JP2012145092A - 超臨界二酸化炭素（ｃｏ２）圧縮用遠心ブロア（コンプレッサー）、超臨界ｃｏ２ガスタービンならびに発電機を備えた超臨界ｃｏ２ガスタービン発電技術 - Google Patents
超臨界二酸化炭素（ｃｏ２）圧縮用遠心ブロア（コンプレッサー）、超臨界ｃｏ２ガスタービンならびに発電機を備えた超臨界ｃｏ２ガスタービン発電技術 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】ナトリウム冷却型高速増殖炉などの発電系として、コンパクトでナトリウム等と反応しない安全な高効率発電方式を提供する。
【解決手段】蒸気タービンや高温ガスタービンなどの発電方式に対して、超臨界二酸化炭素ガスタービン発電システムは、超臨界点近傍での気体分子間力の特異性により圧縮仕事が軽減されることに着目した全く新しい高効率閉サイクルガスタービン発電システムであり、圧縮仕事は同じ閉サイクル高温ガス炉発電に比べると半減されるとともに、中高温度域においては５％程度高いサイクル熱効率が得られる。また、開放ランキンサイクルである低中温度域の軽水発電方式と比較すると、圧縮仕事は大きいがタービン効率が高いことから同一タービン入口温度では同程度の熱効率となる。このように超臨界二酸化炭素ガスタービン発電は中温度領域における発電効率が最も高くコンパクトで反応性に乏しく安全な発電方式である。
【選択図】図１
【解決手段】蒸気タービンや高温ガスタービンなどの発電方式に対して、超臨界二酸化炭素ガスタービン発電システムは、超臨界点近傍での気体分子間力の特異性により圧縮仕事が軽減されることに着目した全く新しい高効率閉サイクルガスタービン発電システムであり、圧縮仕事は同じ閉サイクル高温ガス炉発電に比べると半減されるとともに、中高温度域においては５％程度高いサイクル熱効率が得られる。また、開放ランキンサイクルである低中温度域の軽水発電方式と比較すると、圧縮仕事は大きいがタービン効率が高いことから同一タービン入口温度では同程度の熱効率となる。このように超臨界二酸化炭素ガスタービン発電は中温度領域における発電効率が最も高くコンパクトで反応性に乏しく安全な発電方式である。
【選択図】図１
Description
本発明は、二酸化炭素（ＣＯ２）を超臨界状態のまま循環しながらさまざまな中温熱源からの熱を使い高効率で発電できる超臨界ＣＯ２圧縮用遠心ブロア（コンプレッサー）、超臨界ＣＯ２ガスタービンならびに発電機を備えた超臨界ＣＯ２ガスタービン発電システムに関するものである。
さまざまな中温熱源とは、ナトリウム冷却高速増殖炉、核融合炉、高温ガス炉、太陽炉、ごみ焼却炉等５００℃〜６５０℃の中温度域で数ＧＷ（ギガワット）級までの大熱容量の高温エネルギーを供給できるものである。
現在、低〜高温度域におけるさまざまな熱源からの発電技術が開発されており、現在稼働中の３００℃〜５００℃の低中温度域軽水炉サイクル発電、６００℃〜１０００℃の高温ガス炉発電など発電の高効率化を図るためのさまざまな発電方式がある。これら、閉サイクルガスタービンサイクルの有効仕事はタービン仕事から圧縮機仕事を差し引いたものであり、有効仕事と熱入力の比がサイクル熱効率であるから、同一タービン入口ガス温度で比較すると図１のようになる。これらの発電方式に対して、超臨界二酸化炭素（ＣＯ２）ガスタービン発電システムは、超臨界点近傍での気体分子間力の特異性により圧縮仕事が軽減されることに着目した全く新しい高効率閉サイクルガスタービン発電システムであり、圧縮仕事は同じ閉サイクル高温ガス炉発電に比べると半減されるとともに、中温度域においては５％程度高いサイクル熱効率が得られる。また、開放ランキンサイクルである低中温度域の軽水発電方式と比較すると、圧縮仕事は大きいがタービン効率が高いことから同一タービン入口温度では同程度の熱効率となる。このように超臨界ＣＯ２ガスタービン発電方式は中温度領域における発電効率が最も高い発電方式である。
「コロナ住宅用システム機器、住宅用システム機器総合カタログ２０１０」、コロナ、２０１０年、Ｐ４３〜４４
５００℃〜６５０℃の中温度域で従来発電技術より、発電システムのコンパクト化により低建設コスト化が図られ、安定性の高い作動流体を用いることにより安全で高い発電効率を実現できることで環境に優しい新しい発電技術。
軽水炉発電システムならびに太陽光発電システムにおける課題は発電システムの規模及び建設コストにあり、蒸気タービンでは１０ＭＰａ程度の入口圧力から０．００５ＭＰａの出口圧力まで蒸気を膨張させる、即ち約２０００倍に膨張させるために出口寸法は巨大になる。またシステム構成でも、蒸気タービンは多数段の給水加熱や脱気器等を必要とする。
Ｎａ冷却高速炉発電システムの課題は、Ｎａ−Ｈ２Ｏ反応による可燃性水素の発生、軽水炉に比べて発電コストが高いことである。
高温ガス炉発電システムの課題は、ヘリウムガス温度８５０℃の場合、燃料温度は１２００℃に達するためにＣｓ−１３７やＡｇ−１１０ｍといった放射性物質が拡散でヘリウムガス中に放出されこれらがタービンや熱交換器に沈着することにより保守が困難になることである。
トカマク型核融合炉発電システムにおける課題は、炉内に保持される放射性物質トリチウムの取り扱いである。炉冷却材として蒸気タービンを採用すると、拡散で水・蒸気に混入するトリチウムの分離が極めて困難となる。
天然ガス燃焼火力発電システムの課題は、超臨界ＣＯ２ガスタービンで必要な熱源温度が４００℃以上で、燃焼ガスの熱エネルギーを十分に利用できないことと、圧力が約２０ＭＰａという高圧で、ほぼ大気圧の燃焼ガスとの間に大きな圧力差があり、加熱器の構造設計が困難であるためと推測される。
ＣＯ２は非常に高温ではＣＯとＯ２に解離することから発電システムの不安定性を助長する。
超臨界ＣＯ２ガスタービン発電方式において、図１の性能を達成するための図２における超臨界ＣＯ２使用条件下において高効率で機能する主及びバイパス圧縮機、タービンならびに発電機が現存しない。
超臨界二酸化炭素（ＣＯ２）ガスタービン発電システム（図２参照）は、Ｎａ冷却高速炉等中高温度域の熱源に中間熱交換器を介して、超臨界ＣＯ２ガス用の主圧縮機、バイパス圧縮機、タービン、発電機、前置冷却器、再生熱交換器Ｉ及びＩＩならびに各種配管から構成され、超臨界点近傍での気体分子間力の特異性により圧縮仕事が軽減されることに着目した全く新しい高効率閉サイクルガスタービン発電システムである。圧縮仕事は同じ閉サイクルヘリウムガスタービンに比べると半減される。閉サイクルガスタービンサイクルの有効仕事はタービン仕事から圧縮機仕事を差し引いたものであり、有効仕事と熱入力の比がサイクル熱効率であるから、同一タービン入口ガス温度で比較すると（図１参照）、５％程度高いサイクル熱効率が得られる。開放ランキンサイクルである蒸気タービンと比較すると、圧縮仕事は大きいがタービン効率が高いことから同一タービン入口温度では同程度の熱効率となる。
ガスタービンの寸法について比較すると、蒸気タービンでは１０ＭＰａ程度の入口圧力から０．００５ＭＰａの出口圧力まで蒸気を膨張させる、即ち約２０００倍に膨張させるために出口寸法は巨大になる。一方、超臨界ＣＯ２ガスタービンの膨張比は約２．５であるのでタービン寸法は格段に小さい（図３参照）。またシステム構成でも、蒸気タービンは多数段の給水加熱や脱気器等を必要とするのに比べて、新たに必要な機器は再生熱交換器のみであって、非常にシンプルである。それ故、大幅な容積低減、したがって資本費節約を期待できる。Ｎａ冷却高速炉に適用した場合の建屋の比較を図４に示す。タービン建屋の容積は６０％まで大幅に低減される。
Ｎａ冷却高速炉の課題は、Ｎａ−Ｈ２Ｏ反応による可燃性水素の発生、軽水炉に比べて発電コストが高いことである。ＣＯ２は高温（例えば６００℃）ではＮａと反応するものの反応生成物は固体であることから、基本的には大きな問題とはなり得ない。それ故、蒸気タービンを超臨界ＣＯ２ガスタービンに置換することにより、２次Ｎａループ削除の可能性もあり、ガスタービン自体シンプルでコンパクトであることから、大幅なコスト削減を期待できる。それ故、我が国の高速炉計画の主概念（Ｎａ冷却炉＋蒸気タービン）を補完する代替概念として、また将来の高性能・合理化概念としての意義は大きい。
高温ガス炉の課題は、ヘリウムガス温度８５０℃の場合、燃料温度は１２００℃に達するためにＣｓ−１３７やＡｇ−１１０ｍといった放射性物質が拡散でヘリウムガス中に放出され、これらがタービンや熱交換器に沈着することにより保守が困難になることである。超臨界ＣＯ２ガスタービンでは６５０℃で８５０℃のヘリウムガスタービンに比べてやや低い程度の高い熱効率が得られる。それ故、この温度差を利用することにより、ＦＰ放出の排除や間接サイクルの採用により、この問題を根本的に解決することが可能である
タービン作動媒体であるＣＯ２は大気の主要構成気体の一つであり、大気圧下で、温度６５０℃までは化学的に非常に安定で、毒性も無く、金属材料との両立性においても優れている。系統外へ漏洩しても、火災や人的障害の可能性は無い。勿論、資源問題も無い。この点、天然ガス中にごく少量含まれるヘリウムガスと比べると資源の観点からの経済性に優れている。Ｎａ冷却高速炉への適用を考えると、水・蒸気がＮａと反応して可燃性水素を生成するのに対して、ＣＯ２はＮａと現在の定格運転温度５５０℃までの温度領域では事実上殆ど反応しない大きな利点がある。核融合炉への適用を考えると、トリチウムは水と簡単には分離できないのに対して、ＣＯ２との分離は容易である大きな利点がある。
天然ガス燃焼火力発電への応用については、世界的に未だ報告が無い。これは、超臨界ＣＯ２ガスタービンで必要な熱源温度が４００℃以上で、燃焼ガスの熱エネルギーを十分に利用できないことと、圧力が約２０ＭＰａという高圧で、ほぼ大気圧の燃焼ガスとの間に大きな圧力差があり、加熱器の構造設計が困難であるためと推測される。前者については燃焼ガスの排熱をエコノマイザーにより燃焼器への給気の加熱に活用すること、高圧に関しては、圧縮機のＣＯ２のみを高圧とし、高圧タービンで一旦圧力を下げた後に加熱器にＣＯ２を供給する、２段タービンサイクルを採用することで、問題の解決を図れる。システムの系統・熱収支図を図５に示す。本システムでは、蒸気タービンの熱効率が４０％以下であるのに対して、６５０℃の超臨界ＣＯ２ガスタービンでは４３．４％の高い熱効率（ＣＯ２サイクルのみでは４７％）を達成できるので、３％以上の熱効率向上及び資本費低減を期待できる。
ＣＯ２は非常に高温ではＣＯとＯ２に解離するが、６５０℃以下では殆ど無視できる。それ故、超臨界ＣＯ２ガスタービンは５００〜６５０℃の中温領域で優れた発電システムであるといえ、具体的適用先としては、Ｎａ冷却高速炉や高温ガス炉、核融合炉の原子力発電用として、また天然ガス燃焼火力発電用がある。
図２において、入口圧力と温度がそれぞれ８．３ＭＰａ、３５℃の超臨界ＣＯ２流体を２０．６ＭＰａ、６７℃に昇圧させるための断熱効率９５％以上の超臨界ＣＯ２用高速ブロア（コンプレッサー）において、超臨界ＣＯ２の臨界点近傍の使用条件下での超臨界ＣＯ２用高速ブロアインペラに流入するＣＯ２流体のキャビテーションを防止するため、インペラ手前に軸流タイプインデューサーと静翼を配置し、インデューサーにより昇圧を行い流体の不安定流動や閉塞を防止する。
図２において、入口圧力と温度がそれぞれ８．３ＭＰａ、３５℃の超臨界ＣＯ２流体を２０．６ＭＰａ、６７℃に昇圧させるためのＣＯ２ブロアを駆動する高速電動機を完全密閉型としてＣＯ２の漏れを防ぐ方式として、使用する軸受の方式を自己動圧軸受けとしてメンテナンスフリー状態とするために、臨界状態ＣＯ２流体を使用できる液体自己動圧軸受けを設ける。これにより、電動機内軸受け側に半円形の溝を設けることにより、ローター軸と軸受け間とのＣＯ２流体の軸回転によって生じる流体流れをこの溝にまきこみ、くさび効果によって生じる動圧により軸受けを浮揚させる。
図２において、入口圧力と温度がそれぞれ８．３ＭＰａ、３５℃の超臨界ＣＯ２流体を２０．６ＭＰａ、６７℃に昇圧させるための完全密閉型ＣＯ２ブロアの動圧軸受けを常時適切な温度に冷却するため、インペラ背面に回りこむ吸込み側低温液にて軸受けを冷却してブロア入口側に液体循環バイパスラインで戻す自己冷却軸受けを設ける。
図２において、入口圧力と温度がそれぞれ２０ＭＰａ、５２７℃の超臨界ＣＯ２流体作動流体を８．５ＭＰａ、４２３℃となるまで９５％以上の断熱効率により運動エネルギーを取り出すための超臨界ＣＯ２ガスタービンの高効率化を図るため、臨界流体相当状態でも効率の高いタービン羽根が必要である。そのため、羽根の曲面曲率の大きい完全３次元羽根軸流タイプ動翼とする。
図２におけるタービン用発電機も完全密閉状態高速発電機を使用するのでＣＯ２ブロア用電動機同様、自己冷却、自己動圧軸受けとする。
Ｎａ冷却高速炉の課題は、Ｎａ−Ｈ２Ｏ反応による可燃性水素の発生、軽水炉に比べて発電コストが高いことであるから、これらの課題解決に寄与することは、我が国の核燃料サイクルが、国民に歓迎されるより安全で、より経済性の高いものなることを意味している。地球温暖化対策や環境汚染問題を考える場合、このことは極めて重要である。
超臨界ＣＯ２ガスタービン発電システムは、天然ガス燃焼火力発電、地熱発電、太陽光発電、高温ガス炉、核融合炉においても有効に活用される可能性が高く、これらの分野における貢献も期待される。
図２において、超臨界二酸化炭素（ＣＯ２）ガスタービン発電システムは、４のＮａ冷却高速炉等中高温度域の熱源に５の中間熱交換器を介して、７の超臨界ＣＯ２ガス用の主圧縮機、８のバイパス圧縮機、９のタービン、１０の発電機、１１の前置冷却器、１２および１３の再生熱交換器Ｉ及びＩＩならびに各種配管から構成され、超臨界点近傍での気体分子間力の特異性により圧縮仕事が軽減されることに着目した全く新しい高効率閉サイクルガスタービン発電システムである。圧縮仕事は同じ閉サイクルヘリウムガスタービンに比べると半減される。
図６において、３６の超臨界ＣＯ２圧縮用遠心ブロア（コンプレッサー）は、ＣＯ２がブロア内にて臨界圧状態に達する圧縮過程において、高速回転のブロアインペラ内を通過する流体が気体と液体の中間状態で不安定な状態となる時に、インペラ翼間を気体状態のＣＯ２が閉塞させることで流量が充分に流れなくなる。それを防ぐためインペラの上流部に３２および３３の軸流タイプインデューサー羽根と３４の静翼を設けることでインペラ前での充分な昇圧を行い、３６の高速ブロワインペラでのキャビテーションを防ぎ遠心インペラ内での気体による閉塞を防止することにより流量を確保するとともに、安定した運転状態維持を可能とする。
図７において、ＣＯ２ブロアを駆動する４１〜４６の高速電動機を完全密閉型としてＣＯ２の漏れを防ぐ方式として使用する軸受の方式を自己動圧軸受けとしてメンテナンスフリー状態とするために、４５の臨界状態ＣＯ２流体を使用できる液体自己動圧軸受けを設ける。これは、電動機内軸受け側に４６の半円形の溝を設けることにより、４３のローター軸と４５の軸受け間とのＣＯ２流体の軸回転によって生じる流体流れをこの溝にまきこみ、くさび効果によって生じる動圧により４３の軸を浮揚させる。
図７において、４５の完全密閉型ＣＯ２ブロアの動圧軸受けを常時適切な温度に冷却するため、インペラ背面に回りこむ吸込み側低温液にて４５の軸受けを冷却してブロア入口側に４０の液体循環バイパスラインで戻す自己冷却軸受けを設ける。
図８において、超臨界ＣＯ２ガスタービンの高効率化を図るため臨界液相当状態でも効率の高いタービン羽根が必要である。そのため、４７の従来型羽根に対して５０の曲面曲率の大きい完全３次元羽根軸流タイプ動翼とする。
タービン用発電機も完全密閉状態高速発電機を使用するので、図７のＣＯ２ブロア用電動機同様、４０及び４５の自己冷却、自己動圧軸受けとする。
１．超臨界ＣＯ２ガスタービン発電方式による発電温度とサイクル熱交換性能の関係
２．軽水炉水蒸気発電方式による発電温度とサイクル熱交換性能の関係
３．高温ガス炉ガスタービンによる発電温度とサイクル熱交換性能の関係
４．Ｎａ冷却高速炉
５．中間熱交換器
６．Ｎａ冷却ポンプ
７．主圧縮機
８．バイパス圧縮機
９．タービン
１０．電導・発電機
１１．前置冷却器
１２．再生熱交換器ＩＩ
１３．再生熱交換器Ｉ
１４．６００ＭＷｔ、２０ＭＰａ級超臨界ＣＯ２ガスタービンと圧縮機
１５．２５０ＭＷｔ級蒸気タービン
１６．従来型Ｎａ冷却高速炉
１７．超臨界ＣＯ２ガスタービン高速炉
１８．ブロアー
１９．エコノマイザー
２０．燃焼室
２１．熱交換器
２２．低圧圧縮機
２３．中間冷却器
２４．高圧圧縮機
２５．バイパスタービン
２６．高圧タービン
２７．低圧タービン
２８．発電機
２９．前置冷却器
３０．再生熱交換器ＩＩ
３１．再生熱交換器Ｉ
３２．動翼
３３．軸流タイプインデューサー
３４．静翼
３５．渦室
３６．超臨界ＣＯ２用高速ブロワインペラ
３７．軸
３８．モーター
３９．超臨界ＣＯ２用高速ブロワインペラ
４０．ＣＯ２流体循環バイパスライン
４１．ローター
４２．ステーター
４３．軸
４４．高速モーター密閉ケーシング
４５．超臨界ＣＯ２用自己動圧軸受け
４６．超臨界ＣＯ２用自己動圧軸受け断面図における溝
４７．従来の軸流型タービン動翼
４８．静翼
４９．従来型動翼
５０．高効率タイプ完全３次元曲面動翼
５１．静翼
５２．完全３次元曲面動翼
２．軽水炉水蒸気発電方式による発電温度とサイクル熱交換性能の関係
３．高温ガス炉ガスタービンによる発電温度とサイクル熱交換性能の関係
４．Ｎａ冷却高速炉
５．中間熱交換器
６．Ｎａ冷却ポンプ
７．主圧縮機
８．バイパス圧縮機
９．タービン
１０．電導・発電機
１１．前置冷却器
１２．再生熱交換器ＩＩ
１３．再生熱交換器Ｉ
１４．６００ＭＷｔ、２０ＭＰａ級超臨界ＣＯ２ガスタービンと圧縮機
１５．２５０ＭＷｔ級蒸気タービン
１６．従来型Ｎａ冷却高速炉
１７．超臨界ＣＯ２ガスタービン高速炉
１８．ブロアー
１９．エコノマイザー
２０．燃焼室
２１．熱交換器
２２．低圧圧縮機
２３．中間冷却器
２４．高圧圧縮機
２５．バイパスタービン
２６．高圧タービン
２７．低圧タービン
２８．発電機
２９．前置冷却器
３０．再生熱交換器ＩＩ
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３２．動翼
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３９．超臨界ＣＯ２用高速ブロワインペラ
４０．ＣＯ２流体循環バイパスライン
４１．ローター
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４３．軸
４４．高速モーター密閉ケーシング
４５．超臨界ＣＯ２用自己動圧軸受け
４６．超臨界ＣＯ２用自己動圧軸受け断面図における溝
４７．従来の軸流型タービン動翼
４８．静翼
４９．従来型動翼
５０．高効率タイプ完全３次元曲面動翼
５１．静翼
５２．完全３次元曲面動翼
Claims (7)
- 二酸化炭素（ＣＯ２）を超臨界状態のまま循環しながらさまざまな高温熱源からの熱を使い高効率で発電できる超臨界ＣＯ２圧縮用遠心ブロア（コンプレッサー）、超臨界ＣＯ２ガスタービンならびに発電機を備えた超臨界二酸化炭素（ＣＯ２）ガスタービン発電技術。
- さまざまな高温熱源とは、ナトリウム冷却高速増殖炉、核融合炉、高温ガス炉、太陽炉、ごみ焼却炉等５００℃〜６５０℃の中温度域で数ＧＷ（ギガワット）級大熱容量の高温エネルギーを供給できるものである。
- 超臨界二酸化炭素（ＣＯ２）ガスタービン発電システムにおいて、超臨界点近傍でのＣＯ２自己凝縮現象を利用し、超臨界ＣＯ２用高速ブロアインペラ上流部に軸流タイプインデューサー羽根を設けた高効率型コンパクト超臨界ＣＯ２圧縮用遠心ブロア（コンプレッサー）。
- ＣＯ２ブロアを駆動する高速電動機を完全密閉型としてＣＯ２の漏れを防ぐ方式として使用する軸受の方式を自己動圧軸受けとしてメンテナンスフリー状態とするために臨界状態ＣＯ２流体を使用できる液体自己動圧軸受けを設けた高速電動機。
- 完全密閉型ＣＯ２ブロアの動圧軸受けを常時適切な温度に冷却するため、インペラ背面に回りこむ吸込み側低温液にて軸受けを冷却してブロア入口側に液体循環バイパスラインで戻す自己冷却軸受けを設けた超臨界ＣＯ２圧縮用遠心ブロア（コンプレッサー）。
- 超臨界ＣＯ２ガスタービンの高効率化を図るため臨界液相当状態でも高い効率の出せる曲面曲率の大きい完全３次元羽根軸流タイプ動翼を設けた超臨界ＣＯ２ガスタービン。
- 超臨界ＣＯ２圧縮用遠心ブロア（コンプレッサー）駆動用電動機同様の自己冷却、自己動圧軸受けを有する超臨界ＣＯ２ガスタービン用発電機。
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