JP4003630B2 - 原子炉再循環流量制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、原子炉出力信号として全蒸気流量要求信号と負荷要求信号との偏差信号に基づいて自動モード運転を行う原子炉再循環流量制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
原子炉再循環流量制御装置の主制御器を自動モードにて運転する場合、全蒸気流量要求信号と負荷要求信号の偏差信号である負荷要求偏差信号を主制御器に入力し、再循環ポンプ速度要求信号（プラントによっては炉心流量要求信号）を作成し、再循環ポンプ速度を制御する。すなわち、負荷要求偏差信号が通常ゼロになるように再循環ポンプ速度を制御し、炉心流量を変えることによって出力を制御している。従って、全蒸気流量要求信号を原子炉出力としてフィードバックする閉ループ制御を行っていることとなる。
この状態で例えば圧力調整器にフィードバックしているタービン入口圧力（もしくは、原子炉ドーム圧力）に何らかの変動が生じると、全蒸気流量要求信号が変動し、結果として負荷要求信号に偏差が生じ、原子炉再循環流量制御装置では、その出力変動を抑える方向に再循環ポンプ速度指令信号を変化させる。
一方、タービン制御装置（ＥＨＣ）では、全蒸気流量要求信号が変化することによりタービン蒸気加減弁開度が変化し、タービン入口圧力変動を緩和（元に戻す）する方向に動作する。例えば、圧力信号が上昇方向に変動したとすると、圧力上昇を抑えようと全蒸気流量要求信号は増加する。それによりまず加減弁が開度を増加する方向に制御される。同時に原子炉再循環流量制御装置には負の負荷要求偏差信号が出力され、炉心流量により原子炉出力を低下させる方向に制御される。
加減弁が開度を増加することにより原子炉からの蒸気流量を一時的に増やし、圧力を低下させるとともに、炉心流量を低下させ、原子炉出力を低下させることで圧力を下げる。
【０００３】
ここで、タービン蒸気加減弁の蒸気流量特性について図５（ｂ）を使って説明する。タービン蒸気加減弁の蒸気流量特性、すなわち、全蒸気流量要求信号変化に対する蒸気流量変化の割合は、構造上、低開度では基本的には線形であるが、高開度になるほど要求信号の変化に対する蒸気流量の変化幅が小さくなる（傾きが小さくなる）特徴がある。圧力制御の観点からは線形特性が望ましいので、加減弁の非線形性を補償する関数発生器をＥＨＣに設け、通常運転範囲では線形となるよう調整しているが、調整にも限界がある。この蒸気流量特性の傾きが小さい領域（図５（ｂ）中の領域Ａ）で運転している場合に、前記のような圧力外乱（図５（ｂ）中の時刻０秒）が発生すると、圧力変化から計算される全蒸気流量要求信号の変化分の加減弁制御では圧力外乱を抑えられないことから、さらに全蒸気流量要求信号が変化する。このような変化が発生すると、逆に行き過ぎが生じ、今度は逆方向に制御信号が変化し、結果として増減を繰り返す不安定な制御となる（図５（ｂ）再循環自動モード）。この全蒸気流量要求信号を元にした負荷要求偏差信号は原子炉再循環流量制御装置にも送られるため、炉心流量制御が不安定となり出力もさらに変動することとなる。
加減弁の動作に対して、原子炉再循環流量制御装置での演算遅れや、再循環ポンプの動作遅れ、出力変化の遅れ等により、原子炉再循環流量制御装置による出力変化にはやや遅れがあることから、加減弁の流量特性が悪い場合はプラントの不安定さをさらに助長する結果となる。炉心流量の変動が大きい場合には、中性子束が大きく変動し、中性子束高スクラムに至ることも考えられる。
なお、原子炉再循環流量制御装置が手動モードで制御されている場合は、圧力外乱があっても炉心流量は一定のままなので、原子炉出力の変化が助長されることはなく（図５（ｂ）再循環手動モード）、プラントの安定性は大幅に改善されるが、運転員による手動であるため、迅速な対応が不可能であり、より安定な運転を継続することができない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、原子炉再循環流量制御を自動モードにて運転している場合に、プラントに圧力外乱が生じたときのプラントの安定性を即座に確保するに好適な原子炉再循環流量制御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、タービン蒸気加減弁開度信号と原子炉圧力信号を入力して手動・自動切替信号を発する原子炉再循環流量制御の自動モード除外指令手段を設け、タービン蒸気加減弁の開度が所定の開度以上で運転している時に所定の変動幅以上の原子炉の圧力変動が生じた場合に、原子炉再循環流量制御の自動モード運転を除外し、予め設定した値で前記再循環ポンプ速度を制御する手動モード運転に自動的に切り替える。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。
図４に、本発明を含む原子力プラントの系統図を示す。原子力プラントの通常運転時においては、原子炉圧力容器（原子炉）１内の炉心２で加圧された冷却水（給水）は蒸気となる。この蒸気は、原子炉圧力容器１から吐出され、主蒸気配管４を通って発電機と連結されたタービンに送られる。タービンに流入する蒸気流量は、タービンの入口に設置されているタービン蒸気加減弁５の開度を調整することによって調整される。
タービン制御装置（ＥＨＣ）６は、タービン入口圧力検知器（ＰＴ）の信号Ｓ３とタービン速度Ｓ７を入力し、原子炉再循環流量制御装置７に負荷要求偏差信号Ｓ５を送り、タービン蒸気加減弁５にタービン蒸気加減弁開度指令信号Ｓ９を出力する。原子炉再循環流量制御装置７は、再循環ポンプモータ１０に再循環ポンプ速度指令信号Ｓ１３を出力し、再循環ポンプ１１を制御する。
【０００７】
図３は、タービン制御装置６の構成図である。タービン制御装置（ＥＨＣ）６は、原子炉圧力を制御する機能（圧力調整器８）と、タービン速度を制御する機能（タービン速度／負荷制御器９）の２つを有している。
圧力調整器８では、圧力設定Ｓ２とタービン入口圧力信号Ｓ３の偏差に圧力調定率（一定値）Ｋ１を乗じ、全蒸気流量要求信号Ｓ１を演算する比例制御となっており（Ｓ１＝Ｋ１（Ｓ３−Ｓ２））、例えばタービン入口圧力Ｓ３が上昇し、偏差が大きくなると全蒸気流量要求信号Ｓ１が大きくなる。
タービン速度／負荷制御器９では、速度設定Ｓ６とタービン速度Ｓ７の偏差に速度調定率（一定値）Ｋ２を乗じたものと負荷設定Ｓ８との偏差に１０％（圧力制御を優先するため）を加算した負荷要求信号Ｓ４を演算しており（Ｓ４＝Ｓ８＋１０％＋Ｋ２（Ｓ６−Ｓ７）、例えばタービン速度Ｓ７が上昇し、偏差が大きくなると、負荷要求信号Ｓ４が小さくなる。
タービン蒸気加減弁５は、全蒸気流量要求信号Ｓ１と負荷要求信号Ｓ４とを低値優先回路（ＬＶＧ）で比較した小さい方の信号（タービン蒸気加減弁開度指令信号Ｓ９）により制御される。（沸騰水型原子力発電所の場合、タービン速度が大きく上昇しない限り、通常運転中は圧力制御が優先され、タービン蒸気加減弁５を制御している。）
また、全蒸気流量要求信号Ｓ１は、負荷要求信号Ｓ４から圧力制御を優先するためにタービン速度／負荷制御器９で加算された１０％を減算した信号と比較され、その差分（負荷要求偏差信号）Ｓ５が原子炉再循環流量制御装置７に送られる。
タービンバイパス弁は、全蒸気流量要求信号Ｓ１とタービン蒸気加減弁開度指令信号Ｓ９との偏差からバイアス分を減算した信号（タービンバイパス弁開度指令信号Ｓ１０）で制御される。このため、全蒸気流量要求信号Ｓ１よりも負荷要求信号Ｓ４が小さくなった場合で、さらにＳ１とＳ４の偏差がバイアス以上の値になった場合（タービンバイパス弁開度指令信号Ｓ１０が正の値となる場合）にタービンバイパス弁が開かれることになる。
【０００８】
図１は、本発明の一実施形態を示す原子炉再循環流量制御装置７の構成図である。原子炉再循環流量制御装置７では、タービン制御装置６の負荷要求偏差信号Ｓ５で再循環ポンプ１１を制御する自動モード運転と原子炉再循環流量制御装置７内で予め設定した値（一定値）で再循環ポンプ１１を制御する手動モード運転がある。
ここで、本実施形態の特徴は、自動モード除外指令装置２０を設け、自動モード運転から手動モード運転への切り替えに際し、手動・自動切替器１８に自動モード除外指令信号Ｓ１６を出力し、原子炉再循環流量制御装置７の主制御器１７の自動モードを除外することにある。
自動モード運転の場合には、主制御器１７に負荷要求偏差信号Ｓ５が入力され、主制御器１７にて比例積分演算が行なわれ、主制御器１７から速度制御器１９に再循環ポンプ速度要求信号Ｓ１１として出力される。速度制御器１９には、主制御器１７より出力され、手動・自動切替器１８を通った再循環ポンプ速度要求信号Ｓ１１と再循環ポンプ速度信号Ｓ１２との偏差が入力される。速度制御器１９では、この信号に比例積分演算を行い、再循環ポンプ速度指令信号Ｓ１３が再循環ポンプモータ（ＭＦＧ）１０に出力される。再循環ポンプモータ１０では、再循環ポンプ速度指令信号Ｓ１３によりモータの回転数が制御され、ポンプ１１の回転数を変え、それにより炉心流量を変化させる。炉心流量の変化は原子炉出力の変化となり、結果としてタービン入口圧力変化となる。
自動モード運転の場合、ＥＨＣ６の負荷設定を例えば１００％に設定しておくことで、原子炉出力は常に１００％に自動的に一定制御されることから、定格熱出力運転のように、熱出力（原子炉出力）を常に一定に制御しておきたい運転の場合、運転員の出力調整が不要となり、運転員の負荷を軽減することができる。一方、手動モード運転の場合には、手動・自動切替器１８に主制御器１７から出力される再循環ポンプ速度要求信号Ｓ１１の代わりに、手動設定再循環ポンプ速度要求信号Ｓ１４（一定値）が入力される。速度制御器１９には、主制御器１７より出力され、手動・自動切替器１８を通った手動設定再循環ポンプ速度要求信号Ｓ１４と再循環ポンプ速度信号Ｓ１２との偏差が入力される。速度制御器１９では、この信号に比例積分演算を行い、再循環ポンプ速度指令信号Ｓ１３が再循環ポンプモータ１０に出力される。再循環ポンプモータ１０では、再循環ポンプ速度指令信号Ｓ１３によりモータの回転数が制御され、ポンプ１１の回転数を変え、それにより炉心流量を変化させる。
手動モード運転の場合、ＥＨＣ６の負荷設定に応じて炉心流量は変更せず、炉心流量は手動設定再循環ポンプ速度要求信号Ｓ１４によって一定の流量になる。
【０００９】
図２に、本実施形態の原子炉再循環流量制御装置による制御ロジック（インターロック）を示す。本インターロックは、タービン蒸気加減弁開度が所定の値以上で、かつ、タービン入口圧力の変化が所定の値を上回った場合に、自動モード除外指令装置２０から自動モード除外指令信号Ｓ１６が出力され、原子炉再循環流量制御装置７の主制御器１７の自動モードを除外するものである。
タービン蒸気加減弁５の開度信号Ｓ１５には、通常のタービン入口圧力Ｓ３の微小変動等から生じる微小な揺らぎが生じている。この揺らぎを除去するために一次遅れのフィルター１２を設け、かつ、タイマー１３を通したのち判定回路１４に入力する。例えばタイマー１３の設定を５分（０〜１０分の範囲で可変に設定可能とする。実機にて調整の後設定）とし、タービン蒸気加減弁５の開度指令信号Ｓ９の変化に対して蒸気流量の変化が鈍くなるタービン加減弁の開度判定値を８０％（７０〜９０％の範囲で可変に設定可能とする。蒸気流量の揺れが大きくなるであろう加減弁開度を実機にて確認の後設定）とすると、フィルター１２を通ったタービン蒸気加減弁開度信号Ｓ１５が８０％以上を５分以上継続すると、８０％以上になったと判定する。これにより、揺らぎや過渡的に判定値を超えた場合の不要なインターロック動作を防止する。
一方、タービン入口圧力信号Ｓ３に対しては、偏差検出回路によって実圧力信号Ｓ３と一次遅れのフィルター１５を通して遅らせたタービン入口圧力信号Ｓ３’信号の偏差をとることで通常運転中の圧力変動を検出する。その偏差がプラントの安定性を悪くする可能性のある所定の値（例えば０．２ＭＰａ、設定値は０〜１．０ＭＰａの間で可変に設定可能。実機にて最適な値に設定する。）を上回ると、判定回路１６にて圧力変動有りと判定する。
両者の判定が同時に成立した場合は、プラント安定性が悪くなる事象であるため、即座に自動モード除外指令装置２０から手動・自動切替器１８に自動モード除外指令信号Ｓ１６を出力し、主制御器１７を自動モード運転から手動モード運転への切り替える。
これにより、原子炉再循環流量制御装置７の自動モードを除外し、手動モードとすることでプラント安定性を確保することができる。
原子炉再循環流量制御装置７の主制御器１７の運転モードは、従来技術のように当然運転員が手動でも切替可能であるが、このような圧力外乱の場合、警報出力が無いことも十分考えられ、必ずしも迅速な対応が可能なわけではない。従って、本実施形態のように、外乱を検出し、自動的に運転モードを変更することにより、本実施形態はプラントの安定運転に大きく寄与する。
【００１０】
ここで、図５（ａ）に、本実施形態によるプラントの応答例を示す。
タービン蒸気加減弁の蒸気流量特性について、先に図５（ｂ）を使って説明したように、蒸気流量特性の傾きが小さい領域（図５（ｂ）中の領域Ａ）すなわち蒸気流量特性の悪い領域で運転している場合に、圧力外乱（図５（ｂ）中の時刻０秒）が発生すると、圧力変化から計算される全蒸気流量要求信号の変化分の加減弁制御では圧力外乱を抑えられないことから、さらに全蒸気流量要求信号が変化し、このような変化が発生すると、逆に行き過ぎが生じ、今度は逆方向に制御信号が変化し、結果として増減を繰り返す不安定な制御となる（図５（ｂ）再循環自動モード）。一方、圧力外乱の発生時に原子炉再循環流量制御装置を手動モードで制御する場合は、原子炉出力の変化が助長されることはなくなる（図５（ｂ）再循環手動モード）。しかし、運転員による手動では必ずしも迅速な対応が可能なわけではない。
これに対して、本実施形態では、図５（ａ）に示すように、全蒸気流量要求信号変化に対する蒸気流量変化の割合が線形特性（図５（ａ）中の領域Ａ）すなわち蒸気流量特性の良い領域で、運転員による手動でなく、自動的に原子炉再循環流量制御装置を手動モードに切り替えることにより、原子炉出力の変化を即座に収れん（図５（ａ）中の圧力変化）することができる。
【００１１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、タービン蒸気加減弁が高開度領域で運転されている場合に圧力外乱が発生した場合、自動的に原子炉再循環流量制御装置の自動モードを除外し、手動モードに切り替えるので、プラントの安定性が即座に確保され、安定な運転を継続することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す原子炉再循環流量制御装置の構成図
【図２】本発明の制御ロジック
【図３】本発明におけるタービン制御装置
【図４】本発明を含む原子力プラントの系統図
【図５】タービン蒸気加減弁の蒸気流量特性と圧力外乱発生時のプラント応答例
【符号の説明】
１…原子炉圧力容器、２…炉心、４…主蒸気配管、５…タービン蒸気加減弁、６…タービン制御装置（ＥＨＣ）、７…原子炉再循環流量制御装置、８…圧力調整器、９…タービン速度・負荷制御器、１０…再循環ポンプモータ、１１…再循環ポンプ、１２…フィルター、１３…タイマー、１４…判定回路、１５…フィルター、１６…判定回路、１７…主制御器、１８…手動・自動切替器、１９…速度制御器、２０…原子炉再循環主制御器自動モード除外指令装置、Ｓ１…全蒸気流量要求信号、Ｓ２…圧力設定、Ｓ３…タービン入口圧力信号、Ｓ３’…タービン入口圧力信号（フィルター通過後）、Ｓ４…負荷要求信号、Ｓ５…負荷要求偏差信号、Ｓ６…速度設定、Ｓ７…タービン速度、Ｓ８…負荷設定、Ｓ９…タービン蒸気加減弁開度指令信号、Ｓ１０…タービンバイパス弁開度指令信号、Ｓ１１…再循環ポンプ速度要求信号、Ｓ１２…再循環ポンプ速度信号、Ｓ１３…再循環ポンプ速度指令信号、Ｓ１４…手動設定再循環ポンプ速度要求信号、Ｓ１５…タービン蒸気加減弁開度信号、Ｓ１６…原子炉再循環主制御器自動モード除外指令信号

Claims (3)

1. 原子炉と、全蒸気流量要求信号によりタービン蒸気加減弁を制御するタービン制御装置と、前記全蒸気流量要求信号と負荷要求信号の偏差である負荷要求偏差信号を入力し、それを基に演算した再循環ポンプ速度要求信号によつて再循環ポンプ速度を制御する原子炉再循環流量制御装置とからなる原子力プラントであって、
   タービン蒸気加減弁開度信号と原子炉圧力信号を入力して手動・自動切替信号を発する原子炉再循環流量制御の自動モード除外指令手段を設け、
   前記タービン蒸気加減弁の開度が所定の開度以上で運転している時に所定の変動幅以上の前記原子炉の圧力変動が生じた場合に、前記原子炉再循環流量制御の自動モード運転を除外し、予め設定した値で前記再循環ポンプ速度を制御する手動モード運転に自動的に切り替えることを特徴とする原子炉再循環流量制御装置。
2. 請求項１において、前記タービン蒸気加減弁開度信号に対して、フィルターおよびタイマーと、通常の揺らぎを除去し、実開度が十分判定値を上回ったことをもって所定の開度以上と判断する判定回路を設けることを特徴とする原子炉再循環流量制御装置。
3. 請求項１において、前記原子炉圧力信号に対して、実圧力信号とフィルターを通して遅らせた信号の偏差をとる偏差検出回路と、その偏差がプラントの安定性を悪くする可能性のある所定の値を上回ったことをもって圧力変動ありと判断する判定回路を設けることを特徴とする原子炉再循環流量制御装置。

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