JP4504889B2

JP4504889B2 - 給水制御装置

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Publication number: JP4504889B2
Application number: JP2005237464A
Authority: JP
Inventors: 和良橋本; 真長谷川; 有俊水出; 純一北村
Original assignee: Hitachi GE Nuclear Energy Ltd
Current assignee: Hitachi GE Nuclear Energy Ltd
Priority date: 2005-08-18
Filing date: 2005-08-18
Publication date: 2010-07-14
Anticipated expiration: 2025-08-18
Also published as: JP2007051940A

Description

本発明は、原子炉の給水制御装置に係り、特にインターナルポンプを備えた沸騰水型原子炉の給水制御装置に関する。

沸騰水型原子力発電所の原子炉には、通常、複数基の再循環ポンプが備えられており、従って、再循環ポンプがトリップしたときには給水の制御にも影響が及んでしまう。このため再循環ポンプトリップ時での制御にも配慮した原子力発電プラントが従来から知られている(例えば、特許文献１参照。)。

そこで、従来技術による原子力発電プラントの中で、一例として再循環ポンプにインターナルポンプ(ＲＩＰ)を用いた原子力発電プラントについて、図５により説明する。

この図５に示した原子力発電プラントの従来技術では、水位検出器１１で検出した原子炉水位信号Ｓ１と主蒸気流量検出器１３で検出した主蒸気流量信号Ｓ２、給水流量検出器１２で検出した給水流量信号Ｓ３を給水制御装置１４に取り込むようになっている。

そして、この給水制御装置１４では、これら原子炉水位信号Ｓ１と主蒸気流量信号Ｓ２、それに給水流量信号Ｓ３及び水位設定値に基づいて給水流量要求信号Ｓ５を作成し、これにより給水ポンプＰを制御して給水流量を調整することにより、圧力容器内の水位が一定になるように制御している。

一方、再循環流量制御装置２２は、圧力制御装置１９から負荷要求偏差信号２０を入力し、炉心からは炉心流量信号２１を入力し、ｎ台のインターナルポンプ１５−１〜１５−ｎの回転速度を調整するための速度要求信号を作成し、インターナルポンプモータ１６−１〜１６−ｎの回転数(回転速度)を制御している。

ここで、通常運転時は、インターナルポンプ１５−１〜１５−ｎを用いた炉心流量制御により炉内のボイド(気泡)を増減させ、これによりボイド反応度を調整し、原子炉出力が一定に保持されるようにしている。このとき、インターナルポンプ１５Ａ〜１５ｎのうちの複数台が同時にトリップしたとすると、炉心流量の減少が急激に発生し炉内のボイドが急増してしまう。そして、このこのボイドの急増に伴って原子炉水位が上昇する。

そこで給水制御装置１１は、この原子炉水位の上昇を原子炉水位信号Ｓ１により受け、給水ポンプＰによる給水流量を絞る方向に制御し、原子炉水位の上昇が抑えられるように制御するのである。
特開２００１−４７９０号公報

上記従来技術は、インターナルポンプの慣性時定数が給水ポンプによる給水流量の制御時定数に比較して小さい点に配慮がされておらず、炉内水位上昇の抑制に問題があった。

上記したように、インターナルポンプが複数台、同時にトリップすると炉心流量が減少し、炉内のボイドは増加するので、原子炉水位が上昇するが、このとき、インターナルポンプは慣性時定数が小さいので、炉心流量の低下速度が早く、この結果、ボイドが急増するので、原子炉水位の上昇も急激になってしまう。

従って、インターナルポンプがトリップしてから給水流量を絞り込み方向に制御しても、給水ポンプの応答遅れのため、水位の上昇を充分に抑制することができない。例えば５台程度もインターナルポンプがトリップしたとすると、原子炉水位は４０ｃｍから５０ｃｍ程度も上昇し、この場合、原子炉水位高によるトリップから高タービントリップになり、原子炉スクラム(緊急停止)に移行してしまう。

本発明の目的は、インターナルポンプがトリップした場合でも大幅な水位上昇の虞のない原子炉用の給水制御装置を提供することにある。

上記目的は、インターナルポンプを再循環ポンプに用いた原子炉圧力容器に対する給水流量の制御を、少なくとも当該原子炉圧力容器の水位と主蒸気流量に基づいて制御する方式の給水制御装置において、前記原子炉圧力容器内から検出した炉内平均出力信号の変化を検出する微分要素手段と、前記炉内平均出力信号からボイド反応度係数を推定する手段と、前記微分要素手段で検出された炉内平均出力信号の変化に、前記ボイド反応度係数を推定する手段で推定されたボイド反応度係数の逆数を乗算し、前記給水流量の制御に対する補正信号を作成する補正信号作成手段とを設け、前記インターナルポンプがトリップしたとき、前記補正信号に基づく補正が前記給水流量の制御に与えられるようにして達成される。

また、ここで、前記ボイド反応度係数を推定する手段が、前記炉内平均出力信号をサンプリングし高速フーリエ変換して前記炉内平均出力信号に現われるゆらぎ成分の周波数スペクトルを作成し、この周波数スペクトルから特定周波数領域における振幅を計測し、この特定周波数領域における振幅とボイド反応度係数の相関関数により炉内のボイド反応度の程度を推定し、ボイド反応度係数を推定する手段で構成されていてもよい。

インターナルポンプがトリップしたとき、ボイド変化量を推定し、前記ボイド変化量推定値に基づき給水流量を減少させる補正信号を作成し、給水制御装置に加え、給水流量を水位の上昇に先行して減少させる。インターナルポンプが特に複数台同時にトリップした場合、炉心流量が急減し、炉心内のボイドが急激に増加するため、原子炉水位は大幅に増加する。

給水制御系では水位上昇を捉え、給水流量を絞る方向に制御するが、水位上昇が早いために、従来方式では十分に水位上昇を抑え込めない。しかし、本発明では、ボイド増加量を推定して給水流量を減少させる補正信号を作成し、給水制御系の給水流量制御信号(給水流量要求信号)に加えることによって、水位が大きく上昇する前に、給水流量を先行して絞ることとなり、水位を抑制することができる。

本発明によれば、給水流量の補正信号を炉内平均出力信号に基づいて作成し、この補正信号を給水制御系の給水流量制御信号に加算するようにしたので、原子炉水位の上昇に先行して給水流量を絞ることができる。

従って、本発明によれば、インターナルポンプがトリップしたときでも原子炉水位の上昇を抑えることができ、安定した状態でプラントの運転を継続させることができる。

以下、本発明による給水制御装置について、図示の実施の形態を用いて詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態が適用された沸騰水型原子力プラントを示したもので、この沸騰水型原子力プラントにおいては、蒸気発生器となる原子炉圧力容器１内の炉心２に装荷されている原子炉燃料(図示してない)の中で起こる核分裂を制御し、発生した熱を取り出して利用するため、減速材と冷却材を兼ねた水が冷却水として強制的に循環されている。

そして、通常運転時には、この冷却水が炉心２から発生する熱により加熱され、所定の温度で所定の圧力の蒸気となり、原子炉圧力容器１から主蒸気配管４と主蒸気加減弁を介してタービン５に供給され、発電機が駆動される。そして、タービン５から排気された蒸気は復水器６により凝結され、水(復水)に戻る。そして、この復水が復水脱塩器(図示せず)と復水ポンプ(図示せず)及び低圧給水加熱器(図示せず)で処理されてから給水配管３を介して原子炉圧力容器１に戻され、再び冷却水となる。

このときタービン５に供給される蒸気の圧力は、圧力制御装置１９により制御される。そこで、この圧力制御装置１９には、原子炉ドーム圧力１７が原子炉圧力容器１から入力され、発電機からはタービン速度１８が入力されていて、これにより主蒸気加減弁とタービンバイパス弁が制御されている。

また、給水配管３には、分岐管３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄが設けてあり、各々にはタービン駆動給水ポンプ７Ａ、７Ｂと電動機駆動給水ポンプ９Ａ、９Ｂが備えられていて、復水は、これら給水ポンプの何れかによって加圧され、高圧給水加熱器(図示せず)で加熱された上で原子炉圧力容器１内に戻される。

ここでタービン駆動給水ポンプ７Ａ、７Ｂはポンプ駆動用タービン８Ａ、８Ｂにより駆動されるようになっているが、このため、これらポンプ駆動用タービン８Ａ、８Ｂには、タービン５から抽気された蒸気が、図示してない抽気管を介して供給され、これらのポンプ駆動用タービン８Ａ、８Ｂから排気された蒸気は、上記した低圧給水加熱器に供給されるようになっている。

このときのタービン駆動給水ポンプ７Ａ、７Ｂの回転数制御は、給水ポンプ用タービン８Ａ、８Ｂに供給される抽気蒸気の流量を、抽気配管に設けられた抽気加減弁(図示せず)の開閉により調節することにより行われる。

一方、給水配管３の分岐管３Ｃ、３Ｄに設けられる電動機駆動給水ポンプ９Ａ、９Ｂは、タービン駆動給水ポンプ７Ａ、７Ｂのバックアップ用であり、従って、原子炉が通常運転時には待機状態にある。そして、これら電動機駆動給水ポンプ９Ａ、９Ｂにより供給される給水の流量は、分岐管３Ｃ、３Ｄに設けられた給水調節弁(流量調節弁)１０Ａ、１０Ｂにより制御される。そして、これらポンプ駆動用タービン８Ａ、８Ｂ及び給水調整弁１０Ａ、１０Ｂによる給水流量の制御は給水制御装置１４によって行われる。

このため、給水制御装置１４には、図５で説明した従来技術と同じく、原子炉圧力容器１内の水位を計る水位検出器１１の計測値である原子炉水位信号Ｓ１と主蒸気配管４内の蒸気の流量を計る蒸気流量計１３の計測値である主蒸気流量信号Ｓ２、それに給水配管３内の水の流量を計る給水流量計１２の計測値である給水流量信号Ｓ３が入力されている。

炉心２は冷却材であり減速材でもある冷却水の中に沈めてあり、このときの冷却水の流量は、原子炉圧力容器１の下部に複数台(ｎ台とする)設置されているインターナルポンプ１５Ａ−１５ｎの回転数、つまりインターナルモータ１６Ａ−１６ｎの回転数によって決り、そして、これらモータ１６Ａ−１６ｎの回転数は、再循環流量制御装置２２により制御されるようになっている。

このため再循環流量制御装置２２には、圧力制御装置１９から負荷要求偏差信号２０が入力され、炉心２の中にある炉心流量計(図示してない)からは炉心流量２１が入力されるようになっている。そして、この再循環流量制御装置２２には、図示していない制御演算部の外、同じく図示してない電源制御部が備えられていて、この電源制御部によりインターナルポンプ１５−１〜１５−ｎのトリップを検出し、トリップが発生したら、給水制御装置１４にインターナルポンプトリップ信号Ｓ８が出力されるようになっている。

次に、この実施形態では、更にＡＰＲＭ計測盤２８が設けられていて、これには、炉心２の中にある中性子束検出器(図示してない)から、炉中の中性子束の強度を表わす信号(中性子束信号)が供給されている。そして、ＡＰＲＭ計測盤２８は、この中性子束信号に基づいてＡＰＲＭ(炉内平均出力)を演算し、ＡＰＲＭ信号Ｓ９としてＡＰＲＭ計測盤２８から給水制御装置１４に供給するようになっている。

そこで、以下、給水制御装置１４の詳細について、図２により説明すると、この給水制御装置１４は、主水位制御器２３と２個のＴＤ−ＲＦＰ(タービン駆動給水ポンプ)制御器２４Ａ、２４Ｂ、同じく２個のＭＤ−ＲＦＰ(電動機駆動給水ポンプ)制御器２５Ａ、２５Ｂ、それに補正信号作成部２６を備えている。そして、これは、原子炉水位信号Ｓｌと主蒸気流量Ｓ２、それに給水流量Ｓ３が供給されている。

このとき原子炉水位信号Ｓｌは加算器２７Ｃに入力され、主蒸気流量Ｓ２と給水流量Ｓ３は減算器２７Ａに入力されている。そして、まず主蒸気流量Ｓ２と給水流量Ｓ３の偏差が減算器２７Ａから出力され、次いで、定数設定器２７Ｂにより、に予め設定してある所定の定数(Ｇ)が上記の偏差にゲインとして乗算される。そして加算器２７Ｃにより原子炉水位信号Ｓｌに加算された信号がスイッチ２７Ｄを介して主水位制御器２３に入力され、ここで原子炉水位設定値Ｓ４に対する偏差が取られた結果、３要素制御による給水流量要求信号(給水流量制御信号)Ｓ５が出力されることになる。

この給水流量要求信号Ｓ５は、更に加算器２７Ｅに入力され、ここで補正信号Ｓ６(後で詳述する)が加算され、補正給水流量要求信号Ｓ７となってＴＤ−ＲＦＰ制御器２４Ａ、２４ＢとＭＤ−ＲＦＰ制御器２５Ａ、２５Ｂに夫々供給され、この結果、給水流量が制御されることになる。このとき、補正給水流量要求信号Ｓ７は、更に主水位制御器２３にも入力され、原子炉水位設定値Ｓ４にフィードバックされる。

このときの原子炉水位設定値Ｓ４とは、原子炉圧力容器１の大きさなどから予め所定の水位を保つのに必要な値に設定されている定数であり、従って、これに補正給水流量要求信号Ｓ７がフィードバックされることにより、適正な水位が保たれることになる。

このときスイッチ２７Ｄは、給水時と通常運転時での制御を切換える働きをし、給水時には図示の状態と反対の接点位置に切換えられているが、通常運転時には図示の接点位置に切換え、上記した３要素制御が与えられるようにしているものである。

次に、この給水制御装置１４には、インターナルポンプトリップ信号Ｓ８とＡＰＲＭ信号Ｓ９が供給されている。そして、これらの信号Ｓ８、Ｓ９は補正信号作成部２６に入力されている。そこで、次に、この補正信号作成部２６について説明する。

この補正信号生成部２６は、図示のように、微分要素２６Ａ、ボイド反応度係数推定回路２６Ｂ、調整ゲイン２６Ｃ、それに補正信号作成スイッチ２６Ｄにより構成されていて、インターナルポンプトリップ信号Ｓ８とＡＰＲＭ信号Ｓ９を入力し、インターナルポンプトリップ信号Ｓ８が入力されたとき、ＡＰＲＭ信号Ｓ９から補正信号Ｓ６を作成して、加算器２７Ｅに出力する働きをする。

次に、補正信号生成部２６の動作について説明すると、ここでまず、補正信号作成スイッチ２６Ｄは、インターナルポンプトリップ信号Ｓ８によりオンにされる。このときインターナルポンプトリップ信号Ｓ８は、通常運転中は出力されない。従って、通常運転中、補正信号作成スイッチ２６Ｄはオフ(切)であり、微分要素２６ＡにはＡＰＲＭ信号Ｓ９が入力されないので、補正信号Ｓ６はゼロ、すなわちＳ７＝Ｓ５になっている。

一方、このＡＰＲＭ信号Ｓ９は、補正信号作成スイッチ２６Ｄのオンオフとは関係無く、常にボイド反応度係数推定回路２６Ｂに入力され、ここで一定周期毎にサンプリングされた上で、ＦＦＴ(高速フーリエ変換)回路により、ＡＰＲＭ信号に現われるゆらぎ成分の周波数スペクトルが作成されている。

そして、ボイド反応度係数推定回路２６Ｂは、この周波数スペクトルから特定周波数領域における振幅を計測し、この特定周波数領域における振幅とボイド反応度係数の相関関数により炉内のボイド反応度の程度を推定し、これにより常時、炉内のボイド反応度の強さを表わすボイド反応度係数Ｓ１０を出力している。

ここでいま、何らかの異常によりインターナルポンプがトリップしたとすると、インターナルポンプトリップ信号Ｓ８により補正信号作成スイッチ２６Ｄがオンになるので、ＡＰＲＭ信号Ｓ９が微分要素２６Ａに入力されるようになり、この結果、補正信号Ｓ６が作成され、給水流量要求信号Ｓ５に加算されるようになる。

この微分要素２６Ａは、図示のように、一次遅れ回路と比較回路で構成されているので、インターナルポンプトリップによりＡＰＲＭ信号Ｓ９が変化(低下)している間だけＡＰＲＭ信号Ｓ９と一次遅れ回路の出力信号に偏差が現われ、偏差信号Ｓ１１が出力される。そこで、この偏差信号Ｓ１１を乗算器２７Ｅに供給する。

このとき、乗算器２７Ｅには、ボイド反応度係数Ｓ１０が、逆数演算器(１／Ｘ回路)２７Ｄを介して入力されている。従って、偏差信号Ｓ１１にボイド反応度係数Ｓ１０の逆数が掛け合わされ、時間積分されすることより、ボイド増加量が推定され、この推定結果が乗算器２７Ｅから出力される。

そこで、この乗算器２７Ｅから出力されるボイド増加量の推定結果を積分ゲインＩの積分要素２６Ｃにより積分ゲイン調整して補正信号Ｓ６とし、加算器２７Ｅに供給すると、ＡＰＲＭ信号Ｓ９が変化(低下)している間のみ、補正信号Ｓ６がボイド増加量に応じて増減し、この補正信号Ｓ６が給水流量要求信号Ｓ５に加算される。

ここで、この補正信号Ｓ６は、ＡＰＲＭ信号Ｓ９の挙動から推定したボイド増加量を表わしている。一方、既に説明したように、インターナルポンプトリップによる炉内の水位上昇はボイドの増加に伴って現われるので、このときのボイドの増加は炉内の水位変化に先行して現われる。

そこで、このときのボイドの増加量を表わしている補正信号Ｓ６を給水流量要求信号Ｓ５に加算して補正給水流量要求信号Ｓ７とし、これをＴＤ−ＲＦＰ制御器２４Ａ、２４ＢとＭＤ−ＲＦＰ制御器２５Ａ、２５Ｂに供給してやれば炉内水位の上昇に先立って給水流量を絞ることができ、インターナルポンプトリップ時での炉内水位の急激な上昇を抑えることができる。

そして、この結果、ＡＰＲＭ信号Ｓ９が整定されると、補正信号Ｓ６も一定値に整定されることになる。すなわち、インターナルポンプトリップ後、補正信号Ｓ６はＡＰＲＭ信号Ｓ９の変化量に応じて変化するが、この補正信号Ｓ６の変化に応じてＡＰＲＭ信号Ｓ９が整定されると一定値になるので、炉内水位の上昇を待たず、これに先行して給水流量を減少させることにより水位上昇を抑制することができるのである。

ここで、図３は、一例としてインターナルポンプが５台、トリップした場合の炉内流量の変化を示したもので、次に、図４は、このときの原子炉内の水位変化を示したもので、実線の特性が本発明の実施形態による場合、つまり補正信号Ｓ６ありの場合で、補正信号Ｓ６による補正が無い場合、つまり従来技術の場合は破線の特性となる。

そして、この場合、図３から明らかなように、定格流量の約半分(５０％)近くまで炉内流量が急減する。従って、この炉内流量の急減に伴い炉心内のボイドが増加し、この結果、図４から明らかなように、補正信号Ｓ６による補正が無い場合には、原子炉水位は、破線の特性で示されているように、大きく変化して急上昇し、Ｌ８と呼ばれている原子炉水位高高になって、運転が継続できなくなってしまう虞がある。

一方、上記実施形態の場合は、補正信号Ｓ６による補正が適用されているので、実線の特性で示されているように、原子炉水位の変動が緩やかに抑えられていて、急上昇することはない。

従って、上記した本発明の実施形態によれば、インターナルポンプがトリップしたときでも原子炉水位が上昇する虞がなく、安定した状態でプラントの運転を継続させることができる。

本発明による給水制御装置が適用された原子力発電プラントの一例を示す構成図である。本発明による給水制御装置の一実施形態を示すブロック構成図である。インターナルポンプトリップ時の炉心流量変化の一例を示す特性図である。インターナルポンプトリップ時の原子炉水位変化の一例を示す特性図である。従来技術による給水制御装置が適用された原子力発電プラントの一例を示す構成図である。

符号の説明

１：原子炉圧力容器
２：炉心
３：給水配管
３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄ：分岐管
４：主蒸気配管
５：タービン
６：復水器
７Ａ、７Ｂ：タービン駆動給水ポンプ
８Ａ、８Ｂ：給水ポンプ用タービン
９Ａ、９Ｂ：電動機駆動給水ポンプ
１０Ａ、１０Ｂ：給水調整弁
１１：水位検出器
１２：給水流量検出器
１３：主蒸気流量検出器
１４：給水制御装置
１５−１〜１５−ｎ：インターナルポンプ
１６−１〜１６−ｎ：インターナルポンプモータ
１７：原子炉ドーム圧力
１８：タービン速度信号
１９：圧力制御装置
２０：負荷要求偏差信号
２１：炉心流量信号
２２：再循環流量制御装置
２３：主水位制御器
２４Ａ、２４Ｂ：ＴＤ−ＲＥＦ制御器(タービン駆動給水ポンプ制御器)
２５Ａ、２４Ｂ：ＭＤ−ＲＥＦ制御器(電動機駆動給水ポンプ制御器)
２６：補正回路作成部
２６Ａ：微分要素
２６Ｂ：ボイド反応度係数推定回路
２６Ｃ：調整ゲイン
２６Ｄ：補正信号作成スイッチ
２７Ａ：減算器
２７Ｂ：定数設定器
２７Ｃ：加算器
２７Ｄ：スイッチ
２７Ｅ：加算器
２８：ＡＰＲＭ計測盤
Ｓｌ：原子炉水位
Ｓ２：主蒸気流量
Ｓ３：給水流量
Ｓ４：水位設定
Ｓ５：給水流量要求信号(給水流量制御信号)
Ｓ６：補正信号
Ｓ７：補正給水流量要求信号(補正給水流量制御信号)
Ｓ８：インターナルポンプトリップ信号
Ｓ９：ＡＰＲＭ信号(炉内平均出力信号)
ＳｌＯ：ボイド反応度係数

Claims

インターナルポンプを再循環ポンプに用いた原子炉圧力容器に対する給水流量の制御を、少なくとも当該原子炉圧力容器の水位と主蒸気流量に基づいて制御する方式の給水制御装置において、
前記原子炉圧力容器内から検出した炉内平均出力信号の変化を検出する微分要素手段と、
前記炉内平均出力信号からボイド反応度係数を推定する手段と、
前記微分要素手段で検出された炉内平均出力信号の変化に、前記ボイド反応度係数を推定する手段で推定されたボイド反応度係数の逆数を乗算し、前記給水流量の制御に対する補正信号を作成する補正信号作成手段とを設け、
前記インターナルポンプがトリップしたとき、前記補正信号に基づく補正が前記給水流量の制御に与えられるように構成したことを特徴とする給水制御装置。
請求項１に記載の発明において、
前記ボイド反応度係数を推定する手段が、前記炉内平均出力信号をサンプリングし高速フーリエ変換して前記炉内平均出力信号に現われるゆらぎ成分の周波数スペクトルを作成し、この周波数スペクトルから特定周波数領域における振幅を計測し、この特定周波数領域における振幅とボイド反応度係数の相関関数により炉内のボイド反応度の程度を推定し、ボイド反応度係数を推定する手段であることを特徴とする給水制御装置。