JP5586020B2 - タービン制御装置、ポンプ制御装置及び原子炉隔離時冷却系制御システム - Google Patents

Description

本発明は、原子炉隔離時冷却系（以下、「ＲＣＩＣ」と称す）のタービン等におけるように、急速起動を必要とするタービンを制御するタービン制御装置、そのタービンによって駆動されるポンプを制御するポンプ制御装置、及び原子炉隔離時冷却系制御システムに関する。

従来の原子力発電所におけるタービン制御は、ポンプの吐出流量と該ポンプの要求流量の偏差に応じて、タービン回転速度の要求値を出力する第一の調節器と、タービン回転速度の要求値と実回転速度の偏差および起動時におけるタービン回転速度の上昇率を定める設定加速度とのいずれか低値に応じて加減弁開度を制御する第二の調節器とを備えるタービン制御装置により行う（例えば、特許文献１参照。）。それにより、タービン回転速度の上昇率を一定に保つことができる。

ＲＣＩＣタービンを例に説明すると、原子炉の異常状態で起動する装置は非常用の電源のみで制御する必要があることから、タービンを制御する加減弁の制御油はタービンの回転自体を駆動力とするポンプで油圧確立される構成のものである。したがって、発電所内の主タービンや原子炉給水ポンプタービンのように、タービン起動前から加減弁制御用の制御油駆動するポンプに、通常プラント運転用の電源を用いることはできない。このため、ＲＣＩＣタービンの起動は、入口弁の後段の加減弁が全開待機で、前段の入口弁が閉した状態から起動指令信号により入口弁が開となることで開始される。このとき、タービンは原子炉からの広範囲な蒸気圧力条件（約１ＭＰａ〜７ＭＰａ）のもとで、急速に起動し大きなトルクを発生する。

特開平７−３４８０６号公報

つまり、タービン起動の初期段階においては、原子炉からの広範囲な蒸気圧力が入口弁（微妙な調整制御用でなく開／閉のみ行う弁）からそのままタービンまで流入し、回転が開始し起動する。そして、起動初期の段階では、加減弁の制御用油ポンプがタービンの回転速度上昇に伴い所定の回転速度に達するまでは、加減弁による微妙な調整制御が不可能である。そのため、加減弁の制御用油ポンプの油圧確立が遅れると、加減弁での制御が遅れ、タービンの起動初期段階での加速率が高くなる恐れがある。

例えばＲＣＩＣタービンは、約１ＭＰａ〜７ＭＰａまでの蒸気圧力で原子炉へ所定の時間内に所定の要求流量を給水する機能を要求される。そのため、広範囲の蒸気圧力の条件下において、起動初期段階においては、タービンが過速度に至らないように、早期に加減弁を絞り込むとともに、初期の加減弁絞込みの後は、適切に加減弁を調整し、所定の起動時間内にタービンを起動完了にしなければならない。しかし、蒸気圧力が低ければタービンを起動時間内に起動できず、逆に高ければ必要以上に加速する恐れがある。

このため、蒸気圧力を圧力検出器で検出し、その蒸気圧力をもとに制御設定値への補正を加える構成とすることが考えられる。この場合、タービン制御装置設置時において、制御設定値への補正値を確認するには、原子炉圧力上昇過程において、各蒸気圧力についてサーベランスを行うため複数回のタービン起動が必要になる。しかし、この作業は残留熱除却系統（以下、「ＲＨＲ」と称す）の作動による原子炉内の冷却を必要とし、起動試験時間（テストループ）が長くなるとの問題がある。

本発明は、上記の状況に鑑みてなされたものであり、急速起動を必要とするタービンを制御するときに、タービン回転速度の上昇を異常過速させずに急速起動を安全に実行するとともに、所定の時間内のタービン起動完了を確実に実行できるようにする。

本発明の一側面は、所定の回転速度で駆動されて所定の要求流量を吐出するポンプの駆動用タービンを、流入する蒸気の加減弁開度を調節して前記所定の回転速度に制御するタービン制御装置において、ポンプからの吐出流量と前記要求流量の偏差に応じてタービン回転速度の要求値を出力する第一の調節器と、前記蒸気の圧力の値、並びに前記タービン回転速度の要求値とその実回転速度の百分率値の偏差又は起動時におけるタービン回転速度の上昇率を定める設定加速度の百分率値のいずれか低値に応じて、前記加減弁開度を制御する第二の調節器と、前記タービン回転速度の要求値とその実回転速度との間に差があるとき、第二の調節器に対し、前記差に応じて前記加減弁開度の制御を補正するための補正信号を出力する補正回路と、を備えることを特徴とする。

上記構成により、他の制御回路が制御を実行する前に演算を行う制御定数自動補正手穀の補正信号により、タービン制御装置内で制御設定値が自動的に補正される。それにより、圧力検出器の信号（蒸気の圧力の値）による補正のみでは必要になる、タービン制御装置設置時の原子炉圧力上昇過程でのサーベランス試験も不要となる。また、上記構成によれば、蒸気の圧力条件が広範囲でも、圧力検出器の信号により、適切な制御設定値に補正設定された、第二の調節器による加減弁開度の制御に補正を加えることができる。それゆえ、タービン回転速度の上昇率を調整制御し、異常な加速率上昇と加速率不足による起動時間内のタービン起動完了の遅延に伴う要求流量の未到達が防止される。

本発明によれば、タービン回転速度の上昇を異常過速させずに急速起動を安全に実行するとともに、所定の時間内のタービン起動完了を確実に実行することができる。

本発明の一実施の形態におけるタービン制御装置を適用した原子炉隔離時冷却系の全体構成例を示すブロック図である。

以下、本発明を実施するための形態の例について、添付図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の一実施の形態におけるタービン制御装置を適用した原子炉隔離時冷却系の全体構成例を示したものである。図１のタービン制御装置１３は、特許文献１に示すタービン制御装置（図２のタービン回転速度調整器１３）に対し、原子炉１からの蒸気圧力を検出する圧力検出器２１及び制御定数自動補正手段２２（補正回路）を新たに設けている。圧力検出器２１の信号及び制御定数自動補正手段２２の補正信号は、弁開度制御信号出力手段１８へ入力される。

原子炉隔離時冷却系においては、原子炉１の緊急冷却時に、貯水プール２に溜めた水をポンプ４で吸い上げ、原子炉１へ給水する。ポンプ４は回転軸を機械的に結合したタービンに５の回転により駆動される。タービン５は、原子炉１で発生した蒸気を、開／閉弁である入口弁６、開度制御される加減弁７を経由して取込み、これを駆動源として回転する。

原子炉１が正常に運転されている場合には、原子炉隔離時冷却系は待機状態にあり、入口弁６は全閉、加減弁７は全開で、タービン５は停止し、ポンプ４の吐出流量Ｑはゼロである。

この待機状態にあっては、タービン制御装置１３は、原子炉１からの蒸気圧力を示す圧力検出器２１の信号と、各制御回路（符号１４〜２０に相当）が制御を実行する前に演算する、制御定数自動補正手段２２の補正信号とに基づいて、弁開度制御信号出力手段１８に補正を加えた状態で待機する。

本実施の形態のタービン制御装置１３は、圧力検出器２１及び制御定数自動補正手段２２を有するが、これらの制御回路が存在しない場合は、特許文献１に記載される次の動作をする。すなわち、原子炉隔離時に、入口弁６が図示しないインターロックを構成する装置から起動要求を受信して開弁を開始すると、流入する蒸気でタービン５が回転をはじめ、その回転速度に応じてポンプ４の吐出流量Ｑが増加する。この流量Ｑは流量検出器３によって検出される。

流量調節器１０は、流量検出器３の出力信号Ｑと吐出流量要求値Ｑｄとの偏差を比例積分する回転速度要求値出力手段１２（ＰＩ調節器）を有し、この回転速度要求値出力手段１２の出力であるタービン回転速度要求値Ｎｄをタービン制御装置１３に与える。

タービン制御装置１３は、タービン回転速度要求値Ｎｄとタービン回転速度検出器８による実回転速度Ｎとの偏差△ｎをとる加算器１４と、加速度設定器１５からの設定加速度ｄＮｏ又は加算機１４からの偏差△ｎのうち低値の信号を優先して出力する低値優先手段１６と、タービン回転速度Ｎから実加速度ｄＮを求める微分器１７と、低値優先手段１６の出力と微分器１７からの実加速度ｄＮとの偏差により加減弁７の弁開度を制御する弁開度制御信号出力手段１８を備えている。なお、上記演算に用いられるタービン回転速度Ｎの値はその要求値Ｎｄの１００％値で、また実加速度ｄＮや設定加速度ｄＮ_Ｏの値は所定の最高加速度値で各々ノーマルライズ（百分率値を演算）されている。

ポンプ吐出流量Ｑが要求値Ｑｄに到達するまでは、正の偏差による回転速度要求値出力手段１２の動作により、流量調節器１０からは回転速度要求値Ｎｄの１００％値（飽和値）が出力されるので、低値優先手段１６は設定加速度ｄＮｏを出力し続ける。したがって、弁開度制御信号出力手段１８は、設定加速度ｄＮｏと実加速度ｄＮの偏差を０にするようにしながら加減弁７を開方向に制御する弁開度制御信号を出力する。

これにより、タービン５の回転速度Ｎは、設定加速度に従いながら一定の上昇率で増加するので、初期ピークなど回転速度の異常上昇率によるトリップは回避できる。

さらに、絞り込み検出器１９は、流量調節器１０から回転速度要求値Ｎｄが入力され、１００％値からの絞り込みを検出すると、切替信号を切替手段２０に出力する。切替手段２０は、切替信号によって低値優先手段１６の入力端を加算器１４の出力端から切離し、接地入力端に切替え、入力ゼロとする。

これにより、低値優先手段１６からは、それまでの設定加速度ｄＮに代わり出力ゼロとなるので、弁開度制御信号出力手段１８は、過速度ゼロ、すなわち、タービン回転速度Ｎが所定回転速度Ｎｏになるように加減弁７を制御し、この結果、回転速度Ｎと流量Ｑは各々、ＮｏとＱｄに整定される。

回転速度要求値ＮｄがＮ_０まで絞り込まれた後は、Ｎｄの減少は停止するので、絞り込み検出器１９の切替信号がなくなり、切替手段２０は再び加算器１４側に切り替わる。これにより低値優先手段１６は、流量Ｑまたは実回転速度Ｎのずれを、偏差△ｎとして弁開度制御信号出力手段１８に出力し、上記のＮ_０とＱｄの一定制御を維持する。

それにより、流量Ｑが要求値Ｑｄに達した以降は、タービン回転速度Ｎは一定の回転速度Ｎ_０に制御されるので、従来のように過回転によるトリップを生じることがない。また、流量要求値からのオーバーシュートも防止できる。したがって、急速起動が求められる一方、流量オーバが許されないタービン・ポンプシステムに好適である。

ところで、入口弁６が開弁を開始すると、原子炉１からの蒸気はタービン５へ導かれるが、ここで圧力検出器２１及び制御定数自動補正手段２２が存在しない場合を想定する。この場合、タービン５へ導かれた蒸気は、原子炉１の運転状況に応じて約１ＭＰａ〜７ＭＰａと広範囲を変動するため、開／閉の機能のみであって微妙な調整ができない入口弁６が全開すると、原子炉１からの圧力の蒸気が直接制御されずにタービン５に流入されるため、タービン５は想定以上に加速してしまうことが考えられる。

そこで、本実施の形態のタービン制御装置１３は、圧力検出器２１及び制御定数自動補正手段２２を有している。制御定数自動補正手段２２は、タービン回転速度要求値Ｎｄと実回転速度Ｎとの間に差があるとき、弁開度制御信号出力手段１８に対して制御設定値（制御ゲインと時定数）を補正するための補正信号ｄＮ´を出力する。起動時前から弁開度制御信号出力手段１８は、閉方向の加減弁指令を出力するとともに、圧力検出器２１の信号により、適切な制御設定値に補正設定されている。かつ、制御定数自動補正手段２２へ入力される実回転速度Ｎが高い実回転速度となった場合は、弁開度制御信号出力手段１８の出力信号の値を装置動作中に制御定数自動補正手段２２の補正信号ｄＮ´で補正し、タービン回転速度の上昇を抑制する制御信号を出力するようにする。この状況にて、タービン回転を駆動源とする制御油ポンプ２３により制御油圧が確立すると、弁開度制御信号出力手段１８からの信号により急速に加減弁７を閉することで起動初期のタービン過速度トリップを防止する。

以上のとおり、本実施の形態のタービン制御装置１３では、待機状態から原子炉が冷却されるべき条件が成立した状態になると、図示しないインターロックを構成する装置から起動信号は発信され、入口弁６が全開し、原子炉１からの蒸気はタービン５へ導かれる。タービン５へ導かれた蒸気は、入口弁６が全開すると、適切に制御された原子炉１からの圧力の蒸気がタービン５に流入される。そして、タービン回転を駆動源とする制御油ポンプ２３により制御油圧が確立すると、弁開度制御信号出力手段１８からの信号により急速に加減弁７を閉することで、タービン５の回転速度が適切に制御される。

流量調節器１０は、回転速度要求値出力手段１２により、タービン５の回転速度の上昇に伴い増加する流量検出器３の出力信号Ｑにより、回転速度要求値出力手段１２の出力信号を絞り込み、その信号に従いタービン５の回転速度は制御される。

また、制御回路側の前に演算する制御定数自動補正手段２２の補正信号により、タービン制御装置１３内で制御設定値を自動的に捕正する。それにより、圧力検出器２１の信号による補正のみでは必要になる、タービン制御装置１３設置時の原子炉１圧力上昇過程でのサーベランス試験が不要となり、結果としてタービン５を複数回起動する必要がないことから、プラント起動時間を短縮することができる。

上述した実施の形態によれば、原子炉からの蒸気の圧力条件が広範囲でも、圧力検出器２１の信号により、適切な制御設定値に補正設定された、弁開度制御信号出力手段１８により、加減弁７の弁制御に補正を加えることができる。

また、各制御回路（符号１４〜２０に相当）が制御を実行する前に演算する、制御定数自動補正手段２２の補正信号により、タービン制御装置１３内で制御設定値を自動的に捕正する。それにより、圧力検出器２１の信号による補正のみでは必要になる、タービン制御装置１３設置時の原子炉１圧力上昇過程でのサーベランス試験が不要となり、結果としてタービン５を複数回起動する必要がないことから、プラント起動時間を短縮することができる。

また、圧力検出器２１の信号による補正に加え、タービン回転速度が実機の値と制御定数自動補正手段２２への回転速度の値とで差があるときには、制御定数自動補正手段２２の補正信号にて、弁開度制御信号出力手段１８へ供給する制御ゲインと時定数を補正する。それにより、蒸気圧力の変化以外の外乱条件での回転速度の変化にも対応した適切な加減弁７の制御が可能となるので、タービン５は過速度トリップせずに、所定の時間内に安全に昇速完了し、要求流量Ｑｄを原子炉へ給水することができる。

すなわち、本実施の形態によれば、タービン起動の度に異なる原子炉からの蒸気圧力の違いによって発生するタービン昇速率の違い（１）と、タービン昇速率の違いによって発生する加減弁を駆動するための制御油の油圧を作り出すタービン軸の回転を駆動力とする加減弁用制御油ポンプ回転速度の昇速率の違い（２）と、起動直前での加減弁開度の開位置、油温度の違いにより発生する、加減弁初期の絞り始めのタービンおよび油ポンプの回転速度および速度上昇を抑制する加減弁の閉動作速度の違い（３）に関して、弁開度制御信号出力手段に対し、圧力検出器の信号と制御定数自動補正手段の補正信号を用いて、弁開度制御信号出力手段に設定する制御設定値の補正を行う。タービン回転速度の上昇率を調整制御し、異常な加速率上昇によるタービン過速度トリップと加速率不足による起動時間内のタービン起動完了の遅延に伴う要求流量の未到達を防止できる。

さらに、従来、例えば下記（１），（２）のような場合に、タービン５の回転速度は初期の起動段階にて必要以上に加速する恐れがあったが、このようなタービン５の加速を抑えられるので過速度トリップを防止できる。
（１）タービン起動前に、加減弁が必要以上に開方向にあったがために、目標の開度まで蒸気を絞り込みするのに時間を必要とした場合
（２）タービン起動前における制御用油温度の違いに加え、加減弁の開閉用に使用する制御油ポンプの油圧がタービン回転速度の上昇により確立されことから、起動初期のタービン回転速度上昇率が原子炉からの蒸気圧力により異なる度に違うことで、加減弁が閉できるようになるまでの時間が長くなる場合

以上、本発明は上述した各実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、その他種々の変形例、応用例を取り得ることは勿論である。

１…原子炉、２…貯水プール、３…流量検出器、４…ポンプ、５…タービン、６…入口弁、７…加減弁、８…回転速度検出器、１０…流量調節器、１１…流量要求値設定手段、１２…回転速度要求値出力手段（ＰＩ調節器）、１３…タービン制御装置、１４…加算器、１５…加速度設定手段、１６…低値優先手段、１７…微分器、１８…弁開度制御信号出力手段、１９…しぼり込み検出手段、２０…切替手段、２１…圧力検出器、２２…制御定数自動補正手段、２３…制御油ポンプ

Claims (3)

1. 所定の回転速度で駆動されて所定の要求流量を吐出するポンプの駆動用タービンを、流入する蒸気の加減弁開度を調節して前記所定の回転速度に制御するタービン制御装置において、
   ポンプからの吐出流量と前記要求流量の偏差に応じてタービン回転速度の要求値を出力する第一の調節器と、
   前記蒸気の圧力の値、並びに前記タービン回転速度の要求値とその実回転速度の百分率値の偏差又は起動時におけるタービン回転速度の上昇率を定める設定加速度の百分率値のいずれか低値に応じて、前記加減弁開度を制御する第二の調節器と、
   前記タービン回転速度の要求値とその実回転速度との間に差があるとき、第二の調節器に対し、前記差に応じて前記加減弁開度の制御を補正するための補正信号を出力する補正回路と、
   を備えるタービン制御装置。
2. 流入する蒸気の加減弁開度を調節しその回転速度が制御されるタービンによって駆動されるポンプを、前記回転速度に従って定まるポンプの吐出流量が予め定められた所定の要求流量となるように制御するポンプ制御装置において、
   ポンプからの吐出流量と前記要求流量の偏差に応じてタービン回転速度の要求値を出力する第一の調節器と、
   前記蒸気の圧力の値、並びに前記タービン回転速度の要求値とその実回転速度の百分率値の偏差又は起動時におけるタービン回転速度の上昇率を定める設定加速度の百分率値のいずれか低値に応じて、前記加減弁開度を制御し、かつ、前記吐出流量が前記要求流量に到達したときに開始される前記タービン回転速度の要求値のしぼり込みを検出し前記低値をゼロとして前記加減弁開度を制御する第二の調節器と、
   前記タービン回転速度の要求値とその実回転速度との間に差があるとき、第二の調節器に対し、前記差に応じて前記加減弁開度の制御を補正するための補正信号を出力する補正回路と、
   を備えるポンプ制御装置。
3. 貯水プールと、このプールから水を汲み上げて原子炉に注水するポンプと、加減弁を介して原子炉の蒸気を流入して起動し前記ポンプを駆動するタービンと、原子炉隔離時を示す信号によって前記タービンの起動を開始しその運転を制御するタービン制御装置を具備する原子炉隔離時冷却系制御システムにおいて、
   前記タービン制御装置は、
   ポンプからの吐出流量とその要求流量の偏差に応じてタービン回転速度の要求値を出力する第一の調節器と、
   前記蒸気の圧力の値、並びに前記タービン回転速度の要求値とその実回転速度の百分率値の偏差又は起動時におけるタービン回転速度の上昇率を定める設定加速度の百分率値のいずれか低値に応じて、前記加減弁の開度を制御する第二の調節器と、
   前記タービン回転速度の要求値とその実回転速度との間に差があるとき、第二の調節器に対し、前記差に応じて前記加減弁の開度の制御を補正するための補正信号を出力する補正回路と、
   を備える原子炉隔離時冷却系制御システム。

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