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公開番号
2023076833
公報種別
公開特許公報(A)
公開日
2023-06-05
出願番号
2021189781
出願日
2021-11-24
発明の名称
原子力プラント及びその運転方法
出願人
日立GEニュークリア・エナジー株式会社
代理人
弁理士法人開知
主分類
G21D
9/00 20060101AFI20230529BHJP(核物理;核工学)
要約
【課題】負荷要求に応じて電力系統への出力を調整しつつ原子炉の熱出力の有効活用及び変化抑制が可能な原子力プラント及びその運転方法を提供する。
【解決手段】原子力プラントは、負荷要求に対して原子炉の熱出力に余剰が無い場合、原子炉の熱出力の全量を蒸気タービンに導入して発電させ水素製造システムを停止させる第1運転を行い、原子炉の熱出力に余剰が有り且つ熱出力の余剰分が水素製造システムの上限以下の場合、原子炉の熱出力を維持すると共に熱出力の一部を蒸気タービンに導入して発電させ残りを水素製造システムに供給して水素を製造させる第2運転を行い、原子炉の熱出力の余剰分が水素製造システムの上限を超える場合、熱出力の余剰分が水素製造システムの上限以下となるよう原子炉の熱出力を低下させると共に熱出力の一部を蒸気タービンに導入して発電させ残りを水素製造システムに供給して水素を製造させる第3運転を行う。
【選択図】 図6
特許請求の範囲
【請求項1】
電力系統に接続され、原子炉で発生した蒸気によって蒸気タービンを駆動させることで発電する原子力発電システムと、
前記原子炉で発生した蒸気が供給可能に構成され、前記原子炉で発生した蒸気の熱エネルギを利用して原水から水蒸気を生成すると共に生成した水蒸気を電気分解して水素を製造する水素製造システムと、
前記原子力発電システムに要求される前記電力系統への発電出力を指示する負荷要求が外部から入力され、前記負荷要求を基に前記原子力発電システム及び前記水素製造システムを制御するプラント制御装置とを備え、
前記プラント制御装置は、
前記負荷要求に対して前記原子炉の熱出力に余剰が無い場合には、前記原子炉の熱出力の全量を前記蒸気タービンに導入して発電させる一方、前記水素製造システムの水素製造を停止状態にする第1運転を行い、
前記負荷要求に対して前記原子炉の熱出力に余剰が有り且つ前記原子炉の熱出力の余剰分が前記水素製造システムの受け入れ可能な上限以下である場合には、前記原子炉の熱出力を維持すると共に、前記原子炉の熱出力の一部を前記蒸気タービンに導入して前記負荷要求に応じた電力を前記電力系統に送出し、前記原子炉の熱出力の残りを前記水素製造システムに供給して水素を製造させる第2運転を行い、
前記負荷要求に対して前記原子炉の熱出力に余剰が有り且つ前記原子炉の熱出力の余剰分が前記水素製造システムの前記上限を超えている場合には、前記原子炉の熱出力の余剰分が前記水素製造システムの前記上限以下となるように前記原子炉の熱出力を低下させると共に、前記原子炉の熱出力の一部を前記蒸気タービンに導入して前記負荷要求に応じた電力を前記電力系統に送出し、前記原子炉の熱出力の残りを前記水素製造システムに供給して水素を製造させる第3運転を行う
ことを特徴とする原子力プラント。
続きを表示(約 2,300 文字)
【請求項2】
請求項1に記載の原子力プラントにおいて、
前記水素製造システムは、
前記原子炉で発生した蒸気の熱エネルギを利用して原水から水蒸気を生成し、生成した水蒸気を電気分解して水素を製造する水素製造装置と、
前記原子炉から供給される蒸気の熱エネルギの貯蔵及び貯蔵している熱エネルギの前記水素製造装置への供給が可能な蓄熱設備とを含んでいる
ことを特徴とする原子力プラント。
【請求項3】
請求項2に記載の原子力プラントにおいて、
前記プラント制御装置は、前記第1運転を行う場合には、前記蓄熱設備に貯蔵されている熱エネルギを前記水素製造装置に供給して前記水素製造装置を保温する保温運転を同時に行う
ことを特徴とする原子力プラント。
【請求項4】
請求項2に記載の原子力プラントにおいて、
前記水素製造システムの前記上限は、前記水素製造装置の受け入れ可能な上限と前記蓄熱設備の受け入れ可能な上限とを合算したものであり、
前記プラント制御装置は、前記第2運転を行う場合において、
前記原子炉の熱出力の余剰分が前記水素製造装置の前記上限以下である場合には、前記原子炉から前記水素製造システムに供給される蒸気の熱エネルギの全量を前記水素製造装置で利用する制御を行い、
前記原子炉の熱出力の余剰分が前記水素製造装置の前記上限を超えている場合には、前記原子炉から前記水素製造システムに供給される蒸気の熱エネルギの一部を前記水素製造装置で利用すると共に残りの蒸気の熱エネルギを前記蓄熱設備に貯蔵する制御を行う
ことを特徴とする原子力プラント。
【請求項5】
請求項2に記載の原子力プラントにおいて、
前記プラント制御装置は、前記第3運転を行う場合において、
前記蓄熱設備が熱エネルギを貯蔵可能な状態である場合には、前記原子炉から前記水素製造システムに供給される蒸気の熱エネルギの一部を前記水素製造装置で利用すると共に残りの蒸気の熱エネルギを前記蓄熱設備に貯蔵する制御を行い、
前記蓄熱設備が満蓄状態に達して熱エネルギを貯蔵不能な状態である場合には、前記原子炉から前記水素製造システムに供給される蒸気の熱エネルギの全量を前記水素製造装置で利用する制御を行う
ことを特徴とする原子力プラント。
【請求項6】
請求項2に記載の原子力プラントにおいて、
前記水素製造システムは、前記原子炉で発生した蒸気の熱エネルギが必ず前記蓄熱設備を介して前記水素製造装置に伝達されるように構成されている
ことを特徴とする原子力プラント。
【請求項7】
請求項1に記載の原子力プラントにおいて、
前記プラント制御装置は、前記水素製造システムの水素製造に対して前記電力系統から電力を供給するように制御する
ことを特徴とする原子力プラント。
【請求項8】
原子炉で発生した蒸気によって蒸気タービンを駆動させることで発電する原子力発電システムと前記原子炉で発生した蒸気の熱エネルギを利用して原水から生成した水蒸気を電気分解して水素を製造する水素製造システムとを備えた原子力プラントを、外部から与えたれる電力系統の負荷要求を基に運転する原子力プラントの運転方法であって、
前記負荷要求に対して前記原子炉の熱出力に余剰が無い場合には、前記原子炉の熱出力の全量を前記蒸気タービンに導入して発電させる一方、前記水素製造システムの水素製造を停止状態にする第1運転を行い、
前記負荷要求に対して前記原子炉の熱出力に余剰が有り且つ前記原子炉の熱出力の余剰分が前記水素製造システムの受け入れ可能な上限以下である場合には、前記原子炉の熱出力を維持すると共に、前記原子炉の熱出力の一部を前記蒸気タービンに導入して前記負荷要求に応じた電力を前記電力系統に送出し、前記原子炉の熱出力の残りを前記水素製造システムに供給して水素を製造させる第2運転を行い、
前記負荷要求に対して前記原子炉の熱出力に余剰が有り且つ前記原子炉の熱出力の余剰分が前記水素製造システムの前記上限を超えている場合には、前記原子炉の熱出力の余剰分が前記水素製造システムの前記上限以下となるように前記原子炉の熱出力を低下させると共に、前記原子炉の熱出力の一部を前記蒸気タービンに導入して前記負荷要求に応じた電力を前記電力系統に送出し、前記原子炉の熱出力の残りを前記水素製造システムに供給して水素を製造させる第3運転を行う
ことを特徴とする原子力プラントの運転方法。
【請求項9】
請求項8に記載の原子力プラントの運転方法において、
前記水素製造システムは、
前記原子炉で発生した蒸気の熱エネルギを利用して原水から水蒸気を生成し、生成した水蒸気を電気分解して水素を製造する水素製造装置と、
前記原子炉から供給される蒸気の熱エネルギの貯蔵及び貯蔵している熱エネルギの前記水素製造装置への供給が可能な蓄熱設備とを含んでいる
ことを特徴とする原子力プラントの運転方法。
【請求項10】
請求項9に記載の原子力プラントの運転方法において、
前記第1運転を行う場合には、前記蓄熱設備に貯蔵されている熱エネルギを前記水素製造装置に供給して前記水素製造装置を保温する保温運転も同時に行う
ことを特徴とする原子力プラントの運転方法。
(【請求項11】以降は省略されています)
発明の詳細な説明
【技術分野】
【0001】
本発明は、原子力プラント及びその運転方法に係り、詳しくは、原子炉で発生した蒸気を用いて電力及び水素の併産が可能な原子力プラント及びその運転方法に関する。
続きを表示(約 3,000 文字)
【背景技術】
【0002】
原子力プラントにおいて水素を製造する手法として、固体酸化物形電解セル(Solid Oxide Electrolysis Cell:SOEC)の適用が検討されている。SOECは、イオンを通す電解質の両面を水素極と酸素極とで挟みこんだ構造体のセルを積層したものであり、各セルの水素極に水蒸気を供給して両極に電圧を印加することで水素極から水素を取り出すと共に酸素極から酸素を取り出す装置である。SOECを用いた水蒸気の電気分解は、エネルギ消費量を低く抑えることができるという特徴がある。そのため、原子力プラントにおける非化石燃料由来の原子力の熱エネルギを用いてSOECを作動させて水素を製造することで、地球温暖化の主要因とされる温室効果ガスの排出量の削減および水素社会に向けた燃料供給の両立が期待されている。
【0003】
原子力プラントにおいて水素を製造する手法としては、例えば、特許文献1に記載のものがある。特許文献1に記載の水素製造方法を行う原子力プラントでは、タービンを回転させる原子炉(熱源)の蒸気(冷却材)の一部を水蒸気発生装置に導いてこの蒸気(冷却材)の熱エネルギにより水蒸気を発生させ、当該水蒸気を熱交換器(第1加熱手段)で昇温させた後に電熱器(第2加熱手段)で電気エネルギにより更に昇温させ、昇温した水蒸気を水蒸気電解装置に導入して水素を生成する。すなわち、当該原子力プラントは、原子炉の蒸気の熱エネルギを利用して水蒸気を発生させる水蒸気発生装置、水蒸気発生装置で生じた水蒸気を昇温させる熱交換器および電熱器、熱交換器および電熱器で昇温した水蒸気を電気分解して水素を生成する水蒸気電解装置を含む水素製造システムを備えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
特開2006-307290号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
ところで、国内の送電網(電力系統)には、先に述べた原子力プラントにほかに、火力発電や水力発電、太陽光発電、風力発電などの各種の発電プラントが接続されている。電力系統は、前述の発電プラント群の電力供給量が日々の電力需要と常に一致するよう運用されている。太陽光発電や風力発電等に代表される再生可能エネルギ発電は昼夜や天候・気候によって発電量が時々刻々変化するので、主として火力発電が電力系統における需要と供給をバランスさせている。しかしながら、火力発電が温室効果ガスの主たる排出源であることから、火力発電プラントの稼働を停止させることを想定する必要がある。この場合、原子力プラントが電力系統における需要と供給をバランスさせる手段の候補となる。すなわち、原子力プラントは、外部(例えば、中央給電指令所)から与えられる負荷要求に応じて電力系統への発電出力を調整する運転が求められる。
【0006】
原子力プラントの運転では、目標出力の変化に対して実出力の遅れが顕著である。これは、原子炉内の核反応度を調整する手段(例えば、制御棒)の動作開始から実際に核反応が増減するまでの遅れや増減した核反応により核燃料内で発生した熱が冷却水に伝わるまでの遅れに起因している。このため、原子力プラントは、負荷要求に応じて原子炉の熱出力を急速に変化させることは難しい。
【0007】
また、特許文献1に記載の水素製造方法を行う原子力プラントを電力系統の需給バランスの手段として運用する場合を想定する。この場合、当該原子力プラントに対する負荷要求が低下したときに、原子炉の熱出力の一部が余剰となることがある。原子炉の熱出力の定格は、一般的に、水素製造システムが受け入れ可能な上限に比べて大幅に大きい。そのため、特許文献1に記載の原子力プラントにおいては、原子炉の熱出力の余剰分を水素製造システムが利用することができないことがある。この場合、原子炉の熱出力を有効に活用することができずに原子力プラントの効率低下を招いてしまう。
【0008】
本発明は、上記の問題点を解消するためになされたものであり、その目的は、負荷要求に応じて電力系統に対する発電出力を調整しつつ、原子炉の熱出力の有効活用及び原子炉の熱出力の変化抑制が可能な原子力プラント及びその運転方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0009】
本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいる。その一例を挙げるならば、電力系統に接続され、原子炉で発生した蒸気によって蒸気タービンを駆動させることで発電する原子力発電システムと、前記原子炉で発生した蒸気が供給可能に構成され、前記原子炉で発生した蒸気の熱エネルギを利用して原水から水蒸気を生成すると共に生成した水蒸気を電気分解して水素を製造する水素製造システムと、前記原子力発電システムに要求される前記電力系統への発電出力を指示する負荷要求が外部から入力され、前記負荷要求を基に前記原子力発電システム及び前記水素製造システムを制御するプラント制御装置とを備え、前記プラント制御装置は、前記負荷要求に対して前記原子炉の熱出力に余剰が無い場合には、前記原子炉の熱出力の全量を前記蒸気タービンに導入して発電させる一方、前記水素製造システムの水素製造を停止状態にする第1運転を行い、前記負荷要求に対して前記原子炉の熱出力に余剰が有り且つ前記原子炉の熱出力の余剰分が前記水素製造システムの受け入れ可能な上限以下である場合には、前記原子炉の熱出力を維持すると共に、前記原子炉の熱出力の一部を前記蒸気タービンに導入して前記負荷要求に応じた電力を前記電力系統に送出し、前記原子炉の熱出力の残りを前記水素製造システムに供給して水素を製造させる第2運転を行い、前記負荷要求に対して前記原子炉の熱出力に余剰が有り且つ前記原子炉の熱出力の余剰分が前記水素製造システムの前記上限を超えている場合には、前記原子炉の熱出力の余剰分が前記水素製造システムの前記上限以下となるように前記原子炉の熱出力を低下させると共に、前記原子炉の熱出力の一部を前記蒸気タービンに導入して前記負荷要求に応じた電力を前記電力系統に送出し、前記原子炉の熱出力の残りを前記水素製造システムに供給して水素を製造させる第3運転を行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【0010】
本発明によれば、負荷要求に対して、原子炉の熱出力に余剰が無い場合、原子炉の熱出力に余剰が有り且つ原子炉の熱出力の余剰分が水素製造システムの上限以下である場合、原子炉の熱出力に余剰が有り且つ原子炉の熱出力の余剰分が水素製造システムの上限を超えている場合の3つの条件に応じて、原子炉の熱出力を維持または変化させると共に蒸気タービン及び水素製造システム対する原子炉の熱出力の配分を変更するので、負荷要求に応じて電力系統に対する原子力発電システムの発電出力を調整しつつ、原子炉の熱出力の有効活用及び原子炉の熱出力の変化抑制が可能となる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
(【0011】以降は省略されています)
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