JP6678606B2 - 弁閉鎖速度制御装置、沸騰水型原子力発電プラントおよび沸騰水型原子力発電プラントの運転方法 - Google Patents

弁閉鎖速度制御装置、沸騰水型原子力発電プラントおよび沸騰水型原子力発電プラントの運転方法 Download PDF

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Description

本発明は、弁閉鎖速度制御装置、沸騰水型原子力発電プラントおよび沸騰水型原子力発電プラントの運転方法に関する。
主蒸気隔離弁閉止が原因以外のスクラムに際して、インターナルポンプの一部又は全部のトリップ手段や主蒸気隔離弁閉止設定値の変更手段、及び主蒸気隔離弁閉止設定のブロック手段を設けて、原子炉スクラム時の不要な主蒸気隔離弁の閉止作動と、原子炉水位上昇を回避することを目的として、特許文献１には、複数のインターナルポンプを使用した沸騰水型原子炉で原子炉圧力高等の各事象により前記インターナルポンプの一部をトリップさせる原子炉制御装置において、原子炉スクラムに際して前記インターナルポンプをランバックさせると共に、所定時間後にランバック運転させたインターナルポンプの一部をトリップする手段のタイマーを設けた原子炉制御装置が記載されている。
特開平０９−２６４９８９号公報
通常運転における原子力発電プラントは、原子炉内の核分裂によって発生する熱を用いて蒸気を発生させ、その蒸気は主蒸気配管を経由してタービンへ送られ、タービンを回転させることによりタービンに直結した発電機にて電気を発生させている。
原子力発電プラントの原子炉には、沸騰水型原子炉と加圧水型原子炉との主に２種類の型がある。このうち、沸騰水型原子力発電プラントの場合、原子炉内の核分裂は原子炉冷却材のボイド率（冷却材密度）の変化に依存するため、原子炉冷却材のボイド率を制御することにより発生熱出力を制御、すなわち発生蒸気量を制御している。
沸騰水型原子力発電プラントでは、過渡時に主蒸気配管上の弁を閉鎖する機能を有している。例えば、主蒸気配管の破断が生じた場合、主蒸気隔離弁を閉鎖することによって、原子炉を隔離して原子炉冷却材の流出を防ぐようになっている。また、発電機負荷遮断又はタービントリップが生じた場合には、タービン蒸気加減弁又は主蒸気止め弁を閉鎖することにより、タービンの過回転等を防止してタービンを保護するようになっている。
しかし、主蒸気隔離弁、タービン蒸気加減弁、および主蒸気止め弁等の主蒸気配管上の弁が閉鎖した場合、原子炉で発生した主蒸気の流れが遮断されるため、原子炉圧力が上昇する。原子炉圧力が上昇すると、原子炉冷却材のボイド率が低下し、炉心に正の反応度が投入されるため、原子炉出力が上昇し、燃料破損に至る可能性がある、との課題がある。
特に、主蒸気配管上の弁の閉鎖速度が早いほど原子炉圧力および原子炉出力が急激に上昇し、また、弁閉鎖時の原子炉冷却材ボイド率が大きいほど、弁閉鎖によるボイド率低下は大きくなる。このため、原子炉圧力および原子炉出力の上昇が大きくなり、同様の課題が生じ得る。
本発明は、弁の閉鎖によって生じる原子炉圧力および原子炉出力の上昇を緩和することが可能な弁閉鎖速度制御装置、沸騰水型原子力発電プラントおよび沸騰水型原子力発電プラントの運転方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。
本発明は、上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、沸騰水型原子力発電プラントの原子炉とタービンとを連結する主蒸気配管に設けられた弁の閉鎖速度の制御を行う弁閉鎖速度制御装置であって、前記原子炉内の原子炉冷却材のボイド率の変化を監視し、前記変化に応じて前記弁の閉鎖速度を演算し、演算された閉鎖速度で前記弁が閉鎖されるよう前記弁に閉鎖速度信号を出力する演算部と、を備えたことを特徴とする。
本発明によれば、主蒸気配管上の弁の閉鎖時に生じる原子炉圧力および原子炉出力の上昇を緩和することが可能となる。上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
本発明を適用する沸騰水型原子力発電プラントの概要の一例を示す図である。 本発明の弁閉鎖速度制御装置を備えた沸騰水型原子力発電プラントのシステム構成の一例を示す図である。 本発明の弁閉鎖速度制御装置の構成の一例を示す図である。 本発明の弁閉鎖速度制御装置で制御された弁の開度と時間との関係の一例を示す図である。 本発明の弁閉鎖速度制御装置で制御された弁の開度と時間との関係の他の一例を示す図である。
本発明の弁閉鎖速度制御装置、および沸騰水型原子力発電プラントの運転方法の実施形態を、図１乃至図５を用いて説明する。
まず、沸騰水型原子力発電プラントの概略について図１を用いて説明する。図１は、沸騰水型原子力発電プラントの概要の一例を示す図である。
図１において、沸騰水型原子力発電プラント７１は、大きくは原子炉建屋７２とタービン建屋７３とから構成されている。
原子炉建屋７２の内部には原子炉圧力容器５が中心部に存在しており、この原子炉圧力容器５は原子炉格納容器７４で覆われている。
タービン建屋７３の内部にはタービン７が設けられており、このタービン７の回転により発電機８が回転するようになっている。タービン７の下方には復水器７８が設けられている。
原子炉建屋７２の原子炉格納容器７４内の原子炉圧力容器５とタービン建屋７３内のタービン７とは主蒸気配管６とで連結されている。また原子炉圧力容器５と復水器７８とは給復水配管８０で連結されている。復水器７８には海水を循環するために海水循環配管８１が取り付けられており、取水口８１ａから海水が取り込まれて復水器７８を循環した後、散水口８１ｂから海に戻される。
通常運転における沸騰水型原子力発電プラント７１では、原子炉圧力容器５内の核燃料の核分裂によって発生する熱を用いて水を沸騰させ、この沸騰によって蒸気を発生させている。発生させた蒸気は主蒸気配管６を経由してタービン建屋７３内のタービン７へ送られ、タービン７を回転させることによりタービン７に直結した発電機８が回転し、電気が発生する。
タービン７の回転に使用した蒸気は復水器７８で冷却されることによって凝縮されて水に戻り、給復水配管８０によって再び原子炉圧力容器5内に戻されて蒸気として使用される。
次に、沸騰水型原子力発電プラント７１中における弁閉鎖速度制御装置１について図２乃至図５を用いて説明する。図２は沸騰水型原子力発電システムと弁閉鎖速度制御装置の概略構成図、図３は弁閉鎖速度制御装置の構成を示す図、図４および図５は弁閉鎖速度制御装置で制御された弁の開度と時間との関係を示す図である。
図２に示すように、運転時の沸騰水型原子力発電プラント７１では、原子炉系制御装置１１は主蒸気流量検出器１０から入力される主蒸気流量信号Ｓ６や主蒸気配管圧力検出器１２から入力される主蒸気配管圧力信号Ｓ７等の入力を常に受けており、主蒸気配管６内の蒸気の状態を常に監視している。
このような沸騰水型原子力発電プラント７１では、例えば、主蒸気配管６の破断等によって主蒸気流量信号Ｓ６が異常に上昇した場合や、主蒸気配管圧力信号Ｓ７が異常に低下したと判断されるときは、主蒸気隔離弁閉鎖信号Ｓ８を主蒸気隔離弁９Ａへ出力し、主蒸気配管６上に設けられた主蒸気隔離弁９Ａを緊急で閉鎖する。
しかしながら、主蒸気配管6の破断の場合、圧力低下によって原子炉冷却材（通常は軽水）の飽和温度が低下し、原子炉冷却材ボイド率が増加する。このため、従来の技術では主蒸気隔離弁９Ａの閉鎖によって炉心に大きな正の反応度が投入されて原子炉圧力および原子炉出力が大きく上昇し、上述のように燃料破損に至る可能性がある、との課題が生じる可能性がある。
そこで、図２に示すように、沸騰水型原子力発電プラント７１に、原子炉系制御装置１１に加えて、主蒸気隔離弁９Ａ，蒸気加減弁９Ｂ，主蒸気止め弁９Ｃの閉鎖による原子炉圧力および原子炉出力の上昇を緩和することを目的として、主蒸気配管６に設けられた主蒸気隔離弁９Ａ，蒸気加減弁９Ｂ，主蒸気止め弁９Ｃの閉鎖速度の制御を行う弁閉鎖速度制御装置１を新たに設ける。
この弁閉鎖速度制御装置１は、図３に示すように、原子炉冷却材ボイド率算出部２、弁閉鎖速度算出部３および弁閉鎖速度変更部４から構成される。
図３において、原子炉冷却材ボイド率算出部２は、原子炉内に配置された原子炉出力検出器１４や原子炉再循環流量検出器１３からの原子炉出力信号Ｓ１や原子炉再循環流量信号Ｓ２等を受け、原子炉冷却材内のボイド率Ｓ３を算出する。
弁閉鎖速度算出部３は、原子炉冷却材ボイド率算出部２で算出されたボイド率Ｓ３の変化を監視し、ボイド率Ｓ３の変化に応じて主蒸気隔離弁９Ａ，蒸気加減弁９Ｂ，主蒸気止め弁９Ｃの閉鎖速度Ｓ４を演算する。
特に、原子炉冷却材ボイド率算出部２で算出されるボイド率が上昇したと判断されたときは、弁閉鎖速度算出部３にて算出された主蒸気隔離弁９Ａ，蒸気加減弁９Ｂ，主蒸気止め弁９Ｃの閉鎖速度Ｓ４に従い、各弁の閉鎖速度を設定する。
また、弁閉鎖速度算出部３は、弁の種類に応じた閉鎖速度Ｓ４を演算する。例えば、閉鎖速度を自由に調節できる弁であれば、図４に示すように、全閉になるまでに要する時間が長くなるよう、緩やかな閉鎖速度Ｓ４とする。閉鎖速度を調節できない弁であれば、図５に示すように、閉鎖途中で閉鎖を停止するような閉鎖速度Ｓ４とする。
弁閉鎖速度変更部４は、弁閉鎖速度算出部３で演算された閉鎖速度で主蒸気隔離弁９Ａ，蒸気加減弁９Ｂ，主蒸気止め弁９Ｃが閉鎖されるように、主蒸気隔離弁９Ａ，蒸気加減弁９Ｂ，主蒸気止め弁９Ｃに対して弁閉鎖速度変更指令信号Ｓ５を出力する。
次に、本実施形態に係る沸騰水型原子力発電プラント７１の運転方法について説明する。
本実施形態では、沸騰水型原子力発電プラント７１の運転中は、原子炉内に配置された原子炉出力検出器１４や原子炉再循環流量検出器１３からの原子炉出力信号Ｓ１や原子炉再循環流量信号Ｓ２等の入力を受け、原子炉冷却材ボイド率算出部２にて原子炉格納容器７４内の原子炉冷却材内のボイド率Ｓ３を絶えず算出し続ける（ボイド率の検出工程）。
また、弁閉鎖速度算出部３は、原子炉冷却材ボイド率算出部２において絶えず算出されるボイド率Ｓ３の変化を監視し続ける。そして、ボイド率Ｓ３の変化、例えば、通常運転範囲から外れる急激な上昇が生じていると判断したときは、主蒸気配管６に設けられた主蒸気隔離弁９Ａ，蒸気加減弁９Ｂ，主蒸気止め弁９Ｃの閉鎖速度を通常より遅くするための閉鎖速度Ｓ４を算出する（閉鎖速度の演算工程）。
そして、弁閉鎖速度算出部３で算出された閉鎖速度Ｓ４で弁が閉鎖されるよう、弁閉鎖速度変更指令信号Ｓ５を弁閉鎖速度変更部４から出力し、主蒸気隔離弁９Ａ，蒸気加減弁９Ｂ，主蒸気止め弁９Ｃの閉鎖速度が適切に設定される（閉鎖速度設定工程）。
次に、本実施形態の効果について説明する。
上述した本発明の沸騰水型原子力発電プラント７１は、沸騰水型原子力発電プラント７１の原子炉圧力容器5とタービン７とを連結する主蒸気配管６に設けられた主蒸気隔離弁９Ａ，蒸気加減弁９Ｂ，主蒸気止め弁９Ｃの閉鎖速度の制御を行う弁閉鎖速度制御装置１を備えており、この弁閉鎖速度制御装置１は、原子炉圧力容器内の原子炉冷却材のボイド率を算出する原子炉冷却材ボイド率算出部２と、算出されたボイド率の変化を監視し、変化に応じて主蒸気隔離弁９Ａ，蒸気加減弁９Ｂ，主蒸気止め弁９Ｃの閉鎖速度を演算し、閉鎖速度Ｓ４を出力する弁閉鎖速度算出部３および弁閉鎖速度変更指令S5を出力する弁閉鎖速度変更部４と、を備えている。
このような構成によって、主蒸気配管６上の弁の閉鎖速度が原子炉冷却材内のボイド率に応じた適切な閉鎖速度に設定されるため、原子炉で発生した主蒸気の流れの遮断が緩やかになり、原子炉圧力の上昇とそれに伴って炉心に投入される正の反応度を従来に比べて緩やかにすることができる。従って、原子炉出力の上昇を従来に比べて緩和することができ、燃料破損に至る可能性を従来に比べてより低くすることが可能となるとの効果を奏する。
また、弁閉鎖速度算出部３および弁閉鎖速度変更部４は、ボイド率が上昇したと判断されたときは、主蒸気隔離弁９Ａ，蒸気加減弁９Ｂ，主蒸気止め弁９Ｃの閉鎖速度を遅くするため、より確実に原子炉圧力および原子炉出力の上昇を従来に比べて緩やかにすることができる。
また、弁閉鎖速度算出部３および弁閉鎖速度変更部４は、弁の種類に応じた閉鎖速度を演算することにより、弁に最も適した閉鎖制御が行われるため、より安定かつ確実な緊急時の弁閉鎖制御を実現することができる。
＜その他＞
なお、本発明は上記の実施形態に限られず、種々の変形、応用が可能なものである。上述した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されない。
例えば、主蒸気配管６に設けられた弁を、主蒸気隔離弁９Ａ，蒸気加減弁９Ｂ，主蒸気止め弁９Ｃとした場合について説明したが、これらのうちいずれか一つ以上であればよく、また主蒸気配管６上に配置された弁であれば、これらの弁以外であってもよい。
１…弁閉鎖速度制御装置
２…原子炉冷却材ボイド率算出部
３…弁閉鎖速度算出部
４…弁閉鎖速度変更部
５…原子炉圧力容器
６…主蒸気配管
７…タービン
８…発電機
９Ａ…主蒸気隔離弁
９Ｂ…蒸気加減弁
９Ｃ…主蒸気止め弁
１０…主蒸気流量検出器
１１…原子炉系制御装置
１２…主蒸気配管圧力検出器
１３…原子炉再循環流量検出器
１４…原子炉出力検出器
Ｓ１…原子炉出力信号
Ｓ２…原子炉再循環流量信号
Ｓ３…原子炉冷却材ボイド率信号
Ｓ４…弁閉鎖速度要求信号
Ｓ５…弁閉鎖速度変更指令信号
Ｓ６…主蒸気流量信号
Ｓ７…主蒸気配管圧力信号

Claims (5)

  1. 沸騰水型原子力発電プラントの原子炉とタービンとを連結する主蒸気配管に設けられた弁の閉鎖速度の制御を行う弁閉鎖速度制御装置であって、
    前記原子炉内の原子炉冷却材のボイド率の変化を監視し、前記変化に応じて前記弁の閉鎖速度を演算し、演算された閉鎖速度で前記弁が閉鎖されるよう前記弁に閉鎖速度信号を出力する演算部と、を備えた
    ことを特徴とする弁閉鎖速度制御装置。
  2. 請求項１に記載の弁閉鎖速度制御装置において、
    前記演算部は、前記ボイド率が上昇したと判断されたときは、前記弁の閉鎖速度を遅くする
    ことを特徴とする弁閉鎖速度制御装置。
  3. 請求項１に記載の弁閉鎖速度制御装置において、
    前記演算部は、前記弁の種類に応じた閉鎖速度を演算する
    ことを特徴とする弁閉鎖速度制御装置。
  4. 請求項１に記載の弁閉鎖速度制御装置を備えた
    ことを特徴とする沸騰水型原子力発電プラント。
  5. 原子炉とタービンとを備えた沸騰水型原子力発電プラントの運転方法であって、
    前記原子炉内の原子炉冷却材のボイド率の変化を監視し、前記変化に応じて原子炉とタービンとを連接する主蒸気配管に設けられた弁の閉鎖速度を演算する演算工程と、
    前記演算工程で演算された閉鎖速度で前記弁が閉鎖されるよう前記弁の閉鎖速度を設定する閉鎖速度設定工程と、を有する
    ことを特徴とする沸騰水型原子力発電プラントの運転方法。
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