(57)【要約】【課題】従来の発電プラントにおいて、湿分分離過熱器の加熱に高温の主蒸気や高圧タービンからの抽気蒸気を用いていたため、高圧および低圧タービンの作動流体である主蒸気流量が原子炉圧力容器またはボイラからの発生蒸気量に比べて減少し、プラント性能が低下するという課題を解決し、従来に比べ熱効率の高い新たな蒸気圧縮システムを有する発電プラントとその運転方法を提供する。【解決手段】発電プラント内で、高圧タービンからの低温・低圧の主蒸気を少なくとも１つの蒸気圧縮機を設置して、小さな所内動力で高温・高圧の主蒸気に昇温・昇圧し主蒸気温度を過熱することにより、発電プラントの熱効率を向上させる。また、高圧タービンと低圧タービンの間に主蒸気過熱用の蒸気圧縮機を同軸上に設置することにより主蒸気の再熱サイクルを構成し、発電プラント熱効率を向上する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却材を蒸気発生器に供給する給水配管及び復水配管と、前記冷却材を昇圧する低圧復水ポンプ及び高圧給水ポンプと、前記冷却材を加熱する低圧給水加熱器及び高圧給水加熱器と、前記冷却材を蒸気にまで加熱する炉心または蒸気発生器と、主蒸気配管を介して供給される蒸気からエネルギーを回収する高圧タービンおよび低圧タービンと、前記高圧タービンおよび前記低圧タービンに主軸で連結された発電機と、前記低圧タービンから排出された蒸気を冷却して凝縮させる復水器を有する発電プラントにおいて、
前記高圧タービンと前記低圧タービンの間に少なくとも１つの蒸気圧縮機を前記主軸に設置し、前記高圧タービンで仕事をした後の低温・低圧の湿り蒸気を前記蒸気圧縮機で圧縮して昇温・昇圧し、主蒸気を飽和蒸気あるいは過熱蒸気として前記低圧タービンへ供給することを特徴とする蒸気圧縮システムを有する発電プラント。
【請求項２】
請求項１に記載の蒸気圧縮システムを有する発電プラントにおいて、前記高圧タービンと低圧タービンの間に中圧タービンを設置し、前記蒸気圧縮機は、前記高圧タービンと前記中圧タービンの間に前記主軸に設置した少なくとも１つの高圧蒸気圧縮機と、前記中圧タービンと前記低圧タービンの間に前記主軸に設置した少なくとも１つの中圧蒸気圧縮機を有することを特徴とする蒸気圧縮システムを有する発電プラント。
【請求項３】
請求項２に記載の蒸気圧縮システムを有する発電プラントにおいて、前記低圧タービンと前記発電機の間に少なくとも１つの低圧蒸気圧縮機を前記主軸に設置したことを特徴とする蒸気圧縮システムを有する発電プラント。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載の蒸気圧縮システムを有する発電プラントにおいて、前記高圧タービンと前記蒸気圧縮機の間に湿分分離器を設置し、前記高圧タービンの排気蒸気を飽和蒸気にして前記蒸気圧縮機へ供給することを特徴とする蒸気圧縮システムを有する発電プラント。
【請求項５】
請求項１乃至３のいずれかに記載の蒸気圧縮システムを有する発電プラントにおいて、前記高圧タービンと前記蒸気圧縮機の間に湿分分離過熱器を設置し、前記高圧タービンの排気蒸気を過熱蒸気にして前記蒸気圧縮機へ供給することを特徴とする蒸気圧縮システムを有する発電プラント。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載の蒸気圧縮システムを有する発電プラントにおいて、前記高圧タービンと前記低圧タービンの間に湿分分離過熱器を設置し、前記高圧タービンからの排気蒸気を前記主蒸気配管から分岐して前記蒸気圧縮機へ供給するバイパスを設け、前記蒸気圧縮機で圧縮加熱した過熱蒸気を前記低圧タービンへ供給する前記主蒸気配管へ合流させて前記低圧タービンへ供給することを特徴とする蒸気圧縮システムを有する発電プラント。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれかに記載の蒸気圧縮システムを有する発電プラントにおいて、前記発電プラントは、沸騰水型原子力発電プラント、加圧水型原子力発電プラントまたは高速増殖炉型原子力発電プラント、汽水型火力発電プラントまたはガスタービン複合型火力発電プラントのいずれかを使用することを特徴とする蒸気圧縮システムを有する発電プラント。
【請求項８】
冷却材を蒸気発生器に供給する給水配管及び復水配管と、前記冷却材を昇圧する低圧復水ポンプ及び高圧給水ポンプと、前記冷却材を加熱する低圧給水加熱器及び高圧給水加熱器と、前記冷却材を蒸気にまで加熱する炉心または蒸気発生器と、蒸気からエネルギーを回収する高圧タービンおよび低圧タービンと、前記高圧タービンおよび前記低圧タービンに主軸で連結された発電機と、前記低圧タービンから排出された蒸気を冷却して凝縮させる復水器を有する発電プラントの運転方法において、
前記高圧タービンで仕事をした後の低温・低圧の湿り蒸気を圧縮して昇温・昇圧し、飽和蒸気あるいは過熱蒸気として、前記低圧タービンへ供給することを特徴とする蒸気圧縮システムを有する発電プラントの運転方法。
【請求項９】
請求項８に記載の蒸気圧縮システムを有する発電プラントの運転方法において、前記高圧タービンの排気蒸気を飽和蒸気にして前記蒸気圧縮機へ供給することを特徴とする蒸気圧縮システムを有する発電プラントの運転方法。
【請求項１０】
請求項８または９に記載の蒸気圧縮システムを有する発電プラントの運転方法において、前記高圧タービンの排気蒸気を過熱蒸気にして前記蒸気圧縮機へ供給することを特徴とする蒸気圧縮システムを有する発電プラントの運転方法。
【請求項１１】
請求項８乃至１０のいずれかに記載の蒸気圧縮システムを有する発電プラントの運転方法において、前記高圧タービンからの排気蒸気を分岐して前記蒸気圧縮機へ供給し、圧縮加熱した過熱蒸気を低圧タービンへ供給することを特徴とする蒸気圧縮システムを有する発電プラントの運転方法。
【請求項１２】
請求項８乃至１１のいずれかに記載の蒸気圧縮システムを有する発電プラントの運転方法において、前記発電プラントは、沸騰水型原子力発電プラント、加圧水型原子力発電プラント、高速増殖炉型原子力発電プラント、汽水型火力発電プラントまたはガスタービン複合型火力発電プラントのいずれかを使用することを特徴とする蒸気圧縮システムを有する発電プラントの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は蒸気圧縮機又は蒸気圧縮システムを用いた原子力または火力発電プラントに関する。
【背景技術】
【０００２】
蒸気発生源として原子炉圧力容器１を用いる従来の発電プラントとして、例えば沸騰水型軽水炉（ＢＷＲ）は、図１３に示す様に、核分裂性物質を含む炉心を収納した原子炉圧力容器１内で冷却材として水を沸騰させ、生じた蒸気を主蒸気出口弁２と主蒸気配管３と主蒸気止め弁４を経由して高圧タービン５へ送り、さらに主蒸気配管６、湿分分離器（以下、ＭＳ）７、湿分分離過熱器８Ａ、８Ｂ、主蒸気配管９を経由して低圧タービン１０へと送り、高圧タービン５、低圧タービン１０の主軸１１と連動した発電機１２で発電している。
【０００３】
１３は排気蒸気管、１５ａは海水入口配管、１５ｂは海水出口配管、１６は海水循環ポンプ、１９は給水配管、４２は主蒸気配管３からの主蒸気抽気蒸気、４３は高圧タービン５からの高圧抽気蒸気、４５は高圧タービン５からの高圧抽気蒸気、４６は低圧タービン１０からの低圧抽気蒸気である。
【０００４】
通常のＢＷＲ発電プラントでは、低圧タービン１０出口側に設置された復水器１４で発電に使用された蒸気が凝縮して水となり、その後低圧給水加熱器１８ａ〜１８ｄおよび高圧給水加熱器２１ａ、２１ｂ、さらに低圧復水ポンプ１７、高圧給水ポンプ２０を通って昇圧、加熱されて原子炉圧力容器１内に給水される。
【０００５】
通常のプラント設計では、まず原子炉圧力容器内の炉心の熱出力を決定し、その熱出力で最高の熱効率が得られるように主蒸気配管以降の蒸気の流れを最適化している。具体的には、復水器１４で蒸気を水にすると熱サイクルの原理から通常のＢＷＲ原子炉圧力容器の圧力（約７ＭＰａ）では水の潜熱は発電に用いることができずに無駄になる。そこで、主蒸気のうちの一部を抽気して給水加熱器により給水を加熱する。この場合には、主蒸気の熱はそのほとんどが回収されるため原子炉の熱効率が向上する。
【０００６】
一般に、再循環ポンプとジェットポンプを有する再循環系を用い、ＭＳを備えているＢＷＲにおいては、主蒸気のうち最終的に低圧タービン１０出口から復水器１４に送られる蒸気の量は約２／３弱で、残りの約１／３強の蒸気を抽気蒸気として給水の加熱に用いている。また、ＭＳの代わりに湿分分離過熱器（以下、ＭＳＨ）を設置した改良型沸騰水型軽水炉（ＡＢＷＲ）においては、主蒸気のうち最終的に低圧タービン出口から復水器に送られる蒸気の量はＢＷＲと同様に約２／３弱である。ここで、各給水加熱器が６基設置されている場合に、１基当たりの抽気蒸気量は平均して主蒸気の約７％程度である。
【０００７】
これらＢＷＲあるいはＡＢＷＲ発電プラントにＭＳＨを採用して、再熱効率によりプラントの熱効率を向上させることは一般的に知られている。しかしながら、従来はＭＳＨで主蒸気を過熱するために、原子炉圧力容器から発生した主蒸気または高圧タービンからの高温抽気蒸気を使用しているため、タービンを回転するための作動流体である主蒸気流量が約２％少なくなっている。
【０００８】
また、低圧タービン１０で発電機１２を回すために余分に使用された低温・低圧の蒸気は復水器１４へ戻さずにプラント内へリサイクルして熱回収することが望ましい。しかし、圧力バランスから見ると、この低温・低圧の蒸気は最もエンタルピが低く、圧力的にも温度的にも通常の方法ではエネルギーを回収することは困難である。
【０００９】
そこで、従来から、プラントの熱効率を高めるために蒸気圧縮機を用いた蒸気ヒートポンプを適用した火力発電プラントが提案されている。例えば、特許文献１には復水器から供給した蒸気を一台の蒸気圧縮機で圧縮し、圧縮された蒸気を蒸気圧縮機の軸方向における複数個所から４基の給水加熱器に供給する火力発電プラントが記載されている。
【００１０】
提案された火力発電プラントは、ボイラで発生した蒸気を高圧タービン、中圧タービン及び低圧タービンに順次供給し、これらのタービンの回転軸に連結された発電機を回転させて発電を行っている。低圧タービンから排出された蒸気は、復水器で凝縮されて水になる。この水は、給水として給水配管を通してボイラに供給される。
【００１１】
給水は、給水配管を通る間に、４段の給水加熱器によって加熱されて温度が高められている。復水器から抽気された蒸気が蒸気圧縮機によって圧縮されて温度が上昇し、この圧縮された蒸気が、蒸気圧縮機の軸方向における複数個所から抽気されて各給水加熱器に供給される。給水は、各給水加熱器に供給された蒸気によって加熱される。蒸気は各給水加熱器で凝縮水となり、この凝縮水が給水に供給される。また、蒸気圧縮機は、蒸気を断熱圧縮するために内部エネルギーが上昇して過熱状態となるので、これを防ぎ所要電力をセーブするために復水を上記蒸気圧縮機内にミスト状に噴霧している。
【００１２】
また、特許文献２には、熱併給蒸気タービンプラントが記載されている。この熱併給蒸気タービンプラントは、ボイラで発生した蒸気をタービンに供給して発電機を回転させて発電し、タービンから排出された蒸気を高圧プロセス蒸気供給先及び低圧プロセス蒸気供給先にそれぞれ供給する。高圧プロセス蒸気供給先に供給される蒸気は、タービンから排気された蒸気を蒸気圧縮機で圧縮している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】実開平１−１２３００１号公報
【特許文献２】特開平５−６５８０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
一般にランキンサイクルにおいては、高圧タービンで仕事の終わった湿り蒸気である主蒸気を過熱蒸気にすることで熱効率を向上する。つまり、高圧タービンと低圧タービンの間に湿分分離過熱器を設置して再熱サイクルを採用する必要がある。湿分分離過熱器内で、被加熱流体である主蒸気を加熱するために、高温の熱源である主蒸気の一部あるいは高圧タービンからの抽気蒸気を利用する。これにより、本来は高圧タービンや低圧タービンで仕事をするために使用されるはずの主蒸気の流量が減少し、その分だけ仕事量が低下することになる。
【００１５】
そこで、高圧タービンで膨張して湿り蒸気になった主蒸気を蒸気圧縮機を用いて圧縮し過熱蒸気とし、次に低圧タービンで再度湿り蒸気まで膨張して主軸を回転させて発電機で仕事をする。これによって、本来の高圧および低圧タービンで仕事をする主蒸気流量を約２％減らさずに、しかも仕事の終わった低熱源蒸気を再び高温化して再利用することでサイクル効率を向上することができる。それには、高圧タービンと低圧タービンの間に主軸上に蒸気圧縮機を設置して、これにより小さな所内動力で主蒸気の温度・圧力を上昇させればよい。
【００１６】
本発明では、発電プラント内にある高圧タービンと低圧タービンと発電機を連結する主軸の、特に高圧タービンと低圧タービンの間にコンパクトな蒸気圧縮機を少なくとも一つ設置・接続して、高圧タービンで仕事の終わった低温・低圧の蒸気を昇温・昇圧して低圧タービンへ供給することにより、作動媒体である主蒸気の温度を過熱して低圧タービンへ供給することで、定格運転時のプラント熱効率を向上させることができる。さらに、低圧タービンからの排気蒸気を海水へ大量に排出することなくプラント内で再利用できるため、環境の観点からも有効活用できる。またコンパクトで高性能な蒸気圧縮機を設置することにより、タービン建屋スペースおよび配管配置空間等、他のプラント機器への影響も無い。
【００１７】
すなわち、本発明はプラント内の熱源を利用して蒸気圧縮機で湿り蒸気を過熱蒸気にすることにより、熱効率向上を可能とする蒸気圧縮システムを用いた原子力発電プラントあるいは火力発電プラント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】
【００１８】
本発明は、冷却材を蒸気発生器に供給する給水配管及び復水配管と、冷却材を昇圧する低圧復水ポンプ及び高圧給水ポンプと、冷却材を加熱する低圧給水加熱器及び高圧給水加熱器と、冷却材を蒸気にまで加熱する炉心または蒸気発生器と、蒸気からエネルギーを回収する高圧タービンおよび低圧タービンと、高圧タービンおよび低圧タービンに主軸で連結された発電機と、低圧タービンから排出された蒸気を冷却して凝縮させる復水器を有する発電プラントにおいて、高圧タービンと低圧タービンの間に少なくとも１つの蒸気圧縮機を主軸で連結して、高圧タービンで仕事をした後の低温・低圧の湿り蒸気を圧縮して昇温・昇圧し、低圧タービンで仕事をするために主蒸気を飽和蒸気あるいは過熱蒸気として低圧タービンへ供給することを特徴とする。かかる構成によると、蒸気圧縮機により低温になった湿り蒸気の主蒸気温度を過熱することができ発電プラントの熱効率を向上し、また復水器から海水へ放出される排熱量を減少させることができる。
【００１９】
また、発電プラントにおいて、高圧タービンと低圧タービンの間に中圧タービンを設置し、高圧タービンと中圧タービンの間に少なくとも１つの高圧蒸気圧縮機を主軸で連結し、中圧タービンと低圧タービンの間に少なくとも１つの中圧蒸気圧縮機を主軸で連結して設置することを特徴とする。かかる構成によっても、プラント熱効率を向上し、海水へ放出される排熱量を減少させることができる。
【００２０】
また、発電プラントにおいて、高圧タービンと低圧タービンの間に中圧タービンを設置し、高圧タービンと中圧タービンの間に少なくとも１つの高圧蒸気圧縮機を、中圧タービンと低圧タービンの間に少なくとも１つの中圧蒸気圧縮機を、低圧タービンと発電機の間に少なくとも１つの低圧蒸気圧縮機を各々主軸で連結して設置することを特徴とする。かかる構成によっても、プラント熱効率を向上し海水へ放出される排熱量を減少させることができる。
【００２１】
また、発電プラントにおいて、高圧タービンと蒸気圧縮機の間に湿分分離器を設置し、高圧タービン排気蒸気を飽和蒸気にして蒸気圧縮機へ供給することを特徴とする。かかる構成によっても、プラント熱効率を向上し、海水へ放出される排熱量を減少させることができる。
【００２２】
また、発電プラントにおいて、高圧タービンと蒸気圧縮機の間に湿分分離過熱器を設置し、高圧タービン排気蒸気を過熱蒸気にして蒸気圧縮機へ供給することを特徴とする。かかる構成によっても、プラント熱効率を向上し、海水へ放出される排熱量を減少させることができる。
【００２３】
また、発電プラントにおいて、高圧タービンと低圧タービンの間に湿分分離過熱器を設置し、高圧タービンからの排気蒸気を主蒸気配管から分岐してバイパス流として蒸気圧縮機へ供給し、蒸気圧縮機で圧縮加熱した過熱蒸気を低圧タービンへ供給する主蒸気配管へ合流させて低圧タービンへ供給することを特徴とする。かかる構成によっても、プラント熱効率を向上し海水へ放出される排熱量を減少させることができる。
【００２４】
さらに、発電プラントにおいて、発電プラントに沸騰水型原子力発電プラント、加圧水型原子力発電プラントまたは高速増殖炉型原子力発電プラント、汽水型火力発電プラントまたはガスタービン複合型火力発電プラントを使用する蒸気圧縮機を備えた発電プラントによっても、プラント熱効率を向上し、海水へ放出される排熱量を減少させることができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、特に原子力あるいは火力発電プラントにおいて、高圧タービンで仕事をした湿り蒸気を、蒸気圧縮機により高温・高圧の過熱蒸気に再熱して低圧タービンへ主蒸気として供給することができるため、従来必要とされていた湿分分離過熱器や、主蒸気を過熱するための高圧タービンや主蒸気からの加熱用抽気蒸気が不要となり、発電プラントの熱効率を向上することが可能となる。
【００２６】
また、蒸気圧縮機は高圧タービンと低圧タービンに連結された主軸に同軸で設置されるため、蒸気圧縮機を回転するための余分な所内動力を必要とせずコンパクトな構成で再生および再熱サイクルによる熱効率および電気出力の向上を可能にする。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施例１における沸騰水型原子力発電プラントの系統図。
【図２】本発明の実施例１における沸騰水型原子力発電プラントの熱効率の説明図。
【図３】本発明の実施例２における沸騰水型原子力発電プラントの系統図。
【図４】本発明の実施例２における沸騰水型原子力発電プラントの熱効率の説明図。
【図５】本発明の実施例３における沸騰水型原子力発電プラントの系統図。
【図６】本発明の実施例４における沸騰水型原子力発電プラントの系統図。
【図７】本発明の実施例５における沸騰水型原子力発電プラントの系統図。
【図８】本発明の実施例６における沸騰水型原子力発電プラントの系統図。
【図９】本発明の実施例７における火力発電プラントの系統図。
【図１０】本発明の実施例８における加圧水型原子力発電プラントの系統図。
【図１１】本発明の実施例９における高速増殖炉型原子力発電プラントの系統図。
【図１２】本発明の実施例１０におけるコンバインド型ガスタービン・火力発電プラントの系統図。
【図１３】従来例である沸騰水型原子力発電プラントの系統図。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下に、本発明の実施例を図面を用いて説明する。
【実施例１】
【００２９】
図１は、本発明の実施例１の主蒸気過熱用蒸気圧縮機を有する沸騰水型原子力発電プラント（ＢＷＲ）の系統図を示す。発電プラントは、冷却材を原子炉圧力容器１に供給する給水配管１９と、冷却材を昇圧する低圧復水ポンプ１７及び高圧給水ポンプ２０と、冷却材を加熱する低圧給水加熱器１８ａ〜１８ｄ及び高圧給水加熱器２１ａ、２１ｂと、冷却材を蒸気にまで加熱する原子炉圧力容器１と、蒸気からエネルギーを回収する高圧タービン（以下、ＨＰＴ）５および低圧タービン（以下、ＬＰＴ）１０と、ＨＰＴ５およびＬＰＴ１０に主軸１１で連結された発電機１２と、ＬＰＴ１０から排出された蒸気を冷却して凝縮させる復水器１４とを有する。
【００３０】
高圧給水加熱器２１ａ、２１ｂには高圧抽気蒸気４５ａ、４５ｂが供給され、低圧給水加熱器１８ａ〜１８ｄには低圧抽気蒸気４６ａ〜４６ｄが供給される。
【００３１】
ＨＰＴ５とＬＰＴ１０の間に少なくとも１つの蒸気圧縮機（以下、ＳＣ）３０を設置して、ＨＰＴ５の排気管から供給された低温・低圧の主蒸気を断熱圧縮して昇温・昇圧し、湿り蒸気を過熱蒸気の主蒸気としてＬＰＴ１０へ供給する。これにより、主蒸気温度は過熱されて再熱サイクル強化により熱効率が向上する。
【００３２】
一方、復水器１４内では、ＬＰＴ１０から排出された蒸気を冷却して凝縮させるため、海水を海水入口配管１５ａから海水循環ポンプ１６で伝熱管内へ供給し、ここで熱交換して海水出口配管１５ｂから海水中へ排出する。
【００３３】
ＢＷＲでは核分裂性物質を含む原子炉圧力容器１内の炉心で水を沸騰させ、沸騰によって生じた蒸気を主蒸気配管３へ通してＨＰＴ５、ＬＰＴ１０へと送り、ＨＰＴ５、ＬＰＴ１０の主軸１１と連動した発電機１２で発電している。通常のＢＷＲではＬＰＴ１０の出口側に設置された復水器１４で蒸気は凝縮して水となり、その後、６基ある低圧給水加熱器１８ａ〜１８ｄ及び高圧給水加熱器２１ａ、２１ｂ、および低圧復水ポンプ１７、高圧給水ポンプ２０を通って昇圧、加熱されて原子炉圧力容器１内に給水される。
【００３４】
一般に、ＢＷＲ及びＡＢＷＲでは、主蒸気及びタービンからの抽気蒸気を給水の加熱に用いている。ここで、各給水加熱器は６基設置されているので１基当たりの抽気蒸気量は平均して主蒸気の約７％程度である。ＢＷＲあるいはＡＢＷＲの熱効率を向上させるために湿分分離加熱器ＭＳＨを採用すると再熱効率により性能が向上することは従来知られている。しかし、ＭＳＨでは主蒸気を加熱するための加熱蒸気を抽気するため、主蒸気流量が約２％減少し全体のプラント効率が低下してしまうという課題がある。
【００３５】
実施例１では、ＭＳＨを使用せず、ＨＰＴ５で仕事をした主蒸気を直接に蒸気圧縮機ＳＣ３０で断熱圧縮して過熱蒸気にするため、作動流体の主蒸気流量が低下することがないので熱効率は向上する。
【００３６】
しかも、ＳＣ３０を駆動するのに、ＨＰＴ５及びＬＰＴ１０と直接連結した主軸１１を用いるため、特別な圧縮機駆動力は不要となり、その分所内動力が小さくて済む。それゆえ、ＬＰＴ抽気蒸気を多めに再生用に使用できるため、復水器１４内での熱交換量は従来よりも低減され、排熱量が少なくなり効率向上を図ることができる。
【００３７】
ＳＣ３０は、ＨＰＴ５で仕事をした後の低温・低圧の排気蒸気６を断熱圧縮して昇温・昇圧し、主蒸気を圧縮された過熱蒸気３５として供給する。この時、ＳＣ３０は主軸１１を通じてタービン駆動力により駆動する。また、ＳＣ３０の吸込み側で湿り度が大きい場合はＭＳを追設してもよい。さらに、ＳＣ３０の吐出側で飽和蒸気が圧縮されて急激に温度上昇が生じて乾き度が大きい場合は、微小水滴を噴霧化して過熱度を下げることも可能である。
【００３８】
ＳＣ３０は、既に開発されている単段遠心式蒸気圧縮機を用いても良く、これらを多段にして使用することも可能である。また、多段の軸流圧縮機を用いても良い。ＳＣ３０を発電プラント内の二次系タービン建屋内へタービンと同軸で連結して設置する。実施例１は、ＳＣ３０の回転にタービン主軸駆動力を利用するため所内動力が少なく、さらにＳＣ３０により過熱蒸気を生成して再熱サイクルを有効利用することができるため、熱効率の優れたランキンサイクルを構成する。
【００３９】
この際、複数のＳＣ３０を直列に配置して使用することができる。例えば、複数のＳＣ３０を多軸で直列に接続して、最終段での圧縮比を増大することも可能である。また、圧縮比はＬＰＴ入口内の圧力になるように制御弁あるいはＳＣ３０の回転数制御で調整すればよい。
【００４０】
通常、ＳＣ３０の昇圧割合が大きくなると圧縮仕事も大きくなり、その結果、出力増加分を所内動力として無駄に消費することになる。言い換えれば発電端出力は向上しても送電端出力が低下する。例えば圧縮比１０の場合には、モータ駆動によるＳＣ設置による全出力の所内動力割合は試算すると最大で約５％程度に達する。そのため、適切な圧縮比を選択し、熱効率向上分を無駄に所内動力として電気出力を低下させないように、システムバランスの最適化を図る必要がある。
【００４１】
例えば、従来の再生サイクル利用方式として、原子力プラントではＨＰＴ、ＬＰＴからの抽気蒸気を給水の加熱用に用いて、給水を加熱した後の凝縮水は圧力差を利用して高圧系から低圧系給水加熱器、さらには復水器へと熱回収している。さらに、ＡＢＷＲでは高圧系ポンプドレーンアップシステム（High Pressure Pump Drain-up system：ＨＰＰＤ）と、低圧系ポンプドレーンアップシステム（Low Pressure Pump Drain-up system：ＬＰＰＤ）を採用して、各々再生サイクルにより熱効率を向上させている。
【００４２】
一方、本発明では上記方式に対して、高圧主蒸気系に用いるシステムを高圧系蒸気ヒートアップシステム（High Pressure Compressor Steam-up system：ＨＰＣＳ）システムと呼ぶ。本発明は、原子炉１次系のみの直接式である沸騰水型原子力発電プラントまたは改良型沸騰水型原子力発電プラント内の運転にも適用することが可能である。従って、蒸気供給系以外の既設ＢＯＰシステム（Balance of Plant system）を大幅に変更せずに、ＨＰＴとＬＰＴの間にＳＣを設置して再熱サイクルにより、プラント熱効率を向上させることができる。
【００４３】
図２は、実施例１の発電プラントの熱効率の概要図を示す。横軸はエントロピｓ、縦軸は温度Ｔを示す。点線が従来例を示し実線が実施例１を示す。
【００４４】
まず従来の熱効率について、図２の点線によって説明する。復水器から供給された給水を１から２まで給水ポンプや給水加熱器で昇温して原子炉圧力容器内へ供給する。原子炉圧力容器内で原子核燃料から受熱して給水が飽和水から飽和蒸気へと加熱されて２から３へと変化する。ここで発生した主蒸気は３から４へとＨＰＴで熱膨張して主軸を回転駆動して仕事をする。
【００４５】
ここで、４は飽和蒸気よりも湿り度の多い湿り蒸気のため、従来は主蒸気をＭＳＨへ供給して、まずはＭＳ内で４から５へと湿り度を削除して飽和蒸気にし、次に過熱器内で５から６へと飽和蒸気から過熱蒸気にする。そして、過熱された主蒸気は６から７へとＬＰＴで熱膨張して、ＨＰＴと連結された主軸を回転駆動して仕事をする。これら仕事の終わった低温・低圧の主蒸気は復水器内で７から１へと海水側へ除熱して凝縮されて復水する。
【００４６】
一方、実施例１の場合は、湿り蒸気の主蒸気をＳＣ３０へ供給して、ＳＣ３０内で圧縮加熱して４から６’へと一気に過熱蒸気にする点が異なる。ここで、従来は過熱された蒸気の温度は炉内の主蒸気温度以下であるのに対して、実施例１は主蒸気温度以上に過熱される。これにより、再熱サイクルの熱効率を大きく向上することができる。
【００４７】
その上、タービン主軸による回転力を利用することで、所内動力の増加はほとんどない。また、従来例のＢＷＲ用のＭＳやＡＢＷＲ用のＭＳＨの容積に比べても、実施例１のＳＣはコンパクトに構成されることがわかる。
【実施例２】
【００４８】
図３は、本発明の実施例２の発電プラントの系統図を示す。実施例２では、図３に示すように、ＨＰＴ５とＬＰＴ１０の間に中圧タービン（以下、ＩＰＴ）２２を設置した。それに加えて、ＨＰＴ５とＩＰＴ２２の間に高圧蒸気圧縮機（以下、ＨＳＣ）３１を設置し、ＩＰＴ２２とＬＰＴ１０の間に中圧蒸気圧縮機（以下、ＩＳＣ）３２を設置した。
【００４９】
ＨＳＣ３１でヒートポンプ作用により蒸気圧縮して昇温・昇圧し、ＨＰＴ５排気蒸気の温度を増加させてＩＰＴ２２へ供給する。また、ＩＳＣ３２でヒートポンプにより蒸気圧縮して昇温・昇圧し、ＩＰＴ２２排気蒸気の温度を増加させてＬＰＴ１０へ供給する。これにより、ＨＰＴ５及びＬＰＴ１０で仕事をする主蒸気が過熱蒸気となり、再熱サイクルによる熱効率向上が可能となる。
【００５０】
この場合、図３に示すＨＰＴ５、ＨＳＣ３１、ＩＰＴ２２、ＩＳＣ３２、ＬＰＴ１０は、発電機１２に連結された主軸１１に全て同軸で連結されている。従って、上記駆動力を利用して圧縮機駆動力とすることができるため、所内動力は低減する。以下の図において、特に言及しない限り図１の実施例と同じ符号の部材は同一の構成を有する。
【００５１】
実施例２では、中圧主蒸気系に用いるシステムを中圧系蒸気ヒートアップシステム（Intermediate Pressure Compressor Steam-up system：ＩＰＣＳ）と呼ぶ。これにより、ＢＷＲプラントの熱効率を向上させることも可能になる。なお、実施例２は沸騰水型軽水炉プラントを例にしたが、加圧水型軽水炉の２次系やその他の形式の原子力発電プラントにも適用可能である。
【００５２】
図４は、図２と同様に発電プラントの熱効率の概要図を示す。横軸はエントロピｓ、縦軸は温度Ｔを示す。点線は従来例を示し、実線は実施例２を示す。従来例の性能は図２で説明した通りである。
【００５３】
一方、実施例２の場合は、湿り蒸気の主蒸気４をＨＳＣ３１へ供給して圧縮加熱し、主蒸気４から６’へと一気に加熱して過熱蒸気にし、さらにＩＰＴ２２で６’から６’’へと熱膨張して、またＩＳＣ３２内で圧縮加熱して６’’から６’’’へと一気に過熱蒸気にする点が異なる。
【００５４】
ここで、従来は過熱された蒸気の温度が炉内の主蒸気温度以下であるのに対して、実施例２は主蒸気温度以上に過熱された上に、６’及び６’’’とＨＰＴ５及びＬＰＴ１０で熱膨張による仕事をするのに過熱蒸気を使用できるので、図２よりもさらに再熱サイクルにより熱効率が大きく向上する。またＬＰＴ最終段での主蒸気はほぼ飽和蒸気までで熱膨張するため、湿り度は浅くなる。
【００５５】
その上、主軸のタービンによる回転力を利用することで、所内動力の増加はほとんどない。また、従来例のＢＷＲ用ＭＳやＡＢＷＲ用ＭＳＨの容積に比べても、実施例２の蒸気圧縮機はコンパクトになることがわかる。
【実施例３】
【００５６】
図５は、本発明の実施例３の発電プラントの系統図を示す。実施例３では、図３に示す実施例２に加えて、ＬＰＴ１０の下流側に低圧蒸気圧縮機（以下、ＬＳＣ）３３を設置した。ＬＳＣ３３でヒートポンプにより蒸気圧縮して昇温・昇圧し、ＬＰＴ１０の排気蒸気の温度を増加させることができる。これにより排熱の有効利用も可能となる。この場合、ＨＰＴ５、ＨＳＣ３１、ＩＰＴ２２、ＩＳＣ３２、ＬＰＴ１０、ＬＳＣ３３は、発電機１２に連結された主軸１１に全て同軸で連結されており、上記駆動力を利用して圧縮機駆動力とすることができるため、所内動力は低減する。
【００５７】
実施例３では、低圧主蒸気系に用いるシステムを低圧系蒸気ヒートアップシステム（Low Pressure Compressor Steam-up system：ＬＰＣＳ）と呼ぶ。これにより、ＢＷＲプラントの熱効率を向上させることも可能になる。なお、実施例３は沸騰水型軽水炉プラントを例にしたが、加圧水型軽水炉の２次系やその他の形式の原子力発電プラントにも適用可能である。
【実施例４】
【００５８】
図６は、実施例４の発電プラントのシステム概要を示す。実施例４は、図１で説明した実施例１のＢＷＲ発電プラントにおいて、ＨＰＴ５とＳＣ３０の間にＭＳ７を設置したものである。これにより、ＨＰＴ５からの排気蒸気をＭＳ７で飽和蒸気にしてＳＣ３０内へ供給することができる。
【実施例５】
【００５９】
図７は、実施例５の発電プラントのシステム概要を示す。実施例５は、図１で説明したＢＷＲ発電プラントにおいて、ＨＰＴ５とＳＣ３０の間にＳＨ７、ＭＳＨ８Ａ、８Ｂを設置したものである。これにより、ＨＰＴ５からの排気蒸気をＳＨ７、ＭＳＨ８Ａ、８Ｂで過熱蒸気にしてＳＣ３０内へ供給することができる。
【実施例６】
【００６０】
図８は、実施例６の発電プラントのシステム概要を示す。実施例６は、図１で説明したＢＷＲ発電プラントにおいて、ＨＰＴ５とＬＰＴ１０の間にＳＨ７、ＭＳＨ８Ａ、８Ｂを設置し、主蒸気配管から分岐したＨＰＴ５からのバイパス排気蒸気をＳＣ３０へ供給し、ＳＣ３０で圧縮加熱した過熱蒸気をＬＰＴ１０へ供給する主蒸気配管９へ合流させてＬＰＴ１０へ供給することができる。なお、ＳＣ３０へ供給するバイパス排気蒸気量は、制御弁４７、４８で調整される。
【実施例７】
【００６１】
図９は、実施例７の火力発電プラントのシステム概要を示す。火力発電プラントでは主蒸気発生源としてボイラ１Ａを用いている。発電プラントの二次系は、ＨＰＴ５、ＬＰＴ１０、ＳＣ３０から構成される主蒸気系、そして復水器１４から出た後、低圧復水ポンプ１７、低圧給水加熱器１８ａ〜１８ｄ、高圧給水ポンプ２０、高圧給水加熱器２１ａ、２１ｂから構成される給復水系から構成されるのは、図１と同様である。
【００６２】
ここで、従来例のＨＰＴ５、ＳＣ３０、ＬＰＴ１０の３要素から構成されるもの以外に、図５の様にＨＰＴ５、ＨＳＣ３１、ＩＰＴ２２、ＩＳＣ３２、ＬＰＴ１０、ＬＳＣ３３の複数要素から構成されてもよい。この場合、火力発電プラントではボイラ１Ａが蒸気を発生する主蒸気発生源となる。ボイラ１Ａで発生する主蒸気系は、ＢＷＲと同様に飽和蒸気である。
【実施例８】
【００６３】
図１０は、実施例８の加圧水型原子力発電プラント（以下、ＰＷＲ）のシステム概要を示す。ＢＷＲと異なり、原子炉圧力容器１Ｂ、一次冷却系５１、一次冷却系循環ポンプ５２そして蒸気発生器（以下、ＳＧ）５０から構成される一次系と、ＢＷＲと同様の主蒸気・給復水系の二次系から構成される。二次系内の主蒸気系には、蒸気圧縮機ＳＣ３０を有する。１８は低圧給水加熱器、２１は高圧給水加熱器である。
【００６４】
ここで、二次系はＨＰＴ５、ＳＣ３０、ＬＰＴ１０の３要素から構成されるもの以外に、図５の様にＨＰＴ５、ＨＳＣ３１、ＩＰＴ２２、ＩＳＣ３２、ＬＰＴ１０、ＬＳＣ３３の複数要素から構成されてもよい。この場合には、ＢＷＲの原子炉圧力容器１の代わりにＳＧ５０が主蒸気発生源となる。
【００６５】
実施例８は、原子炉１次系と２次系に分かれた間接式である加圧水型原子力発電プラントまたは改良型加圧水型原子力発電プラントにも適用することが可能である。
【実施例９】
【００６６】
図１１は、実施例９の高速増殖炉型原子力発電プラント（以下、ＦＢＲ）のシステム概要を示す。ＢＷＲと異なり、原子炉圧力容器１Ｃ、一次冷却系６１、一次冷却系循環ポンプ６２そして中間熱交換器６３の一次系と、二次冷却系６４、二次冷却系循環ポンプ６５そして蒸気発生器６０の二次系とから構成される。ＦＢＲでは、一次系も二次系も冷却材はナトリウムを用いる。二次系内の主蒸気系には、ＳＣ３０を有する。
【００６７】
ここで、二次系は従来例のＨＰＴ５、ＳＣ３０、ＬＰＴ１０の３要素から構成されるもの以外に、図５の様にＨＰＴ５、ＨＳＣ３１、ＩＰＴ２２、ＩＳＣ３２、ＬＰＴ１０、ＬＳＣ３３の複数要素から構成されてもよい。この場合、ＢＷＲの原子炉圧力容器１の代わりに蒸気発生器６０が主蒸気発生源となる。
【００６８】
実施例９は、原子炉１次系、２次系及び主蒸気系に分かれた間接式である高速増殖炉型原子力発電プラント内の運転方法にも適用することが可能である。
【実施例１０】
【００６９】
図１２は、実施例１０の火力コンバインド発電プラント（以下、火力Ｃ／Ｃ）のシステム概要を示す。この場合、高温流体側として、圧縮機７２へ吸い込まれた空気７１を圧縮し、燃焼器７６で圧縮空気と燃料７７を混合して着火・燃焼し、高温ガスとしてガスタービン（以下、ＧＴ）７４で膨張させる。この時、圧縮機７２とＧＴ７４は主軸７３に連結されて回転し、これに連動して発電機７５で発電する。
【００７０】
さらに、ＧＴ７４を回転させた排ガス７８を加熱源として、排熱回収用蒸気発生器（以下、ＨＲＳＧ）７０で給水が熱交換して主蒸気を発生する。あとは、ＢＷＲの主蒸気系、給復水系と同様のシステムとなる。二次系内の主蒸気系には、ＳＣ３０を有する。
【００７１】
ここで、二次系は従来例のＨＰＴ５、ＳＣ３０、ＬＰＴ１０の３要素から構成されるもの以外に、ＨＰＴ５、ＨＳＣ３１、ＩＰＴ２２、ＩＳＣ３２、ＬＰＴ１０、ＬＳＣ３３の複数要素から構成されてもよい。この場合、ＢＷＲの原子炉圧力容器１の代わりにＨＲＳＧ７０が主蒸気発生源となる。
【００７２】
また、再生可能エネルギーシステムとして、太陽熱を一度蓄熱器に溜めて、この熱源を利用して蒸気を発生させる自然界の熱エネルギーを有効に利用したランキンサイクル発電プラントにも使用できる。
【００７３】
実施例１０は、原子力発電と同様にランキンサイクルを構成する火力発電についても、当該高圧及び低圧タービンを有する火力発電プラントまたはＧＴとの火力コンバインド発電プラント内の運転方法にも適用することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００７４】
本発明は、沸騰水型原子力発電プラント及び加圧水型原子力プラント等の原子力発電プラント、及び火力発電プラントのような発電プラントに適用することができる。
【符号の説明】
【００７５】
１…原子炉圧力容器、１Ａ…ボイラ、２…主蒸気出口弁、３…主蒸気配管、４…主蒸気止め弁、５…高圧タービン（ＨＰＴ）、６…主蒸気配管、７…湿分分離器（ＭＳ）、８…湿分分離過熱器（ＭＳＨ）、８Ａ、８Ｂ…湿分分離過熱器、９…主蒸気配管、１０…低圧タービン（ＬＰＴ）、１１…主軸、１２…発電機、１３…排気蒸気管、１４…復水器、１７…低圧復水ポンプ、１８、１８ａ〜１８ｄ…低圧給水加熱器、１９…給水配管、２０…高圧給水ポンプ、２１、２１ａ、２１ｂ…高圧給水加熱器、２２…中圧タービン（ＩＰＴ）、
３０…蒸気圧縮機（ＳＣ）、３１…高圧蒸気圧縮機（ＨＳＣ）、３２…中圧蒸気圧縮機（ＩＳＣ）、３３…低圧蒸気圧縮機（ＬＳＣ）、３５…過熱蒸気、４２…主蒸気抽気蒸気、４３…高圧タービン抽気蒸気、４５…高圧抽気蒸気、４６…低圧抽気蒸気、４７…制御弁、４８…制御弁、５０…蒸気発生器（ＳＧ）、５１…一次冷却系、５２…一次冷却系循環ポンプ、
６０…蒸気発生器、６１…一次冷却系、６２…一次主循環ポンプ、６３…中間熱交換器、６４…二次冷却系、６５…二次主循環ポンプ、７０…排熱回収用蒸気発生器（ＨＲＳＧ）、７１…空気、７２…圧縮機、７３…主軸、７４…ガスタービン（ＧＴ）、７５…発電機、７６…燃焼器、７７…燃料、７８…高温排ガス
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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