JP2003027906A

JP2003027906A - ガスタービン複合型原子力発電システム

Info

Publication number: JP2003027906A
Application number: JP2001213307A
Authority: JP
Inventors: Kosei Akiyama; 孝生秋山; Kiichi Hamaura; 紀一浜浦; Hidetoshi Koyama; 英敏小山
Original assignee: Hitachi Engineering Co Ltd; Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Engineering Co Ltd; Hitachi Ltd
Priority date: 2001-07-13
Filing date: 2001-07-13
Publication date: 2003-01-29

Abstract

(57)【要約】【課題】被加熱流体と加熱側流体とが直接接触する可
能性を抑制すること。【解決手段】原子炉で生成された主蒸気を高圧タービ
ン８から排熱回収ヒータ３５ａ、３５ｂを介して低圧タ
ービン９、１０、１１に供給し、各蒸気タービンによっ
て発電機１２を駆動し、空気と燃料の燃焼による燃焼ガ
スをガスタービン３６ａ、３６ｂに与えて発電機３７
ａ、３７ｂを駆動し、燃焼に伴う排ガスをダクト４０
ａ、４０ｂ内に排出し、排ガス中に配置された排熱回収
ヒータ３５ａ、３５ｂ内の蒸気を排ガスによって加熱
し、復水器からの水を原子炉に戻す給水系に配置された
排熱回収ヒータ４５ａ、４７ｂ内の水を排ガスによって
加熱するシステムにおいて、排熱回収ヒータ３５ａ、３
５ｂ、４７ａ、４７ｂをそれぞれ複数のヒートパイプ１
００で構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ガスタービン複合
型原子力発電システムに係り、特に、原子力発電および
ガスタービン発電を複合した発電システムとして用いる
に好適なガスタービン複合型原子力発電システムに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】沸騰水型原子力発電所（ＢＷＲ）や加圧
水型原子力発電所（ＰＷＲ）などの軽水型原子力発電所
においては、効率を改善するために、例えば、「西川
毅：“原子力タービンの湿分分離除去方策改良による性
能向上の研究”ｐｐ６４〜７２，火力原子力発電，Ｖｏ
ｌ．５１，Ｎｏ．９，Ｓｅｐ．２０００年」に記載され
ているように、主蒸気の一部を抽気し、湿分分離器を加
熱して乾き度を改善することにより、さらに１〜２％程
度の効率向上を図るようにしたものが提案されている。

【０００３】軽水炉の更なる熱効率の向上策として、主
蒸気をガスタービンの排ガスで加熱し、次にその排ガス
で、給水を加熱する方式が提案されている。この方式を
採用したものとしては、例えば、特開昭６２−２７６９
６号公報、特開平１０−２０６５９０号公報に記載され
ているように、軽水型原子炉に対して、ガスタービン排
熱を利用して、主蒸気および給水を加熱し、熱効率を高
めるように構成されている。

【０００４】具体的には、通常運転時においては、原子
炉圧力容器の内部で核加熱によって発生した蒸気を、主
蒸気管を経由して蒸気タービンの高圧タービンに導き、
高圧タービンの排気蒸気を、ガスタービンから排出され
る排ガスを用いて排ガスヒータにて加熱し、主蒸気を飽
和状態からさらに大幅な過熱状態としたあと低圧タービ
ンに送る方式である。この場合、湿分分離器あるいは湿
分分離加熱器を除外し、この代わりに、ガスタービンの
排気系を構成するダクト内に排ガスヒータとしての排熱
回収ヒータを設置し、高圧タービンと低圧タービンとを
結ぶ蒸気管の管路途中に排熱回収ヒータを挿入する構成
を採用している。

【０００５】またガスタービン用発電機を備えたガスタ
ービンでは、吸気ダクトから外気を吸入し、この外気を
フィルタや消音器を介して圧縮機に取り込み、圧縮機で
外気を圧縮し、圧縮された圧縮空気を燃焼器で燃料とと
もに燃焼し、１０００〜１５００℃程度の燃焼ガスによ
ってガスタービンを回転させてガスタービン発電機を発
電させると同時に、約６００℃程度の排ガスをダクト内
に排出し、この排ガスを排熱回収ヒータに導き、高圧タ
ービンの排気蒸気（定格で２００℃前後）を加熱するよ
うになっている。排気蒸気を加熱した排ガスはさらに給
水用排熱回収ヒータに導かれたあと、スタック（煙突）
を経由して大気に放出される。このとき給水排熱回収ヒ
ータで昇温された給水は原子炉圧力容器に送られるよう
になっている。

【０００６】したがって、ガスタービンに投入した燃料
のエネルギーは、直接ガスタービン発電機の出力として
取り出される一方で、その排ガスによるエネルギーは、
単に排熱回収ヒータを通じて主蒸気に加算され、蒸気タ
ービン出力を増大させるのみならず、蒸気タービンの効
率そのものを向上させることができる。さらに、その排
ガスで給水を加熱することで、残りのガスタービン排ガ
スエネルギーをも利用することができ、ひいては、給水
加熱器へのタービン抽気や主蒸気抽気蒸気の量を減らす
ことになり、その分効率の向上と蒸気タービン出力の増
大を図ることができる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】従来技術においては、
ガスタービンの排気系に配置された排熱回収ヒータとし
て、伝熱管による熱交換器を用いているため、伝熱管を
構成する金属板の破損などによっては、被加熱流体と加
熱側流体とが直接接触する状況、すなわちリークが発生
する恐れがある。

【０００８】具体的には、排熱回収ヒータからの漏洩の
可能性として、（１）伝熱管自体の破損（２）伝熱管と隔壁との接合部の破損（３）高圧側側壁自体の破損が考えられる。

【０００９】（２）や（３）は、伝熱管の厚さや施工工
数を増加させるとともにコストをかけることで、機能を
損なうことなくその破損確率を低減することはできる。
しかし、（１）は、伝熱性能の確保という本来の機能を
損なうことなく破損確率を減らすためには、単に伝熱管
の厚みを増すことだけではできず、高価な新材料の採用
といった手段を取らねばならない。

【００１０】本発明の課題は、被加熱流体と加熱側流体
とが直接接触する可能性を抑制することができるガスタ
ービン複合型原子力発電システムを提供することにあ
る。

【００１１】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、本発明は、第１の発電機を駆動する蒸気タービン
と、核反応を熱源として生成された蒸気を前記蒸気ター
ビンに供給する蒸気供給系と、燃料の燃焼に伴う燃焼ガ
スの熱エネルギーにより第２の発電機を駆動して排ガス
を排気系に排出するガスタービンと、前記蒸気タービン
から排出される蒸気を復水して前記熱源に給水する給水
系とを有するとともに、前記蒸気供給系の蒸気を前記排
ガスにより加熱する第１の排熱回収ヒータと前記給水系
の水を前記排ガスにより加熱する第２の排熱回収ヒータ
のうち少なくとも一方を備え、前記第１の排熱回収ヒー
タまたは前記第２の排熱回収ヒータはそれぞれ複数のヒ
ートパイプで構成されてなるガスタービン複合型原子力
発電システムを構成したものである。

【００１２】前記ガスタービン複合型原子力発電システ
ムを構成するに際しては、以下の要素を付加することが
できる。

【００１３】（１）前記複数のヒートパイプは、前記被
加熱流体が接触する面と前記排ガスが接触する面にそれ
ぞれ相異なる形状の伝熱促進フィンが形成されてなる。

【００１４】（２）前記被加熱側流体の流路を形成する
第１の隔壁と、前記第１の隔壁を周回してなる第２の隔
壁とによって、前記排ガスの流路を形成し、前記各ヒー
トパイプは、前記第１の隔壁を貫通し、その一端側を前
記被加熱側流体中に、その他端側を前記排ガスの流路中
に、配置すること。

【００１５】（３）前記排ガスの流路中に、前記第１の
隔壁の外周面に沿って、螺旋状に配置されたガイド板が
形成されてなる。

【００１６】（４）前記排ガスの流路中に、前記排ガス
を処理する触媒を設置したこと。

【００１７】（５）前記ヒートパイプの前記被加熱側流
路に挿入された一部の直径が、前記第１の隔壁の貫通口
の直径よりも大きく形成されてなる。

【００１８】（６）前記ヒートパイプの前記排ガスの流
路中に挿入された部分の長さと前記被加熱流体中に挿入
された部分の長さは、前記排ガスから受ける有効伝熱量
と前記被加熱流体に与える伝熱量とが等しくなるように
設定されてなる。

【００１９】（７）前記複数のヒートパイプは、前記被
加熱流体または前記排ガスの偏流の発生を抑制するピッ
チで配列されてなる。

【００２０】（８）前記複数のヒートパイプは、前記被
加熱流体中で相対する２本のヒートパイプの軸方向端部
が互いに接合されてなる。

【００２１】（９）前記複数のヒートパイプは、前記被
加熱流体の流路または前記排ガスの流路に挿入されたス
リーブ板で保持されてなる。

【００２２】（１０）前記排熱回収ヒータの排ガス出口
点に、前記ヒートパイプの中の作動媒体または作動媒体
に添加されたトレーサ用物質が前記排ガス中に存在する
ことを検出する第１の検出器と、前記排熱回収ヒータの
被加熱流体側出口点に、被加熱流体中に前記ヒートパイ
プの中の作動媒体または作動媒体に添加されたトレーサ
用物質が前記被加熱流体中に存在することを検出する第
２の検出器と、前記排熱回収ヒータの排ガス出口点に、
排ガス中に放射能が存在することを検出する第３の検出
器の全て、あるいは少なくともいずれか一つの検出器を
配置したこと。

【００２３】（１１）前記第３の検出器が規定値以上の
応答を示したときは、前記排ガスおよび前記被加熱流体
の前記排熱回収ヒータへの流入遮断および放射線漏洩対
応の指令信号を発する機能と、前記第２の検出器出力の
規定値以上の到達回数を累算し、ヒートパイプの排ガス
側の破損個数を推定し、監視強化を警告する機能と、前
記第１の検出器出力の規定値以上の到達回数を累算し、
ヒートパイプの被加熱流体側の破損個数を推定し、監視
強化を警告する機能の全て、あるいは少なくとも一つを
備えたこと。

【００２４】前記した手段によれば、排熱回収ヒータを
複数のヒートパイプで構成しているため、被加熱流体
（蒸気または水）と加熱側流体（排ガス）とが直接接触
する可能性を抑制することができ、排熱回収ヒータから
被加熱流体、特に、放射能を含む被加熱流体が漏洩する
のを抑制することができる。

【００２５】すなわち、排熱回収ヒータを伝熱管などの
熱交換器で構成した場合、ＢＷＲのように、被加熱流体
内に放射能が存在している場合、伝熱管の一部の隔壁が
破損することで排ガス中に放射能が流出するのに対し
て、排熱回収ヒータを複数のヒートパイプで構成する
と、各ヒートパイプのうち排ガス中に挿入された箇所と
被加熱流体中に挿入された箇所の合計２箇所が破損しな
ければ、排ガス中に放射能が漏洩することはなく、放射
能の漏洩を抑制することで、信頼性の向上を図ることが
できる。

【００２６】また、放射能の漏洩を早期に検出するため
に、ヒータパイプ中には検出が容易なトレーサ用物質が
作動媒体とともに混入されているため、トレーサ用物質
と放射能を検出することで、放射能の漏洩を早期に検出
することができる。

【００２７】また排ガスの流路の圧力はほぼ大気圧であ
るのに対して、被加熱流体の流路における圧力は、ＢＷ
Ｒでは７ＭＰａ（７０ｋｇ／ｃｍ^２）以上、ＰＷＲでは
１５ＭＰａ（１５０ｋｇ／ｃｍ^２）に及び、被加熱流体
の流路と排ガスの流路との間では大きな圧力差があり、
各ヒートパイプには排ガス側に向かって大きな力が作用
する。このため、各ヒートパイプを溶接で固定した場
合、溶接欠損が生じると、各ヒートパイプが圧力差によ
って排ガス側に射出されることが考えられる。そこで、
各ヒートパイプのうち被加熱流体の流路中に挿入された
一部の直径を隔壁の貫通口の直径よりも大きく形成する
ことで、各ヒートパイプが圧力差によって排ガス側に射
出されるのを防止することができる。また各ヒートパイ
プをスリーブ板で保持することで各ヒートパイプの振動
を防止することができる。さらに、ヒートパイプは伝熱
管よりも熱伝達特性を良くすることができるため、熱効
率の向上を図ることができる。

【００２８】また、運用性の向上と非常用電源の確保の
観点から、ガスタービン単独での運転が可能である。す
なわち、核加熱系を停止し、ガスタービンの排ガスをバ
イパスダクトを経由して放出しながらガスタービンの運
転を継続することができる。

【００２９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態を図面
に基づいて説明する。図１は本発明の一実施形態を示す
ガスタービン複合型発電システムの要部構成図である。
図１において、本実施形態においては、原子炉として、
電気出力１１００ＭＷｅ〜１３５０ＭＷｅクラスの標準
化された沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）を用い、この原子炉
で生成された主蒸気および原子炉への給水をガスタービ
ンの排ガスによって加熱することを基本としており、コ
モンヘッダ２３には、沸騰水型原子炉（図示省略）で生
成された蒸気が主蒸気として供給されている。沸騰水型
原子炉は、格納容器内に収納された圧力容器を備えて構
成されており、給水系から水の供給を受け、圧力容器内
で核反応を熱源として水を沸騰させて蒸気を生成し、生
成した蒸気を主蒸気として主蒸気管を介してコモンヘッ
ダ２３に供給するように構成されている。このコモンヘ
ッダ２３は主蒸気管とともに蒸気供給系を構成してお
り、原子炉から供給された主蒸気をＡ系統とＢ系統の２
系統に分けて高圧タービン８に供給するようになってい
る。

【００３０】コモンヘッダ２３と高圧タービン８はＡ系
統とＢ系統ごとにそれぞれ２本の配管を介して接続され
ており、各配管には止め弁２４ａ、２５ａ、２４ｂ、２
５ｂ、制御弁２６ａ、２７ａ、２６ｂ、２７ｂがそれぞ
れ設けられている。

【００３１】高圧タービン８は、３台の低圧タービン
９、１０、１１および蒸気タービン発電機（第１の発電
機）１２とタンデム形式で連結されており、高圧タービ
ン８は、低圧タービン９〜１１とともに、蒸気の供給を
受けて蒸気タービン発電機１２を回転駆動する蒸気ター
ビンとして構成されている。高圧タービン８の出力によ
る蒸気は２本の配管を介してそれぞれコモンヘッダ３１
ａ、３１ｂに供給されるようになっている。コモンヘッ
ダ３１ａ、３１ｂにそれぞれ集められた蒸気は、ダクト
４０ａ、４０ｂ内に配置された排熱回収ヒータ３５ａ、
３５ｂを介してそれぞれコモンヘッダ３２ａ、３２ｂに
供給されるようになっている。コモンヘッダ３２ａ、３
２ｂには、蒸気を復水器（図示省略）に逃す逃し弁２９
ａ、２９ｂが接続されているとともに、３系統の配管を
介して低圧タービン９、１０、１１に接続されている。
各３系統の配管にはそれぞれ入口弁２８ａ、２８ｂ、２
９ａ、２９ｂ、３０ａ，３０ｂが挿入されている。各低
圧タービン９、１０、１１から排出される蒸気はそれぞ
れ給水系に排出されるようになっている。

【００３２】この給水系には復水器が設けられており、
各低圧タービン９〜１１から排出された蒸気は復水器に
よって水に戻され、この水は復水ポンプ（図示省略）、
給水加熱器（図示省略）、給水ポンプ（図示省略）を介
してダクト４０ａ、４０ｂ内の排熱回収ヒータ４７ａ、
４７ｂに供給され、給水配管５ａ、５ｂを介して原子炉
の圧力容器内に供給されるようになっている。

【００３３】一方、蒸気タービンに隣接して、２台のガ
スタービン３６ａ、３６ｂが配置されており、各ガスタ
ービン３６ａ、３６ｂはそれぞれガスタービン発電機
（第２の発電機）３７ａ、３７ｂにそれぞれ接続されて
いる。各ガスタービン３６ａ、３６ｂは、吸気ダクト
（図示省略）から外気（空気）を吸入し、吸入した空気
をフィルタ、消音器を介して圧縮機内に取り込み、圧縮
機で空気を圧縮し、圧縮した空気を燃焼器内で燃料とと
もに燃焼し、燃焼ガスによってガスタービン発電機３７
ａ、３７ｂをそれぞれ回転駆動するとともに、燃焼に伴
う排ガスを排気系に排出するように構成されている。

【００３４】この排気系は排気ダクト３９ａ、３９ｂ、
ダクト４０ａ、４０ｂ、４１ａ、４１ｂから構成されて
いる。排気ダクト３９ａ、３９ｂ内には脱硝器４４ａ、
４４ｂが配置されており、排気ダクト３９ａ、３９ｂの
端部にダクト４０ａ、４０ｂが接続されている。ダクト
４１ａ、４１ｂはダクト４０ａ、４０ｂから分岐した分
岐用のダクトとして構成されている。ダクト４０ａ、４
０ｂとダクト４０ａ、４１ｂとの間には隔離用の扉４２
ａ、４２ｂが開閉自在に配置されており、ダクト４０ａ
の下流側には隔離用の扉４５ａ、４５ｂが開閉自在に配
置されている。さらにダクト４０ａ、４０ｂ内には排熱
回収ヒータ３５ａ、３５ｂ、４７ａ、４７ｂがそれぞれ
配置されている。排熱回収ヒータ３５ａ、３５ｂは、被
加熱流体として、コモンヘッダ３１ａ、３１ｂからコモ
ンヘッダ３２ａ、３２ｂに供給される蒸気を排ガスによ
って加熱し、排熱回収ヒータ４７ａ、４７ｂは、復水器
から原子炉に被加熱流体として供給される水を排ガスに
よって加熱するように構成されている。排熱回収ヒータ
３５ａ、３５ｂ、４７ａ、４７ｂは、複数のヒータパイ
プ１００によって構成されている。

【００３５】各ヒートパイプ１００は、図２に示すよう
に、パイプ状の密閉容器として、円筒状のパイプの両端
が閉塞されて構成されており、内部に作動媒体が封入さ
れている。すなわち、ヒートパイプ１００は、パイプ状
の材料の両端が閉じられ、内部に長手方向空間を持ち、
この空間内に熱輸送に供する作動媒体が封入されたもの
である。この作動媒体としては、動作温度に応じて、ア
ンモニア、フレオン、アルコール、水、ナフタリン、硫
黄、水銀、セシウムなどが用いられる。さらに、各ヒー
トパイプ１００の内部には、作動媒体の循環を促進させ
るために、溝を有し、多孔質の部材で構成されたウイッ
ク１０４が貼り付けられており、ウイック１０４の毛細
管現象を利用して作動媒体を循環させるようになってい
る。すなわち、各ヒータパイプ１００は、断熱部１０３
を中心として、一端側に、排ガスによって加熱される蒸
発部１０１が形成され、他端側には、作動媒体による熱
を放熱させる凝縮部１０２が形成されており、蒸発部１
０１で加熱された作動媒体が、蒸発部１０１内の領域か
ら断熱部１０３内の領域を介して凝縮部１０２内の領域
に移動し、凝縮部１０２で放熱されたあと液化され、ウ
イック１０４を介して蒸発部１０１に戻る循環流を形成
するようになっている。

【００３６】各ヒートパイプ１００を構成するに際して
は、ウイック１０４が装着されていないものを用いるこ
ともできる。ウイックのないものの代表としては、例え
ば、重力を利用した重力還流型のヒートパイプを用いる
ことができる。

【００３７】重力還流型のヒートパイプを用いるに際し
ては、ヒートパイプを水平に設置したのでは作動媒体の
循環ができなくなるため、図３に示すように、ヒートパ
イプ１００を傾斜させて設置する必要がある。この場
合、排ガスの流路を構成する隔壁２０２の一方の貫通口
内にヒートパイプ１００の蒸発部１０１側を挿入し、蒸
気または水による被加熱流体の流路を構成する隔壁２０
１の一方の貫通口内をヒートパイプ１００の凝縮部１０
２を通過させ、蒸発部１０１を排ガス中に挿入し、凝縮
部１０２を被加熱流体としての蒸気（主蒸気）または水
の中に挿入する。

【００３８】この場合、長さＬｇ、Ｌｓは有効伝熱量に
対応した領域となる。また隔壁２０２で囲まれたＡ室と
隔壁２０１で囲まれたＢ室とでは温度差（Ｔｇ−Ｔｆ）
と圧力差（Ｐｆ−Ｐｇ）がある。特に、圧力の差が大き
く、Ａ室は大気圧であるのに対して、Ｂ室内は２ＭＰａ
以上であるため、Ｂ室の隔壁２０１としては数ｃｍ以上
の厚さにする必要がある。さらにＡ室内よりＢ室内の圧
力が大きいため、ヒートパイプ１００として断面が円形
に近いものを用いることが好ましい。また、流体慣性力
が大きく、質量流量ＧｆがＢ室内の方が大きいため、ヒ
ートパイプ１００がＢ室からＡ室側に移動するのを防止
するために、ヒートパイプ１００に支持（保持）機構を
設ける必要がある。

【００３９】重力還流型のヒートパイプ１００を用いて
排熱回収ヒータを構成するに際しては、具体的には、図
４に示すように、水または蒸気による被加熱流体の流路
を構成する隔壁２０１の外周側を排ガスの流路を構成す
る隔壁２０２によって覆い、隔壁２０１と隔壁２０２と
の間の空間部に排ガスによる加熱室を形成する。そして
隔壁２０１の入口２０５側から水または蒸気を導入し、
導入した水または蒸気を出口２０６側から排出し、一
方、隔壁２０２の入口２０３から排ガスを導入し、導入
した排ガスを隔壁２０１の周りを循環させながら出口２
０４から排出する。この場合、隔壁２０１の外周面にガ
イド板２１１を螺旋状に形成するとともに、各ヒートパ
イプ１００を放射状に配置する。

【００４０】この場合、高圧に耐え、小型にするため
に、図５および図６に示すように、隔壁２０２の断面形
状を円筒状にするとともに、隔壁２０１内の上部側の領
域を中心として各ヒートパイプ１００を放射状に配置す
る。各ヒートパイプ１００を配置するに際しては、ヒー
トパイプ１００の有効長さＬｇと有効長さＬｓを等しく
することで、蒸発部１０１の加熱による有効伝熱量と凝
縮部１０２の放熱による有効伝熱量を等しくすることが
できる。また各ヒートパイプ１００の外周側に、蒸発部
１０１と凝縮部１０２とでは形状の相異なる伝熱促進フ
ィンを巻き付けることもできる。例えば、排ガス中に挿
入された蒸発部１０１の外周側には、排熱回収ボイラな
どに用いられる螺旋状のセレイテッドフィンを巻き付
け、蒸気または水が流れる凝縮部１０２の外周側にはワ
イヤを巻き付けることができる。すなわち、凝縮部１０
２と蒸発部１０１にそれぞれ流体に適した伝熱促進フィ
ンを付加することで、伝熱量を高めることができる。

【００４１】また各ヒートパイプ１００を設置するに際
しては、各ヒートパイプ１００の傾斜角度の最適値は作
動媒体の循環力によって決定されるため、重力還流型の
ヒートパイプを用いる場合は、水平方向および垂直方向
における間隔を一定にし、被加熱流体または排ガスに偏
流が発生するのを抑制するピッチで配置することが望ま
しい。

【００４２】また図５および図６では、隔壁２０２とし
て、その断面が円形形状のものについて述べたが、これ
は、排ガスを隔壁２０１に沿って直線させる場合に有効
である。一方、排ガスをガイド板２１１に沿って旋回さ
せるときには、空間を必要とするため、隔壁２０２とし
ては、破線で示すように、その断面が楕円形形状となる
ように構成することが望ましい。なお、隔壁２０２は、
厚さが薄いので、内部が排ガスであっても、引き回しや
形状は比較的自由に設定することができる。

【００４３】各ヒートパイプ１００を設置するに際して
は、各ヒートパイプ１００が互いに干渉することのない
ように、且つ各流体に対して千鳥配列となるように、軸
方向および周方向とも一定のピッチで配列することが望
ましい。なお、図６において、ヒートパイプ１００の貫
通口の位置を丸印で示す。

【００４４】また、各ヒートパイプ１００内における作
動媒体のスムーズな流れを阻害しない程度の曲がりが各
ヒートパイプ１００に許されるときには、各ヒートパイ
プ１００のピッチを最適に変更することもできる。

【００４５】また、図３では、各ヒートパイプ１００を
各流体内でその一端を保持する片持ち梁構造を採用して
いるので、振動防止と強度確保の観点からみると実際上
は好ましくない。

【００４６】そこで、図７に示すように、各ヒートパイ
プ１００のうち相隣接する２本のヒートパイプ１００の
軸方向の一端部を端点１００として互いに接合し、軸方
向の他端部をスリーブ板２０７で保持させる両持ち梁構
造を採用することができる。両持ち梁構造を採用するこ
とで、振動防止を図ることができるとともに強度を確保
することができる。

【００４７】なお、発生する振動の程度に応じて、加熱
流体内および排ガス流内の適切な位置に部分スリーブ板
を挿入することも有効である。またスリーブ板２０７
は、流体による誘起振動を防止する目的であるから、剛
構造とする必要はなく、薄板に孔を開け、孔の周囲を花
ビラ状に切り込んで、この切り込みのところにヒートパ
イプ１００を挿入し、薄板の有するスプリング効果でヒ
ートパイプ１００を保持する方法や、薄板の一部を凸状
部あるいは凹状部として加工し、凸状部あるいは凹状部
にヒートパイプ１００を接触させて保持させる方法を採
用することができる。

【００４８】次に、各ヒートパイプ１００を設置するに
際して、被加熱流体側と排ガス側の圧力差が大きいこと
を考慮すると、図８に示すように、ヒートパイプ１００
を隔壁２０１の貫通口内に単に挿入し、挿入した部位に
溶接を行って溶接部１０８を形成しただけでは、溶接部
１０８の劣化によりヒートパイプ１００が低圧側、すな
わち排ガス側に引きぬかれて脱落する恐れがある。

【００４９】そこで、本実施形態においては、ヒートパ
イプ１００の脱落を防止するために、被加熱流体側に挿
入されたヒートパイプ１００の一部の直径を貫通口の直
径よりも大きくすることとしている。

【００５０】具体的には、高圧側に挿入されたヒートパ
イプ１００の外周側の一部に断面が長方形形状の突起１
０７または断面が半円弧状の突起１０６を環状に形成
し、溶接部１０１が劣化しても、突起１０６または突起
１０７が隔壁２０１と当接することで、ヒートパイプ１
００の脱落を防止することができる。

【００５１】また隔壁２０１を方形状にした場合には、
図９に示すように、各ヒートパイプ１００を側面２０
８、２０９から傾斜させた状態で挿入して固定する方法
を採用することができる。

【００５２】図９では、隔壁２０２として上部側は小さ
く、下部側は大きく形成したものを示しており、隔壁２
０２の大きさに合わせてヒートパイプ１００の長さを設
定することができる。すなわち、隔壁２０２の上部側に
ヒートパイプ１００を配置するときには、各ヒートパイ
プ１００の軸方向の一端側をそれぞれ端点１０９で接合
し、各ヒートパイプ１００の軸方向他端部をスリーブ板
２０７で保持する。また隔壁２０２の下部側に、上部側
よりも長いヒートパイプ１００を配置する場合、被加熱
流体内に挿入されたヒートパイプ１００を互いに交差さ
せて配置し、その軸方向の端部をスリーブ板２１０で保
持させ、他端側をスリーブ板２０７で保持させる。この
場合、隔壁２０２は側面２０８、２０９に対して平行に
配列されるため、排ガスおよび被加熱流体はともに対向
流で直線的に流れる。

【００５３】このように、ヒートパイプ１００の被加熱
流体への挿入時の傾きや挿入深さや支持方向によって
は、隔壁２０２の大きさを上下で異なる大きさにするこ
ともできる。

【００５４】一方、ヒートパイプ１００として、ウイッ
ク１０４を有するものを用いるときには、重力還流型の
ヒートパイプよりもヒートパイプの性能が傾きや配置に
よって受ける影響が小さいため、図１０、図１１に示す
ように、ヒートパイプ１００を傾斜させることなく、ヒ
ートパイプ１００を隔壁２０１、２０２の一部に挿入し
て固定することができる。すなわち、ウイック１０４を
有するヒートパイプ１００を用いることで、重力還流型
のヒートパイプを用いるときよりも、ヒートパイプを設
置する際の傾斜や配置の自由度が増え、設置作業が容易
になるとともに隔壁２０１、２０２の形状が簡単にな
る。

【００５５】また、ウイック１０４を有するヒートパイ
プ１００を用いるに際して、図１２に示すように、被加
熱流体の流路を構成する隔壁２０１の断面形状が円形形
状の場合、隔壁２０２を円形形状に形成し、隔壁２０１
の周囲を隔壁２０２で囲み、２本のヒートパイプ１００
の軸方向の一端部を端点１０９で互いに接合し、軸方向
の他端側をスリーブ２０７で保持する保持構造を採用す
ることができる。さらに、ヒートパイプ１００の軸方向
一端側を、環状に配置されたスリーブ２１０で保持し、
軸方向の他端側をスリーブ２０７で保持する保持構造を
採用することもできる。

【００５６】上述したように、排熱回収ヒータをヒート
パイプ１００で構成したため、主蒸気や水が排気系に漏
洩するのを抑制することができる。

【００５７】すなわち、ヒートパイプ１００内の空間領
域は、被加熱流体が流れるＢ室や排ガスが流れるＡ室で
もなく、いわば第３の領域、すなわちタービン建屋など
のＣ室でもない。ここで、図３に示すように、さらに、
各排熱回収ヒータからの流体の漏洩の可能性を見ると、（１）ヒートパイプ１００自体の破損（２）ヒートパイプ１００と隔壁２０１との接合部１０
８の破損（３）隔壁２０１自体の破損が考えられる。

【００５８】（２）、（３）は、従来技術と同様に、コ
ストをかけることによって、破損確率を減らすことがで
きる。

【００５９】これに対して、（１）については、被加熱
流体と排ガス（加熱側流体）とが直接接触する状況が発
生するが、Ａ室、Ｂ室のそれぞれの領域に存在するヒー
トパイプ１００の少なくとも１箇所、合計２箇所で同時
に破損しなければならない。

【００６０】換言すれば、上記第３の領域を被加熱流体
あるいは排ガスが貫通して初めて漏洩が発生する。ヒー
トパイプ１００に２箇所で同時に破損する破損の発生確
率は、それぞれ単独の発生確率の積となるため、単独の
破損に比べて大幅に小さくなる。これは、新材料開発の
コストとその効果によって得られる破損確率低減より数
段上となる。したがって、排熱回収ヒータをヒートパイ
プ１００で構成することで、破損確率の大幅な減少を図
ることができ、信頼性の向上に寄与することができる。

【００６１】一方、各ヒートパイプ１００内部の空間部
には第３の流体として作動媒体が封入されている。この
ため、各ヒートパイプ１００から流体が漏洩するのを検
出するに際して、排ガス中あるいは被加熱流体中に作動
媒体が存在するか否かを検出することで、ヒートパイプ
１００の破損の発生を早期に検出することができる。た
だし、ヒートパイプ１００の作動媒体として水を用いる
場合には、ヒートパイプの外部に同種の物質が存在する
ため、上述した方法を用いることはできない。

【００６２】そこで、本実施形態においては、ヒートパ
イプ１００の挙動を損なわない程度の量の物質であっ
て、検出の容易なトレーサ用物質として、例えば、ナト
リウム、セシウム、水銀などの物質を作動媒体に混入さ
せ、トレーサ用物質の検出によりヒートパイプ１００の
破損を早期に検出することができ、原子炉をより一層安
全に運転することができる。

【００６３】具体的には、図１３に示すように、排ガス
の流路を構成する隔壁２０２のうちヒートパイプ１００
が挿入された領域よりも下流側の領域（排熱回収ヒータ
の排ガス出口点）に、ヒートパイプ１００内の作動流体
または作動流体内に添加されたトレーサ用物質が排ガス
中に存在することを検出する第１の検出器としてのトレ
ーサ検出器９７を設置するとともに、排ガス中に放射能
が存在することを検出する放射能検出器（第３の検出
器）２６を設置し、トレーサ検出器９７の出力をパルス
カウンタ９９に出力する。また主蒸気または水の流路を
構成する隔壁２０１のうちヒートパイプ１００が挿入さ
れた領域よりも下流側の領域（排熱回収ヒータの被加熱
流体側出口点）に、ヒートパイプ１００内の作動媒体ま
たは作動媒体内に添加されたトレーサ用物質が被加熱流
体中に存在することを検出する第２の検出器としてのト
レーサ検出器９８を設置し、トレーサ検出器９８の出力
をパルスカウンタ９９に出力する。

【００６４】ここで、ヒートパイプ１００の凝縮部１０
２が破損したときには、ヒートパイプ１００から一定量
のトレーサ用物質が放出されるため、トレーサ検出器９
８からパルス状の応答信号が出力される。しかし、この
ときは全体としての漏洩には至らない。同様に、ヒート
パイプ１００のうち蒸発部１０１のみが破損したときに
はトレーサ検出器９７からパルス状の応答信号が出力さ
れる。この場合にも、全体としての漏洩には至らない。
また放射能検出器９６は、ヒートパイプ１００の蒸発部
１０１と凝縮部１０２が同時に破損したときに、継続的
な検出信号を出力するようになっている。なお、断熱部
１０３から流体が漏洩したときには、建屋に設置された
放射線検出器（図示省略）によって放射能が漏れたこと
が検出される。

【００６５】各パルスカウンタ９９はそれぞれディスプ
レイ（図示省力）に接続されており、このディスプレイ
の画面上には、トレーサ検出器９７、９８の検出出力に
応じてヒートパイプの破損本数に関する推定結果が表示
されるようになっている。すなわち、各パルスカウンタ
９９は、各トレーサ検出器９７、９８から出力されるパ
ルス状の応答信号を順次累算し、累算結果をディスプレ
イに出力するようになっている。そしてこのディスプレ
イにおいては、トレーサ検出器９７から出力されるパル
スのうち規定値以上の到達回数を累算し、この累算結果
を基にヒートパイプの被加熱流体側の破損個数を推定
し、この推定結果と監視強化を警告する旨を表示するよ
うになっている。また、トレーサ検出器９８から出力さ
れるパルスのうち規定値以上の到達回数を累算し、この
累算結果を基に、ヒートパイプの排ガス側の破損個数を
推定し、この推定結果と監視強化を警告する旨を表示す
るようになっている。

【００６６】さらに、ディスプレイには、各トレーサ検
出器９７、９８、放射能検出器９６の検出出力の状態に
応じて各種の情報を次の表１にしたがって表示するよう
になっている。なお、Ｐ＋はパルス状の異常値が、＋は
継続的な異常値が、−は平常値が検出されたことを示し
ている。また、Ａ室、Ｂ室、Ｃ室は、図３に示すものと
同じ場所である。

【００６７】

【表１】具体的には、トレーサ検出器９７のみから検出出力が発
生したときには監視強化と運転中補修可能の旨を表示
し、トレーサ検出器９８のみから検出出力が発生したと
きには監視強化の旨を表示する。

【００６８】さらに、各パルスカウンタ９９と放射能検
出器９６の出力は指令信号出力手段（図示省略）に接続
されており、指令信号出力手段からは、各検出器の状態
に応じて指令信号が出力されるようになっている。例え
ば、トレーサ検出器９７またはトレーサ検出器９８のう
ちいずれか一方から検出出力が発生するとともに、放射
能検出器９６の検出出力が規定値以上になったときに
は、各ヒートパイプ１００への排ガスの流入阻止と各ヒ
ートパイプ１００への被加熱流体の流入遮断を伴う放射
線漏洩対応に関する指令信号が出力されるようになって
いる。

【００６９】上述したように、本実施形態おいては、原
子炉として沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）を用いるものにつ
いて述べたが、本発明は、加圧水型原子炉（ＰＷＲ）に
も適用することができる。加圧水型原子炉に本発明を適
用する場合、コモンヘッダ２３と加圧水型原子炉との間
に熱交換器としての蒸気発生器を挿入することで、本発
明を加圧水型原子炉に適用することができる。

【００７０】また、本発明は、加圧水型原子炉の他に、
タービン蒸気系を有する他の形式の原子力発電所などの
プラントにもそのまま適用することができ、プラントの
高効率化に寄与することができる。

【００７１】またヒートパイプ１００としては、ウイッ
ク型、重量循環型の他に、振動流型、サーモサーフィン
型、ドリーム型、均質型、トンネル型、回転型、ディス
ク型、マイクロ型、ループ型、平板型、伸縮自在型、電
磁流体型、浸透圧型のものを用いることもできる。

【００７２】本実施形態においては、核過熱型ではな
い、いわゆる軽水型原子炉で生成される蒸気を利用する
蒸気タービンとガスタービンとの複合発電システムにお
いて、ガスタービンから排出される排ガスによって主蒸
気を追加加熱し、蒸気タービンの入口の蒸気条件を改善
し、給水の一部を排ガスで加熱し、主蒸気管やタービン
からの抽気を削減することによって、熱エネルギーの高
効率化および電気出力の高出力化を達成することができ
る。

【００７３】上述したように、本実施形態によれば、軽
水炉の発電効率の向上と温排水の環境へのインパクトの
低減を図る上で、キーコンポーネントとなる排熱回収ヒ
ータの構成と運用に関し、以下のような効果を奏するこ
とができる。

【００７４】（１）ヒートパイプによる新たな圧力バウ
ンダリを設けたことにより、排熱ヒータから発生する放
射能の漏洩の発生確率を大幅に減少させることができ
る。

【００７５】（２）ヒートパイプ内にトレーサ用物質を
導入するとともに、ヒートパイプより下流側の領域にト
レーサ用物質を検出するためのトレーサ検出器と放射能
検出器を設けることにより、早期のリークの検出とリー
ク発生場所の同定が可能になる。

【００７６】（３）ヒートパイプの有する高い熱伝導性
能により、一層熱効率の向上が図れる。

【００７７】（４）ヒートパイプの構造として、排ガス
側と被加熱流体との間の大きな圧力差に適用させるよう
にしたため、構造のコンパクト化を図ることができると
ともに耐震強度を高めることができる。

【００７８】したがって、これら総合した効果により軽
水炉の高効率化を図るとともに信頼性を高めることがで
き、システムのコンパクト化に寄与することができる。

【００７９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
排熱回収ヒータを複数のヒートパイプで構成しているた
め、排熱回収ヒータから被加熱流体が漏洩する可能性を
抑制することができ、信頼性の向上に寄与することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態を示すガスタービン複合型
発電システムの要部構成図である。

【図２】ヒートパイプの構成および動作を説明するため
の縦断面図である。

【図３】重力還流型ヒートパイプの設置方法を説明する
ための図である。

【図４】排熱回収ヒータに重力還流型ヒートパイプを用
いたときの斜視図である。

【図５】排熱回収ヒータに重力還流型ヒートパイプを用
いたときの縦断面図である。

【図６】排熱回収ヒータに重力還流型ヒートパイプを用
いたときの横断面図である。

【図７】排熱回収ヒータに重力還流型ヒートパイプとし
て両持ち梁構造のものを用いたときの縦断面図である。

【図８】ヒートパイプに突起を設けたときの構成を説明
するための縦断面図である。

【図９】隔壁を方形形状に形成したときの構成を説明す
るための縦断面図である。

【図１０】排熱回収ヒータにウイック型ヒートパイプを
用いたときの横断面図である。

【図１１】排熱回収ヒータにウイック型ヒートパイプを
用いたときの縦断面図である。

【図１２】排熱回収ヒータにウイック型ヒートパイプを
用いたときの他の実施形態を示す縦断面図である。

【図１３】排熱回収ヒータから流体が漏洩したことを検
出する方法を説明するための縦断面図である。

【符号の説明】

８高圧タービン９、１０、１１低圧タービン１２蒸気タービン発電機３５ａ、３５ｂ排熱回収ヒータ３６ａ、３６ｂガスタービン３７ａ、３７ｂガスタービン発電機４０ａ、４０ｂダクト４７ａ、４７ｂ排熱回収ヒータ１００ヒートパイプ１０１蒸発部１０２凝縮部１０３断熱部１０４ウイック２０１、２０２隔壁

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者浜浦紀一茨城県日立市幸町三丁目１番１号株式会社日立製作所火力・水力事業部内 (72)発明者小山英敏茨城県日立市幸町三丁目１番１号株式会社日立製作所火力・水力事業部内Ｆターム(参考） 3G081 BA02 BA11 BA20 BB00 BC01 BD00 DA03 DA23

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１の発電機を駆動する蒸気タービン
と、核反応を熱源として生成された蒸気を前記蒸気ター
ビンに供給する蒸気供給系と、燃料の燃焼に伴う燃焼ガ
スの熱エネルギーにより第２の発電機を駆動して排ガス
を排気系に排出するガスタービンと、前記蒸気タービン
から排出される蒸気を復水して前記熱源に給水する給水
系とを有するとともに、前記蒸気供給系の蒸気を前記排
ガスにより加熱する第１の排熱回収ヒータと前記給水系
の水を前記排ガスにより加熱する第２の排熱回収ヒータ
のうち少なくとも一方を備え、前記第１の排熱回収ヒー
タまたは前記第２の排熱回収ヒータはそれぞれ複数のヒ
ートパイプで構成されてなるガスタービン複合型原子力
発電システム。
【請求項２】請求項１に記載のガスタービン複合型発
電システムにおいて、前記複数のヒートパイプは、前記
被加熱流体が接触する面と前記排ガスが接触する面にそ
れぞれ相異なる形状の伝熱促進フィンが形成されてなる
ことを特徴とするガスタービン複合型原子力発電システ
ム。
【請求項３】請求項１または２に記載のガスタービン
複合型発電システムにおいて、前記被加熱側流体の流路
を形成する第１の隔壁と、前記第１の隔壁を周回してな
る第２の隔壁とによって、前記排ガスの流路を形成し、
前記各ヒートパイプは、前記第１の隔壁を貫通し、その
一端側を前記被加熱側流体中に、その他端側を前記排ガ
スの流路中に、配置することを特徴とするガスタービン
複合型原子力発電システム。
【請求項４】請求項３に記載のガスタービン複合型発
電システムにおいて、前記排ガスの流路中に、前記第１
の隔壁の外周面に沿って、螺旋状に配置されたガイド板
が形成されてなることを特徴とするガスタービン複合型
原子力発電システム。
【請求項５】請求項３または４に記載のガスタービン
複合型発電システムにおいて、前記排ガスの流路中に、
前記排ガスを処理する触媒を設置したことを特徴とする
ガスタービン複合型原子力発電システム。
【請求項６】請求項３から５のうちいずれか１項に記
載のガスタービン複合型発電システムにおいて、前記ヒ
ートパイプの前記被加熱側流路に挿入された一部の直径
が、前記第１の隔壁の貫通口の直径よりも大きく形成さ
れてなることを特徴とするガスタービン複合型原子力発
電システム。
【請求項７】請求項３から６のうちいずれか１項に記
載のガスタービン複合型原子力発電システムにおいて、
前記ヒートパイプの前記排ガスの流路中に挿入された部
分の長さと前記被加熱流体中に挿入された部分の長さ
は、前記排ガスから受ける有効伝熱量と前記被加熱流体
に与える伝熱量とが等しくなるように設定されてなるこ
とを特徴とするガスタービン複合型原子力発電システ
ム。
【請求項８】請求項１から７のうちいずれか１項に記
載のガスタービン複合型発電システムにおいて、前記複
数のヒートパイプは、前記被加熱流体または前記排ガス
の偏流の発生を抑制するピッチで配列されてなることを
特徴とするガスタービン複合型原子力発電システム。
【請求項９】請求項１から８のうちいずれか１項に記
載のガスタービン複合型発電システムにおいて、前記複
数のヒートパイプは、前記被加熱流体中で相対する２本
のヒートパイプの軸方向端部が互いに接合されてなるこ
とを特徴とするガスタービン複合型原子力発電システ
ム。
【請求項１０】請求項１から９のうちいずれか１項に
記載のガスタービン複合型発電システムにおいて、前記
複数のヒートパイプは、前記被加熱流体の流路または前
記排ガスの流路に挿入されたスリーブ板で保持されてな
ることを特徴とするガスタービン複合型原子力発電シス
テム。
【請求項１１】請求項１から１０のうちいずれか１項
に記載のガスタービン複合型発電システムにおいて、前
記排熱回収ヒータの排ガス出口点に、前記ヒートパイプ
の中の作動媒体または作動媒体に添加されたトレーサ用
物質が前記排ガス中に存在することを検出する第１の検
出器と、前記排熱回収ヒータの被加熱流体側出口点に、
被加熱流体中に前記ヒートパイプの中の作動媒体または
作動媒体に添加されたトレーサ用物質が前記被加熱流体
中に存在することを検出する第２の検出器と、前記排熱
回収ヒータの排ガス出口点に、排ガス中に放射能が存在
することを検出する第３の検出器の全て、あるいは少な
くともいずれか一つの検出器を配置したことを特徴とす
るガスタービン複合型原子力発電システム。
【請求項１２】請求項１１に記載のガスタービン複合
型発電システムにおいて、前記第３の検出器が規定値以
上の応答を示したときは、前記排ガスおよび前記被加熱
流体の前記排熱回収ヒータへの流入遮断および放射線漏
洩対応の指令信号を発する機能と、前記第２の検出器出
力の規定値以上の到達回数を累算し、ヒートパイプの排
ガス側の破損個数を推定し、監視強化を警告する機能
と、前記第１の検出器出力の規定値以上の到達回数を累
算し、ヒートパイプの被加熱流体側の破損個数を推定
し、監視強化を警告する機能の全て、あるいは少なくと
も一つを備えたことを特徴とするガスタービン複合型原
子力発電システム。