JP2863581B2 - タービン蒸気加減弁制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は沸騰水型軽水炉を備えた原子力発電プラント
におけるタービン蒸気加減弁制御装置に係り、特に定格
出力運転中の圧力制御装置等の故障によって生じるター
ビン蒸気加減弁の閉鎖時において、原子炉の過渡事象を
緩和することができるとともに、原子炉出力が低い状態
で発電機負荷遮断が生じた場合において、タービン主軸
の回転数上昇が設計目標値を超えることを防止しかつ原
子炉の過渡事象を緩和することができるようにしたター
ビン蒸気加減弁制御装置に関する。

（従来の技術） 沸騰水型軽水炉を備えた原子力発電プラントにおいて
は、圧力制御装置等の故障によりタービン蒸気加減弁の
閉鎖要求信号が出力された場合、特にその閉鎖時間を制
限するような回路が設けられていないために、タービン
蒸気加減弁は非常に速い速度で閉鎖する。その閉鎖時間
は沸騰水型原子炉を備えた一般的な原子力発電プラント
では、概ね数秒未満である。

（発明が解決しようとする課題） ところが、このような速い速度でタービン蒸気加減弁
が閉鎖すると、原子炉の発生蒸気の流出が制限されるた
めに、原子炉の圧力が上昇し、その結果として炉心内の
ボイドが潰れて正の反応度が投入され、原子炉の出力が
増加する。動特性解析の結果によれば、原子炉の出力上
昇で燃料の健全性上の余裕が低下する可能性があること
が分っている。

これを緩和するための一方策として、タービン蒸気加
減弁の閉鎖時間を現状よりも遅くすることが考えられ
る。動特性解析の結果によれば、タービン蒸気加減弁の
閉鎖時間を全開から全閉まで６〜８秒以上とすれば、過
渡事象発生時の燃料健全性を確保できることが分ってい
る。この目的のため、タービン蒸気加減弁の弁位置制御
回路に閉鎖速度の変化率制限器を設けて閉鎖時間を遅く
することは有効な対策であると言える。

一方、沸騰水型軽水炉を備えた原子力発電プラントに
おいては、プラント運転中に電力系統が遮断された場
合、タービン発電機への蒸気供給を速やかに停止してタ
ービン主軸の回転数が上昇するのを防ぐため、タービン
蒸気加減弁を急速に閉鎖するための回路が設けられてい
る。この原子力発電プラントでは発電機負荷の遮断時に
タービン主軸の回転数が定格値の約110％を超えないこ
とを設計目標としており、この観点からタービン蒸気加
減弁の閉鎖時間は速いことが要求される。

この目的のため、原子力発電プラントにはパワーロー
ドアンバランスリレーと呼ばれる保護リレーがあり、タ
ービンの第１段蒸気室圧力より換算した原子炉出力と送
電線電流より求めた発電機負荷を常時比較して、その差
が40％を超えたとき、タービン蒸気加減弁を急速作動モ
ードで閉鎖する構成としている。このとき、原子炉側は
急激な圧力上昇で出力が増加し、燃料健全性上の余裕は
低下するものの、急速作動モードの起動と同時に生じる
原子炉スクラム等によって核沸騰状態は維持され、特に
問題となる事象には至らないように設計されている。急
速作動モードによるタービン蒸気加減弁の閉鎖時間は極
めて速く、通常約100msec以下であり、譬え発電機負荷
遮断が生じてもタービン主軸の回転数が設計目標値を超
えることはない。

しかしながら、原子炉の初期出力が定格出力より低い
状態で発電機負荷遮断が生じたときにパワーロードアン
バランスリレーの動作設定値に至らない場合がある。そ
れは、原子炉出力が40％以下で発電機負荷遮断が生じた
場合が代表的であるが、実際には原子炉出力が60〜75％
の場合でもパワーロードアンバランスリレーの動作に至
らないことがある。

これは、初めに原子炉出力が60〜75％で運転されてい
るときに電力系統周波数が少し上昇して、その後に発電
機負荷遮断に至った場合である。一般に系統周波数が上
昇すると、圧力制御装置はこれを検出してタービン主軸
の回転数を低下すべくタービン蒸気加減弁をやや絞るよ
うに指令する。このため、原子炉からタービン発電機に
供給される蒸気の量が減少し、タービン第１段蒸気室圧
力が低下し、結果としてパワーロードアンバランスリレ
ーに入力される原子炉出力相当信号が40％以下になって
いると、譬えそこで発電機負荷遮断が生じてもパワーロ
ードアンバランスリレーは動作しない。パワーロードア
ンバランスリレーが動作しない場合、タービン蒸気加減
弁の急速作動モードは働かず、タービン蒸気加減弁は圧
力制御装置の指令に従って、急速作動モードよりは遅い
通常閉鎖モードで閉鎖する。

解析の結果によれば、このような場合にタービン主軸
の回転数増加は最も厳しくなることが知られており、設
計目標である定格値の約110％以下を守るためには、タ
ービン蒸気加減弁の通常閉鎖モードでの閉鎖時間は全開
から全閉まで６〜８秒程度以下であることが要求され
る。

いま、定格出力運転中において、圧力制御装置の故障
によってタービン蒸気加減弁の閉鎖要求信号が生じたと
きの過渡事象を緩和するためのタービン蒸気加減弁の最
小許容閉鎖時間をα秒、パワーロードアンバランスリレ
ーが動作しないような発電機負荷遮断が生じたときのタ
ービン主軸の回転数増加を約110％以下に抑えるための
タービン蒸気加減弁の最大許容閉鎖時間をβ秒として、
個々の発電プラント毎にこれを評価すると、β＜αであ
るかまたはα＜βあってもその差が少なく、実際にター
ビン蒸気加減弁の弁位置制御回路に変化率制御器を設け
て閉鎖時間を制限することは難しいという結果が得られ
ている。

なお、現状の原子力発電プラントにおいて、パワーロ
ードアンバランスリレーの設定値は40％であり、この設
定値を下げて発電機負荷遮断が生じたときはいつでも急
速作動モードによりタービン蒸気加減弁を急速閉鎖させ
れば、タービン主軸回転数の上昇は問題なくなるが、こ
の場合には平行して生じる原子炉スクラムによって原子
炉が停止してしまうというデメリットがあり現実的な案
ではない。

本発明は上記の事情を考慮してなされたもので、ター
ビン蒸気加減弁の閉鎖時間について、圧力制御装置の故
障によって生じるタービン蒸気加減弁の閉鎖時の、原子
炉の過渡事象を緩和するために閉鎖時間を遅くする必要
があるという要求と、パワーロードアンバランスリレー
が動作せずタービン蒸気加減弁の急速作動モードが作動
しないような発電機負荷遮断が生じたときに、タービン
主軸の回転数上昇を設計目標値以下に抑えるために閉鎖
時間を速くする必要があるという要求の２つの要求を満
たすことができるタービン蒸気加減弁制御装置を提供す
ることを目的とする。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 上記の目的を達成するため、本発明は、沸騰水型軽水
炉からタービン発電機に蒸気を案内する主蒸気管に設け
られたタービン蒸気加減弁と、このタービン蒸気加減弁
の弁位置を制御する弁位置制御回路とを備えたタービン
蒸気加減弁制御装置において、上記タービン蒸気加減弁
の閉鎖速度を制限する変化率制限器と、この変化率制限
器の設定値を原子炉の出力に応じて変化させる変化率設
定制御回路とを備えたものである。

（作用） 原子炉出力が定格出力程度に高いときには、変化率設
定制御回路が、圧力制御装置等の故障によって、タービ
ン蒸気加減弁の閉鎖要求信号が生じたときの、過渡事象
を緩和するためのタービン蒸気加減弁の最小許容閉鎖時
間よりも閉鎖速度が遅くなるように、変化率制限器の設
定値を変化させる。

変化率制限器はその設定値に基づいて上記最小許容閉
鎖時間よりも遅くなるようにタービン蒸気加減弁の閉鎖
速度を制限する。したがって、原子炉の出力上昇で燃料
の健全性上の余裕が低下するような原子炉の過渡事象を
緩和することができる。

一方、原子炉出力がパワーロードアンバランスリレー
が動作しないことがある程度に低いときには、変化率設
定制御回路が、パワーロードアンバランスリレーが動作
しなうような発電機負荷遮断が生じたときのタービン主
軸の回転数増加を設計目標値以下に抑えるためのタービ
ン蒸気加減弁の最大許容閉鎖時間よりも速くなるよう
に、変化率制限器の設定値を変化させる。

変化率制限器はその設定値に基づいて上記最大許容閉
鎖時間よりも速くなるようにタービン蒸気加減弁の閉鎖
速度を制限する。したがって、タービン主軸の回転数上
昇を設計目標値以下に抑えることができる。この場合、
原子炉出力が低いため、タービン蒸気加減弁の閉鎖速度
を速くしても、原子炉の過渡事象を緩和することができ
る。

（実施例） 以下、本発明に係るタービン蒸気加減弁制御装置の一
実施例について添付図面を参照して説明する。

第１図において、原子炉圧力容器１には主蒸気管２が
接続され、この主蒸気管２は下流においてタービン蒸気
加減弁３を介装した後、タービン４に接続される。ター
ビン４はタービン主軸５を介して発電機６と連結され、
この発電機６で発電された電力は送電線７によって電力
系統網に送電される。

一方、原子炉圧力容器１からの原子炉圧力信号８が圧
力制御装置９に入力されており、この圧力制御装置９は
タービン蒸気加減弁３の開度要求信号10を出力するよう
になっている。この開度要求信号10はタービン蒸気加減
弁弁位置制御回路11に入力され、このタービン蒸気加減
弁弁位置制御回路11は開度要求信号10に従って、タービ
ン蒸気加減弁３の弁位置を決定するようになっている。

また、タービン４からのタービン第１段蒸気室圧力信
号12と、送電線７からの電流信号13がパワーロードアン
バランスリレー14に入力されており、このパワーロード
アンバランスリレー14はそれらの出力偏差が40％以上の
ときに、タービン蒸気加減弁の急速作動モードを起動す
る急速作動モード起動回路15に信号を送って、タービン
蒸気加減弁３を急速閉鎖させるとともに、原子炉緊急停
止系16に信号を送って原子炉を直ちにスクラムさせる。

いま、圧力制御装置９が故障して、タービン蒸気加減
弁３を閉鎖させる開度要求信号10が出力されると、ター
ビン蒸気加減弁３は数秒で全閉に至り、原子炉の圧力が
上昇して、燃料健全性上厳しい事象となる。また、電力
系統の周波数が一時的に上昇したり、発電機負荷遮断が
生じて、タービン主軸５の回転数が上昇すると、タービ
ン回転数上昇信号17が圧力制御装置９に伝えられて、タ
ービン蒸気加減弁３を閉鎖するような指令が発せられ
る。

第２図は圧力制御装置９に故障が生じてタービン蒸気
加減弁３がある時間で閉鎖したと仮定して実施した動特
性解析の結果から、タービン蒸気加減弁３の閉鎖時間の
最小許容値αを原子炉の出力毎に求めたものであり、定
格出力運転状態では、その値αは６〜８秒程度である。
また、原子炉出力が低下した状態ではαは徐々に小さく
なり、例えば50〜60％出力状態では相当速く閉鎖して
も、原子炉の燃料健全性は充分に維持することが可能で
ある。

一方、パワーロードアンバランスリレー14が動作しな
いような発電機負荷遮断が生じる原子炉出力は、個々の
沸騰水型軽水炉によって異なるが、概ね60〜75％程度で
ある。このような場合において、タービン蒸気加減弁３
の最大許容閉鎖時間βは、これも個々の沸騰水型軽水炉
によって異なるものの、概ね５〜７秒程度である。そこ
で、第２図にはこの観点からの制約条件も併せて記載し
ている。従来の沸騰水型軽水炉のタービン蒸気加減弁弁
位置制御回路11においては、タービン蒸気加減弁３の閉
鎖時間を制限する回路は設けられていないが、これがな
い場合のタービン蒸気加減弁３の実際の閉鎖時間γはタ
ービン蒸気加減弁３本体の構造によって決まり、概ね数
秒未満である。

これらのことを考慮すると、原子炉の燃料健全性を維
持するためには、第２図における線αと線γの交点P₀の
出力以上では、タービン蒸気加減弁３の閉鎖時間を線α
以上になるように制御する必要があることがわかる。定
格出力運転状態でのαがβより大きいときは、全出力領
域に亘って一定の値を用いてタービン蒸気加減弁３の閉
鎖時間を制限することは不可能であるが、これを第２図
の破線Ａで示すように、原子炉出力に応じて可変とする
ことにより、当初の要求を満足する構成とすることがで
きる。なお、破線Ａは線αを包絡するものなら曲線状あ
るいは階段状等としてもよい。

そこで、本実施例においては、タービン蒸気加減弁弁
位置制御回路11内にタービン蒸気加減弁３の閉鎖速度を
制限する変化率制限器18を設けた。そして、第２図の破
線Ａに示すようにタービン蒸気加減弁３の閉鎖時間を変
化させるため、原子炉出力またはそれに相当する原子炉
出力相当信号19を入力し、変化率制限器18の設定値を原
子炉の出力に応じて変化させる変化率設定制御回路20を
設けた。

この実施例において、原子炉出力が定格出力程度に高
いときには、変化率設定制御回路20が、圧力制御装置９
等の故障によって、タービン蒸気加減弁３の閉鎖要求信
号が生じたときの、過渡事象を緩和するためのタービン
蒸気加減弁３の最小許容閉鎖時間αよりも閉鎖速度が遅
くなるように、変化率制限器18の設定値を変化させる。

変化率制限器18はその設定値に基づいて上記最小許容
閉鎖時間αよりも遅くなるようにタービン蒸気加減弁３
の閉鎖速度を制限する。したがって、原子炉の出力上昇
で燃料の健全性上の余裕が低下するような原子炉の過渡
事象を緩和することができる。

一方、原子炉出力がパワーロードアンバランスリレー
14が動作しないことがある程度に低いときには、変化率
設定制御回路20が、パワーロードアンバランスリレー14
が動作しないような発電機負荷遮断が生じたときのター
ビン主軸５の回転数増加を設計目標値以下に抑えるため
のタービン蒸気加減弁３の最大許容閉鎖時間βよりも速
くなるように、変化率制限器18の設定値を変化させる。

変化率制限器18はその設定値に基づいて上記最大許容
閉鎖時間βよりも速くなるようにタービン蒸気加減弁３
の閉鎖速度を制限する。したがって、タービン主軸５の
回転数上昇を設計目標値以下に抑えることができる。こ
の場合、原子炉出力が低いため、タービン蒸気加減弁３
の閉鎖速度を速くしても、原子炉の過渡事象を緩和する
ことができる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明はタービン蒸気加減弁の
閉鎖速度を制限する変化率制限器と、この変化率制限器
の設定値を原子炉の出力に応じて変化させる変化率設定
制御回路とを備えたから、圧力制御装置の故障等によっ
て生じるタービン蒸気加減弁の閉鎖時の原子炉の過渡事
象を緩和することができるとともに、発電機負荷遮断時
のタービン主軸の回転数上昇を設計目標値以下に抑える
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るタービン蒸気加減弁制御装置を備
えた原子力発電プラントを示す構成図、第２図は上記実
施例において圧力制御装置の故障に関する動特性解析の
結果の一例とタービン蒸気加減弁の閉鎖時間の設定値の
関係を示す特性図である。 １……原子炉圧力容器、２……主蒸気管、３……タービ
ン蒸気加減弁、４……タービン、５……タービン主軸、
６……発電機、７……送電線、９……圧力制御装置、11
……タービン蒸気加減弁弁位置制御回路、12……タービ
ン第１段蒸気室圧力信号、15……急速作動モード起動回
路、16……原子炉緊急停止系、18……変化率制限器、19
……原子炉出力相当信号、20……変化率設定制御回路。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】沸騰水型軽水炉からタービン発電機に蒸気
   を案内する主蒸気管に設けられたタービン蒸気加減弁
   と、このタービン蒸気加減弁の弁位置を制御する弁位置
   制御回路とを備えたタービン蒸気加減弁制御装置におい
   て、上記タービン蒸気加減弁の閉鎖速度を制限する変化
   率制限器と、この変化率制限器の設定値を原子炉の出力
   に応じて変化させる変化率設定制御回路とを備えたこと
   を特徴とするタービン蒸気加減弁制御装置。