JP4455715B2 - 発電プラントの非常用電源装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発電プラントの非常用電源装置、例えば全交流電源喪失時及び外部電源喪失時の非常用ディーゼル発電機起動までの間に運転を要求され、従来、直流電動機を使用していた非常用油ポンプや原子炉隔離時冷却設備におけるその非常用電源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図５に従来の原子力発電所非常用電動機用電源設備を示す。図において、直流電源設備３０Ａの上流側である非常用低圧母線１は受電遮断器２、降圧変圧器３、非常用高圧母線４、常用高圧母線５、所内変圧器６及び発電機負荷開閉器７を介して、原子炉２６Ａとそのターピン２６につながる発電機８に接続され、一方、主変圧器９、開閉所１０Ａを介して外部電源である電力系統１０に接続している。通常時の電力を発電機８の発生電力から、そして発電機停止時及び起動時の電力は電力系統から供給される。また、交流電源の喪失やそれに伴う原子炉冷却材喪失事故時は非常用高圧母線４に接続される非常用ディーゼル発電設備（ＤＥ）１１が始動し、非常用高圧母線４に接続される負荷（直流電源設備３０Ａ、３０Ｂ、３０を含む）に給電を行う。
【０００３】
直流電源設備３０Ａは、非常用低圧母線１より直流電源設備用受電遮断器１２と、これに接続された充電器１３と、充電器１３出力側に直流電源を要求する負荷３０Ｂに電力を供給する直流母線１４と、蓄電池１５とこの蓄電器１５出力側に設けた蓄電池用遮断器１６と、蓄電池１５の入出力電流を監視する電流計１７と、から成る。蓄電池１５は、通常時は浮動充電され、全交流電源喪失時には直流電力の供給源となる。
タービン非常用油ポンプ、発電機非常用油ポンプ及び原子炉隔離時冷却設備への電力供給用の非常用電動機用電源設備３０は、始動器３１Ａ、３１Ｂ、直流電動機（ＤＣＭ）３２、３３、安全系（プラント緊急停止設備）である原子炉隔離時冷却設備専用と財産保護用であるタービン非常用油ポンプ３４、発電機非常用油ポンプ３５等より成る。
【０００４】
直流電源設備３０Ａは、プラントの非常時を含めた運転制御のための直流制御回路及び交流電源喪失時の非常用動力回路として設置している。実際には、プラント通常運用時は直流電源設備３０Ａから遮断器等の制御、及び計装制御機器用等への電源供給、プラント非常時は、前記補機に加えて、直流電源設備３０Ａからタービン非常用油ポンプ３４及び原子力発電所においては原子炉隔離時冷却設備等に電源を供給する。
タービン非常用油ポンプ３４はプラント非常時にタービンの各軸受への給油等のために設置している。プラント通常時、タービンの各軸受には主油ポンプ（タービン軸直結駆動方式がほとんど）によって給油するが、タービン始動停止時は吐出圧と油量が不十分なので、補助油ポンプにより給油を補助する。補助油ポンプには前記始動時用の油ポンプのほかに、通常ターニング中に軸受油を供給する交流電動機駆動のターニング油ポンプ、及び非常保護用として、直流電動機駆動の前記タービン非常用油ポンプを設けて、軸受油圧が低下した場合に自動始動させるようにしている。
【０００５】
原子炉隔離時冷却設備は、原子炉過渡事象時に、原子炉２６Ａがタービン２６と隔離されても、引き続き冷却水を原子炉に供給し燃料の冷却を行うことを目的に設置している。本設備は、原子炉の崩壊熱により発生した蒸気及び弁の制御を直流電源により行うことで、交流電源喪失時にも原子炉への冷却材注入が可能となっている。
【０００６】
直流電源設備の運用について以下説明を行う。
通常運用時、低圧母線１に接続される充電器１３は、交流電源を直流電源に変換し、蓄電池１５を常時充電するとともに、直流母線１４を介して、プラント通常運用時に直流電源を必要とする制御機器３０Ｂに電源を供給する。通常、蓄電池１５は浮動充電状態とし、負荷への電力供給は充電器１３により行い、蓄電池１５は常時充電状態となる。
【０００７】
交流電源喪失時は充電器１３の入力電源がなくなるため、充電器１３出力も喪失する。この結果、蓄電池１５より電力が供給され、交流電源喪失時に直流電源を必要とする制御機器、タービン非常用油ポンプ、発電機非常用油ポンプ及び原子力発電所においては原子炉隔離時冷却設備等に直流電源を供給する。
こうした従来例を記載した文献には特開平８−３１２３０８がある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従来、タービン非常用油ポンプ等及び原子力発電所においては原子炉隔離時冷却設備等に使用される駆動電動機は、直流電動機３２、３３を使用している。直流電動機３２、３３は、蓄電池容量を過度に大きくしないよう、放電電流を制限することを目的に始動抵抗器３１Ａ、３１Ｂを備えている。始動抵抗器３１Ａ、３１Ｂは３ないし４つの切替タップを備えており、その最大抵抗値は、直流電動機始動時に流れる電流を定格電流の３倍程度（最大出力電流値）に抑制する様に値を選定している。始動抵抗器３１Ａ、３１Ｂが最大抵抗値において、電動機の電流が定格電流まで下がると始動抵抗器のタップを下げて、再度始動抵抗器３１Ａ、３１Ｂの抵抗値を小さくし、電流値を再度最大出力電流値まで増大させる。以後この動作を繰り返し、直流電源設備と直流電動機の間の抵抗値が０になると、直流電源設備３０Ａから直流電動機３２、３３に全電圧が印加されることとなる。
【０００９】
直流電動機３２、３３は、下記式で示されるように、端子電圧により回転速度が変化する。
【数１】

N：回転速度
E：逆起電圧
V：端子電圧
Φ：各極の磁束
Rａ：電機子抵抗
蓄電池１５は放電時間とともに、電圧が最大値（充電器出力電圧と同等）から放電終了電圧まで低下するため、蓄電池１５に接続される直流電動機３２、３３はその回転速度が変化することとなる。一方、ポンプ３４、３５等の負荷は、回転速度の２乗トルク特性であるため、回転速度が変化すると負荷トルクが変化し、これに伴い必要となる電流も変化する。この結果、事故発生直後等蓄電池放電直後の電圧低下時や放電終了電圧近傍における直流電動機３２、３３の電流と直流電動機サーベイランス試験（プラント通常時に待機している非常用機器の健全性確認試験）等浮動充電中の電圧となる時の直流電動機３２、３３の電流は相違し、サーマル保護の整定が困難となるとともに、サーベイランス試験時に過負荷傾向となるなどの問題があった。
【００１０】
また、直流電動機３２、３３は誘導電動機に比べ、構造が複雑なため、コスト大、保守作業大という問題もあった。
本発明の目的は、非常用としての動力源として、直流電動機を排し、代わりに交流電動機を使用した電源装置を提供するものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、発電プラントの非常時用電源装置において、
交流系統の母線につながる充電・蓄電機能を持つ直流電源設備と、
非常時用直流負荷と、
非常時用交流負荷と、
上記直流電源設備からの直流設備からの直流電源を上記直流制御負荷に提供する第１の供給手段と、
上記直流電源設備からの直流電源を上記交流制御負荷に提供する第２の供給手段と、
より成り、上記第２の供給手段は、インバータと、このインバータの出力側に設けられ上記交流制御負荷を駆動する誘導電動機と、を備えた発電プラントの非常時用電源装置を開示する。
【００１２】
更に本発明は、上記直流電源設備は、交流系統の母線につながる充電器と、この充電器につながり、通常時は浮動充電され、全交流喪失時には直流電源供給源となる蓄電池と、この蓄電池の入出力電流を監視する電流計と、を備えた請求項１の発電プラントの非常用電源装置を開示する。
【００１３】
更に本発明は、発電プラントにおける発電所内の所内補機に給電する高圧交流母線と、前記高圧交流母線に接続されプラント外部電源喪失時に交流電源を供給する非常用ディーゼル発電機と、前記高圧交流母線より降圧変圧器を介して接続される低圧交流母線と、前記低圧交流母線に接続され、充電器、蓄電池及び直流母線から構成される直流電源設備と、プラント通常運用時に運転する交流電動機と、プラント非常時に運転する非常用電動機と、から構成される発電プラントの電源装置において、プラント非常時に前記直流母線に接続され上記蓄電池からの直流電力を交流電力へ逆変換するインバータと、このインバータからの交流電力が供給される交流母線と、この母線より給電される非常用交流電動機と、前記インバータの入力電流を蓄電池の容量を最適とするように制御する制御部と、を備えた発電プラントの非常用電源装置を開示する。
【００１４】
更に本発明は、前記直流母線に接続されるインバータには、並行駆動できるように、交流電動機として複数台の誘導電動機を並列に接続するものとした請求項３の発電プラントの非常用電源装置を開示する。
【００１５】
更に本発明は、上記制御部は、前記インバータに接続される複数台の交流負荷のうち、一台がサーベイランス試験する場合においても、前記サーベイランス試験される負荷と同時始動する負荷が運転されていると想定して前記の制御を実施する手段を備えた請求項３の発電プラントの非常用電源装置を開示する。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１に本発明の一実施例である原子力発電所非常用電動機用電源設備を示す。また図２に原子炉隔離時冷却系の系統構成図、図３にタービンの系統構成図、図４にタービン油ポンプ運転シーケンスを示す。以下、本図に沿って実施の形態を説明する。
図１において、直流電源設備３０Ａの上流側である非常用低圧母線１は受電遮断器２、降圧変圧器３、非常用高圧母線４、常用高圧母線５、所内変圧器６及び発電機負荷開閉器７を介して原子炉２６Ａとそのタービン２６につながる発電機８に接続され、一方、主変圧器９、開閉所１０Ａを介して外部電源である電力系統１０に接続している。通常時の電力を発電機８の発生電力から、そして発電機停止時及び起動時の電力は電力系統から供給される。また、交流電源の喪失やそれを伴う原子炉冷却材喪失事故時は非常用高圧母線４に接続される非常用ディーゼル発電設備（ＤＥ）１１が始動し、非常用高圧母線４に接続される負荷（直流電源設備３０Ａ、負荷３０Ｃ、３０Ｄを含む）に給電を行う。
【００１７】
直流電源設備３０Ａは、非常用低圧母線１より直流電源設備用受電遮断器１２と、これに接続された充電器１３と、充電器１３出力側に直流電源を要求する負荷３０Ｃに電力を供給する直流母線１４と、蓄電池１５と、この蓄電器出力側に設けた蓄電池用遮断器１６、蓄電池１５の入出力電流を監視する電流計１７と、より成る。蓄電池１５は、通常時は浮動充電され、全交流電源喪失時には直流電力の供給源となる。
【００１８】
直流電源設備３０Ａの負荷には、直流負荷３０Ｃと交流負荷３０Ｄとがある。直流負荷３０Ｃは図５の従来例と同じくこの設備３０Ａによる直流電源によって駆動されるものであり、交流負荷３０Ｄは、直流電動機３２、３３に代わって誘導電動機２０、２５によって駆動される負荷である。誘導電動機２０、２５用の交流電源を得るために、直流／交流逆変換装置（インバータ）１８を設け、この交流供給のために非常用電動機用交流母線１９を設けた。
【００１９】
交流負荷３０Ｄについて更に説明する。
タービン非常用油ポンプ、発電機非常用油ポンプ及び原子炉隔離時冷却設備への電力供給用の非常用電動機用交流負荷（電源設備３０Ｄ）は、直流誘導電動機２５、２０によって、安全系（プラント緊急停止設備）である原子炉隔離時冷却設備専用と財産保護用であるタービン非常用油ポンプ３４、発電機非常用油ポンプ３５、とを駆動する。
【００２０】
図２の系統図により原子炉隔離時冷却設備を説明する。前記設備は非常用炉心冷却設備であり冷却材喪失事故時に原子炉が隔離されても、引き続き冷却水を原子炉に供給し、燃料の冷却を行うことを目的として設置し、原子炉冷却材喪失事象により原子炉水位レベル２（通常水位の５８ｃｍ下）若しくはレベル１．５（通常水位の２０３ｃｍ下）で自動起動する。本設備は、原子炉の崩壊熱により発生した蒸気の一部でＲＣＩＣタービン２１を駆動し、ＲＣＩＣタービン２１に直結されたＲＣＩＣポンプ２３によりサプレションチャンバ２４の水をくみ上げ、且つ、注入弁の制御を直流電源により行うことで、交流電源喪失時にも原子炉１への冷却材注入が可能となっている。
【００２１】
図３にタービンの系統構成図、図４にタービン油ポンプ運転シーケンスによりタービン非常用油ポンプ３５について説明する。タービン非常用油ポンプ３５はプラント非常時にタービン２６の各軸受２７への給油等のために設置している。プラント通常時、タービン２６の各軸受２７には主油ポンプ２８（タービン軸直結駆動方式がほとんど）によって給油するが、タービン始動停止時は吐出圧と油量が不十分なので、補助油ポンプ２９により給油を補助する。補助油ポンプには前記始動時補助用の補助油ポンプ２９以外に、通常ターニング中に軸受油を供給する交流電動機駆動のターニング油ポンプ５０、及び財産保護用として直流電動機駆動の前記タービン非常用油ポンプ２５を設けて、軸受２７油圧が低下した場合に自動始動させるようにしている。
【００２２】
図４によりタービン油ポンプ運転状態を説明する。なお、本ケースはタービン起動時の給油としてターニング油ポンプによる給油を想定して記載している。（補助油ポンプ２９による給油は無しを想定。）
タービン停止中は、タービン自重による軸の変形を防ぐことを目的にターニング装置によりタービン２８は毎分１〜２回転で回転させる。このときタービン２８の各軸受２７への給油は交流電動機（図１には図示せず）駆動のターニング油ポンプ５０により行われる。タービンの起動により、主油ポンプ２８の吐出圧が増加すると、タービン各軸受２７の給油は主油ポンプ２８により行われ、ターニング油ポンプ５０は停止する。プラント事故等によりタービンの回転が低下する（タービンは慣性が非常に大きい為、瞬時に停止することはない。）と軸直結の主油ポンプ２８の吐出圧が減少する。この条件の基で、交流電源喪失事象が発生すると、交流電動機駆動であるターニング油ポンプ５０の始動ができない為、蓄電池１５からインバータ１８，母線１９を介して供給される交流電源により誘導電動機２５が駆動して、非常用油ポンプ３４が起動し、タービン各軸受２７への給油を行う。そして非常用ディーゼル発電設備１１が始動し、ターニング装置及びターニング油ポンプ５０に電源が供給されると、タービン各軸受２７の給油はターニング油ポンプ５０が担うことになり、非常用油ポンプ３５は停止する。
【００２３】
本発明を採用することにより、原子炉隔離時冷却設備の弁駆動用電動機、非常用油ポンプの駆動電動機として従来適用していた直流電動機に代わり誘導電動機を適用することができる。
【００２４】
次に、本発明のインバータ１８の制御について、以下説明を行う。この制御は、制御部５０によって行われる。
蓄電池１５の容量は、放電時間と放電電流により決定される。放電時間は、プラント側の要求により決定される為、蓄電池１５の容量の低減は放電電流によるところが大きい。このため、従来構成（図５）では放電電流を抑える方法として始動抵抗器３１Ａ、３１Ｂを設け直流電動機３２、３３の始動電流を低減していた。本発明では、蓄電池の出力電流を常時監視し、蓄電池の出力電流を制限する様にインバータ１８の制御を行うものとする。誘導電動機２５、２６を全電圧始動すると定格電流の数倍の始動電流が流れる。しかし、誘導始動時の始動電流は印加電圧に比例し、始動トルクは周波数に反比例するため、インバータ１８を適用することで始動トルクを有したまま、始動電流をあまり大きくすること無く誘導電動機２５、２６を始動できる。本実施の形態では誘導電動機２５、２６を始動時に蓄電池１５の出力電流（即ちインバータ１８の入力電流）が制限値を越えた場合、インバータ１８の電動機昇速指令をロックしし、制限値以下となった場合、再度電動機昇速を行う制御方式を採用する。本制御方式の制御部５０での制御フローを図６に示す。以下図６に従い制御方法を説明する。電動機始動条件５２、インバータ始動条件５３が共に成立、且つインバータ停止条件５１が不成立のもとで、電動機始動指令５４が入力されると、アンドゲート６０、オアゲート６１、ワイアードオア６２、アンドゲート６３が全てオンとなり、アンドゲート６２の出力により電動機は始動し昇速を開始する。電動機昇速により始動電流が増加し蓄電池出力電流が制限値を越えると、アンドゲート６３がオフとなる一方、アンドゲート６４がオンになると電動機昇速がロックされる。この結果、電動機に供給される電流が小さくなる。蓄電池出力電流が制限値以下となると再度、アンドゲート６３がオンとなり電動機は再度昇速を開始する。本制御を繰り返すことにより、電動機の始動が行われる。尚、６５は符号反転器である。
【００２５】
次に蓄電池出力電流制限値の検討方法について図７を利用して行う。
蓄電池の要領算出の一般式を（数２）に示す（電池工業規格 据置蓄電池の要領算出方法 SBA S 0601-1996参照）。発電プラントの蓄電池は、放電電流が時間と共に増減する特性をもった負荷に給電する。このため本蓄電池容量は、放電電流が減少する直前までの負荷特性に区切って各々必要な容量を評価した上で、これらの値の最大値ら求められる。
【数２】

Ｃｉ：定格放電率換算容量
Ｌ ：保守率
Ｋｉ：放電時間Tｉにおける容量換算時間
Ｉｉ：放電電流[Ａ]
ｉ＝１，２，・・・ｎ：放電電流の変化の順の番号
【００２６】
図７の如き放電電流を持つ負荷に電力を供給する蓄電池容量の検討を行う。まず、Ａ地点までの電流（放電時間Ｔ１）、Ｂ地点までの電流（放電時間Ｔ２）、Ｃ地点までの電流（放電時間Ｔｎ−１）、そしてＤ地点までの電流（放電時間Ｔｎ）の各々の負荷特性について必要容量を検討する。（数１）より求められたＣ１、Ｃ２、…、Ｃｎ−１、Ｃｎの中で一番大きな値が、図７に示す放電電流を持つ負荷に供給できる。蓄電池容量となる。ここで発電プラントの蓄電池負荷場合、Ｄ１が最大値となる場合が多い。これはＩ１に電動機の始動電流、遮断器の操作電流等のラッシュ電流が流れることから、他の電流（Ｉ１、Ｉ２、…、Ｉｎ−１、Ｉｎ）と比較し大きくなることによる。
【００２７】
蓄電池出力電流制限値の検討は、上記記載の蓄電池容量の検討方法において、負荷の放電電流においてＣ１からＣｎまでの容量を検討した上で、Ｃ１がＣ２からＣｎの値と同等かそれ以下となる電流となるようにＩ１を評価し、これを蓄電池出力電流１５ａの制限値とする。これによりインバータ１８を適用することによる蓄電池容量の最適化を図る事が可能となる。以上の検討フローを図８に示す。
【００２８】
また、非常用電動機用電源設備３０Ａより電源を供給するタービン非常用油ポンプ３４，発電機非常用油ポンプ３５及び原子炉隔離時冷却設備が、サーベイランス試験（プラント通常時に待機している非常用機器の健全性確認試験）時に本設備により運転される場合には１台ずつが運転される。このため、サーベイランス試験ではインバータ１８の制御方式は、インバータ１８の出力電流制限値を停電時に運転される負荷の合計電流から前記サーベイランス試験される負荷電流分に低減させることにより、本設備を採用した場合においてもサーベイランス試験が実際の停電時と同じ条件で実施できる。
こうした検討結果を反映するように制御部５０は形成されている。
【００２９】
【発明の効果】
本発明によれば、構造が複雑なため、コスト大、保守作業大という問題もあった直流電動機の変わりに、誘導電動機を使用することができる。また、より簡易な制御方法にて、複数台の誘導電動機を一台のインバータで運転できるとともに、蓄電池の容量を低減することも可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した原子力発電所非常用電動機用電源設備である。
【図２】原子炉隔離時冷却系の系統構成図である。
【図３】タービンの系統構成図である。
【図４】タービン油ポンプ運転シーケンスの図である。
【図５】従来の原子力発電所非常用電動機用電源設備である。
【図６】直流交流変換装置制御ブロック図である。
【図７】蓄電池負荷特性図である。
【図８】蓄電池容量最適化検討フロー図である。
【符号の説明】
１ 非常用低圧母線
２ 非常用低圧母線受電遮断器
３ 降圧変圧器
４ 非常用高圧母線
５ 常用高圧母線
６ 所内変圧器
７ 発電機負荷開閉器
８ 発電機
９ 主変圧器
１０ 開閉所
１１ 非常用ディーゼル発電設備
１２ 直流電源設備用受電遮断器
１３ 充電器
１４ 直流母線
１５ 蓄電池
１６ 蓄電池用遮断器
１７ 蓄電池出力用電流計
１８ 直流交流逆変換装置（インバータ）
１９ 非常用電動機給電用母線
２０，２５ 非常用誘導電動機
２１ ＲＣＩＣタービン
２３ ＲＣＩＣポンプ
２４ サプレッションチャンバ
２６ タービン
２７ タービン軸受
２８ 主油ポンプ（タービン軸直結）
２９ タービン補助油ポンプ
３０ ターニング油ポンプ
３０Ａ 直流電源設備
３０Ｄ 交流負荷
３４ タービン非常用油ポンプ
３５ 発電機非常用油ポンプ
５０ 制御部

Claims (1)

1. 発電プラントの非常時用電源装置において、
   交流系統の母線につながる充電・蓄電機能を持つ直流電源設備と、
   上記直流電源設備の負荷となる直流負荷と交流負荷とを備え、
   上記直流電源設備は、上記交流系統の母線につながる充電器と、この充電器につながり、通常時は浮動充電され、全交流喪失時には直流電流供給源となる蓄電池と、この蓄電池の入出力電流を監視する電流計とを備え、
   上記交流負荷は、インバータと、このインバータの出力側の設けられ上記交流負荷を駆動する誘導電動機と、上記インバータを制御する制御部とを備え、
   上記制御部は、上記誘導電動機を始動時に上記電流計の電流地が制限値を超えた場合、上記インバータの電動機昇速指令をロックし、制限値以下となった場合、再度電動機昇速を行うことを特徴とする発電プラントの非常用電源装置。

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