JP5562806B2

JP5562806B2 - 原子炉水位制御システム

Info

Publication number: JP5562806B2
Application number: JP2010251436A
Authority: JP
Inventors: 留衣鍵山; 有俊水出
Original assignee: Hitachi GE Nuclear Energy Ltd
Current assignee: Hitachi GE Nuclear Energy Ltd
Priority date: 2010-11-10
Filing date: 2010-11-10
Publication date: 2014-07-30
Anticipated expiration: 2030-11-10
Also published as: JP2012103086A

Description

本発明は、原子力発電プラントにおける原子炉水位制御システムに関するものである。

原子力発電プラントにおいて、原子炉給水流量の喪失または異常な低下をもたらす事象が発生すると、給水流量の減少によって原子炉水位が低下し場合によっては原子炉スクラム（緊急停止）に至る。原子炉水位が低下することによる原子炉スクラムはプラント安定運転の観点から好ましくない。

この問題の改善策の一つとして、給水流量の減少及び原子炉水位の低下を感知し、再循環ポンプのランバック（回転数低減）により炉心流量を強制的に減少させ原子炉水位の低下を回復する手法があり、具体的には以下のプロセスにより水位低スクラムを回避する。
（１）ボイド増加による水位上昇
炉心流量を減少させることで冷却水中のボイドが増加し、一時的に原子炉水位が上昇するため給水流量の減少による水位低下が緩和される。
（２）出力バランスの適正化
炉心流量を減少させボイドが増加すると核分裂反応が減少し、原子炉出力が低下するため炉心から流出する主蒸気流量が減少し、原子炉水位が回復する。

上記手法における原子炉給水流量の異常低下を感知する方法は、例えば特許文献１に示す様に、原子炉から流出する主蒸気流量と流入する給水流量のミスマッチ（偏差）を監視することである。具体的には、主蒸気流量と給水流量のミスマッチ量を算出し、ミスマッチが発生し且つ原子炉水位が低下している場合には再循環ポンプをランバックさせるランバック信号を原子炉の再循環流量制御装置に入力し、炉心流量を減少させる。このとき、炉心流量の減少に伴って原子炉出力も低下する。

特開昭６２−１４４０９８号公報

従来の水位制御装置では、冷却水の炉心流量を強制的に減少させて原子炉水位低下を緩和回復する際、原子炉出力の低下幅が適切に調節できず、必要以上の出力低下を招く可能性があった。本発明の目的は、炉心流量減少に伴い原子炉出力が必要以上に低下することを抑制し、安定した原子炉出力制御を実現することにある。

本発明は、原子炉に冷却水を供給する給水ポンプと、原子炉圧力と負荷に基づいて負荷要求偏差信号を出力する圧力制御手段と、前記負荷要求偏差信号に応じて原子炉内の再循環ポンプの回転数を調節する再循環流量制御手段と、前記給水ポンプにより供給される給水流量と主蒸気流量の差分値を出力する減算器を有する原子力発電プラントの原子炉水位制御システムにおいて、原子炉給水流量の低下をもたらす事象を検出する流量低下事象検出手段を設け、該流量低下事象検出手段の出力信号により、前記再循環流量制御手段への入力を前記負荷要求偏差信号から前記給水流量と主蒸気流量の差分値に切り替える入力切替器を設け、前記給水流量と主蒸気流量の差分値に応じて前記再循環ポンプをランバックさせ、炉心流量を調節することを特徴とする。

また、原子力発電プラントの原子炉水位制御システムにおいて、前記流量低下事象検出手段は給水ポンプトリップ検出器であることを特徴とする。

また、原子力発電プラントの原子炉水位制御システムにおいて、前記再循環流量制御手段に接続する入力切替器を切り替える給水ポンプトリップ判定器を設け、原子炉水位信号とトリップ水位設定値の差分値を算出する減算器を設け、前記給水ポンプトリップ判定器は前記給水ポンプトリップ検出器のトリップ信号と、前記減算器による原子炉水位信号とトリップ水位設定値の差分値とのアンド条件で前記入力切替器の切替信号を出力することを特徴とする。

また、原子力発電プラントの原子炉水位制御システムにおいて、前記圧力制御手段は、圧力設定値と原子炉圧力の偏差より全蒸気流量要求信号を算出する圧力調整器と、前記全蒸気流量要求信号と負荷設定値の偏差値からバイアスを減算して負荷要求偏差信号を算出する減算器を備えたことを特徴とする。

さらに、原子力発電プラントの原子炉水位制御システムにおいて、前記給水ポンプは可変周波数電源により駆動されるモータを有し、前記再循環流量制御手段は、前記圧力制御手段からの負荷要求偏差信号を入力する第１の再循環流量制御装置と、前記給水ポンプにより供給される給水流量と主蒸気流量の差分値を入力する第２の再循環流量制御装置と、前記第１の再循環流量制御装置と第２の再循環流量制御装置の出力を入力していずれかより低い値を前記再循環ポンプ回転速度指令値として出力する低値優先回路とを備えたことを特徴とする。

さらに、原子力発電プラントの原子炉水位制御システムにおいて、前記第２の再循環流量制御装置への前記給水ポンプにより供給される給水流量と主蒸気流量の差分値の入力と基準値入力とを切り替える入力切替器を設け、前記第２の再循環流量制御装置への再循環ポンプ電源周波数の入力ＯＮ／ＯＦＦを切り替える入力切替器を設け、各入力切替器を前記給水ポンプトリップ判定器の切替信号により切り替えることを特徴とする。

本発明の原子炉水位制御システムによれば、給水ポンプと、負荷要求偏差信号を出力する圧力制御手段と、原子炉内の再循環ポンプの回転数を調節する再循環流量制御手段と、給水流量と主蒸気流量の差分値を出力する減算器を有する原子炉水位制御システムにおいて、原子炉給水流量の低下をもたらす流量低下事象検出手段の出力信号により、再循環流量制御手段への入力を、負荷要求偏差信号から給水流量と主蒸気流量の差分値に切り替える入力切替器を設け、原子炉炉心流量を調節することにより、原子炉給水流量の低下時に給水流量と主蒸気流量のミスマッチ量に応じて再循環ポンプをランバックさせ炉心流量を調節することにより、原子炉出力の必要以上の低下を抑制し、安定した原子炉出力制御を実現することが可能となる。

実施例１で対象とする原子炉システムの構成を示す模式図実施例１で適用する本発明のインターロック回路図実施例２で対象とする原子炉システムの構成を示す模式図実施例２で適用する本発明のインターロック回路図

本発明の実施形態を実施例について以下に説明する。

実施例１における原子力発電プラントの構成を図１に示す。圧力容器３内の炉心４で生成した蒸気は、主蒸気配管５を通って蒸気タービン７に送られる。蒸気は蒸気タービン７を回転させ図示しない発電機を駆動させた後に復水器８で凝縮され、冷去水となって給水ポンプに供給され給水配管６を通って圧力容器３内に再び給水される。ここで前記給水ポンプはタービン駆動型給水ポンプ（ＴＤ―ＲＦＰ）２Ａ、２Ｂ、及び予備給水ポンプとして用いるモータ駆動型給水ポンプ（ＭＤ―ＲＦＰ）ｌＡ、ｌＢからなる。

通常運転中は給水ポンプとしてＴＤ―ＲＦＰ２Ａ、２Ｂが稼動しており、ＭＤ一ＲＦＰｌＡ、ｌＢは予備機として待機状態にある。ＴＤ―ＲＦＰ２Ａもしくは２Ｂがトリップ（停止）した場合はＭＤ―ＲＦＰｌＡ及びｌＢが自動起動して給水流量の低下を防ぐ。ＭＤ―ＲＦＰ２台の合計出力はＴＤ―ＲＦＰ１台の出力に等しく設定されている。ここで、ＴＤ―ＲＦＰがｌ台トリップした時に予備機であるＭＤ一ＲＦＰ２台が不起動であった場合には、給水流量の減少によって原子炉水位が低下し原子炉スクラムに至る場合がある。

実施例１は、上記のように給水ポンプ１台トリップ時の予備機不起動による給水流量の喪失事象が発生した場合において、本発明の適用により原子炉スクラムを回避する例を示す。

図２に、実施例１のインターロック回路を示す。圧力制御手段（ＥＨＣ）は全蒸気流量要求信号１２を出力する圧力調整器１１と、バイアス基準値Ｂと、減算器１４を有する。圧力調整器１１は原子炉の蒸気圧力である原子炉圧力１０と圧力設定値９より全蒸気流量要求信号１２を算出する。さらに減算器１４により全蒸気流量要求信号１２から負荷設定値１３との偏差を計算し、偏差からバイアス基準値Ｂを減算して負荷要求偏差信号１５を算出する。

一方、減算器１８は圧力容器３の発生する主蒸気流量信号１６と圧力容器３への給水流量信号１７の偏差を計算してミスマッチ信号１９を算出する。

次に、流量低下事象検出手段としての給水ポンプトリップ検出器２０は、給水ポンプの回転数、吐出圧、給水ポンプ２Ａ、２Ｂを駆動するポンプ駆動タービンに供給される制御油圧、給水ポンプ１Ａ、１Ｂのモータに供給される電流及び電圧等の、給水ポンプ状態量の測定値を入力して給水ポンプのトリップを検出する。給水ポンプトリップ検出器２０は、給水ポンプのトリップを検出した場合にポンプトリップ信号２１を出力する。

減算器２４は、計測された原子炉水位信号２２とトリップ水位設定値２３の偏差を算出し、給水ポンプトリップ判定器２５に入力する。給水ポンプトリップ判定器２５は原子炉水位２２がトリップ水位設定値２３よりも低い場合は給水ポンプ予備機も不起動状態であると判断し、ポンプトリップ信号２１とのアンドでミスマッチ入力選択信号２６を出力する。

再循環制御手段（ＲＦＣ）の前段には入力切替器２７が設けられる。入力切替器２７は、ミスマッチ入力選択信号２６により、ＲＦＣの再循環流量制御装置２８Ａへの入力を、通常の稼働状態における負荷要求偏差信号１５からミスマッチ信号１９へ切り替える。

再循環流量制御装置２８Ａは、負荷要求偏差信号１５またはミスマッチ信号１９を入力とする比例積分器ＰＩを有しており、負荷要求偏差信号１５またはミスマッチ信号１９に依存した再循環ポンプ回転速度指令２９を出力することができる。

すなわち、再循環流量制御装置２８Ａは、給水ポンプトリップ判定器２５のミスマッチ入力選択信号２６によりミスマッチ信号１９が入力された場合に、ミスマッチ量に応じて再循環ポンプ回転速度指令２９を出力し、再循環ポンプ３０をランバックさせて炉心流量を減少させる。これにより、給水流量が喪失した場合に主蒸気流量と給水流量のミスマッチ量に応じて一定量だけ再循環ポンプ３０をランバックさせ、原子炉出力が必要以上に低下することを防ぐことができる。

実施例１では給水ポンプ１台トリップ時に給水ポンプ予備機が不起動であった場合を原子炉給水流量低下事象としたが、給水流量が異常に低下する事象であれば他の事象を原子炉給水流量低下事象としてもよい。

図３は、本発明の実施例２における原子力発電プラントの構成を示す。実施例２は、給水ポンプの駆動装置の詳細について記載したもので、モータ駆動型給水ポンプＭＤ―ＲＦＰｌＡ、ｌＢがモータ３１Ａ、３１Ｂ、および可変周波数電源（ＡＳＤ）３２Ａ、３２Ｂを介し、また同様に再循環ポンプ３０が、モータ３１Ｃ、ＡＳＤ３２Ｃを介してそれぞれ所内母線３３に接続されている。実施例２のプラント構成では、ＡＳＤ３２Ａ、３２Ｂの出力周波数を制御することにより給水流量を調整し、同様にＡＳＤ３２Ｃを制御することにより炉心流量を調整する。

しかし、もし落雷などによる瞬間的な電源の遮断（瞬停）が生じた際には、ＡＳＤ３２Ａ、３２Ｂの出力周波数が降下し、ＭＤ一ＲＦＰｌＡ、ｌＢの速度が低下するため給水流量が低下し、それに伴い原子炉水位も低下する。また、ＡＳＤ３２Ｃの出力周波数の降下により再循環ポンプ３０の速度も低下するため炉心流量が減少し、原子炉出力低下により主蒸気流量も減少する。

この際、主蒸気流量の減少量に比べて給水流量の減少量が大きい場合には、両流量のミスマッチにより原子炉水位が低下し続け原子炉スクラムに至る可能性がある。さらに原子力発電プラントが瞬停から復帰後、再循環ポンプ３０を瞬停前の回転数まで回復させるインターロック回路を有している場合には、再循環ポンプ３０が再稼働すると原子炉出力が上昇し主蒸気流量が増加することにより主蒸気流量と給水流量のミスマッチが拡大し、さらに原子炉水位が低下することとなる。

そこで上記のような瞬停発生時に、本発明の適用により必要以上の水位低下を防ぎ、原子炉スクラムを回避する。図４に実施例２のインターロック回路を示す。

実施例２の原子炉水位制御システムは、ＲＦＣにおいて第１の再循環流量制御装置２８Ａ、第２の再循環流量制御装置２８Ｂを有している。再循環流量制御装置２８Ａは負荷要求偏差信号１５を入力とする比例積分器ＰＩを有し、従来通り負荷要求偏差信号１５に依存した再循環ポンプ回転速度指令２９を出力する。再循環流量制御装置２８Ａはさらに瞬停発生時にはその時点での再循環ポンプ３０の回転数を記録し、瞬停から復帰後に再循環ポンプ３０を瞬停前の回転数まで回復させる機能を有する。

ＲＦＣの前段には入力切替器３５が設けられ、給水ポンプ入力判定器２５のミスマッチ入力選択信号２６により作動状態を切り替える。再循環流量制御装置２８Ｂは、ミスマッチ入力選択信号２６がＯＦＦの場合は入力切替器３５’のＯＮにより再循環ポンプ電源周波数３４と同じ値を出力する。

このとき、入力切替器３５は基準値ｂ側に切り替えられている。また、ミスマッチ入力選択信号２６がＯＮの場合は入力切替器３５はａ側に切り替えられ、比例積分器ＰＩの入力信号としてミスマッチ信号１９を入力し、ミスマッチ信号１９に依存した再循環ポンプ回転速度指令２９を出力する機能を有する。このとき、入力切替器３５’はＯＦＦ状態にある。

再循環流量制御装置２８Ａ、２８Ｂからの出力信号は低値優先回路３３に入力され、低値優先回路３３はより小さい値の信号を再循環ポンプ回転速度指令２９として出力する。低値優先回路３３により再循環ポンプ３０の回転数はより小さい値で制御され、必要以上の原子炉の出力上昇を回避する。

通常運転時には、再循環流量制御装置２８Ａには負荷要求偏差信号１５が入力され、再循環流量制御装置２８Ｂには再循環ポンプ電源周波数信号３４がタイバックされている。

入力切替器３５、３５’が、ミスマッチ入力選択信号２６により再循環流量制御装置２８Ｂへの入力を再循環ポンプ電源周波数信号３４からミスマッチ信号１９へ切り替える際、主蒸気流量信号１６に比べ給水流量信号１７が小さい場合には、再循環流量制御装置２８Ｂの出力は再循環ポンプ３０の回転速度をより下げるような信号となる。そのため低値優先回路３３は再循環流量制御装置２８Ｂの出力を優先させて再循環ポンプ回転速度指令２９として出力し、再循環ポンプ３０をランバックさせて炉心流量を減少させる。

実施例２により、瞬停により一時的に電源が遮断された場合にも、主蒸気流量と給水流量のミスマッチ量に応じて再循環ポンプを一定量だけランバックさせ、原子炉出力が必要以上に低下することを防ぐことができる。

上記システムの構成要素の制御は、図示しないプラント中央制御装置により、所定のプログラムにより実行される。

ｌＡ、ｌＢＭＤ−ＲＦＰ
２Ａ、２ＢＴＤ−ＲＦＰ
３圧力容器
４炉心
５主蒸気配管
６給水配管
７蒸気タービン
８復水器
９圧力設定値１０原子炉圧力
１１圧力調整器
１２全蒸気流量要求信号
１３負荷設定値
１４、１８、２４減算器
１５負荷要求偏差信号
１６主蒸気流量信号
１７給水流量信号
１９ミスマッチ信号
２０給水ポンプトリップ検出器
２１ポンプトリップ信号
２２原子炉水位信号
２３トリップ水位設定値
２５給水ポンプトリップ判定器
２６ミスマッチ入力選択信号
２７、３５、３５’ 入力切替器
２８Ａ、２８Ｂ再循環流量制御装置
２９再循環ポンプ回転速度指令
３０再循環ポンプ
３１Ａ、３１ＢＭＤ−ＲＦＰモータ
３１Ｃ再循環ポンプモータ
３２Ａ、３２ＢＭＤ−ＲＦＰＡＳＤ
３２Ｃ再循環ポンプＡＳＤ
３３低値優先回路
３４再循環ポンプ電源周波数信号

Claims

原子炉に冷却水を供給する給水ポンプと、原子炉圧力と負荷に基づいて負荷要求偏差信号を出力する圧力制御手段と、前記負荷要求偏差信号に応じて原子炉内の再循環ポンプの回転数を調節する再循環流量制御手段と、前記給水ポンプにより供給される給水流量と主蒸気流量の差分値を出力する減算器を有する原子力発電プラントの原子炉水位制御システムにおいて、原子炉給水流量の低下をもたらす事象を検出する流量低下事象検出手段を設け、該流量低下事象検出手段の出力信号により、前記再循環流量制御手段への入力を前記負荷要求偏差信号から前記給水流量と主蒸気流量の差分値に切り替える入力切替器を設け、前記給水流量と主蒸気流量の差分値に応じて前記再循環ポンプをランバックさせ、炉心流量を調節し、前記給水ポンプは可変周波数電源により駆動されるモータを有し、前記再循環流量制御手段は、前記圧力制御手段からの負荷要求偏差信号を入力する第１の再循環流量制御装置と、前記給水ポンプにより供給される給水流量と主蒸気流量の差分値を入力する第２の再循環流量制御装置と、前記第１の再循環流量制御装置と第２の再循環流量制御装置の出力を入力していずれかより低い値を前記再循環ポンプ回転速度指令値として出力する低値優先回路とを備え、前記第２の再循環流量制御装置への前記給水ポンプにより供給される給水流量と主蒸気流量の差分値の入力と基準値入力とを切り替える入力切替器を設け、前記第２の再循環流量制御装置への再循環ポンプ電源周波数の入力ＯＮ／ＯＦＦを切り替える入力切替器を設け、各入力切替器を前記給水ポンプトリップ判定器の切替信号により切り替えることを特徴とする原子力発電プラントの原子炉水位制御システム。
請求項１に記載された原子力発電プラントの原子炉水位制御システムにおいて、前記流量低下事象検出手段は給水ポンプトリップ検出器であることを特徴とする原子力発電プラントの原子炉水位制御システム。
請求項２に記載された原子力発電プラントの原子炉水位制御システムにおいて、前記再循環流量制御手段に接続する入力切替器を切り替える給水ポンプトリップ判定器を設け、原子炉水位信号とトリップ水位設定値の差分値を算出する減算器を設け、前記給水ポンプトリップ判定器は前記給水ポンプトリップ検出器のトリップ信号と、前記減算器による原子炉水位信号とトリップ水位設定値の差分値とのアンド条件で前記入力切替器の切替信号を出力することを特徴とする原子力発電プラントの原子炉水位制御システム。
請求項１乃至３のいずれかに記載された原子力発電プラントの原子炉水位制御システムにおいて、前記圧力制御手段は、圧力設定値と原子炉圧力の偏差より全蒸気流量要求信号を算出する圧力調整器と、前記全蒸気流量要求信号と負荷設定値の偏差値からバイアスを減算して負荷要求偏差信号を算出する減算器を備えたことを特徴とする原子力発電プラントの原子炉水位制御システム。