JP2682575B2 - 蒸気発生器の給水レベル制御方法及び装置 - Google Patents
蒸気発生器の給水レベル制御方法及び装置Info
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Description
【発明の詳細な説明】
発明の背景
本発明は、一般に、加圧水系原子路(PWR)を備えた
原子力発電プラントで用いられる蒸気発生器に係り、特
に、低出力コントローラと高出力コントローラとの間に
おける手動または自動切換を行う必要なく、原子炉負荷
の全範囲に亙り蒸気発生器レベルを制御する方法及び装
置に関する。尚、本明細書で用いる術語「蒸気発生器レ
ベル」または類似の表現は、蒸気発生器に含まれる2次
ループ給水レベルを表す。 プロセス・コントローラの主たる機能は、言う迄もな
く、1つまたは2つ以上のプロセス変数を所望の設定点
またはその近傍に維持することにある。しかしながら、
人間であるオペレータがプロセスの遂行の責任を負わさ
れているので、コントローラがその仕事を行っているこ
とをオペレータが確証することを可能にし且つ必要に応
じ、プロセスの制御をオペレータが代わって行うことを
可能にするための何等かの手段を設けなければならな
い。オペレータとプロセスとの間のこのリンク(結合)
は制御ステーションにより与えられる。 あらゆる制御ステーションには下記のような5つの典
型的な部品もしくは装置が存在する。即ち、(1)プロ
セス変数インジケータ(指示装置)と、(2)設定点調
節機構と、(3)制御弁に対する信号を直接的に操作す
る調整装置(通常マニュアルと呼称される)と、(4)
出力信号インジケータと、(5)自動モード制御と手動
モード制御との間の切換を行うための装置とである。制
御ステーションに不可欠的なこれら5つの装置もしくは
部品の実際の構造は製造業者間で異なるが、これら装置
は、通常流体圧型のものであれ、電子的性質のものであ
れ或いはコンピュータ化されたものであれ、有らゆる制
御ループに存在するものである。 プロセス変数インジケータとしては多くの形態のもの
が知られている。一般的な計器として、インジケータ
は、円形または水平のスケール上で運動する指針の形態
とすることができ、コントローラ、記録装置または双方
の一部とすることができる。一般に、現在用いられてい
る形態においては記録装置とコントローラとは分離され
て、制御ステーションにコントローラを結合し指示コン
トローラとしている。記録装置またはインジケータの形
態毎に、設定点を操作する仕方は異なる。流体圧もしく
は空気圧型の計器においては、設定点機構は一般に、コ
ントローラに対して3乃至15psi信号を供給する小型の
送信部を調整する。他方、電子型の計器は、一般に、プ
ロセス変数信号に対して反対の極性の電圧を発生するポ
テンショメータからなる調節手段を備えている。 調節装置は、通常、弁または弁アクチュエータに対す
る出力信号を直接的に操作する手動操作装置である。こ
の調節装置は、自動コントローラが稼働していない場合
にのみ用いられる。多くの手動操作出力は調節装置の位
置に直接比例する。しかしながら、新型のコントローラ
の中には、手動調節で、「増分」または「減分」機構を
作動することにより出力を変えるものがある。出力信号
インジケータは、制御弁に対して印加されつゝある信号
レベルを指示する装置である。この種の目的に用いられ
る形式のインジケータは、プロセス変数インジケータと
して用いられるものに類似している。通常、この種のイ
ンジケータは、制御弁の位置を表す「開」または「閉」
が両端に記入されているスケールを備えている。 自動−手動切換スイッチもしくは円滑切換スイッチの
目的は、弁に対する信号源を切換することにある。信号
の大きさを変えることなくこの切換を行うためには、言
い換えるならば衝撃を伴わない円滑な切換を実現するた
めには、旧式のコントローラでは平衡化手続きが必要と
されている。通常モードもしくは自動モードから手動モ
ードへの切換に際して、切換装置を最初に中間位置もし
くは平衡化された位置に動かして、手動出力を自動コン
トローラ出力と整合する。次いで切換レバーを手動位置
に移動して、出力を所望の値に調整し無衝撃もしくは円
滑切換を完了する。手動モードから自動モードへの移行
に際しては、自動モードへの切換前に、平衡位置を用い
て設定点とプロセス変数とを整合する。次いで、設定点
を所望値に調整する。 現在利用可能なプロセス制御ステーションにおいて
は、一般に、各製造業者毎に異なった方式を採用して平
衡位置は除外される趨製にある。最も一般的な方法によ
れば、自動モードにある間に手動調節出力はコントロー
ラ出力を追跡するように強制され、他方、手動モードに
おいては設定点調節出力が測定出力を追跡するように強
制される。従って切換時には、平衡化或いは整合(アラ
インメント)は不必要となる。 ところで、原子力蒸気供給システムの2次ループにお
ける給水レベルの制御は、システムが非最小位相動特性
(non−minimum phase dynamics)で挙動するために制
御が困難である事例の代表的な例である。ここで、「非
最小動特性」とは、プラント入力機能とプラント出力機
能との間における周波数領域伝達機能の性質を記述する
ために用いられている術語である。入力信号とそれに対
応する出力との間における伝達遅延もしくは純時間遅延
は、非最小位相挙動の1つの態様である。非最小位相挙
動の他の態様として、記号の変化及びその正の漸近線に
接近する前における出力信号の初期の負の応答がある。
この種の非最小位相挙動もしくは原子力蒸気供給システ
ムのオペレータが往々にして称するところの「収縮/膨
張挙動」は通常、右半分平面ゼロ(righr half plane z
eros)を含む切換機能を備えたプラントと関連する挙動
である。 原子炉出力、蒸気流量、給水の温度及び給水流量にお
ける変化は、総て、蒸気発生器に含まれている二次ルー
プ給水の測定されたレベルに影響を与える。従って、レ
ベル・コントローラの基本的な役割は、他の因子により
生じたレベルの変動を補償するために、給水流量を変え
ることにより限界内で目標レベルを維持することにあ
る。主に長時間遅延及び収縮/膨張効果を考慮して、コ
ントローラは、プラント状態の変化または制御作用が蒸
気発生器レベルに与える影響を予測し、以て、蒸気発生
器レベルに対するこのようなイベントもしくは事象の究
極的な影響が測定レベルに顕在化する前に補償応答を行
わなければならない。更に、コントローラは、現在の蒸
気発生器レベル挙動を解釈するために、過去の制御作用
及びプラント状態の変化を追跡記録していなければなら
ない。このように、プロセスは、エラーレベルの単純な
フィードバックにより容易に制御することはできない。
給水コントローラが補償作用を行う前に或る影響がレベ
ル・エラーとして顕在化するのを待つとするならば、シ
ステムは不安定になり得る。これは、システムに長時間
の遅延がある場合、レベル擾乱が観察された後に行われ
る応答では、限界を越えるのを回避するべく適時にレベ
ルに対し何等かの作用を与えることは殆ど不可能となる
からである。更に、情況は、収縮/膨張効果で錯綜化す
る。このような効果もしくは作用が原因で、結局的にシ
ステムを平衡状態にする制御作用は、初期において事態
を一層悪化する。例えば、オペレータが、レベル減少を
観察した後に初めて水を付加するとするとするならば、
オペレータが付加した水は、初期において、収縮が原因
でレベルを更に減少せしめ、限界を越える事態を引き起
こす確率を一層高める。 複雑なプロセス動特性と関連する困難さに加えて、コ
ントローラはしばしば、蒸気発生器水インベントリのよ
うな臨界的状態変数に対し直接的にアクセスすることが
できず、タービン出力、蒸気流量、蒸気発生器レベルの
ような間接的測定量に頼る外ないために、予測が困難と
なる。更に、蒸気流量及び給水流量の最も臨界的な正確
な測定は低出力状態では得られない。その結果、コント
ローラは、蒸気流量及び給水流量が平衡しているか否
か、或るいはまた、それらを平衡にするために給水流量
のどの程度の変化が要求されるかを直接的に知る術を有
しない。従って、オペレータは、殆ど排他的に、このよ
うな情報を推定するためのレベル傾向データに頼らざる
を得ない。上述のような長い遅延並びに収縮及び膨張効
果が原因で、給水流量−蒸気流量平衡に関する情報が蒸
気発生器レベル挙動に現れる前に相当な遅延が介在す
る。 従って、PWR原子力発電プラントにおける蒸気発生器
レベル、蒸気流量及び給水流量を測定するのに用いられ
ている慣用の3要素コントローラは、次の2つの理由か
ら、非常に低い出力レベルでは有効ではない。その第1
の理由は、正確な流量測定ができないこと、そして第2
の理由は、低い給水温度においては蒸気発生器の伝達も
しくは交換機能に変化が生ずるためである。その結果、
現行の設計においては、蒸気発生器レベル制御は、手動
制御かまたは低出力範囲で動作する別のコントローラに
切換えられるている。いずれの場合にも、高/低蒸気発
生器レベルでの原子炉のトリップ(停止)を回避するた
めには、切換は「無衝撃もしくは円滑な」切換であるこ
とが不可欠的に肝要である。 発明の概要 従って本発明の一般的目的は、全範囲蒸気発生器レベ
ル制御システムもしくは装置を提供することにある。 更に具体的には、本発明は、低出力コントローラによ
る蒸気発生器レベルの制御から高出力コントローラによ
る蒸気発生器レベルの制御への円滑な遷移またはその逆
の方向における円滑な遷移もしくは切換を実現すること
を目的とする。 本発明の他の目的は、PWR原子力発電プラントにおけ
る蒸気発生器のための低出力レベル・コントローラと高
出力レベル・コントローラとの間における手動または自
動切換の必要性を排除することにある。 本発明の更に他の目的は、無衝撃切換回路を除去し、
同時に、全出力範囲に亙り原子炉トリップの確率を減少
しつつ、全範囲蒸気発生器レベル制御システムもしくは
装置のための単純な設計を提供することにある。 概略的に述べると、本発明の上記の目的並びに他の目
的は、慣用の低出力コントローラ及び慣用の高出力コン
トローラからの出力を合成し、そして入力給水温度に従
い、上記出力の重み付けされた線形合成信号を発生して
それにより蒸気発生器と関連する給水弁の調整を行う装
置及び方法により達成される。 本発明の上に述べた目的並びに他の目的は、添付図面
と関連して以下に述べる好適な実施例に関する詳細な説
明から明らかとなるであろう。 好適な実施例の説明 以下図面を参照し説明する。尚、全図面を通し同じ参
照文字は、同様のまたは対応の部分を表すものとする。
第1図を参照するに、この図には、原子力蒸気供給シス
テム10の蒸気発生器12における指示レベルに影響を与え
るプロセスの機能ダイアグラムが示してある。蒸気発生
器12のレベル(即ち蒸気発生器12に含まれる2次ループ
給水レベル)は、臨界的に重要な性能変数であり、蒸気
発生器12とトリップ(緊急停止)回路16との間に接続さ
れているレベル・インジケータ14により指示される。該
トリップ回路16は、蒸気発生器12における指示レベルが
低レベル・トリップ点または高レベル・トリップ点に達
した時に、原子炉18内に設けられている制御棒20を該原
子炉内に下降することにより原子炉18をトリップ(緊急
停止)するように適用されている。機能制御作用は、蒸
気流量制御弁22及び給水量制御弁24の位置付け並びに可
変速度給水ポンプの場合には該給水ポンプの速度を制御
することにより行われる。図示のように、プロセス変数
には、蒸気流量Ws、給水流量Wf、蒸気圧力Ps及び蒸気発
生器レベルLが含まれる。 原子力蒸気供給システム10の運転に影響を与える作用
として他の種々なものが考えられる。例えば、蒸気ダン
プ弁及びタービン調速弁の位置制御、給水ポンプの速度
制御、主タービン速度制御、補助、バイパス及び主給水
調整弁または制御棒20の位置制御により直接的な制御作
用を与えることができる。考慮しなければならない2次
的な変数には、蒸気ダンプ弁の位置、タービン速度、タ
ービン速度変化、給水ポンプ速度、主蒸気及び給水ヘッ
ドにおける圧力並びに給水制御弁位置が含まれる。 低い給水温度においては、蒸気発生器機能に変化が生
じ、然も、非常に低い原子炉出力レベルにいては正確な
流量測定が不可能となるので、第1図に示してあるよう
な慣用の原子力蒸気供給システムにおいては、高出力コ
ントローラ28に加えて低出力コントローラ26が用いられ
ている(第2図)。しかしながら、本発明の1つの重要
な様相によれば、第2図に示すように、低出力コントロ
ーラ26及び高出力コントローラ28からの各出力は、原子
炉18の全出力範囲に亙り高出力コントローラ28と低出力
コントローラ26との間に円滑な遷移を保証する遷移手段
30に入力される。低出力コントローラ26及び高出力コン
トローラ28からのそれぞれの出力X及びYは、給水温度
Tfの関数として給水調整弁24を作動するための重み付け
された線形合成関数Cを得るために遷移手段30に供給さ
れる。この合成関数Cは次式から求められる。 C=A(Tf)X+B(Tf)Y 上式中:A(Tf)=(T2−Tf)/(T2−T1) B(Tf)=(Tf−T1)/(T2−T1) Xは低出力コントローラの出力 Yは高出力コントローラの出力 Tfは測定給水温度である 関数A(Tf)及びB(Tf)の上、下限は、下記の条件
を満足するように制限される。 0A(Tf)1 0B(Tf)1 上式で用いられているT1及びT2は、給水温度の特性に
基づく設定点である。典型例においては、T1は100゜Fに
等価であり、T2は280゜Fに等価である。 次に第3図を参照するに、この図には、低出力コント
ローラが狭い範囲のレベル測定及び推測蒸気流量に作用
するようにして原子力発電プラントで用いられる本発明
の一実施例が示してある。ここで「狭い範囲もしくは狭
範囲」とは、通例のように、蒸気発生器の予め定められ
た部分(例えば12フィートの部分)が制御目的に用いら
れる場合を表す。遷移手段30は、図示のように、低出力
コントローラ26及び高出力コントローラ28からの出力を
表す入力X及びY並びに給水温度入力信号Tfを受ける。
給水温度信号Tfは次いで、ブロック32で利得を与えられ
て、乗算器ブロック36で、蒸気発生器レベルを表す負の
入力並びに狭範囲蒸気発生器レベル設定点を表す正の入
力を受ける加算点34から得られる合成信号を乗ぜられ
る。乗算器ブロック36からの出力はそこで、第1の3モ
ード・コントローラすなわち比例・積分・微分(PID)
コントローラ38に供給される。 周知のように、3モード・コントローラは、比例、積
分及び微分要素の作用を1つの単位に合成する。これら
各種要素の主たる作用は次の通りである。比例(利得)
モードでは、一般に、利得が高くなればなる程、過渡も
しくは遷移が高速になり応答の振動性が高くなるような
応答曲線が形成される。他方、積分(リセット)モード
では、定常状態オフセットが除去され、また微分(変化
率)モードでは、高次の系に対し高い比例利得が得られ
る。第1のPID38からの出力は、蒸気流量Wsの正の入
力、給水流量Wfの負の入力並びに収縮/膨張補償(蒸気
発生量の変化により水位が質量バランスに反して一時的
に逆の動作をするが、この動作により制御信号が水位制
御にとって好ましくない方向に動作するのを防ぐ為に設
けられる補償である。具体的には、蒸気発生量が減少す
ると質量バランスとしては水位は増加するが実際には逆
の動作で一時的に低下する。このために給水流量は一時
的に増加するが、これは本来の必要な制御動作ではなく
最終的には給水流量は減少しなければならない。本補償
は、このような一時的な好ましくない動作を抑制するた
めに設けられる。)を表す入力を受けるブロック40及び
第2の加算点42に供給され、該加算点42において、正の
タービン・レベル入力及び正の蒸気ダンプ需要入力(そ
れぞれ主タービンの出力(タービン初段圧力で検知)及
び蒸気ダンプ弁開度制御信号を意味し、プラント低出力
においては主蒸気配管での主蒸気流量検出が不可能とな
るためその代替信号として蒸気発生量を間接的に表すこ
れらの信号を使用する)を有する第3の加算点46からの
入力を受ける関数発生器44によって発生される関数と合
成される。ブロック40並びに加算点42からの出力は、そ
れぞれ遷移手段30に対するX及びY入力を導出するため
に、高出力コントローラ28及び低出力コントローラ26に
供給される。然る後に、遷移手段30は、先に第2図を参
照して述べたアルゴリズムに基づいて動作し、フィード
フォワード技術を用いて、主及びバイパス給水流量弁の
弁特性及び差圧入力を補償する弁線形化回路48a及び48b
に対して出力を供給する。 この弁線形化回路48a、48bは、制御信号を弁に与えて
給水流量を調整する段階では、制御信号が変わらなくて
も弁の差圧が変動することによって給水流量が変動す
る。そこでこれを差圧信号によって予め予測して制御信
号を補償するものである。また、上述の弁特性を補償す
るとは、同様に制御信号に対して弁の流量Vs開度特性は
線形でないため、これを補償して線形化することを意味
している。 蒸気発生器レベル制御が臨界的なほどに重要でない或
る種の事例においては、遷移手段30の出力を直接、給水
弁位置付け装置に供給することができよう。しかしなが
ら、遷移手段30の出力は、流量需要信号であり、この信
号を直接、弁位置付け装置に供給するとすれば、2つの
望ましくない効果が起こり得る。第1に、給水弁特性
(Cv対弁位置特性)は完全には線形でないので、この弁
の非線形性で制御ループに可変利得が導入され、従って
ループ利得は動作点に依存することになる。この作用も
しくは効果は、第3図及び第4図に「Cv補償」ブロック
で示すように制御ループに非線形利得を導入することに
より補償することができる。第2に、遷移手段30が一定
の流量従って給水制御弁の固定の位置を要求している場
合でも、蒸気発生器に供給される給水の実際の流量は、
給水制御弁の両側における差圧の変化で変動する。この
差圧は、給水系における圧力降下の変化、給水ポンプ速
度変化或るいは運転中の給水ポンプの数の変化が原因で
変動し得る。この作用は、第3図及び第4図に「ΔP補
償」を記入したブロックで示すように、補償信号を導入
することにより除去することができる。このブロック
は、給水制御弁における測定圧力降下に比例する信号を
受けて、平方根抽出回路により処理する。これにより、
給水制御弁における圧力降下に変化が生じても供給され
る給水流量が一定に留どまることが確保される。 以上の構成において、低出力コントローラ26からの出
力信号Xは、特許請求の範囲第1項の第1の信号を構成
し、高出力コントローラ28の出力Yは特許請求の範囲第
1項の第2の信号を構成し、遷移手段30が特許請求の範
囲第1項の遷移制御手段を構成し、合成関数Cにおける
A(Tf)Xが特許請求の範囲第1項の第3の信号を構成
し、B(Tf)Yが特許請求の範囲第1項の第4の信号を
構成する。そして、高出力制御信号と低出力制御信号を
給水温度の依存関数を用いて重み付けされた一つの線形
合成信号を発生する部分とそれを補正して二つの低出力
用と高出力用の給水調整弁に出力する部分が、遷移手段
30、弁線形化回路48a及び48bに該当している。また、図
3において、給水量制御弁24、乗算器ブロック36、ゲイ
ンブロック32、PIDコントローラ38、加算ブロック40、
高出力コントローラ28が特許請求の範囲第2項における
高出力コントローラに該当し、図4における、加算点34
a、乗算器ブロック36a、乗算器ブロック32a、PIDコント
ローラ38a、加算ブロック40、高出力コントローラ28が
特許請求の範囲第2項の高出力コントローラに該当す
る。さらに、図3において、加算点46、関数発生器44、
加算点42、低出力コントローラ26が特許請求の範囲第2
項における低出力コントローラに該当し、図4におい
て、加算点34b、乗算器ブロック36b、乗算ブロック32
b、低出力コントローラ26が特許請求の範囲第2項にお
ける低出力コントローラに該当している。 同様にして、第4図に示すように、遷移手段30を、広
範囲レベル測定で動作する低出力コントローラを備えた
プラント用に実現することもできる。周知のように、
「広範囲」とは、蒸気発生器12の全長を監視する場合を
表す。このような情況は、蒸気発生器12の充填及び起動
中に生ずる。第3図に示した既述の構成と同様に、蒸気
発生器レベル及び設定点の狭範囲入力が加算点34aに与
えられて、ブロック32aによる給水温度Tfの利得改善信
号と乗算器ブロック36aで乗ぜられる。給水温度信号Tf
も乗算ブロック32bで利得増幅されて、広範囲蒸気発生
器レベル及び設定点入力を有する加算点34bからの入力
を受ける乗算器ブロック36bに供給される。乗算器ブロ
ック36a及び36bからの各出力は、そこで、3モードもし
くはPIDコントローラ38a及び26に供給され、PID26は、
低出力コントローラXの入力を遷移手段30に与え、そし
てPIDコントローラ38aはその出力を加算ブロック40を介
して高出力コントローラ28に供給する。コントローラで
あるPID28の出力は、遷移手段30に対する高出力コント
ローラY入力となる。第4図の残りの部分は、総ての点
において、第3図を参照し説明した対応の部分に類似す
る。 上の説明から明らかなように、第2図乃至第4図を参
照して述べた遷移手段30により全範囲蒸気発生器レベル
制御システムが提供される。Tfより低い給水温度では、
遷移手段30からの出力は、慣用の低出力コントローラ26
の出力と同じであり、他方T2より高い温度では、遷移手
段30の出力は高出力コントローラ28の出力と同じであ
る。T1とT2との間の遷移範囲もしくは渡り領域において
は、低出力コントローラから高出力コントローラへの漸
進的な遷移が存在し、これにより、切換機構を必要とす
ることなく、全出力範囲における動作が可能となる。低
出力コントローラ及び高出力コントローラ間における手
動或いは自動切換プロセス並びに関連の円滑切換回路が
不必要となることにより設定が単純化されるばかりでは
なく、蒸気発生器レベルの急激な変動に起因する原子炉
トリップ(緊急停止)の確率が減少する。低出力コント
ローラ26及び高出力コントローラ28を有する現存のどの
システムも、本発明による遷移(渡り)手段を備えるこ
とができ、システムの整合性は、慣用の仕方で、低出力
コントローラ28を整合するためにA(Tf)を「1」に等
しく設定し且つB(Tf)を「0」に等しく設定し、そし
て高出力コントローラ28を整合するためにA(Tf)を
「0」に等しく且つB(Tf)を「1」に等しく設定する
ことにより達成することができる。 上の説明から、本発明の多くの変形及び変更が容易に
可能であることは明らかである。例えば、上の説明にお
いては、給水温度を、2つのコントローラ間における遷
移を強制する因子として用いている。しかしながら、運
転出力範囲内で給水温度と給水流量との間には強い相関
が存在するので遷移手段30に対する遷移強制因子として
給水流量信号を使用することも同じく可能であろう。従
って、本発明の範囲内で、ここに述べたものとは異なっ
た仕方で本発明を実施し得ることを銘記されるべきであ
る。
原子力発電プラントで用いられる蒸気発生器に係り、特
に、低出力コントローラと高出力コントローラとの間に
おける手動または自動切換を行う必要なく、原子炉負荷
の全範囲に亙り蒸気発生器レベルを制御する方法及び装
置に関する。尚、本明細書で用いる術語「蒸気発生器レ
ベル」または類似の表現は、蒸気発生器に含まれる2次
ループ給水レベルを表す。 プロセス・コントローラの主たる機能は、言う迄もな
く、1つまたは2つ以上のプロセス変数を所望の設定点
またはその近傍に維持することにある。しかしながら、
人間であるオペレータがプロセスの遂行の責任を負わさ
れているので、コントローラがその仕事を行っているこ
とをオペレータが確証することを可能にし且つ必要に応
じ、プロセスの制御をオペレータが代わって行うことを
可能にするための何等かの手段を設けなければならな
い。オペレータとプロセスとの間のこのリンク(結合)
は制御ステーションにより与えられる。 あらゆる制御ステーションには下記のような5つの典
型的な部品もしくは装置が存在する。即ち、(1)プロ
セス変数インジケータ(指示装置)と、(2)設定点調
節機構と、(3)制御弁に対する信号を直接的に操作す
る調整装置(通常マニュアルと呼称される)と、(4)
出力信号インジケータと、(5)自動モード制御と手動
モード制御との間の切換を行うための装置とである。制
御ステーションに不可欠的なこれら5つの装置もしくは
部品の実際の構造は製造業者間で異なるが、これら装置
は、通常流体圧型のものであれ、電子的性質のものであ
れ或いはコンピュータ化されたものであれ、有らゆる制
御ループに存在するものである。 プロセス変数インジケータとしては多くの形態のもの
が知られている。一般的な計器として、インジケータ
は、円形または水平のスケール上で運動する指針の形態
とすることができ、コントローラ、記録装置または双方
の一部とすることができる。一般に、現在用いられてい
る形態においては記録装置とコントローラとは分離され
て、制御ステーションにコントローラを結合し指示コン
トローラとしている。記録装置またはインジケータの形
態毎に、設定点を操作する仕方は異なる。流体圧もしく
は空気圧型の計器においては、設定点機構は一般に、コ
ントローラに対して3乃至15psi信号を供給する小型の
送信部を調整する。他方、電子型の計器は、一般に、プ
ロセス変数信号に対して反対の極性の電圧を発生するポ
テンショメータからなる調節手段を備えている。 調節装置は、通常、弁または弁アクチュエータに対す
る出力信号を直接的に操作する手動操作装置である。こ
の調節装置は、自動コントローラが稼働していない場合
にのみ用いられる。多くの手動操作出力は調節装置の位
置に直接比例する。しかしながら、新型のコントローラ
の中には、手動調節で、「増分」または「減分」機構を
作動することにより出力を変えるものがある。出力信号
インジケータは、制御弁に対して印加されつゝある信号
レベルを指示する装置である。この種の目的に用いられ
る形式のインジケータは、プロセス変数インジケータと
して用いられるものに類似している。通常、この種のイ
ンジケータは、制御弁の位置を表す「開」または「閉」
が両端に記入されているスケールを備えている。 自動−手動切換スイッチもしくは円滑切換スイッチの
目的は、弁に対する信号源を切換することにある。信号
の大きさを変えることなくこの切換を行うためには、言
い換えるならば衝撃を伴わない円滑な切換を実現するた
めには、旧式のコントローラでは平衡化手続きが必要と
されている。通常モードもしくは自動モードから手動モ
ードへの切換に際して、切換装置を最初に中間位置もし
くは平衡化された位置に動かして、手動出力を自動コン
トローラ出力と整合する。次いで切換レバーを手動位置
に移動して、出力を所望の値に調整し無衝撃もしくは円
滑切換を完了する。手動モードから自動モードへの移行
に際しては、自動モードへの切換前に、平衡位置を用い
て設定点とプロセス変数とを整合する。次いで、設定点
を所望値に調整する。 現在利用可能なプロセス制御ステーションにおいて
は、一般に、各製造業者毎に異なった方式を採用して平
衡位置は除外される趨製にある。最も一般的な方法によ
れば、自動モードにある間に手動調節出力はコントロー
ラ出力を追跡するように強制され、他方、手動モードに
おいては設定点調節出力が測定出力を追跡するように強
制される。従って切換時には、平衡化或いは整合(アラ
インメント)は不必要となる。 ところで、原子力蒸気供給システムの2次ループにお
ける給水レベルの制御は、システムが非最小位相動特性
(non−minimum phase dynamics)で挙動するために制
御が困難である事例の代表的な例である。ここで、「非
最小動特性」とは、プラント入力機能とプラント出力機
能との間における周波数領域伝達機能の性質を記述する
ために用いられている術語である。入力信号とそれに対
応する出力との間における伝達遅延もしくは純時間遅延
は、非最小位相挙動の1つの態様である。非最小位相挙
動の他の態様として、記号の変化及びその正の漸近線に
接近する前における出力信号の初期の負の応答がある。
この種の非最小位相挙動もしくは原子力蒸気供給システ
ムのオペレータが往々にして称するところの「収縮/膨
張挙動」は通常、右半分平面ゼロ(righr half plane z
eros)を含む切換機能を備えたプラントと関連する挙動
である。 原子炉出力、蒸気流量、給水の温度及び給水流量にお
ける変化は、総て、蒸気発生器に含まれている二次ルー
プ給水の測定されたレベルに影響を与える。従って、レ
ベル・コントローラの基本的な役割は、他の因子により
生じたレベルの変動を補償するために、給水流量を変え
ることにより限界内で目標レベルを維持することにあ
る。主に長時間遅延及び収縮/膨張効果を考慮して、コ
ントローラは、プラント状態の変化または制御作用が蒸
気発生器レベルに与える影響を予測し、以て、蒸気発生
器レベルに対するこのようなイベントもしくは事象の究
極的な影響が測定レベルに顕在化する前に補償応答を行
わなければならない。更に、コントローラは、現在の蒸
気発生器レベル挙動を解釈するために、過去の制御作用
及びプラント状態の変化を追跡記録していなければなら
ない。このように、プロセスは、エラーレベルの単純な
フィードバックにより容易に制御することはできない。
給水コントローラが補償作用を行う前に或る影響がレベ
ル・エラーとして顕在化するのを待つとするならば、シ
ステムは不安定になり得る。これは、システムに長時間
の遅延がある場合、レベル擾乱が観察された後に行われ
る応答では、限界を越えるのを回避するべく適時にレベ
ルに対し何等かの作用を与えることは殆ど不可能となる
からである。更に、情況は、収縮/膨張効果で錯綜化す
る。このような効果もしくは作用が原因で、結局的にシ
ステムを平衡状態にする制御作用は、初期において事態
を一層悪化する。例えば、オペレータが、レベル減少を
観察した後に初めて水を付加するとするとするならば、
オペレータが付加した水は、初期において、収縮が原因
でレベルを更に減少せしめ、限界を越える事態を引き起
こす確率を一層高める。 複雑なプロセス動特性と関連する困難さに加えて、コ
ントローラはしばしば、蒸気発生器水インベントリのよ
うな臨界的状態変数に対し直接的にアクセスすることが
できず、タービン出力、蒸気流量、蒸気発生器レベルの
ような間接的測定量に頼る外ないために、予測が困難と
なる。更に、蒸気流量及び給水流量の最も臨界的な正確
な測定は低出力状態では得られない。その結果、コント
ローラは、蒸気流量及び給水流量が平衡しているか否
か、或るいはまた、それらを平衡にするために給水流量
のどの程度の変化が要求されるかを直接的に知る術を有
しない。従って、オペレータは、殆ど排他的に、このよ
うな情報を推定するためのレベル傾向データに頼らざる
を得ない。上述のような長い遅延並びに収縮及び膨張効
果が原因で、給水流量−蒸気流量平衡に関する情報が蒸
気発生器レベル挙動に現れる前に相当な遅延が介在す
る。 従って、PWR原子力発電プラントにおける蒸気発生器
レベル、蒸気流量及び給水流量を測定するのに用いられ
ている慣用の3要素コントローラは、次の2つの理由か
ら、非常に低い出力レベルでは有効ではない。その第1
の理由は、正確な流量測定ができないこと、そして第2
の理由は、低い給水温度においては蒸気発生器の伝達も
しくは交換機能に変化が生ずるためである。その結果、
現行の設計においては、蒸気発生器レベル制御は、手動
制御かまたは低出力範囲で動作する別のコントローラに
切換えられるている。いずれの場合にも、高/低蒸気発
生器レベルでの原子炉のトリップ(停止)を回避するた
めには、切換は「無衝撃もしくは円滑な」切換であるこ
とが不可欠的に肝要である。 発明の概要 従って本発明の一般的目的は、全範囲蒸気発生器レベ
ル制御システムもしくは装置を提供することにある。 更に具体的には、本発明は、低出力コントローラによ
る蒸気発生器レベルの制御から高出力コントローラによ
る蒸気発生器レベルの制御への円滑な遷移またはその逆
の方向における円滑な遷移もしくは切換を実現すること
を目的とする。 本発明の他の目的は、PWR原子力発電プラントにおけ
る蒸気発生器のための低出力レベル・コントローラと高
出力レベル・コントローラとの間における手動または自
動切換の必要性を排除することにある。 本発明の更に他の目的は、無衝撃切換回路を除去し、
同時に、全出力範囲に亙り原子炉トリップの確率を減少
しつつ、全範囲蒸気発生器レベル制御システムもしくは
装置のための単純な設計を提供することにある。 概略的に述べると、本発明の上記の目的並びに他の目
的は、慣用の低出力コントローラ及び慣用の高出力コン
トローラからの出力を合成し、そして入力給水温度に従
い、上記出力の重み付けされた線形合成信号を発生して
それにより蒸気発生器と関連する給水弁の調整を行う装
置及び方法により達成される。 本発明の上に述べた目的並びに他の目的は、添付図面
と関連して以下に述べる好適な実施例に関する詳細な説
明から明らかとなるであろう。 好適な実施例の説明 以下図面を参照し説明する。尚、全図面を通し同じ参
照文字は、同様のまたは対応の部分を表すものとする。
第1図を参照するに、この図には、原子力蒸気供給シス
テム10の蒸気発生器12における指示レベルに影響を与え
るプロセスの機能ダイアグラムが示してある。蒸気発生
器12のレベル(即ち蒸気発生器12に含まれる2次ループ
給水レベル)は、臨界的に重要な性能変数であり、蒸気
発生器12とトリップ(緊急停止)回路16との間に接続さ
れているレベル・インジケータ14により指示される。該
トリップ回路16は、蒸気発生器12における指示レベルが
低レベル・トリップ点または高レベル・トリップ点に達
した時に、原子炉18内に設けられている制御棒20を該原
子炉内に下降することにより原子炉18をトリップ(緊急
停止)するように適用されている。機能制御作用は、蒸
気流量制御弁22及び給水量制御弁24の位置付け並びに可
変速度給水ポンプの場合には該給水ポンプの速度を制御
することにより行われる。図示のように、プロセス変数
には、蒸気流量Ws、給水流量Wf、蒸気圧力Ps及び蒸気発
生器レベルLが含まれる。 原子力蒸気供給システム10の運転に影響を与える作用
として他の種々なものが考えられる。例えば、蒸気ダン
プ弁及びタービン調速弁の位置制御、給水ポンプの速度
制御、主タービン速度制御、補助、バイパス及び主給水
調整弁または制御棒20の位置制御により直接的な制御作
用を与えることができる。考慮しなければならない2次
的な変数には、蒸気ダンプ弁の位置、タービン速度、タ
ービン速度変化、給水ポンプ速度、主蒸気及び給水ヘッ
ドにおける圧力並びに給水制御弁位置が含まれる。 低い給水温度においては、蒸気発生器機能に変化が生
じ、然も、非常に低い原子炉出力レベルにいては正確な
流量測定が不可能となるので、第1図に示してあるよう
な慣用の原子力蒸気供給システムにおいては、高出力コ
ントローラ28に加えて低出力コントローラ26が用いられ
ている(第2図)。しかしながら、本発明の1つの重要
な様相によれば、第2図に示すように、低出力コントロ
ーラ26及び高出力コントローラ28からの各出力は、原子
炉18の全出力範囲に亙り高出力コントローラ28と低出力
コントローラ26との間に円滑な遷移を保証する遷移手段
30に入力される。低出力コントローラ26及び高出力コン
トローラ28からのそれぞれの出力X及びYは、給水温度
Tfの関数として給水調整弁24を作動するための重み付け
された線形合成関数Cを得るために遷移手段30に供給さ
れる。この合成関数Cは次式から求められる。 C=A(Tf)X+B(Tf)Y 上式中:A(Tf)=(T2−Tf)/(T2−T1) B(Tf)=(Tf−T1)/(T2−T1) Xは低出力コントローラの出力 Yは高出力コントローラの出力 Tfは測定給水温度である 関数A(Tf)及びB(Tf)の上、下限は、下記の条件
を満足するように制限される。 0A(Tf)1 0B(Tf)1 上式で用いられているT1及びT2は、給水温度の特性に
基づく設定点である。典型例においては、T1は100゜Fに
等価であり、T2は280゜Fに等価である。 次に第3図を参照するに、この図には、低出力コント
ローラが狭い範囲のレベル測定及び推測蒸気流量に作用
するようにして原子力発電プラントで用いられる本発明
の一実施例が示してある。ここで「狭い範囲もしくは狭
範囲」とは、通例のように、蒸気発生器の予め定められ
た部分(例えば12フィートの部分)が制御目的に用いら
れる場合を表す。遷移手段30は、図示のように、低出力
コントローラ26及び高出力コントローラ28からの出力を
表す入力X及びY並びに給水温度入力信号Tfを受ける。
給水温度信号Tfは次いで、ブロック32で利得を与えられ
て、乗算器ブロック36で、蒸気発生器レベルを表す負の
入力並びに狭範囲蒸気発生器レベル設定点を表す正の入
力を受ける加算点34から得られる合成信号を乗ぜられ
る。乗算器ブロック36からの出力はそこで、第1の3モ
ード・コントローラすなわち比例・積分・微分(PID)
コントローラ38に供給される。 周知のように、3モード・コントローラは、比例、積
分及び微分要素の作用を1つの単位に合成する。これら
各種要素の主たる作用は次の通りである。比例(利得)
モードでは、一般に、利得が高くなればなる程、過渡も
しくは遷移が高速になり応答の振動性が高くなるような
応答曲線が形成される。他方、積分(リセット)モード
では、定常状態オフセットが除去され、また微分(変化
率)モードでは、高次の系に対し高い比例利得が得られ
る。第1のPID38からの出力は、蒸気流量Wsの正の入
力、給水流量Wfの負の入力並びに収縮/膨張補償(蒸気
発生量の変化により水位が質量バランスに反して一時的
に逆の動作をするが、この動作により制御信号が水位制
御にとって好ましくない方向に動作するのを防ぐ為に設
けられる補償である。具体的には、蒸気発生量が減少す
ると質量バランスとしては水位は増加するが実際には逆
の動作で一時的に低下する。このために給水流量は一時
的に増加するが、これは本来の必要な制御動作ではなく
最終的には給水流量は減少しなければならない。本補償
は、このような一時的な好ましくない動作を抑制するた
めに設けられる。)を表す入力を受けるブロック40及び
第2の加算点42に供給され、該加算点42において、正の
タービン・レベル入力及び正の蒸気ダンプ需要入力(そ
れぞれ主タービンの出力(タービン初段圧力で検知)及
び蒸気ダンプ弁開度制御信号を意味し、プラント低出力
においては主蒸気配管での主蒸気流量検出が不可能とな
るためその代替信号として蒸気発生量を間接的に表すこ
れらの信号を使用する)を有する第3の加算点46からの
入力を受ける関数発生器44によって発生される関数と合
成される。ブロック40並びに加算点42からの出力は、そ
れぞれ遷移手段30に対するX及びY入力を導出するため
に、高出力コントローラ28及び低出力コントローラ26に
供給される。然る後に、遷移手段30は、先に第2図を参
照して述べたアルゴリズムに基づいて動作し、フィード
フォワード技術を用いて、主及びバイパス給水流量弁の
弁特性及び差圧入力を補償する弁線形化回路48a及び48b
に対して出力を供給する。 この弁線形化回路48a、48bは、制御信号を弁に与えて
給水流量を調整する段階では、制御信号が変わらなくて
も弁の差圧が変動することによって給水流量が変動す
る。そこでこれを差圧信号によって予め予測して制御信
号を補償するものである。また、上述の弁特性を補償す
るとは、同様に制御信号に対して弁の流量Vs開度特性は
線形でないため、これを補償して線形化することを意味
している。 蒸気発生器レベル制御が臨界的なほどに重要でない或
る種の事例においては、遷移手段30の出力を直接、給水
弁位置付け装置に供給することができよう。しかしなが
ら、遷移手段30の出力は、流量需要信号であり、この信
号を直接、弁位置付け装置に供給するとすれば、2つの
望ましくない効果が起こり得る。第1に、給水弁特性
(Cv対弁位置特性)は完全には線形でないので、この弁
の非線形性で制御ループに可変利得が導入され、従って
ループ利得は動作点に依存することになる。この作用も
しくは効果は、第3図及び第4図に「Cv補償」ブロック
で示すように制御ループに非線形利得を導入することに
より補償することができる。第2に、遷移手段30が一定
の流量従って給水制御弁の固定の位置を要求している場
合でも、蒸気発生器に供給される給水の実際の流量は、
給水制御弁の両側における差圧の変化で変動する。この
差圧は、給水系における圧力降下の変化、給水ポンプ速
度変化或るいは運転中の給水ポンプの数の変化が原因で
変動し得る。この作用は、第3図及び第4図に「ΔP補
償」を記入したブロックで示すように、補償信号を導入
することにより除去することができる。このブロック
は、給水制御弁における測定圧力降下に比例する信号を
受けて、平方根抽出回路により処理する。これにより、
給水制御弁における圧力降下に変化が生じても供給され
る給水流量が一定に留どまることが確保される。 以上の構成において、低出力コントローラ26からの出
力信号Xは、特許請求の範囲第1項の第1の信号を構成
し、高出力コントローラ28の出力Yは特許請求の範囲第
1項の第2の信号を構成し、遷移手段30が特許請求の範
囲第1項の遷移制御手段を構成し、合成関数Cにおける
A(Tf)Xが特許請求の範囲第1項の第3の信号を構成
し、B(Tf)Yが特許請求の範囲第1項の第4の信号を
構成する。そして、高出力制御信号と低出力制御信号を
給水温度の依存関数を用いて重み付けされた一つの線形
合成信号を発生する部分とそれを補正して二つの低出力
用と高出力用の給水調整弁に出力する部分が、遷移手段
30、弁線形化回路48a及び48bに該当している。また、図
3において、給水量制御弁24、乗算器ブロック36、ゲイ
ンブロック32、PIDコントローラ38、加算ブロック40、
高出力コントローラ28が特許請求の範囲第2項における
高出力コントローラに該当し、図4における、加算点34
a、乗算器ブロック36a、乗算器ブロック32a、PIDコント
ローラ38a、加算ブロック40、高出力コントローラ28が
特許請求の範囲第2項の高出力コントローラに該当す
る。さらに、図3において、加算点46、関数発生器44、
加算点42、低出力コントローラ26が特許請求の範囲第2
項における低出力コントローラに該当し、図4におい
て、加算点34b、乗算器ブロック36b、乗算ブロック32
b、低出力コントローラ26が特許請求の範囲第2項にお
ける低出力コントローラに該当している。 同様にして、第4図に示すように、遷移手段30を、広
範囲レベル測定で動作する低出力コントローラを備えた
プラント用に実現することもできる。周知のように、
「広範囲」とは、蒸気発生器12の全長を監視する場合を
表す。このような情況は、蒸気発生器12の充填及び起動
中に生ずる。第3図に示した既述の構成と同様に、蒸気
発生器レベル及び設定点の狭範囲入力が加算点34aに与
えられて、ブロック32aによる給水温度Tfの利得改善信
号と乗算器ブロック36aで乗ぜられる。給水温度信号Tf
も乗算ブロック32bで利得増幅されて、広範囲蒸気発生
器レベル及び設定点入力を有する加算点34bからの入力
を受ける乗算器ブロック36bに供給される。乗算器ブロ
ック36a及び36bからの各出力は、そこで、3モードもし
くはPIDコントローラ38a及び26に供給され、PID26は、
低出力コントローラXの入力を遷移手段30に与え、そし
てPIDコントローラ38aはその出力を加算ブロック40を介
して高出力コントローラ28に供給する。コントローラで
あるPID28の出力は、遷移手段30に対する高出力コント
ローラY入力となる。第4図の残りの部分は、総ての点
において、第3図を参照し説明した対応の部分に類似す
る。 上の説明から明らかなように、第2図乃至第4図を参
照して述べた遷移手段30により全範囲蒸気発生器レベル
制御システムが提供される。Tfより低い給水温度では、
遷移手段30からの出力は、慣用の低出力コントローラ26
の出力と同じであり、他方T2より高い温度では、遷移手
段30の出力は高出力コントローラ28の出力と同じであ
る。T1とT2との間の遷移範囲もしくは渡り領域において
は、低出力コントローラから高出力コントローラへの漸
進的な遷移が存在し、これにより、切換機構を必要とす
ることなく、全出力範囲における動作が可能となる。低
出力コントローラ及び高出力コントローラ間における手
動或いは自動切換プロセス並びに関連の円滑切換回路が
不必要となることにより設定が単純化されるばかりでは
なく、蒸気発生器レベルの急激な変動に起因する原子炉
トリップ(緊急停止)の確率が減少する。低出力コント
ローラ26及び高出力コントローラ28を有する現存のどの
システムも、本発明による遷移(渡り)手段を備えるこ
とができ、システムの整合性は、慣用の仕方で、低出力
コントローラ28を整合するためにA(Tf)を「1」に等
しく設定し且つB(Tf)を「0」に等しく設定し、そし
て高出力コントローラ28を整合するためにA(Tf)を
「0」に等しく且つB(Tf)を「1」に等しく設定する
ことにより達成することができる。 上の説明から、本発明の多くの変形及び変更が容易に
可能であることは明らかである。例えば、上の説明にお
いては、給水温度を、2つのコントローラ間における遷
移を強制する因子として用いている。しかしながら、運
転出力範囲内で給水温度と給水流量との間には強い相関
が存在するので遷移手段30に対する遷移強制因子として
給水流量信号を使用することも同じく可能であろう。従
って、本発明の範囲内で、ここに述べたものとは異なっ
た仕方で本発明を実施し得ることを銘記されるべきであ
る。
【図面の簡単な説明】
第1図は、原子力蒸気供給システムの蒸気発生器におけ
る指示レベルに影響を与えるプロセスを示す機能ダイア
グラム、第2図は、蒸気発生器のレベルを制御するため
に第1図の原子力蒸気供給システムに組み込まれた本発
明の装置の概略的構成を示すブロック・ダイアグラム、
第3図は狭範囲レベル測定及び推定蒸気流量に基づいて
動作する低出力コントローラを備えたプラント用に用い
られる本発明の装置を示す図、そして第4図は広範囲レ
ベル測定に基づいて動作する低出力コントローラを備え
たプラントで使用される本発明の装置を図解する図であ
る。 10……原子力蒸気供給システム 12……蒸気発生器 14……レベル・インジケータ 16……トリップ(緊急停止)回路 18……原子炉 20……制御棒 22……蒸気流量制御弁 24……給水量制御弁 26……低出力コントローラ 28……高出力コントローラ 30……遷移(渡り)手段 34、42、46……加算点 36……乗算器ブロック 38……比例積分微分(PID)コントローラ 40……加算ブロック 44……関数発生器 48……弁線形化回路
る指示レベルに影響を与えるプロセスを示す機能ダイア
グラム、第2図は、蒸気発生器のレベルを制御するため
に第1図の原子力蒸気供給システムに組み込まれた本発
明の装置の概略的構成を示すブロック・ダイアグラム、
第3図は狭範囲レベル測定及び推定蒸気流量に基づいて
動作する低出力コントローラを備えたプラント用に用い
られる本発明の装置を示す図、そして第4図は広範囲レ
ベル測定に基づいて動作する低出力コントローラを備え
たプラントで使用される本発明の装置を図解する図であ
る。 10……原子力蒸気供給システム 12……蒸気発生器 14……レベル・インジケータ 16……トリップ(緊急停止)回路 18……原子炉 20……制御棒 22……蒸気流量制御弁 24……給水量制御弁 26……低出力コントローラ 28……高出力コントローラ 30……遷移(渡り)手段 34、42、46……加算点 36……乗算器ブロック 38……比例積分微分(PID)コントローラ 40……加算ブロック 44……関数発生器 48……弁線形化回路
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 1.加圧水形原子力発電プラントで使用され給水管路を
有している蒸気発生器の給水レベルを制御するために、
予め定められた百分率値より低い原子炉出力レベルで給
水流量を制御するための第1の信号を出力する段階、及
び前記予め定められた百分率値より高い原子炉出力レベ
ルで給水流量を制御するための第2の信号を出力する段
階を含んだ蒸気発生器の給水レベル制御方法において、 更に、 遷移制御手段で前記第1及び第2の信号を受ける段階
と、 第1の給水温度依存関数を発生する段階と、 前記第1の温度依存関数で前記第1の入力信号を処理し
て第3の信号を発生する段階と、 第2の給水温度依存関数を発生する段階と、 前記第2の温度依存関数で前記第2の入力信号を処理し
て第4の信号を発生する段階と、 前記第3の信号を発生する段階並びに前記第4の信号を
発生する段階から得られる前記第3及び第4の信号を加
算して給水流量を制御する段階と、を含んだ蒸気発生器
の給水レベル制御方法。 2.給水管路により給水レベルが維持される蒸気発生器
に熱源を供給する加圧水系原子炉を備え、該給水管路を
流れる流量を給水調整弁により調整する原子力蒸気供給
システムのための制御装置において、 第1の信号を出力する低出力コントローラと、 第2の信号を出力する高出力コントローラと、 前記第1及び第2の信号を受けて、前記第1及び第2の
信号の重み付けされた線形合成信号を表す第3の信号を
発生する遷移制御手段とを備え、 前記第3の信号が、給水流量の調整の目的で前記給水調
整弁に供給されるようにした原子力蒸気供給システムの
ための制御装置。
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|---|---|---|---|
| US06/932,245 US4728481A (en) | 1986-11-19 | 1986-11-19 | Full range nuclear power plant steam generator level control system |
| US932,245 | 1986-11-19 |
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