JP2000075088A - 汽力発電プラントの循環水ポンプ電源システムの設計方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】循環水ポンプを駆動する電動機の極数低減を図
ることにより力率の低下等を防止し、かつ各発電所の駆
動電動機の極数統一を可能として電動機設計の合理化を
図る。 【解決手段】商用周波数電源に接続され、発電プラント
内の各補機に給電する高圧電源盤１７と、高圧電源盤１
７に接続されるとともに、蒸気を冷却する復水器６へ冷
却水を供給する循環水ポンプ７を駆動する循環水ポンプ
駆動電動機２２とを備えた汽力発電プラントの循環水ポ
ンプ電源システムの設計方法において、高圧電源盤１７
と循環水ポンプ駆動電動機２２との間に可変周波数電源
装置１９を接続し、循環水ポンプ駆動電動機２２に商用
周波数より低周波数の電源を供給することにより、循環
水ポンプ駆動電動機２２の極数を低減する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、汽力発電プラント
内の復水器に海水を供給する循環水ポンプに係わり、特
に、循環水ポンプを駆動する電動機へ電源を供給する汽
力発電プラントの循環水ポンプ電源システムの設計方法
に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば、汽力発電プラントの１つである
原子力発電所においては、原子炉の炉心で発生した蒸気
がタービンに導かれ、発電機を駆動して発電を行う。タ
ービンから流出した蒸気は復水器に導かれ、冷却されて
水に戻った後、再び原子炉に還流される。このとき、復
水器における冷却には、通常海水が用いられており、取
水口から取り入れた海水を循環水ポンプによって復水器
へ供給するようになっている。

【０００３】この循環水ポンプは、通常、誘導電動機で
駆動される。この循環水ポンプ駆動電動機に係わる電源
システムの従来構造の一例を図５に示す。図５に示す電
源システムにおいて、発電所内の各所内補機に給電する
ために高圧電源盤１７が設置されており、この高圧電源
盤１７は、受電遮断器１６及び所内変圧器１５を介し、
さらに主変圧器２１及び開閉所２０を介して商用周波数
の電力系統１４と接続される一方、発電機負荷開閉器１
３を介して発電機１２にも接続されている。そして、プ
ラント通常運転時は発電機負荷開閉器１３を閉とするこ
とにより発電機１２から電源を供給し、プラント始動／
停止時に伴う発電機１２の停止時は発電機負荷開閉器１
３を開いて電力系統１４から主変圧器２１等を介して給
電を行うようになっている。また、高圧電源盤１７に
は、循環水ポンプ受電遮断器１８を介して誘導電動機
（又は同期電動機）である循環水ポンプ駆動電動機２２
が接続されており、循環水ポンプ受電遮断器１８が投入
されると、高圧電源盤１７より循環水ポンプ受電遮断器
１８を介して交流電源が入力され、循環水ポンプ駆動電
動機２２に給電するようになっている。このような接続
方法は、各電動機と高圧電源盤２２を遮断器のみを介し
て直に接続するものであり、部品点数が少ないなどの利
点があるため、発電所内のほとんどの電動機についてこ
の方式を採用することが多い。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】循環水ポンプ７は、復
水器に大量の海水を送水する必要性から、大容量かつ低
回転にて運転する必要がある。ここで、一般に、誘導電
動機の回転数Ｎは、電動機の極数Ｐと供給される電源周
波数ｆとで決定される同期速度とほぼ同じ速度（後述す
るすべり分だけ遅い）によりほぼ決定され、 Ｎ＝（１−ｓ）×１２０×ｆ／Ｐ … （１） で表される。なお、ｓはすべりであり、負荷の状態によ
り若干の変更はあるもののその値は数％程度である。こ
の式から分かるように、誘導電動機の回転数Ｎは、電動
機の極数Ｐにほぼ反比例し、電源周波数ｆにほぼ比例す
る性質をもつ。なお、同期速度で回転する同期電動機に
ついても同様である。

【０００５】図５に示す従来構造では、電力系統１４か
ら商用周波数（ｆ＝５０Ｈｚ又は６０Ｈｚ）の電源が供
給されている高圧電源盤１７に対し、循環水ポンプ駆動
電動機２２を直接接続している。そのため、誘導電動機
である循環水ポンプ駆動電動機２２の回転数Ｎを低くし
て運転するには、極数Ｐを非常に多くしなければならな
い。これにより、以下のような不都合が生じる。

【０００６】（Ａ）力率の低下に伴う電動機サイズと入
力皮相電力の増加 すなわちまず、電動機は、その極数Ｐが多くなるほどリ
アクタンス分の増加によって無効電力が増大するため、
力率が悪くなり、電動機サイズと入力皮相電力が大きく
なる。また、循環水ポンプ駆動電動機２２は、発電所内
でも最大クラスの電動機であることから、所内変圧器１
５の設計時に上記以外にも以下の２つの点に配慮する必
要が生じる。すなわち、高圧電源盤１７には、循環水ポ
ンプ駆動電動機２２以外にも図示しない種々の補機が接
続されているが、それらのうちいずれか１つに短絡事故
が発生した場合、電力系統１４から所内変圧器１５を介
しその短絡箇所に短絡電流が流入するとともに、高圧電
源盤に接続され循環水ポンプ駆動電動機２２を含む運転
中の電動機が慣性により発電機として機能し、これらの
電動機からも高圧電源盤１７を介しその短絡箇所に電流
が流入する。短絡事故発生時を想定する場合、これら２
つの流入ルートからの電流を遮断器の遮断電流以内に抑
制しなければならないが、循環水ポンプ駆動電動機２２
の容量が大きくなると発電機として機能するときの発電
電力も大きくなるため、その分、電力系統から短絡箇所
に流入する電流を小さくしなければならない。そのた
め、所内変圧器１５の短絡インピーダンスを比較的大き
く設定する必要がある。一方、上記図５の構造では、循
環水ポンプ駆動電動機２２の始動の際、遮断器１８の投
入により電動機に定格電圧を加えて始動する直入れ方式
であるため、電動機始動時の電流は定格電流の５〜６倍
となる。そのため、所内変圧器１５の短絡インピーダン
スをあまり大きくすると、その大きな始動電流によって
所内変圧器１５において大きな電圧降下が生じ、高圧電
源盤１７やこれに接続された他の補機に対し所定の電圧
を供給できなくなる。以上のように、所内変圧器１５の
短絡インピーダンス設定範囲には、それぞれの理由に基
づく制限があるが、循環水ポンプ駆動電動機２２の極数
Ｐが多くなり力率が低下し、電動機容量が増加するにつ
れ、この選定可能な範囲が極めて狭くなり、プラント電
源システム設計自体が困難となる。

【０００７】（Ｂ）極数不統一によるコストアップ 一般に、ポンプの仕様は流量Ｑ、揚程Ｈにより決定され
る。ここで、循環水ポンプの仕様は、海水面との標高差
・水路長等の立地条件により揚程Ｈがそれぞれ異なるた
め、同一出力の発電所で流量Ｑが同じであっても発電所
ごとにその仕様を設計せざるを得ない。

【０００８】ところで、ポンプについては、 Ｎs＝｛Ｎ（ＱＨ）^1/2｝／Ｈ^5/4｝ … （２） で表される比速度Ｎｓを２台のポンプで一致させれば、
それらの流量Ｑ、揚程Ｈの要求が互いに異なっていて
も、両者の構造を相似形にできることが知られている。
そこで、循環水ポンプの設計においては、各発電所にお
いて比速度Ｎsを同一とすることでポンプ設計を合理化
しコスト低減を図る一方、各発電所ごとの個別の要求に
対しては、駆動電動機の回転数Ｎを変更して対応してい
た。

【０００９】すなわち、流量Ｑ、揚程Ｈの異なる各発電
所の循環水ポンプの比速度Ｎsを一致させるべく、上記
式（２）に基づき、その循環水ポンプ駆動電動機の回転
数Ｎを発電所ごとに変更していた。ところが、上記式
（１）で説明したように、一般に、誘導電動機の回転数
Ｎは、電動機の極数Ｐと供給される電源周波数ｆとによ
りほぼ決定されることから、電源周波数ｆが商用周波数
に固定される場合には、回転数Ｎを変更するには、極数
Ｐを発電所ごとに変えなければならない。そのため発電
所ごとに循環水ポンプ駆動電動機の設計が新たに必要と
なり、電動機コストアップの要因となる。

【００１０】なお、例えば特開昭５５−１００７９号公
報には、復水器の循環水ポンプに関する電源システムに
おいて、高圧電源盤（電源母線）と循環水ポンプ駆動電
動機との間に周波数変換装置を配置する構成が開示され
ているが、電動機の極数の低減による力率低下の防止や
電動機設計の合理化については特に配慮されておらず、
示唆もない。

【００１１】本発明の目的は、循環水ポンプを駆動する
電動機の極数低減を図ることにより力率の低下等を防止
し、かつ各発電所の駆動電動機の極数統一を可能として
電動機設計の合理化を図れる汽力発電プラントの電源シ
ステムの設計方法を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】（１）上記目的を達成す
るために、本発明は、商用周波数電源に接続され、発電
プラント内の各補機に給電する高圧電源盤と、前記高圧
電源盤に接続されるとともに、蒸気を冷却する復水器へ
冷却水を供給する循環水ポンプを駆動する循環水ポンプ
駆動電動機とを備えた汽力発電プラントの循環水ポンプ
電源システムの設計方法において、前記高圧電源盤と前
記循環水ポンプ駆動電動機との間に可変周波数電源装置
を接続し、前記循環水ポンプ駆動電動機に商用周波数よ
り低周波数の電源を供給することにより、前記循環水ポ
ンプ駆動電動機の極数を低減する。通常、循環水ポンプ
には誘導電動機や同期電動機が用いられるが、この場
合、その回転数は、電源周波数にほぼ比例しかつ極数に
反比例する。したがって、回転数同一の条件の下では、
電源周波数を低くすることにより極数を低減することが
できることになる。そこで、本発明においては、高圧電
源盤と循環水ポンプ駆動電動機の間に可変周波数電源装
置を接続させ、循環水ポンプ駆動電動機への駆動電源を
商用周波数と比較しより低周波とすることで、循環水ポ
ンプ駆動電動機の極数を低減する。これにより、電動機
の力率低下を防止することができるので、電動機サイズ
と入力皮相電力も小さくすることができ、かつ例えば所
内変圧器の短絡インピーダンスの設定範囲を広げ、プラ
ント電源システム設計を容易にすることができる。また
逆に、極数同一という条件の下では、回転数は電源周波
数にほぼ比例する。そこで、本発明を各プラントの電源
システムに適用し、それぞれの可変周波数電源装置を用
いて、各プラントの循環水ポンプへの駆動電源の周波数
を各ポンプの定格回転数に応じた値に調整することによ
り、各循環水ポンプ駆動電動機の極数を統一することも
可能となる。これにより、電動機設計の合理化を図るこ
とができるので、電動機のコストダウンを図ることがで
きる。

【００１３】（２）上記（１）において、好ましくは、
前記循環水ポンプ駆動電動機として、誘導電動機又は同
期電動機を用いる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態を図１
〜図４により説明する。

【００１５】図２は、汽力発電プラントの一例として原
子力発電所を適用対象とした場合の全体概略系統図であ
る。この図２において、原子炉１の炉心で発生した蒸気
は、蒸気調整弁２及び主蒸気管３を介して高圧タービン
４及び低圧タービン５に導かれ、これらに連結された発
電機１２を駆動し、発電を行う。低圧タービン５から流
出した蒸気は復水器６に導かれ、ここで冷却されて水に
戻される。復水器６から流出した水は、低圧復水ポンプ
９、高圧復水ポンプ１０、及び原子炉給水ポンプ１１
ａ，１１ｂにより所定の原子炉圧力まで高められた後、
再び原子炉１へと還流される。このとき、復水器６にお
ける冷却には海水が用いられ、取水口８から取り入れた
海水が循環水ポンプ７によって復水器６へ供給される。

【００１６】復水器６は大量の海水を必要とする為、こ
れを供給する循環水ポンプ７は大容量且つ低回転が要求
されており、これを駆動する循環水ポンプ駆動電動機２
２も大容量、低回転、且つ大トルクのものが採用され
る。

【００１７】図１は、本実施形態の設計方法による循環
水ポンプ駆動電動機の電源システムを示すものである。
図５と共通の部分には同一の符号を付し、適宜説明を省
略する。この循環水ポンプ電源システムが図５と異なる
のは、遮断器１８と循環水ポンプ駆動電動機２２との間
に可変周波数電源装置１９を接続したことである。可変
周波数電源装置１９は、コンバータ２３とインバータ２
４とから構成されており、インバータ２４の出力側に循
環水ポンプ駆動電動機２２が接続される。

【００１８】循環水ポンプ受電遮断器１８が投入される
と、高圧電源盤１７より循環水ポンプ受電遮断器１８を
介して交流電源が入力され、コンバータ２３により直流
電源に変換される。インバータ２４はこのコンバータ２
３からの直流電源を、循環水ポンプ７に要求されている
回転数を循環水ポンプ駆動電動機２２が発生しうるよう
な周波数を持つ交流電源に変換し、循環水ポンプ駆動電
動機２２に給電するようになっている。

【００１９】その他の構成は図５とほぼ同様である。

【００２０】上記構成における本実施形態の作用を以下
に説明する。

【００２１】（Ｉ）電動機極数の低減 一般に、極数がＰ0，Ｐ1である２つの誘導電動機（又は
同期電動機）の回転数Ｎｍ0，Ｎｍ1は、それぞれの電源
周波数をｆ0，ｆ1、すべりをｓとして Ｎｍ0＝（１−ｓ）×１２０×ｆ0／Ｐ0 Ｎｍ1＝（１−ｓ）×１２０×ｆ1／Ｐ1 で表される。ここで、Ｎｍ0＝Ｎｍ1とするにはｆ0／Ｐ0
＝ｆ1／Ｐ1とすればよい。すなわち、ｆ1をｆ0より低周
波数とすれば極数Ｐ1をＰ0よりも少なくすることができ
る。この原理に基づき、本実施形態では、高圧電源盤１
７と循環水ポンプ駆動電動機２２との間に可変周波数電
源装置１９を接続し、循環水ポンプ駆動電動機２２への
駆動電源を商用周波数と比較しより低周波数とすること
で、循環水ポンプ駆動電動機２２の極数を低減する。こ
のことを図３及び図４を用いてさらに詳細に説明する。

【００２２】従来、原子力発電所内に適用される循環水
ポンプ駆動電動機２２は、ポンプ設計要求値より回転数
が１３０〜２００ｒｐｍといった低速回転にする必要が
あり、一方で電源周波数は商用周波数（５０〜６０Ｈ
ｚ）であるため、ポンプの要求回転数を満足するには３
０〜５０極の多極機とする必要があった。図３はそのよ
うな多極機の一例の模擬断面図を示しており、固定子
（ステータ）２５に設けられる固定子側巻線２７及び回
転子（ロータ）２６に設けられる回転子側巻線２８の双
方が、１６極構造となっている。これに対して、本実施
形態において実現可能な循環水ポンプ駆動電動機２２の
一例の模擬断面図を図４に示す。図４は、循環水ポンプ
駆動電動機２２の極数を４極とした例を示している。こ
の場合、可変周波数電源装置１９からの出力周波数を１
０Ｈｚ（＝１５０ｒｐｍ×８極／１２０）程度とすれ
ば、循環水ポンプ７の回転数を１５０ｒｐｍ程度とする
ことが可能となる。また、４極とした場合には、可変周
波数電源装置１９からの出力周波数を５Ｈｚ（＝１５０
ｒｐｍ×４極／１２０）程度とすれば、循環水ポンプ７
の回転数を１５０ｒｐｍ程度とすることが可能となる。
このように、循環水ポンプ駆動電動機２２の著しい低極
化を図ることができる。

【００２３】（II）各プラントの電動機極数統一化 一般に、２つの誘導電動機（又は同期電動機）において
極数をともにＰ2とした場合は、それぞれの定格回転数
Ｎｍ2，Ｎｍ3は、 Ｎｍ2＝（１−ｓ）×１２０×ｆ2／Ｐ2 Ｎｍ3＝（１−ｓ）×１２０×ｆ3／Ｐ2 で表されるので、Ｎｍ2，Ｎｍ3の要求値が互いに異なる
場合、ｆ3／ｆ2＝Ｎｍ3／Ｎｍ2となるように電源周波数
ｆ2，ｆ3を設定すればよい。この原理に基づき、各発電
プラントに本実施形態の電源システムを設け、各プラン
トの循環水ポンプ７の定格回転数に応じ、それぞれの可
変周波数電源装置１９によって、循環水ポンプ駆動電動
機２２への駆動電源周波数を適宜調整することにより、
各循環水ポンプ駆動電動機２２の極数をすべてほぼ等し
く統一することが可能となる。このように、電動機設計
の合理化を図ることができるので、電動機のコストダウ
ンを図ることができる。

【００２４】以上説明したように、本実施形態によれ
ば、循環水ポンプ駆動電動機２２の極数を従来構造より
も低減できる。したがって、力率低下を防止することが
できるので、電動機サイズ及び入力皮相電力も小さくす
ることができる。また、所内変圧器１５の短絡インピー
ダンスの設定範囲を広げ、システム設計を容易にするこ
とができる。この効果を具体的に例示すると、例えば、
現在計画されている大容量発電所の循環水ポンプ７（出
力９０００ｋＷ級×２台構成）の場合、これを駆動する
循環水ポンプ駆動電動機２２は、従来構造を適用する
と、極数３０〜５０極、力率０．６〜０．６５、効率
０．９程度となり、所要容量は約１５０００〜１６００
０ｋＶＡとなる。これに対し、本実施形態の構造を採用
すると、循環水ポンプ駆動電動機２２の極数を通常の電
動機と同等の４極〜８極程度とできるので、力率を０．
８５〜０．９程度に向上することができる。その結果、
循環水ポンプ駆動電動機２２の所要容量は１２０００ｋ
ＶＡ程度と約３０００〜４０００ｋＶＡ程度低減するこ
とができる。

【００２５】また、本実施形態によれば、各発電プラン
トの循環水ポンプ駆動電動機２２の極数を統一し、電動
機設計の合理化を図ることができるので、電動機のコス
トダウンを図れるという効果もある。

【００２６】なお、上記実施形態は、汽力発電プラント
として、原子力発電所を例にとって説明したが、これに
限られず、循環水ポンプを適用する火力発電所や、ガス
タービン発電所等に対しても適用でき、この場合も同様
の効果を得る。

【００２７】

【発明の効果】本発明によれば、循環水ポンプを駆動す
る電動機の極数低減を図るので、力率の低下等を防止
し、かつ各発電所の駆動電動機の極数統一を可能として
電動機設計の合理化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態の設計方法による循環水ポ
ンプ駆動電動機の電源システムを示す図である。

【図２】図１のシステムが適用される原子力発電所の全
体概略系統図である。

【図３】多極型の循環水ポンプ駆動電動機の構造の一例
を示す模擬断面図である。

【図４】本発明の一実施形態において実現可能な循環水
ポンプ駆動電動機の構造の一例を示す模擬断面図であ
る。

【図５】従来の循環水ポンプ駆動電動機の電源システム
の一例を示す図である。

【符号の説明】

６ 復水器 ７ 循環水ポンプ（補機） １７ 高圧電源盤 １９ 可変周波数電源装置 ２２ 循環水ポンプ駆動電動機 ２３ コンバータ ２４ インバータ ２７ 固定子側巻線 ２８ 回転子側巻線

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】商用周波数電源に接続され、発電プラント
   内の各補機に給電する高圧電源盤と、前記高圧電源盤に
   接続されるとともに、蒸気を冷却する復水器へ冷却水を
   供給する循環水ポンプを駆動する循環水ポンプ駆動電動
   機とを備えた汽力発電プラントの循環水ポンプ電源シス
   テムの設計方法において、 前記高圧電源盤と前記循環水ポンプ駆動電動機との間に
   可変周波数電源装置を接続し、前記循環水ポンプ駆動電
   動機に商用周波数より低周波数の電源を供給することに
   より、前記循環水ポンプ駆動電動機の極数を低減するこ
   とを特徴とする汽力発電プラントの循環水ポンプ電源シ
   ステムの設計方法。
2. 【請求項２】請求項１記載の汽力発電プラントの循環水
   ポンプ電源システムの設計方法において、前記循環水ポ
   ンプ駆動電動機として、誘導電動機又は同期電動機を用
   いることを特徴とする汽力発電プラントの循環水ポンプ
   電源システムの設計方法。