JP2023163787A - 給水制御装置、および給水制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】制御棒の挿入や引抜時の水位変動幅を抑制して、安定した原子炉水位制御を実現することが可能な給水制御装置、および給水制御方法を提供する。【解決手段】制御棒２の引抜・挿入の速度情報、および制御棒２の駆動する本数情報の入力を受け（速度情報入力ステップ、本数情報入力ステップ）、制御棒２の引抜・挿入速度が所定値を上回る場合、または駆動する制御棒２の本数が所定値を上回る場合は、原子炉の水位設定値の変更を給水ポンプに対して指示する（水位変更指示ステップ）。【選択図】 図３

Description

本発明は、給水制御装置、および給水制御方法に関する。

原子炉給水流量の喪失または異常低下をもたらす原子炉給水系または原子炉給水制御系の異常を間接的に検出し、原子炉水位が低下した場合、給水ポンプが作動しているか停止しているかに拘らず自動的に作動して、原子炉が水位低下に因ってスクラムすることを防止し得る水位制御装置の一例として、特許文献１には、原子炉主蒸気流量と原子炉給水流量との偏差をモニタし、原子炉給水流量が原子炉主蒸気流量よりも規定値以上少ない現象が規定時間以上継続し、かつ原子炉水位が別に規定する設定値以下に低下した場合に、炉心流量を強制的に減少させることが記載されている。

特開昭６２－１４４０９８号公報

沸騰型原子力発電プラントにおいて、制御棒の挿入や引抜による核分裂反応の増加や抑制により原子炉圧力容器内の冷却水中のボイド減少やボイド増加に伴い、原子炉水位が上昇や低下する。

特に、制御棒の速度が速い場合、このボイド減少増加幅が大きくなることから原子炉水位上昇幅や低下幅は大きくなる。

この際、原子炉水位が上昇し過ぎた場合にはタービン保護の観点からタービントリップに至る可能性がある。一方、低下し過ぎた場合には原子炉スクラム（緊急停止）に至る可能性がある。原子炉水位の上昇や低下によるタービントリップや原子炉スクラムはプラント安定運転の観点から好ましくない。

この問題の改善策の一つとして、原子炉から流出する主蒸気流量と流入する給水流量とのミスマッチ（偏差）を監視し、その信号により先行的に原子炉水位の上昇や低下を制御する手法がある。また、原子炉水位の過剰な低下の場合にはその低下を感知し、再循環ポンプのランバック（回転数低減）により炉心流量を強制的に減少させ原子炉水位の低下を回復する手法があり、具体的には以下のプロセスにより水位低下によるスクラムを回避する。

（１）ボイド増加による水位上昇
炉心流量を減少させることで冷却水中のボイドが増加し、一時的に原子炉水位が上昇するため給水流量の減少による水位低下が緩和される。

（２）出力バランスの適正化
炉心流量を減少させボイドが増加すると核分裂反応が減少し、原子炉出力が低下するため炉心から流出する主蒸気流量が減少し、原子炉水位が回復する。

上記手法における原子炉水位の過剰な上昇や低下を感知する方法は、例えば特許文献１に示す様に、原子炉から流出する主蒸気流量と流入する給水流量とのミスマッチ（偏差）を監視することである。

具体的には、主蒸気流量と給水流量のミスマッチ量を算出し、ミスマッチが発生し且つ原子炉水位が過剰に上昇や低下している場合にはミスマッチ分を原子炉水位相当に換算し、先行的に給水量を増減させる。さらに原子炉水位が低下するような場合には再循環ポンプをランバックさせるランバック信号を原子炉の再循環流量制御装置に入力し、炉心流量を減少させる。このとき、炉心流量の減少に伴って原子炉出力も低下する。

従来の水位制御装置では、冷却水の炉心流量を強制的に減少させてボイドを増加させ核分裂を抑制して出力を減少させることで原子炉水位低下を緩和することができたが、再循環ポンプが無い自然循環炉では再循環ポンプのランバック機能等の循環力を調整する機能に依存することができない。この為、制御棒の挿入時の水位低下幅が適切に調節できなくなる可能性があった。特に、制御棒速度が速くなり水位変動が大きくなる自然循環炉では、この水位変動が顕著である。

本発明の目的は、制御棒の挿入や引抜時の水位変動幅を抑制して、安定した原子炉水位制御を実現することが可能な給水制御装置、および給水制御方法を提供することにある。

本発明は、上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、原子炉の水位を制御する給水制御装置であって、制御棒の引抜・挿入の速度情報、および前記制御棒の駆動する本数情報の入力を受け、前記原子炉の水位設定値の変更を給水ポンプに対して指示することを特徴とする。

本発明によれば、制御棒の挿入や引抜時の水位変動幅を抑制して、安定した原子炉水位制御を実現することができる。上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施例の説明により明らかにされる。

実施例の給水制御装置を含む原子炉の全体概略構成の一例を示す図。 参考技術の給水制御装置及び制御棒操作監視装置図。 本発明を含む給水制御装置及び制御棒操作監視装置。

本発明の給水制御装置、および給水制御方法の実施例について図１乃至図３を用いて説明する。なお、本明細書で用いる図面において、同一のまたは対応する構成要素には同一、または類似の符号を付け、これらの構成要素については繰り返しの説明を省略する場合がある。

最初に、制御棒操作監視装置を含めた原子炉の全体構成について図１を用いて説明する。給水制御装置を含む原子炉の構成を図１に示す。

図１に示すように、原子炉圧力容器１内では制御棒２の引抜挿入により原子核の核分裂が促進・抑制される。核分裂により炉内の冷却材が沸騰し蒸気が生成される。炉心で生成した蒸気は、主蒸気配管３を通って蒸気タービン６に送られる。蒸気は蒸気タービン６を回転させ、発電機（図示の都合上省略）を駆動させた後に復水器７で凝縮され、冷去水となって給水ポンプ５に供給され給水配管４を通って原子炉圧力容器１内に再び給水される。

本発明が適用される原子炉は沸騰水型原子炉であるが、より好適には自然循環型の沸騰水型原子炉であることが望ましい。

原子炉圧力容器１内の原子炉水位は原子炉水位計１０により検出される。また、原子炉圧力容器１で生成された蒸気は主蒸気配管３を通るが、この蒸気量は主蒸気流量計８で検出される。原子炉圧力容器１への給水は給水配管４を通るが、この給水量は給水流量計９で検知される。

通常の一定運転においては、主蒸気流量計８で検出される主蒸気流量検出信号Ｓ２と給水流量計９で検出される給水流量検出信号Ｓ３は一定となり、原子炉圧力容器１の注水量と排出量とが同一量となるので、原子炉水位は一定に保たれることとなる。

制御棒２の引抜／挿入が行われる際は、制御棒操作監視装置１２からの指令信号が駆動用インバータ・モータ１３に送られる。

この制御棒操作監視装置１２からの指令信号には、それぞれ制御棒挿入信号Ｓ５、制御棒引抜信号Ｓ６、制御棒駆動速度指令信号Ｓ７、駆動制御棒本数指令信号Ｓ８があり、プラント状態に依存してそれぞれの指令信号が変わる。

駆動用インバータ・モータ１３では上記制御棒操作監視装置１２からの信号を受け、制御棒駆動指令Ｓ９が出力される。これにより制御棒２の引抜挿入動作が行われる。

既設の炉では、上記のように制御棒２の引抜挿入動作時に原子炉水位が変動する。これは制御棒２が引抜かれた場合には核分裂が促進され、炉内の冷却材が沸騰しボイドが増加する。この時、原子炉水位はボイドの増加に伴い上昇する。一方、制御棒２が挿入された場合には核分裂が抑制され、炉内の冷却材の沸騰が抑制されることからボイドが減少する。この時、原子炉水位はボイドの減少に伴い下降する。

通常運転において制御棒２引抜及び挿入の場合の原子炉水位抑制例を以下に示す。

図２に、既設の制御棒操作監視装置及び給水制御装置内の構成とその制御信号の流れを示す。

図２に示すように、制御棒操作監視装置１２では運転員による手動操作又は自動により、制御棒２の引抜・挿入ＰＢ１４が押下される。この信号とプラント状態により制御棒選択部１５で１本または複数本の駆動対象の制御棒２が選択される。

この後、制御棒駆動速度指令部１６では駆動速度が決定（既存の沸騰水型原子力発電プラントでは制御棒駆動速度は一定：（既存は一定速度））されて駆動用インバータ・モータ１３に送信される。送信された制御棒駆動速度指令信号Ｓ７に基づき制御棒２は引抜・挿入動作が行われる。

制御棒２の引抜・挿入動作により上述の通り原子炉水位が変動する。

具体的には、引抜動作時には炉心で生成される蒸気流量が増加する。原子炉圧力容器１の給水流量と蒸気流量が一定の状態から上記の蒸気流量が増加した場合には、将来的に給水流量＜蒸気流量となり、原子炉水位は低下していく。

一方、挿入動作時には炉心で生成される蒸気流量が減少する。蒸気流量が減少した場合には、将来的に給水流量＞蒸気流量となり、原子炉水位は上昇していく。

逆の言い方をすれば、給水流量と蒸気流量との偏差（ミスマッチ）を見ることによって、将来的な原子炉水位が上昇・低下のどちらの方向に行くかを予測できることから、このミスマッチ信号は原子炉水位制御の先行制御信号として使用できる。上記の原理に基づき、参考技術の図２の給水制御装置１１１内では以下の制御が行われる。

予め設定された原子炉水位に整定させるため、給水制御装置１１１内には水位設定１７がある。

給水制御装置１１１では、（１）原子炉水位検出信号Ｓ１と水位設定１７の偏差（減算器３１）のみに依存して給水流量指令信号Ｓ４を生成して原子炉水位を制御する方法（接続３３、単要素制御）と、（２）原子炉水位検出信号Ｓ１と水位設定１７との偏差に対して原子炉からの主蒸気流量検出信号Ｓ２と給水ポンプ５により供給される給水流量検出信号Ｓ３との偏差（減算器３２、ミスマッチ）を加算して（加算器３４）、給水流量指令信号Ｓ４を生成して原子炉水位を先行的に制御する方法（接続３５、三要素制御）と、がある。そのうえで、給水流量指令信号Ｓ４に対して比例積分演算器１８による比例積分演算処理を行った水位変更指示信号Ｓ１３を給水ポンプ５に対して出力する。

制御棒２を引抜いた場合は、ボイドの増加により原子炉水位検出信号Ｓ１が増加する。その後、少し時間をおいて主蒸気流量検出信号Ｓ２も増加する。制御棒２を挿入した場合にはボイドの減少により原子炉水位検出信号Ｓ１が減少する。その後、少し時間をおいて主蒸気流量検出信号Ｓ２も減少する。これらの信号に基づき、原子炉水位が減少した場合には給水流量指令信号Ｓ４を増加させて給水ポンプ５に対して給水流量増加信号が出力される。

原子炉水位が増加した場合は、給水流量指令信号Ｓ４を減少させて給水ポンプ５に対して給水流量減少信号が出力される。この結果として原子炉水位が回復して水位が安定状態に移行する。

このように、図２に示すような給水制御装置１１１を用いる場合、制御棒操作監視装置１２は、水位の変更の指示に従って水位の変更と同時または若干後に、制御棒２を駆動することになる。

図２に示した従来の給水制御装置１１１では、冷却水の炉心流量を強制的に減少させて原子炉水位低下を緩和することができた。しかしながら、再循環ポンプが無い自然循環炉では、再循環ポンプのランバック機能に依存することができない。この為、制御棒２の挿入時の水位低下幅が大きくなり適切に調節できなくなる可能性があった。特に、制御棒２の速度が速くなり水位変動が大きくなる自然循環炉では、この水位変動が顕著である。

本発明は、好適には自然循環炉における制御棒２の挿入や引抜時の水位変動幅を抑制し、安定した原子炉水位制御を実現することが可能な給水制御装置に関する。次いで、本発明の給水制御装置の構成について図３を用いて説明する。図３は実施例の給水制御装置の概略構成の一例を示す図である。

図３に示す給水制御装置１１は、原子炉の水位を制御するための装置であり、上述した（１）単要素制御と（２）三要素制御とを有する点は図２に示した参考技術の給水制御装置１１１と同じである。

給水制御装置１１では、更に、原子炉の水位設定値の変更を給水ポンプ５に対して指示する補正水位信号発生器２４を設け、補正水位信号発生器２４において生成する制御棒速度／本数依存水位補正信号Ｓ１０を加算器２５において給水流量指令信号Ｓ４に加算して指示信号Ｓ１４を生成する。その後に指示信号Ｓ１４に対して比例積分演算器１８による比例積分演算処理を行い、水位変更指示信号Ｓ１３Ａを給水ポンプ５に対して出力する（水位変更指示ステップ）。

この補正水位信号発生器２４は、原子炉水位の変動をもたらす制御棒２の挿入及び引抜時の制御棒駆動速度指令信号Ｓ７（制御棒２の引抜・挿入の速度情報）、及び駆動制御棒本数指令信号Ｓ８（制御棒２の駆動する本数情報）を検出して（速度情報入力ステップ、本数情報入力ステップ）、制御棒速度／本数依存水位補正信号Ｓ１０を生成することで原子炉水位を先行的に調節することを特徴とする部分であり、比例器１９，２０、加算器２１、符号反転器２２、乗算器２３を有する。

比例器１９は、駆動制御棒本数指令信号Ｓ８における駆動する制御棒２の本数が所定値を上回る場合に、駆動制御棒本数指令信号Ｓ８に比例係数（Ｋ１）を乗算した第２水位補正信号Ｓ１２を生成する。

比例器２０は、制御棒駆動速度指令信号Ｓ７における制御棒２の引抜・挿入速度が所定値を上回る場合に、制御棒駆動速度指令信号Ｓ７に比例係数（Ｋ２）を乗算した第１水位補正信号Ｓ１１を生成する。

比例器１９で用いる比例係数Ｋ１及び比例器２０で用いる比例係数Ｋ２の具体的な値は実際のプラントでの試験結果に基づくが、例えば、概略は以下の通りである。

比例係数Ｋ１（ｃｍ／駆動制御棒本数）：制御棒２の１本あたりの水位変動幅
例：１本で１ｃｍ変動、２６本で５ｃｍ変動 → Ｋ１を割り出す。

比例係数Ｋ２（ｃｍ／制御棒駆動速度）：制御棒駆動速度での水位変動幅実績
例：３３ｍｍ／ｓｅｃで５ｃｍ変動、６６ｍｍ／ｓｅｃで１０ｃｍ変動 → Ｋ２を割り出す。

なお、比例器１９が駆動する制御棒２の本数が所定値を上回る場合に第２水位補正信号Ｓ１２を生成する場合や比例器２０が制御棒２の引抜・挿入速度が所定値を上回る場合に第１水位補正信号Ｓ１１を生成する形態について説明したが、比例器１９，２０は、それぞれが、制御棒２の引抜・挿入速度が所定値を上回る場合、または駆動する制御棒２の本数が所定値を上回る場合に、原子炉の水位設定値の変更を給水ポンプに対して指示する形態に限られず、比例器１９が駆動制御棒本数指令信号Ｓ８に比例係数（Ｋ１）を乗算した第２水位補正信号Ｓ１２を生成する、および／又は比例器２０が制御棒駆動速度指令信号Ｓ７に比例係数（Ｋ２）を乗算した第１水位補正信号Ｓ１１を生成する形態とすることができる。

加算器２１は、給水ポンプ５による給水流量と主蒸気流量との差分値に、制御棒２の引抜・挿入速度、及び駆動する制御棒２の本数に依存した水位補正信号を加算する部分であり、具体的には、第１水位補正信号Ｓ１１に第２水位補正信号Ｓ１２を加算して制御棒速度／本数依存水位補正信号Ｓ１０を生成する。

符号反転器２２および乗算器２３は、原子炉の水位が減少する制御棒２の挿入時は水位補正信号を正、原子炉の水位が増加する制御棒２の引抜時は水位補正信号を負とするための部分である。

符号反転器２２は、原子炉水位が減少する制御棒２の挿入時には制御棒速度／本数依存水位補正信号Ｓ１０の補正信号は＋、原子炉水位が増加する制御棒２引抜時には制御棒速度／本数依存水位補正信号Ｓ１０の補正信号は－とするため、制御棒引抜信号Ｓ６の発生時に制御棒速度／本数依存水位補正信号Ｓ１０の符号を反転させる。

乗算器２３は、符号反転器２２の出力を制御棒速度／本数依存水位補正信号Ｓ１０に乗算する。

次に、本実施例の効果について説明する。

上述した本実施例の原子炉の水位を制御する給水制御装置１１は、制御棒２の引抜・挿入の速度情報、および制御棒２の駆動する本数情報の入力を受け（速度情報入力ステップ、本数情報入力ステップ）、原子炉の水位設定値の変更を給水ポンプに対して指示する（水位変更指示ステップ）。

本発明によれば、先行的に原子炉給水流量を調節することにより、原子炉水位の必要以上の上昇や低下を抑制し、安定した原子炉水位制御を実現することが可能となるため、特に再循環ポンプのランバック機能に依存することができない再循環ポンプを備えていない自然循環炉に好適な給水制御装置／方法を提供することができる。

また、制御棒２の引抜・挿入速度が所定値を上回る場合、または駆動する制御棒２の本数が所定値を上回る場合は、原子炉の水位設定値の変更を給水ポンプに対して指示するため、先行的な原子炉給水流量調整が実行される頻度を低減し、安定した水位制御を実現することができ。

更に、給水ポンプによる給水流量と主蒸気流量との差分値に、制御棒２の引抜・挿入速度、及び駆動する制御棒２の本数に依存した水位補正信号を加算する、より具体的には、水位補正信号として、駆動する制御棒２の本数に対して制御棒２の駆動速度での水位変動幅実績の情報を乗算することや制御棒２の引抜・挿入速度に対して制御棒２の１本あたりの水位変動幅の情報を乗算することで、実際の水位変動の予測量に応じた水位変更指示信号Ｓ１３Ａを生成できるようになる。

また、原子炉の水位が減少する制御棒２の挿入時は水位補正信号を正、原子炉の水位が増加する制御棒２の引抜時は水位補正信号を負とすることにより、符号の反転のための構成を備えるだけで制御棒２の挿入／引抜に応じた水位補正信号の生成が可能となり、制御系の構成を簡易化することができる。

＜その他＞
なお、本発明は上記の実施例に限られず、種々の変形、応用が可能なものである。上述した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されない。

１：原子炉圧力容器
２：制御棒
３：主蒸気配管
４：給水配管
５：給水ポンプ
６：蒸気タービン
７：復水器
８：主蒸気流量計
９：給水流量計
１０：原子炉水位計
１１，１１１：給水制御装置
１２：制御棒操作監視装置
１３：駆動用インバータ・モータ
１４：挿入・引抜ＰＢ
１５：制御棒選択部
１６：制御棒駆動速度指令部
１７：水位設定
１８：比例積分演算器
１９：比例器（Ｋ１）
２０：比例器（Ｋ２）
２１：加算器
２２：符号反転器
２３：乗算器
２４：補正水位信号発生器
２５：加算器
３１：減算器
３２：減算器
３３：接続
３４：加算器
３５：接続
Ｋ１，Ｋ２：比例係数
Ｓ１：原子炉水位検出信号
Ｓ２：主蒸気流量検出信号
Ｓ３：給水流量検出信号
Ｓ４：給水流量指令信号
Ｓ５：制御棒挿入信号
Ｓ６：制御棒引抜信号
Ｓ７：制御棒駆動速度指令信号
Ｓ８：駆動制御棒本数指令信号
Ｓ９：制御棒駆動指令
Ｓ１０：制御棒速度／本数依存水位補正信号
Ｓ１１：第１水位補正信号
Ｓ１２：第２水位補正信号
Ｓ１３，Ｓ１３Ａ：水位変更指示信号
Ｓ１４：指示信号

Claims (13)

1. 原子炉の水位を制御する給水制御装置であって、
   制御棒の引抜・挿入の速度情報、および前記制御棒の駆動する本数情報の入力を受け、前記原子炉の水位設定値の変更を給水ポンプに対して指示する
   給水制御装置。
2. 請求項１に記載の給水制御装置において、
   前記給水制御装置は、前記制御棒の引抜・挿入速度が所定値を上回る場合、または駆動する前記制御棒の本数が所定値を上回る場合に前記原子炉の水位設定値の変更を給水ポンプに対して指示する
   給水制御装置。
3. 請求項２に記載の給水制御装置において、
   前記給水ポンプによる給水流量と主蒸気流量との差分値に、前記制御棒の前記引抜・挿入速度、及び駆動する前記制御棒の前記本数に依存した水位補正信号を加算する
   給水制御装置。
4. 請求項３に記載の給水制御装置において、
   前記水位補正信号として、駆動する前記制御棒の前記本数に対して前記制御棒の駆動速度での水位変動幅実績の情報を乗算する
   給水制御装置。
5. 請求項３に記載の給水制御装置において、
   前記水位補正信号として、前記制御棒の前記引抜・挿入速度に対して前記制御棒の１本あたりの水位変動幅の情報を乗算する
   給水制御装置。
6. 請求項３に記載の給水制御装置において、
   前記原子炉の水位が減少する前記制御棒の挿入時は前記水位補正信号を正、前記原子炉の水位が増加する前記制御棒の引抜時は前記水位補正信号を負とする
   給水制御装置。
7. 請求項１に記載の給水制御装置において、
   前記原子炉は自然循環型原子炉とする
   給水制御装置。
8. 原子炉の水位を制御する給水制御方法であって、
   制御棒の引抜・挿入の速度情報の入力を受け付ける速度情報入力ステップと、
   前記制御棒の駆動する本数情報の入力を受け付ける本数情報入力ステップと、
   前記原子炉の水位設定値の変更を給水ポンプに対して指示する水位変更指示ステップと、を備える
   給水制御方法。
9. 請求項８に記載の給水制御方法において、
   前記水位変更指示ステップでは、前記速度情報入力ステップにおいて受け付けられた前記制御棒の引抜・挿入速度が所定値を上回る場合、または前記本数情報入力ステップにおいて受け付けられた駆動する前記制御棒の本数が所定値を上回る場合は、前記原子炉の水位設定値の変更を給水ポンプに対して指示する
   給水制御方法。
10. 請求項９に記載の給水制御方法において、
    前記水位変更指示ステップでは、前記給水ポンプによる給水流量と主蒸気流量との差分値に、前記制御棒の前記引抜・挿入速度、及び駆動する前記制御棒の前記本数に依存した水位補正信号を加算する
    給水制御方法。
11. 請求項１０に記載の給水制御方法において、
    前記水位変更指示ステップでは、前記水位補正信号として、前記速度情報入力ステップにおいて受け付けられた駆動する前記制御棒の前記本数に対して前記制御棒の駆動速度での水位変動幅実績の情報を乗算する
    給水制御方法。
12. 請求項１０に記載の給水制御方法において、
    前記水位変更指示ステップでは、前記水位補正信号として、前記本数情報入力ステップにおいて受け付けられた前記制御棒の前記引抜・挿入速度に対して前記制御棒の１本あたりの水位変動幅の情報を乗算する
    給水制御方法。
13. 請求項１０に記載の給水制御方法において、
    前記水位変更指示ステップでは、前記原子炉の水位が減少する前記制御棒の挿入時は前記水位補正信号を正、前記原子炉の水位が増加する前記制御棒の引抜時は前記水位補正信号を負とする
    給水制御方法。

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