JP5350076B2 - 発電プラント復水系統の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は火力・原子力発電プラントの復水系統の制御装置に係り、特に復水系統内ポンプを可変速運転可能に構成した火力・原子力発電プラントの復水系統の制御装置に関する。

火力・原子力発電プラントの復水系統は、復水器の復水を給水系統経由してボイラあるいは原子炉に給水するために設けられている。この復水系統を構成するポンプは、復水ポンプと、その下流側に配置される復水昇圧ポンプからなり、これを１系統として複数系統が並列に配置されている。また、下流側の復水昇圧ポンプと復水器との間に復水再循環系統が設けられこの系統内に復水再循環弁が設置される。

係る火力・原子力発電プラントの復水系統において、復水系統のポンプはその運転台数制御が行われると共に、復水再循環系統に流れる流量を復水再循環弁にて調整して、復水器内の復水をボイラ・原子炉側に供給している。

このため、例えば並列２系統のポンプを用いて復水を供給する場合を例に考えると、火力・原子力発電プラントの起動過程で定格流量の３０％程度をボイラ、原子炉側に供給する必要がある場合には、前記ポンプを１系統運転し、他の１系統を停止する。しかしこのままでは、５０％の復水流量が供給されてしまい初期の目的を達成し得ないので、ポンプ出口と復水器の間に設置されている復水再循環系統の復水再循環弁を用いて、ポンプ流量の一部の２０％程度を復水器に戻すことで３０％の流量供給を実現する。

特許文献１には、上記のような並列ポンプを備えた復水系統とその制御装置が開示されている。

特開２００１−４１０２号公報

上記従来技術には、火力・原子力発電プラントの大容量ポンプである復水ポンプや復水昇圧ポンプを運転するにあたり省エネルギーの観点から検討する視点に欠けている。

つまり、３０％の流量を供給すべきところ、５０％流量に相当する動力をポンプに費やしておいて、２０％を復水器に戻すようなことは２０％分の動力を無駄にしていることになる。

本発明は、省エネルギーの観点から考慮された火力・原子力発電プラントの復水系統の制御装置を提供することを目的とする。

上記課題は、復水器内の復水を、復水系統から給水系統を経由してボイラあるいは原子炉に供給する発電プラントであって、復水系統と給水系統の間から復水の一部を復水器に循環するための復水再循環系統を備える発電プラント復水系統の制御装置において、復水系統に設けられたポンプ、該ポンプを駆動する可変周波数電源、前記復水系統のポンプの回転数を発電プラントの負荷相当信号により制御すべく前記可変周波数電源の出力を調整する速度制御装置を備えることで達成される。

以上説明したように、本発明によれば復水系統内のポンプ回転数を負荷相当信号に応じて可変に調整するので、復水再循環量を極力低減することができる。この結果、火力・原子力発電プラントの補機動力が少なくてすむので発電プラント効率を高くすることができる。

本発明の一実施形態におけるタービン制御装置関係の制御機能ブロック図である。 本発明の一実施形態における火力・原子力発電プラントの復水系統，電源系統ならびにその制御装置の構成図である。 図１の再循環流量制御側の関数発生器９０９，９１１の関数を示す特性図である。 図１のポンプ制御側の関数発生器９１４，９１６の関数を示す特性図である。 火力・原子力発電プラントの起動過程における推移を示す図。

以下、本発明の一実施形態を、図面を用いて説明する。

図２は、本発明を適用する火力・原子力発電プラントの復水系統とその駆動電力系統の構成を示している。

まず復水系統であるが、復水器１から復水ポンプＣＰ，復水ポンプ出口弁ＣＰＶ，グランド蒸気復水器４，復水昇圧ポンプＣＢＰ，復水昇圧ポンプ出口弁ＣＢＰＶを経由して図示せぬ給水系統に給水する。さらに給水系統手前と復水器１との間に復水再循環系統を儲け、ここに設けられた復水再循環弁８により、適宜復水の一部を復水器１に戻すことができるように構成されている。

ここで、復水ポンプＣＰと復水ポンプ出口弁ＣＰＶから構成される機器群と、復水昇圧ポンプＣＢＰと復水昇圧ポンプ出口弁ＣＢＰＶから構成される機器群はそれぞれ並列に複数系統が設置されており、これらの記号（ＣＰ，ＣＰＶ，ＣＢＰ，ＣＢＰＶ）に付した数値「１」と「２」は第１復水系統と第２復水系統を意味している。なお、この図では復水系統を２系統とした例を示しているが、同様に３系統以上に構成することは容易に行いうる。

次に復水系統の各ポンプの駆動電力系統について説明する。図２では図示を省略しているが、各ポンプにはこれを駆動する電動機が設置されている。駆動電力系統とは電動機への電力供給系統を意味する。図２で、駆動電力系統は母線１１，複数の遮断器ＣＢ，インバータＩＮＶから構成されている。ここで、記号ＣＢに付した数値のうち、上位桁の数値（ＣＢ１２の場合には「１」）の「１」が第１復水系統の駆動電力系統を、２が第２復水系統の駆動電力系統を構成する電力機器であることを意味している。

この図から明らかなように、第１復水系統のポンプ（ＣＰ復水ポンプ１，ＣＢＰ復水昇圧ポンプ１）に対しては、第１の駆動電力系統から給電され、第２復水系統のポンプ（ＣＰ２，ＣＢＰ２）に対しては、第２の駆動電力系統から給電される。

かつ、各ポンプは商用周波数電源と可変周波数電源のそれぞれから給電されるように構成されている。つまり、第１の駆動電力系統の例で説明すると、遮断器ＣＢ１２，ＣＢ１４が閉じられ遮断器ＣＢ１３，ＣＢ１６が開放された状態ではポンプＣＰ１，ＣＢＰ１の駆動電動機は商用周波数の電力を供給されてポンプＣＰ１，ＣＢＰ１を駆動する。また、遮断器ＣＢ１４が開放され遮断器ＣＢ１２，ＣＢ１３，ＣＢ１６が閉じられた状態では、インバータＩＮＶが作動して可変周波数の電力をポンプＣＰ１，ＣＢＰ１の駆動電動機に供給し、復水ポンプＣＰ１，復水昇圧ポンプＣＢＰ１を可変速度に駆動する。

このように、ポンプ（ＣＰ，ＣＢＰ）の駆動電源は、商用周波数電源とインバータＩＮＶからの可変周波数電源に切替可能に使用される。このため、図示しないが商用周波数電源と可変周波数電源との電源切替手段を備えている。なお、この切替論理は適宜採用しえるが、ひとつの有効な使用法として、商用周波数電源をバックアップとして使用することが考えられる。つまり、通常はインバータＩＮＶからの可変周波数電源によりポンプ駆動して高効率運転を実現し、インバータＩＮＶやインバータ制御装置１０の故障等により可変周波数電源が使用不能となった場合には、電源供給ラインをインバータ側から商用周波数電源側へと切替えるものである。

なお、図２では復水系統と駆動電力系統をそれぞれ２系統備える例を示しているが、３系統，４系統の復水系統とすることは容易に行えることである。

以上、図２を用いて火力・原子力発電プラントの復水系統とその駆動電力系統の構成を説明したが、これらを起動，運転，停止して復水流量を適正に制御する制御装置は、ポンプや各種弁の起動や停止に関わる順序制御やプロセス量の制御を行うタービン制御装置９と、インバータＩＮＶの出力制御を行うインバータ制御装置１０から構成される。

タービン制御装置９は、タービン制御装置９に内蔵するあらかじめ決められた順序に従い復水ポンプＣＰ，復水ポンプ出口弁ＣＰＶ，復水昇圧ポンプＣＢＰ，復水昇圧ポンプ出口弁ＣＢＰＶ等の起動や停止を制御する指令１９を出力する。なお、指令１９による操作は火力・原子力発電プラントの運転員による手動制御でも行いうる。

また、タービン制御装置９は、図１を用いて後述するように復水流量検出器７の出力を入力として、ポンプ回転数指令１７と復水再循環弁８の流量制御信号２０を出力する。

インバータ制御装置１０は、タービン制御装置９からのポンプ回転数指令１７に基づきインバータ出力指令１８をそれぞれのインバータＩＮＶ１，ＩＮＶ２に出力して、復水ポンプＣＰ，復水昇圧ポンプＣＢＰの回転数がタービン制御装置９からのポンプ回転数指令１７と同じになるように制御する。

次に、図１によりタービン制御装置９の詳細機能を説明する。タービン制御装置９は、復水流量検出器７の出力を入力し、復水再循環弁８の流量制御信号２０と、インバータ制御装置１０に対するポンプ回転数指令１７を出力する。復水再循環弁８の流量制御信号２０を導出する回路部分が、いわゆる復水再循環弁調整手段を構成している。またインバータ制御装置１０に対するポンプ回転数指令１７を出力する部分が復水ポンプ等の速度制御装置の一部を構成する。なお、復水再循環弁８の流量制御信号２０は切替回路９０５，９０８，９１０，９１２により選択されて与えられる。これら切替回路は、ポンプの運転態様に応じて適宜選択されて最適の制御信号を復水再循環弁８の流量制御信号２０として出力するものであり、復水再循環弁の開度制御特性を変更する特性の変更手段を構成する。また、ポンプの運転態様とは、駆動電源の組合せに応じて決定されている。

以下図１の働きについて詳細に説明するが、その前に切替回路の切替論理を決定するポンプの運転態様について、図２の復水系統が３系統の場合を例にして説明する。

３系統のポンプの運転態様として、可変周波数電源と商用周波数電源を用いる場合の組合せは、以下の１０ケースがある。
（１）０系統運転（全停止）
（２）１系統運転（１系統可変周波数電源）
（３）１系統運転（１系統商用周波数電源）
（４）２系統運転（１系統可変周波数電源，１系統商用周波数電源）
（５）２系統運転（２系統可変周波数電源）
（６）２系統運転（２系統商用周波数電源）
（７）３系統運転（１系統可変周波数電源，２系統商用周波数電源）
（８）３系統運転（２系統可変周波数電源，１系統商用周波数電源）
（９）３系統運転（３系統可変周波数電源）
（１０）３系統運転（３系統商用周波数電源）
この関係をより簡便に整理すると、以下の４タイプになる。

１．全停止状態（ケース（１））
２．起動中の全系統が可変周波数電源（ケース（２）（５）（９））
３．起動中の全系統が商用周波数電源（ケース（３）（６）（１０））
４．可変周波数電源と商用周波数電源による運転（（４）（７）（８））

ポンプの運転態様は、上記１，２，３，４に大別されるが、切替回路９０５，９０８，９１０，９１２はこの運転態様に応じてａ側とｂ側に切替えられる。以下、各運転態様での図１回路の働きについて説明する。

１．全停止状態（ケース１）
１）ポンプ側の制御
全停止状態では、図２の電源系統からの電力供給は行われず、ポンプは停止状態にある。従って、図１回路でインバータ制御装置１０に対する制御信号はインバータを駆動するに有効なものではない。

２）再循環流量制御弁側の制御
切替回路９０５はｂ側に、切替回路９０８はａ側に切替えられて信号発生回路９１５の出力が切替回路９０８，９０５，変化率制限器９０６を経由して流量制御信号２０として復水再循環弁８に与えられる。信号発生回路９１５の信号は復水再循環弁８の全閉を意味する大きさの信号であり、復水ポンプＣＰ，復水昇圧ポンプＣＢＰが全て停止した時には、切替回路９０８および９０５にて強制的に０％信号に切替え、復水再循環弁８を閉じて配管内の落水防止を図る。

２．起動中の全系統が可変周波数運転（ケース（２）（５）（９））
全台数を可変周波数電源で運転するために最も効率が高い運転であることから、火力・原子力発電プラントの各種運転の中で最も採用機会の多いのがこの運転態様と考えられる。

１）ポンプ側の制御
復水流量検出器７の出力を平方根演算回路９０１にて平方根演算し、この信号を関数発生器９１４，９１６に与え、ポンプ回転数プログラム信号９５８，９５９を得る。それぞれの信号は変化率制限器９１３，９１５，インバータ制御装置１０を経由して復水系統内の各ポンプのポンプ回転数を制御する。

図４は、関数発生器９１４，９１６の関数を示している。このうち、関数発生器９１４の関数を図４（ａ）に示す。この関数は、運転中の第一復水系統内ポンプに与える制御信号を作成する。この関数は横軸の流量信号が０％から５０％の範囲でそれぞれ０％から１００％の出力（ポンプ回転数の設定信号）を与える。

関数発生器９１６の関数を図４（ｂ）に示す。この関数は、運転中の第二復水系統内ポンプに与えられる関数である。この関数は横軸の流量信号が５０％から１００％の範囲でそれぞれ０％から１００％の出力（ポンプ回転数の設定信号）を与える。なお、関数発生器９１６が稼動しているときには関数発生器９１４と組合せて使用される。

以上の説明から理解できるように、０％から１００％に至る給水流量の全範囲において、２系統のポンプを可変速度に運転するための一つの手法として、０％から５０％までの運転を第一復水系統の第一のポンプが賄い、５０％から１００％の範囲では追加起動された第二復水系統の第二のポンプとともに流量供給を行う。

全ての復水系統が可変速度運転される態様では、復水系統のポンプ回転数制御自体により無駄のない最適流量が給水系統側に供給されているはずであるが、このときに再循環系統側は以下のように運転されるのが望ましい。

２）再循環流量制御弁側の制御
この運転態様では切替回路９０５，９０８がｂ側を選択しており、切替回路９１０がａ側を選択することで、関数発生器９０９の信号９５６により復水再循環弁８が操作される。関数発生器９０９の関数は、図３（ａ）に示すように復水流量が多いほど復水再循環弁８の開度を絞り再循環量を減らすものであり、これによりポンプ回転数が低い領域でのポンプ保護の観点から再循環量を確保していることがわかる。

ここで、ポンプ制御側において、復水流量に応じて回転数制御を行うことの意味するところについて説明する。まず火力・原子力発電プラントにおける負荷制御は、ボイラの場合であれば、ボイラ制御装置が負荷要求信号に基づいて所望の電力量を得るべく燃料量，給水流量，発生蒸気流量等を適宜制御している。また原子力発電プラントであれば、これらに加えて原子炉再循環流量なども操作の対象となる。

このうち給水流量についてみると、発電プラントに対する負荷要求信号に応じて給水ポンプの回転数や運転台数が制御されてボイラに送る給水流量を決定している。そのため、給水系統の上流側にある復水系統での制御の役割は給水系統側での制御に追従して過不足なく流量（復水流量）を提供することであって、復水系統側が主体的に流量を決定する訳ではないということである。

本発明では、復水ポンプを可変周波数電源で駆動することにより火力・原子力発電プラントの効率向上を図るに当り、復水系統を如何に操作すべきか検討した結果、給水系統と復水系統での役割を考慮のうえ、発電プラントの負荷に相当する信号に追従して復水ポンプの回転数を決定することで全体のバランスを図ったものである。

従って、図１の実施例では復水流量に追従して回転数制御することにしたが、負荷に相当する信号として各種のものを採用しえることは言うまでもない。例えば、火力・原子力発電プラントの負荷指令系統からの信号として、負荷要求信号，給水要求信号，発電機の出力量信号等のほかに制御された各プロセス量が負荷相当信号として、図１の実施例の復水流量の代わりに適用し得る。

尚、これらの信号を使用するに当り、負荷相当信号と復水流量との関係に応じて、適宜の補正（制御ゲインとか，遅れ，進み等）を施すべきことは言うまでもない。

この結果、本発明においては、上記のようにポンプ側を制御する結果として、ポンプ動力は負荷相当信号に応じた適正量に制御され、再循環される水量をポンプ特性の観点からの最少量に抑制することができるため、システム全体としての効率を高くすることができる。

３．起動中の全系統が商用周波数電源（ケース（３）（６）（１０））
１）ポンプ側の制御
この運転状態は、従来の運転と変わるところがない。運転状態が商用周波数電源によるものであるために、図１のポンプ回転数制御側のインバータ制御装置１０は、インバータＩＮＶに対する一切の制御を行っていない。

２）再循環流量制御弁側の制御
このとき再循環系統制御側は、復水系統のポンプが１００％流量に相当する動力で運転しているために、給水系統側の欲する流量との差分を復水器１に再循環する制御を行っている。この方式は従来方式を適用すればよいが、一例をあげれば以下のように行われる。

復水流量検出器７から入力される復水流量を平方根演算回路９０１にて平方根演算し、一時遅れ回路９０２を通って復水再循環流量プロセス値９５１を導出する。他方、復水再循環流量設定信号発生器９０７は再循環量の設定信号９５４を与えており、減算器９０３により復水再循環流量偏差信号９５２を算出し、復水再循環流量偏差信号９５２を比例積分演算器９０４により比例積分演算を行って復水再循環流量制御信号９５３を作成する。この運転態様では、切替回路９０５はａ側を選択しており、この結果復水再循環流量制御信号９５３は切替回路９０５，変化率制限器９０６を通った後、流量制御信号２０となり、復水再循環弁８を開閉する。本回路方式によれば、復水再循環流量設定信号発生器９０７の信号により再循環量が決定され、結果として所望の給水量が実現される。

４．可変周波数電源と商用周波数電源による運転（（４）（７）（８））
１）ポンプ側の制御
この運転態様は、図４に示した２つの関数発生器９１４，９１６のいずれかを使用することで実現される。

この場合の手法には２通りが考えられ、第１の手法は、図４（ａ）の関数を用いて第一復水系統のポンプを０％負荷から可変速度に起動し、５０％負荷になった時点で第二復水系統のポンプを商用周波数電源で駆動すべく遮断器操作を行う。第２の手法はまず、第一復水系統のポンプを０％負荷時点で商用周波数電源で駆動すべく遮断器投入操作を行い、その後関数発生器９１６の出力を利用して５０％から１００％の範囲で第二復水系統のポンプを可変速度に制御するというものである。

２）再循環流量制御弁側の制御
次にこのときの再循環流量制御弁側の制御についてみると、切替回路９０５，９０８，９１０ともにｂ側を選択しており、関数発生器９１１の信号９５７により再循環量を決定している。ここで、信号９５７は図３（ｂ）の特性のものであり、流量が５０％超の領域での再循環流量を適宜の一定量確保することにしている。

なお、図１の実施例ではモニタリレー９１７を設置し、必要最小量が確保された場合には、切替回路９０５，９０８，９１０，９１２を切替えて信号発生回路９１５の信号を選択し、再循環流量の目標値を０％とする運転に切替える。

以上詳細に各運転態様での図１回路による制御手法を説明したが、この結果として行われる制御量の時系列的推移を説明する。

図５は、火力・原子力発電プラントの起動過程での各種プロセス量（復水ポンプＡの回転数，復水ポンプＢの回転数，再循環制御弁開度）の推移を示している。

まず図５（ａ）は、先ほど説明の「起動中の全系統が可変周波数運転（ケース（２）（５）（９））」のケースであり、１台目の復水ポンプＡが復水流量に応じて可変速度に立ち上がり、その後５０％負荷以上の状態では２台目の復水ポンプＢも復水流量に応じて可変速度に立ち上がる。この間再循環弁の開度は関数発生回路９０９の関数（図３（ａ））に応じて１００％負荷では全閉すべく操作される。

図５（ｂ）は、「可変周波数電源と商用周波数電源による運転（（４）（７）（８））」の第１の手法のケースであり、１台目の復水ポンプＡが復水流量に応じて可変速度に立ち上がり、その後５０％負荷以上の状態では２台目の復水ポンプＢが商用周波数電源に投入されて起動される。この間再循環弁の開度は関数発生回路９１１の関数（図３（ｂ））に応じて復水ポンプＢの必要最小量が確保された場合には全閉すべく操作される。

図５（ｃ）は、「可変周波数電源と商用周波数電源による運転（（４）（７）（８））」の第２の手法のケースであり、１台目の復水ポンプＡが商用周波数電源に投入されて起動され、その後５０％負荷以上の状態では２台目の復水ポンプＢが復水流量に応じて可変速度に立ち上がる。この間再循環弁の開度は関数発生回路９１１の関数（図３（ｂ））に応じて１００％負荷では全閉すべく操作される。

図５（ｄ）は、「起動中の全系統が商用周波数電源（ケース（３）（６）（１０））」のケースであり、１台目の復水ポンプＡが商用周波数電源に投入されて起動され、その後５０％負荷以上の状態で２台目の復水ポンプＢが商用周波数電源に投入されて起動される。この間再循環弁の開度は復水再循環流量設定信号発生器９０７の信号９５４に再循環流量を調整すべく自動制御される。従って、いかなる負荷状態においても再循環が行われる。この図５（ｄ）は、従来方式のときの制御結果であり、本発明の場合との相違は明白である。

述べたように、本発明では、複数の復水系統を並列運転するときに系統内のポンプを可変速度に制御可能とし、かつその回転数を負荷相当信号によって制御することにした。

１ 復水器
７ 復水流量検出器
８ 復水再循環弁
９ タービン制御装置
１０ インバータ制御装置
１１ 母線
１７ ポンプ回転数指令
１８ インバータ出力指令
２０ 流量制御信号
９０５，９０８，９１０，９１２ 切替回路
９０９，９１１，９１４，９１６ 関数発生器
ＣＰ 復水ポンプ
ＣＢＰ 復水昇圧ポンプ
ＩＮＶ インバータ
ＣＢ 遮断器

Claims (1)

1. 復水器内の復水を、復水系統から給水系統を経由してボイラあるいは原子炉に供給する
   発電プラントであって、復水系統と給水系統の間から復水の一部を復水器に循環するため
   の復水再循環系統を備え、前記復水系統は複数台の復水ポンプが並列配置され、復水再循
   環系統には復水再循環弁が設置されて構成された発電プラント復水系統の制御装置におい
   て、
   復水系統の復水ポンプを駆動する可変周波数電源，復水系統の復水ポンプを駆動する商
   用周波数電源，復水系統のポンプの駆動電源として可変周波数電源と商用周波数電源のい
   ずれかを選択する電源選択手段、前記復水系統のポンプの回転数を発電プラントの負荷相
   当信号により制御すべく前記可変周波数電源の出力を調整する速度制御装置，復水系統か
   らの復水流量に応じて前記復水再循環弁の開度を調整する復水再循環弁調整手段，複数台
   の復水ポンプの駆動電源の組合せに応じて前記復水再循環弁調整手段の特性を変更する変
   更手段を備えた発電プラント復水系統の制御装置。

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