JPH03151505A - ガス／蒸気発電設備 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、特許請求の範囲第１項の上位概念に記載のガ
ス／蒸気発電設備に関するものである。本発明は、また
、この設備の運転法に関するものでもある。

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

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

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

この組合せ設備の場合、次の点が確認できる。すなわち
、排ガス温度が低下すると、必然的に廃熱ボイ゛ラー内
での供給水の蒸発が等量的な推移をたどり、そのさいに
は、平均して、不必要に大きな温度差が生じる点である
。このことにより、廃熱ボイラー内に不可避的に付加的
な作業゛能力損失（廃ガスの作業能の損失）が生じる。

この作業能力損失は、Ｔ／Ｑ！ｒＭで見ると、廃熱ボイ
ラー内での廃ガス温度の急勾配の下降線と供給水の平ら
な蒸発線が認められる。

この場合、混圧廃熱ボイラーを用いて修正値を得ること
はできるが、２つ以上の圧力段を設けることは、構造上
も、操作の面でも容易ではないので、その種の廃熱ボイ
ラーを用いても、作業能力損失は、所望の程度には低減
できない［発明が解決しようとする課題］ 本発明は、前記の問題に対する解決策を提案するもので
ある。

本発明の根底をなす課題は、各請求項に記載のように、
冒頭に述べた形式のガス／蒸気発電設備の場合に、蒸発
時の作業能力損失を最低限に抑えることにある。

［課題を解決するための手段］ 本発明の主な利点は、次の点にある。すなわち、核反応
炉の、熱により得られる出力の作業ポテンシャルを最適
利用し尽す蒸発工程が、ガスタービンの廃熱ボイラー内
での供給水の予熱と蒸気の過熱とにより補助される点で
ある。これは、供給水子熱も蒸気過熱も、煙道ガス冷却
とは逆の流れで行なわれるため、熱伝達に必要な程度以
上の作業能力損失は生じないからである。核の部分と化
石燃料の部分とに分けられる熱供給の全範囲にわたって
、発生する作業損失の値は最低限の値であり、したがっ
て、熱から電気への転換時に生じる効率損は、熱的なイ
ンピーダンス整合が不十分な結果、最低限の値となる。

しかしながら、決定的に重要な点は、このことが、特に
化石燃料により供給されるエネルギ一部分にとって妥当
とされる点である。それによって、化石燃料による環境
汚染が最小限に抑５えられるからである。天然ガスを用
いる場合には、化石燃料により付加的に得られるエネル
ギーは、２酸化炭素の放出量が最低限となる本発明の別
の利点は、現在の原子力発電設備の出力拡張と関連して
生み出されるものである。すなわち、原子力発電設備に
、複数の内燃機関を、有利にはガスタービン設備を前置
するのである。

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

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

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

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

本発明による課題の解決策の更に別の有利な構成は、そ
の他の請求項に記載の通りである。

［実施例］ 次に本発明の複数実施例を図面につき説明する。図面に
は、本発明の理解に直接必要のない部分は記載されてい
ない。媒体の流れ方向は、矢印で示しである。それぞれ
の図面に記載された同じ部品には、同じ記号を付しであ
る。

第１図に示されているのは、原子力発電設備ｌがガスタ
ービン設備２と協働する発電設備の回路である。この場
合、２つのブロックの間に廃熱ボイラー３が配置されて
いる。廃熱ボイラー３と原子力発電設備Ｉとに前置され
たガスタービン設備２は、実質的に、圧縮器２２、有利
には圧縮器と共通の軸に配置されたガスタービン２３、
これら２つの装置の回転にリンク停れたゼネレータ２１
、燃焼室２４がら成っている。吸込まれた空気２５は、
圧縮器２２へ導入され、そこで圧縮され、次に、この圧
縮された空気が燃焼室２４へ入る。燃焼室２４の稼動に
要する燃料２６は、ガス状及び（又は）液状の燃料であ
る。燃焼室２４内に生じる高熱ガスが、次の工程でガス
タービン２３に負荷される。タービンの負荷が除去され
たのち、圧力面で消費されたこの高熱ガスは、廃ガス２
７として廃熱ボイラー３を貫流する。廃熱ボイラー３内
ではこのガスの熱の残りのポテンシャルが更に利用し尽
される。原子力発電設備ｌは、飽和蒸気量を用意する軽
水炉１１．高圧蒸気タービン１２、これに後置された低
圧蒸気タービンＩ３がら成っている。ゼネレータ１４は
、蒸気タービンに接続されている。低圧蒸気タービン１
３からの、減圧された蒸気は、単数又は複数の排出蒸気
管を介して、有利には、水又は空気により冷却された復
水器１５へ流入する。復水は、ポンプ１６を介して廃熱
ボイラー３へ導入され、このなかで段階Ｃにより予熱さ
れ、供給水となる。次の処理段階では、供給水が反応炉
１１内へ導入され、炉内で、本格的な蒸気の用意が、飽
和蒸気Ｂの形態で行なわれる。反応炉１１内でのこの準
備段階ののち、飽和蒸気は、再び廃熱ボイラー３内へ導
入され、ここで、更に熱伝達段階を経て、過熱蒸気Ａの
形態での最終的な蒸気の用意が行なわれる。最大の熱ポ
テンシヤルで用意されたこの蒸気が、次いで高圧蒸気タ
ービン１２に、更に低圧蒸気タービン１３に負荷される
。これら２つのタービンは、接続されているゼネレータ
１４の電力を生ぜしめる。排ガス２７が廃熱ボイラー３
内で、その熱ポテンシヤルを大部分放出したのち、煙道
ガス３１として、図示されていない煙突を経て排出され
る。

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

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

供給水を、予熱段階Ｃで２２０°Ｃに予熱し、反応炉ｌ
ｌ内で段階Ｂにより２８０°Ｃの沸とう温度で発生させ
た飽和蒸気を、段階Ａにより４８０°Ｃに過熱させるた
めに、廃熱ボイラー３内には、新鮮蒸気流量を２．７５
倍上回る煙道ガス流量が必要である。この実施例に用い
たガスタービンは、それぞれ５００ｋｇ／ｓの煙道ガス
流量を有し、それぞれｌ　４１　ＭＷｅ　（メガワット
電力）を供給する。その転換効率は３３．６％である。

反応炉１１からのｌ　ｌ　２７ｋｇ／ｓの新鮮蒸気流量
を過熱し、供給水を予熱するためには、総量４４８０　
ｋｇ／’ｓの排ガス流量２７が必要である。そのために
は、９基のガスタービンを必要とし、これらのガスター
ビンによって、合計１２６９ＭＷｅの電力を供給す゛る
。蒸気タービン１２．１３は、必要時に相応に適応させ
れば、過熱蒸気で作業できるので、これらタービンのと
ころでは供給水子熱用にもはや蒸気量を取去る必要はな
い。このため、これらタービンは合計１７１０ＭＷｅの
電力を生ぜしめる。したがって複数のガスタービンを有
するガスタービン設備２を原子力発電設備１に統合する
ことにより、合計３０００　ＭＷｅの電力が可能となる
。

これに対し、もとの原子力発電設備の電力生産はｌｏｏ
ＯＭＷｅである。

全ガスタービン用の化石燃料消費量３７７９Ｍｗｔｈは
、５２．４％の効率で電気エネルギーに転換される。な
ぜなら、次の通りだからである？７　ｔｈ　　１ｏｓｓ
　　＝ΔＰ／ΔＱ　ｆｏｓｓ　　＝　　（ｐｄＬ−ｐｄ
ｔｏ＋ｐｇｔ）／　Ａ　Ｑ　ｆｏｓｓ　　−（１７１０
−１０００＋１２６９）　　／３７７９−０．５２４１
つだけの原子力発電設備を、相応の粗金せで用いること
で、原子力発電設備の２倍の電力を、極めて高い転換効
率で得ることができる。

このことは、化石燃料、有利には天然ガスの極めて効率
的な、したがって又低公害の利用を意味している。この
種の回路が、投資の観点から特に興味深いのは、この回
路を、既存の原子力発電設備に対するレトロフィトの措
置として構想する場合である。

この構想の場合も、回路は極めて適応性に富んでいる。

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

第２図には、第１図の回路が線図で説明されている。こ
れと関連して、段階Ｂでの蒸化工程中の、更には、予熱
段階Ｃ及び過熱段階Ａの間の転換損失が最低限であるこ
とに注意せねばならない。この結果、熱伝達に必要な温
度差が得られる。

第３図には、熱勘定の図によりエネルギー流が示されて
いる。この図から、熱エネルギーを電気エネルギーに転
換する３つの効率が区別できる：すなわち ａ）核部分の効率（第１図、記号ｌ） ｖ　、、に＝　１０００　ＭＷｅ／　３０００　ＭＷｔ
ｈ−３，３３％ｂ）化石燃料部分の効率（第１図、記号
２．３） η、、、＝（４２，３％＋２３．７％）／１２６％−５
２６４％ Ｃ）全設備の効率（第１図、記号１，２．３） η１゜、＝　　（５７％＋４２．３％）／（１００％＋
１２６％）　　＝４３．９％ である。

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

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

第１図に示した当初の廃熱ボイラー３は、この場合、３
つの個別の独立した廃熱ユニットに替えられている。復
水器１５からの復水は、予熱器３ａを貫流する。予熱器
３ａは、過熱器３ｂと中間過熱器３ｃに後置されている
。予熱器３ａでは、まず、供給水の予熱が行なわれる。

予熱された供給水は、次いで、反応炉１１ａに属する既
述の絶縁熱交換器３２を貫流する。ここで飽和蒸気が用
意される。引続き、この蒸気は、排ガス２７により同じ
く個別に負荷される過熱器３ｂを通過する。ここで、蒸
気の最終的な熱処理が行なわれる。過熟されたこの蒸気
は最初の作業工程で高圧蒸気タービン１２に負荷される
。この段階で減圧後、蒸気は、同じく、排ガス２７を負
荷される中間過熱器３ｃを通過する。中間過熱器３ｃ内
では、蒸気は、新たに熱処理され、次いで、既述の中圧
蒸気タービン１７に負荷される。この段階を通過し終る
と著しく減圧された蒸気が直接に低圧蒸気タービン１３
へ流入し、そこで、残ったエネルギー・ポテン／ヤルを
放出する。それ以後の処置は、第１図の回路の場合と同
じである。ここで基礎とした回路により、化石燃料エネ
ルギーの転換効率は６０％強であることが見込まれる。

中間過熱器の導入のため必要となる十分高圧の飽和蒸気
を熱交換器３２内で造出するためには、水冷式の場合、
反応炉１１ａの内部に極めて高い圧力レベルが必要であ
る。この高い圧力レベルは、高沸点の冷却剤、Ｉ；とえ
ばナトリウムを選ぶことにより、あるいは又、Ｃ０２や
Ｈｅなど適当なガスにより低減させることができる。

圧縮器ブリガイド列が１０％閉じられた定格条件のもと
で、ガスタービン設ｆＲ２を運転することにより、ガス
タービンの場合、蒸気タービンに比して点検間隔を短か
くできる。これを第１図の、場合により第２図の回路に
当てはめれば、予熱及び過熱の総ポテンシャルを利用す
るのは、１０基が必要となろう。加えて、廃熱ボイラー
３、廃熱ユニット３ａ、３ｂ、３ｃ、別の配置の廃熱ユ
ニットのいずれかに、図示されていない付加的な炉を設
けることも考えられる。そうすることにより、蒸気部分
の定格運転は、運転停止を要する単数又は複数のガスタ
ービン設備２の故障の場合にも、維持することができよ
う。

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

【図面の簡単な説明】

第１図は、ガスタービン設備と原子力発電設備とが協働
する発電設備の回路図、第２図は、第１図の設備のＴ／
Ｑ線図、第３図は、第１図の設備のエネルギーの流れを
示す熱勘定線図、第４図は、将来の、進んだ水冷式反応
炉と、同じく将来の、進んだガスタービンとが組合され
た発電設備の回路図である。 １、ｌａ・・・原子力発電設備の蒸気回路、１１・・・
軽水炉の水冷式反応炉、１、１ａ・・・比較的高い仕事
率の反応炉、１２・・・高圧蒸気タービン、１３・・・
低圧蒸気タービン、１４・・・ゼネレータ、１５・・・
復水器、１６・・・ポンプ、１７・・・中圧蒸気タービ
ン、２・・・内燃機関、２１・・・ゼネレータ、２２・
・・圧縮器、２３・・・ガスタービン、２４・・・燃焼
室、２５・・・圧縮器用の吸気、２６・・・燃焼室の稼
動用燃料、２７・・・排ガス、３・・・熱交換器（廃熱
ボイラー）、３ａ・・・予熱器、３ｂ・・・過熱器、３
Ｃ・・・中間過熱器、３１・・・煙道ガス、３２・・・
絶縁熱交換器。 ロー−□□ Ｌ■■■嶋−１−―■響嗜署■−――−■■■■■番―
關−―−―噌−■■■−噂＝ト− Ｆｉｇ、３

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、実質的に、化石燃料による少なくとも１つの内燃機
   関と、少なくとも１つの蒸気回路と、内燃機関に後置さ
   れた少なくとも１つの熱交換器とから成るガス／蒸気発
   電設備であって、前記熱交換器が、内燃機関の排ガスに
   より負荷可能である形式のものにおいて、反応炉（１１
   、１１ａ）が蒸気回路（１、１ａ）の構成要素であり、
   かつまた、熱交換器（３）内には、反応炉（１１、１１
   ａ）に供給される供給水量の少なくとも一部の予熱段階
   （Ｃ）と、反応炉（１１、１１ａ）内に生じる飽和蒸気
   量（Ｂ）の少なくとも１部の過熱段階（Ａ）とが存在す
   ることを特徴とするガス／蒸気発電設備。 ２、反応炉（１１、１１ａ）が水冷式であることを特徴
   とする請求項１記載のガス／蒸気発電設備。 ３、反応炉（１１、１１ａ）に、水とは異なる冷却剤が
   貫流可能であることを特徴とする請求項１記載のガス／
   蒸気発電設備。 ４、反応炉（１１、１１ａ）に、絶縁熱交換器（３２）
   が後置されていることを特徴とする請求項１から３まで
   のいずれか１項記載のガス／蒸気発電設備。 ５、熱交換器（３）が廃熱ボイラーであることを特徴と
   する請求項１から４までのいずれか１項記載のガス／蒸
   気発電設備。 ６、廃熱ボイラー（３）が、予熱器（３ａ）と、過熱器
   （３ｂ）と、任意選択の中間過熱器（３ｃ）とに区分さ
   れることを特徴とするガス／蒸気発電設備。 ７、内燃機関（２）がガスタービン設備であることを特
   徴とする請求項１から６までのいずれか１項記載のガス
   ／蒸気発電設備。 ８、蒸気回路（１、１ａ）の単数又は複数の蒸気タービ
   ン（１２、１３、１７）の吸収能が制限されている場合
   、過熱段階（Ａ）から発生する蒸気の一部が、内燃機関
   （２）の回路内へ導入されることを特徴とする請求項１
   記載のガス／蒸気発電設備の稼動法。 ９、熱交換器（３）を貫流する、内燃機関（２）から出
   る廃ガス（２７）のポテンシャルが量的に、かつ（又は
   ）熱量面で低減した場合、反応炉（１１、１１ａ）内に
   生じる飽和蒸気量（Ｂ）の一部が分岐され、蒸気回路（
   １、１ａ）の単数又は複数の蒸気タービン（１２、１３
   、１７）に供給されることを特徴とする請求項１記載の
   ガス／蒸気発電設備の運転法。 １０、予熱段階（Ｃ）と過熱段階（Ａ）とを通過する量
   が異なる値であることを特徴とする請求項１記載のガス
   ／蒸気発電設備の運転法。 １１、予熱段階（Ｃ）のポテンシャルの、需要に対応す
   る部分は、回路外の消費器を作動させるために用いられ
   ることを特徴とする請求項１記載のガス／蒸気発電設備
   の運転法。