JP4774028B2 - クローズドサイクルプラント - Google Patents

Description

本発明は、高温ガス炉によって発生した熱を利用して発電を行うクローズドサイクルプラントに関するものである。

原子炉を熱源とし、原子炉で加熱されたヘリウムガスを利用してガスタービンを駆動し、発電を行うクローズドサイクルプラントが知られている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１には、原子炉、各種タービン、圧縮機等からなるクローズドサイクルに始動用ブロワシステムを設け、起動時には、この始動用ブロワシステムを作動させることにより、クローズドサイクル内にヘリウムガスを循環させ、ガスタービンの回転数を徐々に上昇させて、ブレイトンサイクルを確立させることが提案されている。
特表２００５−５０８４９２号公報

しかしながら、上記特許文献１の発明では、始動用ブロワシステムが放射性の作動流体が循環するクローズドサイクル内に設けられているため、始動用ブロワシステムの保守・点検が困難であるという問題があった。また、起動時において、ヘリウムガスを徐々に循環させるために、起動までに時間がかかるという問題があった。

本発明は、上記問題を解決するためになされたもので、保守・点検が容易であり、安定したプラント起動を速やかに実現することのできるクローズドサイクルプラントを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明は、原子炉を有する高温ガス炉と、該高温ガス炉で加熱された作動流体により駆動されるガスタービンと、該ガスタービンと同軸に連結される圧縮機と、該ガスタービンに出力軸を介して接続される発電機と、該発電機に切断可能に接続され、該発電機に電力を供給する電力供給装置と、前記電力供給装置の出力が、該電力供給装置の安定した運転が補償される出力下限値以上に設定された出力閾値以下となった場合に、負荷を増加させて該発電機の回転数を抑制させる回転数抑制手段とを備え、起動時において、前記電力供給装置は該発電機に接続されるとともに、該発電機の昇速率が一定となるように電力を供給するクローズドサイクルプラントを提供する。

このように、起動時においては、電力供給装置から発電機に電力を供給し、発電機をモータとして機能させるので、ガスタービンの回転制御を容易に行うことが可能となる。また、ガスタービンの回転制御を行う電力供給装置を放射性の作動流体が流動する系統の外側に設けることが可能となるため、放射性物質等の影響を考慮することなく、容易に保守・点検を実施することが可能となる。
また、電力供給装置は、発電機の回転数に応じて、安定した運転が補償される出力下限値（例えば、出力電力下限値）が決まっており、この出力下限値を下回る領域（以下、この領域を「不安定領域」という。）で運転させると、出力が不安定となり、性能が低下する。発電機のトルクに基づいて電力供給装置の出力制御を行う場合、不安定領域において使用されるおそれがあるが、発電機の昇速率が一定となるように出力制御を行うことにより、不安定領域における使用を回避することが可能となる。
また、電力供給装置として、電気的な機器を用いることにより、応答性を向上させることができ、起動時間の短縮を図ることが可能となる。
さらに、電力供給装置の出力が出力下限値以上に設定された出力閾値以下となるような場合には、負荷が強制的に増加させられるので、電力供給装置においては、発電機の回転数を上昇させるべく、出力を上昇させるように制御が働く。これにより、電力供給装置の出力増加を図ることができ、出力下限値以下となることを回避することができる。この結果、電力供給装置を安定した出力領域で使用することができる。

上記クローズドサイクルプラントにおいて、前記電力供給装置は、前記発電機の回転数に基づいて該発電機の昇速率を求め、該昇速率が一定となるように電力を供給することとしてもよい。

このように、発電機の回転数に基づいて電力供給装置の出力を制御することにより、発電機のトルクに基づいて制御する場合に比べて、発電機の速度制御や昇速率制御を容易に、かつ、高い精度で行うことが可能となる。また、発電機の回転数を直接的にモニタすることにより、不安定領域における電力供給装置の使用を回避することができ、安定した電力供給を実現することが可能となる。

上記クローズドサイクルプラントにおいて、前記回転抑制手段が、前記発電機に切断可能に接続される可変抵抗装置を備えることとしてもよい。

このような構成によれば、電気的に負荷の増加量を調整することが可能となる。これにより、負荷の応答性を高めることができる。

上記クローズドサイクルプラントにおいて、前記回転抑制手段が、前記圧縮機に供給される冷却材の流量を調整する流量調節弁を備え、該流量調節弁の開度が制御されることにより、前記発電機の回転数が抑制されることとしてもよい。

上記クローズドサイクルプラントは、前記電力供給装置の出力と前記出力閾値との差分に基づいて、前記回転数抑制手段による負荷増加量を制御する制御手段を備えることとしてもよい。

このような構成によれば、電力供給装置の出力と出力閾値との関係に応じて、回転数抑制手段の負荷増加量を適切に制御することが可能となる。これにより、電力供給装置の出力が不安定領域に入ることを未然に回避することが可能となる。

上記クローズドサイクルプラントにおいて、前記出力閾値は、発電機の回転数が所定の目標回転数に達した場合に、前記電力供給装置の出力を保持（ホールド）するように設定されていてもよい。

これにより、発電機の回転数が予め設定されている目標回転数に達した場合には、電力供給装置の出力と回転数抑制手段による負荷増加量との均衡を保つことが可能となる。この結果、電力供給装置と回転数抑制手段とを停止させる際の発電機の回転数変動を最小限に抑えることができ、発電機と電力系統とを接続する際のプラントの状態変化を最小限に抑えることが可能となる。

上記クローズドサイクルプラントにおいて、前記制御手段は、前記発電機の回転数が予め設定されている目標回転数に達した場合に、電力供給装置の出力閾値および前記回転数抑制手段による負荷増加量のいずれか一方を他方と一致させることとしてもよい。

これにより、発電機の回転数が予め設定されている目標回転数に達した場合には、電力供給装置の出力トルクと回転数抑制手段による負荷増加量との均衡を保つことが可能となる。この結果、電力供給装置と回転数抑制手段とを停止させる際の発電機の回転数変動を最小限に抑えることができ、プラントの状態変化を最小源に抑えることができる。
また、上記各状態量は、可能な範囲で組み合わせて利用することができるものである。

本発明によれば、保守・点検を容易に行うことができるとともに、安定したプラント起動を速やかに実現することができるという効果を奏する。

以下に、本発明に係るクローズドサイクルプラントの一実施形態について、図面を参照して説明する。
〔第１の実施形態〕
図１には、本発明の第１の実施形態に係るクローズドサイクルプラントの全体概略構成が示されている。

図１に示されるように、クローズドサイクルプラント１は、高温ガス化炉１１において冷却材として利用されるヘリウムガス（作動流体）がガスタービン１２、熱交換器１３、低圧コンプレッサ１４、高圧コンプレッサ１５等を経由して再び熱交換器１３へ送られ、高温ガス化炉１１に戻されるクローズドサイクル２を備えている。
上記クローズドサイクル２において、熱交換器１３と低圧コンプレッサ１４との間には、低圧コンプレッサ１４における圧縮効率を向上させるために、ヘリウムガスを冷却する冷却器１６が設けられている。同様に、低圧コンプレッサ１４と高圧コンプレッサ１５との間には、高圧コンプレッサ１５における圧縮効率を向上させるために、ヘリウムガスを冷却する冷却器１７が設けられている。

更に、クローズドサイクル２には、冷却器１７から排出されたヘリウムガスをバイパスさせて低圧コンプレッサ１４に供給するためのバイパス路１８、高圧コンプレッサ１５から排出されたヘリウムガスをバイパスさせて冷却器１６に供給するためのバイパス路１９が設けられている。各バイパス路１８、１９には、バイパスさせるヘリウムガスの流量を調節するための流量調節弁（回転数抑制手段）２０，２１がそれぞれ設けられている。
ガスタービン１２、低圧コンプレッサ１４、高圧コンプレッサ１５、および発電機２２は一軸に連結されている。

発電機２２には、クローズドサイクルプラント１の起動時において、発電機２２に対して電力を供給する電力供給装置２３が切断可能に接続されている。電力供給装置２３は、例えば、制御装置からの信号に基づいて発電機に電流を供給し発電機をモータとして作動させる機能を備えている。上記電力供給装置２３としては、例えば、ＳＦＣ（Static Frequency Converter）である。

更に、発電機２２には、負荷を増加させるための可変抵抗器バンク（ＣＲＢ：Continuous Resistor Bank）２４が切断可能に接続されている。可変抵抗器バンク（回転抑制手段）２４は、複数の抵抗素子から構成されており、発電機２２に接続される抵抗素子の数等が制御されることにより、負荷増加量が調整されるものである。発電機２２に可変抵抗器バンク２４が接続されることにより、発電機２２の回転にブレーキがかかり、回転数を抑制することが可能となる。
また、上述した流量調節弁２０，２１も、発電機２２の回転にブレーキをかける回転数抑制手段として機能する。つまり、流量調節弁２０，２１が所定の開度で開くことにより、低圧コンプレッサ１４に供給されるヘリウムガス量が増加し、低圧コンプレッサの動力が増加するので、発電機２２の回転を間接的に低下させることが可能となる。

上記可変抵抗バンク２４および流量調節弁２０，２１は、制御装置２５により制御される。制御装置２５は、発電機２２の回転数と電力供給装置２３の出力とに応じて、可変抵抗器バンク２４の抵抗値を調整するとともに、バイパス路１８，１９に設けられた各流量調節弁２０，２１の開度を調整することで、負荷を適切に増加させ、発電機２２の回転を抑制させる。

このような構成を備えるクローズドサイクルプラント１において、通常運転時には、高温ガス炉１１に核分裂生成物であるセミックス微小燃料粒子を熱分解炭素や炭化珪素で多重に被覆した被覆粒子燃料である燃料要素が供給されて、燃料要素内の核分裂生成物が核分裂を行う。この核分裂生成物の核分裂により発生する熱エネルギーは作動流体であるヘリウムガスに与えられ、高温高圧のヘリウムガスが高温ガス炉１１から排出される。高温高圧のヘリウムガスはガスタービン１２に送られ、ガスタービン１２を駆動する。ガスタービン１２の回転力は一軸上に連結されている発電機２２に動力として伝えられ、発電機２２において発電が行われる。

ガスタービン１２において仕事をしたヘリウムガスは、熱交換器１３に排出される。熱交換器１３では、ガスタービン１２から排出された低温のヘリウムガスと、後述する高圧コンプレッサ１５から排出される高圧のヘリウムガスとの間で熱交換が行われる。熱交換によって、冷却されたヘリウムガスは、冷却機１６を介して低圧コンプレッサ１４に送られ、圧縮される。圧縮されたヘリウムガスは、冷却機１７を介して高圧コンプレッサ１５に送られる。高圧コンプレッサ１５において昇圧されたヘリウムガスは、熱交換器１３に再び送られ、ここでガスタービン１２から排出されたヘリウムガスとの間で熱交換が行われる。これにより、加温されたヘリウムガスは、高温ガス炉１１に再び戻される。

次に、上記クローズドサイクルプラント１の起動時における運転について説明する。
まず、起動時においては、電力供給装置２３から電力（電流）が発電機２２に供給されることにより、発電機２２が回転させられ、同軸に連結されているガスタービン１２が回転させられる。このように、クローズドサイクルプラント１の起動時において、発電機２２はガスタービン１２に回転力を与えるモータとして機能する。

電力供給装置２３は、例えば、発電機２２の回転数を監視し、この回転数に基づいて発電機２２の昇速率が一定となるように電力を供給する。そして、発電機２２の回転数が予め設定されている目標回転数に到達し、自律運転可能な状態となると、電力供給装置２３は発電機２２との接続を切断する。この後、発電機２２と電力系統（ネットワーク）とが接続されることにより、発電機２２で発電された電力が系統へ流れることとなる。

ところで、上記電力供給装置２３は、図２に示すような出力特性を有している。図２において、横軸は発電機の回転数、縦軸は電力供給装置の出力電力（以下、出力電力を単に「出力」という。）を示している。図２において、回転数に応じて決定される出力下限値以下の領域、つまり、図中不安定領域として示される出力領域は、電力供給装置２３の出力が安定しない領域であり、性能が低下する出力領域である。従って、電力供給装置２３が図２に示される不安定領域で運転されないように、電力供給装置２３の出力を制御することが必要となる。

そこで、本実施形態では、発電機２２のトルクが減少することにより、電力供給装置２３の出力が不安定領域の近傍まで低下した場合には、制御装置２５が可変抵抗器バンク２４および流量調節弁２０，２１を作動させることにより、強制的に負荷を増加させ、発電機２２の回転数を抑制することとしている。負荷が強制的に増加させられることにより、電力供給装置２３においては、発電機２２の回転数を上昇させるべく、出力を上昇させるように制御が働くので、電力供給装置２３の出力を不安定領域以上に保つことが可能となる。

ここで、図３には、可変抵抗器バンク２４の負荷特性が示されている。図３において、横軸は発電機の回転数、縦軸は可変抵抗器バンク２４によって増加可能な負荷の値（最大負荷）を示している。この図に示されるように、可変抵抗器バンク２４の最大負荷は、発電機２２の回転数の２乗に比例している。

次に、上記制御装置２５による可変抵抗器バンク２４および流量調節弁２０，２１の具体的な制御について図４を参照して説明する。図４には、制御装置２５の制御ブロック図が示されている。
図４に示されるように、制御装置２５は、電力供給装置２３の出力と電力供給装置２３の出力閾値との差分を算出する第１の減算部３１と、第１の減算部３１の出力とゼロとを比較し、大きい方の値を出力する第１の選択部３２と、第１の選択部３２からの出力と後述する可変抵抗器バンク２４の負荷上限値とが入力され、小さい方の値を選択し、可変抵抗器バンク２４の負荷指令値として出力する第２の選択部３３と、第１の選択部３２の出力と第２の選択部３３の出力との差分を算出する第２の減算部３４と、第２の減算部３４からの出力に定数αを乗算した値を流量調節弁２０，２１の開度指令値として出力する乗算部３５とを備えている。

ここで、第１の減算部３１に供給される電力供給装置２３の出力閾値は、該電力供給装置２３の安定した運転が補償される出力下限値（図２における直線Ｌ）以上に設定されている。なお、出力閾値は、発電機２２の回転数を変数とした所定の関数式によって求まる値であり、例えば、図８の直線Ｌ´で示されるように、発電機２２の回転数の関数として設定される。なお、出力閾値を出力下限値に近い値とする程、電力損失の少ない、効率のよい運転制御を実施することが可能となる。つまり、出力閾値を図２に示した直線Ｌ上の値として設定することにより、電力損失を最も低減させることができる。

また、上記第２の選択部３３に入力される負荷制限値は、発電機２２の回転数を２乗した値（図３に示した最大負荷）に所定の定数αを乗算することによって求められる。ここで、所定の定数αは、正の値である。

このような制御装置２５によれば、例えば、電力供給装置２３の出力が出力閾値以上の場合には、第１の選択部３２からゼロが出力され、負荷指令値および弁開度指令値はゼロとなる。つまり、この状態では、可変抵抗器バンク２４は発電機２３に接続されていない状態となり、また、流量調節弁１９，２０が全閉状態とされることからヘリウムガスのバイパスもなく、これら回転数抑制手段による負荷の増加は行われない。

一方、電力供給装置２３の出力が出力閾値未満となった場合には、第１の減算部３１からの出力がマイナスとなるため、第１の選択部３２により、出力閾値から電力供給装置２３の出力を減算した値が選択されて出力されることとなる。これにより、電力供給装置２３の出力が出力閾値から下回った分に相当する負荷が可変抵抗器バンク２４およびヘリウムガスのバイパスにより強制的に増加されることとなる。

この場合、制御装置２５は、可変抵抗器バンク２４を優先的に用いて負荷を増加させる。このように、応答性の優れた可変抵抗器バンク２４を優先的に用いることにより、負荷を速やかに増加させることが可能となる。一方、可変抵抗器バンク２４による負荷増加量では、電力供給装置２３の出力不足分を補えない場合には、制御装置２５は流量調節弁２０，２１も作動させることにより、ヘリウムガスをバイパスさせ、これにより負荷の増量を図る。

以上説明したように、本実施形態に係るクローズドサイクルプラント１によれば、プラントの起動時において、電力供給装置２３から発電機２２に電力を供給し、発電機２２をモータとして機能させるので、ガスタービン１２の回転制御を容易に行うことが可能となる。また、ガスタービン１２の回転制御を行う電力供給装置２３や制御装置２５等をクローズドサイクル２とは別個に設けることが可能となるので、放射性物質等の影響を考慮することなく、電力供給装置２３等を容易に保守・点検を実施することが可能となる。

なお、上述した本実施形態においては、可変抵抗器バンク２４と流量調節弁２０，２１により、負荷を増加させていたが、これに代えて、可変抵抗器バンク２４のみ、流量調節弁２０，２１のみによって負荷を増加させることとしてもよい。
図５には、可変抵抗器バンク２４のみを用いて負荷を増加させる場合の制御装置の制御ブロック図が、図６には、流量調節弁２０，２１のみを作動させることによって負荷を増加させる場合の制御装置の制御ブロック図が示されている。

〔第２の実施形態〕
次に、本発明の第２の実施形態に係るクローズドサイクルプラントについて説明する。
本実施形態に係るクローズドサイクルプラントは、制御装置の構成が上述した第１の実施形態と異なる。以下、本実施形態に係るクローズドサイクルプラントについて上記第１の実施形態と異なる点について主に説明する。

図７には、本実施形態に係る制御装置の制御ブロック図が示されている。
図７に示されるように、本実施形態に係る制御装置２５ａは、第２の選択部３３の後段に発電機２２の回転数が予め設定されている回転数に到達した場合に、可変抵抗器バンク２４の負荷指令値を維持するホールド部３６が設けられている。このように、回転数が予め設定されている回転数に到達した場合に、電力供給装置２３の出力を一定とすることで、可変抵抗器２４の制御のみとすることができ、回転数のバランス制御を容易とすることができる。

このような構成によれば、発電機２２の回転数が予め設定されている目標回転数に達した場合において、電力供給装置２３の出力と可変抵抗器バンク２４による負荷とを均衡させることが可能となるので、電力供給装置２３と可変抵抗器バンク２４とを停止させる際の発電機２２の回転数変動を最小限に抑えることが可能となる。これにより、電力供給装置２３と可変抵抗器バンク２４とを停止させた後のプラントの状態変化を最小源に抑えることができ安定した運転を維持することができる。

〔第３の実施形態〕
次に、本発明の第３の実施形態に係るクローズドサイクルプラントについて説明する。
本実施形態に係るクローズドサイクルプラントは、制御装置の構成が上述した第１の実施形態と異なる。以下、本実施形態に係るクローズドサイクルプラントについて上記第１の実施形態と異なる点について主に説明する。

図９には、本実施形態に係る制御装置の制御ブロック図が示されている。
図９に示されるように、本実施形態に係る制御装置２５ｂは、発電機２２の回転数が予め設定されている目標回転数に達した場合に、可変抵抗器バンク２４の負荷指令値を維持するホールド部３８を第２の選択部３３の後段に設けるとともに、発電機２２の回転数が予め設定されている目標回転数に達した場合に、電力供給装置２３の出力閾値を可変抵抗器バンク２４の負荷指令値に相当する出力設定値に切り替えるスイッチ３９とを備えている。

このような構成によれば、発電機２２の回転数が予め設定されている目標回転数に達した場合には、可変抵抗器バンク２４の負荷指令値が保持されるとともに、電力供給装置２３の出力閾値が可変抵抗器バンク２４の負荷指令値に相当する出力設定値に切り替えられることとなる。これにより、図１０に示されるように、発電機２２の回転数が目標回転数（図１０では１００％）に到達した場合に、電力供給装置２３の出力を可変抵抗器バンク２４の負荷に相当する値に一致させることが可能となる。
これにより、電力供給装置２３と可変抵抗器バンク２４とを停止させる際の発電機２２の回転数変動を最小限に抑えることが可能となり、プラントの状態変化を最小源に抑えることができる。

なお、上述した実施形態では、発電機２２の回転数が目標回転数（例えば、１００％）に達した場合に、電力供給装置２３の出力閾値を可変抵抗器バンク２４の負荷に相当する値に合せることとしたが、これに代えて、図１１に示されるように、可変抵抗器バンク２４の負荷指令値を電力供給装置２３の出力閾値に相当する負荷指令値に切り替えることにより、可変抵抗器バンク２４の負荷と電力供給装置２３の出力とを均衡させるような制御を行うこととしてもよい。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。

本発明の第１の実施形態に係るクローズドサイクルプラントの全体概略構成を示した図である。 電力供給装置の出力特性の一例を示した図である。 可変抵抗器バンクの負荷特性の一例を示した図である。 本発明の第１の実施形態に係る制御装置の制御ブロック図である。 図４に示した制御装置の構成の変形例を示した制御ブロック図である。 図４に示した制御装置の構成の変形例を示した制御ブロック図である。 本発明の第２の実施形態に係る制御装置の制御ブロック図である。 図７に示した制御装置において用いられる出力閾値について説明するための図である。 本発明の第３の実施形態に係る制御装置の制御ブロック図である。 図９に示した制御装置の作用について説明するための図である。 図９に示した制御装置の構成の変形例を示した制御ブロック図である。

符号の説明

１ クローズドサイクルプラント
２ クローズドサイクル
１１ 高温ガス炉
１２ ガスタービン
１３ 熱交換器
１４ 低圧コンプレッサ
１５ 高圧コンプレッサ
２０，２１ 流量調節弁
２２ 発電機
２３ 電力供給装置
２４ 可変抵抗器バンク
２５，２５ａ，２５ｂ 制御装置
３１ 第１の減算部
３２ 第１の選択部
３３ 第２の選択部
３４ 第２の減算部
３５，３６，３７ 乗算器
３８ ホールド部
３９ スイッチ

Claims (7)

1. 原子炉を有する高温ガス炉と、
   該高温ガス炉で加熱された作動流体により駆動されるガスタービンと、
   該ガスタービンと同軸に連結される圧縮機と、
   該ガスタービンに出力軸を介して接続される発電機と、
   該発電機に切断可能に接続され、該発電機に電力を供給する電力供給装置と、
   前記電力供給装置の出力が、該電力供給装置の安定した運転が補償される出力下限値以上に設定された出力閾値以下となった場合に、負荷を増加させて該発電機の回転数を抑制させる回転数抑制手段と、
   を備え、
   起動時において、前記電力供給装置は該発電機に接続されるとともに、該発電機の昇速率が一定となるように電力を供給するクローズドサイクルプラント。
2. 前記電力供給装置は、前記発電機の回転数に基づいて該発電機の昇速率を求め、該昇速率が一定となるように電力を供給する請求項１に記載のクローズドサイクルプラント。
3. 前記回転抑制手段が、前記発電機に切断可能に接続される可変抵抗装置を備える請求項１または請求項２に記載のクローズドサイクルプラント。
4. 前記回転抑制手段が、前記圧縮機に供給される冷却材の流量を調整する流量調節弁を備え、該流量調節弁の開度が制御されることにより、前記発電機の回転数が抑制される請求項１から請求項３のいずれかに記載のクローズドサイクルプラント。
5. 前記電力供給装置の出力と前記出力閾値との差分に基づいて、前記回転数抑制手段による負荷増加量を制御する制御手段を備える請求項１から請求項４のいずれかに記載のクローズドサイクルプラント。
6. 前記出力閾値は、発電機の回転数が所定の目標回転数に達した場合に、前記電力供給装置の出力を保持するように設定されている請求項１から請求項５のいずれかに記載のクローズドサイクルプラント。
7. 前記制御手段は、前記発電機の回転数が予め設定されている目標回転数に達した場合に、電力供給装置の出力閾値および前記回転数抑制手段による負荷増加量のいずれか一方を他方と一致させる請求項５に記載のクローズドサイクルプラント。

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