JP4624255B2

JP4624255B2 - タービン制御装置

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Publication number: JP4624255B2
Application number: JP2005373011A
Authority: JP
Inventors: 有亮河野; 孝戸村; 真太郎辻
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2005-12-26
Filing date: 2005-12-26
Publication date: 2011-02-02
Anticipated expiration: 2025-12-26
Also published as: JP2007170359A

Description

本発明は、原子力発電プラントにおいて、タービン速度、及び負荷設定値から得られる負荷要求信号により、原子炉で発生した蒸気の圧力信号を自動的に調整するタービン制御装置に関する。

原子力発電プラントにおける発電出力の調整は、主に原子炉出力を調整する再循環流量制御と、タービンに供給する蒸気量を制御することにより発電機の出力を制御するタービン制御とにより行っている。また、原子力発電プラントでは、通常運転中においては、原子炉圧力として所定の圧力を設定し、この所定圧力を保つように原子炉で発生した蒸気の圧力を制御する。

図２は、原子力発電プラントにおける蒸気タービン制御系統を示す系統図である。図２を参照して蒸気タービン制御系統の動作を説明する。

原子炉１１で発生した蒸気は、主蒸気止め弁１２を通り、蒸気加減弁１３にて流量を制御され、高圧タービン１７に流入する。そして、中間蒸気止め弁１４、インターセプト弁１５を通り、低圧タービン１８にてタービンに作用した後、復水器２０にて復水され、原子炉１１に戻り、回収される。

次に、タービン制御装置１０の動作を説明する。タービン制御装置には、原子炉圧力を制御する圧力制御系と、タービン速度を制御する速度制御系の２つがある。圧力制御系６は、主蒸気圧力検出器２１で検出した、原子炉１１で発生する蒸気の圧力である圧力信号Ｓ６を入力し、入力した圧力信号Ｓ６を基に原子炉１１で発生した蒸気流量である全蒸気流量信号Ｓ７を算出する。また、速度制御系７は、速度検出器２２で検出したタービン速度Ｓ９を入力し、速度要求信号Ｓ１０を算出する。更に、負荷設定８により設定された負荷設定信号Ｓ１１と前記速度要求信号Ｓ１０を加算し、負荷要求信号Ｓ５を生成する。

前記全蒸気流量信号Ｓ７と前記負荷要求信号Ｓ５は、低値選択回路９で比較され、値の低い信号が開度要求指令Ｓ１２として出力される。開度要求指令Ｓ１２は、蒸気加減弁１３の開度を調節し、タービンに流入する蒸気流量を制御する。

一方、タービン制御装置１０は、負荷要求信号Ｓ５と全蒸気流量信号Ｓ７との偏差である負荷要求偏差信号Ｓ８を、再循環流量制御装置２３に出力する。

次に、再循環流量制御装置２３の動作を説明する。再循環流量制御装置２３には、タービン制御装置１０から出力される負荷要求偏差信号Ｓ８で再循環流量ポンプ２４を制御する“自動”運転モードと、再循環流量制御装置２３内に予め設定した値で再循環流量ポンプ２４を制御する“手動”運転モードがある。再循環流量制御装置２３は、“自動”運転モードの時、前記負荷要求偏差信号Ｓ８を取り込み、それに従って再循環流量ポンプ２４を駆動してポンプの回転数を変更することで、原子炉再循環流量を増減させて原子炉１１の出力を制御する。通常、“自動”運転モード時は、負荷要求偏差信号Ｓ８が“０”になるように再循環流量ポンプを制御している。従って、全蒸気流量信号Ｓ７又は負荷要求信号Ｓ５に何らかの変動が発生すると、結果として負荷要求偏差が生じ、再循環流量制御装置２３では、その変動を抑える方向に再循環流量ポンプを駆動する。一方、“手動”運転モードの時は、前記負荷要求偏差信号Ｓ８は用いず、再循環流量制御装置２３が単独で再循環流量ポンプ２４の回転数を変更することで、原子炉１１の出力を制御する。

ここで、前記再循環流量制御装置２３が“自動”運転モードの時は、系統周波数、及び負荷の変動に対してタービン出力、及び原子炉出力を高速に応答させるために、再循環流量制御自動信号Ｓ４の“オン”信号をタービン制御装置１０に送り、圧力設定点変更回路１を機能させる。

圧力設定点変更回路１は、前記負荷要求信号Ｓ５を入力して遅れ特性を持つ圧力設定点変更信号Ｓ３を算出し、圧力信号Ｓ６に加算して圧力制御系６へ入力する。また、圧力設定点変更信号Ｓ３は、フィードフォワード回路５を経て、負荷要求偏差信号Ｓ８に加算する。このように、圧力信号Ｓ６が変化することにより、前記蒸気加減弁１３の開度要求指令Ｓ１２が変化し、タービンに流入する蒸気流量が制御され、タービンは高速に応答する。また、負荷要求偏差信号Ｓ８が変化することにより、前記再循環流量制御装置２３により原子炉再循環流量が制御され、原子炉１１は高速に応答する。

図９に従来の圧力設定点変更回路の構成を示す。圧力設定点変更回路１は、圧力設定点変更関数演算部３１と切替回路３で構成する。圧力設定点変更関数演算部３１で演算される圧力設定点変更関数は、図９のブロック内に示す伝達関数で表され、負荷要求信号Ｓ５を入力して演算し、圧力設定点変更関数出力信号Ｓ１３を算出する。切替回路３は、再循環流量制御装置２３が“自動”運転モードの時、すなわち再循環流量制御自動信号Ｓ４が“オン”の時は、圧力設定点変更信号Ｓ３として圧力設定点変更関数出力信号Ｓ１３の値を出力し、再循環流量制御自動信号Ｓ４が“オフ”の時は圧力設定点変更信号Ｓ３として “０”を出力するように切り替える。

特許文献１には、蒸気加減弁の開度を検出して得られる蒸気加減弁開度信号と、蒸気加減弁における蒸気流量を検出して得られる蒸気流量信号から、蒸気加減弁の開度と蒸気流量の関係の非線形性を補正する補正量を生成し、蒸気加減弁開度調整信号に加算することにより、安定した運転を行えるようにした原子炉の圧力制御装置の例についての開示がある。
特開２００５−１８９０１６号公報

従来の圧力設定点変更回路の構成では、圧力設定点変更関数演算部が負荷要求信号の変動に応じて常時演算を実行しているため、圧力設定点変更関数の演算途中に再循環流量制御自動信号が“オン”になると、圧力設定点変更関数演算部の後ろに設置してある切替回路は、演算途中である圧力設定点変更関数出力信号を圧力設定点変更信号として出力し、圧力信号及び負荷要求偏差信号に加算するため、系統に対して外乱となる可能性がある。

また、圧力設定点変更関数の演算途中に再循環流量制御自動信号が”オフ“になると、切替回路は出力を”０“に切り替えるため、圧力信号及び負荷要求偏差信号はステップ的に負の方向に変化する。従って、そのステップ的な変化が系統に対して外乱となる可能性がある。

本発明の目的は、原子力発電プラントのタービン制御装置において、負荷要求信号の急な変動や、再循環流量制御自動信号のオン／オフ切り替えに伴う圧力設定点変更信号の変動を抑制することで、系統に対する影響を抑制できる、圧力設定点変更回路を備えたタービン制御装置を提供することである。

本発明による圧力設定点変更回路は、入力信号に一次遅れ要素を持つインパルス応答特性を与え、再循環流量制御自動信号が”オフ”の場合にはその出力を”０“に切り替えて出力する前段関数演算部と、再循環流量制御自動信号が”オン“の場合は前段関数演算部の出力に、”オフ“の場合は”０“に切り替えて出力する切替回路と、入力信号に一次遅れ要素を持つインディシャル応答特性を与えて出力する後段関数演算部とを直列に構成する。ここで、インパルス応答特性を表すグラフを図７に、インディシャル応答特性を表すグラフを図８に示す。

このように構成することで、再循環流量制御装置の運転モードの変更時において、圧力設定点変更回路の出力信号の変動を抑制することができ、系統に対して外乱を与えることを避けることが可能になる。

本発明によると、前段関数演算部は、再循環流量制御自動信号が“オン”となってから負荷要求信号の変動に応じて演算値を出力するため、圧力設定点変更信号は、“オン”となる前の負荷要求信号の変動による影響を受けない。従って、再循環流量制御自動信号が“オン”となる時の系統に対する外乱をなくすことができる。また、後段関数の特性により、圧力設定点変更信号は常に一次遅れ要素を持つため、再循環流量制御自動信号が“オフ”となる場合にも、圧力設定点変更信号は、ステップ的な変化をしない。従って、系統に対する外乱としての影響を抑制することができる。

以下、本発明の一実施の形態を、図１〜図８を参照して説明する。この図１〜図８において、背景技術の欄で説明した図９に対応する部分には同一符号を付し、その詳細説明は省略する。

図１に、本例による圧力設定点変更回路１の構成例を示す。本例では、前段関数演算部２と、切替回路３と、後段関数演算部４を直列に構成する。図１において、圧力設定点変更回路１へは、速度制御系７から出力される速度要求信号Ｓ１０に、負荷設定８により設定された負荷設定信号Ｓ１１を加算した負荷要求信号Ｓ５と、再循環流量制御装置２３から出力される再循環流量制御自動信号Ｓ４の２つの信号を入力する。圧力設定点変更回路１は、これらの入力信号を基に圧力設定点変更信号Ｓ３を算出し、圧力信号Ｓ６に加算して圧力制御系６へ受け渡す。圧力制御系６では、入力された圧力信号Ｓ６を基に原子炉で発生した蒸気の流量である全蒸気流量信号Ｓ７を算出し、前記負荷要求信号Ｓ５と比較して値の低い信号が開度要求指令Ｓ１２として蒸気加減弁１３の開度を制御し、タービンに流入する蒸気量を調整する。また同時に、圧力設定点変更回路１にて算出した圧力設定点変更信号Ｓ３は、フィードフォワード回路５に渡されて演算された後、負荷要求偏差信号Ｓ８に加算し、再循環流量制御装置２３へ受け渡す。再循環流量制御装置２３が“自動”運転モードの時は、入力された負荷要求偏差信号Ｓ８に従って再循環流量ポンプ２４を制御し、原子炉１１の出力を制御する。フィードフォワード回路５は、図１に示すように、［Ｋ（１＋Ｔ₄Ｓ）］／（１＋Ｔ₃Ｓ）の演算を行う。

次に、本例の圧力設定点変更回路１を構成する前段関数演算部２について説明する。前段関数演算部２で演算される前段関数は、図１のブロック内に示すように伝達関数1−［１／（１＋Ｔ₁Ｓ）］で表され、負荷要求信号Ｓ５を入力して一次遅れ要素を持つインパルス応答特性を与え、その演算結果を前段関数出力信号Ｓ１として出力する。また、前段関数演算部２は、再循環流量制御自動信号Ｓ４を取り込み、再循環流量制御自動信号Ｓ４が”オン”の時は、前段関数出力信号Ｓ１として前段関数演算部２の演算値を出力し、再循環流量制御自動信号Ｓ４が“オフ”の時は、前段関数出力信号Ｓ１として“０”を出力するよう切り替える。

次に、切替回路３について説明する。切替回路３は、前段関数演算部２から前段関数出力信号Ｓ１を入力し、再循環流量制御自動信号Ｓ４のオン／オフに応じて出力を切り替える。再循環流量制御自動信号Ｓ４が”オン”の時は、切替回路出力信号Ｓ２として前段関数演算部２から入力した前段関数出力信号Ｓ１を出力し、再循環流量制御自動信号Ｓ４が“オフ”の時は、切替回路出力信号Ｓ２として“０”を出力するよう切り替える。

次に、後段関数演算部４について説明する。後段関数演算部４で演算される後段関数は、図１のブロック内に示すように伝達関数Ｋ／（１＋Ｔ₂Ｓ）で表され、切替回路３から切替回路出力信号Ｓ２を入力し、一次遅れ要素を持つインディシャル応答特性を与え、その演算結果を圧力設定点変更信号Ｓ３として出力する。ここで、インパルス応答特性を表すグラフを図７に、インディシャル応答特性を表すグラフを図８に示す。

図３に、再循環流量制御自動信号Ｓ４が“オフ”から“オン”になった場合の、本例の圧力設定点変更回路による信号出力例を示す。ここでは、ステップ状に増加する負荷要求信号Ｓ５が本例の圧力設定点変更回路１に入力された場合の、負荷要求偏差信号Ｓ８、圧力設定点変更信号Ｓ３、切替回路出力信号Ｓ２、前段関数出力信号Ｓ１の状態を示す。ｔ_０は負荷要求信号Ｓ５がステップ状に変化した時点、ｔ_１は再循環流量制御自動信号Ｓ４が“オフ”から“オン”となった時点、ｔ_２は再び負荷要求信号Ｓ５がステップ状に変化した時点を表す。なお、負荷要求信号Ｓ５はアナログ値であり、再循環流量制御自動信号Ｓ４は、オン／オフを表す。

本例では、前段関数演算部２は、ｔ_１で再循環流量制御自動信号Ｓ４が“オン”となるまでは、前段関数出力信号Ｓ１として“０”を出力する。そのため、ｔ_０における負荷要求信号Ｓ５の変化に関しては、演算処理をしない。前段関数演算部２は、ｔ_１で再循環流量制御自動信号Ｓ４が“オン”となった後出力を切り替え、その後、ｔ_２で負荷要求信号Ｓ５が変化すると、その変化に応じた値を取り込んで演算し、その演算結果を前段関数出力信号Ｓ１として出力する。

切替回路３は、ｔ_１で再循環流量制御自動信号Ｓ４が“オン”となるまでは、切替回路出力信号Ｓ２として“０”を出力し、ｔ_１でその出力を前段関数演算部２の演算値に切り替える。そのため、ｔ_１以降は、切替回路出力信号Ｓ２は、前段関数出力信号Ｓ１と同値となる。

後段関数演算部４は、切替回路出力信号Ｓ２に応じて演算を実行し、圧力設定点変更信号Ｓ３として出力する。図３に示すように、切替回路出力信号Ｓ２がｔ_２で発生した負荷要求信号Ｓ５のステップ状の変化に対して垂直に立ち上がっているのに対し、後段関数演算部４での演算により、一次遅れ要素を持つインディシャル応答特性を与えて出力する圧力設定点変更信号Ｓ３は、なだらかに増加している。

また、負荷要求偏差信号Ｓ８は、負荷要求信号Ｓ５と圧力信号から算出された全蒸気流量信号Ｓ７との偏差であるが、ここに圧力設定点変更信号Ｓ３をフィードフォワード回路５に入力して演算した値を加算する。ｔ_１で再循環流量制御自動信号Ｓ４が“オン”になる、つまり、再循環流量制御装置２３が“自動”運転モードになると、この負荷要求偏差信号Ｓ８を基に再循環流量ポンプ２４を制御する。

図４は、図３と同じ条件下での従来の圧力設定点変更回路の構成による、再循環流量制御自動信号Ｓ４が“オフ”から“オン”になった場合の信号出力例を示す。ここでは、負荷要求偏差信号Ｓ８、圧力設定点変更信号Ｓ３、圧力設定点変更関数出力信号Ｓ１３の状態を示す。

従来は、圧力設定点変更関数演算部３１（図９）が負荷要求信号Ｓ５の変動に応じて常時演算を実行しているため、ｔ_０における負荷要求信号Ｓ５の変動に対しても演算を実行し、圧力設定点変更関数出力信号Ｓ１３の値も変化する。

切替回路３は、ｔ_１で再循環流量制御自動信号Ｓ４が“オン”になると、出力を“０”から圧力設定点変更関数出力信号Ｓ１３に切り替える。そのため、切替回路３の出力である圧力設定点変更信号Ｓ３は、ｔ_１で圧力設定点変更関数演算部３１が演算途中であると、“０”から演算中の値にステップ的に変化した値となって出力される。その結果、圧力設定点変更信号Ｓ３の影響を受けて、負荷要求偏差信号Ｓ８も変化する。

また、従来の圧力設定点変更関数演算部３１は、ｔ_２における負荷要求信号Ｓ５の変動に対しても演算を行うため、圧力設定点変更信号Ｓ３として、ｔ_１における演算結果の影響も含み、更に大きく変動して出力する。結果として、圧力設定点変更信号Ｓ３の影響を受けた負荷要求偏差信号Ｓ８の値が増減する、不安定な制御となる。従って、これが系統に対する外乱となる場合が生じていた。

図５は、本例の圧力設定点変更回路による他の信号出力例を示す。ここでは、ステップ状に増加する負荷要求信号Ｓ５が本例の圧力設定点変更回路１に入力された後、再循環流量制御自動信号Ｓ４が“オン”から“オフ”になった場合の負荷要求偏差信号Ｓ８、圧力設定点変更信号Ｓ３、切替回路出力信号Ｓ２、前段関数出力信号Ｓ１の状態を示す。ｔ_０は負荷要求信号Ｓ５がステップ状に変化した時点、ｔ_１は再循環流量制御自動信号Ｓ４が“オン”から“オフ”となった時点を表す。

ｔ_０で負荷要求信号Ｓ５がステップ状に変化したのを受け、前段関数演算部２がその変化に応じた値を取り込んで演算を行い、その演算結果である前段関数出力信号Ｓ１が切替回路出力信号Ｓ２となる。その切替回路出力信号Ｓ２を基に後段関数演算部４が演算を行い、一次遅れ特性を表す圧力設定点変更信号Ｓ３が出力される。

ｔ_１で再循環流量制御自動信号Ｓ４が“オフ”となると、前段関数出力信号Ｓ１と切替回路出力信号Ｓ２は”０“となる。この切替回路出力信号Ｓ２のステップ的な変化に対して、後段関数演算部４は一次遅れ特性を持つ圧力設定点変更信号Ｓ３を演算し出力するため、信号のステップ的な変化は抑制される。更に、圧力設定点変更信号Ｓ３が作用する負荷要求偏差信号Ｓ８も一時遅れ特性を表すため、系統に対する影響も抑制される。

図６は、図５と同じ条件下での従来の圧力設定点変更回路の構成による、再循環流量制御自動信号Ｓ４が“オン”から“オフ”になった場合の信号出力例を示す。ここでは、負荷要求偏差信号Ｓ８、圧力設定点変更信号Ｓ３、圧力設定点変更関数出力信号Ｓ１３の状態を示す。

ｔ_１で再循環流量制御自動信号Ｓ４が“オフ”となると、切替回路３が出力を切り替え、圧力設定点変更信号Ｓ３は“０”となる。このため、圧力設定点変更信号Ｓ３の影響を受けて、圧力信号Ｓ６、負荷要求偏差信号Ｓ８もステップ的に変化するため、結果的に原子炉出力を急峻に変化させることになり、系統にも影響を与えることとなる。

上記説明したように、本例の圧力設定点変更回路では、負荷要求信号のステップ的な変化や、再循環流量制御自動信号のオン／オフ切り替えに伴う圧力設定点変更信号の変動を抑制し、安定した運転を行うことができる。

本発明の一実施の形態による圧力設定点変更回路の構成例を示す構成図である。本発明の一実施の形態によるタービン制御系統例を示す系統図である。本発明の一実施の形態による信号出力例（１）を示す説明図である。従来の一実施の形態による信号出力例（２）を示す説明図である。本発明の一実施の形態による信号出力例（３）を示す説明図である。従来の一実施の形態による信号出力例（４）を示す説明図である。インパルス応答特性を説明するための特性図である。インディシャル応答特性を説明するための特性図である。従来の圧力設定点変更回路の構成例を示す構成図である。

符号の説明

１…圧力設定点変更回路、２…前段関数演算部、３…切替回路、４…後段関数演算部、５…フィードフォワード回路、６…圧力制御系、７…速度制御系、８…負荷設定、９…低値選択回路、１０…タービン制御装置、１１…原子炉、１２…主蒸気止め弁、１３…蒸気加減弁、１４…中間蒸気止め弁、１５…インターセプト弁、１６…タービンバイパス弁、１７…高圧タービン、１８…低圧タービン、１９…発電機、２０…復水器、２１…主蒸気圧力検出器、２２…速度検出器、２３…再循環流量制御装置、２４…再循環流量ポンプ、３１…圧力設定点変更関数演算部、Ｓ１…前段関数出力信号、Ｓ２…切替回路出力信号、Ｓ３…圧力設定点変更信号、Ｓ４…再循環流量制御自動信号、Ｓ５…負荷要求信号、Ｓ６…圧力信号、Ｓ７…全蒸気流量信号、Ｓ８…負荷要求偏差信号、Ｓ９…タービン速度、Ｓ１０…速度要求信号、Ｓ１１…負荷設定信号、Ｓ１２…開度要求指令、Ｓ１３…圧力設定点変更関数出力信号

Claims

主蒸気圧力、タービン速度及び負荷設定値から負荷要求信号を求め、タービンへの流入蒸気流量を調節してタービン出力を制御するタービン制御装置において、
前記タービン速度及び前記負荷設定値より算出される負荷要求信号を入力し、一次遅れ要素を持つインパルス応答特性を与えて出力する前段関数演算部と、
前記前段関数演算部の出力を入力し、原子炉の再循環流量を制御する再循環流量制御装置の運転モードに応じて出力を切り替える切替回路と、
前記切替回路の出力を入力し、一次遅れ要素を持つインディシャル応答特性を与えて出力する後段関数演算部を有する、
圧力設定点変更回路を備えるタービン制御装置。
請求項１記載のタービン制御装置において、
前記前段関数演算部は、前記再循環流量制御装置の運転モードに応じて出力を切り替えることを特徴とするタービン制御装置。
タービン速度及び負荷設定値に基づいて関数演算部により原子炉の再循環流量を制御するタービン制御装置において、
前記原子炉の再循環流量を制御する再循環流量制御装置の自動運転モードがオフの場合は、一次遅れ要素を持つ応答特性で演算する関数演算部への入力信号を０とし、前記原子炉の再循環流量を制御する再循環流量制御装置の自動運転モードがオンに切り替わった場合は、前記タービン速度及び前記負荷設定値から算出した負荷要求信号を前記関数演算部により一次遅れ要素を持つ応答特性で演算し、圧力制御系へ出力する圧力設定点変更回路を有することを特徴とするタービン制御装置。
請求項３に記載のタービン制御装置において、
前記圧力設定点変更回路は、前記原子炉の再循環流量を制御する再循環流量制御装置の自動運転モードがオンからオフに切り替わった場合は、一次遅れ要素を持つ応答特性で演算する関数演算部への入力信号を前記負荷要求信号から０へ切り替え、前記入力信号に基づいて前記関数演算部により一次遅れ要素を持つ応答特性で演算し、圧力制御系へ出力することを特徴とするタービン制御装置。