JP5384089B2 - 原子炉再循環流量制御装置及び制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、原子力発電所において、原子炉出力を調整するための原子炉再循環流量制御及びその制御方法に関する。

一般に、原子力発電所において、原子炉には、複数のＲＩＰ、原子炉給水ポンプ、制御棒駆動機構（ＦＭＣＲＤ）、及び気水分離器等が備えられている。そして、原子炉の熱出力を調整するため、冷却材（例えば、水）の原子炉再循環流量を制御することが行われている。

そして、原子炉の熱出力を上昇させるためには、原子炉再循環ポンプ（以下ＲＩＰと呼ぶ）の速度を上昇させている。一方、原子炉給水ポンプ等の各種機器の不調に起因して、所謂ランバック信号が発生すると、ＲＩＰの速度を予め規定された最低速度にランバックさせて原始炉の熱出力を下げている。

上述のランバックには、通常ランバックと高速ランバックとがあり、気水分離器性能制限に対しては通常ランバックが実行され、原子炉給水ポンプのトリップに応じて予備機を起動した際に予備機が起動しないと、高速ランバックが実行される。また、複数のＲＩＰのうち所定の台数のＲＩＰが停止すると（例えば、４台以上のＲＩＰの停止）、高速ランバックが実行される。また、制御棒駆動機構がランイン（制御棒の挿入）されると、高速ランバックが実行される。

上述のように、各種機器の不具合等によって各種ランバック信号が発生するが、いずれのランバック信号が発生しても、ＲＩＰの速度を最低速度に低下させている。例えば、ＲＩＰ速度が１００％であった際に、ランバックが発生すると、３０％のＲＩＰ速度に低下させている。

一方、原子炉において原子炉給水ポンプがトリップしたときにＲＩＰの速度を最低速度にランバックさせた際に、給水流量の不足に起因する原子炉水位の急激な低下によって原子炉が緊急停止してしまう事態に対処するため、給水ポンプ監視部から出力された給水ポンプ容量不足信号に応じてＲＩＰの流量を低下させ、給水ポンプ容量不足信号に応じて制御棒を炉心に時間差をつけて挿入するようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。
特開２００７−５７２４９号公報

上述したように、各種ランバック信号が発生した際には、各種機器の保護のために、ＲＩＰの速度を低下させているが、ランバック信号の種類に拘らず、ＲＩＰは常に最低速度に低下してしまう。つまり、炉心への冷却材循環流量は最低限となってしまう。このため、不可避的に原子炉の熱出力が、ランバック信号の種類に拘らず、低下してしまうことになる。

ところが、機器の不具合によっては、ＲＩＰを最低速度まで低下させなくてもよい場合があり、ランバック信号の種類に拘らずＲＩＰを最低速度にしてしまうと、不必要に原子炉の熱出力を低下させてしまう課題がある。

本発明は、各種機器の状況（つまり、ランバック信号の種類）に応じてＲＩＰの速度を制御して、原子炉の熱出力を調整することのできる原子炉再循環流量制御装置及び制御方法を提供することを目的とする。

（１） 本発明は、原子炉の炉心に冷却材を循環する少なくとも１台の再循環ポンプを備え、前記原子炉からの熱出力に応じて発電を行う原子力発電システムに用いられ、前記再循環ポンプの回転速度を制御する原子炉再循環流量制御装置であって、前記原子炉に関する各種機器毎に、ランバックの際の前記再循環ポンプの回転速度が設定回転速度として設定されたメモリ手段と、前記原子炉に関する各種機器の運転状況に応じてランバック信号を受けた際、当該ランバック信号に対応する機器の設定回転速度を前記メモリ手段から読み出して、該設定回転速度に応じて前記再循環ポンプを運転制御する制御手段とを有することを特徴とするものである。

（１）に記載の原子炉再循環流量制御装置では、ランバックの際の再循環ポンプの回転速度を予め設定回転速度として設定し、原子炉に関連する各種機器の運転状況に応じたランバック信号を受けた際、当該ランバック信号に対応する機器の設定回転速度に応じて再循環ポンプを運転制御するようにしたので、各種機器の運転状況に応じて再循環ポンプの回転速度を制御することができ、その結果、ランバックの際においても各種機器を保護しつつ、高い熱出力で運転を確保することができるという効果があり、原子力発電システムの利用効率の向上を図ることができる。

（２） 本発明は、（１）に記載の原子炉再循環流量制御装置において、前記各種機器は、前記原子炉に備えられる気水分離器、前記原子炉に給水を行う給水ポンプ、前記炉心に制御棒を挿入する制御棒駆動装置、及び２台以上の再循環ポンプであって、前記制御手段は、前記気水分離器の性能制限、前記給水ポンプの不調、前記制御棒駆動装置の駆動、又前記再循環ポンプの少なくとも１台の不調に起因するランバック信号を受けた際、当該ランバック信号に対応する前記設定回転速度で前記再循環ポンプを制御することを特徴とするものである。

（２）に記載の原子炉再循環流量制御装置では、気水分離器の性能制限、給水ポンプの不調、制御棒駆動装置の駆動、又再循環ポンプの少なくとも１台の不調に起因するランバック信号を受けた際に、このランバック信号に対応する設定回転速度で再循環ポンプを制御するようにしたので、これら重要な機器を保護しつつ、不必要に熱出力を低下させることがなく、原子炉が緊急停止に至ることを防止することができる。

（３） 本発明は、（１）に記載の原子炉再循環流量制御装置において、前記メモリ手段には、各種機器の１つであって前記原子炉に備えられる気水分離器の性能制限を、前記炉心に循環される冷却材の流量と前記熱出力との関係で表した気水分離器制限曲線上で、前記熱出力がゼロとなる第１の点に相当する前記冷却材の流量に相当する再循環ポンプの回転速度が前記設定回転速度として記憶されていることを特徴とするものである。

（３）に記載の原子炉再循環流量制御装置では、メモリ手段に、気水分離器の性能制限を、炉心に循環される冷却材の流量と熱出力との関係で表した気水分離器制限曲線上で、熱出力がゼロとなる第１の点に相当する冷却材の流量に相当する再循環ポンプの回転速度を、設定回転速度として記憶かるようにしたので、気水分離器の性能制限に引っ掛ることなく、ランバックの際に気水分離器の性能制限を考慮した高い熱出力を維持することができるという効果がある。

（４） 本発明は、（３）に記載の原子炉再循環流量制御装置において、前記制御手段は、前記再循環ポンプの回転速度を監視して、前記冷却材の流量を炉心流量として得ることを特徴とするものである。

（４）に記載の原子炉再循環流量制御装置では、再循環ポンプの回転速度に応じて冷却材の流量を炉心流量として得るようにしたので、容易に冷却材の炉心流量を得ることができる。

（５） 本発明は、原子炉の炉心に冷却材を循環する少なくとも１台の再循環ポンプを備え、前記原子炉からの熱出力に応じて発電を行う原子力発電システムに用いられ、前記再循環ポンプの回転速度を制御する原子炉再循環流量制御方法であって、コンピュータに、前記原子炉に関する各種機器毎に、ランバックの際の前記再循環ポンプの回転速度が設定回転速度としてメモリに設定する第１のステップと、前記原子炉に関する各種機器の運転状況に応じてランバック信号を受けた際、当該ランバック信号に対応する機器の設定回転速度を前記メモリから読み出して、該設定回転速度に応じて前記再循環ポンプを運転制御する第２のステップとを実行させることを特徴とするものである。

（５）に記載の原子炉再循環流量制御方法では、コンピュータによって、ランバックの際の再循環ポンプの回転速度を予め設定回転速度としてメモリに設定し、原子炉に関連する各種機器の運転状況に応じたランバック信号を受けた際、当該ランバック信号に対応する機器の設定回転速度に応じて再循環ポンプを運転制御するようにしたので、容易に各種機器の運転状況に応じて再循環ポンプの回転速度を制御することができる。そして、ランバックの際においても各種機器を保護しつつ、高い熱出力で運転を確保することができるという効果があり、原子力発電システムの利用効率の向上を図ることができるという効果がある。

以上のように、本発明によれば、原子炉に関する各種機器毎に、ランバックの際の再循環ポンプの回転速度を設定回転速度として設定しておき、原子炉に関する各種機器の運転状況に応じてランバック信号を受けた際、当該ランバック信号に対応する機器の設定回転速度に応じて再循環ポンプを運転制御するようにしたので、各種機器の運転状況に応じて再循環ポンプの回転速度を制御して、原子炉の熱出力を調整することができる結果、各種機器を保護しつつ、しかも原子炉の熱出力を不必要に低下させることがないという効果がある。

以下、本発明の実施形態による原子炉再循環流量制御装置及び制御方法の一例について図面を参照して説明する。

図１は、本発明の実施の形態による原子炉再循環制御装置（以下ＲＩＰ制御装置）を用いた原子力発電システムの一例を概略的に示す図である。図示の原子力発電システムは、原子炉圧力容器（原子炉）１１を有し、この原子炉１１には燃料棒（図示せず）を備える炉心１２が収納されており、原子炉１１において蒸気が作り出される。

制御棒駆動装置１４は制御棒駆動制御部１５によって駆動制御され、制御棒１３を炉心５に挿入して原子炉１１の出力を制御する。また、原子炉１１には再循環ポンプ系１６が接続され、この再循環ポンプ系１６によって炉心１２に冷却材（例えば、水）が供給される。この冷却材は気水分離器２４を通って炉心１２に供給される。図示の例では、再循環ポンプ系１６は、５台のＲＩＰ１６ａ〜１６ｅを有しているが、ＲＩＰの台数は状況に応じて適宜選定される。

原子炉出力に応じて発生する蒸気は、蒸気加減弁１７を介して蒸気タービン１８に送られて、蒸気タービン１８は蒸気の圧力を回転エネルギーに変換する。そして、蒸気タービン１８の回転エネルギーは、発電機１９によって電気エネルギーに変換される。蒸気タービン１８で仕事をした蒸気は復水器２０で等圧冷却して水に戻され、復水器２０で得られた復水は給水ポンプ系２１によって炉心１２に給水される。

図示の例では、給水ポンプ系２１は４台の給水ポンプ２１ａ〜２１ｄを有しており、給水ポンプ２１ａ及び２１ｂは、通常状態で炉心１２に給水する通常運転給水ポンプであり、給水ポンプ２１ｃ及び２１ｄは、通常運転給水ポンプ（給水ポンプ２１ａ及び２１ｂ）がトリップした際に炉心１２に給水する予備給水ポンプ（予備機）である。なお、給水ポンプの台数は状況に応じて適宜選定される。

給水ポンプ駆動制御部２２は給水ポンプ２１ａ〜２１ｄを駆動制御するとともに、給水ポンプ２１ａ〜２１ｄの運転状況を監視しており、通常運転給水ポンプである給水ポンプ２１ａ及び２１ｂのうち１台がトリップした際に、予備給水ポンプである給水ポンプ２１ｃ及び２１ｄがともに起動しないと、給水ポンプトリップを示す給水ポンプランバック信号をＲＩＰ制御装置２３に送出する。

また、前述のように、制御棒駆動制御部１５は制御棒駆動装置１４によって制御棒１３を駆動制御するが、制御棒１３を炉心５に挿入した際には、ＦＭＣＲＤランイン信号を制御棒ランバック信号としてＲＩＰ制御装置２３に送出する。

図２に示すように、ＲＩＰ制御装置２３は、ＲＩＰ駆動制御部２３ａ及びＲＩＰ状態監視部２３ｂを有しており、ＲＩＰ駆動制御部２３ａはＲＩＰ１６ａ〜１６ｅの駆動速度を制御する。ＲＩＰ状態監視部２３ｂはＲＩＰ１６ａ〜１６ｅの駆動状態を監視しており、ＲＩＰ１６ａ〜１６ｅのうち予め規定された台数（例えば、４台）が停止すると、ＲＩＰ停止ランバック信号をＲＩＰ駆動制御部２３ａに送る。

ＲＩＰ駆動制御部２３ａ及びＲＩＰ状態監視部２３ｂには、メモリ部２３ｃが接続されており、このメモリ部２３ｃには、ランバック信号の種別（種類）に応じてランバック速度、つまり、ＲＩＰ１６ａ〜１６ｅの回転速度が設定されている。さらに、メモリ部２３ｃには、気水分離器２４の気水分離器性能制限値の変化を示す気水分離器制限曲線が設定されている。

ＲＩＰ状態監視部２３ｂは、ＲＩＰ１６ａ〜１６ｅの運転状態に基づいて気水分離器２４が気水分離器性能制限に達したか否かも監視しており、気水分離器２４が気水分離器性能制限に達すると、気水分離器性能制限ランバック信号をＲＩＰ駆動制御部２３ａに与える。

そして、ＲＩＰ駆動制御部２３ａは、給水ポンプランバック信号、制御棒ランバック信号、ＲＩＰ停止ランバック信号、又は気水分離器性能制限ランバック信号を受けた際、このランバック信号に応じたランバック速度をメモリ部２３ｃから読み出して、後述するように、ＲＩＰ１６ａ〜１６ｅの回転速度を制御する。

つまり、上述の例では、給水ポンプランバック信号、制御棒ランバック信号、ＲＩＰ停止ランバック信号、及び気水分離器性能制限ランバック信号毎にＲＩＰ１６ａ〜１６ｅの回転速度がそれぞれ第１〜第４のランバック速度として設定されている。

ここで、図１及び図２とともに、図３及び図４を参照して、いまＲＩＰ駆動制御部２３ａが気水分離器性能制限ランバック信号を受けたとする。つまり、気水分離器２４が気水分離器性能制限に達したとする。

前述したように、ＲＩＰ状態監視部２３ｂは、ＲＩＰ１６ａ〜１６ｅの運転状態に基づいて気水分離器２４が気水分離器性能制限に達したか否かも監視している（ステップＳ１）。つまり、ＲＩＰ状態監視部２３ｂでは、ＲＩＰ１６ａ〜１６ｅの運転状態に基づいて冷却材の循環量を把握し、この循環量がメモリ部２３ｃに格納された気水分離器制限曲線に達すると、気水分離器性能制限ランバック信号をＲＩＰ駆動制御部２３ａに与える（ステップＳ２）。

ＲＩＰ駆動制御部２３ａは、気水分離器性能制限ランバック信号を受けると、メモリ部２３ｃから第４のランバック速度を読み出し（ステップＳ３）、この第４のランバック速度に基づいてＲＩＰ１６ａ〜１６ｅの回転速度（ＲＩＰ速度）を制御する（ステップＳ４）。

図４に示すように、従来、気水分離器性能制限となった際には、Ａ点（１００％）で運転していたＲＩＰ速度をＢ点（約４０％）に低下させる（Ｂ点においては、炉心流量が約５５％であるため、この流量に対応するＲＩＰ速度を規定すると、約４０％となる）。この結果、原子炉の熱出力は大幅に低下することになる。

一方、本実施の形態では、気水分離器制限曲線において、炉心流量（つまり、循環流量）がＣ点になると、気水分離器性能制限はなくなるから、Ｃ点に相当するＲＩＰ速度に第４のランバック速度を設定しておけば、原子炉の熱出力は、Ｄ点となる。この結果、従来に比べて、機器を保護しつつ、より高い熱出力で運転することが可能となる。

上述の例では、気水分離器性能制限によるランバックについて説明したが、給水ポンプランバック信号、制御棒ランバック信号、及びＲＩＰ停止ランバック信号についても、同様にしてＲＩＰ速度を予め設定しておけば、より高い熱出力で運転を確保することができ、原子力発電システムの利用効率の向上を図ることができる。

このようにして、ランバックの種別に応じて、ＲＩＰ速度を設定するようにしたので、不必要に原子炉の熱出力を低下させてしまうことがなく、効率的な運転を確保できるという効果がある。

本発明の実施の形態による原子炉再循環流量制御装置が用いられる原子力発電システムの一例を概略的に示す図である。 図１に示す原子炉再循環流量制御装置の構成を示すブロック図である。 図２に示す原子炉再循環流量制御装置の動作を説明するためのフロー図である。 図２に示す原子炉再循環流量制御装置において気水分離器性能制限となった際の再循環ポンプの制御を説明するための図である。

符号の説明

１１ 原子炉圧力容器（原子炉）
１２ 炉心
１３ 制御棒
１４ 制御棒駆動装置
１５ 制御棒駆動制御部
１６ 再循環ポンプ系
１７ 蒸気加減弁
１８ 蒸気タービン
１９ 発電機
２０ 復水器
２１ 給水ポンプ系
２２ 給水ポンプ駆動制御部
２３ ＲＩＰ制御装置
２４ 気水分離器

Claims (5)

1. 原子炉の炉心に冷却材を循環する少なくとも１台の再循環ポンプを備え、前記原子炉からの熱出力に応じて発電を行う原子力発電システムに用いられ、前記再循環ポンプの回転速度を制御する原子炉再循環流量制御装置であって、
   前記原子炉に関する各種機器毎に、ランバックの際の前記再循環ポンプの回転速度が設定回転速度として設定されたメモリ手段と、
   前記原子炉に関する各種機器の運転状況に応じてランバック信号を受けた際、当該ランバック信号に対応する機器の設定回転速度を前記メモリ手段から読み出して、該設定回転速度に応じて前記再循環ポンプを運転制御する制御手段とを有することを特徴とする原子炉再循環流量制御装置。
2. 前記各種機器は、前記原子炉に備えられる気水分離器、前記原子炉に給水を行う給水ポンプ、前記炉心に制御棒を挿入する制御棒駆動装置、及び２台以上の再循環ポンプであって、
   前記制御手段は、前記気水分離器の性能制限、前記給水ポンプの不調、前記制御棒駆動装置の駆動、又前記再循環ポンプの少なくとも１台の不調に起因するランバック信号を受けた際、当該ランバック信号に対応する前記設定回転速度で前記再循環ポンプを制御することを特徴とする請求項１記載の原子炉再循環流量制御装置。
3. 前記メモリ手段には、各種機器の１つであって前記原子炉に備えられる気水分離器の性能制限を、前記炉心に循環される冷却材の流量と前記熱出力との関係で表した気水分離器制限曲線上で、前記熱出力がゼロとなる第１の点に相当する前記冷却材の流量に相当する再循環ポンプの回転速度が前記設定回転速度として記憶されていることを特徴とする請求項１記載の原子炉再循環流量制御装置。
4. 前記制御手段は、前記再循環ポンプの回転速度を監視して、前記冷却材の流量を炉心流量として得ることを特徴とする請求項３記載の原子炉再循環流量制御装置。
5. 原子炉の炉心に冷却材を循環する少なくとも１台の再循環ポンプを備え、前記原子炉からの熱出力に応じて発電を行う原子力発電システムに用いられ、前記再循環ポンプの回転速度を制御する原子炉再循環流量制御方法であって、
   コンピュータに、前記原子炉に関する各種機器毎に、ランバックの際の前記再循環ポンプの回転速度が設定回転速度としてメモリに設定する第１のステップと、
   前記原子炉に関する各種機器の運転状況に応じてランバック信号を受けた際、当該ランバック信号に対応する機器の設定回転速度を前記メモリから読み出して、該設定回転速度に応じて前記再循環ポンプを運転制御する第２のステップとを実行させることを特徴とする原子炉再循環流量制御方法。

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