JP4575109B2

JP4575109B2 - 原子力発電プラント

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Publication number: JP4575109B2
Application number: JP2004303356A
Authority: JP
Inventors: 正人村上; 達也沖原; 将人杉浦
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2004-10-18
Filing date: 2004-10-18
Publication date: 2010-11-04
Anticipated expiration: 2024-10-18
Also published as: JP2006112402A

Description

本発明は、原子炉圧力容器から蒸気タービンに供給される蒸気の圧力を一定に調整し、原子炉出力を一定に維持させるに好適な原子炉発電プラントに関する。

沸騰水型原子力発電プラントでは、原子炉圧力容器の炉心内圧力が低下すると、炉水中ボイドの割合が増加して中性子を吸収するため、核分裂が抑制される。これに伴う原子炉出力の低下がないように調整するため、原子炉圧力容器からの蒸気を蒸気タービンに供給する際、蒸気圧力調整が行われており、その構成として図９に示すものがある。

原子力発電プラントは、原子炉圧力容器１、高圧タービン２、組み合せ中間弁３、低圧タービン４、復水器５を備え、原子炉圧力容器１から発生した蒸気を高圧タービン２で膨張仕事して動力を発生させ、膨張仕事を終えた高圧タービン排気を組み合せ中間弁３を介して低圧タービン４に供給し、ここでも膨張仕事をして動力を発生させ、低圧タービン４で膨張仕事を終えた低圧タービン排気を復水器５で凝縮させ、復水・給水として原子炉圧力容器１に再び戻している。

また、原子力発電プラントは、原子炉圧力容器１と高圧タービン２とを、例えば、４本の主蒸気管６および主蒸気リード管７で接続させている。

主蒸気管６および主蒸気リード管７には、管本数共用の圧力ヘッダ８のほかに、管本数に対応させて圧力計９、主蒸気止め弁１０、蒸気加減弁１１を備え、原子炉圧力容器１から供給された蒸気を一旦圧力ヘッダ８に集めた後、蒸気加減弁１１で流量調整し、高圧タービン２に供給している。

また、圧力ヘッダ８は、途中にタービンバイパス弁１２を介装させて復水器５に接続するタービンバイパス管１４を備え、負荷遮断等緊急事象が発生したとき、主蒸気止め弁１０または蒸気加減弁１１を閉弁させ、原子炉圧力容器１から発生した蒸気を、直接、復水器１３に流し、事故復帰までの間、原子炉圧力容器１を停止させずに待機運転を行わせている。

このような構成を備える原子力発電プラントにおいて、原子炉圧力容器１から発生した蒸気を高圧タービン２に供給する際の蒸気圧力一定制御は、蒸気加減弁１１が行っていた。

すなわち、蒸気加減弁１１には、圧力計９から検出した実蒸気圧力信号のほかに、設定蒸気圧力信号、タービン速度信号、タービン負荷信号等を演算する演算回路（図示せず）が設けられており、これら各信号を演算回路で演算させて弁開閉信号を作り出し、作り出された演算信号に基づいて弁体を開閉させ、蒸気圧力一定に調整し、調整した蒸気圧力一定に基づいて原子炉出力を一定に維持させていた。

なお、蒸気圧力一定に調整する発明には、例えば、特開平５−３１２９９５号公報（特許文献１）や特開昭６１−２１８９９６号公報（特許文献２）等数多くの発明が開示されている。
特開平５−３１２９９５号公報特開昭６１−２１８９９６号公報

上述特許文献１や特許文献２は、検出した蒸気圧力信号等を基にして演算し、弁開閉信号を作り出し、作り出した弁開閉信号を蒸気加減弁１１に与え、原子炉圧力容器１からの蒸気圧力を一定に調整し、調整した蒸気圧力一定の基に原子炉一定出力を維持させているが、演算回路が比較的簡素であり、操作も容易であることから今日でもより多く使用されている。

しかし、それでも幾つかの問題も抱えており、その一つに弁開閉の際に発生する圧力損失がある。

従来、蒸気加減弁１１は、運転中、系統周波数が変動し、これに伴って蒸気圧力が変動した場合、直ぐさま弁体、例えば４個の弁体を開閉させている。その際、４弁体を同時に開閉させる絞り運転（フル・アーク・アドミッション）を行う関係上、発生する圧力損失が大きくなっている。

圧力損失が大きくなると、電気出力（発電端出力）を発生させるに必要なエネルギ消費も大きくなり、例えば、１００万ｋＷクラスの発電所で蒸気加減弁の損失を１ｋｇ／ｃｍ^２低下させるだけで、年間数千万円の電気料金に見合うだけの余分のエネルギが消費される。

このため、タービン産業分野では、競争力強化の下、タービン性能向上の一環として、例えば、特開２００２−９７９０３号公報に見られるように、蒸気通路を簡素化させる構造上の改良が行われ、圧力損失をより一層少なくさせ、電気出力をより一層増加させる技術が提案され、最近の蒸気加減弁の圧力損失は少なくなっている。

しかし、その反面、蒸気加減弁１１は、圧力損失を少なくするあまり、制御特性上、大きな圧力変動があってもそれを調整できるだけの余裕がない設計になっている。このため、蒸気加減弁１１の入口側で設計上許される範囲を超えて大きな蒸気圧力変動があった場合、蒸気圧力を一定に調整することができず、蒸気圧力一定の下、原子炉出力を一定に維持させる設計思想に大きなダメージを与える一抹の不安が残されていた。

本発明は、このような事情に基づいてなされたもので、圧力損失を少なくさせた蒸気加減弁を有効に活用し、エネルギ損失を少なくさせて電気出力を増加させる一方、原子炉圧力容器からの蒸気の圧力が予め定められた圧力（定格圧力）よりも高低変動していても予め定められた圧力（定格圧力）に容易に調整でき、原子炉出力一定維持を充分に満たす原子力発電プラントを提供することを目的とする。

本発明に係る原子力発電プラントは、上述の目的を達成するために、原子炉圧力容器と蒸気タービンを接続する主蒸気管に、圧力ヘッダ、主蒸気止め弁および蒸気加減弁を介装させ、前記原子炉圧力容器からの蒸気の流量を前記蒸気加減弁で制御して蒸気タービンに供給し、前記蒸気タービンで動力を発生させ、タービン排気を復水器で凝縮させて前記原子炉圧力容器に戻し、前記原子炉圧力容器からの蒸気を復水器に逃がすタービンバイパス管で前記圧力ヘッダと前記復水器とを接続する構成の原子力発電プラントにおいて、前記圧力ヘッダよりも下流側でかつ前記蒸気加減弁よりも上流側における前記主蒸気管と前記復水器との間をリリーフ弁とオリフィスを備えた蒸気リリーフ管で接続したものである。

本発明に係る原子力発電プラントは、原子炉圧力容器から主蒸気止め弁および蒸気加減弁を介して蒸気タービンに蒸気を供給する際、変動した蒸気圧力を制御するので、予め定められた蒸気圧力（定格圧力）に容易に制御でき、原子炉出力を一定に維持させることができる。

以下、本発明に係る原子力発電プラントおよびその運転制御方法の実施形態を図面および図面に付した符号を引用して説明する。

図１は、本発明に係る原子力発電プラントの第１実施形態を示す概略系統図である。

本実施形態に係る原子力発電プラントは、主要構成要素として原子炉圧力容器２０、高圧タービン２１、組み合せ中間弁２２、低圧タービン２３、復水器２４を備え、原子炉圧力容器２０からの蒸気を高圧タービン２１で膨張仕事をして動力を発生させ、膨張後の高圧タービン排気を組み合せ中間弁２２を介して低圧タービン２３に供給し、ここでも膨張仕事をして動力を発生させ、膨張後の低圧タービン排気を復水器２４で凝縮させ、復水、給水として復水給水管３３を介して原子炉圧力容器２０に再び戻す閉サイクルになっている。

また、本実施形態に係る原子力発電プラントは、原子炉圧力容器２０と高圧タービン２１とを、例えば、４本の主蒸気管２５および主蒸気リード管２６で接続させている。

主蒸気管２５および主蒸気リード管２６には、原子炉圧力容器２０側から、管本数共用の圧力ヘッダ２７、管本数に対応させて圧力計２８、主蒸気止め弁２９、蒸気加減弁３０を備え、原子炉圧力容器２０から供給された蒸気を一旦圧力ヘッダ２７に集めた後、蒸気加減弁３０で流量調整し、高圧タービン２１に供給している。

また、圧力ヘッダ２７は、途中にタービンバイパス弁３１を介装させて復水器２４に接続するタービンバイパス管３２を備え、負荷遮断等緊急事象が発生したとき、主蒸気止め弁２９を閉弁させ、原子炉圧力容器２０から発生した蒸気をタービンバイパス管３２を介して復水器２４に逃している。

また、圧力ヘッダ２７の出口側と復水器２４の間に、原子炉圧力容器２０から発生した蒸気の圧力調整を行う蒸気圧力調整装置３４を設けている。

この蒸気圧力調整装置３４は、原子炉圧力容器２０から発生した蒸気の圧力が予め定められた圧力（定格圧力）よりも高低変動しているとき、予め定められた圧力に調整するので、途中にリリーフ弁３５およびオリフィス３６を介装させて復水器２４に接続する蒸気リリーフ管３７で構成される。

なお、蒸気リリーフ管３７がオリフィス３６を備えたのは、オリフィス３６で高い蒸気圧を減圧させ、復水器２４に供給するときの衝撃力を緩和させるためである。

原子炉圧力容器２０から発生した蒸気の圧力が予め定められた圧力よりも高低変動しているとき、蒸気の圧力調整は、蒸気加減弁３０および蒸気圧力調整装置３４によって行われる。

まず、蒸気加減弁３０の入口側で、原子炉圧力容器２０から発生した蒸気の圧力が予め定められた圧力よりも低くなっていることを圧力計２８が検出したとき、蒸気加減弁３０は、例えば、４個の弁体を同時に弁絞り開度にし、原子炉圧力容器２０からの蒸気の圧力を増加させる。

一方、例えば、送電線系統に事故が発生し、負荷遮断が発生した場合、高，低圧タービン２１，２３および発電機（図示せず）は定格回転数を超えてオーバスピードになる。この場合、蒸気加減弁３０は、オーバスピードを抑制するために弁体の開度を絞って蒸気量を減少させる方向に制御させる。このとき、原子炉圧力容器２０からの蒸気の圧力が上昇しようとするが、蒸気圧力調整装置３４は、リリーフ弁３５を開弁させ、リリーフ弁３５から流れる蒸気をオリフィス３６および蒸気リリーフ管３７を経て復水器２４に供給し、高，低圧タービン２１，２３に供給する蒸気量を減少させ、高，低圧タービン２１，２３および発電機の回転数を定格回転数に整定させる。

このように、本実施形態は、原子炉圧力容器２０と高圧タービン２１とを接続させる主蒸気管２５における圧力ヘッダ２７の出口側に蒸気圧力調整装置３４を設け、原子炉圧力容器２０からの蒸気の圧力が予め定められた圧力（定格圧力）よりも低いとき、蒸気加減弁３０の弁体に弁絞り開度を与えて蒸気の圧力を増加させ、予め定められた圧力（定格圧力）に制御する一方、系統等の事故が発生し、蒸気加減弁３０の弁体開度を絞る間に原子炉圧力容器２０からの蒸気が予め定められた圧力（定格圧力）を超えたとき、蒸気圧力調整装置３４で原子炉圧力容器２０からの蒸気を復水器２４に供給する構成にしたので、高，低圧タービン２１，２３等の回転数を定格回転数に容易に整定させることができる。

図２および図３は、第１の実施形態の原子力発電プラント運転制御方法を説明する際の線図である。

図２は、原子炉圧力容器２０から発生した蒸気を、圧力ヘッダ２７、主蒸気止め弁２９、蒸気加減弁３０、高圧タービン２１、組み合せ中間弁２２、低圧タービン２３、復水器２４の順に流して運転している間に、例えば系統事故による負荷変動があると、過渡時、軸結合させていた高圧タービン２１、低圧タービン２３および発電機（図示せず）が定格回転数を超えてオーバスピードになることを抑制したもので、蒸気加減弁３０の弁体に弁絞り開度を与え、一点鎖線ＢＰ_１で示すように、蒸気を圧力降下させるとともに、組み合せ中間弁２２の弁体にも弁絞り開度を与え、一点鎖線ＢＰ_２で示すように、蒸気を圧力降下させたものである。

このように、高，低圧タービン２１，２３等のオーバスピードを蒸気加減弁３０の弁体へ弁絞り開度を与えるのみならず、組み合せ中間弁２２の弁体にも弁絞り開度を与え、蒸気加減弁３０の蒸気の圧力降下ＢＰ_１に、組み合せ中間弁２２の蒸気の圧力降下ＢＰ_２を加えて蒸気供給系統のシステムロスを増加させたので、蒸気加減弁３０の圧力降下ＢＰ_１と組み合せ中間弁２２の圧力降下ＢＰ_２とのそれぞれ少ない分担率でも高，低圧タービン２１，２３等のオーバスピードを容易に定格回転数に整定させることができる。

図３は、図１で示した蒸気圧力調整装置３４のリリーフ弁３５を開弁させるときの頻度の数を多くし、繰返して行い、原子炉圧力容器２０からの蒸気を復水器２４に流出させたものである。

従来、高，低圧タービン２１，２３等に系統事故による負荷変動があると、蒸気加減弁３０は、図５の実線で示すように、全開に対し、大きな弁絞り開度を弁体に与えて原子炉圧力容器２０からの蒸気の圧力を予め定められた圧力（定格圧力）に戻していた。

しかし、図３では、蒸気圧力調整装置のリリーフ弁を、原子炉圧力が定格圧力を超えた時に開弁し、定格圧力以下になった時に閉弁させ、繰り返し、数多く開閉させているので、蒸気加減弁の弁体に与えられる弁絞り開度も全開に対して僅かで済む。

このように、リリーフ弁を開弁および閉弁させる回数をより多くし、繰り返して行うようにするので、蒸気加減弁の弁体の弁絞り開度を小さくさせて圧力損失を少なくさせることができ、少ない圧力損失の下、原子炉圧力容器からの蒸気の圧力を、予め定められた圧力（定格圧力）に容易に整定させることができる。

そして、本実施形態は、蒸気圧力調整装置３４を流れる蒸気をオリフィスを介して復水器に供給するので、タービンバイパス管の役割を果す。

なお、本実施形態は、例えば、４本の主蒸気管２５のうち、１本の主蒸気管２５に蒸気圧力調整装置３４を設けたが、この例に限らず、例えば、図４に示すように、主蒸気管２５の管本数に対応させて蒸気圧力調整装置３４ａ，３４ｂ，…を設けてもよい（第２実施形態）。

また、例えば、図５に示すように、蒸気圧力調整装置３４の蒸気リリーフ管３７を組み合せ中間弁２２の入口側に接続させてもよい（第３実施形態）。蒸気リリーフ管３７を組み合せ中間弁２２の入口側に設けた場合、回収した蒸気を低圧タービン２３で膨張仕事をさせ、回収エネルギを再活用させる点で有効である。

図６は、本発明に係る原子力発電プラントの第４実施形態を示す概略系統図である。

本実施形態は、原子炉圧力容器２０に高圧タービン２１を接続させる複数本、例えば、４本の主蒸気管２５および主蒸気リード管２６のうち、少なくとも１つ以上の管に蒸気加減弁３０を設けたものである。なお、圧力ヘッダ２７、圧力計２８、主蒸気止め弁２９は、第１実施形態と同じ実施形態を採っている。

このように、本実施形態は、原子炉圧力容器２０に高圧タービン２１を接続させる複数本、例えば４本の主蒸気管２５および主蒸気リード管２６のうち、少なくとも１つ以上に蒸気加減弁３０を設け、主蒸気管２５および主蒸気リード管２６を流れる原子炉圧力容器２０からの蒸気の圧力損失を少なくさせたので、高圧タービン２１および低圧タービン２３での膨張仕事を高くして電気出力を増加させることができる。

図７は、第４実施形態の原子力発電プラント運転制御方法を説明する際の線図である。

図６で示した複数管本数、例えば、４本の主蒸気管２５および主蒸気リード管２６に、管本数に対応させて主蒸気止め弁２９を設けるとともに、管本数の少なくとも１本以上に蒸気加減弁３０を設けたことに伴って負荷上昇時、主蒸気止め弁２９と蒸気加減弁３０との開閉挙動モードに改良を加えたものである。

すなわち、従来の原子力発電プラントは、図９に示すように、複数の管本数、例えば、４本の主蒸気管６および主蒸気リード管７の管本数に対応させて主蒸気止め弁１０、蒸気加減弁１１を設けていた。

また、主蒸気管６および主蒸気リード管７の管本数に対応させて設けた主蒸気止め弁１０、蒸気加減弁１１の弁開度関係は、図１０に示すように、４個の主蒸気止め弁１０の全弁を全開させた後、４個の蒸気加減弁１１の全弁を同時に開弁させ、その開度を徐々に増加させ、タービン負荷１００％に至るまで弁開度増加を繰り返していた。

しかし、本実施形態は、例えば、４本の主蒸気管２５および主蒸気リード管２６に対し、管本数に対応させて主蒸気止め弁２９を設けるとともに、複数の管本数のうち、少なくとも１つ以上の管本数に蒸気加減弁３０を設けたため、タービン負荷上昇中、主蒸気止め弁２９と蒸気加減弁３０との弁開度関係を、図７に示すように、改良を加えたものである。

図７は、主蒸気止め弁２９と蒸気加減弁３０との弁開度関係を示す線図で、起動当初、主蒸気止め弁２９の全弁を全閉にし、蒸気加減弁３０の、例えば１弁を全閉の状態から第１主蒸気止め弁を全開させる。

第１主蒸気止め弁が全開すると、蒸気加減弁を開弁させる。蒸気加減弁の全開後、第２主蒸気止め弁の開弁に合わせて蒸気加減弁を閉弁させ、第２主蒸気止め弁が全開すると同時に、蒸気加減弁は閉弁する。再び、蒸気加減弁を開弁させ、蒸気加減弁が全開後、第３主蒸気止め弁の開弁に合わせて蒸気加減弁を閉弁させ、第３主蒸気止め弁が全開すると同時に、蒸気加減弁を閉弁させる。

このような弁開度挙動を、順次繰り返し、第４主蒸気止め弁を全開させた後、蒸気加減弁を全開させ、定格負荷に至らしめる。

ところで、上述の主蒸気止め弁と蒸気加減弁との弁開度関係の下、負荷上昇運転中、または定格負荷運転中、原子炉圧力容器から供給された蒸気の圧力変動が比較的小さい場合、図８のＡ部で示すように、蒸気加減弁のみで対応させ、弁体に弁絞り開度を与えて蒸気圧力を上昇させる。

また、運転中、系統に事故が発生し、高低圧タービン等に比較的程度の低い負荷変動が生じ、主蒸気圧力にＡ部より大きな変動があった場合、本実施形態は、図８のＢ部で示すように、第１主蒸気止め弁を開弁させたまま、蒸気加減弁および第２主蒸気止め弁を閉弁させ、蒸気圧力を予め定められた圧力（定格圧力）に回復させる。

さらにまた、大きな主蒸気圧力の変動（低下）があった場合、図８のＣ部で示すように、第１主蒸気止め弁を開弁させたまま、蒸気加減弁および第２主蒸気止め弁を閉弁させるほかに、残りの主蒸気止め弁の全弁を閉弁させ、蒸気圧を予め定められた圧力（定格圧力）に回復させる。

このように、原子炉圧力容器と高圧タービンとを接続させる主蒸気管および主蒸気リード管が複数管本数のうち、例えば、４本の主蒸気管に対応させて主蒸気止め弁を４個備え、４本の主蒸気管のうち、少なくとも１本以上の管に対応させて蒸気加減弁を備えたことを条件とし、原子炉圧力容器から高圧タービンに供給される蒸気の圧力変動が大小の程度に応じて蒸気加減弁のみに弁絞り開度を与えるか、あるいは調整可能な蒸気加減弁のほかに第２〜第４種蒸気止め弁を閉弁させるので、原子炉圧力容器から供給される蒸気の圧力変動の大小に拘らず、容易に予め定められた圧力（定格圧力）に調整することができ、原子炉出力を一定に維持させることができる。

本発明に係る原子力発電プラントの第１実施形態を示す概略系統図。第１実施形態の原子力発電プラント運転制御方法における蒸気の圧力降下を示す図。第１実施形態の原子力発電プラント運転制御方法における蒸気圧力変動時のリリーフ弁の開閉を示す図。本発明に係る原子力発電プラントの第２実施形態を示す概略系統図。本発明に係る原子力発電プラントの第３実施形態を示す概略系統図。本発明に係る原子力発電プラントの第４実施形態を示す概略系統図。第４実施形態の原子力発電プラント運転制御方法を説明するための図。図７の蒸気加減弁と主蒸気止め弁との弁開度挙動を説明するための図。従来の原子力発電プラントを示す概略系統図。従来の主蒸気止め弁および蒸気加減弁の弁開度状況を説明するための図。

符号の説明

１原子炉圧力容器
２高圧タービン
３組み合せ中間弁
４低圧タービン
５復水器
６主蒸気管
７主蒸気リード管
８圧力ヘッダ
９圧力計
１０主蒸気止め弁
１１蒸気加減弁
１２タービンバイパス弁
１４タービンバイパス管
２０原子炉圧力容器
２１高圧タービン
２２組み合せ中間弁
２３低圧タービン
２４復水器
２５主蒸気管
２６主蒸気リード管
２７圧力ヘッダ
２８圧力計
２９主蒸気止め弁
３０蒸気加減弁
３１タービンバイパス弁
３２タービンバイパス管
３３復水・給水管
３４，３４ａ，３４ｂ蒸気圧力調整装置
３５，３５ａ，３５ｂリリーフ弁
３６，３６ａ，３６ｂオリフィス
３７，３７ａ，３７ｂ蒸気リリーフ管

Claims

原子炉圧力容器と蒸気タービンを接続する主蒸気管に、圧力ヘッダ、主蒸気止め弁および蒸気加減弁を介装させ、前記原子炉圧力容器からの蒸気の流量を前記蒸気加減弁で制御して蒸気タービンに供給し、前記蒸気タービンで動力を発生させ、タービン排気を復水器で凝縮させて前記原子炉圧力容器に戻し、前記原子炉圧力容器からの蒸気を復水器に逃すタービンバイパス管で前記圧力ヘッダと前記復水器とを接続する原子力発電プラントにおいて、
前記圧力ヘッダよりも下流側でかつ前記蒸気加減弁よりも上流側における前記主蒸気管と前記復水器との間をリリーフ弁とオリフィスを備えた蒸気リリーフ管で接続したことを特徴とする原子力発電プラント。