JP3723866B2

JP3723866B2 - インターナルポンプの性能監視方法及び装置

Info

Publication number: JP3723866B2
Application number: JP2001030796A
Authority: JP
Inventors: 秀夫曽根田; 賢一安田; 公三明守屋
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2001-02-07
Filing date: 2001-02-07
Publication date: 2005-12-07
Anticipated expiration: 2021-02-07
Also published as: US6619111B2; US20020170349A1; JP2002236193A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インターナルポンプを用いて冷却材を循環する原子力発電プラントにおけるインターナルポンプの性能監視方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、原子炉等の蒸気を発生させ、発電を行う装置において、冷却材流量を炉内に循環させるためにジェットポンプが使用される原子炉とインターナルポンプが使用される原子炉が知られている。
ジェットポンププラントでは、多数台（通常２０台程度）のジェットポンプが原子炉圧力容器内に設けられ、冷却材を炉心に送ることにより炉心の冷却を行っている。このようなジェットポンプにより冷却材を駆動する原子炉では、ジェットポンプのドライブノズル部、サクション部及びスロート・ディフューザ部等の流動抵抗が各ジェットポンプで異なり、かつ、経年的にも微妙な変形等が生じることを仮想すると、流動抵抗が変化してジェットポンプ性能が経年的に変化することが考えられる。特開平６−１６０５８２号公報には、ジェットポンプの測定される流量からジェットポンプ各部の流動抵抗係数を推定させ、この推定された抵抗係数を監視することにより、各々のジェットポンプの性能低下を検出する方法が示されている。ジェットポンププラントでは、ジェットポンプのディフューザーの各々が流路となることから、ディフューザーの各々に設置した差圧信号に基づいた評価により、各ポンプ毎の差圧、流量変化を監視することが可能である。
一方、インターナルポンププラントでは、ジェットポンプの代わりに多数台（通常１０台程度）のインターナルポンプが設置され、冷却材を炉心に送っている。
図２に、インターナルポンププラントの原子炉の例を示す。インターナルポンプ１１１は、原子炉圧力容器１１２のダウンカマ部１１３に設置され、冷却材流量１１４をダウンカマから下部プレナム１１５側に昇圧して送り出している。このようなインターナルポンプが多数台（通常１０台程度）設けられている。インターナルポンプの吸込側の流路は、ダウンカマ部において各インターナルポンプ共通となっていてジェットポンプのような各ポンプ毎の個別の流路は形成されていない。このため、インターナルポンププラントでは、ポンプ流量を求めるのに使用するポンプ部差圧は、各運転ポンプで共通の値が使用できるように、また、ポンプ吸込部の流れの影響を受けないように上流側に離した位置に設置した差圧計測値を用いている。ポンプ流量は、このようにして測定したポンプ部差圧とポンプ回転数、炉水温度に基づき、予め炉外試験により測定しておいた相関式に基づいて求められている。
【０００３】
【発明が解決しょうとする課題】
インターナルポンププラントでは、ジェットポンプが設置されておらず、上記公報に述べられたような方法でポンプ性能監視を行うことはできない。すなわち、ジェットポンププラントでは、個々のジェットポンプのディフューザに差圧系の設置が可能であり、個々のジェットポンプについて、炉外試験により発生差圧と流量の関係を求めておくことができ、これに基づきプラント運転中の監視ができる。
しかしながら、インターナルポンプシステムは個々のポンプに差圧計を設置することは構造上困難であり、測定されるポンプ部差圧は全ポンプ共通の値を用いる。このため、１０台のポンプのうち１台のポンプ性能が変化しても、これを直接差圧測定値またはポンプ流量の変動として検知することは困難である。
【０００４】
本発明の課題は、インターナルポンププラントにおいてポンプの性能変化を早期に検知し、また、その該当ポンプを特定するに好適なインターナルポンプの性能監視方法及び装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、複数台のインターナルポンプによって冷却材を駆動するプラントのインターナルポンプの性能監視方法において、インターナルポンプを駆動するモータのポンプモータ入力電力を計測し、プラントにおいて計測されたポンプ回転数、ポンプ流量に対応するプラント外試験時のポンプモータ入力電力を推定し、ポンプモータ入力電力の実測値と推定値との比を求め、インターナルポンプの性能変化を検出する。
ここで、複数台のインターナルポンプを駆動するモータのポンプモータ入力電力を計測するに当って、複数台のインターナルポンプのモータを駆動する電源が複数台のインターナルポンプに対して共有され、電源からの出力電力のみが測定可能なとき、電源の出力電力を前記電源が共有されているインターナルポンプ台数で割った平均出力電力をインターナルポンプのモータ入力電力の計測値として用いる。
また、複数台のインターナルポンプによって冷却材を駆動するプラントのインターナルポンプの性能監視装置において、実機ポンプで測定されたポンプ部差圧、ポンプ回転数、ポンプを駆動するモータのポンプモータ入力電力及びポンプ流量を取り込み、実機ポンプのモータ入力電力と予め行ったプラント外試験結果に基づくポンプモータ入力電力との比を算出するポンプ性能比演算部と、算出したポンプモータ入力電力比を表示するポンプ性能比表示装置を具備する。
【０００６】
【発明の実態の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。
図１は、本発明の一実施形態によるインターナルポンプの性能監視装置の構成図である。本発明のポンプ性能監視装置は、ポンプ性能比演算部９とポンプ性能比表示装置１１とからなる。
インターナルポンプ１１１は、ポンプに接続されているモータ２０１により駆動され、モータ２０１は電源２０２から電力が供給されている。モータ２０１は、ポンプ各々に対して設置されている。ポンプ１１１により冷却材流量はダウンカマ１１３から下部プレナム部１１５に向けて昇圧され、冷却材が流される。ポンプ部に生じる差圧（ダウンカマ側と下部プレナム側の圧力差）は、周方向に数点設置されたポンプ部差圧計２により測定される。また、ポンプ各々について回転数計３が設けられている。さらに、ポンプモータ２０１の入力部または電源２０２の出力部に電力計５が各ポンプ毎に設けられ、モータ入力電力を測定する。
ポンプ流量Ｑは、全ポンプ共通の測定差圧△Ｐ、回転数Ｎ、炉水（流体）温度計４の炉水（流体）温度Ｔを用い、予め炉外試験において測定された流量と差圧の相関式（Ｑ−△Ｈ式）に基づいてポンプ流量演算部１０によって演算される。
ここで、炉外試験では、ポンプ１台が設置されるループ試験装置等で実機に設置する各々のポンプについて、ポンプ流量Ｑ、ポンプ部差圧ΔＰ、流体温度Ｔ、ポンプ回転数Ｎを測定し、温度Ｔで差圧ΔＰを密度換算したΔＨとＱ、Ｎの関係から実機におけるポンプ流量ＱとΔＨの関係式ΔＨ＝ｆ（Ｑ，Ｎ）を作成し、ポンプ流量演算部１０に設定する。これが上述のＱ−ΔＨ式であり、実機ではΔＨ、Ｎから関係式ｆにより算出された流量Ｑが実機流量となる。
実機で測定された差圧、回転数Ｎ、モータ入力電力Ｐ及びポンプ流量Ｑはポンプ性能比演算部９に取り込まれる。ポンプ性能比演算部９では、後で述べるように、実機ポンプのモータ入力電力と、予め行った炉外試験結果に基づく炉外試験のポンプモータ入力電力との比Ｒを算出する。その結果は定期的にポンプ性能比表示装置１１に送られ、表示装置１１ではプラント運転中のＲの経時変化を表示する。予め設定したしきい値以上の変化を生じた場合はポンプ性能が変化した可能性のあることを画面表示等により運転員に知らせる。
【０００７】
図３に、ポンプ性能比演算部９におけるモータ入力電力比（性能比）Ｒの演算フローを示す。はじめに、モータ入力電力比Ｒの評価によりポンプ性能を監視可能な原理について説明する。
ポンプ総合効率は次式で得られる。
【数１】

ここで、η：総合効率、γ：冷却材流量の密度、ｇ：定数（重力加速度）、Ｑ：ポンプ流量、Ｈ：全揚程、Ｐ：ポンプモータ入力電力である。
さらに、全揚程Ｈは、
【数２】

で表される。ここで、△Ｈ：ポンプ部差圧（図１の測定差圧（△Ｐ）２を温度（Ｔ）４により密度換算した値）、Ｋ：ポンプディフューザ部の圧損係数、Ｑ：図１のポンプ流量演算部１０により演算されたポンプ流量である。Ｋは予め測定評価されたポンプディフューザ部の圧損係数である。
いま、ポンプの運転点を流量・差圧線図上にプロットすると、図４のａのようなる。図中のＡの曲線は、ポンプ回転数Ｎ１のときのポンプ特性を示している。回転数Ｎ１一定のままでポンプの運転条件が変わると、（Ｑ、Ｈ）は曲線Ａの上を動く。例えば、炉心の制御棒パターンの変更により出力分布が変化して炉心圧損が小さくなると、再循環系の圧損特性はａからｂに変化する。これに伴い、ポンプの運転点は〈ａ〉から〈ｂ〉へ移行することになる。
一方、ポンプ性能が変化して、図４の曲線Ｂのようになったとする。この場合、測定された差圧Ｈ_bに対する真の運転点は〈ｃ〉となる。しかし、ポンプ流量は予め設定された相関関係の曲線Ａに基づいて演算されるため、運転員が認知するポンプ流量は、真の流量Ｑ_cよりも大きい見かけの流量Ｑ_bとなる。曲線Ｂはポンプ性能の変化の度合いにより種々変化すると考えられ、予め設定しておくことは困難である。
このように、インターナルポンププラントでは、ポンプ部差圧に基づく監視をしていても、炉心状態の変化等によりポンプ運転点の変化が生じたのか、ポンプ性能が変化したのか、区別することができない。
【０００８】
そこで、本発明では、ポンプのモータ入力に着目し、ポンプモータ入力電力比の変化に基づく監視を考える。
いま、図４において現在のポンプ運転点を〈ａ〉とする。また、別の運転日に観測されたポンプ運転点を〈ｂ〉とする。ここで、別の日のポンプの回転数Ｎ２は〈ａ〉のときの回転数Ｎ０とは一般に異なるが、〈ｂ〉点は〈ａ〉点と同じ回転数条件に換算したものである。すなわち、
【数３】

また、換算後のポンプモータ入力をＰｂとする。〈ａ〉、〈ｂ〉点のポンプの総合効率η_a、η_bは、各々次式で表される。
【数４】

【数５】

一方、炉外試験時のポンプ総合効率η'_a、η'_bは、図５の記号を用いて次式で表される。
【数６】

【数７】

実機と炉外試験のポンプ総合効率比η_a／η'_aは、
【数８】

を得る。ただし、γ＝γ’とした。
炉外試験においては、ポンプを１台ずつループ試験装置に設置し、各ポンプ毎にＱ'_a、△Ｈ'_a、Ｐ'_a、Ｎ'を測定している。特にＱ'_aは、試験装置に設置された流量計により直接測定されたものである。一方、実機データは△Ｈ_a、Ｐ_a、Ｎは直接測定に基づくが、Ｑ_aは直接測定値ではなく、測定値△Ｈに基づき炉外試験結果から各ポンプ毎に作成したＱとＨの相関式（または、Ｑと△Ｈ）により演算した結果である。実機のポンプ性能が炉外試験のポンプ性能と同一であるならば、Ｑ'a＝Ｑa、Ｈ'a＝ＨaのときＰ'a＝Ｐaとなる筈であり、効率比は１となる。したがって、実機と炉外試験のポンプ総合効率を監視していれば、炉心圧損の変化等によりポンプ運転点が変化した場合でもモータ入力電力比Ｒは一定となり、ポンプ性能に変化のないことが分かる。
【０００９】
これに対し、実機運転中にポンプ性能が変化した場合には実機の真の流量Ｑ_ｃに対して、測定差圧Ｈ_ｂに基づき観測されるポンプ流量はＱ_ｂとなる。
実機の見かけの効率η_Ｒは、
【数９】

となる。一方、炉外試験の効率η_Ｌは、実機の見かけの流量と差圧Ｑ_ｂ、Ｈ_ｂが正しいと考えて、これに対応するモータ入力Ｐ'_ｂを用いて次式で表される。
【数１０】

したがって、実機と炉外試験の総合効率比η_Ｒ／η_Ｌは、
【数１１】

となり、ポンプモータ入力電力比Ｒで表されることとなり、このモータ入力電力比Ｒは１にはならい。
このように、発明者らは、インターナルポンププラントにおいては実機で測定されるデータから評価したポンプモータ入力と実機で測定されるポンプの運転点に対応する炉外試験運転点のポンプモータ入力との比Ｒを監視すれば、ポンプ性能の変化を検知可能であることを見出した。
【００１０】
そこで、上述の原理に基づく具体的な性能監視手順を図３に従い説明する。
図３のブロック９の部分が図１のポンプ性能比演算部９に相当する。演算部９には、計算に必要となる炉外試験結果をモータ効率相関式（ｇ）１９とモータ入力相関式（ｈ）２０として設定しておく。ここで、モータ効率は図８の記号を用いて次式で定義される。
【数１２】

炉外試験では、前述のように、ループ試験装置等を用いてポンプ１台を設置して、この設置した当該ポンプについてポンプ流量Ｑ、ポンプ部差圧ΔＰ、流体温度Ｔ、ポンプ回転数Ｎ、モータ入力、モータ出力を測定可能である。したがって、この炉外試験データに基づき、実機に設置するポンプ１台毎にＱとΔＨの関係、モータ効率、モータ入力の評価式を求めることができる。
モータ効率は、炉外試験において図６に示すポンプ回転数に対する相関式ｇ（Ｎ）として作成しておく。このモータ効率相関式ｇ（Ｎ）は、図１のポンプ性能比演算部９に設定しておく。モータ効率は、後で述べるように、ポンプ性能比演算部９で実機運転点の換算時（図３のステップ１４）に使用する。また、図７のように、炉外試験において代表的ないくつかの回転数についてモータ入力とポンプ流量の関係を測定し、相関式ｈを各回転数に対して作成しておく。
ポンプ性能比演算部９では、はじめに、ステップ１３において実機と炉外試験のポンプ総合効率を同じ運転条件に換算して比べるため、実機ポンプ回転数に近い炉外試験時のポンプ回転数を換算運転点（回転数Ｎ１）として選定する。次に、ステップ１６、１７において実機運転に相当する条件での炉外試験時のモータ入力を求める。まず、ステップ１６で実機ポンプ流量を回転数換算する。換算流量Ｑ₁は、回転数Ｎ₀とＮ₁の比をＱ₀にかけて得られる。ステップ１７において、換算流量Ｑ₁に対するポンプのモータ入力Ｐ_L（Ｎ１）を相関式ｈにより求める。ここで、使用する流量Ｑ₁は実機ポンプ流量Ｑ₀を換算したものであり、Ｐ_L（Ｎ１）はＱ₀が真の流量であるとして求めたモータ入力ということになる。
一方、ステップ１４、１５において実機のモータ入力を回転数Ｎ１に換算する。一般にポンプ入力は、回転数の３乗に比例することから、図８の記号を使うと、
【数１３】

により得られる。しかし、実機で直接測定できるのはモータ入力Ｐ_inであることから補正を行う。（１２）式より
【数１４】

と表される。（１３）、（１４）式より、
【数１５】

により、回転数Ｎ１に換算した時のモータ入力を求める。なお、
【数１６】

として回転数補正することも考えられるが、発明者らの検討では（１５）式による評価を行わないと、後でモータ入力電力比Ｒを適切な精度で求めることは困難である。
ステップ１４では、（１５）式の計算に必要なモータ効率を予め設定したモータ効率相関式ｇにより求める。続いて、ステップ１５で（１５）式より換算運転点でのモータ入力Ｐ_R(Ｎ１)を求めることができる。
以上より算出した換算運転条件における実機モータ入力Ｐ_R、炉外試験モータ入力Ｐ_Lとの比をステップ１８で求め、これがモータ入力電力比Ｒとなる。計算結果Ｒは、ポンプ各々について、または、全ポンプの平均値として求められ、ポンプ性能比表示装置１１に送られて定期的に表示される。
ここで、モータ入力電力比Ｒは、複数台のインターナルポンプのモータを駆動する電源２０２が複数台のインターナルポンプに対して共有され、電源２０２からの出力電力のみが測定可能なプラントにおいては、実機モータ入力電力の代わりに、電源２０２の出力電力を電源２０２が共有されているインターナルポンプ台数で割った平均出力電力を用い、モータ入力電力比として求めることができる。
【００１１】
ここで、モータ入力電力比Ｒは、前述のように、ポンプ性能に変化がなければ、理論上は１であるが、実際のデータでは、実機と炉外試験装置の計測装置の相違等による影響が考えられる。監視上はこの影響を除く方が便利であることから、プラント起動試験時の定格運転点（定格出力、定格流量運転）または運転サイクル初期（起動後の定格出力到達時点）で算出されたＲ値を基準値Ｒ０として、その後の運転期間中はＲ値の相対値（＝Ｒ／Ｒ０）を監視すれば、ポンプの性能状態を直感的に把握しやすくすることができる。
また、プラント運転中はポンプ性能に変化がなくても、実機データのゆらぎ等によりＲ値はある程度の範囲で変動することから、表示値の変化がポンプ性能の変化として有為なものか、それとも実測データの定常的な変動かを区別するため、予めしきい値αを決めておき、Ｒ値がしきい値αを超えて変化した場合には、ポンプ性能に有為な変化が生じたものとして、運転員に注意を促す表示を出すようにする。Ｒ値がしきい値αの下限値（α_min)を下回る場合は実機ポンプ性能の低下を意味する。すなわち、これは、測定されたポンプ部差圧△Ｐから図１のポンプ流量演算部１０で演算されたポンプ流量に対し、実際のポンプ流量は小さい可能性を示しており、当該ポンプを次の定検時に重点的に検査すればよい。また、Ｒ値の低下がα_minを大きく下回る期間は、運転中の炉心流量の値を必要に応じてポンプ流量の合計に変えて炉心差圧に基づき評価される炉心流量や、ヒートバランス法に基づき評価される炉心流量信号を代わりに使用すればよい。
しきい値αのレベルとしては、差圧計や電力計の精度を考慮して例えば±１．５％以上変化する場合には有為な変化として判定する。
【００１２】
図９に、図１のポンプ性能比表示装置１１の表示画面例を示す。監視画面にはＲ値の経時変化が表示される。ここで表示されている表示値Ｒは、上述のように基準値Ｒ０に対する相対値である。しきい値αは下限値（α_min)を０．９８５、上限値（α_max)を１．０１５に設定しており、しきい値レベルが画面に表示されている。値Ｒの計算結果は、定期的に画面上にプロットされ、トレンド変化を容易に把握可能な表示としている。
【００１３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、実機インターナルポンプの性能をポンプモータ入力電力比を指標として炉外試験時の性能と比較して演算、表示させ、これを直接監視するため、実機運転中にポンプ性能が変化しても初期の段階で性能が変化しているポンプを特定することができ、プラント機器の保全管理に大きく寄与することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態によるインターナルポンプの性能監視装置の構成図
【図２】インターナルポンププラントの原子炉の例を示す図
【図３】本発明のモータ入力電力比（性能比）の演算フロー図
【図４】ポンプ（実機）の流量・差圧特性図
【図５】ポンプ（炉外試験）の流量・差圧特性図
【図６】炉外試験におけるモータ効率・ポンプ回転数特性図
【図７】炉外試験におけるモータ入力とポンプ流量の関係を示す測定図
【図８】モータ入力とモータ出力の説明図
【図９】本発明のポンプ性能比表示装置の表示画面例を示す図
【符号の説明】
１１１…インターナルポンプ、１１２…原子炉圧力容器、１１３…ダウンカマ、１１５…下部プレナム部、２０１…モータ、２０２…電源、２…ポンプ部差圧計、４…炉水（流体）温度計、３…回転数計、５…電力計、９…ポンプ性能比演算部、１０…ポンプ流量演算部、１１…ポンプ性能比表示装置

Claims

複数台のインターナルポンプによって冷却材を駆動するプラントのインターナルポンプの性能監視方法において、前記ポンプを駆動するモータのポンプモータ入力電力を計測し、前記プラントにおいて計測されたポンプ回転数、ポンプ流量に対応するプラント外試験時のポンプモータ入力電力を推定し、前記計測値と推定値とからポンプモータ入力電力比を求め、前記インターナルポンプの性能変化を検出することを特徴とするインターナルポンプの性能監視方法。
請求項１において、前記複数台のインターナルポンプを駆動するモータのポンプモータ入力電力を計測するに当って、前記複数台のインターナルポンプのモータを駆動する電源が複数台のインターナルポンプに対して共有され、前記電源からの出力電力のみが測定可能なとき、前記電源の出力電力を前記電源が共有されているインターナルポンプ台数で割った平均出力電力を前記ポンプモータ入力電力の計測値として用いることを特徴とするインターナルポンプの性能監視方法。
請求項１または請求項２において、前記複数のインターナルポンプの各々について前記ポンプモータ入力電力比を求め、前記ポンプモータ入力電力比が予め設定したしきい値を超えて減少した場合にポンプ性能の変化が生じているとして当該インターナルポンプを特定することを特徴とするインターナルポンプの性能監視方法。
請求項１から請求項３のいずれかにおいて、前記ポンプモータ入力電力の推定に用いるポンプ流量として、ポンプ回転数、ポンプ部差圧、流体温度の計測値を用い、予めプラント外試験において各インターナルポンプについて計測されたポンプ回転数、ポンプ部差圧、ポンプ流量、流体温度から作成したポンプ部差圧とポンプ流量及び回転数の関係式に基づき演算された流量演算値を用いることを特徴とするインターナルポンプの性能監視方法。
複数台のインターナルポンプによって冷却材を駆動するプラントのインターナルポンプの性能監視装置において、実機ポンプで測定されたポンプ部差圧、ポンプ回転数、前記ポンプを駆動するモータのポンプモータ入力電力及びポンプ流量を取り込み、前記実機ポンプのモータ入力電力と予め行ったプラント外試験結果に基づくポンプモータ入力電力との比を算出するポンプ性能比演算部と、前記算出したポンプモータ入力電力比を表示するポンプ性能比表示装置を具備することを特徴とするインターナルポンプの性能監視装置。
請求項５において、前記ポンプ性能比演算部は、実機ポンプ回転数に近いプラント外試験時のポンプ回転数を換算運転点として選定する手段と、実機ポンプ流量を回転数換算して換算流量を求める手段と、前記換算流量に対するプラント外試験時のポンプモータ入力電力を相関式により求める手段と、モータ効率を予め設定したモータ効率相関式により求める手段と、前記モータ効率をを用いて前記換算運転点におけるポンプ回転数に換算した時の実機ポンプモータ入力電力を求める手段と、前記プラント外試験時のポンプモータ入力電力と前記実機ポンプモータ入力電力の比を算出する手段を有することを特徴とするインターナルポンプの性能監視装置。