開度の変遷を示すタ イミングチャートである。

[図 3]は、第 2の実施形態のガスタービンプラントの構成を示すブロック図である。

[図 4]は、第 1の実施形態のガスタービンプラントの別の構成を示すブロック図である

[図 5]は、第 1の実施形態のガスタービンプラントの別の構成を示すブロック図である

[図 6]は、第 2の実施形態のガスタービンプラントの別の構成を示すブロック図である [図 7]は、第 2の実施形態のガスタービンプラントの別の構成を示すブロック図である

符号の説明

[0015] 1 高温ガス炉

2 HPT

3 LPT

4 PT

5

6 熱交換器

7 前置冷却器

8 LPC

9 中間冷却器

10 HPC

11, 12 バイパス弁

発明を実施するための最良の形態

[0016] <第 1の実施形態 >

本発明の第 1の実施形態について、図面を参照して説明する。図 1は、本実施形態 のガスタービンプラントの構成を示すブロック図である。

[0017] 図 1のガスタービンプラントは、核分裂生成物（FP : Fission Products)を核分裂させ た際の熱エネルギーを供給されたヘリウムガスに与えて高温のヘリウムガスを排出す る高温ガス炉 1と、高温ガス炉 1から排出されるヘリウムガスにより駆動する高圧ガスタ 一ビン (HPT) 2と、 HPT2から排出されたヘリウムガスにより駆動する低圧タービン（ LPT) 3と、 LPT3から排出されたヘリウムガスにより駆動するパワーガスタービン (PT ) 4と、 PT4と同軸で構成されるとともに PT4により回転される発電機 5と、 PT4力ゝら排 出されたヘリウムガスが供給されて熱交換を行う熱交 6と、熱交 6で熱を放 出したヘリウムガスを冷却する前置冷却器 7と、前置冷却器 7で冷却されたヘリウムガ スを圧縮する低圧コンプレッサ (LPC) 8と、 LPC8で圧縮されて昇圧されたヘリウムガ スを冷却する中間冷却器 9と、中間冷却器 9で冷却されたヘリウムガスを圧縮して熱 交翻 6に供給する高圧コンプレッサ (HPC) 10と、 HPT2から排出されるヘリウムガ スを LPT3をバイパスさせて PT4に供給するためのバイパス弁 11と、を備える。

[0018] このように構成されるガスタービンプラントを定格負荷で運転するとき、減速材と炉 内構造材には熱に強い黒鉛が使用されて耐熱構造とされた高温ガス炉 1に、 FPであ るセラミックス微小燃料粒子を熱分解炭素や炭化珪素で多重に被覆した被覆粒子燃 料である燃料要素が供給されて、燃料要素内の FPが核分裂を行う。この FPの核分 裂により発生する熱エネルギーが熱交 6より供給されるヘリウムガスに与えられ、 高温高圧のヘリウムガスを HPT2に供給する。尚、被覆粒子燃料である燃料要素とし て、ぺブルベッド型燃料又はブロック型燃料が使用される。

[0019] そして、高温ガス炉 1からの高温高圧のヘリウムガスにより HPT2が回転し、 HPC1 0を回転させるとともに、この HPT2から排出されるヘリウムガス力LPT3に供給される 。このとき、バイノス弁 11を全閉状態とし、 HPT2から排出されるヘリウムガスが LPT 3に全て供給される状態とする。よって、同様に、 HPT2を回転させたヘリウムガスに より LPT3が回転し、 LPC8を回転させるとともに、この LPT3から排出されるヘリウム ガスが PT4に供給される。更に、 LPT3を回転させたヘリウムガスにより PT4が回転し 、発電機 5を回転させて発電を行う。このようにして HPT2、 LPT3、 PT4それぞれを 回転させて仕事を行ったヘリウムガスが熱交 6に供給される。

[0020] 熱交^^ 6では、 PT4力も排出された高温のヘリウムガスが供給されるとともに、 H PC10で圧縮されたヘリウムガスが PT4からのヘリウムガスと熱交換を行うことによつ て、加温された HPC10からのヘリウムガスを高温ガス炉 1に供給するとともに、冷却さ れた PT4力ゝらのヘリウムガスが前置冷却器 7に与えられる。この前置冷却器 7で冷却 されたヘリウムガス力LPT3で回転される LPC8に与えられることで、圧縮されて昇圧 される。このとき、前置冷却器 7で冷却されることで、ヘリウムガスの密度を高くして LP C8での圧縮効率を高くする。

[0021] そして、昇圧されたヘリウムガスが中間冷却器 9で再度冷却された後、 HPT2で回 転される HPC10で圧縮された昇圧される。このとき、中間冷却器 9でヘリウムガスが 冷却されることで、前置冷却器 7で冷却されたときと同様、ヘリウムガスの密度を高くし て HPC10での圧縮効率を高くする。この HPC10で昇圧されたヘリウムガスが熱交 6で加温されて、高温ガス炉 1に供給される。

[0022] このように定格動作時に各部が動作するガスタービンプラントの起動時動作につ！、 て、図 2A—図 2Cを参照して以下に説明する。まず、バイパス弁 11が全閉の状態と して、貯蔵タンク (不図示）のヘリウムガスを、図 1のガスタービンプラントにおける、高 温ガス炉 1、 HPT2、 LPT3、 PT4、熱交^^ 6、 LPC8、及び HPC9により構成され るヘリウムガスのメイン系統に注入する。このとき、同時に、初期設定用のブロワシス テム (不図示）を起動して、このメイン系統に注入されたヘリウムガスを循環させるとと もに、 LPC8及び HPC10にはヘリウムガスが流れないように流量制御する。

[0023] そして、メイン系統に注入されたヘリウムガスの温度及び圧力が所定値に到達した ことが確認されると、高温ガス炉 1内の臨界運転に移行する。そして、高温ガス炉 1内 が臨界に達すると、高温ガス炉 1における出口温度を所定の温度範囲内に制御する 。その後、 HPT2、 LPT3及び PT4を流れるヘリウムの流量を制御するとともに、発電 機 5をサイリスタとして動作させて PT4の回転数を定格回転数 Rbまで上昇させる。そ して、 PT4の回転数が定格回転数 Rbまで上昇したことが確認されると、発電機 5を併 入させる。

[0024] このようにして、起動開始してから時間 taが経過したときに、発電機 5が併入されると 、図 2A及び図 2Bのように、 HPT2及び LPT3の回転数が回転数 Raに到達している ことが確認される。そして、 LPC8及び HPC10を流れるヘリウムガスの流量を制御し てプラントの負荷を上昇させる。このとき、図 2Cのように、バイパス弁 11を開度 x%ま で開けて、バイパス弁 11を介して HPT2からのヘリウムガスの一部を PT4に供給する 。そして、負荷を上昇させるとともに、図 2Aのように、 HPT2の回転数を定格回転数 R bに昇速させる。尚、バイパス弁 11の開度が x%まで開けることによって、図 2Bのよう に、 LPT3の回転数を回転数 Raで保持することができる。

[0025] そして、時間 tb経過後に HPT2の回転数が定格回転数 Rbに到達したことが確認さ れると、図 2Cのように、バイパス弁 11を全閉として、 HPT2からのヘリウムガスを全て LPT3に供給する。よって、 LPT3に流れるヘリウムガスの流量が多くなるので、図 2B のように、 LPT3の回転数が定格回転数 Rbまで上昇する。このようにして、 HPT2、 H PT3、及び PT4の回転数を定格回転数 Rbまで上昇させると、更にプラントの負荷を 上昇させて、無負荷運転から定格負荷運転に移行する。尚、このようにプラントの負 荷を上昇させているとき、高温ガス炉 1における出口温度が所定の温度となるように 制御される。

[0026] このように、本実施形態において、バイパス弁 11を設けることによって、プラント起 動時において、 HPT2及び LPT3の回転数を個別に制御することができる。よって、 HPT2及び LPT3の回転数をそれぞれ定格回転数まで上昇させて、 HPT2及び LP T3を安全領域で運転することができる。

[0027] <第 2の実施形態 >

本発明の第 2の実施形態について、図面を参照して説明する。図 3は、本実施形態 のガスタービンプラントの構成を示すブロック図である。尚、図 3のガスタービンプラン トにおいて、図 1のガスタービンプラントと同一の目的で使用する部分については同 一の符号を付してその詳細な説明は省略する。

[0028] 図 3のガスタービンプラントは、図 1のガスタービンプラントと異なり、バイパス弁 11の 代わりに、 HPT2から排出されるヘリウムガスを LPF3及び PT4をバイパスさせて熱交 6に供給するためのバイパス弁 12を備える。このように構成されるガスタービンプ ラントにおいて定格負荷で運転するとき、バイパス弁 12を全閉状態とするとともに、ガ スタービンプラント内の各部が第 1の実施形態と同一の動作を行うことで、発電機 5で の発電が行われる。

[0029] このようなガスタービンプラントを起動する際、第 1の実施形態と同様、バイパス弁 1 2を全閉状態とし、貯蔵タンクのヘリウムガスを注入してヘリウムガスを循環させる。そ して、メイン系統に注入されたヘリウムガスが所定温度及び所定圧力に達したことを 確認すると、高温ガス炉 1における出口温度を所定の温度に制御する。

[0030] その後、サイリスタとして発電機 5を動作させて PT4の回転数を定格回転数 Rbまで 上昇させた後、発電機 5を併入する。その後、プラントの負荷を上昇させるとともに、ま ず、ノ ィパス弁 12を開度 x%まで開いて HPT2の回転数を定格回転数 Rbまで上昇 させた後、次に、バイパス弁 12を全閉として LPT3の回転数を定格回転数 Rbまで上 昇させる。そして、更にプラントの負荷を上昇させて、無負荷運転から定格負荷運転 に移行する。

[0031] このように、本実施形態において、バイパス弁 12を設けることによって、プラント起 動時において、 HPT2及び LPT3の回転数を個別に制御することができる。よって、 HPT2及び LPT3の回転数をそれぞれ定格回転数まで上昇させて、 HPT2及び LP T3を安全領域で動作させることができる。

[0032] 尚、上述の第 1及び第 2の実施形態におけるガスタービンプラントは、 3軸のガスタ 一ビンによって構成されるものとした力 3軸以上の n軸のガスタービンによるものとし ても構わない。このとき、図 4一図 7のように、発電機と同軸のガスタービン（PT) 4が 1 軸であるため、コンプレッサ C1一 Cn— 1それぞれと同軸のガスタービン T1一 Tn— 1が η— 1軸となるとともに、初段のガスタービン T1以外のコンプレッサ C2— Cn— 1と同軸 の各ガスタービン T2— Tn— 2をバイパスするためのバイパス弁 VI— Vn— 2が n— 2個 設けられる。

[0033] そして、第 1の実施形態と同様に、 PT4をバイパスさせないとき、図 4のように、コン プレッサと同軸の n— 2軸の各ガスタービン毎にバイパス弁 VI— Vn— 2を直列に設け るものとしても構わないし、図 5のように、 n— 2軸のガスタービン T2— Tn— 1をバイパス させるバイパス弁 VI、 η— 3軸のガスタービン Τ3— Τη— 1をバイパスさせるバイパス弁 V2、 · ··、 1軸のガスタービン Tn— 1をバイパスさせるバイパス弁 Vn— 2のようにバイパ ス弁 VI— Vn— 2を並列に設けるものとしても構わない。又、第 2の実施形態と同様に 、 PT4をバイパスさせるときは、バイパス弁 VI— Vn— 2を直列に配設する場合、図 6 のように、バイパス弁 Vn— 2が PT4をもバイパスさせるように設置し、又、バイパス弁 V 1一 Vn— 2を並列に配設する場合、図 7のように、バイパス弁 VI— Vn— 2それぞれが PT4をもバイパスさせるように設置する。

[0034] 更に、図 4一図 7のようにバイパス弁 VI— Vn— 2が配設されるとき、図 4及び図 6の 場合、まず、バイパス弁 VI— Vn— 2を開いて、ガスタービン T1を定格回転数とした後 、バイパス弁 VI, V2, · ··, Vn— 2を順番に全閉にして、ガスタービン T2, T3, · ··, T n— 1の順に定格回転数に昇速させる。又、図 5及び図 7の場合、まず、バイノス弁 VI を開いて、ガスタービン T1を定格回転数とした後にバイパス弁 VIを全閉とした後、 バイパス弁 V2, · ··, Vn— 2の順番に、その開度を開いた後に全閉にして、ガスタービ ン T2, Τ3, · ··, Τη-1の順に定格回転数に昇速させる。

産業上の利用可能性

本発明のガスタービンプラントは、高温ガス炉及び複数軸のガスタービンを備えた ガスタービンプラントにお ヽて適用可能であり、高温ガス炉に使用される被覆粒子燃 料がぺブルベッド型燃料及びブロック型燃料 、ずれの場合であっても、適用すること ができる。

Claims

請求の範囲

[1] 被覆粒子燃料内の被覆された核分裂生成物を核分裂させて得られた熱エネルギ 一により冷却材に加温する高温ガス炉と、

該高温ガス炉で加温された前記冷却材により回転するとともに前記冷却材を圧縮 するコンプレッサと同軸となる n軸の第 1ガスタービンと、

前記 n軸の第 1ガスタービンそれぞれを回転させた後に最終段となる前記第 1ガスタ 一ビン力 排出される前記冷却材により回転するとともに発電動作を行う発電機と同 軸となる第 2ガスタービンと、

前記 n軸の第 1ガスタービンの内、前記高温ガス炉に近い初段の前記第 1ガスター ビン以外の n— 1軸の前記第 1ガスタービンそれぞれを前記冷却材にバイパスさせる n 1個のバイパス弁と、

を備え、

起動時に、前記 n— 1個のバイパス弁の開度を制御して、前記 n軸の第 1ガスタービ ンそれぞれを前記初段の第 1ガスタービン力 順番に 1軸毎に定格回転数までその 回転数を高くすることを特徴とするガスタービンプラント。

[2] 前記バイパス弁が、前記第 2ガスタービンをもバイパスさせることを特徴とする請求 項 1に記載のガスタービンプラント。

[3] 被覆粒子燃料内の被覆された核分裂生成物を核分裂させて得られた熱エネルギ 一により冷却材に加温する高温ガス炉と、

該高温ガス炉で加温された前記冷却材により回転するとともに前記冷却材を圧縮 する高圧コンプレッサと同軸となる高圧ガスタービンと、

該高圧ガスタービン力 排出された前記冷却材により回転するとともに前記冷却材 を圧縮する低圧コンプレッサと同軸となる低圧ガスタービンと、

該低圧ガスタービン力 排出された前記冷却材により回転するとともに発電動作を 行う発電機と同軸となる発電用ガスタービンと、

低圧ガスタービンを前記冷却材にバイパスさせるバイパス弁と、

を備え、

起動時に、前記バイパス弁を全閉状態にして前記冷却材を充填した後、まず、前 記バイパス弁の開度を調節して前記高圧コンプレッサの回転数を定格回転数まで高 くし、次に、前記バイパス弁を全閉状態にして前記低圧コンプレッサの回転数を定格 回転数まで高くすることを特徴とするガスタービンプラント。

前記バイパス弁が、前記発電用ガスタービンをもバイパスさせることを特徴とする請 求項 3に記載のガスタービンプラント。