JP6712672B1 - Power generation device and power generation system using supercritical CO2 gas - Google Patents

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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CO2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CO2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CO2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CO2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3PROBLEM TO BE SOLVED: To use a supercritical CO2 gas turbine having high engineering feasibility, low construction cost, high economy, easy maintainability, easy manufacturability, high adaptability as a commercial power source, and high safety. Provide a power generation system. A supercritical CO2 gas turbine (1) includes an elongated rotary shaft body (3) rotatable about one rotary shaft. The rotary shaft body 3 is uniaxial so that the low-pressure compressor 4, the high-pressure compressor 5, and the bypass compressor 6 rotate at the same rotation speed in series in the direction in which the supercritical CO 2 gas flows along the rotary shaft body 3. Be connected. These compressors include a plurality of step structures, and the step structures have blade portions extending in the radial direction. The power generator 2 includes a gas turbine 1 and a power generator 15 connected to the gas turbine 1 in a housing, and constitutes a closed circulation system 30 for supercritical CO 2 gas. The closed circulation system 30 includes a main heat exchanger 20 for obtaining heat energy, pipes 21 to 21, first and second regenerative heat exchangers 26a and 26b, and coolers 28 and 29. [Selection diagram] Fig. 3

Description

本発明は、超臨界COガスを用いた発電装置及び発電システムに関する。 The present invention relates to a power generation device and a power generation system using supercritical CO 2 gas.

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。 Patent Document 1 below pays attention to the fact that the compression work is reduced by the peculiarity of the intermolecular force of gas in the vicinity of the supercritical point, with respect to the conventional power generation method using a steam turbine, a high temperature gas turbine, or the like. A new supercritical CO 2 gas turbine power generation system has been proposed. In this supercritical CO 2 gas turbine power generation system, it is said that the compression work is halved as compared with the same closed cycle high temperature gas reactor power generation, and the cycle thermal efficiency is about 5% higher in the middle and high temperature regions. In addition, compared with the light water power generation system in the low to medium temperature range, which is an open Rankine cycle, the compression work is large, but the turbine efficiency is high, so the thermal efficiency is about the same at the same turbine inlet temperature. As described above, the supercritical CO 2 gas turbine power generation is a compact power generation method with the highest power generation efficiency in the medium temperature range. Further, in the application of supercritical CO 2 gas turbine to nuclear power generation, since water is not used, hydrogen in water molecules is converted to tritium which is a radioactive isotope by high-energy neutrons radiated from a nuclear reactor, and it is in the environment. It is possible to provide a safer power generation system that has no risk of leaking into the interior of the vehicle and is free from the risk of hydrogen and steam explosion due to abnormal heating of cooling water.

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。 However, Patent Document 1 does not disclose a specific configuration and design method of a supercritical CO 2 gas turbine for achieving engineering feasibility, effects, and economical efficiency/manufacturability/commerciality. For example, in Patent Document 1, it was not clear how the plurality of compressors and the gas turbine were connected. Further, although Patent Document 1 discloses that the compressor is a centrifugal pump, in the case of a centrifugal pump, in order to achieve the prescribed recompression pressure described by one unit, (1) high speed rotation Or (2) it is necessary to make multiple units. However, in the case of solving in (1), problems such as securing the compression ratio of the compressor capable of processing a large capacity fluid of CO 2 fluid 1 ton/sec class and structural strength such as material newly occur, and at this stage It becomes impossible to match the rotational harmony with other structures such as turbines and rotating equipment. In the case of solving in (2), it becomes impossible to design with a single shaft, because it becomes independent operation in which a motor is attached to each of a plurality of compressors.

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。 On the other hand, there has been proposed a technique in which a compressor and a turbine are uniaxially integrated for the purpose of downsizing a gas turbine. However, since a single-axis design combining a compressor and a gas turbine is established as a high-speed rotating body power generation system, it has not been clear what kind of compressor can be combined with what can be achieved.

特開2012−145092号公報JP 2012-145092A

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。 The present invention has been made to solve the above problems, and (1) engineering feasibility having a thermal efficiency of 45.63% or more , (2) miniaturization of the entire power generation system and/or vertical installation low construction cost by equal, high efficiency high economic efficiency due to power generation, (4) easy maintenance due to the compact single-axis design, (5) easy manufacturing due to prior manufacturing techniques and materials, (6) as a commercial power source (3) It is to provide a power generation device and a power generation system using a supercritical CO 2 gas turbine that can simultaneously realize all the requirements such as high adaptability and (7) high safety by adopting an inert/non-toxic cooling medium. To aim.

上記課題を解決するため、本発明の超臨界CO 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 ガスタービンと、前記超臨界CO 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 ガスを前記超臨界CO ガスタービンを通して循環させる、超臨界CO ガスの閉循環システムと、を備え、前記超臨界CO ガスタービンは、超臨界CO 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 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 ガスタービンへの超臨界CO 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 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 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。
In order to solve the above-mentioned problems, a power generator using supercritical CO 2 gas of the present invention is a supercritical CO 2 gas turbine having an elongated rotary shaft body rotatable around one rotary shaft, and the supercritical CO 2 gas turbine. A generator that is uniaxially connected to the end of the rotating shaft of a two- gas turbine and a supercritical CO 2 gas that is heated by an external heat energy source through a main heat exchanger through the supercritical CO 2 gas turbine. A closed circulation system for supercritical CO 2 gas, which is circulated, wherein the supercritical CO 2 gas turbine comprises a single low pressure compressor in series in a direction in which the supercritical CO 2 gas flows along the rotating shaft body. Machine, one high-pressure compressor, one bypass compressor, and the low-pressure compressor, the high-pressure compressor, and the bypass compressor are arranged to be rotated by supercritical CO 2 gas sequentially compressed And a single gas turbine section as a constituent device, and the inlet temperature of the supercritical CO 2 gas from the main heat exchanger to the supercritical CO 2 gas turbine in the closed circulation system is 550° C. or higher. In order to achieve the thermal efficiency target of 45.63% or more and the miniaturization of the cycle thermal efficiency of the power generator under the conditions, the constituent devices are integrated with the rotary shaft body so as to rotate in the same direction at the same rotation speed. Uniaxially connected to each other, and the constituent devices each include a plurality of step structures arranged in series in the rotation axis direction, and each of the plurality of step structures extends in the radial direction from the rotation shaft body. The bypass compressor has a configuration of an axial flow type in which a plurality of blades are arranged in the circumferential direction, the bypass compressor can be operated at a higher temperature than the low pressure compressor and the high pressure compressor, and a compression work for supercritical CO 2 gas is performed. The ratio is higher, the rotating shaft is controlled to rotate at a specific rotation speed that is uniquely determined by a predetermined relationship in accordance with the generated power that the power generation device targets, and the low pressure compressor and the high pressure compressor are controlled. And the design limit range of each of the constituent devices having sufficient structural strength and material strength for achieving the adiabatic efficiency of 80% or more in the bypass compressor and the adiabatic efficiency of 90% or more in the gas turbine unit, Limited by the generated power, the design limit range becomes narrower as the generated power becomes larger, and the design limit range of each of the constituent devices is at least an allowable flow rate, an allowable inlet temperature range, an allowable stage number range of the stage structure, The present invention relates to the number of blades per step structure, and various conditions such as the axial length and diameter of each component, and achieves the thermal efficiency target and compactness of the power generator. As described above, the values of various conditions of each of the constituent devices are selected from the performance limit range of the constituent device, and the specific rotation speed falls within the allowable rotation speed of all of the constituent devices, and the rotating shaft body The flow rate of the supercritical CO 2 gas flowing along is within the allowable flow rate of each component.
An example and a preferred embodiment of the present invention are as follows.

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。 The performance limit range of each of the constituent devices in the case where the generated power per one power generation device is 100 MW is described in Table 1 of the present specification. Further, the performance limit range of each of the constituent devices when the generated power per one power generation device is 3 GW is described in Table 2 of the present specification.

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。 Table 3 of the present specification shows the axial length and the axial diameter of the entire one power generating device which is made compact according to the present invention.
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。 The various conditions further include strength of each blade of the component, inlet/outlet temperature/pressure/flow velocity, pressure loss, and critical speed of the component at start-up.
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。 To support the rotary shaft, magnetic journal bearings are provided at both ends of the rotary shaft, and magnetic thrust bearings are provided at one end.

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。 The low pressure compressor, the high pressure compressor, the bypass compressor, and a balance piston for relieving the press-fitting between the gas turbine unit, thereby providing a full shaft on the magnetic journal bearing and the magnetic thrust bearing. Reduce the directional force.
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。 The generator is separably connected to the rotating shaft so as to rotate at the same rotation speed.

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。 The power generator is configured to generate the generated power derived from the predetermined relationship with respect to a specific rotation speed of 3600 rpm corresponding to a common power supply frequency of 50 to 60 Hz.
前記超臨界CO The supercritical CO Two 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COThe closed gas circulation system is a heat exchange pipe provided inside the main heat exchanger, and the main heat exchanger is a supercritical CO flowing in the heat exchange pipe. Two 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COThe heat exchange pipe for applying heat energy from the heat energy source to the gas, and the supercritical CO heated by the heat energy source. Two 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COA first pipe connecting the outlet side of the heat exchange pipe and the inlet side of the gas turbine unit for supplying gas to the gas turbine unit to rotate the rotating shaft body, and the outlet of the gas turbine unit Supercritical CO from the side Two 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COA second pipe that guides gas to the inlet side of the low-pressure compressor, and a supercritical CO gas that exits from the bypass compressor. Two 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COIn order to return a part of the gas to the main heat exchanger, a third pipe connecting the outlet side of the bypass compressor and the inlet side of the heat exchange pipe, and an extra gas discharged from the outlet side of the gas turbine section are connected. Critical CO Two 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COIn order to return a part of the gas to the bypass compressor, a fourth pipe, which branches from the second pipe and is connected to the inlet side of the bypass compressor, and a path of the second pipe are provided. The first regenerative heat exchanger provided, wherein the third pipe passes through the inside of the first regenerative heat exchanger, whereby the supercritical CO discharged from the outlet side of the gas turbine unit Two 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COSupercritical CO returning from the bypass compressor to the main heat exchanger by gas Two 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COSupercritical CO compressed by the first regenerator and the high pressure compressor, which reheats the gas. Two 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COA fifth pipe extending from the outlet side of the high-pressure compressor to join a part of the gas to the main heat exchanger, and joins the third pipe at a position upstream of the first regenerative heat exchanger. A second regenerative heat exchanger provided downstream of the first regenerative heat exchanger on the path of the second pipe and upstream of a branch point of the fourth pipe, Before passing through the second regenerative heat exchanger before joining the third pipe, the supercritical CO 2 exiting from the outlet side of the gas turbine section Two 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COSupercritical CO returning from the high pressure compressor to the main heat exchanger by gas Two 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、The second regenerative heat exchanger for further regenerative heating of the gas; a precooler provided in the second pipe between the second regenerative heat exchanger and the low pressure compressor; A sixth pipe connecting from the outlet side of the low pressure compressor to the inlet side of the high pressure compressor;
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。 An intercooler provided in the sixth pipe for cooling a part of the gas compressed by the low pressure compressor and supplying the gas to the high pressure compressor.
前記超臨界CO The supercritical CO Two 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COIt further comprises a container covering the gas turbine, the generator, and the entire closed circulation system. The supercritical CO Two 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COThe gas turbine and the generator are housed vertically in the container. The container has a lid that can be opened and closed, and by opening the lid, at least the supercritical CO Two 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COThe gas turbine and the generator can be taken in and out of the container. The closed circulation system is a supercritical CO Two 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。It further comprises an openable/closable jet outlet for jetting gas as a coolant to the outside.

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 The power generator of the present invention supplies the commercial power source to the generator at the time of start-up, thereby causing the generator to function as a motor to operate the supercritical CO. Two ガスタービンを回転させる。Rotate the gas turbine.
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 The power generation system of the present invention including the power generation device, the thermal energy source is a nuclear fission reactor, a nuclear fusion reactor, a thermal power source, or a heat source of natural energy of solar heat or geothermal, the fusion reactor, It is either a tokamak reactor, a helical reactor, a laser implosion reactor, a tandem mirror reactor, or a cold fusion reactor. In the power generation system, in a mode in which the thermal energy source is solar heat, at least a heat collecting part heated by sunlight, a primary circulation system for circulating a molten salt in at least the heat collecting part, and a primary circulation system. A tower provided with a part thereof, wherein the heat collecting portion is provided on the head of the tower, and reflects the sunlight by following the operation of the tower and the sun to the heat collecting portion. A high temperature molten salt tank connected to the inlet side of the main heat exchanger for storing a heliostat for collecting light and the molten salt heated in the heat collecting section and supplying the molten salt to the main heat exchanger. Connected to the outlet side of the main heat exchanger, and the supercritical CO Two 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COA low-temperature molten salt tank for storing molten salt that has exchanged heat with a gas, wherein the primary circulation system is a supercritical CO flowing through the closed circulation system which is a secondary circulation system. Two 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。In order to exchange heat with gas, the main heat exchanger is interposed and the molten salt is FLiNaK.

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 In an aspect in which the thermal energy source is a fusion reactor, the fusion reactor includes a blanket, a primary circulation system in which FLiNaK circulates is arranged in the blanket, and the primary circulation system is a secondary circulation system. Supercritical CO flowing through the closed circulation system Two 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。In order to perform heat exchange with gas, the primary circulation system can be switched so that heat is supplied from either the thermal power source or the fusion reactor through the main heat exchanger.

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ガスタービンの側面図である。FIG. 1 is a side view of a supercritical CO 2 gas turbine having a minimized single-shaft rotating shaft, which is provided in a power generator according to a first embodiment of the present invention. 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ガスタービンの一部の斜視図である。FIG. 2 is a perspective view of a part of a supercritical CO 2 gas turbine having a minimized single-shaft rotating shaft, which is provided in the power generator according to the first embodiment of the present invention. 図3は、本発明の第1の実施形態に係る、図1の超臨界CO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。FIG. 3 is a schematic diagram of a power generator/power generation system using the supercritical CO 2 gas turbine of FIG. 1 according to the first embodiment of the present invention. 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。FIG. 4 shows the temperature of the supercritical CO 2 gas of each component when the power generation apparatus of FIG. 3 is designed as one power generation system that generates power from a 100 MW class thermal energy source in the 100 MW to 3 GW high temperature external heat source range , It is an example of pressure, flow rate, power consumption, or generated power. 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。FIG. 5 shows the temperature of the supercritical CO 2 gas of each component when the power generation device of FIG. 3 is designed as one power generation system that generates power from a 3 GW class thermal energy source in the 100 MW to 3 GW high temperature external heat source range , It is an example of pressure, flow rate, power consumption, or generated power. 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。FIG. 6 is a flowchart showing a method for starting/operating/stopping the power generation system according to the second embodiment shown in FIG. 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。FIG. 7 is a diagram showing the superiority of the present invention compared to the prior art, (A) shows the cycle thermal efficiency with respect to the turbine inlet temperature, and (B) shows the sizes of the gas turbine of the present invention and the conventional steam turbine. A comparison is shown, and (C) shows a comparison between the steam power generation building and the power generation system building of the present invention. 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。FIG. 8 is a graph showing the control rotation speed (rpm) of the rotary shaft body 3 with respect to the input electric power (GW) in one power generator of the present invention. 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。FIG. 9: is a side view which shows the connection aspect of a gas turbine and a generator which concern on the 4th Embodiment of this invention. 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。FIG. 10 is a schematic view showing an example of a maintenance method for a 100 MW class power generator according to the fifth embodiment of the present invention. 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。FIG. 11 is a diagram showing a specific example of the thermal energy source of the power generation system according to each embodiment of the present invention, in which (A) is a thermal power source, (B) is a power generation system using the thermal power source, and (C). Shows a power generation system using a helical furnace. 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。FIG. 12 is a schematic diagram of a power generation system according to the third embodiment that uses solar heat as a heat energy source.

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ガスタービン1が示されている。超臨界CO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に掛かる軸方向力を低減させる。
Hereinafter, a supercritical CO 2 gas turbine according to an embodiment of the present invention, and a power generation device and a power generation system using the same will be described with reference to the drawings.
(First embodiment)
FIG. 1 shows an axial flow type supercritical CO 2 gas turbine 1 according to a first embodiment of the present invention. The supercritical CO 2 gas turbine 1 is provided with an elongated rotary shaft body 3 rotatable around one rotary axis A. The arrow B direction is the direction in which the supercritical CO 2 gas flows along the surface of the rotating shaft body 3. A low pressure compressor 4, a high pressure compressor 5, a bypass compressor 6, and a gas turbine unit 7 are uniaxially connected to the rotary shaft body 3 in series in the direction of arrow B. One end of the rotating shaft body 3 is rotatably supported by a journal bearing 9, and the other end of the rotating shaft body 3 is supported by the journal bearing 10 and the thrust bearing 14 (oil bearing or magnetic bearing (especially for a heat source). It is effective to prevent oil contamination)) and is rotatably supported. In addition, a balance piston 11 is provided between the constituent devices (4,5, 6, 7) to reduce the pressure between the compressor side and the gas turbine side. The balance piston 11 balances the gas pressures of the chambers (not shown) on both sides of the piston that slides in the axial direction by controlling the opening/closing of control valves provided in the pipes that connect the chambers on both sides. So that the total axial force on the bearings 9, 10 , 14 is reduced.

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。 Since the rotating shaft body 3 is a rigid body, when the rotating shaft body 3 is rotated around the rotation axis A, the low pressure compressor 4, the high pressure compressor 5, the bypass compressor 6 and the gas turbine unit which are connected to the rotating shaft body 3 are rotated. 7 rotates in the same direction at the same rotation speed.

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ガスによっても回転する。 The gas turbine section 7 is rotated by the supercritical CO 2 gas compressed by the low-pressure compressor 4, the high-pressure compressor 5 and the bypass compressor 6, and this rotation causes the low-pressure compressor 4, the high-pressure compressor 5 and the bypass compressor 6 to rotate. Since it also rotates, it will perform the compression work of the supercritical CO 2 gas supplied to the gas turbine section 7. As will be described later, the gas turbine unit 7 is also rotated by the supercritical CO 2 gas supplied from the components other than the compressors 4 to 7.

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。 As shown in FIG. 1, the low-pressure compressor 4, the high-pressure compressor 5, the bypass compressor 6, and the gas turbine unit 7 each include a plurality of stage structures 8 arranged in series in the rotation axis A direction. .. As shown in FIG. 2, in each of the plurality of step structures 8, a plurality of blade portions 12 extending in the radial direction from the rotary shaft body 3 are arranged in the circumferential direction. The supercritical CO 2 gas turbine 1 is covered with a housing 13 and constitutes a closed circulation system in a power generation system for supercritical CO 2 gas described later.

図3には、超臨界CO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。 FIG. 3 shows a power generation device 2 using the supercritical CO 2 gas turbine 1. As shown in the figure, a generator 15 is connected to one end of the rotary shaft body 3, and the generator 15 is also rotated by the rotation of the rotary shaft body 3 to generate electric power . Since the generator 15 has different inspection requirements from a turbo device such as a compressor at the time of overhaul and a different working place, it is preferable that the generator 15 be configured to be separable from the compressor groups 4 to 7. In the example of FIG. 3, the generator 15 is connected to the end of the rotary shaft 3 on the gas turbine section 7 side, but is connected to the opposite end of the rotary shaft 3 on the low pressure compressor 4 side. May be. Furthermore, when increasing the size of the supercritical CO 2 gas turbine 1, it is preferable that the compressor groups 4 to 7 and the gas turbine section 7 are separable.

発電装置2は、超臨界CO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。 The power generator 2 further includes a closed circulation system 30 for supercritical CO 2 gas. Closed circulation system 30 includes a main heat exchanger 20 for providing heat energy from the external heat energy source (not shown) to the supercritical CO 2 gas, the gas turbine unit supercritical CO 2 gas heated by the thermal energy source 7, to rotate the rotary shaft body 3, the first pipe 21 that connects the outlet side of the heat exchange pipe in the main heat exchanger 20 and the inlet side of the gas turbine unit 7, and the gas turbine unit 7 The second pipe 22 for guiding the supercritical CO 2 gas that has exited from the outlet side to the inlet side of the low-pressure compressor 4.

また、超臨界CO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。 Further, the closed circulation system 30 of the supercritical CO 2 gas, for returning a portion of the supercritical CO 2 gas exiting the bypass compressor 6 to the primary heat exchanger 20, the outlet side and the main heat exchanger bypass the compressor 6 In order to return a part of the supercritical CO 2 gas discharged from the outlet side of the gas turbine section 7 to the bypass compressor 6, the third pipe 23 connecting the inlet side of the heat exchange pipe in the vessel 20 And a fourth pipe 24 branched from the pipe 22 and connected to the inlet side of the bypass compressor 6.

さらに、超臨界CO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ガスを再生加熱する。 Further, the closed circulation system 30 for the supercritical CO 2 gas includes a first regenerative heat exchanger 27 a on the path of the second pipe 22. The third pipe 23 passes through the inside of the first regenerative heat exchanger 27 a, whereby the supercritical CO 2 gas that exits from the outlet side of the gas turbine unit 7 and passes through the second pipe 22 causes the bypass compressor. The supercritical CO 2 gas returning from 6 to the main heat exchanger 20 is regenerated and heated.

超臨界CO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。 The closed supercritical CO 2 gas circulation system 30 extends from the outlet side of the high pressure compressor 5 to return a part of the supercritical CO 2 gas compressed by the high pressure compressor 5 to the main heat exchanger 20, and A fifth pipe 25 that joins the third pipe 23 at a position upstream of the first regenerative heat exchanger 27a is further provided.

超臨界CO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。 The closed circulation system 30 for the supercritical CO 2 gas includes a second regenerative heat exchanger downstream of the first regenerative heat exchanger 27 a on the path of the second pipe 22 and upstream of the branch point of the fourth pipe 24. 27b is further provided. The fifth pipe 25 passes through the inside of the second regenerative heat exchanger 27b before joining with the third pipe 23, whereby the supercritical CO 2 gas emitted from the outlet side of the gas turbine unit 7 is used. , The supercritical CO 2 gas returning from the high-pressure compressor 5 to the main heat exchanger 20 is regenerated and heated. The supercritical CO 2 gas from the high-pressure compressor 5, which has joined the third pipe 23, exits from the bypass compressor 6 and passes through the third pipe 23 together with the supercritical CO 2 gas to generate the first regenerative heat exchanger 27a. Is further heated by regeneration.

超臨界CO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ガスを超臨界COガスタービン1に供給することができる。 The closed circulation system 30 of the supercritical CO 2 gas is a supercritical CO flowing through the second pipe 22 between the second regenerative heat exchanger 27b and the inlet side of the low pressure compressor 4. It further comprises a precooler 28 for cooling the two gases. As a result, the lower temperature supercritical CO 2 gas can be supplied to the supercritical CO 2 gas turbine 1.

超臨界CO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。 The closed supercritical CO 2 gas circulation system 30 further includes a sixth pipe 26 that connects the outlet side of the low pressure compressor 4 to the inlet side of the high pressure compressor 5, and the sixth pipe 26 is a low pressure compressor. An intercooler 29 is further provided for cooling a part of the gas compressed by 4 and supplying it to the high-pressure compressor 5.

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。 The main purpose of the compressors 4 to 6 here is to restore the pressure with as little work as possible, and the compression efficiency decreases at high temperatures, so it is necessary to lower the temperature and operate under the minimum power. Therefore, the low pressure compressor 4 and high pressure After the pressure is restored in the compressor 5, it is reheated to the required return temperature by the regenerative heat exchangers 27a and 27b. However, the bypass compressor 6 is an exception, and is designed to enable high temperature operation. In the bypass compressor 6, although the processing amount is small, the required power becomes large accordingly. Therefore, the required number of stages of the bypass compressor is larger than that of the low/high pressure compressor.

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。 According to the present invention, a power generation system can be constructed by combining the power generation device 2 and the thermal energy source described above. The heat energy source to be combined with the power generation device 2 may be any one of heat sources such as thermal power, a nuclear fission reactor, a nuclear fusion reactor, and natural energy described later. Here, as the natural energy, solar heat or geothermal heat described later can be used. As for the fusion reactor, various reactor systems such as a helical reactor, a tokamak reactor, a laser furnace, a tandem mirror reactor, and a cold fusion reactor described later can be applied.

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。 For example, when the thermal power source 50 shown in FIG. 11(A) is used as a 100 MW class thermal energy source, as shown in FIG. 11(B), the power generation system 90 includes a power generation device 2 and a turbine for thermal power generation. 53, the boiler 52, and the CO 2 pipe of the main heat exchanger 20 arranged inside the boiler 52 . Further , it is possible to construct a power generation system 90a using the helical furnace 51 shown in FIG. 11(C) as a 3 GW class thermal energy source. The example of FIG. 11C will be described later in the second embodiment.

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ガスの流量も拘束されることになる。 Each of the components of the low-pressure compressor 4, the high-pressure compressor 5, the bypass compressor 6, and the gas turbine unit 7 should satisfy the respective allowable ranges of conditions in order to achieve the desired parameters in the target generated electric power. Is designed to. In this design, the constituent devices 4 to 7 rotate at the same number of revolutions, so that the allowable number of revolutions of all the constituent devices 4 to 7 is restricted. In addition, since the supercritical CO 2 gas flows through the constituent devices 4 to 7 in sequence, the flow rate of the supercritical CO 2 gas allowable for all of the constituent devices 4 to 7 is also restricted.

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。 Table 1 shows the performance limit range of each component in one 100 MW class power generation system within the range of the external heat source capacity of 100 MW to 3 GW . As a desired parameter of each component, in order to achieve higher cycle thermal efficiency, the low-pressure compressor 4, the high-pressure compressor 5, and the bypass compressor 6 have adiabatic efficiency of 80% or more, and the gas turbine section 7 has an adiabatic efficiency. 90% or more.

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。 From Table 1, when designing one power generator 2 of 100 MW class, it can be determined that there is design feasibility at a supercritical CO 2 fluid flow rate of 200 Kg/s and a common rotation speed of 10,000 rpm. That is, according to the first embodiment of the present invention, in the 100 MW class power generation system, the compressors 4 to 6 and the gas turbine unit 7 are configured to include a plurality of stage structures having a plurality of blades, and thus are high. Achieving adiabatic efficiency, it enables a uniaxial design that rotates at an acceptable common speed while using an acceptable supercritical CO 2 gas flow rate.

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。 Table 2 shows the performance limit range of each component in the 3 GW class power generation system within the range of the external heat source capacity of 100 MW to 3 GW . As a desired parameter of each component, in order to achieve higher cycle thermal efficiency, the adiabatic efficiency of the low pressure compressor 4, the high pressure compressor 5, and the bypass compressor 6 is 80% or more, as in the case of the 100 MW class power generation system. The heat insulation efficiency of the gas turbine section 7 is set to 90% or more.

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。 From Table 2, when designing one power generation device 2 of 3 GW class, it can be judged that there is design feasibility at a supercritical CO 2 fluid flow rate of 15,000 Kg/s and a common rotation speed of 2,000 rpm. .. That is, according to the first embodiment of the present invention, in the 3 GW class power generation system, the compressors 4 to 6 and the gas turbine unit 7 are configured to include a plurality of stage structures having a plurality of blades, and thus are high. Achieving adiabatic efficiency, it enables a uniaxial design that rotates at an acceptable common speed while using an acceptable supercritical CO 2 gas flow rate.

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。 In the above-described design, as Table 1 and Table 2 show various allowable conditions for each of the constituent devices 4 to 7, the number of blades per step structure of each of the constituent devices 4 to 7, the strength of the blades, the entrance and exit The temperature/pressure/flow rate, pressure drop, as well as the critical speed of the components 4-7 at start-up can be further taken into account.

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ガスタービンを回転させる。ガスタービン1の回転とともに超臨界CO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。
Next, the operation of the first embodiment of the present invention will be described.
When the power generation device 2 is started, an external thermal energy source is operated, and the power of the external commercial power source is supplied to the power generator 15 so that the power generator 15 functions as a motor to rotate the supercritical CO 2 gas turbine 1 . .. With the rotation of the gas turbine 1, the supercritical CO 2 gas starts to circulate in the piping of the closed circulation system 30 while being pressurized by the compressor . Thermal energy is transferred to the supercritical CO 2 gas flowing through the main heat exchanger 20 from an external heat energy source, and the heated supercritical CO 2 gas passes through the first pipe 21 and enters the gas turbine section 7. Supplied to the side. The gas turbine section 7 is rotated by the supplied supercritical CO 2 gas, and this rotation is transmitted to the low pressure compressor 4, the high pressure compressor 5, and the bypass compressor 6 through the rotating shaft body 3, and these compressors 4-6 and the gas turbine part 7 rotate at the same rotation speed. When it is determined that the supercritical CO 2 gas turbine 1 can be operated independently, the power supply from the commercial power source to the generator 15 is turned off, and the generator 15 is switched to the power generation mode.

超臨界CO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ガスを復圧する。 The supercritical CO 2 gas is sequentially compressed along with the rotating shaft body 3 into a higher temperature and higher pressure gas while passing through the low pressure compressor 4, the high pressure compressor 5 and the bypass compressor 6 which are rotationally driven, The supercritical CO 2 gas emitted from the bypass compressor 6 rotates the gas turbine unit 7. As a result, the generator 15 connected to the rotating shaft 3 rotates to generate electricity. The supercritical CO 2 gas that has performed the work of rotating the gas turbine unit 7 passes through two pipes 22 and two regenerative heat exchangers (27a, 27b), and at that time, to a main heat exchanger 20 described later. By applying heat energy to the supercritical CO 2 gas flowing through the return path, the temperature of the supercritical CO 2 gas is lowered, and further cooled by the precooler 28 and sent to the low pressure compressor 4 in a low temperature and low pressure state. It is recompressed by the group and serves to rotate the gas turbine section 7. Some of the supercritical CO 2 gas exiting the regenerative heat exchanger 27b is sent to the bypass compressor 6 through the pipe 24, a portion of the supercritical CO 2 gas compressed by a bypass compressor 6, the pipe 23 Through which heat energy is given through the regenerative heat exchanger 27a, returns to the main heat exchanger 20 and is further heated, and is sent to the gas turbine section 7 through the pipe 21. A part of the supercritical CO 2 gas compressed by the high-pressure compressor 5 is also sequentially passed through the pipe 25 and the regenerative heat exchangers 27b and 27a to be heated and sent to the main heat exchanger 20. That is, in the low-pressure compressor 4 and the high-pressure compressor 5, in order to reduce the operating power, the supercritical CO 2 gas is recompressed at a low temperature, and in the bypass compressor 6, the operating power increases, but the supercritical CO 2 becomes high in temperature. The pressure of the CO 2 gas is restored.

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。 According to the first embodiment of the present invention, since the supercritical CO 2 gas is used as the medium for rotating the compressor and the gas turbine, the compression work is caused by the peculiarity of the intermolecular force of gas near the supercritical point. In addition to the above, the following bypass routes and bypass compressors have been introduced to reduce the low/high compressor operating power. Compression work is halved compared to the same closed cycle helium gas turbine. Furthermore, about half and a half of the main CO 2 medium fluid that passed through the two regenerative heat exchangers (27a, 27b) from the outlet of the gas turbine section 7 (low/high pressure compressor flow rate 275.8815kg/s, bypass flow rate 205.1797) was used. kg/s), part of which is cooled by the precooler 28, and then the path (second pipe 22) for recompressing by the low compressor 4 and the remaining CO 2 medium are directly bypassed at the same temperature and pressure. By adopting the bypass system with the path (the fourth pipe 24) for charging the compressor 6 to restore the pressure, the power generation efficiency which has been about 20 to 35% in the Brayton cycle system without the bypass route is leap forward. Can be improved. Further, since a part of the gas flowing from the low pressure compressor 4 to the high pressure compressor 5 is bypassed by the sixth pipe 26 and cooled by the intercooler 29 before being returned to the high pressure compressor 5, low/high pressure is achieved. It is possible to reduce the driving power of the compressor. Further, a part of the gas compressed by the high-pressure compressor 5 is heated through the fifth pipe 25 by passing through the second regenerative heat exchanger 27b and the first regenerative heat exchanger 27a to heat it. By returning to the vessel 20, it becomes possible to meet the temperature required specifications for the primary system thermal cycle (550°C/384°C).

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。 The effective work of the closed cycle gas turbine cycle is the turbine work minus the compressor work. Since the ratio of the effective work to the heat input is the cycle thermal efficiency, comparing the same turbine inlet gas temperature, Fig. 7(A) As shown in, a cycle thermal efficiency as high as about 5% is obtained. Compared to an open Rankine cycle steam turbine, the compression work is large, but the turbine efficiency is high, so the thermal efficiency is about the same at the same turbine inlet temperature.

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。 FIG. 4 shows a power generation system 90 including a thermal energy source corresponding to 100 MW class electric power and a power generation device 2 designed corresponding thereto. FIG. 4 shows an example of the temperature, pressure, flow rate, power consumption, or generated power of the supercritical CO 2 gas of each component device. In the power generator 2 of FIG. 4, the compression power of the low-pressure compressor 4 is 1.55 MW, the compression power of the high-pressure compressor 5 is 5.5 MW, and the compression power of the bypass compressor 6 is 13.8 MW. The rotation power given to the gas turbine section 7 by the supercritical CO 2 gas compressed by the compressors 4 to 6 is 66.45 MW. Therefore, the power generated by the generator 15 is 66.45 MW-(1.55 MW+5.5 MW+13.8 MW)=45.6 MW (in FIG. 4, using the correct value, 66.4482-(1.554+5.493+13.MW). 77)=45.63 MW). The power that the external heat energy gives to the main generator 20 is 100 MW, so that the power generation system shown in FIG. 4 achieves a cycle thermal efficiency of 45.63/100=45.63%. The configuration of the piping system and the heat exchanger shown in FIG. 4 is only an example, and the primary system heat source operating temperature via the main heat exchanger 20 is 550° C./384° C. It goes without saying that the thermal efficiency improves as the system specifications change depending on the temperature (for example, 600°C/400°C).

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。 FIG. 5 shows a power generation system 90a including a thermal energy source corresponding to 3 GW class electric power and a power generation device 2 designed corresponding thereto. In the power generator 2 of FIG. 5, the compression power of the low-pressure compressor 4 is 48.3 MW, the compression power of the high-pressure compressor 5 is 163.3 MW, and the compression power of the bypass compressor 6 is 412.9 MW. The rotating power given to the gas turbine part 7 by the supercritical CO 2 gas compressed by the compressors 4 to 6 is 2010.7 MW. Therefore, the power generated by the generator 15 is 2010.7 MW-(48.3 MW + 163.3 MW + 412.9 MW) = 1.386 GW. Since the power that the external heat energy gives to the main heat exchanger 20 is 3 GW, the power generation system shown in FIG. 4 achieves a cycle thermal efficiency of 1.386/3=46.2%.

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。 Table 3 shows specific numerical values of the typical minimum various dimensions shown in FIG. 1 of the supercritical CO 2 gas turbine 1 designed in each of 100 MW class and 3 GW class based on Tables 1 and 2 . .. In addition, in various dimensions, L represents length and D represents diameter.

表3より、100MW級発電システムでは、長さL=2.5m、最大直径LByC=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LByC=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ガスタービンを実現できることが理解できる。 From Table 3, in the 100 MW class power generation system, the length L = 2.5 m and the maximum diameter L ByC = 0.98 m, and in the 3 GW class power generation system, the minimum shaft length L = 10.0 m and the maximum diameter L ByC = It will be 5.0 m, and it can be seen that a very compact supercritical CO 2 gas turbine can be realized using the configuration of the present invention.

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。
Comparing the present invention and the prior art with respect to the size of the gas turbine, in the steam turbine, the outlet size is enormous in order to expand the steam from the inlet pressure of about 10 MPa to the outlet pressure of 0.005 MPa, that is, about 2000 times. Become. On the other hand, since the expansion ratio of the supercritical CO 2 gas turbine is about 2.5, the turbine size is remarkably small as shown in FIG. 7(B). Also, in the system configuration, the steam turbine requires a large number of stages of feed water heating, a deaerator, etc., but the newly required equipment is only a regenerative heat exchanger, which is very simple. In addition, the vertical arrangement of the power generation system saves space and can significantly reduce the volume of the power generation facility , thus saving capital costs. Figure 7(C) shows a comparison of buildings when applied to a 600MW class Na-cooled fast reactor and a 3GW class fusion reactor power generation system. The volume of the turbine building will be significantly reduced by 60%.
(Second embodiment)
The second embodiment relates to the power generation system 90a shown in FIG. 5 including a 3 GW class fusion reactor.

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。 As shown in FIG. 5, a power generation system 90a according to the second embodiment switches between a 3 GW external thermal power source 50 (or a commercial power source) and a 3 GW fusion reactor 51 as a thermal energy source. The main heat exchanger 20 is provided with a primary system loop 31 that circulates FLiNaK as a molten salt, and the FLiNaK flowing through the FLiNaK circulation primary system loop 31 is either the external heat source 50 or the fusion reactor 51. By circulating the above, those heat energy is brought to the closed circulation system 30 (secondary circulation system) of supercritical CO 2 via the main heat exchanger 20. Here, the temperature on the inlet side of the primary circulation system 31 to the main heat exchanger 20 is 600° C., and the temperature on the outlet side is 400° C., whereas the inlet side of the main heat exchanger of the secondary circulation system 30 is The temperature is 382° C. and the temperature on the outlet side is 550° C., which suppresses the heat loss.

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。 The nuclear fusion reactor 51 is, for example, a helical reactor that can be continuously operated. As shown in FIG. 11C, a blanket 55 is arranged on the side of the helical reactor 51, and inside the blanket 55, The piping of FLiNaK primary circulation system loop 31 is arranged, and FLiNaK is heated by the high temperature plasma in the furnace.

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ガス(14.26Ton/s)の復圧が行われる。
Next, a method of starting/operating/stopping the power generation system 90a according to the second embodiment will be described with reference to the flowchart of FIG.
As shown in the flow chart of FIG. 6, in the state before activation, the molten salt FLiNaK is stored in the reservoir tank 32 (FIG. 5) at room temperature/normal pressure, and CO 2 is stored in the reservoir tank 33 (FIG. 5) at room temperature/normal pressure. It is stored under pressure, and the helical furnace 51 is in a stopped state (normal temperature/normal pressure) (step 100). This state is maintained until a start request is made (No at Step 102). When there is a start request (affirmative determination in step 102), CO 2 is supplied from the reservoir tank 33 (FIG. 5) to the supercritical state and then supplied to the secondary circulation system 30, and an external commercial power source (−624.6 MW) is used. Then, the supercritical CO 2 gas turbine 1b is started to drive (step 104), and heat reception from the primary circulation system 31 is prepared. This can be done by supplying electric power from an external commercial power source to the generator 15 so that the generator 15 functions as a motor and rotating the supercritical CO 2 gas turbine 1b. At this time, the compressors 4 to 7 recompress the supercritical CO 2 gas (14.26 Ton/s).

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)。 Next, using a 3 GB external thermal power source 50 (or commercial external power source (-1.933 MW or more)) for the primary circulation system 31 of FLiNaK at room temperature (300 K), up to the minimum melting temperature (657 K) for circulation. The temperature is raised, and the circulation drive of FLiNaK of the primary circulation system 31 is started using the pump 36 (FIG. 5) (step 106). When heat transfer is started from the primary circulation system 31 to the secondary circulation system 30 via the heat exchanger 20, the commercial external power supply of the secondary circulation system is turned off, and the 3GW external thermal power source/commercial power supply 50 is turned on. The self-power generation operation (+1386.2 MW) by the gas turbine power generation system of the supercritical CO 2 gas heat-exchanged by the circulation of the used primary circulation system 31 is started (step 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)。 When the operation of the primary circulation system 31 and the secondary circulation system 30 and the cooling system are stabilized (Yes at Step 110), a part (-312 MW) of the electric power of the supercritical CO 2 gas turbine power generation system is supplied to the helical furnace 51. Then, the 3GW heat output operation is started (step 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)。 When the plasma output rises, the external thermal power source 50 is gradually disconnected from the FLiNaK primary circulation system 31, and at the same time heat supply from the blanket 55 (FIG. 11C) to the secondary circulation system 30 via the primary circulation system 31 is started. (Step 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)。 Heat is supplied from the 3 GW heat output plasma to the primary circulation system 30 and the secondary circulation system 30 via the blanket 55 (FIG. 11C), and the electric output from the supercritical CO 2 gas turbine power generation system (+1386. 2 MW) and the helical operation maintenance power (-283 MW) are secured to stabilize the operation (+1103.2 MW) of the power generation system (step 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。 When the operation of the helical furnace 51 becomes stable (Yes at Step 118), the generated power is supplied to the outside (Step 120). At this time, the main body required power supply of the helical furnace 51 drops to −28.7 MW, and thus the net power generation amount increases to +1357.5 MW. When 0.5 MW of the electric output is used for the production of the hydrogen fuel for start-up, the externally supplied power amount is +1357 MW, and the power generation efficiency is 45.2%.

発電停止要求があると(ステップ122肯定判定)、超臨界CO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。
When there is a power generation stop request (Yes at Step 122), the operation required power of the helical furnace 51 is gradually reduced from the supercritical CO 2 gas turbine power generation system to reduce the plasma output (Step 124). At the same time, the primary circulation system FLiNaK is transferred to the reservoir tank 32, and the compressor driving power (-624.6 MW) from the external commercial power source is supplied, whereby the secondary circulation system CO2 is stored. To the initial state where the entire power generation system is completely stopped (step 100).
(Third Embodiment)
The third embodiment relates to a power generation system using solar heat as a heat energy source. Hereinafter, the power generator 2c according to the third embodiment will be described with reference to FIG. Note that, in FIG. 12, the same components as those of the first and second embodiments are designated by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.

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。 As shown in FIG. 12, the power generation system 90c according to the third embodiment includes the tower 60, the primary circulation system 67 having the pipe 62 of the molten FLiNaK that circulates at least through the tower 60, and is described above. And a closed circulation system 30 as a secondary circulation system having the supercritical CO 2 gas turbine 1.

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。 The tower 60 is provided with a heat collecting portion 61 on its head, and the heat collecting portion 61 is heated by receiving sunlight. A FLiNaK pipe 62 is arranged in the heat collecting unit 61, and heat is generated when the heat collecting unit 61 receives sunlight, and the heat heats the FLiNaK in the pipe 62. A heliostat 63 configured as a plurality of mirrors is arranged around the tower 60, for example, on the ground. The heliostat 63 is oriented so that the reflected sunlight is collected on the heat collecting portion 61, and the direction of the sun automatically changes according to the movement of the sun on the celestial sphere, so that the sun comes out. As long as the heat collecting unit 61 is directly irradiated with sunlight, the sunlight reflected from the heliostat 63 is continuously irradiated.

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。 The primary circulation system 67 is connected to a pipe 62 that descends from the heat collecting section 61, and a high temperature molten salt tank 64 that stores FLiNaK heated by sunlight, and a main heat of the secondary circulation system that extends from the high temperature molten salt tank 64. A pipe 62a connected to the inlet of the exchanger 20, a pipe 62b extending from the outlet of the main heat exchanger 20, and a pipe 62b connected to the main heat exchanger 20 to apply heat to the supercritical CO 2 gas to lower the temperature. The low temperature molten salt tank 65 for storing the stored FLiNaK and the pump 66 for pumping the FLiNaK stored in the low temperature molten salt tank 65 to the heat collecting section 61 of the tower 60 again are provided.

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ガスは、超臨界CO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。 According to the third embodiment, the FLiNaK stored in the low-temperature molten salt tank 65 is pumped by the pump 66 to the heat collecting section 61 of the tower 60 and is heated by solar heat while flowing through the heat collecting section 61. It flows down 62 and is temporarily stored in a high temperature molten salt tank 64. The high temperature FLiNaK in the high temperature molten salt tank 64 reaches the main heat exchanger 20 through the pipe 62a, where heat energy is exchanged with the supercritical CO 2 gas flowing in the secondary circulation system 30. The FLiNaK that has lost the heat energy and becomes a low temperature exits the main heat exchanger 20, passes through the pipe 62b, reaches the low temperature molten salt tank 65, is circulated again, and is heated by solar heat. The supercritical CO 2 gas heated by FLiNaK flowing through the primary circulation system 67 performs the work of rotating the supercritical CO 2 gas turbine 1, and the power generator 15 rotates to generate power.

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。 Since the thermal radiation energy increases in proportion to the fourth power of the absolute temperature, if the heat collecting section 61 becomes too hot, the radiant heat loss increases, but the thermal energy quickly transfers to the FLiNaK flowing through the heat collecting section 61. Therefore, radiant heat loss can be suppressed to be small.

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。 Although FLiNaK is used as the heat storage material molten salt in the above example, the present invention is not limited to this example. For example, metallic aluminum can also be used as a molten salt of a solar heat storage material. Aluminum has a large thermal conductivity and is advantageous for heat transfer. Further, aluminum melts at 660° C. and has a large heat of fusion and specific heat, which is advantageous for heat storage (heat of fusion, sensible heat). Further, since heat can be stored on the spot where sunlight is irradiated, the molten aluminum pipe is not necessary. Further, since the performance is less deteriorated and it can be used semipermanently, the maintenance cost is also low.

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。
When the temperature of metallic aluminum rises due to solar heat, the above-mentioned radiative heat loss occurs, so if a cooling system in which liquid sodium circulates is placed in metallic aluminum, the temperature should be kept below a certain level to reduce radiative heat loss. You can Then, if the circulation system of liquid sodium that has absorbed the heat energy is arranged in the main heat exchanger 20 of the power generation device 2 according to the first embodiment, it is possible to heat the supercritical CO 2 gas to generate power.
(Fourth Embodiment)
The fourth embodiment relates to a combination of the supercritical CO 2 gas turbine 1 and the power generation device 15 that is compatible with a commercial power source or the like. In the following description, the same components as those of the first embodiment and the like (FIGS. 1 to 3) will be denoted by the same reference numerals, detailed description will be omitted, and different parts will be described.

図8には、超臨界CO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。 In FIG. 8, in the supercritical CO 2 gas turbine 1, the control rotation speed (rpm) of the rotating shaft body 3 with respect to the input electric power (GW) and the design allowable rotation speed range of the compressors 4 to 6 ( indicated by upper and lower limit dot ranges ). ) And are shown. As shown in FIG. 8, the design limit of the power generation system which definitive in axial flow compressor uniaxial design severely subjected to the constraint in its control speed. When obtaining the generator tuning speed (3,600 rpm) for normal power generation of 50 to 60 Hz on the uniaxial compressor side, 1 to 2 GW power generation is possible. However, there is a low speed rotation range above 2 GW and a high speed rotation range below 1 GW, and a tuning operation/mechanism between the generator 15 and the constituent devices (compressors 4 to 6, gas turbine section 7) is required.

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。
Therefore, in the fourth embodiment, as shown in FIG. 9, a power generation device 2a is provided in which a rotation speed conversion mechanism (for example, a planetary gear mechanism) 40 is provided in a connection portion between the gas turbine 1 and the generator 15. To do. This makes it possible to convert the rotation speed of the gas turbine 1 into the rotation speed (3600 rpm) corresponding to the generator 15 of 50 to 60 Hz. For example, in the case of a 0.1 GW power generator 2, the control speed 10,000 rpm of the gas turbine 1 can be converted into 3,600 rpm for the generator 15 of 50-60 Hz. Further, in the case of the 3 GW power generator 2, the control rotation speed of the gas turbine 1 of 2,000 rpm can be converted to 3,600 rpm. According to the fourth embodiment, the degree of freedom in designing the compressors 4 to 7 and the gas turbine unit 7 is increased, so that it is possible to easily design and construct the power generation device 2a having good power generation efficiency. In the case of the 1-2 GW power generator, the rotation speed conversion mechanism 40 may not be provided.
(Fifth Embodiment)
The fifth embodiment relates to a power generator that facilitates maintenance. In the following description, the same components as those of the first embodiment and the like (FIGS. 1 to 3) will be denoted by the same reference numerals, detailed description will be omitted, and different parts will be described.

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。 FIG. 10 shows an example of a maintenance method for the 100 MW class power generator 2b. According to the present invention, since the gas turbine system can be miniaturized as described above, it is possible to realize the vertical arrangement which is effective in making the plant equipment compact. In the power generation device 2b of FIG. 10, the supercritical CO 2 gas turbine 1 and the power generator 15 are connected to each other in a vertically rotatable manner in a container 17 with a lid 41. At least a part of the equipment/piping system 16 of the closed circulation system 30 shown in FIGS. 3 and 4 is also housed in the container 17 . For example, a part of the equipment/pipe system 16 may include the pipes 21 to 26, the regenerative heat exchangers (27a, 27b), the precooler 28, the intercooler 29, and the like. With respect to main heat exchanger 20, when the increase in size, it is not possible to accommodate in the container 17, the container 17 is provided with a port for connecting an external of the main heat exchanger to the pipes 21 and 23.

超臨界CO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。 When disassembling and inspecting the supercritical CO 2 gas turbine 1 and the generator 15, the lid 41 is removed, and the supercritical CO 2 gas turbine 1 and the generator are uniaxially connected by pulling the lid 41 in one direction. All you have to do is take out 15 and. After the inspection and repair are completed, the supercritical CO 2 gas turbine 1 and the generator 15 that have been inspected are put in the container 17 and closed by the lid 41, so that the assembly can be easily performed. Since the supercritical CO 2 gas turbine 1 and the generator 15 are uniaxially connected to each other, they can be taken in and out very smoothly without being caught.

さらに、閉循環システム30を循環する超臨界CO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。
Further, it is possible to provide an openable/closable jet port (not shown) for jetting the supercritical CO 2 gas circulating in the closed circulation system 30 to the outside as a coolant.
The effects of the present invention described above are summarized as follows for each item.
(1 ) Regarding the engineering feasibility exceeding 45.63% of thermal efficiency, it is possible to construct a power generation system with a design balance by the required heat quantity (Heat Duty) between each component by the heat mass balance in Fig. 4. ..
For (2) compactness, to achieve minimum compacted in the power generation system by uniaxial designing a low pressure compressor / high pressure compressor / bypass the compressor / gas turbine / generator, the more vertical arrangement, the heat source It is possible to minimize the total area of power generation equipment including the main body (by further vertically designing the turbine power generation system).
(3) Regarding the economic efficiency, the construction efficiency of (1) above and (2) downsizing can reduce the construction cost of the power generation facility to at least 1/10 of the steam power generation facility of the same scale.
(4) Concerning maintainability, the single axis design minimizes the number of main component devices, and the coaxial single axis design enables efficient disassembly and inspection by pulling out all models from the power container. Becomes Also, the spare components can be replaced as they are to shorten the maintenance and inspection period.
(5) Regarding the manufacturability, within this design range, there is a sufficient design tolerance range in terms of facility scale, structural strength, and material strength, and at the facility production scale, manufacturing /inspection is possible with existing manufacturing technology. is there.
(6) Regarding commerciality, it is an extremely versatile ultra-high-performance , low-cost, space-saving/light-weight device that can be used under various operating conditions with high-temperature heat sources depending on the heat source capacity (several tens to several GW). A critical CO2 gas turbine power generation system can be realized. In particular, the frequency of the power supply used in Japan is 50 to 60 Hz, and it is possible to adapt to commercial power supply by setting the rotation speed of the main body of this design to 3600 rpm.
(7) Regarding safety, CO 2 is a non-flammable/inert coolant, and various fission products including tritium generated from the primary system of the reactor main body (hereinafter, FP: Fission Products) can be separated and collected without being compounded like a water coolant even when mixed and diffused in a secondary supercritical CO 2 gas turbine power generation system. In addition, when a malfunction such as a steam explosion or a hydrogen explosion occurs in the primary system, it is possible to perform fire suppression and cooling operations using the secondary CO 2 coolant as an extinguishing agent.

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。
Although the embodiment of the present invention has been described above, the present invention is not limited to the above-described example, and can be arbitrarily modified within the scope of the present invention.
For example, in the above-described embodiment, the heat energy sources of 100 MW class and 3 GW class are taken as an example, but the gas turbine and the power generation device of the present invention are supercritical CO 2 so as to correspond to the heat energy source of electric power other than the example. It is possible to design and build gas turbines, power generators, and power generation systems. As an example, a thermal energy source of 1-2 GW class that does not reach the generated power of 3 GW can be considered.

1 超臨界CO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
1 Supercritical CO 2 Gas Turbine 2, 2a, 2b Power Generation Device 3 Rotating Shaft Body 4 Low Pressure Compressor 5 High Pressure Compressor 6 Bypass Compressor 7 Gas Turbine Part 8 Stage Structure 9, 10 Journal Bearing 11 Balance Piston 12 Wing 13 Housing 14 Thrust bearing 15 Generator 16 At least a part of closed circulation system (piping, regenerative heat exchanger, cooler)
17 Container 20 Main Heat Exchanger 21 First Pipe 22 Second Pipe 23 Third Pipe 24 Fourth Pipe 25 Fifth Pipe 26 Sixth Pipe 27a First Regeneration Heat Exchanger 27b Second Regeneration Heat exchanger 28 Precooler 29 Intercooler 30 Closed circulation system of supercritical CO 2 gas (secondary circulation system)
31 FLiNaK Primary Circulation System 32 FLiNaK Reservoir Tank 33 CO 2 Reservoir Tank 34 Condenser 35 Pump 36 Pump 40 Rotation Speed Conversion Mechanism 41 Housing Lid 50 Thermal Power Source 51 Helical Furnace 52 Boiler 53 Steam Turbine 54 Generator 55 Blanket 60 Tower 61 Heat collecting part 62, 62a, 62b Pipe for molten FLiNaK 63 Heliostat 64 High temperature molten salt tank 65 Low temperature molten salt tank 66 Pump 67 Primary circulation system 90, 90a, 90b Power generation system

Claims (15)

超臨界CO 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 ガスタービンと、
前記超臨界CO 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 ガスを前記超臨界CO ガスタービンを通して循環させる、超臨界CO ガスの閉循環システムと、
を備え、
前記超臨界CO ガスタービンは、
超臨界CO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 ガスタービンへの超臨界CO 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 ガスを用いた発電装置
A power generator using supercritical CO 2 gas,
A supercritical CO 2 gas turbine having an elongated rotating shaft body rotatable about one rotating shaft ;
A generator uniaxially connected to the end of the rotating shaft of the supercritical CO 2 gas turbine;
External supercritical CO 2 gas heated through the main heat exchanger by thermal energy source is circulated through the supercritical CO 2 gas turbines, and the closed circulation system of the supercritical CO 2 gas,
Equipped with
The supercritical CO 2 gas turbine is
In series in the direction in which the supercritical CO 2 gas flows along the rotating shaft
One low pressure compressor,
One high pressure compressor,
One bypass compressor,
One gas turbine section arranged to be rotated by the supercritical CO 2 gas sequentially compressed by the low pressure compressor, the high pressure compressor and the bypass compressor;
, As a component device,
Thermal efficiency target cycle thermal efficiency is not less than 45.63% of the power generation device in the main heat exchanger wherein the inlet temperature of the supercritical CO 2 gas to the supercritical CO 2 gas turbine is above 550 ° C. Conditions in the closed circulation system And to achieve compactness,
The configuration device, a uniaxially connected together to the rotary shaft so as to rotate at the same rotational speed in the same direction Rutotomoni, the configuration device, each plurality of which are arranged in series in the rotational axis direction Equipped with a step structure,
Each of the plurality of step structures is
A plurality of blade portions extending in the radial direction from the rotary shaft has an axial flow type configuration arranged in the circumferential direction,
The bypass compressor can be operated at a higher temperature than the low pressure compressor and the high pressure compressor, and has a higher compression power for supercritical CO 2 gas.
The rotating shaft is controlled so as to rotate at a specific rotation speed that is uniquely determined by a predetermined relationship according to the generated power that the power generation device targets,
Each of the low-pressure compressor, the high-pressure compressor and the bypass compressor has an adiabatic efficiency of 80% or more, and the gas turbine section achieves an adiabatic efficiency of 90% or more. The design limit range of each device is limited by the generated power, the design limit range becomes narrower as the generated power increases ,
The design limit range of each of the constituent devices is at least the allowable flow rate, the allowable inlet temperature range, the allowable number of stages of the step structure, the number of blades per the step structure, and the axial length and the length of each constituent device. Related to various conditions of diameter,
Values of various conditions of each of the constituent devices are selected from the performance limit range of the constituent devices so that the thermal efficiency target and compactness of the power generator are achieved , and the specific rotation speed is the constituent device. A power generation device using supercritical CO 2 gas , which is within all allowable rotation speeds, and the flow rate of supercritical CO 2 gas flowing along the rotating shaft is within the allowable flow rate of each component.
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 ガスを用いた発電装置
In the range of 100 MW to 3 GW, the performance limit range of each of the constituent devices when the generated power per one power generation device is 100 MW is as shown in Table 1 below.

The performance limit range of each of the constituent devices in the range of 100 MW to 3 GW in the case where the generated power per one of the power generation devices is 3 GW is as shown in Table 2 below.

The power generator using the supercritical CO 2 gas according to claim 1, characterized in that .
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 ガスを用いた発電装置
As shown in Table 3 below, the shaft length and the shaft diameter of the entire one power generation device at the generated power of 100 MW and 3 GW are the minimum compactness,

Here, L represents the axial length, D represents the diameter, and the subscripts LPC, HPC, LPC, turbin are those of the low pressure compressor, the high pressure compressor, the bypass compressor and the gas turbine section. The power generator using the supercritical CO 2 gas according to claim 2, which represents the above .
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The various conditions further include strength of each wing portion of the constituent device, inlet/outlet temperature/pressure/flow velocity, pressure loss, and a critical speed of the constituent device at the time of start-up. The power generator described. 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Wherein for supporting the rotating shaft body, each equipped with a magnetic journal bearings at both ends of the rotating shaft body, comprising a magnetic thrust bearing on one end, the power generation device according to any one of claims 1 4 .. 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軸方向力を低減させる、請求項5に記載の発電装置The low pressure compressor, the high pressure compressor, the bypass compressor, and a balance piston for relieving the press-fitting between the gas turbine unit, thereby providing a full shaft on the magnetic journal bearing and the magnetic thrust bearing. The power generator according to claim 5, which reduces a directional force. 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The generator, the has the been detachably connected to the rotary shaft so as to rotate at the same rotational speed, the power generation device according to any one of claims 1 to 6. 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。 The power generator according to any one of claims 1 to 7, which is configured to generate generated power derived from the predetermined relationship with respect to a specific rotation speed of 3600 rpm corresponding to a common power supply frequency of 50 to 60 Hz. .. 前記超臨界CO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。
The closed supercritical CO 2 gas circulation system is
A heat exchange pipe provided inside the main heat exchanger, wherein the main heat exchanger gives heat energy from the heat energy source to supercritical CO 2 gas flowing in the heat exchange pipe, Heat exchange piping,
In order to supply the supercritical CO 2 gas heated by the thermal energy source to the gas turbine section to rotate the rotating shaft body, the outlet side of the heat exchange pipe and the inlet side of the gas turbine section are connected. The first pipe,
A second pipe for guiding the supercritical CO 2 gas emitted from the outlet side of the gas turbine section to the inlet side of the low pressure compressor;
A third pipe connecting the outlet side of the bypass compressor and the inlet side of the heat exchange pipe in order to return a part of the supercritical CO 2 gas emitted from the bypass compressor to the main heat exchanger,
In order to return a part of the supercritical CO 2 gas that has exited from the outlet side of the gas turbine unit to the bypass compressor, it is branched from the second pipe and connected to the inlet side of the bypass compressor. 4 pipes,
A first regenerative heat exchanger provided on the path of the second pipe, wherein the third pipe passes through the inside of the first regenerative heat exchanger, whereby the gas turbine unit The first regenerative heat exchanger, which reheats the supercritical CO 2 gas returning from the bypass compressor to the main heat exchanger by the supercritical CO 2 gas exiting from the outlet side of
In order to return a part of the supercritical CO 2 gas compressed by the high-pressure compressor to the main heat exchanger, it extends from the outlet side of the high-pressure compressor at a position upstream of the first regenerative heat exchanger. A fifth pipe joining the third pipe;
A second regenerative heat exchanger provided downstream of the first regenerative heat exchanger on the path of the second pipe and upstream of a branch point of the fourth pipe, wherein the fifth pipe Passes through the inside of the second regenerative heat exchanger before joining with the third pipe, whereby the supercritical CO 2 gas discharged from the outlet side of the gas turbine section causes the high pressure compressor to The second regenerative heat exchanger for further regenerative heating of the supercritical CO 2 gas returning from the main heat exchanger to the main heat exchanger,
A precooler provided in the second pipe between the second regenerative heat exchanger and the low pressure compressor;
A sixth pipe connecting from the outlet side of the low pressure compressor to the inlet side of the high pressure compressor;
The intercooler provided in the sixth pipe for cooling a part of the gas compressed by the low-pressure compressor and supplying the gas to the high-pressure compressor, further comprising: The power generator according to item 1.
前記超臨界CO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。 The power generator according to any one of claims 1 to 9, further comprising a container that entirely covers the supercritical CO 2 gas turbine, the generator, and the closed circulation system . 前記超臨界CO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。 The power generator according to claim 10, wherein the supercritical CO 2 gas turbine and the power generator are housed vertically in the container . 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。 The container has an openable lid portion, by opening the lid portion, at least the supercritical CO 2 gas turbine and the generator allows out from the container, according to claim 10 or 11 Power generator. 前記閉循環システムは、超臨界CO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。 The power generator according to any one of claims 1 to 12, wherein the closed circulation system further includes an openable and closable jet outlet for jetting supercritical CO 2 gas as a coolant to the outside. 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。 The power generation according to any one of claims 1 to 13, wherein at the time of start-up, by supplying electric power of a commercial power source to the generator, the generator functions as a motor to rotate the supercritical CO 2 gas turbine. apparatus. 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。
A power generation system comprising the power generation device according to any one of claims 1 to 14 ,
The thermal energy source is either a nuclear fission reactor, a nuclear fusion reactor, a thermal power source, or a heat source of natural energy such as solar heat or geothermal heat,
The fusion reactor is a tokamak reactor, a helical reactor, a laser implosion reactor, a tandem mirror reactor, or a cold fusion reactor, a power generation system,
In the embodiment where the thermal energy source is solar heat,
A heat collecting part heated by sunlight,
A primary circulation system for circulating a molten salt in at least the heat collecting section;
A tower provided with at least a part of the primary circulation system, wherein the heat collecting portion is provided in a head portion of the tower,
A heliostat that follows the operation of the sun to reflect sunlight and concentrate it on the heat collecting part,
A high temperature molten salt tank connected to the inlet side of the main heat exchanger for storing the molten salt heated in the heat collecting section and supplying the molten salt to the main heat exchanger,
A low temperature molten salt tank which is connected to the outlet side of the main heat exchanger and stores molten salt that has undergone heat exchange with supercritical CO 2 gas in the main heat exchanger;
Equipped with
Since the primary circulation system exchanges heat with the supercritical CO 2 gas flowing through the closed circulation system, which is a secondary circulation system, the primary heat exchanger is interposed,
The molten salt is FLiNaK,
In an aspect in which the thermal energy source is a fusion reactor,
The fusion reactor includes a blanket, and a primary circulation system in which FLiNaK circulates is arranged in the blanket. The primary circulation system is a supercritical CO 2 gas flowing through the closed circulation system which is a secondary circulation system. To exchange heat with the main heat exchanger,
The said primary circulation system is a power generation system switchable so that heat is supplied from either a thermal power source or the said fusion reactor .
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