(57)【要約】【課題】  １次系と２次系との圧力バランスが崩れた場合に、１次系と２次系との圧力差を速やかに解消すること。【解決手段】  ２次系ガス循環流路は、中間熱交換器内において２次系ガスを流通させる交換器内配管２１と、交換器内配管２１と接続し、中間熱交換器２へ２次系ガスを流入させる２次系入口配管２４と、交換器内配管２１と接続し、中間熱交換器２から２次系ガスを流出させる２次系出口配管２２とを備え、２次系入口配管２４には低温遮断弁３１を設け、２次系出口配管２２には高温遮断弁３０を設け、２次系出口配管２２及び２次系入口配管２４のいずれか一方には、高温遮断弁３０及び低温遮断弁３１が作動した場合に、中間熱交換器内を流通する２次系ガスの圧力を調整する圧力調整装置３２を接続する。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温ガス炉と中間熱交換器との間で１次系ガスを循環させる１次系ガス循環流路と、前記１次系ガス循環流路と別個に設けられ、前記高温ガス炉から供給される熱を利用する熱利用システムと前記中間熱交換器との間で２次系ガスを循環させる２次系ガス循環流路とを備え、前記中間熱交換器において前記１次系ガスと前記２次系ガスとの間で熱交換が行われる高温ガス炉システムであって、
前記２次系ガス循環流路は、
前記中間熱交換器内において前記２次系ガスを流通させる交換器内配管と
前記交換器内配管と接続し、前記中間熱交換器へ前記２次系ガスを流入させる２次系入口配管と、
前記交換器内配管と接続し、前記中間熱交換器から前記２次系ガスを流出させる２次系出口配管と
を備え、
前記２次系入口配管及び前記２次系出口配管には遮断弁が設けられ、
前記２次系出口配管及び前記２次系入口配管のいずれか一方には、前記遮断弁が作動した場合に、前記中間熱交換器内を流通する前記２次系ガスの圧力を調整する圧力調整手段が接続されている高温ガス炉システム。
【請求項２】
前記遮断弁が前記中間熱交換器の近傍に設けられている請求項１に記載の高温ガス炉システム。
【請求項３】
前記１次系ガス循環流路の圧力と前記２次系ガス循環流路の圧力との差分を検出する検出手段を備え、
前記遮断弁は、前記差分が許容値を超えた場合に作動する請求項１又は請求項２に記載の高温ガス炉システム。
【請求項４】
中間熱交換器内において、高温ガス炉から流出された１次系ガスと熱交換を行う２次系ガスを流通させる交換器内配管と、
前記交換器内配管と接続し、前記中間熱交換器へ前記２次系ガスを流入させる２次系入口配管と、
前記交換器内配管と接続し、前記中間熱交換器から前記２次系ガスを流出させる２次系出口配管と
を備え、
前記２次系入口配管及び前記２次系出口配管には遮断弁が設けられ、
前記２次系出口配管及び前記２次系入口配管のいずれか一方には、前記遮断弁が作動した場合に、前記中間熱交換器内を流通する前記２次系ガスの圧力を調整する圧力調整手段が接続されている中間熱交換システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷却材にヘリウムを用い、且つ、原子炉出口ガス温度を７５０℃以上の高温にして熱効率を向上させた高温ガス炉を備える発電システム及び中間熱交換システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、原子力発電プラントにおいては、安定した希ガスであるヘリウムにより炉を冷却し、炉から熱を取り出す高温ガス炉が知られている（例えば、非特許文献１等）。
【非特許文献１】國富一彦、外３名、“GTHTR300C FOR HYDROGEN COGENERATION”、2nd International Topical Meeting on HIGH TENPERATURE REACTORTECHNOLOGY 北京 中国、2004年9月22日−24日
【０００３】
上記特許文献１には、高温ガス炉から流出される高温の一次系ヘリウムガスと、ガスタービンの作動ガスとして用いられる２次系のヘリウムガスとの熱交換を中間熱交換器において行う技術が開示されている。
上記システムにおいては、通常、１次系と２次系との間に差圧が生じた場合に、１次系及び２次系において圧力調整を行い、中間熱交換器における１次系と２次系との圧力境界部付近に設置されている伝熱管、高温管板等の健全性を維持することが必要となる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上記特許文献１に開示されているような発電システムにおいて、１次系タービントリップ等の異常が発生すると、１次系の圧力が急速に低下或いは上昇（例えば、数秒で数ＭＰａも減圧する可能性がある）する。この場合、１次系と２次系との圧力バランスを保つために、高圧ガスを短時間で大量に１次系に充填するか、或いは、２次系からガスを排出する必要がある。
しかしながら、上記発電システムは、１次系及び２次系の自由容積がそれぞれ数百ｍ３から数千ｍ３もあるため、充填又は排出用の巨大なガス貯蔵供給容器や充填システムが必要となる。更に、容積が大きいため、応答時間が長くなり、速やかに対応することができないという問題もあった。
【０００５】
本発明は、上記問題を解決するためになされたもので、１次系と２次系との圧力バランスが崩れた場合に、１次系と２次系との圧力差を速やかに解消することのできる発電システム及び中間熱交換システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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、高温ガス炉と中間熱交換器との間で１次系ガスを循環させる１次系ガス循環流路と、前記１次系ガス循環流路と別個に設けられ、前記高温ガス炉から供給される熱を利用する熱利用システムと前記中間熱交換器との間で２次系ガスを循環させる２次系ガス循環流路とを備え、前記中間熱交換器において前記１次系ガスと前記２次系ガスとの間で熱交換が行われる高温ガス炉システムであって、前記２次系ガス循環流路は、前記中間熱交換器内において前記２次系ガスを流通させる交換器内配管と前記交換器内配管と接続し、前記中間熱交換器へ前記２次系ガスを流入させる２次系入口配管と、前記交換器内配管と接続し、前記中間熱交換器から前記２次系ガスを流出させる２次系出口配管とを備え、前記２次系入口配管及び前記２次系出口配管には遮断弁が設けられ、前記２次系出口配管及び前記２次系入口配管のいずれか一方には、前記遮断弁が作動した場合に、前記中間熱交換器内を流通する前記２次系ガスの圧力を調整する圧力調整手段が接続されている高温ガス炉システムを提供する。
【０００７】
上記構成によれば、２次系出口配管及び２次系入口配管には、遮断弁が設けられているので、異常等が生じた場合には、遮断弁を閉じることにより、２次系ガスを循環させる２次系ガス循環流路を中間熱交換器側と熱利用システム側とに分断することが可能となる。これにより、圧力調整するガス容量を少なくすることができるので、圧力調整手段による圧力調整を容易に、かつ、迅速に実現できるとともに、充填又は排出用のガス貯蔵供給容器等を小型化することができる。
上記熱利用システムは、高温ガス炉から供給される熱を利用するシステムであれば良く、例えば、タービンを用いた発電設備、水素製造設備、或いは、これら設備を複合した複合設備等が一例として挙げられる。
上記１次系ガス循環流路は、少なくとも中間熱交換器、高温ガス炉の間で１次系ガスを流通させるものであれば良く、それ以外の設備を１次系ガスが流通するような流路を形成していても良い。
【０００８】
上記高温ガス炉システムにおいて、前記遮断弁は前記中間熱交換器の近傍に設けられていると良い。これにより、圧力調整の対象となるガス容量を更に少なくすることができるので、ガス調整の時間を更に短くすることができるとともに、装置の更なる小型化を図ることが可能となる。
【０００９】
上記高温ガス炉システムにおいて、前記１次系ガス循環流路の圧力と前記２次系ガス循環流路の圧力との差分を検出する検出手段を備え、前記遮断弁は、前記差分が許容値を超えた場合に作動することが好ましい。
上記構成によれば、１次系ガス循環流路の圧力と２次系ガス循環流路の圧力との差分を検出する検出手段を備えているので、両ガス流路の圧力差が許容値以上となった場合には速やかにその旨を検知でき、遮断弁を作動させることが可能となる。
【００１０】
本発明は、中間熱交換器内において、高温ガス炉から流出された１次系ガスと熱交換を行う２次系ガスを流通させる交換器内配管と、前記交換器内配管と接続し、前記中間熱交換器へ前記２次系ガスを流入させる２次系入口配管と、前記交換器内配管と接続し、前記中間熱交換器から前記２次系ガスを流出させる２次系出口配管とを備え、前記２次系入口配管及び前記２次系出口配管には遮断弁が設けられ、前記２次系出口配管及び前記２次系入口配管のいずれか一方には、前記遮断弁が作動した場合に、前記中間熱交換器内を流通する前記２次系ガスの圧力を調整する圧力調整手段が接続されている中間熱交換システムを提供する。
【００１１】
上記構成によれば、２次系出口配管及び２次系入口配管には、遮断弁が設けられているので、異常等が生じた場合には、遮断弁を閉じることにより、２次系ガスを循環させるガス循環流路を２つに分断することが可能となる。これにより、圧力調整されるガス容量を少なくすることが可能となるので、圧力調整手段による圧力調整を容易に、かつ、迅速に実現できるとともに、充填又は排出用のガス貯蔵供給容器等を小型化することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、１次系と２次系との圧力バランスが崩れた場合に、１次系と２次系との圧力差を速やかに解消することができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下に、本発明に係る高温ガス炉システムの実施形態について、図面を参照して説明する。
【００１４】
〔第１の実施形態〕
図１は、本発明の第１の実施形態に係る高温ガス炉システムのシステム構成図である。
本実施形態に係る高温ガス炉システムは、高温ガス炉１、中間熱交換器２、及び、高温ガス炉１の熱を利用して発電する発電システム（熱利用システム）を備えている。更に、高温ガス炉システムは、高温ガス炉１と中間熱交換器２との間で１次系ガスを循環させる１次系ガス循環流路１０、及び、１次系ガス循環流路１０と別個に設けられ、発電システムと中間熱交換器２との間で２次系ガスを循環させる２次系ガス循環流路２０を備えている。発電システムは、同軸上に連結接続されたタービン３、圧縮機４、及び発電機５を主な構成として備えている。この高温ガス炉システムにおいては、中間熱交換器２にて、１次系ガスと２次系ガスとの間で熱交換が行われる。
【００１５】
１次系ガス循環流路１０は、高温ガス炉１から流出される高温の１次系ヘリウムガスを中間熱交換器２へ流入させる１次系入口配管１１と、中間熱交換器２から流出される低温の１次系ヘリウムガスをヘリウム循環機１３にて高温ガス炉１へ流入させる１次系出口配管１２とを備えている。
【００１６】
２次系ガス循環流路２０は、中間熱交換器２内において、２次系ヘリウムガスを流通させる交換器内配管２１と、交換器内配管２１に接続されるとともに、中間熱交換器２から流出される２次系ヘリウムガスをタービン３へ導く２次系出口配管２２と、タービン３から流出される２次系ヘリウムガスを再生熱交換器６及び冷却器７を経由して圧縮機４へ導く中間配管２３と、交換器内配管２１に接続されるとともに圧縮機４から流出された２次系ヘリウムガスを再生熱交換器６を経由して中間熱交換器２に流入させる２次系入口配管２４とを備えている。
【００１７】
図２は、上記中間熱交換器２とその周辺構成とからなる中間熱交換システムの概略構成を示す図である。この図において、図１と同一の構成要素には、同一の符号を付している。
【００１８】
この図に示すように、２次系出口配管２２において中間熱交換器２の近傍には高温遮断弁３０が設けられ、２次系入口配管２４において中間熱交換器２の近傍には低温遮断弁３１が設けられている。
更に、２次系入口配管２４には、低温遮断弁３１よりも中間熱交換器側に、圧力調整装置３２が接続されている。圧力調整装置３２は、高温遮断弁３０及び低温遮断弁３１が閉じられることにより、２次系ガス循環流路２０が交換器内配管２１を含むガス流路と含まないガス流路とに分断された場合に、交換器内配管２１を含むガス流路（以下、このガス流路を「調整ガス流路」という。）のガス圧力を調整するものである。
【００１９】
圧力調整装置３２は、例えば、低圧のヘリウムガスが貯蔵された低圧タンク４１、高圧のヘリウムガスが充填された高圧タンク４２、調整ガス流路と低圧タンク４１及び高圧タンク４２との間に設けられた調節弁４３とを備えて構成されている。
また、１次系ガス循環流路１０（図１参照）の圧力と２次系ガス循環流路２０（図１参照）の圧力との差分を検出する差圧検出部５０、及び、差圧検出部５０の検出結果に応じて、高圧遮断弁３０、低温遮断弁３１、及び調節弁４３を制御する制御部６０が設けられている。
【００２０】
このように構成された本実施形態に係る高温ガス炉システムの運転時には、図１及び図２に示すように、高温ガス炉１から吐出される約９５０℃の１次系ヘリウムガスが１次系入口配管１１を通じて中間熱交換器２へ供給され、中間熱交換器内の配管を流れ、１次系出力配管１２を通じて高温ガス炉１へ戻される。このとき、中間熱交換器２では、高温である１次系ヘリウムガスにより、交換器内配管２１を流れる２次系ヘリウムガスが約８５０℃まで加熱される。高温となった２次系ヘリウムガスは、２次系出口配管２２を通じてタービン３へ送られ、膨張してタービン３を駆動する。その後、２次系ヘリウムガスは、タービン３から中間配管２３へ排出され、再生熱交換器６、冷却器７を経由して冷却された後、圧縮機４へ送られる。圧縮機４にて、加圧されることにより、高圧となった２次系ヘリウムガスは、２次系入口配管２４を通じて再生熱交換器６を介して中間熱交換器２へ送られ、再び加熱され、タービン３へ送られる。
【００２１】
そして、上述したような運転が行われている期間において、差圧検出部５０により、１次系ガス循環流路１０の圧力と２次系ガス循環流路２０の圧力との差分が定期的に検出され、その結果が制御部６０に送られる。制御部６０は、差圧検出部５０から通知される差圧が予め登録されている許容値（例えば、０．０５ＭＰａから０．１ＭＰａの間で設定されている）を超えているか否かを判定する。
このとき、１次系或いは２次系において異常が発生し、両者の差圧が許容値を超えた場合、制御部６０は、高温遮断弁３０及び低温遮断弁３１を閉じることにより、大容積の２次系ガス循環流路２０を分断し、圧力調整するガス容量を小容積とする。
【００２２】
続いて、制御部６０は、１次系ガス循環流路１０の圧力と調整ガス流路の圧力の差分に応じて、圧力調整装置３２の調節弁４３を制御する。具体的には、１次系の圧力が急激に上昇した場合には、これに伴って２次系の圧力も速やかに上昇させる必要がある。この場合には、制御部６０が高圧タンク４２に貯蔵されている高圧のヘリウムガスを調整ガス流路に大量に送り込むように調節弁４３を制御することにより、調整ガス流路の圧力を急激に上昇させる。一方、１次系の圧力が急激に減少した場合には、これに伴って２次系の圧力も速やかに減少させる必要がある。この場合には、制御部６０が調整ガス流路のガスを吸引して、低圧タンク４２に排出するように調節弁４３を制御することにより、調整ガス流路の圧力を速やかに減少させる。
【００２３】
以上説明してきたように、本実施形態に係る発電システムによれば、２次系出口配管２２に高温遮断弁３０を、２次系入口配管２４に低温遮断弁３１を設けたので、異常等が生じた場合には、これら高温遮断弁３０及び低温遮断弁３１を閉じることにより、２次系ヘリウムガスを循環させる２次系ガス循環流路２０を分断することが可能となる。これにより、圧力調整するガス容量を少なくすることができるので、圧力調整を短時間で行うことができるとともに、低圧タンク４１及び高圧タンク４２を小型化することが可能となる。例えば、従来の低圧タンクや高圧タンクと比較して、１／１０乃至１／１００の容量の設備で制御が可能となる。
更に、高温遮断弁３０及び低温遮断弁３１を中間熱交換器２の近傍に設けることにより、圧力調整するガス容量を大幅に減少させることが可能となり、低圧タンク４１等の更なる小型化を図ることができる。
【００２４】
〔第２の実施形態〕
次に、本発明の第２の実施形態に係る高温ガス炉システムについて図３を参照して説明する。本実施形態に係る高温ガス炉システムでは、図３に示すように、熱利用システムとして、高温ガス炉から供給される熱により水素の製造を行う水素製造システム７０を備えている。
本実施形態に係る高温ガス炉システムにおいては、上述した第１の実施形態に係る高温ガス炉システムとは異なり、１次系ヘリウムガスが、高温ガス炉１、中間熱交換器２、タービン３、再生熱交換器６、冷却器７、圧縮機４を通った後、中間熱交換器２に戻り、高温ガス炉１、再生熱交換器６を通って、再び高温ガス炉に戻るループを形成するように、１次系ガス循環流路１０´が設けられている。一方、２次系ガス循環流路２０´は、２次系ガスが中間熱交換器２と水素製造システム７０との間を循環するように設けられている。
【００２５】
２次系ガス循環流路２０´は、中間熱交換器２内において、２次系ヘリウムガスを流通させる交換器内配管と、交換器内配管に接続されるとともに、中間熱交換器２から流出される２次系ヘリウムガスを水素製造システム７０へ導く２次系出口配管２２´と、交換器内配管に接続されるとともに、水素製造システム７０内を循環することにより熱利用された後の２次系ヘリウムガスを中間熱交換器２へ導く２次系入口配管２４´とを備えている。
【００２６】
２次系出口配管２２´において中間熱交換器２の近傍には高温遮断弁３０´が設けられ、２次系入口配管２４´において中間熱交換器２の近傍には低温遮断弁３１´が設けられている。更に、２次系入口配管２４´には、低温遮断弁３１´よりも中間熱交換器側に、圧力調整装置（図示略）が接続されている。圧力調整装置は、高温遮断弁３０´及び低温遮断弁３１´が閉じられることにより、２次系ガス循環流路２０´が交換器内配管を含むガス流路と含まないガス流路とに分断された場合に、交換器内配管を含むガス流路のガス圧力を調整するものである。
【００２７】
そして、本実施形態に係る高温ガス炉システムにおいても、上述した第１の実施形態に係る高温ガス炉システムと同様に、１次系ガス圧力と２次系ガス圧力に許容値以上の差圧が発生した場合に、高温遮断弁３０´及び低温遮断弁３１´が閉じられ、更に、交換器内配管を含むガス流路のガス圧力が圧力調整装置により調整される。これにより、圧力調整を短時間で効率よく行うことが可能となる。
【００２８】
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。
上記差圧が許容値を超えた場合の他、例えば、原子炉のスクラム信号や二次系のトリップ信号によって遮断弁を閉めるようにしても良い。
熱利用システムは、上述した発電システム、水素製造システムに限定されず、高温ガス炉の熱を利用する設備、系統等であれば良い。また、熱利用システムは１つに限られず、複数設けられていても良い。
１次系ガス循環流路は、１次系ガスが、少なくとも高温ガス炉と中間熱交換器とを循環するように形成されていればよく、それ以外の装置（例えば、第２の実施形態ではタービン、圧縮機等）を循環するように形成されていても良い。
上述の実施形態においては、圧力調整装置を２次系入口配管に設けていたが、２次系出口配管に設けられていても良い。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る高温ガス炉システムの全体構成図である。
【図２】中間熱交換器とその周辺構成とからなる中間熱交換システムの概略構成を示す図である。
【図３】本発明の第２の実施形態に係る高温ガスシステムの全体構成図である。
【符号の説明】
【００３０】
１  高温ガス炉
２  中間熱交換器
３  タービン
４  圧縮機
５  発電機
６  再生熱交換器
７  冷却器
１０、１０´  １次系ガス循環流路
１１  １次系入口配管
１２  １次系出口配管
２０、２０´  ２次系ガス循環流路
２１  交換器内配管
２２、２２´  ２次系出口配管
２３  中間配管
２４、２４´  ２次系入口配管
３０、３０´  高温遮断弁
３１、３１´  低温遮断弁
３２  圧力調整装置
４１  低圧タンク
４２  高圧タンク
４３  調節弁
５０  差圧検出部
６０  制御部
７０  水素製造システム
【図１】
2007107907.tif 000003
【図２】
2007107907.tif 000004
【図３】
2007107907.tif 000005