JP2000000078U - ガス／蒸気発電設備 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ガス／蒸気発電設備における蒸発時の作業能
力損失を最低限に抑えること。 【解決手段】 ガス／蒸気発電設備の蒸気循環路（１）
の単数又は複数の蒸気タービン（１２，１３）の吸収能
が制限されている場合、過熱段階（Ａ）から発生する蒸
気の一部が、ガス／蒸気発電設備のガスタービンの循環
路内に導入可能である。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【考案の属する技術分野】

本考案は、実用新案登録請求の範囲第１項の上位概念に記載のガス／蒸気発電 設備に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】

水冷式反応炉を有する原子力発電設備の場合、圧力の乏しい飽和蒸気しか造出 することができない。この種の反応炉は、現在の技術レベルでは、控え目な蒸気 データで、たとえば６３バール、２８０℃で作業し、反応炉内に発生するエネル ギーの、電気エネルギーへの転換効率は、約３３％にすぎない。エネルギー生産 時のこのような転換効率が、現在、期待されている運転の経済性から言って、も はや満足しえないものであることは、言うまでもない。

【０００３】 純化石燃料による発電設備の場合、現在の技術レベルは、ガスタービン設備を 廃ガス蒸気発生器（廃ガスボイラー）で拡張し、後置された蒸気タービン設備と 組合せるといったレベルである。一般に、化石燃料による蒸気発電設備の効率は 、４０％強である。

【０００４】 このいわゆる組合せ設備の場合、転換効率は極めて良好で、５０％から５２％ の範囲である。この高い効率は、ガスタービンと、少なくとも１つの蒸気タービ ン回路との協働により生じる。そのさい、ガスタービンの排ガスは、廃熱ボイラ ーを貫流して導かれ、廃熱ボイラー内では、まさにこの排ガスの余熱ポテンシャ ルが、蒸気タービンの負荷に必要な蒸気の造出に利用される。

【０００５】 この組合せ設備の場合、次の点が確認できる。すなわち、排ガス温度が低下す ると、必然的に廃熱ボイラー内での供給水の蒸発が等温的な推移をたどり、その さいには、平均して、不必要に大きな温度差が生じる点である。なぜなら排ガス はその全ポテンシャルを利用されないからである。このことにより、廃熱ボイラ ー内に不可避的に付加的な作業能力損失（廃ガスの作業能の損失）が生じる。こ の作業能力損失は、Ｔ／Ｑ線図で見ると、廃熱ボイラー内での排ガス温度の急勾 配の下降線と供給水の平らな蒸発線が認められる。

【０００６】 この場合、複圧式廃熱ボイラーを用いて修正値を得ることはできるが、２つ以 上の圧力段を設けることは、構造上も、操作の面でも容易ではないので、その種 の廃熱ボイラーを用いても、作業能力損失は、所望の程度には低減できない。

【０００７】

【考案が解決しようとする課題】

本考案は、前記の問題に対する解決策を提案するものである。本考案の根底を なす課題は、各請求項に記載のように、冒頭に述べた形式のガス／蒸気発電設備 の場合に、蒸発時の作業能力損失を最低限に抑えることにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】

この課題を解決するために本考案の構成によれば、蒸気循環路の単数又は複数 の蒸気タービンの吸収能が制限されている場合、過熱段階から発生する蒸気の一 部が、ガスタービンの循環路内に導入可能であるようにした。

【０００９】

【考案の実施の形態】

本考案の有利な実施の形態は、請求項２以下に記載したとおりである。

【００１０】

【考案の効果】

本考案の主な利点は、次の点にある。すなわち、核反応炉の、熱により得られ る出力の作業ポテンシャルを最適に利用し尽す蒸発工程が、ガスタービンの廃熱 ボイラー内での供給水の予熱と蒸気の過熱とにより補助される点である。これは 、供給水及び蒸気が煙道ガスに対して向流で流れることによって、供給水予熱も 蒸気過熱も、煙道ガス冷却とは逆の流れで行なわれるため、熱伝達に必要な程度 以上の作業能力損失は生じないからである。核の部分と化石燃料の部分とに分け られる熱供給の全範囲にわたって、発生する作業損失の値は最低限の値であり、 したがって、熱から電気への転換時に生じる効率損は、熱的なインピーダンスの 値が悪い結果、最低限の値となる。熱的なインピーダンスの値が悪いと、エクセ ルギ損失が生ずる。エクセルギは熱的な出力を生ぜしめる能力であり、したがっ てエクセルギ損失は系内での熱的出力を達成する能力の減少を意味する。しかし ながら、決定的に重要な点は、このことが、特に化石燃料により供給されるエネ ルギー部分にとって妥当とされる点である。それによって、化石燃料による環境 汚染が最小限に抑えられるからである。天然ガスを用いる場合には、化石燃料に より付加的に得られるエネルギーは、２酸化炭素の放出量が最低限となる。

【００１１】 本考案の別の利点は、現在の原子力発電設備の出力拡張と関連して生み出され るものである。すなわち、原子力発電設備に、複数の内燃機関を、有利にはガス タービン設備を前置するのである。

【００１２】 この配置の場合、蒸気タービンの吸収能やゼネレータの出力能に対する修正的 な介入度を、低くするか、皆無にするには、過剰な蒸気部分を熱交換器内の過熱 段から分岐させ、かつ内燃機関の回路内へ、有利には燃焼室内へ分岐させる回路 を設けることができる。そして、この回路により、原子力発電設備の蒸気回路内 に生じる出力損を、内燃機関の出力増強により、ほぼ補償するようにするのであ る。

【００１３】 本考案の更に別の利点は、この回路の適応能に関するものである。すなわち、 内燃機関の廃ガスのポテンシャルが量的かつ（又は）熱量的に低減した場合も、 反応炉の公称出力を低減する必要はない。

【００１４】 なぜなら、復水器から来る供給水の部分流のみを、廃熱ボイラー内で予熱でき 、また、反応炉内に生じる蒸気の一部のみを過熱することもできるからである。 これにより、相応に小型のガスタービン設備の設置が可能となる。しかし、その 場合に必要となる化石燃料によるエネルギー部分は、既述の改善された予測転換 効率で転換される。

【００１５】 本考案の更に別の利点は、前記回路が、拡張可能かつ組合せ可能な点であり、 したがって、廃熱ボイラー内の予熱段階のポテンシャルが、必要量だけ、他の熱 量消費器の作動に用いられるようにすることも可能である。

【００１６】

【実施例】

次に本考案の複数実施例を図面につき説明する。図面には、本考案の理解に直 接必要のない部分は記載されていない。媒体の流れ方向は、矢印で示してある。 それぞれの図面に記載された同じ部品には、同じ記号を付してある。

【００１７】 図１に示されているのは、原子力発電設備１がガスタービン設備２と協働する 発電設備の回路である。この場合、２つのブロックの間に廃熱ボイラー３が配置 されている。廃熱ボイラー３と原子力発電設備１とに前置されたガスタービン設 備２は、実質的に、圧縮器２２、有利には圧縮器と共通の軸に配置されたガスタ ービン２３、これら２つの装置の回転にリンクされたゼネレータ２１、燃焼室２ ４から成っている。吸込まれた空気２５は、圧縮器２２へ導入され、そこで圧縮 され、次に、この圧縮された空気が燃焼室２４へ入る。燃焼室２４の稼動に要す る燃料２６は、ガス状及び（又は）液状の燃料である。燃焼室２４内に生じる高 熱ガスが、次の過程でガスタービン２３に負荷される。タービン２３で圧力を消 費されたこの高熱ガスは、排ガス２７として廃熱ボイラー３を貫流する。廃熱ボ イラー３内では、このガスの熱の残りのポテンシャルが更に利用し尽される。原 子力発電設備１は、飽和蒸気量を用意する軽水炉１１、高圧蒸気タービン１２、 これに後置された低圧蒸気タービン１３から成っている。ゼネレータ１４は、蒸 気タービンに接続されている。低圧蒸気タービン１３からの、減圧された蒸気は 、単数又は複数の排出蒸気管を介して、有利には、水又は空気により冷却された 復水器１５へ流入する。復水は、ポンプ１６を介して廃熱ボイラー３へ導入され 、このなかで段階Ｃにより予熱され、供給水となる。次の処理段階では、供給水 が反応炉１１内へ導入され、炉内で、本格的な蒸気の用意が、飽和蒸気Ｂの形態 で行なわれる。反応炉１１内でのこの準備段階ののち、飽和蒸気は、再び廃熱ボ イラー３内へ導入され、ここで、更に熱伝達段階を経て、過熱蒸気Ａの形態での 最終的な蒸気の用意が行なわれる。最大の熱ポテンシャルで用意されたこの蒸気 が、次いで高圧蒸気タービン１２に、更に低圧蒸気タービン１３に負荷される。 これら２つのタービンは、接続されているゼネレータ１４の電力を生ぜしめる。 排ガス２７が廃熱ボイラー３内で、その熱ポテンシャルを大部分放出したのち、 煙道ガス３１として、図示されていない煙突を経て排出される。

【００１８】 廃熱ボイラー３には、図示されていない付加的な炉が前置することができる。 この炉は、排ガス２７を、より高い、熱交換可能の温度にするのに役立つ。この 措置により、生産可能の電力は高められるが、転換効率は低下する。

【００１９】 定量的な実施例として、以下では、３００ＭＷ（メガワット）の火力用の軽水 炉１１を有する原子力発電設備を基礎とする。

【００２０】 供給水を、予熱段階Ｃで２２０℃に予熱し、軽水炉１１内で段階Ｂにより２８ ０℃の沸とう温度で発生させた飽和蒸気を、段階Ａにより４８０℃に過熱させる ために、廃熱ボイラー３内には、新鮮蒸気流量を２.７５倍上回る煙道ガス流量 が必要である。この実施例に用いたガスタービンは、それぞれ５００kg／ｓの煙 道ガス流量を有し、それぞれ１４１MWe（メガワット電力）を供給する。その転 換効率は３３.６％である。反応炉１１からの１１２７kg／ｓの新鮮蒸気流量を 過熱し、供給水を予熱するためには、総量４４８０kg／ｓの排ガス流量２７が必 要である。そのためには、９基のガスタービンを必要とし、これらのガスタービ ンによって、合計１２６９MWe の電力を供給する。蒸気タービン１２，１３は、 必要時に相応に適応させれば、過熱蒸気で作業できるので、これらタービンのと ころでは供給水予熱用にもはや蒸気量を取去る必要はない。このため、これらタ ービンは合計１７１０MWeの電力を生ぜしめる。したがって複数のガスタービン を有するガスタービン設備２を原子力発電設備１に統合することにより、合計３ ０００MWeの電力が可能となる。これに対し、もとの原子力発電設備の電力生産 は１０００MWeである。

【００２１】 全ガスタービン用の化石燃料消費量３７７９MWth は、５２.４％の効率で電気 エネルギーに転換される。なぜなら、次の通りだからである：

【００２２】

【数１】

【００２３】 １つだけの原子力発電設備を、相応の組合せで用いることで、原子力発電設備 の２倍の電力を、極めて高い転換効率で得ることができる。このことは、化石燃 料、有利には天然ガスの極めて効率的な、したがってまた低公害の利用を意味し ている。この種の回路が、投資の観点から特に興味深いのは、この回路を、既存 の原子力発電設備に対するレトロフィットの措置として構想する場合である。

【００２４】 この構想の場合も、回路は極めて適応性に富んでいる。すなわち、たとえば蒸 気タービンの吸収能では、発生する蒸気量を吸収できないか、もしくは、ゼネレ ータの出力能に限りがある場合は、過剰の蒸気部分は、廃熱ボイラー３内の過熱 段階から分岐させ、ガスタービン設備２の回路内へ、有利には燃焼室２４内へ導 入できる。それによって生じる、原子力発電設備１の蒸気回路内の出力損失は、 ガスタービン設備２の出力増加によって十分に補償される。更に、排ガスのポテ ンシャルが、量的にであれ熱量的にであれ、低減する場合、反応炉１１の公称出 力を低減する必要がない。廃熱ボイラー３内で処理できない、反応炉１１からの 飽和蒸気量Ｂの一部は、分岐させ、原子力発電設備１の蒸気回路の蒸気タービン へ直接供給される。そのさい、廃熱ボイラー３では過熱不能の過剰蒸気部分を、 絞ることにより容易に過熱させ、適当な個所で蒸気タービン内へ導入するのが有 利である。前記の最後の２つの回路形式は、図１には示されていない。以上の説 明で容易に理解できるものだからである。

【００２５】 図２には、図１の回路が線図で説明されている。これと関連して、段階Ｂでの 蒸発過程中の、更には、予熱段階Ｃ及び過熱段階Ａの間の転換損失が最低限であ ることに注意せねばならない。この結果、熱伝達に必要な温度差が得られる。

【００２６】 図３には、熱勘定の図によりエネルギー流が示されている。この図から、熱エ ネルギーを電気エネルギーに転換する３つの効率が区別できる：すなわち ａ）核部分の効率（第１図、記号１）

【００２７】

【数２】

【００２８】 ｂ）化石燃料部分の効率（第１図、記号２、３）

【００２９】

【数３】

【００３０】 ｃ）全設備の効率（第１図、記号１，２，３）

【００３１】

【数４】

【００３２】 である。

【００３３】 たとえば、３４０℃の飽和蒸気を１４７バールで供給できる進んだ水冷式反応 炉を、今後、期待できるなら、中間過熱部を設ける可能性も生じてくる。そのよ うな反応炉と次世代のガスタービンとが組合されると、５５０℃の蒸気温度が可 能となり、その結果、設備の転換効率は著しく上昇するであろう。これらの条件 下では、既述のハイブリット原理による新しい設備の構想も、興味深い展望を開 くものとなろう。図４は、そのような回路の例を示したものである。

【００３４】 図４についての以下の説明は、図示の回路の構成だけに限定する。個々の装置 の出力については説明を省略する。ガスタービン設備２は、構造面では図１のそ れと合致している。これに対し、原子力発電設備１ａは拡張されている。すなわ ち、高圧蒸気タービン１２と低圧蒸気タービン１３との間に、中圧蒸気タービン １７が配置されている。安全上の理由から反応炉１１ａと廃熱ユニットとの間に は、絶縁熱交換器３２が配置されている。この熱交換器は、将来の進んだ反応炉 の使用時に必要となるものである。この配置は、加圧水型反応炉の場合には、そ の機能上、どのみち必要になる配置である。

【００３５】 図１に示した当初の廃熱ボイラー３は、この場合、３つの個別の独立した廃熱 ユニットに替えられている。復水器１５からの復水は、予熱器３ａを貫流する。 予熱器３ａは、過熱器３ｂと中間過熱器３ｃに後置されている。予熱器３ａでは 、まず、供給水の予熱が行なわれる。予熱された供給水は、次いで、反応炉１１ ａに属する既述の絶縁熱交換器３２を貫流する。ここで飽和蒸気が用意される。 引続き、この蒸気は、排ガス２７により同じく個別に負荷される過熱器３ｂを通 過する。ここで、蒸気の最終的な熱処理が行なわれる。過熱されたこの蒸気は、 最初の作業工程で高圧蒸気タービン１２に負荷される。この段階で減圧後、蒸気 は、同じく、排ガス２７を負荷される中間過熱器３ｃを通過する。中間過熱器３ ｃ内では、蒸気は、新たに熱処理され、次いで、既述の中圧蒸気タービン１７に 負荷される。この段階を通過し終ると、著しく減圧された蒸気が直接に低圧蒸気 タービン１３へ流入し、そこで、残ったエネルギー・ポテンシャルを放出する。 それ以後の処置は、図１の回路の場合と同じである。ここで基礎とした回路によ り、化石燃料エネルギーの転換効率は５５％強であることが見込まれる。中間過 熱器の導入のため必要となる十分高圧の飽和蒸気を熱交換器３２内で造出するた めには、水冷式の場合、反応炉１１ａの内部に極めて高い圧力レベルが必要であ る。この高い圧力レベルは、高沸点の冷却剤、たとえばナトリウムを選ぶことに より、あるいはまた、CO₂や He など適当なガスにより低減させることができる 。

【００３６】 圧縮器プリガイド列が１０％閉じられた定格条件のもとで、ガスタービン設備 ２を運転することにより、ガスタービンの場合、蒸気タービンに比して点検間隔 を短かくできる。これを図１の、場合により図２の回路に当てはめれば、予熱及 び過熱の総ポテンシャルを利用するには、１０基が必要となろう。加えて、廃熱 ボイラー３、廃熱ユニット３ａ，３ｂ，３ｃ、あるいは別の配置の廃熱ユニット に、図示されていない付加的な炉を設けることも考えられる。そうすることによ り、蒸気部分の定格運転は、運転停止を要する単数又は複数のガスタービン設備 ２の故障の場合にも、維持することができよう。

【００３７】 言うまでもなく、この場合も、図１の場合に説明した別の回路の可能性、すな わち、ガスタービン設備２の回路内への余剰蒸気の分岐、又は原子力発電設備１ ａの蒸気回路の蒸気タービン内への飽和蒸気量部分の導入を行なうことが可能で ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】ガスタービン設備と原子力発電設備とが協働す
る発電設備の回路図である。

【図２】図１の設備のＴ／Ｑ線図である。

【図３】図１の設備のエネルギーの流れを示す熱勘定線
図である。

【図４】将来の、進んだ水冷式反応炉と、同じく将来
の、進んだガスタービンとが組合された発電設備の回路
図である。

【符号の説明】

１ 原子力発電設備、 １ａ 原子力発電設備、 ２
ガスタービン設備（内燃機関）、 ３ 廃熱ボイラー、
３ａ 予熱器、 ３ｂ 過熱器、 ３ｃ 中間過熱
器、 １１ 軽水炉（反応炉）、 １１ａ 反応炉、
１２ 高圧蒸気タービン、 １３ 低圧蒸気タービン、
１４ ゼネレータ、 １５ 復水器、１６ ポンプ、
１７ 中圧蒸気タービン、 ２１ ゼネレータ、 ２
２ 圧縮器、 ２３ ガスタービン、 ２４ 燃焼室、
２５ 空気、 ２６ 燃料、２７ 排ガス、 ３１
煙道ガス、 ３２ 絶縁熱交換器、 Ａ 過熱段階、Ｂ
飽和段階、 Ｃ 予熱段階

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)考案者 ハンス−ウルリツヒ フルツチ スイス国 リニケン ブルツガーシユトラ ーセ ９ (72)考案者 ジヤコモ ボーリス スイス国 チユーリツヒ ノイドルフシユ トラーセ 23

Claims (7)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 ガスタービン（２３）と、ガスタービン
   に後置されガスータビンの煙道ガス（２７）によって流
   過される熱交換器（３；３ａ；３ｂ；３ｃ）と、反応炉
   （１１，１１ａ）及び蒸気タービン（１２，１３，１
   ７）を包含する蒸気循環路（１，１ａ）とを有し、その
   際熱交換器（３；３ａ；３ｂ；３ｃ）は反応炉（１１，
   １１ａ）の給水を予熱する第１の段階（Ｃ，３ａ）を包
   含し、かつその際熱交換器（３；３ａ；３ｂ；３ｃ）は
   反応炉（１１，１１ａ）内で生ぜしめられた蒸気量を過
   熱する第２の段階（Ａ，３ｂ）を包含している形式のガ
   ス／蒸気発電設備において、蒸気循環路（１，１ａ）の
   単数又は複数の蒸気タービン（１２，１３，１７）の吸
   収能が制限されている場合、過熱段階（Ａ，３ｂ）から
   発生する蒸気の一部が、ガスタービンの循環路内に導入
   可能であることを特徴とする、ガス／蒸気発電設備。
2. 【請求項２】 反応炉（１１，１１ａ）が水冷式である
   ことを特徴とする、請求項１記載のガス／蒸気発電設
   備。
3. 【請求項３】 反応炉（１１，１１ａ）を、水とは異な
   る冷却剤が貫流可能であることを特徴とする、請求項１
   記載のガス／蒸気発電設備。
4. 【請求項４】 反応炉（１１，１１ａ）に、絶縁熱交換
   器（３２）が後置されていることを特徴とする、請求項
   １から３までのいずれか１項記載のガス／蒸気発電設
   備。
5. 【請求項５】 熱交換器（３）が廃熱ボイラーであるこ
   とを特徴とする、請求項１から４までのいずれか１項記
   載のガス／蒸気発電設備。
6. 【請求項６】 廃熱ボイラー（３）が、予熱器（３ａ）
   と、過熱器（３ｂ）と、任意選択の中間過熱器（３ｃ）
   とに分割されていることを特徴とする、請求項５記載の
   ガス／蒸気発電設備。
7. 【請求項７】 ガスタービン（２３）を含有するガスタ
   ービン設備が内燃機関（２）であることを特徴とする、
   請求項１から６までのいずれか１項記載のガス／蒸気発
   電設備。