(57)【要約】 【課題】ガスタービンの優れた性能を生かしつつ、原子力発電所の蒸気タービンを有効に活用する。【解決手段】本発明に係る原子力発電用蒸気タービンの利用システム１は、タービン建屋という形でＰＷＲ型の原子力発電所内に設置された発電設備１１とそれに隣接設置されガスタービン５を備えたコンバインドサイクル発電設備２とを組み合わせたものであって、ガスタービン５の回転軸に圧縮機１４を連結するとともに、該圧縮機の吐出側を、発電設備１１に備えられた蒸気タービン１２の吸気側に連通接続してある。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンの回転軸に圧縮機の回転軸を連結するとともに、該圧縮機の吐出側を原子力発電所に設置された蒸気タービンの吸気側に連通接続したことを特徴とする原子力発電用蒸気タービンの利用システム。
【請求項２】
前記ガスタービンの排気側を熱交換器を介して前記圧縮機と前記蒸気タービンとをつなぐ空気流路に接続した請求項１記載の原子力発電用蒸気タービンの利用システム。
【請求項３】
前記蒸気タービンの排気側を前記圧縮機の吸気側に連通接続することで、該蒸気タービンを含む空気流路を循環流路とした請求項１又は請求項２記載の原子力発電用蒸気タービンの利用システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主として廃炉中の原子力発電所に設置された蒸気タービンを活用する際に適用される原子力発電用蒸気タービンの利用システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
原子力発電所は、設計寿命の経過その他の理由により、廃炉（廃止措置）と呼ばれる解体撤去作業が順次予定されており、４０年以上の運転は原則として認めないとの原子力安全規制強化を受けて、現在、老朽化による廃炉だけでも既に数基が廃炉の対象となっている。
【０００３】
廃炉は、商業用軽水炉については国内では未だ実績がないが、運転終了後、使用済燃料の搬出、系統除染、安全貯蔵、解体撤去といった工程で行う必要があり、数十年の期間を要すると言われている。
【０００４】
ここで、廃炉中においては、各工程の内容に応じた電力供給が長期間必要となるため、タービンを解体撤去せず、廃炉中の発電設備として活用すべきであるとの提言が一部でなされており（非特許文献１，２）、非特許文献１には、コンバインドサイクル発電のように、ガスタービンの排熱を排熱回収ボイラーで回収し、この排熱で水を蒸気に変えた後、該蒸気を原子力発電所の蒸気タービンに供給する点が開示されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】「原発に有終の美を」、[平成２６年２月１日検索]、インターネット＜http://kabu-m-hikari.com/newpage1.htm＞
【非特許文献２】「原子力発電所の既存蒸気タービン及び発電機・送電設備の有効活用についての提言」、[平成２６年２月１日検索]、インターネット＜http://www.niira-accord.jp/1830＞
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、コンバインドサイクル発電は、熱効率を改善すべく、ガスタービンの燃焼温度が１０００゜Ｃから１３００゜Ｃ、さらに１５００゜Ｃへと高められ、それに伴って蒸気タービンもより高温に対応できるよう改良されてきているところ、原子力発電所では、燃料被覆材に用いられているジルコニウムの耐熱性の関係で冷却水の温度をあまり高くすることができないため、蒸気タービンの入口温度も３００゜Ｃ未満に抑えられている。
【０００７】
すなわち、火力発電所の蒸気タービンであれば、蒸気条件が５５０゜Ｃを上回るため（ターボ機械協会Ｗｅｂサイト）、上述したガスタービンと組み合わせることで熱効率の高いコンバインドサイクル発電を実現することができるが、蒸気条件が３００゜Ｃを下回る原子力発電所の蒸気タービンでは、ガスタービンの優れた性能を生かすことは難しい。
【０００８】
ちなみに、最近のガスタービンコンバインドサイクル発電では、ガスタービンの燃焼条件を１７００゜Ｃ／２５〜３５気圧、排熱回収ボイラからの蒸気を約６５０゜Ｃ〜７００゜Ｃ／１７０気圧とすることにより、６０％を超える熱効率を実現可能なものも開発されているが（NEDOプロジェクト  実用化ドキュメント）、このようなガスタービンであれば、原子力発電所の蒸気タービンとの組み合わせはますます困難になる。
【０００９】
一方、ガスタービンの排ガスを蒸気タービンに直接供給する方法も考えられるが、上述したようにガスタービンの排熱温度が５５０゜Ｃを上回るため、火力発電所の蒸気タービンであればともかく、原子力発電所の蒸気タービンへの直接供給は、耐熱性や耐圧性の観点でやはり困難となる。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、上述した事情を考慮してなされたもので、ガスタービンの優れた性能を生かしつつ、原子力発電所の蒸気タービンを有効に活用することが可能な原子力発電用蒸気タービンの利用システムを提供することを目的とする。
【００１１】
上記目的を達成するため、本発明に係る原子力発電用蒸気タービンの利用システムは請求項１に記載したように、ガスタービンの回転軸に圧縮機の回転軸を連結するとともに、該圧縮機の吐出側を原子力発電所に設置された蒸気タービンの吸気側に連通接続したものである。
【００１２】
また、本発明に係る原子力発電用蒸気タービンの利用システムは、前記ガスタービンの排気側を熱交換器を介して前記圧縮機と前記蒸気タービンとをつなぐ空気流路に接続したものである。
【００１３】
また、本発明に係る原子力発電用蒸気タービンの利用システムは、前記蒸気タービンの排気側を前記圧縮機の吸気側に連通接続することで、該蒸気タービンを含む空気流路を循環流路としたものである。
【００１４】
本発明に係る原子力発電用蒸気タービンの利用システムにおいては、ガスタービンの回転軸に圧縮機の回転軸を連結するとともに、該圧縮機の吐出側を原子力発電所に設置された蒸気タービンの吸気側に連通接続してある。
【００１５】
このようにすると、上述した圧縮機は、ガスタービンの作動に応答して外気を取り込むとともに、その外気から高温の圧縮空気を生成し、原子力発電所の蒸気タービンでは、該圧縮空気の膨張仕事によって蒸気と同様にタービン翼を回転させ、蒸気タービンに連結された発電機によって発電が行われる。
【００１６】
ガスタービンは任意に構成することが可能であり、例えば天然ガスや液体水素を燃料とすることができる。
【００１７】
ガスタービンの回転軸に圧縮機の回転軸を連結する構成は、ガスタービンの回転軸から圧縮機の回転軸へと回転トルクが伝達される形であればどのような連結でもかまわず、同軸に直接連結する、適当な減速機を介して同軸に連結する、回転軸が非同軸となるように公知の回転駆動機構を介して連結するといった態様を適宜選択することが可能である。
【００１８】
ガスタービンを用いた発電を行いつつ、原子力発電所の蒸気タービンで発電を行うにあたり、ガスタービンを用いた発電は、ガスタービンのみによる発電とすることはできるが、これに代えて、ガスタービンとの組み合わせに適した蒸気タービンによる発電を併せて行う、いわゆるコンバインドサイクル発電とするのが望ましい。
【００１９】
圧縮機から吐出される圧縮空気は、該圧縮機で断熱圧縮を受けることにより高温状態になっているが、これだけでは原子力発電所の蒸気タービンを十分に回転させることができない場合、圧縮機と原子力発電所の蒸気タービンとをつなぐ空気流路にガスタービンの排気側を熱交換器を介して接続した構成とすることができる。
【００２０】
かかる構成によれば、ガスタービンの排熱により、圧縮機から吐出された圧縮空気をさらに加熱することができるため、原子力発電所の蒸気タービンを十分に回転させることが可能となる。
【００２１】
ここで、加圧水型原子炉（以下、ＰＷＲ）では、原子炉内を循環する一次冷却系から熱交換器（蒸気発生器）を介して蒸気タービンを循環する二次冷却系へと熱エネルギーが伝熱されるため、該蒸気タービンは、供用中、運転・保守上の放射線防護対策が不要になっており、運転中止後も、放射能で汚染された状態ではない。
【００２２】
そのため、本発明における原子力発電所がＰＷＲである場合には、蒸気タービンから排出されるガスをそのまま大気に放出することが可能である。
【００２３】
一方、沸騰水型原子炉（以下、ＢＷＲ）の場合、原子炉内を循環する冷却水がそのまま蒸気タービンを循環するため、該蒸気タービンは、供用中、放射能汚染を受け、運転中止後も内部が放射能汚染された状態となるが、この場合において、蒸気タービンの排気側を圧縮機の吸気側に連通接続することで、該蒸気タービンを含む空気流路を循環流路としたならば、蒸気タービン内の放射性物質が大気に放出されるのを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】第１実施形態に係る原子力発電用蒸気タービンの利用システム１のブロック図。
【図２】変形例に係る原子力発電用蒸気タービンの利用システムのブロック図。
【図３】別の変形例に係る原子力発電用蒸気タービンの利用システムのブロック図。
【図４】第２実施形態に係る原子力発電用蒸気タービンの利用システム４１のブロック図。
【図５】変形例に係る原子力発電用蒸気タービンの利用システムのブロック図。
【図６】別の変形例に係る原子力発電用蒸気タービンの利用システムのブロック図。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明に係る原子力発電用蒸気タービンの利用システムの実施の形態について、添付図面を参照して説明する。
【００２６】
［第１実施形態］
図１は、第１実施形態に係る原子力発電用蒸気タービンの利用システムを示したブロック図である。同図に示すように、本実施形態に係る原子力発電用蒸気タービンの利用システム１は、タービン建屋という形でＰＷＲ型の原子力発電所内に設置された発電設備１１とそれに隣接設置されたコンバインドサイクル発電設備２とを組み合わせたものであって、該コンバインドサイクル発電設備は、取り込まれた外気を圧縮するガスタービン用圧縮機３と、該ガスタービン用圧縮機からの圧縮空気と燃料とを混合燃焼させる燃焼室４と、該燃焼室で生成された燃焼ガスで回転するガスタービン５と、該ガスタービンの回転軸に連結された発電機６と、ガスタービン５から吐出される排ガスが供給される排熱回収ボイラー７と、該排熱回収ボイラーで生成された蒸気が供給されるコンバインド用蒸気タービン８と、該コンバインド用蒸気タービンからの蒸気を水に戻して排熱回収ボイラー７に送り込む復水器９とで構成してあり、ガスタービン用圧縮機３，ガスタービン５、発電機６及びコンバインド用蒸気タービン８は、それらの回転軸を互いに連結してある。
【００２７】
一方、発電設備１１は、蒸気タービン１２と該蒸気タービンの回転軸に連結された発電機１３とで構成してある。
【００２８】
ここで、ガスタービン５の回転軸には、本実施形態の圧縮機１４を連結してあるとともに、該圧縮機の吐出側を蒸気タービン１２の吸気側に連通接続してある。
【００２９】
ガスタービン５は、天然ガスや液体水素を燃料としたガスタービンで構成することが可能である。
【００３０】
本実施形態に係る原子力発電用蒸気タービンの利用システム１を構築するにあたっては、廃炉（廃止措置）を受けて運転が中止された後、まず、原子力発電所の敷地内に発電設備１１に隣接させる形でコンバインドサイクル発電設備２を設置する。
【００３１】
一方、蒸気タービン１２に接続されている主蒸気管を、それまで接続されていた原子炉内の蒸気発生器（図示せず）から圧縮機１４の吐出側へとつなぎ代える。
【００３２】
次に、コンバインドサイクル発電設備２を運転稼働する。
【００３３】
このようにすると、圧縮機１４においては、ガスタービン５の作動に応答して外気が取り込まれ、その外気から高温の圧縮空気が生成されるとともに、該圧縮空気は、上述した主蒸気管を介して蒸気タービン１２の吸気側に供給される。
【００３４】
そして、蒸気タービン１２では、供給された圧縮空気の膨張仕事によってタービン翼が回転し、該蒸気タービンに連結された発電機１３で発電が行われる。
【００３５】
蒸気タービン１２によって発電機１３で発電された電力は、コンバインドサイクル発電設備２で発電された電力とともに、原子炉を冷却するための電力、使用済み核燃料を使用済燃料貯蔵プールで数年間にわたり冷却し続けるための電力、その他原子力発電所内で必要となる電力として用いればよい。
【００３６】
以上説明したように、本実施形態に係る原子力発電用蒸気タービンの利用システム１によれば、ガスタービン５の回転軸に圧縮機１４の回転軸を連結するとともに、該圧縮機の吐出側を原子力発電所に設置された蒸気タービン１２の吸気側に連通接続するようにしたので、ガスタービン５の回転エネルギーによって高温の圧縮空気が圧縮機１４で生成されるとともに、該圧縮空気で蒸気タービン１２を回転させて発電機１３を駆動することが可能となり、かくして廃炉になった原子力発電所の発電設備１１を、運転中止後に原子力発電所内で必要となる電力をまかなう手段として有効に活用することが可能となる。
【００３７】
また、本実施形態に係る原子力発電用蒸気タービンの利用システム１によれば、蒸気タービン１２における耐熱性に配慮してガスタービン５の出力を抑えて出口温度を下げるといった対策が不要であるため、圧縮機１４によるトルク負荷がガスタービン５に若干作用するものの、コンバインドサイクル発電設備２にその性能を十分に発揮させることが可能となる。
【００３８】
本実施形態では特に言及しなかったが、原子力発電所の蒸気タービン１２を圧縮機１４による高温圧縮空気で十分に回転させることができない場合には、図２に示したように、圧縮機１４の吐出側と蒸気タービン４３の吸気側とをつなぐ空気流路２１にガスタービン５の排気側を熱交換器２２を介して接続した構成とすればよい。
【００３９】
ここで、同図に示した変形例では、ガスタービン５の排気側を直接接続するのではなく、該ガスタービンの排気側が連通接続された排熱回収ボイラー７を介して接続してある。
【００４０】
かかる構成によれば、ガスタービン５の排熱により、圧縮機１４から吐出された圧縮空気をさらに加熱することができるため、原子力発電所の蒸気タービン１２を十分に回転させることが可能となる。
【００４１】
また、本実施形態では、ガスタービン５をコンバインドサイクル発電設備２の構成要素として設置するようにしたが、本発明における原子力発電用蒸気タービンの利用システムは、必ずしもこのような形態でガスタービンを備える必要はなく、ガスタービン５の排熱を利用したコンバインド用蒸気タービン８による発電を省略してもかまわない。
【００４２】
図３はかかる変形例を示したものであり、ガスタービン５の排気側を、熱交換器２２を介して、圧縮機１４と蒸気タービン１２とをつなぐ空気流路２１に接続してある。
【００４３】
このようにすれば、ガスタービン５の排熱により、圧縮機１４から吐出された圧縮空気が大幅に昇温されることとなり、かくして発電設備１１の能力を大幅に高めることが可能となる。
【００４４】
［第２実施形態］
次に、第２実施形態について説明する。なお、第１実施形態と実質的に同一の部品等については同一の符号を付してその説明を省略する。
【００４５】
図４は、第２実施形態に係る原子力発電用蒸気タービンの利用システムを示したブロック図である。同図に示すように、本実施形態に係る原子力発電用蒸気タービンの利用システム４１は、タービン建屋という形でＢＷＲ型の原子力発電所内に設置された発電設備４２とそれに隣接設置されたコンバインドサイクル発電設備２とを組み合わせたものであって、発電設備４２は、蒸気タービン４３と該蒸気タービンの回転軸に連結された発電機４４とで構成してあり、ガスタービン５の回転軸には圧縮機１４を連結してあるとともに、該圧縮機の吐出側を蒸気タービン４３の吸気側に連通接続してあるが、第１実施形態とは異なり、蒸気タービン４３の排気側を圧縮機１４の吸気側に連通接続することで、該蒸気タービンを含む空気流路を循環流路４５としてある。
【００４６】
第２実施形態に係る原子力発電用蒸気タービンの利用システム４１を構築するにあたっては、廃炉（廃止措置）を受けて運転が中止された後、まず、原子力発電所の敷地内に発電設備４２に隣接させる形でコンバインドサイクル発電設備２を設置する。
【００４７】
一方、蒸気タービン４３に接続されている主蒸気管を、それまで接続されていた原子炉（図示せず）から圧縮機１４の吐出側へとつなぎ代える。
【００４８】
次に、コンバインドサイクル発電設備２を運転稼働する。
【００４９】
このようにすると、圧縮機１４においては、ガスタービン５の作動に応答して、蒸気タービン４３からの戻り空気が取り込まれ、その戻り空気から高温の圧縮空気が生成されるとともに、該圧縮空気は、上述した主蒸気管を介して蒸気タービン４３の吸気側に供給される。
【００５０】
そして、蒸気タービン４３では、供給された圧縮空気の膨張仕事によってタービン翼が回転し、該蒸気タービンに連結された発電機４４で発電が行われる。
【００５１】
蒸気タービン４３によって発電機４４で発電された電力は第１実施形態と同様、コンバインドサイクル発電設備２で発電された電力とともに、原子炉を冷却するための電力、使用済み核燃料を使用済燃料貯蔵プールで数年間にわたり冷却し続けるための電力、その他原子力発電所内で必要となる電力として用いればよい。
【００５２】
以上説明したように、本実施形態に係る原子力発電用蒸気タービンの利用システム４１によれば、ガスタービン５の回転軸に圧縮機１４の回転軸を連結するとともに、該圧縮機の吐出側を原子力発電所に設置された蒸気タービン４３の吸気側に連通接続するようにしたので、ガスタービン５の回転エネルギーによって高温の圧縮空気が圧縮機１４で生成されるとともに、該該圧縮空気で蒸気タービン４３を回転させて発電機４４を駆動することが可能となり、かくして廃炉になった原子力発電所の発電設備４２を、運転中止後に原子力発電所内で必要となる電力をまかなう手段として有効に活用することが可能となる。
【００５３】
また、本実施形態に係る原子力発電用蒸気タービンの利用システム４１によれば、蒸気タービン４３における耐熱性に配慮してガスタービン５の出力を抑えて出口温度を下げるといった対策が不要であるため、圧縮機１４によるトルク負荷がガスタービン５に若干作用するものの、コンバインドサイクル発電設備２にその性能を十分に発揮させることが可能となる。
【００５４】
また、本実施形態に係る原子力発電用蒸気タービンの利用システム４１によれば、蒸気タービン４３の排気側を圧縮機１４の吸気側に連通接続することで、該蒸気タービンを含む空気流路を循環流路４５としたので、蒸気タービン４３内の放射性物質が大気に放出されるのを防止することができる。
【００５５】
本実施形態では特に言及しなかったが、原子力発電所の蒸気タービン４３を圧縮機１４による高温圧縮空気で十分に回転させることができない場合には、図５に示したように、圧縮機１４の吐出側と蒸気タービン４３の吸気側とをつなぐ空気流路２１にガスタービン５の排気側を熱交換器２２を介して接続した構成とすればよい。
【００５６】
ここで、同図に示した変形例では、ガスタービン５の排気側を直接接続するのではなく、該ガスタービンの排気側が連通接続された排熱回収ボイラー７を介して接続してある。
【００５７】
かかる構成によれば、ガスタービン５の排熱により、圧縮機１４から吐出された圧縮空気をさらに加熱することができるため、原子力発電所の蒸気タービン４３を十分に回転させることが可能となる。
【００５８】
また、本実施形態では、ガスタービン５をコンバインドサイクル発電設備２の構成要素として設置するようにしたが、本発明における原子力発電用蒸気タービンの利用システムは、必ずしもこのような形態でガスタービンを備える必要はなく、ガスタービン５の排熱を利用したコンバインド用蒸気タービン８による発電を省略してもかまわない。
【００５９】
図６はかかる変形例を示したものであり、ガスタービン５の排気側を、熱交換器２２を介して、圧縮機１４と蒸気タービン１２とをつなぐ空気流路２１に接続してある。
【００６０】
このようにすれば、ガスタービン５の排熱により、圧縮機１４から吐出された圧縮空気が大幅に昇温されることとなり、かくして発電設備４２の能力を大幅に高めることが可能となる。
【符号の説明】
【００６１】
１，４１            原子力発電用蒸気タービンの利用システム
５                  ガスタービン
１２                  蒸気タービン
１４                  圧縮機
２１                  空気流路
２２                  熱交換器
４５                  循環流路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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