作为一种类型的核反应堆(nuclear reactor)的高温气体冷却反应堆采 用涂敷颗粒燃料作为燃料，这种涂敷颗粒燃料是覆盖有耐热热解碳(PyC) 和碳化硅的核燃料，还采用用作阻滞剂和堆芯内结构材料的耐热石墨，氦 气用作其冷却剂。另外，作为其中插入有燃料棒的石墨块的块型燃料和被 球状压缩的热载体床燃料被用作将用于高温气体冷却反应堆的涂敷颗粒 燃料。然后，通过用陶瓷而非金属材料构成反应堆堆芯，反应堆堆芯能够 经受接近1000℃的高温。
结果，通过利用由高温冷却反应堆产生的热量，可以获得其它类型的 核反应堆不能实现的超过800℃的高排出气体温度，从而实现高温效率的 电功率。另外，由于当燃料温度升高时，燃料溶化和涂敷层的破损很少发 生，所以要使用的燃料是相当安全的，裂变产物即使在意外事件条件下也 能保持。另外，在日本，“高温工程测试反应堆”(HTTR)作为高温气体 冷却反应堆工作。
在电功率产生机组中，这种如上所述的高温气体冷却反应堆被用于蒸 汽循环电功率产生，其中蒸汽通过来自高温气体冷却反应堆的高温气体生 成，从而驱动燃气涡轮，还被用于封闭循环燃气涡轮电功率产生，其中燃 气涡轮由来自高温气体冷却反应堆的高温气体驱动。这里，在具有与传统 热电功率产生的条件等同的蒸汽条件的燃气涡轮电功率产生中，实现了约 40％的热效率，但通过采用具有越高于850℃的核反应堆冷却剂排出温度 的封闭循环燃气涡轮电功率产生，可以实现45％至50％的热效率。
接着，作为在封闭循环燃气涡轮电功率产生中使用的高温气体冷却反 应堆，披露了一种在燃气涡轮机组中的高温气体冷却反应堆，其中，在高 温气体冷却反应对中的系统循环不同于燃气涡轮中的系统循环。(参见专 利文件1)在专利文件1披露的燃气涡轮机组中，在辅回路中的氦气被由 设置到主回路的高温气体冷却反应堆获得的高温氦气加热，接着，燃气涡 轮由辅回路中的经过加热的氦气驱动。
另外，本申请人披露了燃气涡轮机组，其中与高压压缩机共用同样的 轴的燃气涡轮和与发电机共用同样的轴的燃气涡轮按照通过不同的轴连 接的方式设置，且通过不同的轴连接的燃气涡轮由来自高温气体冷却反应 堆的氦气驱动。已经开发出“热载体床模组反应堆”(PBMR)，其用作上 述的这种燃气涡轮机组，设置有使用热载体床燃料的热载体床反应堆堆 芯。
另外，专利文件2中的燃气涡轮机组是设置有双轴燃气涡轮的燃气涡 轮机组，其中，通过同样的轴连接至发电机的燃气涡轮还通过同样的轴被 连接至低压压缩机。从而，增加了将要施加给通过一个轴被连接至低压压 缩机和发电机的燃气涡轮的负载。因此，已经开出处使用“PBMR”的燃 气涡轮机组，其中，为了分布负载，提供了通过一个轴连接至低压压缩机 的燃气涡轮，采用了包括三个轴的燃气涡轮的燃气涡轮机组。
专利文件1：专利申请公开H10-322215
专利文件2：专利申请公开H9-144557

本发明要解决的技术问题
然而，在高温气体冷却反应堆中，与压缩机共用同样的轴的涡轮的旋 转速度可被降低，但不能增加。因此，当涡轮由于机组效率和实际机组的 氦气流量偏离设计值而在额定负载工作期间低速旋转时，涡轮的旋转速度 不能增加，其结果是产生了以下影响：设置到压缩机的旋转叶片和涡轮将 共振，导致叶片破损。
本发明的目的在于提供燃气涡轮机组，其有封闭的循环系统构成，并 能够在额定负载工作期间安全地控制每个燃气涡轮。
解决技术问题所采用的手段
为了实现本发明，根据本发明的燃气涡轮机组包括高温气体冷却反应 堆，用于通过由涂敷颗粒燃料(coated-particle fuel)中的包覆裂变产物(clad fission products)的核裂变获得热能来加热冷却剂；第一燃气涡轮，由高 温气体冷却反应堆加热的冷却剂旋转，并与用于压缩冷却剂的压缩机共用 同样的轴；第二燃气涡轮，由所述第一燃气涡轮排出的冷却剂旋转，并与 执行电功率产生操作的发电机共用同样的轴；以及旁通通道，用于使所述 第二燃气涡轮旁通至所述冷却剂；其中，在额定负载操作期间，流经旁通 通道的冷却剂被控制，使得所述第一燃气涡轮的旋转速度落入预定旋转速 度。
本发明的优点
根据本发明，当包括多个轴的燃气涡轮机组的旋转速度在启动过程中 增加至额定速度时，通过提供旁通阀并控制旁通阀的开度(lift)，每个共 享同样的轴的燃气涡轮被单独地控制，从而使得增加转速成为可能。因此， 和所有燃气涡轮都同时增加转速的情况相比，本发明可以确认是否将每个 燃气涡轮的转速提高到额定旋转速度，使得燃气涡轮可安全启动。

图1是示出根据本发明的第一实施例的燃气涡轮机组的结构的框图；
图2是示出根据本发明的第二实施例的燃气涡轮机组的结构的框图；
图3是示出根据本发明的第三实施例的燃气涡轮机组的结构的框图；
图4A是示出在图3的燃气涡轮机组的启动期间的高压涡轮的旋转速 度的转换的时序图；
图4B是示出在图3的燃气涡轮机组的启动期间的低压涡轮的旋转速 度的转换的时序图；
图4C是示出在图3的燃气涡轮机组的启动期间的旁通阀的开度的转 换的时序图；
图5是示出根据本发明的第三实施例的燃气涡轮机组的另一结构的框 图；
图6是示出根据本发明的第三实施例的燃气涡轮机组的另一结构的框 图。
附图标记列表
1.高温气体冷却反应堆
2.高压涡轮(HPT)
3.低压涡轮(LPT)
4.功率燃气涡轮(PT)
5.发电机
6.热交换器
7.前置冷却器
8.低压压缩机(LPC)
9.中间冷却器
10.高压压缩机(HPC)
11.旁通通道
11a.口
11b和15.旁通阀
12.温度检测器
13.流量元件
14.旁通控制部

第一实施例
现在参考附图，随后将描述本发明的第一实施例。图1是示出根据本 发明的第一实施例的燃气涡轮机组的结构的框图。
图1中的燃气涡轮机组包括：高温气体冷却反应堆1，用于提供具有 裂变产物的核裂变而产生的热能的氦气，并排出高温氦气；高压燃气涡轮 (HPT)2，其由从高温气体冷却反应堆1排出的氦气驱动；低压涡轮(LPT) 3，其由HPT 2排出的氦气驱动；功率燃气涡轮(PT)4，其由LPT 3排出 的氦气驱动；发电机，其被构造成通过同样的轴连接至PT 4并由PT 4旋 转；热交换器6，用于通过被供给PT 4排出的氦气来进行热交换；前置冷 却器7，用于冷却氦气，热量通过热交换器6释放从所述氦气释放；低压 压缩机(LPC)8，用于压缩通过前置冷却器冷却的氦气；中间冷却器9， 用于冷却由LPC 8压缩并加压的氦气；高压压缩机(HPC)10，用于对由 中间冷区器9冷却的氦气进行加压，从而供给热交换器6。
另外，图1中的燃气涡轮机组设置有旁通通道11，使得从LPT 3排出 的氦气绕过PT 4，从而供给热交换器6，该旁通通道11上还设置有更换 口11a，以控制流经旁通通道11的氦气的流量。特别地，流经旁通通道11 的氦气的流量和供应到PT 4的氦气的流量由通过设置在旁通通道11上的 口11a确定的流量极限来确定。
当旁通通道11如上所述设置时，首先，测量HPT 2和LPT 3在额定 负载工作期间的旋转速度。当HPT 2和LPT 3的旋转速度低于安全工作的 旋转速度时，通过将氦气旁通到旁通通道11来降低LPT的出口压力，从 而提高HPT 2和LPT 3的旋转速度。
当如上所述构造的燃气涡轮机组以额定负载工作时，燃料成分供给通 过采用用于阻滞剂和堆芯材料的耐热石墨以设置有耐热结构的高温气体 冷却反应堆1，这些燃料成分是具有多层涂敷有热解碳和碳化硅的裂变产 物的微小陶瓷燃料颗粒的涂敷颗粒燃料，接着，燃料成分中的裂变产物进 行核裂变。由裂变产物的核裂变产生的热量被供给由热交换器6提供的氦 气，高温高压的氦气被供给HPT 2。另外，热载体床燃料或块燃料被用作 包括涂敷颗粒燃料的燃料成分。
接着，HPT 2由来自高温气体冷却反应堆1的高温高压氦气旋转，从 而旋转HPC 10，同时，由HPT 2排出的氦气被供给LPT 3。以同样的方式， LPT 3由旋转HPT 2的氦气旋转，以旋转LPC 8，同时，由LPT 3排出的 氦气被供应给PT 4。另外，PT 4由旋转LPT 3的氦气旋转，从而旋转发电 机5，从而产生电功率。此时，与设置的口11a所设定的流量相同的氦气 由LPT 3被旁通至热交换器6。通过以上述方式分别旋转HPT 2、LPT 3、 和PT 4而完成其工作的氦气被供给热交换器6。
在热交换器6中，从PT 4排出的高温氦气被供应，通过使在HPC 10 中压缩的氦气与来自PT 4的氦气进行热交换，来自HPC 10的加热后的氦 气被供给高温气体冷却反应堆1，同时，来自PT 4的冷却氦气被供给前置 冷却器7。由前置冷却器7冷却的氦气通过供给由LPT 3旋转的LPC 8而 被压缩并加压。此时，氦气的浓度通过使氦气由前置冷却器7冷却而增加， 从而增强了LPC 8的压缩效率。
接着，加过压的氦气在被中间冷区器9重新冷却后，被由HPT 2旋转 的HPC 10压缩并加压。同时，以与由前置冷却器7冷却的同样的方式， 通过使氦气由中间冷却器9冷却，HPC的压缩效率通过增加氦气的浓度而 增强。由HPC 10加压过的氦气由加热器6加热并被供给高温气体冷却反 应堆1。
根据本发明，如前所述，流过旁通通道11的氦气可通过安装口11a 到旁通通道11而被控制以具有理想流量。特别地，通过尽可能多地增加 要供给PT 4氦气的流量，并通过设置口11a的流量，使得用于将HPT 2 和LPT 3的旋转速度维持在预定值的足够流量的氦气旁通至旁通通道11， 可以安全和高效率地执行额定的负载工作。
第二实施例
下面将参考附图描述本发明的第二实施例。图2是示出根据本发明的 第二实施例的燃气涡轮机组的结构的框图。另外，图2中用作图1中的燃 气涡轮机组同样目的的燃气涡轮机组的部分将被设置同样的标记，省略对 其的详细描述。
与图1中的燃气涡轮机组不同的是，图2中的燃气涡轮机组设置有代 替了旁通通道11中的开口11a的旁通阀11b，还设置有：速度指示器12， 用于测量HPT 2的旋转速度；速度指示器13，用于测量LPT 3的转速； 以及旁通控制部14，用于分别根据HPT 2和LPT 3的旋转速度控制旁通 阀11b的开度。在按照上述方式构造的燃气涡轮标定负载工作期间的基本 特性和第一实施例的相同。因此，将参考第一实施例，其详细描述将被省 略。
以与第一实施例相同的方式，通过使HPT 2、LPT 3、和PT 4分别被 由高温气体冷却反应堆1供应的高温高压氦气旋转和驱动，分别与HPT 2、 LPT 3、和PT 4共用相同的轴的HPC 10、LPC 8和发电机5被操作，从而 执行额定负载操作。此时，由速度指示器12检测的HPT 2的旋转速度和 由速度指示器13检测的LPT 3的旋转速度分别被提供给旁通控制部14。 接着，在旁通控制部14中，将所提供的HPT 2和LPT 3的旋转速度分别 与设定值进行比较，从而确定HPT 2和LPT 3是否分别以安全的旋转速度 工作。
如上所述，根据本实施例，可通过确认HPT 2和LPT 3的旋转速度是 否分别超过预设值，并通过在HPT 2和LPT 3的旋转速度低于预设值时打 开旁通阀，来控制HPT 2和LPT 3的旋转速度。特别地，通过分别检测 HPT 2和LPT 3的旋转速度，并通过控制旁通阀11b的开度，流经旁通通 路11的氦气的流量可被控制以将HPT 2和LPT 3的旋转速度维持在预设 值。结果，可以安全和高效地执行额定负载操作。
另外，在第一和第二实施例中，燃气涡轮机组由包括HPT、LPT、和 PT的三轴燃气涡轮构成，但第一和第二实施例可应用于包括两个以上的 轴的“n”轴燃气涡轮机组，其中，提供了与一个以上的轴的压缩机共用 同样的轴的燃气涡轮和与发电机共用同样的轴的燃气涡轮。
第三实施例
下面参考附图描述本发明的第三实施例。图3是示出根据本发明的第 三实施例的燃气涡轮机组的结构的框图。另外，图3中用作图2中的燃气 涡轮机组同样目的的燃气涡轮机组的部分将被设置同样的标记，省略对其 的详细描述。
除了图2中的燃气涡轮机组的构造之外，图3中的燃气涡轮机组设置 有用于使从HPT 2排出的氦气绕过LPT 3的旁通阀15。在额定负载操作 期间，如上所述方式构造的燃气涡轮机组执行第一实施例中描述的基本动 作，通过完全封闭旁通阀15，并执行与第二实施例类似的动作，以控制旁 通阀11b的开度。结果，对于在额定负载操作期间的动作的详细描述，将 参考第一和第二实施例，将省略其详细描述。
通过参考图4A至图4C，下面将描述根据本发明的燃气涡轮机组的启 动期间的动作。首先，旁通阀11b和15被完全关闭。接着，储存罐(未 示出)中的氦气被装进氦气主系统，氦气主系统包括图1的燃气涡轮机组 中的高温气体冷区反应堆1、HPT 2、LPT 3、PT 4、热交换器6、LPC 8、 和HPC 9。此时，通过同时启动用于初始设置的鼓风系统(未示出)，装 进主系统的氦气被循环，流量被控制以防止氦气流入LPC 8和HPC 10。
接着，当确认装进主系统的氦气的温度和压力达到预定值时，操作被 转移到高温气体冷却反应堆1中的临界操作。接着，当高温气体冷却反应 堆1的内部达到临界状态时，高温气体冷却反应堆1的出口温度被控制以 落入预定温度范围。随后，通过控制流经HPT 2、HPT 3和PT 4的氦气的 流量，并通过将发电机5作为晶闸管操作，PT 4的旋转速度增加至额定旋 转速度“Rb”。接着，当PT 4的旋转速度被确认已经增加到额定旋转速度 “Rb”时，发电机5被同步。
如上所述，当发电机5在自启动初始化经过时间“ta”后被同步时， 如图4A和图4B所示，HPT 2和LPT 3的旋转速度被确认已经达到旋转速 度“Ra”。接着，通过控制流经LPC 8和HPC 10的氦气的流量来增加机 组负载。此时，如图4C所示，通过打开旁通阀15直到其开度达“x”％， 来自HPT 2的一部分氦气通过旁通阀15被供给PT 4。接着，负载增加， 同时，如图4A所示，HPT 2的旋转速度增加至额定旋转速度“Rb”。另外， 通过打开旁通阀15直到其开度达“x”％，如图4B所示，LPT 3的旋转速 度可被维持在旋转速度“Ra”。
接着，当确认HPT 2的旋转速度在经过时间“tb”后达到额定旋转速 度“Rb”时，如图4C所示，旁通阀15被完全关闭，来自HPT 2的所有 氦气均被供给LPT 3。结果，流到LPT 3的氦气的流量增加，使得如图4B 所示，LPT 3的旋转速度增加到额定旋转速度“Rb”。当HPT 2、LPT 3、 和PT 4的旋转速度增加至额定旋转速度“Rb”时，机组负载进一步增加， 使得无负载操作被转移至额定负载操作。另外，当机组负载如上所述增加 时，高温气体冷区反应堆1的出口温度被控制以获得预定温度。
如上所述，在本实施例中，通过安装旁通阀15，HPT 2和LPT 3的旋 转速度可在机组启动期间被单独控制。结果，通过分别将HPT 2和LPT 3 的旋转速度增加至额定旋转速度，HPT 2和LPT 3可在安全区域操作。
在如上所述的燃气涡轮机组启动期间，HPT 2和LPT 3的旋转速度通 过完全关闭旁通阀11b并同时控制旁通阀15的开度来依次增加。另外， 通过使用与旁通阀15类似的定时来控制旁通阀11b的开度，使得氦气绕 过PT 4成为可能，同时使得依次增加HPT 2和LPT 3的旋转速度成为可 能。
另外，以与第二实施例相同的方式，本实施例可设置有速度指示器12 和13，分别用于测量HPT 2和LPT 3的旋转速度，还设置有旁通控制部 14用于根据HPT 2和LPT 3的旋转速度分别旁通阀11b的开度，其中，氦 气的流量可被自动控制，以使得HPT 2和LPT 3的旋转速度实现指定值。
另外，根据本实施例的燃气涡轮机组包括三轴燃气涡轮，但可以包括 具有三个以上的轴的“n”轴涡轮。此处，如图5和图6所示，由于与发 电机共用同样的轴的燃气涡轮(PT)4是单轴涡轮，分别与压缩机“C1” 至“Cn-1”共用同样的轴的燃气涡轮(T1)至“Tn-1”具有“n-1”个轴， 同时，“n-2”件旁通阀“V1”至“Vn-2”被安装，以使得氦气绕过除了第 一级燃气涡轮“T1”外每个与压缩机“C2”至“Cn-1”共用同样的轴的燃 气涡轮“T2”至“Tn-2”。
接着，如图5所示，对于每个与压缩机共享同样的轴的“n-2”燃气 涡轮，旁通阀“V1”至“Vn-2”可被以衔接设置方式安装。另外，如图6 所示，旁通阀“V1”至“Vn-2”可被以这样的次序安装，旁通阀“V1” 用于旁通“n-2”轴燃气涡轮“T2”至“Tn-1”，旁通阀“V2”用于旁通“n-3” 轴燃气涡轮“T3”至“Tn-1”，等等，“Vn-2”用于旁通单轴燃气涡轮“Tn-1”。
另外，当旁通阀“V1”至“Vn-2”如图5和图6所示设置时，在图5 的情况下，首先，在启动过程中，旁通阀“V1”至“Vn-2”被打开使得将 燃气涡轮“T1”设置在额定旋转速度。随后，旁通阀“V1”、“V2”、等等、 和“Vn-2”被依次完全关闭，从而使得燃气涡轮“T2”、“T3”、等等、和 “Tn-1”依次被加速至额定旋转速度。此时，旁通阀11b被完全关闭或被 打开至预定开度。另外，在图6的情况下，首先，在启动过程中，旁通阀 “V1”被打开使得将燃气涡轮“T1”设置在额定旋转速度。随后，在完全 关闭旁通阀“V1”之后，所述旁通阀以“V2”、等等、和“Vn-2”的顺序 被打开以获得其开度，随后完全关闭，从而使得燃气涡轮以“T2”、“T3”、 等等、和“Tn-1”的顺序被加速至额定旋转速度。此时，以类似的方式， 旁通阀11b被完全关闭或被打开至预定开度。
工业适用性
根据本发明的燃气涡轮机组可用于设置有高温气体冷却反应堆和连 接至多个轴的燃气涡轮的燃气涡轮机组，另外在无论待用于高温气体冷却 反应堆的涂敷颗粒燃料是热载体床燃料还是块燃料的情况下均能应用。