专利名称：闭合循环设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种通过利用在高温气冷反应堆中生成的热量发电的闭合循环设备。
背景技术：
使用核反应堆作为热源并且通过在核反应堆内加热的氦气驱动气轮机的闭合循 环设备是公知的(例如，见专利文献1)。 专利文献1提出了提供一种包括核反应堆、几种类型的涡轮机、压縮机和类似装
置的闭合循环中的启动鼓风系统，并且在启动时通过操作这种起动鼓风系统以循环闭合循
环中的氦气从而逐渐增加气轮机的转速来建立Brayton循环。 专利文献1 :PCT国际申请出版物第2005-508492号的日文翻译。
发明内容
然而，在上述专利文献1中所述的系统中，因为鼓风系统设置在放射性工作流体
在其内进行循环的闭合循环中，因此具有的问题是难以对启动鼓风系统进行维修/检查。
此外，因为氦气在启动时逐渐循环，因此具有的问题是需要花费时间来启动。 本发明的目的是提供一种易于维修/检查并且能够快速实现闭合循环设备的稳
定启动的闭合循环设备。 本发明提供了一种闭合循环设备，所述闭合循环设备包括具有核反应堆的高温 气冷反应堆；气轮机，所述气轮机由在高温气冷反应堆内加热的工作流体驱动；压縮机，所 述压縮机与气轮机同轴连接；发电机，所述发电机通过输出轴连接到气轮机；和供电单元， 所述供电单元以可断开的方式连接到发电机并且将电力供应给发电机，其中，当启动时，供 电单元连接到发电机，并且供应电力以使发电机的加速比恒定。 依此方式，在启动时，因为将电力从供电单元供应给发电机，并且使发电机用作电 动机，可以容易地执行气轮机的旋转控制。此外，因为执行气轮机的旋转控制的供电单元 可以设置在放射性工作流体流动在其内流动的系统的外部，因此可以容易地实施维修/检 查，而无需考虑放射性物质和类似物质的影响。 此外，根据发电机的转速确定确保稳定运行的输出下限(例如，输出功率下限)， 并且如果供电单元在此输出下限以下的区域(以下，此区域被简称为"不稳定区域")内运 行，则输出变得不稳定并且会降低性能。当根据发电机的扭矩执行供电单元的输出控制时， 具有的风险是可能在不稳定区域内使用供电单元；然而，通过执行输出控制使得发电机的 加速比保持恒定，可以避免在不稳定区域内的使用。 此外，通过使用电子仪器作为供电单元，可以提高响应性并且可以縮短启动时间。
在上述闭合循环设备中，供电单元可以根据发电机的转速确定发电机的加速比， 并且供应电力以保持加速比恒定。 依此方式，通过根据发电机的转速控制供电单元的输出，与根据发电机的扭矩进 行控制相比，可以容易并且高精度地执行发电机的速度控制或加速比的控制。此外，通过直接监测发电机的转速，可以避免在不稳定区域内使用供电单元，并且可以实现稳定的电力供应。 上述闭合循环设备还可以包括转速控制器，当供电单元的输出等于或小于输出阈 值时，所述转速控制器通过增加载荷来限制发电机的转速，所述输出阈值被设定在确保供 电单元的稳定运行的输出下限处或所述输出下限以上。 根据上述结构，当供电单元的输出等于或小于被设定在输出下限处或所述输出下 限以上的输出阈值时，强制增加载荷；因此，在供电单元中，执行控制以增加输出，从而增加 发电机的转速。因此，可以增加供电单元的输出，并且可以避免使输出等于或小于输出下 限。因此，可以在稳定输出区域内使用供电单元。 在上述闭合循环设备中，旋转控制器可以包括连续电阻器装置，所述连续电阻器 装置以可断开的方式连接到发电机。 根据这种结构，可以以电的方式调节载荷增量。因此，可以增加载荷的响应性。
在上述闭合循环设备中，旋转控制器可以包括流量控制阀，所述流量控制阀调节 供应给压縮机的冷却剂的流量，其中，可以通过控制流量控制阀的开度限制发电机的转速。
上述闭合循环设备还可以包括控制装置，所述控制装置根据供电单元的输出与输 出阈值之间的差控制转速控制器的载荷增量。 根据这种结构，可以根据供电单元的输出与输出阈值之间的关系适当地控制转速
控制器的载荷增量。因此，可以避免使供电单元的输出落入到不稳定区域内。 在上述闭合循环设备中，当发电机的转速已经达到预定目标转速时，输出阈值可
以被设定为保持供电单元的输出。 因此，当发电机的转速已经达到预定目标转速时，可以保持供电单元的输出与转 速控制器控制的载荷增量之间的平衡。因此，可以将在停止供电单元和转速控制器时发电 机的转速的波动降低到最小，并且可以将在连接发电机和电力系统时闭合循环设备的状态 的变化减小到最小。 在上述闭合循环设备中，当发电机的转速已经达到预定目标转速时，控制装置可 以将供电单元的输出阈值和转速控制器的载荷增量中的一个与供电单元的输出阈值和转 速控制器的载荷增量中另一个相匹配。 因此，当发电机的转速已经达到预定目标转速时，可以保持供电单元的输出扭矩 与转速控制器的载荷增量之间的平衡。因此，可以将在停止供电单元和转速控制器时发电 机的转速的波动降低到最小，并且可以将在连接发电机和电力系统时闭合循环设备的状态 的变化减小到最小。 此外，可以在容许的范围内在各种组合中使用上述每一个状态量。 根据本发明，所提供的优点在于可以容易地实施维修/检查，并且可以快速实现
闭合循环设备的稳定启动。
图1是概括地显示根据本发明的第一实施例的闭合循环设备的整体结构的图；
图2是显示供电单元的示例性输出特性的图；
图3是连续电阻器组的示例性载荷特性的 图4是根据本发明的第一实施例的控制装置的控制方框图； 图5是显示图4中所示的控制装置的结构的变形例的控制方框图； 图6是显示图4中所示的控制装置的结构的变形例的控制方框图； 图7是根据本发明的第二实施例的控制装置的控制方框图； 图8是用于说明在图7中所示的控制装置中使用的输出阈值的图； 图9是根据本发明的第三实施例的控制装置的控制方框图； 图10是用于说明图9中所示的控制装置的操作的图；以及 图11是显示图9中所示的控制装置的结构的变形例的控制方框图。 附图标记列表 l:闭合循环设备 2:闭合循环 11 :高温气冷反应堆 12:气轮机 13 :热交换器 14 :低压压縮机 15 :高压压縮机 20和21:流量控制阀 22:发电机 23:供电单元 24:连续电阻器组 25、25a、25b :控制装置 31 :第一减法单元 32:第一选择单元 33 :第二选择单元 34 :第二减法单元 35 、36 、37 :乘法器 38 :保持单元 39 :开关
具体实施例方式
以下参照
根据本发明的闭合循环设备的实施例。
[第一实施例] 在图1中，概括地示出了根据本发明的第一实施例的闭合循环设备的整体结构。
如图1中所示，闭合循环设备1包括闭合循环2，在所述闭合循环中，用作高温气冷 反应堆ll中的冷却剂的氦气(工作流体)通过气轮机12、热交换器13、低压压縮机14、高 压压縮机15、和类似装置被再次发送到热交换器13，并然后返回到高温气冷反应堆11。
在上述闭合循环2中，用于冷却氦气的冷却器16设置在热交换器13与低压压縮 机14之间以提高低压压縮机14处的压縮效率。类似地，用于冷却氦气的冷却器17设置在 低压压縮机14与高压压縮机15之间以提高高压压縮机15处的压縮效率。
此外，用于使从冷却器17排放的氦气旁通并且将所述氦气供给低压压縮机14的 旁通管线18和用于使从高压压縮机15排放的氦气旁通并且将所述氦气供给到冷却器16 的旁通管线19设置在闭合循环2中。用于控制将要旁通的氦气的流量的流量控制阀(转 速控制器)20和21分别设置在旁通管线18和19中。 气轮机12、低压压縮机14、高压压縮机15、和发电机22单轴连接。 用于在闭合循环设备1启动时将电力供应给发电机22的供电单元23以可断开的
方式连接到发电机22。供电单元23例如具有根据来自控制装置的信号将电流供应给发电
机以使发电机作为电动机操作的功能。上述供电单元23例如可以是SFC(静止变频器)。 此外，用于增加载荷的连续电阻器组(CRB -Continuous ResistorBank) 24以可断
开的方式连接到发电机22。连续电阻器组(旋转控制器)24由多个电阻元件形成，并且通
过控制连接到发电机22的电阻元件的数量或类似因素调节载荷增量。通过将连续电阻器
组连接到发电机22，可将制动施加到发电机22的旋转，并因此可以控制转速。 上述流量控制阀20和21还用作用于将制动施加到发电机22的旋转的转速控制
器。换句话说，通过将流量控制阀20和21打开到预定开度，可增加供给低压压縮机14的
氦气量，并且可增加低压压縮机14的原动力，从而可以间接降低发电机22的旋转。 通过控制装置25控制上述连续电阻器组24和流量控制阀20和21。分别通过根
据发电机22的转速和供电单元23的输出调节连续电阻器组24的电阻值并且调节设置在
旁通管线18和19中的流量控制阀20和21的开度，控制装置25适当地增加载荷以控制发
电机22的旋转。 在具有这种结构的闭合循环设备1中，在正常运行下，高温气冷反应堆11被供给 有燃料元件，所述燃料元件是被涂覆的颗粒燃料，所述颗粒燃料为陶瓷微燃料颗粒，其是裂 变产物以及多次涂覆有高温炭和碳化硅，且在所述燃料元件中的裂变产物经受核裂变。将 由这种裂变产物的核裂变生成的热能施加给作为工作流体的氦气，并且从高温气冷反应堆 11排放高温高压氦气。将高温高压氦气发送到气轮机12并且驱动气轮机12。将气轮机12 的旋转力以原动力的形式传递给发电机22，所述发电机与气轮机12单轴连接，并且在发电 机22处实施电力的生成。 将已经在气轮机12中进行工作的氦气排放到热交换器13。在热交换器13中，如 下所述实施从气轮机12排放的低温氦气与从高压压縮机15排放的高压氦气之间的热交 换。将由热交换冷却的氦气通过冷却器16发送到低压压縮机14，并且压縮所述氦气。将 压縮后的氦气通过冷却器17发送到高压压縮机15。再次，将在高压压縮机15内被加压的 氦气发送到热交换器13，在所述热交换器中，实施与从气轮机12排放的氦气的热交换。因 此，热氦气再次返回到高温气冷反应堆11。
接下来，说明上述闭合循环设备1在启动时的操作。 首先，在启动时，由于从供电单元23将电力(电流)供应给发电机22而使发电机 22旋转，并且使与发电机22同轴连接的气轮机12旋转。依此方式，当闭合循环设备1启动 时，发电机22用作将旋转力提供给气轮机12的电动机。 供电单元23例如监测发电机22的转速并且根据这种转速供应电力，使得发电机 22的加速比变成恒定的。当发电机22的转速已经达到预定目标转速，并且达到能够独立操 作的状态，供电单元23切断与发电机22的连接。此后，发电机22和电网(网络)连接，从
6而使在发电机22中生成的电力流入到电网中。 上述供电单元23具有诸如图2中所示的输出特征的输出特征。在图2中，水平 轴表示发电机的转速，而垂直轴表示供电单元的输出功率(以下，输出功率被简称为"输 出")。在图2中，在根据转速确定的输出下限以下的区域(换句话说，输出区域在附图中被 显示为不稳定区域)是供电单元23的输出是不稳定的区域和性能劣化的区域。因此，需要 控制供电单元23的输出，使得供电单元23不会在图2中所示的不稳定区域内运行。
因此，在这种实施例中，当供电单元23的输出由于发电机22的扭矩的减小而降低 到不稳定区域附近时，控制装置25通过操作连续电阻器组24和流量控制阀20和21强制 增加载荷，从而控制发电机22的转速。通过强制增加载荷，在供电单元23处执行用于增加 输出的控制，以便增加发电机22的转速；因此，可以将供电单元23的输出保持在不稳定区 域以上。 在图3中，示出了连续电阻器组24的载荷特性。在图3中，水平轴表示发电机的 转速，而垂直轴表示可以由连续电阻器组24增加的载荷值(最大载荷)。如该图中所示，连 续电阻器组24的最大载荷与发电机22的转速的平方成比例。 接下来，参照图4说明通过上述控制装置25对连续电阻器组24和流量控制阀20 和21进行的具体控制。图4显示控制装置25的控制方框图。 如图4中所示，控制装置25包括第一减法单元31，所述第一减法单元计算供电 单元23的输出与供电单元23的输出阈值之间的差；第一选择单元32，所述第一选择单元 比较第一减法单元31的输出和零，并且输出较大值；第二选择单元33，来自第一选择单元 32的输出和如下所述连续电阻器组24的载荷上限被输入到所述第二选择单元，所述第二 选择单元选择较小值并且将此较小值作为连续电阻器组24的载荷指令值输出；第二减法 单元34，所述第二减法单元计算第一选择单元32的输出与第二选择单元33的输出之间的 差；和乘法器35，所述乘法器输出通过将来自第二减法单元34的输出乘以常数a获得的 值，作为流量控制阀20和21的开度指令值。 这里，供应给第一减法单元31的供电单元23的输出阈值被设定为等于或大于确 保供电单元23稳定运行的输出下限(图2中的直线L)。输出阈值是由使发电机22的转速 作为变量的预定函数表达式获得的值，并且例如由在图8中所示的直线L'所示，被定义为 发电机22的转速的函数。输出阈值的设定值越靠近下限，则可以利用较少的电力更加有效 地操作控制。换句话说，通过将输出阈值设定到图2中所示的直线L上的值，可以将电力损 失减小到最小。 此外，通过给发电机22的转速的均方值乘以预定常数a可获得到上述第二选择 单元33的载荷极限输入。这里，预定常数a为正数。 根据这种控制装置25，例如，当供电单元23的输出等于或大于输出阈值时，从第 一选择单元32输出零，然后，载荷指令值和阀开度指令值变成零。换句话说，在这种状态 下，连续电阻器组24进入其中连续电阻器组24没有与发电机23连接的状态，并且进一步， 因为流量控制阀20和21处于完全闭合状态下，因此氦气没有从旁路通过；因此，通过这种 转速控制器不会增加载荷。 另一方面，当供电单元23的输出小于输出阈值时，来自第一减法单元31的输出变 成负数，因此，将通过第一选择单元32选择并输出通过从输出阈值减去供电单元23的输出获得的值。通过如此进行，通过连续电阻器组24和氦气的旁通强制增加与供电单元23的 输出从输出阈值降低的的量相对应的载荷。 在这种情况下，控制装置25优先使用连续电阻器组24以增加载荷。依此方式，通 过优先使用连续电阻器组24，从而具有较好的响应性，可以快速增加载荷。另一方面，当由 于连续电阻器组24不能通过增加的载荷补偿供电单元23的不足输出时，控制装置25还操 作流量控制阀20和21以使氦气旁通，从而允许载荷增加。 如上所述，根据此实施例的闭合循环设备l，在闭合循环设备启动时，因为从供电 单元23将电力供应给发电机22，并且使发电机22用作电动机，因此可以容易地执行气轮机 12的旋转控制。此外，因为执行气轮机12的旋转控制的供电单元23、控制装置25、和类似 装置可以与闭合循环2分开设置，因此可以容易地维修/检查供电单元23和类似装置，而 无需考虑放射性物质和类似物质的影响。 在上述实施例中，虽然通过连续电阻器组24和流量控制阀20和21增加载荷，但 是可以仅仅通过连续电阻器组24增加载荷，或者仅仅通过流量控制阀20和21增加所述载 荷。 在图5中，示出了对于仅通过使用连续电阻器组24来增加载荷的情况的控制装置 的控制方框图，而在图6中，示出了对于仅通过操作流量控制阀20和21来增加载荷的情况 的控制装置的控制方框图。
[第二实施例] 接下来，说明根据本发明的第二实施例的闭合循环设备。 根据此实施例的闭合循环设备与上述第一实施例的不同在于控制装置的结构。对
于根据此实施例的闭合循环设备，以下主要说明与上述第一实施例的不同。 在图7中，示出了根据此实施例的控制装置的控制方框图。此外，图8是显示在根
据此实施例的控制装置中使用的输出阈值L'的示例的图。 如图7中所示，根据此实施例的控制装置25a在第二选择单元33的随后阶段包括 保持单元38，当发电机22的转速已经达到预定转速时，所述保持单元保持连续电阻器组24 的载荷指令值。因此，当转速已经达到预定转速时，通过将供电单元23的输出保持恒定，可 以仅利用连续电阻器组24执行控制，并且可以更加容易地对转速进行平衡控制。
根据这种结构，当发电机22的转速已经达到预定目标转速时，由于连续电阻器组 24，可以平衡供电单元23的输出和载荷，因此，可以将在停止供电单元23和连续电阻器组 24时发电机22的转速的波动减小到最小。因此，在停止供电单元23和连续电阻器组24之 后可以将闭合循环设备的状态改变减小到最小，并且可以保持稳定运行。
[第三实施例] 接下来，说明根据本发明的第三实施例的闭合循环设备。 根据此实施例废热闭合循环设备与上述第一实施例的不同在于控制装置的结构。
对于根据此实施例的闭合循环设备，以下主要说明与上述第一实施例的不同。 在图9中，示出了根据此实施例的控制装置的控制方框图。此外，图IO是显示在
根据此实施例的控制装置中使用的输出阈值的示例的图。 如图9中所示，根据此实施例的控制装置25b在第二选择单元33的随后阶段包括 保持单元38和开关39，当发电机22的转速已经达到预定目标转速时，所述保持单元保持连续电阻器组24的载荷指令值，当发电机22的转速已经达到预定目标转速时，所述开关将供 电单元23的输出阈值切换到与连续电阻器组24的载荷指令值相对应的输出设定值。
根据这种结构，当发电机22的转速已经达到预定目标转速时，保持连续电阻器组 24的载荷指令值，并且将供电单元23的输出阈值切换到与连续电阻器组24的载荷指令值 相对应的输出设定值。因此，如图10中所示，当发电机22的转速已经达到目标转速(在图 10中为100% )时，可以使供电单元23的输出与对应于连续电阻器组24的载荷的值相匹 配。 因此，当停止供电单元23和连续电阻器组24时，可以将发电机22的转速的波动 降低到最小，并且可以将闭合循环设备的状态的变化减小到最小。 在上述实施例中，当发电机22的转速已经达到目标转速(例如，100% )时，使供 电单元23的输出阈值与相对应于连续电阻器组24的载荷的值相匹配；然而，与此相反，如 图11中所示，通过将连续电阻器组24的载荷指令值切换到与供电单元23的输出阈值相对 应的载荷指令值，可以执行控制以平衡连续电阻器组24的载荷和供电单元23的输出。
权利要求
一种闭合循环设备，包括高温气冷反应堆，所述高温气冷反应堆具有核反应堆；气轮机，所述气轮机由在所述高温气冷反应堆中加热的工作流体驱动；压缩机，所述压缩机与所述气轮机同轴连接；发电机，所述发电机通过输出轴连接到所述气轮机；和供电单元，所述供电单元以能够拆开的方式连接到所述发电机，并且将电力供应给所述发电机，其中，当启动时，所述供电单元连接到所述发电机，并且供应电力以使所述发电机的加速比恒定。
2. 根据权利要求1所述的闭合循环设备，其中，所述供电单元根据所述发电机的转速 确定所述发电机的加速比，并且供应电力以保持所述加速比恒定。
3. 根据权利要求1或2所述的闭合循环设备，还包括转速控制器，当所述供电单元的输 出等于或小于输出阈值时，所述转速控制器通过增加载荷来限制所述发电机的转速，所述 输出阈值被设定在确保所述供电单元的稳定运行的输出下限处或在所述输出下限以上。
4. 根据权利要求3所述的闭合循环设备，其中，所述旋转控制器包括连续电阻器装置， 所述连续电阻器装置以能够拆开的方式连接到所述发电机。
5. 根据权利要求3或4所述的闭合循环设备，其中，所述旋转控制器包括流量控制阀， 所述流量控制阀调节供应给所述压縮机的冷却剂的流量，其中，通过控制所述流量控制阀 的开度限制所述发电机的转速。
6. 根据权利要求3-5中任一项所述的闭合循环设备，还包括控制装置，所述控制装置 根据所述供电单元的输出与所述输出阈值之间的差控制所述转速控制器的载荷增量。
7. 根据权利要求3-6中任一项所述的闭合循环设备，其中，当所述发电机的转速已经 达到预定目标转速时，所述输出阈值被设定为保持所述供电单元的输出。
8. 根据权利要求6所述的闭合循环设备，其中，当所述发电机的转速已经达到所述预 定目标转速时，所述控制装置将所述供电单元的输出阈值和所述转速控制器的载荷增量中 的一个与所述供电单元的输出阈值和所述转速控制器的载荷增量中的另一个相匹配。
全文摘要
本发明提供一种容易维修/检查并且快速实现稳定启动的闭合循环设备。闭合循环设备包括高温气冷反应堆，所述高温气冷反应堆具有核反应堆；气轮机气轮机，所述气轮机通过在高温气冷反应堆加热的工作流体驱动；低压压缩机和高压压缩机，所述低压压缩机和所述高压压缩机与气轮机同轴连接；发电机，所述发电机通过输出轴连接到气轮机；和供电单元，所述供电单元以可断开的方式连接到发电机，并且供应电力。当启动闭合循环设备时，供电单元连接到发电机，并且供应电力以使发电机的加速恒定。
文档编号F01D15/10GK101785069SQ20088010315
公开日2010年7月21日 申请日期2008年10月10日 优先权日2007年10月12日
发明者园田隆, 滨浦永行, 蒲原觉 申请人:三菱重工业株式会社