JP3924222B2 - 独立型エネルギー供給システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、複数の電力供給源を有する電力系統網に繋がらない非ネットワーク電源として利用され、比較的小さい地域で消費されるエネルギーを独立して供給する独立型エネルギー供給システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
電力系統が充実した地域では、原子力、流込式水力、石炭火力等によるにベース供給電力、ＬＮＧ、石油火力等によるミドル供給電力、調整池式、揚水式水力等のピーク供給電力などの多様な発電形式を組み合わせて、電力の需要、供給のバランスをとっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、離島や奥地といった地域では、地理的な事情により長距離配電設備を施設することが困難なため、他の電力供給源を有する電力系統網に繋げることができないという問題点があり、独立したエネルギー供給システムが求められている。
また、従来このような地域では、ディーゼル発電やガスタービン発電などが利用されてきたが、発電に必要な燃料の搬送には多大な費用がかかるという問題点があり、搬送が容易でコストのかからない核燃料を利用する原子力発電が着目されている。
一方、従来の原子力発電プラントは、大規模な設備を用いて大出力発電を行うものが一般的であるが、原子力発電プラント自体、潜在的には比較的小さい地域毎に消費されるエネルギー供給源としても利用できるものである。
【０００４】
この発明はこのような課題を解決するためになされたもので、電力系統網に繋がらない非ネットワーク電源として利用され、比較的小さい地域毎に消費されるエネルギーを独立して供給する独立型エネルギー供給システムを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る独立型エネルギー供給システムは、核燃料を熱源として生成された蒸気を用いて発電を行う原子力発電設備と、この原子力発電設備により発電した電力を蓄電する蓄電設備と、蒸気を抽気して熱を供給する熱供給設備とを備え、電力需要に対して、少なくとも原子力発電設備及び蓄電設備のいずれか一つから電力を供給し、熱需要に対して、熱供給設備から熱を供給し、原子力発電設備が運転停止した場合、核燃料の崩壊熱により生成された蒸気が熱供給設備に供給されることを特徴とするものである。
【０００６】
原子力発電設備による発電量が電力需要を上回る場合は、発電量の余剰発電分が蓄電設備に蓄電され、原子力発電設備による発電量が電力需要を下回る場合は、電力需要の不足電力分が蓄電設備から供給されるのが好ましい。
熱供給設備から供給する熱量が熱需要を上回る場合は、熱供給設備は蒸気の抽気量を減少させ、熱供給設備から供給する熱量が熱需要を下回る場合は、熱供給設備は蒸気の抽気量を増加させるのが好ましい。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下に、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
この発明の実施の形態に係る独立型エネルギー供給システムの全体構成図を図１に示す。
この独立型エネルギー供給システムの構成のひとつである原子力発電設備として、詳細には後述するパッケージ型原子炉２０が利用される。パッケージ型原子炉２０の複数の原子力蒸気供給カセット２１内には、それぞれ蒸気発生器２３が設けられ、蒸気発生器２３内で高温高圧の蒸気となった２次冷却材４３が主蒸気ライン１に流出する。主蒸気ライン１は、通常は開放状態にある主蒸気止め弁２を介して蒸気タービン３に接続されている。蒸気タービン３は例えば背圧タービンから構成される。蒸気タービン３には、排気蒸気を排出する排気ライン４が設けられ熱供給装置５に接続されている。熱供給装置５は、例えば熱交換器から構成されている。また、熱供給装置５には、主蒸気ライン１から分岐した抽気ライン７が接続されている。抽気ライン７の途中には抽気流量調整弁６が設けられている。さらに、熱供給装置５には、熱供給装置５で熱交換して冷却された２次冷却材４３を原子力蒸気供給カセット２１の蒸気発生器２３に戻す給水ライン８が設けられている。給水ライン８の途中には２次冷却材４３を駆動するポンプ１４が設けられている。
【０００８】
一方、蒸気タービン３には発電機９が接続され、発電機９には所望の電圧に調整する変圧器１０が接続されている。
変圧器１０は、さらに変圧器１１に接続され、交流／直流発電機１２を介して蓄電池１３に接続されている。
ここで、パッケージ型原子炉２０、蒸気タービン３、発電機９及び変圧器１０は、核燃料を熱源として生成された蒸気を用いて発電を行う原子力発電設備を構成する。また、変圧器１１、交流／直流発電機１２及び蓄電池１３は、原子力発電設備により発電した電力を蓄電する蓄電設備を構成する。さらに、熱供給装置５、抽気ライン７、抽気流量調整弁６は、核燃料を熱源として生成された蒸気を抽気して熱を供給する熱供給設備を構成する。
【０００９】
ここで、パッケージ型原子炉２０は、図２に示されるように、原子力蒸気供給カセット２１を複数組み合わせて構成される。原子力蒸気供給カセット２１は、圧力管２２と、その内壁の中央から上方にかけて円周状に配置された蒸気発生器２３と、下方に設けられた核燃料の入った燃料集合体であるカセット内炉心２４とを備えている。圧力管２２は、上下端を閉じた細長円筒管であって、金属材料からなる圧力管ライナ２５と、その外周面に炭素繊維を巻いた強化繊維層２６とを備えている。圧力管２２とカセット内炉心２４との間には、圧力管２２内部に封入された１次冷却材２８が下方に向かって流れるダウンカマー部２７が形成されている。また、カセット内炉心２４の上方には、カセット内炉心２４によって加熱された１次冷却材２８が上昇するライザー２９が形成され、１次冷却材２８が圧力管２２内を矢印方向に循環するように構成されている。
【００１０】
減速材３０が満たされる減速材タンク３１内には、原子力蒸気供給カセット２１が中心から放射状に配置され、中心にある原子力蒸気供給カセット２１の周囲には、制御棒３２が円周上に配置されている。制御棒３２は、カセット内炉心２４に沿って上下方向に延びて、減速材タンク３１の上方にある制御棒駆動装置３３に接続されている。制御棒駆動装置３３は、原子力蒸気供給カセット２１のカセット内炉心２４に沿って、制御棒３２を上下に進退させることにより原子炉の熱出力を制御する。減速材タンク３１の外側には、水遮蔽タンク３５が設けられ、水遮蔽タンク３５内には遮蔽水３６が満たされている。
【００１１】
原子力蒸気供給カセット２１の上方には、蒸気発生器２３の２次冷却材４３の供給排出経路として２次冷却材管４４が配置され、図１に示す主蒸気ライン１及び給水ライン８に接続されている。また、格納容器４２の外周には、格納容器４２を空気冷却する空気流路４５が形成されている。
【００１２】
次に、この発明の実施の形態に係る独立型エネルギー供給システムの動作を図１に基づいて説明する。
パッケージ型原子炉２０では、原子力蒸気供給カセット２１内の１次冷却材２８はカセット内炉心２４の反応熱により温められ上昇して、蒸気発生器２３において２次冷却材４３との間で熱交換が行われる。冷却された１次冷却材２８はダウンカマー部２７を下降し、再びカセット内炉心２４において加熱される。蒸気発生器２３において、１次冷却材２８から熱を奪い加熱されて蒸気となった２次冷却材４３は、２次冷却材管４４を介して主蒸気ライン１に導かれる。
【００１３】
主蒸気ライン１に導入された蒸気の熱エネルギーは、蒸気タービン３側に供給されると、蒸気タービン３で回転エネルギーに変換され発電機９で電気エネルギーに変換され、さらに変圧器１０を介して所望の電圧に変換され、このシステムが利用される地域に、ベースロードとして電力を供給する。
また、蒸気の熱エネルギーは、抽気ライン７側に供給されると熱供給装置５で熱利用に供される。熱供給装置５から供される熱は、例えば、地域の冷暖房、農業用水、工業用水、道路凍結防止用水、水道凍結防止用水等に利用される。
ここで、抽気流量調整弁６は、地域における熱需要と、システムから供給される供給熱量との需給バランスに応じて、熱供給装置５に供給される抽気量を調整する。
通常、主蒸気ライン１の蒸気の多くは電力供給に供され、蒸気の一部は熱供給装置５から熱利用に供される。
【００１４】
このように、核燃料を熱源として生成され、主蒸気ライン１に導入された蒸気を利用して、このシステムでは、地域で利用される電力需要及び熱需要と、システムから供給される供給電力量及び熱量との需給バランスに応じて異なる動作を行う。
【００１５】
まず、図３に示されるように、発電機９で発電される発電量、すなわち、電力供給量が電力需要量（負荷）よりも大きい場合（ケース１）、電力需要を上回る供給電力分は、変圧器１１、交流／直流発電機１２を介して蓄電池１３に蓄電される。
一方、図４に示されるように、発電機９から供給できる電力供給量が電力需要量よりも小さい場合（ケース２）、蓄電池１３からの放電により電力需要量に対する不足を補う。
【００１６】
次に、図５に示されるように、熱供給装置５から供給できる供給熱（発生熱量）が熱需要よりも小さい場合（ケース３）、主蒸気ライン１に導かれた蒸気は抽気流量調整弁６により熱供給装置５にさらに多く供給される。抽気量を増加させることにより熱需要に見合った熱が熱供給装置５から供給される。
一方、抽気量を増加させると、蒸気タービン３への蒸気供給量が減少し、発電機９における発電量が減少する。この際、発電機９での発電量が電力需要量よりも小さい場合、蓄電池１３からの放電により電力需要量に対する不足を補う。
【００１７】
また、図６に示されるように、熱供給装置５から供給できる供給熱（発生熱量）が熱需要よりも大きい場合（ケース４）、抽気流量調整弁６により熱供給装置５に供給される抽気量を減少させる。これにより、熱需要に見合った熱を供給する。一方、抽気量を減少させると、蒸気タービン３への蒸気供給量が増加し、発電機９での発電量が増加する。この際、発電機９からの電力供給量が電力需要量よりも大きい場合、蓄電池１３への蓄電が行われる。
【００１８】
また、万一、パッケージ型原子炉２０の運転が停止した場合（ケース５）、いわゆる非常事態になっても、原子力蒸気供給カセット２１内のカセット内炉心２４では崩壊熱が発生している。この崩壊熱は、原子炉２０の運転中に臨界により発生する熱と比較すると、１％以下の微小なものであって、この熱によって蒸気発生器２３で発生する蒸気では、蒸気タービン３を駆動することができない程度のものである。しかしながら、この崩壊熱により温められた１次冷却材２８は蒸気発生器２３で２次冷却材４３と熱交換し２次冷却材４３は蒸気となる。パッケージ型原子炉２０の運転停止状態のときは、主蒸気止め弁２は閉じられており、主蒸気ライン１に導入された蒸気は、すべて抽気ライン７に供給され熱供給装置５において熱利用に供される。このような非常事態時における熱利用の例として、電力以外のライフラインのひとつである飲料水確保のために、寒冷地では水道管の凍結防止の熱源として利用される。
したがって、原子力以外を利用した発電所では何ら熱エネルギーを発生し得ないような非常事態においても、このシステムでは崩壊熱を利用してライフライン確保のために必要な熱を供給することができる。
【００１９】
さらに、原子炉２０の運転が停止し発電できない状態であっても、蓄電池１３に蓄電された電力を放電することにより、地域の非常用の照明等の生活に最低限必要な電力を得ることができ、いわゆるライフラインが確保される。さらに、蓄電池１３からの放電により、この独立型エネルギー供給システムを稼働するのに必要な所内電源も確保される。
【００２０】
また、このシステムは、パッケージ型原子炉２０の熱出力変動に適切に対応することができ、原子力蒸気供給カセット２１における燃焼度の相違によって熱出力変動が発生しても、蓄電池１３への蓄電、放電を選択して需要と供給のバランスをとることができる。
原子炉２０の熱出力は、原子力蒸気供給カセット２１内の燃焼度に応じて変動するものである。この熱出力変動に起因して、主蒸気ライン１に導入される蒸気量、蒸気温度、蒸気圧に変動を生じる。このように、原子炉２０の熱出力が変動し、例えば、熱出力が大きくなり発電機９で発電される発電量が電力需要（負荷）よりも大きい場合、図３に示されるケース１の場合と同様に、電力需要を上回る供給電力分は、変圧器１１、交流／直流発電機１２を介して蓄電池１３に蓄電される。
一方、熱出力が小さくなり発電機９から供給できる電力供給量が電力需要量よりも小さい場合、図４に示されるケース２の場合と同様に、蓄電池１３からの放電により電力需要量に対する不足を補う。
【００２１】
このように、このシステムは電力需要や熱需要の変動に適切に対応した処置を行うことができる。
また、蒸気タービン３の排気ライン４が熱供給装置５に接続され、蒸気タービン３の排気蒸気も熱利用に供することができ、蒸気エネルギーをさらに効率的に利用できる。
【００２２】
以上に説明してきた本発明は、上記に限定されるものではなく、適宜改変して実施することができる。
上述した実施の形態においては、原子力発電設備として、内部に原子力蒸気供給カセット２１を有するパッケージ型原子炉２０を利用したが、これに限定されるものではなく、炉心がひとつのみしか存在しない従来からの原子炉を用いることもできる。また、主蒸気ライン１には、蒸気発生器２３の２次冷却材４３が導入されたが、１次冷却系の蒸気を用いてもよく、沸騰水型原子炉にこのシステムを適用することもできる。
抽気ライン７は、蒸気タービン３の入口手前に設けられ、蒸気タービン３に導入される前の蒸気を熱供給装置５に抽気したが、蒸気タービン３の段落中の任意の位置から抽気してもよい。これにより、熱利用の目的に合わせた温度の蒸気を熱供給装置５に導入できる。
熱供給装置５は、熱交換器が用いられたが、熱利用の形態に応じて、ヒートポンプを用いてもよい。
【００２３】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、核燃料を熱源として生成された蒸気を用いて発電を行う原子力発電設備と、この原子力発電設備により発電した電力を蓄電する蓄電設備と、蒸気を抽気して熱を供給する熱供給設備とを備え、電力需要に対して少なくとも原子力発電設備及び蓄電設備のいずれか一つから電力を供給し、熱需要に対して熱供給設備から熱を供給するので、電力系統網に繋がらない非ネットワーク電源として利用され、比較的小さい地域毎に消費されるエネルギーを独立して供給する独立型エネルギー供給システムを提供することができ、原子力発電設備が運転停止した場合、核燃料の崩壊熱により生成された蒸気が熱供給設備に供給されるので、原子力以外を利用した発電所では何ら熱エネルギーを発生し得ないような非常事態においても、ライフライン確保のために必要な熱を供給することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施形態に係る独立型エネルギー供給システムの構成を示すシステム図である。
【図２】 図１のパッケージ型原子炉の構造を示す立断面図である。
【図３】 実施形態に係る独立型エネルギー供給システムの動作の一例を示すシステム図である。
【図４】 実施形態に係る独立型エネルギー供給システムの動作の一例を示すシステム図である。
【図５】 実施形態に係る独立型エネルギー供給システムの動作の一例を示すシステム図である。
【図６】 実施形態に係る独立型エネルギー供給システムの動作の一例を示すシステム図である。
【図７】 実施形態に係る独立型エネルギー供給システムの動作の一例を示すシステム図である。
【符号の説明】
１…主蒸気ライン、２…主蒸気止め弁、３…蒸気タービン、４…排気ライン、５…熱供給装置、６…抽気流量調整弁、７…抽気ライン、８…給水ライン、９…発電機、１０，１１…変圧器、１２…交流／直流発電機、１３…蓄電池、１４…ポンプ、２０…パッケージ型原子炉、４３…２次冷却材。

Claims (3)

1. 核燃料を熱源として生成された蒸気を用いて発電を行う原子力発電設備と、
   この原子力発電設備により発電した電力を蓄電する蓄電設備と、
   前記蒸気を抽気して熱を供給する熱供給設備とを備え、
   電力需要に対して、少なくとも前記原子力発電設備及び前記蓄電設備のいずれか一つから電力を供給し、
   熱需要に対して、前記熱供給設備から熱を供給し、
   前記原子力発電設備が運転停止した場合、前記核燃料の崩壊熱により生成された蒸気が前記熱供給設備に供給される独立型エネルギー供給システム。
2. 前記原子力発電設備による発電量が、前記電力需要を上回る場合は、前記発電量の余剰発電分が前記蓄電設備に蓄電され、
   前記原子力発電設備による発電量が、前記電力需要を下回る場合は、前記電力需要の不足電力分が前記蓄電設備から供給される請求項１に記載の独立型エネルギー供給システム。
3. 前記熱供給設備から供給する熱量が、前記熱需要を上回る場合は、前記熱供給設備は前記蒸気の抽気量を減少させ、
   前記熱供給設備から供給する熱量が、前記熱需要を下回る場合は、前記熱供給設備は、前記蒸気の抽気量を増加させる請求項１または２に記載の独立型エネルギー供給システム。

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