JP7053520B2

JP7053520B2 - 原子力発電プラント及び原子力発電プラントの制御方法

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Publication number: JP7053520B2
Application number: JP2019028762A
Authority: JP
Inventors: 俊亮今野; 純一北村
Original assignee: Hitachi GE Nuclear Energy Ltd
Current assignee: Hitachi GE Nuclear Energy Ltd
Priority date: 2019-02-20
Filing date: 2019-02-20
Publication date: 2022-04-12
Anticipated expiration: 2039-02-20
Also published as: JP2020134335A

Description

本発明は、原子力発電プラント及び原子力発電プラントの制御方法に関する。

沸騰水型の原子力発電プラントでは、原子炉内の核分裂によって生じる熱で発生した蒸気が主蒸気配管を介して蒸気タービンに直接的に供給される。原子炉からの蒸気の供給により蒸気タービンが回転することで、蒸気タービンに連結された発電機が駆動されて電気が発生する。この原子力発電プラントでは、原子炉内の圧力が変動すると、原子炉出力の安定性に影響を及ぼす。具体的には、原子炉圧力が上昇するとボイド率が低下するので、原子炉出力が増加して炉内圧力が更に上昇する傾向となる。一方、原子炉圧力が低下するとボイド率が上昇するので、原子炉出力が減少して炉内圧力が更に低下する傾向となる。したがって、原子炉内の圧力変動を抑制して原子炉出力を略一定に維持する必要がある。

原子力発電プラントの運転方法として、発電機の出力を略一定に維持して運転する基底負荷運転（通常運転）と、電力系統の周波数の変動に応じて発電機出力を変更する負荷追従運転とがある。発電機の出力を変更するには、蒸気タービンに導入する蒸気の流量（タービン蒸気流量）を調整してタービン出力を制御する必要がある。

タービン蒸気流量の調整方法の１つとして、原子炉の出力を略一定、すなわち、原子炉で発生する蒸気量を略一定に維持しつつ、主蒸気配管を流れる蒸気の一部を蒸気タービンに導入せずに主蒸気配管から分岐したバイパス配管を介して復水器に導くことでタービン蒸気流量を調整するものがある（例えば、特許文献１を参照）。特許文献１に記載の原子力発電設備では、主蒸気配管に設けたタービン蒸気加減弁の開度を制御することでタービン蒸気流量を調整してタービン速度に応じたタービン出力に制御すると共に、その結果生じた余剰蒸気をバイパス配管に設けたタービンバイパス弁の開度を制御することで復水器に導いてタービン入口圧力、すなわち、原子炉内の圧力を略一定に制御している。

特開平６－２３０１７６号公報

特許文献１に記載のように、タービン蒸気加減弁及びタービンバイパス弁の両弁を同時に制御することで原子炉出力を一定に維持しつつ発電機出力の変更を行う方法では、両弁の開閉動作（弁の開度の増減量）を同調させる必要がある。両弁の開閉動作にずれが生じると、原子炉で発生した蒸気量に対してタービン蒸気流量とバイパス配管を介して復水器に排出する蒸気の流量（バイパス蒸気流量）との合計流量が一致しないことがある。この場合、原子炉内の圧力が変動するので、前述したように、原子炉出力が不安定になる虞がある。したがって、炉内圧力の変動を抑制するには、タービン蒸気流量とバイパス蒸気流量との合計流量が炉内の発生蒸気量と一致し続けるように両弁の開閉動作を同調させることが求められる。

しかし、タービン蒸気加減弁とタービンバイパス弁は互いに異なる機器特性（開閉動作の応答性や速度等）を有するので、両弁を用いてタービン蒸気流量とバイパス蒸気流量の増減具合を完全に一致させることは非常に困難である。しかし、特許文献１に記載の技術では、上記したタービン蒸気加減弁及びタービンバイパス弁の機器特性の差異によって生じる原子炉出力の不安定性（炉内圧力の変動）に対する対策が何ら考慮されていない。したがって、特許文献１に記載のようにタービン蒸気加減弁及びタービンバイパス弁を同時に制御する方法では、負荷追従運転時の原子炉出力の安定性に懸念がある。

本発明は、上記の問題点を解消するためになされたものであり、その目的は、発電機出力を負荷に追従させつつ原子炉出力の安定性を担保することができる原子力発電プラント及び原子力発電プラントの制御方法を提供することである。

本願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、蒸気を発生させる原子炉と、前記原子炉で発生した蒸気により駆動する蒸気タービンと、前記蒸気タービンに連結された発電機と、前記原子炉と前記蒸気タービンとを接続する主蒸気配管と、前記主蒸気配管に設けられた蒸気加減弁と、前記主蒸気配管における前記蒸気加減弁よりも上流側から分岐して前記蒸気タービンを迂回するタービンバイパス配管と、前記タービンバイパス配管に設けられたバイパス弁と、前記主蒸気配管における前記蒸気加減弁よりも上流側から分岐した入口配管と前記入口配管から二股に分岐して前記主蒸気配管における前記蒸気加減弁よりも下流側の部分及び前記タービンバイパス配管における前記バイパス弁よりも下流側の部分にそれぞれ接続された第１出口配管及び第２出口配管とで構成された分流配管と、前記分流配管の分岐部に設けられた三方弁とを備え、前記三方弁は、前記入口配管から前記第１出口配管へ分流する蒸気流量と前記第２出口配管へ分流する蒸気流量の分配比率を調整するように構成されていることを特徴とする。

本発明によれば、三方弁によって第１出口配管へ分流する蒸気流量と第２出口配管へ分流する蒸気流量の分配比率を変更することで、蒸気タービンに導入される蒸気流量（タービン蒸気流量）と蒸気タービンを迂回して流れる蒸気流量（バイパス蒸気流量）との合計流量を原子炉内で発生する蒸気量と一致させつつ、タービン蒸気流量とバイパス蒸気流量の流量比率を調整して発電機出力（蒸気タービンの出力）を変更することが可能である。したがって、発電機出力を負荷に追従させつつ原子炉圧力の安定性を担保する（原子炉内の圧力変動の発生を防止する）ことができる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の原子力発電プラントの一実施の形態の概略構成を示す系統図である。本発明の原子力発電プラントの一実施の形態の一部を構成する三方弁の構造の一例を示す断面模式図である。図２に示す三方弁をIII－III矢視から見た断面模式図である。図３に示す三方弁の２つの出口のうち一方側の弁開口部が閉止された状態を示す説明図である。図３に示す三方弁の２つの出口のうち他方側の弁開口部が閉止された状態を示す説明図である。本発明の原子力発電プラントの一実施の形態の一部を構成する電気油圧式制御装置の機能ブロック図である。本発明の原子力発電プラントの一実施の形態における通常運転時の蒸気流量の制御の一例を示す図である。本発明の原子力発電プラントの一実施の形態における図７に対応する蒸気の流れを示す説明図である。本発明の原子力発電プラントの一実施の形態における負荷追従運転時の蒸気流量の制御の一例を示す図である。本発明の原子力発電プラントの一実施の形態における図９に対応する蒸気の流れを示す説明図である。

以下、本発明の原子力発電プラント及び原子力発電プラントの制御方法の実施の形態について図面を用いて説明する。本発明を適用する原子力発電プラントの原子炉として、例えば、再循環ポンプを備え減速材としての冷却水を原子炉圧力容器外へ通流して再び原子炉圧力容器内のダウンカマへ流入させることで冷却水を循環させる沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）、及び、インターナルポンプを有する改良型沸騰水型原子炉（Advanced Boiling Water Reactor：ＡＢＷＲ）が可能である。以下では、一例として改良型沸騰水型原子炉（ＡＢＷＲ）の場合について説明する。

［一実施の形態］
まず、本発明の原子力発電プラントの一実施の形態の構成について図１を用いて説明する。図１は本発明の原子力発電プラントの一実施の形態の概略構成を示す系統図である。なお、図１中、破線は電気油圧式制御装置の信号線を示している。

図１において、原子力発電プラント１は、蒸気を発生させる原子炉（原子炉圧力容器）２と、原子炉２で発生した蒸気により駆動する蒸気タービン３と、蒸気タービン３から排出された蒸気を凝縮させる復水器４と、復水器４で生じた水を原子炉２に供給する復水給水系統５とを備えている。蒸気タービン３には、発電機７が連結されている。

原子炉２の炉心２ａでは、核燃料（図示せず）が装荷されている。原子炉２では、炉心２ａ内の核燃料の核分裂反応で生じた熱エネルギーにより、炉２内の加圧された冷却水の一部が沸騰して蒸気が発生する。この蒸気は、炉心２ａの上方に配置された気水分離器（図示せず）にて冷却水から分離された後、気水分離器の上方に配置された蒸気乾燥器（図示せず）にてその中に含まれる湿分が除去される。

原子炉２と蒸気タービン３は、主蒸気配管１１を介して接続されている。すなわち、主蒸気配管１１は、一端側が原子炉２に接続されると共に他端側が蒸気タービン３に接続された管路であり、原子炉２で発生した蒸気を蒸気タービン３に導くものである。主蒸気配管１１における蒸気タービン３の入口近傍には、蒸気加減弁１２が設けられている。蒸気加減弁１２は、主蒸気配管１１を流れる蒸気の流量を調整可能な構成である。

主蒸気配管１１における蒸気加減弁１２よりも上流側の部分には、タービンバイパス配管１３の一端側が接続されている。タービンバイパス配管１３の他端側は、復水器４に接続されている。すなわち、タービンバイパス配管１３は、主蒸気配管１１における蒸気加減弁１２よりも上流側の部分から分岐し、蒸気タービン３を迂回して復水器４に接続された管路であり、主蒸気配管１１を流れる蒸気の一部を蒸気タービン３に導入せずに迂回させて復水器４に導くものである。タービンバイパス配管１３には、バイパス弁１４が設けられている。バイパス弁１４は、タービンバイパス配管１３を流れる蒸気の流量を調整可能な構成である。

本実施の形態に係る原子力発電プラント１は、更に、主蒸気配管１１における蒸気加減弁１２よりも上流側を流れる蒸気の一部を取り込み、取り込んだ蒸気を主蒸気配管１１における蒸気加減弁１２よりも下流側とタービンバイパス配管１３におけるバイパス弁１４よりも下流側とに蒸気加減弁１２及びバイパス弁１４を介さずに分流させる分流配管２１を備えている。具体的には、分流配管２１は、主蒸気配管１１の蒸気加減弁１２よりも上流側の部分から分岐した入口配管２２と、入口配管２２の下流端で二股に分岐して主蒸気配管１１における蒸気加減弁１２よりも下流側の部分及びタービンバイパス配管１３におけるバイパス弁１４よりも下流側の部分にそれぞれ接続された第１出口配管２３及び第２出口配管２４とで構成されている。

分流配管２１の分岐部（入口配管２２と第１出口配管２３と第２出口配管２４の交点部）には、三方弁３０が設けられている。三方弁３０は、入口配管２２を流れる蒸気流量を変えることなく、入口配管２２から第１出口配管２３へ分流する蒸気流量と第２出口配管２４へ分流する蒸気流量の分配比率を調整することが可能な分流比率調整弁として機能するものである。三方弁３０は、入口配管２２が接続される流入ポート３１と、第１出口配管２３が接続される第１流出ポート３２と、第２出口配管２４が接続される第２流出ポート３３とを備えている。

ここで、三方弁の構造を図２～図５を用いて説明する。図２は本発明の原子力発電プラントの一実施の形態の一部を構成する三方弁の構造の一例を示す断面模式図である。図３は図２に示す三方弁をIII－III矢視から見た断面模式図である。図４は図３に示す三方弁の２つの出口のうち一方側の弁開口部が閉止された状態を示す説明図である。図５は図３に示す三方弁の２つの出口のうち他方側の弁開口部が閉止された状態を示す説明図である。図２～図５中、白抜き矢印は蒸気の流れ方向を示している。

図２及び図３において、三方弁３０は、第１流出ポート３２側に開口する第１の弁開口部３６ａ及び第２流出ポート３３側に開口する第２の弁開口部３６ｂが設けられた円柱状空洞を形成する円筒面から成る弁座３６を有する弁本体３５と、弁本体３５の円柱状空洞内に回動自在に収容された半円筒形状の弁体３７とを備えている。三方弁３０は、弁体３７がその中心軸Ａを回転軸として弁本体３５内で回動することで、第１の弁開口部３６ａと第２の弁開口部３６ｂの開口面積の比率が調節される構成である。三方弁３０は、第１の弁開口部３６ａを全開状態（図４を参照）から全閉状態（図５を参照）へ切り換えると、それに伴い第２の弁開口部３６ｂが全閉状態（図４を参照）から全開状態（図５を参照）へ切り換わるように構成されている。三方弁３０は、弁体３７が回動して第１の弁開口部３６ａと第２の弁開口部３６ｂの開口比率が変化しても、それらの開口面積の合計が略一定であるように構成されている。すなわち、三方弁３０は、入口配管２２から第１出口配管２３へ分流する蒸気流量と第２出口配管２４へ分流する蒸気流量の分配比率を弁全体の開口面積を絞ることなく調整することが可能となっている。したがって、三方弁３０による第１出口配管２３と第２出口配管２４への分流比率を変更する際に、三方弁３０に流入する蒸気流量（入口配管２２を流れる蒸気流量）が変動することはない。

図１に戻り、蒸気タービン３のシャフト部には、速度検出器４１が設けられている。速度検出器４１は、蒸気タービン３の回転速度（タービン速度）を検出するものである。速度検出器４１は、電気油圧式制御装置５０に電気的に接続されており、検出したタービン速度に応じた速度検出信号（速度検出値）Ｓｖを電気油圧式制御装置５０へ出力する。

主蒸気配管１１におけるタービンバイパス配管１３及び分流配管２１との接続部よりも上流側には、圧力検出器４２が設けられている。圧力検出器４２は、蒸気加減弁１２、バイパス弁１４、及び三方弁３０よりも上流側を流れる蒸気の圧力を検出するものである。当該圧力は、原子炉２内の圧力に相関するものである。圧力検出器４２は、電気油圧式制御装置５０に電気的に接続されており、検出した圧力に応じた圧力検出信号（圧力検出値）Ｓｐを電気油圧式制御装置５０へ出力する。

主蒸気配管１１における分流配管２１の第１出口配管２３との接続部よりも下流側には、第１流量検出器４３が設けられている。第１流量検出器４３は、蒸気タービン３に導入される蒸気の流量（以下、タービン蒸気流量という）を検出するものである。すなわち、第１流量検出器４３は、蒸気加減弁１２を通過して分流配管２１を経由せずに主蒸気配管１１を流れる蒸気と蒸気加減弁１２を通過せず分流配管２１を経由して主蒸気配管１１に合流する蒸気の合計流量を検出する。第１流量検出器４３は、電気油圧式制御装置５０に電気的に接続されており、検出したタービン蒸気流量に応じた第１流量検出信号（流量検出値）Ｓｆ１を電気油圧式制御装置５０へ出力する。

タービンバイパス配管１３における分流配管２１の第２出口配管２４との接続部よりも下流側には、第２流量検出器４４が設けられている。第２流量検出器４４は、復水器４に導入される蒸気の流量（以下、タービンバイパス流量という）を検出するものである。すなわち、第２流量検出器４４は、バイパス弁１４を通過して分流配管２１を経由せずにタービンバイパス配管１３を流れる蒸気とバイパス弁１４を通過せずに分流配管２１を経由してタービンバイパス配管１３に合流する蒸気の合計流量を検出する。第２流量検出器４４は、電気油圧式制御装置５０に電気的に接続されており、検出したタービンバイパス流量に応じた第２流量検出信号（流量検出値）Ｓｆ２を電気油圧式制御装置５０へ出力する。

電気油圧式制御装置（ＥＨＣ）５０は、プラント１の運転モードの種類に応じて蒸気加減弁１２及びバイパス弁１４の開度をそれぞれ制御すると共に、三方弁３０の第１出口配管２３側と第２出口配管２４側の開口比率を制御するものである。プラント１の運転モードの種類として、発電機７の出力を略一定で、原子炉２内の圧力を一定に維持することを優先する通常運転（基底負荷運転）や発電機７の出力を負荷（電力需要）の変動に応じて追従させる負荷追従運転等がある。本実施の形態における負荷追従運転は、原子炉２の出力を略一定に維持しつつ、タービン蒸気流量を調整することで蒸気タービン３の出力を変更して発電機７の出力調整を行うものである。

次に、本発明の原子力発電プラントの一実施の形態の一部を構成する電気油圧式制御装置の機能について図６を用いて説明する。図６は本発明の原子力発電プラントの一実施の形態の一部を構成する電気油圧式制御装置の機能ブロック図である。

本実施の形態の電気油圧式制御装置５０は、その機能として、入力部５１と、記憶部５２と、圧力制御部５３と、タービン速度制御部５４と、出力部５５とを備えている。

入力部５１は、各種の検出器からの検出信号を取り込むものである。具体的には、入力部５１には、速度検出器４１の速度検出信号Ｓｖ、圧力検出器４２の圧力検出信号Ｓｐ、第１流量検出器４３の第１流量検出信号Ｓｆ１、第２流量検出器４４の第２流量検出信号Ｓｆ２がそれぞれ入力される。また、入力部５１には、プラント１の運転員により選択された通常運転や負荷追従運転等の運転モードＭが入力される。

記憶部５２は、各種の制御ロジックや圧力制御部５３及びタービン速度制御部５４の演算に用いる各種の設定値を予め記憶するものである。具体的には、記憶部５２には、圧力制御部５３による演算の際に用いる圧力設定値Ｐｓが予め記憶されている。圧力設定値Ｐｓは、通常運転や負荷追従運転時に維持すべき原子炉２内の圧力に対応するものである。また、タービン速度制御部５４による演算の際に用いる速度設定値Ｖｓが予め記憶されている。速度設定値Ｖｓは、予め定められている系統周波数に応じたタービン速度に対応するものである。

圧力制御部５３は、運転モードの種類に応じて蒸気加減弁１２及びバイパス弁１４の開度を調整することで、原子炉２内の圧力を一定に保つように制御するものである。具体的には、運転モードＭとして通常運転が入力された場合、圧力制御部５３は、バイパス弁１４の開度を予め定められた開度に固定するバイパス弁開度指令Ｃｂを生成する。また、圧力制御部５３は、圧力検出器４２の圧力検出信号Ｓｐと記憶部５２に予め記憶されている圧力設定値Ｐｓとの偏差に基づき蒸気加減弁１２の開度を演算し、演算結果に応じた加減弁開度指令Ｃｃを生成する。一方、運転モードＭとして負荷追従運転が入力された場合、圧力制御部５３は、蒸気加減弁１２の開度を予め定められた開度に固定する加減弁開度指令Ｃｃを生成する。また、圧力制御部５３は、圧力検出器４２の圧力検出信号Ｓｐと圧力設定値Ｐｓの偏差に基づきバイパス弁１４の開度を演算し、演算結果に応じたバイパス弁開度指令Ｃｂを生成する。

タービン速度制御部５４は、運転モードの種類に応じて三方弁３０の第１出口配管２３側と第２出口配管２４側の２つの出口の開口比率を調整することで、タービン蒸気流量とバイパス蒸気流量の分配比率を調整してタービン速度に応じたタービン出力に制御するものである。具体的には、運転モードＭとして通常運転が入力された場合、タービン速度制御部５４は、三方弁３０の第１出口配管２３側と第２出口配管２４側の開口比率を予め定められた開口比率に固定する開口比率指令Ｃｔを生成する。一方、運転モードＭとして負荷追従運転が入力された場合、タービン速度制御部５４は、速度検出器４１の速度検出信号Ｓｖと記憶部５２に予め記憶されている速度設定値Ｖｓとの偏差に基づき予め定められている周波数対タービン出力の関係式から目標タービン出力を演算し、演算結果の目標タービン出力に応じた目標タービン蒸気流量を演算し、演算結果の目標タービン蒸気流量と第１流量検出器４３の第１流量検出信号Ｓｆ１との偏差に基づき三方弁３０の第１出口配管２３側と第２出口配管２４側の開口比率を演算し、演算結果に応じた開口比率指令Ｃｔを生成する。

出力部５５は、圧力制御部５３が生成した加減弁開度指令Ｃｃ及びバイパス弁開度指令Ｃｂをそれぞれ蒸気加減弁１２及びバイパス弁１４へ出力する。また、タービン速度制御部５４が生成した開口比率指令Ｃｔを三方弁３０へ出力する。

次に、本発明の原子力発電プラントの制御方法の一実施の形態を説明する。まず、通常運転時の制御方法を図１、図７、図８を用いて説明する。図７は本発明の原子力発電プラントの一実施の形態における通常運転時の蒸気流量の制御の一例を示す図である。図８は本発明の原子力発電プラントの一実施の形態における図７に対応する蒸気の流れを示す説明図である。図８中、太矢印は蒸気の流れを示す。

図１に示す電気油圧式制御装置５０は、運転モードＭとして通常運転が入力されると、バイパス弁１４を予め定められた開度に固定するように制御すると共に、三方弁３０の第１出口配管２３側と第２出口配管２４側の開口比率を予め定められた開口比率に固定するように三方弁３０を制御する。これにより、バイパス弁１４を通過して蒸気タービン３を迂回して復水器４に排出される蒸気流量（バイパス蒸気流量）が一定となる。また、分流配管２１を介して主蒸気配管１１に合流して蒸気タービン３に導入される蒸気流量及び分流配管２１を介してバイパス配管１３に合流して蒸気タービン３を迂回する蒸気流量が一定となる。

さらに、圧力検出器４２の圧力検出信号（圧力検出値）Ｓｐと圧力設定値Ｐｓ（図６参照）との圧力偏差に基づき蒸気加減弁１２の開度を調整することで、蒸気加減弁１２を通過して蒸気タービン３に導入される蒸気流量を変動させて原子炉２内の圧力が一定になるように制御する。すなわち、電気油圧式制御装置５０は、バイパス弁１４及び三方弁３０を調整することなく、蒸気加減弁１２のみを用いて原子炉２内の圧力を一定に維持する圧力制御を行う。

例えば、圧力検出器４２の圧力検出信号Ｓｐが上昇する方向に変動した場合、蒸気加減弁１２の開度を大きくする方向に調整する。これにより、蒸気加減弁１２を通過する蒸気流量が増加する。一方、バイパス弁１４の開度が固定されていると共に、三方弁３０の開口比率が固定されているので、バイパス弁１４を通過する蒸気流量及び三方弁３０の下流の第１出口配管２３と第２出口配管２４とに分流する蒸気流量は一定のままである。したがって、蒸気加減弁の開口面積が増加するので、原子炉２内の圧力を圧力設定値Ｐｓに応じた値に低下させることができる。

逆に、圧力検出信号Ｓｐが低下する方向に変動した場合、蒸気加減弁１２の開度を小さくする方向に調整する。これにより、蒸気加減弁１２を通過する蒸気流量が減少する。一方、バイパス弁１４を通過する蒸気流量及び三方弁３０の下流の第１出口配管２３と第２出口配管２４とに分流する蒸気流量は一定のままである。したがって、蒸気加減弁の開口面積が減少するので、原子炉２内の圧力を圧力設定値Ｐｓに応じた値に上昇させることができる。

３つの弁の制御方法の具体例としては、例えば図７及び図８に示すように、電気油圧式制御装置５０がバイパス弁１４を全閉状態に固定するように制御することで、バイパス弁１４を通過する蒸気流量を０に固定する。また、三方弁３０の第１出口配管２３側の開口（第１の弁開口部３６ａ）を全開かつ第２出口配管２３側の開口（第２の弁開口部３６ｂ）を全閉に固定するように三方弁３０の開口比率を制御することで（図４を参照）、三方弁３０の下流の第１出口配管２３に分流する蒸気流量を定格のタービン蒸気流量の２５％に固定すると共に、第２出口配管２４に分流する蒸気流量を０に固定する。また、蒸気加減弁１２を通過する蒸気流量が定格のタービン蒸気流量の７５％になるように蒸気加減弁１２の開度を設定しつつ、その開度を圧力一定となるように微調整する。

この具体例では、バイパス弁１４を通過する蒸気と三方弁３０から第２出口配管２４を介してタービンバイパス配管１３に合流する蒸気の合計流量（すなわち、バイパス蒸気流量）を０に固定することで、熱損失を抑制している。また、蒸気加減弁１２を通過する蒸気と三方弁３０から第１出口配管２３を介して主蒸気配管１１に合流する蒸気の合計流量（すなわち、タービン蒸気流量）が定格の１００％である。ただし、蒸気加減弁１２の開度を圧力偏差に応じて微調整するので、その分、蒸気加減弁１２を通過する蒸気流量（タービン蒸気流量）が変動する。

このように、本実施の形態の制御方法では、バイパス弁１４の開度を固定すると共に三方弁３０の流出側の２つの開口部の開口比率を固定する一方、蒸気加減弁１２の開度を圧力検出信号Ｓｐに応じて微調整することで、原子炉２内の圧力を一定に維持することができる。

次いで、負荷追従運転時の制御方法を図１、図９、図１０を用いて説明する。図９は本発明の原子力発電プラントの一実施の形態における負荷追従運転時の蒸気流量の制御の一例を示す図である。図１０は本発明の原子力発電プラントの一実施の形態における図９に対応する蒸気の流れを示す説明図である。図１０中、太矢印は蒸気の流れを示す。

図１に示す電気油圧式制御装置５０は、運転モードＭとして負荷追従運転が入力されると、蒸気加減弁１２の開度を予め定められた開度に固定するように制御する。また、速度検出器４１の速度検出信号（速度検出値）Ｓｖと速度設定値Ｖｓとの速度偏差を基に演算された目標タービン蒸気流量と第１流量検出器４３の第１流量検出信号（流量検出値）Ｓｆ１との偏差に基づいて、三方弁３０の第１出口配管２３側と第２出口配管２４側の開口比率を調整し、予め定められている周波数対タービン出力の関係式から演算した目標タービン出力になるように制御する。すなわち、三方弁３０を介して主蒸気配管１１とタービンバイパス配管１３とに分流する蒸気流量の分配比率を調整することで、分流配管２１を介して主蒸気配管１１に合流して蒸気タービン３に導入される蒸気流量（タービン蒸気流量）を変動させて蒸気タービン３の出力を予め定められている周波数対タービン出力の関係式から演算した目標出力に維持する。さらに、圧力検出器４２の圧力検出信号Ｓｐと圧力設定値Ｐｓとの圧力偏差に基づきバイパス弁１４の開度を調整することで、バイパス弁１４を通過して蒸気タービン３を迂回して復水器４に排出する蒸気流量を変動させて原子炉２内の圧力を一定になるように制御する。このように、電気油圧式制御装置５０は、三方弁３０を用いてタービン速度に応じてタービン出力を制御する速度制御を行うと共に、バイパス弁１４を用いて原子炉２内の圧力を一定に維持する圧力制御を行う。

例えば、速度検出器４１の速度検出信号Ｓｖが速度設定値Ｖｓよりも上昇する方向に変動した場合、すなわち、負荷が低下する方向に変動した場合を考える。この場合、三方弁３０の第１出口配管２３側の開口比率が小さくなり第２出口配管２４側の開口比率が大きくなる方向に三方弁３０の開口比率を調整する。当該開口比率の調整によって、第１出口配管２３側へ分流する蒸気流量が減少する一方、第２出口配管２４側へ分流する蒸気流量が増加する。三方弁３０は２つの出口の開口比率を変更しても出口側の合計開口面積が略一定の構成なので、三方弁３０の開口比率の調整によって三方弁３０に流入する蒸気流量（分流配管２１の入口配管２２を流れる蒸気流量）が変動することはない。また、蒸気加減弁１２の開度が固定されているので、蒸気加減弁１２を通過する蒸気流量は一定である。したがって、蒸気加減弁１２を通過する蒸気と三方弁３０から第１出口配管２３を介して主蒸気配管１１に合流する蒸気の合計流量、すなわち、タービン蒸気流量が減少する方向となる。これにより、蒸気タービン３の出力が低下して負荷に追従することができ、タービン出力を予め定められている周波数対タービン出力の関係式から演算した目標出力に低下させることができる。つまり、三方弁３０から第１出口配管２３を介して蒸気タービン３へ導入していた蒸気の一部（余剰蒸気）を、三方弁３０から第２出口配管２４を介して復水器４へ排出するように制御することで、蒸気タービン３の出力（発電機出力）を負荷に追従させている。

逆に、速度検出信号Ｓｖが速度設定値Ｖｓよりも低下する方向に変動した場合、すなわち、負荷が上昇する方向に変動した場合を考える。この場合、三方弁３０の第１出口配管２３側の開口比率が大きくなり第２出口配管２４側の開口比率が小さくなる方向に三方弁３０の開口比率を調整する。これにより、三方弁３０に流入する蒸気流量が変動せずに、第１出口配管２３側へ分流する蒸気流量が増加する一方、第２出口配管２４側へ分流する蒸気流量が減少する。蒸気加減弁１２を通過する蒸気流量は一定なので、蒸気加減弁１２を通過する蒸気と三方弁３０から第１出口配管２３を介して主蒸気配管１１に合流して蒸気タービン３に導入されるタービン蒸気流量が増加する方向となる。これにより、蒸気タービン３の出力が上昇して負荷に追従することができ、タービン出力を予め定められている周波数対タービン出力の関係式から演算した目標出力に上昇させることができる。すなわち、三方弁３０から第２出口配管２４を介して復水器４へ排出されていた蒸気（余剰蒸気）の一部を、第１出口配管２３を介して蒸気タービン３に導入するように制御することで、蒸気タービン３の出力を負荷に追従させている。

本実施の形態の制御方法は、三方弁３０に流入する蒸気流量を変動させることなく第１出口配管２３側へ分流する蒸気流量と第２出口配管２４側へ分流する蒸気流量の分配比率を三方弁３０により変更することで、発電機出力を負荷変動に追従させるので、蒸気加減弁１２を通過する蒸気流量と三方弁３０から第１出口配管２３を介して主蒸気配管１１に合流する蒸気流量との合計流量（タービン蒸気流量）と、バイパス弁１４を通過する蒸気流量と三方弁３０から第２出口配管２４を介してタービンバイパス配管１３に合流する蒸気流量との合計流量（バイパス蒸気流量）との合計流量を原子炉２内で発生する蒸気量と一致させることができる。すなわち、タービン蒸気流量とバイパス蒸気流量の合計流量を原子炉２内で発生する蒸気量と一致させた状態で、タービン蒸気流量とバイパス蒸気流量の流量比率を変更することができる。したがって、原子炉２内の圧力変動を生じさせずに、蒸気タービン３の出力を変更することができる。

また、本実施の形態における負荷追従運転時の圧力制御は、通常運転時とは異なり、バイパス弁１４のみを用いて行う。例えば、圧力検出器４２の圧力検出信号Ｓｐが上昇する方向に変動した場合、バイパス弁１４の開度を大きくする方向に調整する。これにより、バイパス弁１４を通過する蒸気流量が増加する。一方、蒸気加減弁１２の開度が固定されているので、蒸気加減弁１２を通過する蒸気流量は一定である。また、上述したように、三方弁３０の開口比率を速度偏差に基づき調整するが、三方弁３０に流入する蒸気流量は一定のままである。したがって、原子炉２から流出する蒸気流量が一時的に増加するので、原子炉２内の圧力を圧力設定値Ｐｓに応じた値に低下させることができる。

逆に、圧力検出信号Ｓｐが低下する方向に変動した場合、バイパス弁１４の開度を小さくする方向に調整する。これにより、蒸気加減弁１２を通過する蒸気流量が減少する。一方、蒸気加減弁１２を通過する蒸気流量及び三方弁３０に流入する蒸気流量は一定である。したがって、原子炉２から流出する蒸気流量が一時的に減少するので、原子炉２内の圧力を圧力設定値Ｐｓに応じた値に上昇させることができる。

３つの弁の制御方法の具体例として、蒸気タービン３の出力（タービン蒸気流量）を定格の９０％から１００％の間で調整することで負荷に追従させる負荷追従運転を行う場合を想定する。この場合、例えば図９及び図１０に示すように、蒸気加減弁１２を通過する蒸気流量が定格のタービン蒸気流量の９０％になるように蒸気加減弁１２の開度を固定する。また、蒸気加減弁１２を通過する蒸気流量（定格の９０％）と三方弁３０を通過して第１出口配管２３を介して主蒸気配管１１に合流する蒸気流量との合計流量が速度偏差に基づいて演算された目標タービン蒸気流量になるように、三方弁３０の第１出口配管２３側へ分流する蒸気流量と第２出口配管２４側へ分流する蒸気流量をそれぞれ定格の０％～１０％及び１０％～０％の間で調整する。すなわち、三方弁３０に流入する蒸気流量（分流配管２１の入口配管２２を流れる蒸気流量）を定格の１０％とし、合計流量が定格の１０％となる範囲内で第１出口配管２３側と第２出口配管２４側とに分流する蒸気流量の分配比率を速度偏差の大きさに応じて調整する。例えば、第１出口配管２３側が定格の７％の流量の場合、第２出口配管２４側は定格の３％の流量となる。また、バイパス弁１４の開度を略全閉状態に設定しつつ、その開度を原子炉２内の圧力が一定になるように微調整する。

この具体例では、蒸気加減弁１２を通過する蒸気と三方弁３０から第１出口配管２３を介して主蒸気配管１１に合流する蒸気の合計流量（すなわち、タービン蒸気流量）を速度偏差に応じて９０％～１００％の間で調整することで、蒸気タービン３の出力を負荷に追従させている。また、三方弁３０から第２出口配管２４を介してタービンバイパス配管１３に流入する蒸気流量を速度偏差に応じて０％～１０％の間で調整することで、負荷追従の際に生じる余剰蒸気を復水器へ排出している。また、バイパス弁１４を通過する蒸気流量を略０にすることで、熱損失を抑制している。

このように、本実施の形態の制御方法では、蒸気タービン３の出力を負荷に追従させてタービン速度に応じてタービン出力を制御する速度制御を三方弁３０の２つの出口の分配比率を調整することのみで行うと同時に、原子炉２内の圧力を一定に維持する圧力制御をバイパス弁１４の開度を調整することのみで行っている。

上述した本発明の原子力発電プラント及び原子力発電プラントの制御方法の一実施の形態によれば、三方弁３０によって第１出口配管２３へ分流する蒸気流量と第２出口配管２４へ分流する蒸気流量の分配比率を変更することで、蒸気タービン３に導入される蒸気流量（タービン蒸気流量）と蒸気タービン３を迂回して流れる蒸気流量（バイパス蒸気流量）との合計流量を原子炉２内で発生する蒸気量と一致させつつ、タービン蒸気流量とバイパス蒸気流量の流量比率を調整して発電機７の出力（蒸気タービン３の出力）を変更することが可能である。したがって、発電機出力を負荷に追従させつつ原子炉圧力の安定性を担保する（原子炉２内の圧力変動の発生を防止する）ことができる。

［その他の実施の形態］
なお、本発明は上述した一実施の形態に限られるものではなく、様々な変形例が含まれる。上記した実施形態は本発明をわかり易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るものではない。例えば、ある実施形態の構成の一部を他の実施の形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施の形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加、削除、置換をすることも可能である。

例えば、上述した一実施の形態においては、タービンバイパス配管１３の下流側が復水器４に接続された構成の例を示した。しかし、タービンバイパス配管１３は、主蒸気配管１１における蒸気加減弁１２よりも上流側の部分から分岐して蒸気タービン３を迂回する構成であればよい。例えば、タービンバイパス配管１３の下流側が復水給水系統５に接続される構成も可能である。

また、上述した一実施の形態においては、主蒸気配管１１から分岐するタービンバイパス配管１３及び分流配管２１が同一箇所から分岐した構成の例を示した。しかし、タービンバイパス配管１３及び分流配管２１は、蒸気加減弁１２よりも上流側で分岐すればよく、互いが異なる位置から分岐する構成も可能である。

また、上述した一実施の形態においては、主蒸気配管１１に圧力検出器４２を設けた構成の例を示したが、原子炉２内の圧力を直接検出可能な部分に圧力検出器を設けることも可能である。

１…原子力発電プラント、２…原子炉、３…蒸気タービン、４…復水器５…復水給水系統７…発電機、１１…主蒸気配管、１２…蒸気加減弁、１３…タービンバイパス配管、１４…バイパス弁、２１…分流配管、２２…入口配管、２３…第１出口配管、２４…第２出口配管、３０…三方弁、３１…三方弁入力ポート、３２…三方弁第１流出ポート、３３…三方弁第２流出ポート、３５…三方弁弁本体、３６…三方弁弁座、３７…三方弁弁体、４１…速度検出器、４２…圧力検出器、４３…第１流量検出器、４４…第２流量検出器、５０…制御装置（電気油圧式制御装置）、５１…電気油圧式制御装置入力部、５２…電気油圧式制御装置記憶部、５３…電気油圧式制御装置圧力制御部、５４…電気油圧式制御装置タービン速度制御部、５５…電気油圧式制御装置出力部

Claims

蒸気を発生させる原子炉と、
前記原子炉で発生した蒸気により駆動する蒸気タービンと、
前記蒸気タービンに連結された発電機と、
前記原子炉と前記蒸気タービンとを接続する主蒸気配管と、
前記主蒸気配管に設けられた蒸気加減弁と、
前記主蒸気配管における前記蒸気加減弁よりも上流側から分岐して前記蒸気タービンを迂回するタービンバイパス配管と、
前記タービンバイパス配管に設けられたバイパス弁と、
前記主蒸気配管における前記蒸気加減弁よりも上流側から分岐した入口配管と前記入口配管から二股に分岐して前記主蒸気配管における前記蒸気加減弁よりも下流側の部分及び前記タービンバイパス配管における前記バイパス弁よりも下流側の部分にそれぞれ接続された第１出口配管及び第２出口配管とで構成された分流配管と、
前記分流配管の分岐部に設けられた三方弁とを備え、
前記三方弁は、前記入口配管から前記第１出口配管へ分流する蒸気流量と前記第２出口配管へ分流する蒸気流量の分配比率を調整するように構成されている
ことを特徴とする原子力発電プラント。
請求項１に記載の原子力発電プラントにおいて、
前記蒸気タービンの回転速度を検出する速度検出器と、
前記原子炉内の圧力に対応する圧力を検出する圧力検出器と、
前記蒸気加減弁及び前記バイパス弁の開度を制御すると共に、前記三方弁における前記第１出口配管側と前記第２出口配管側の開口比率を制御する制御装置とを更に備え、
前記制御装置は、運転モードが前記発電機の出力を負荷変動に応じて追従させる負荷追従運転の場合、
前記蒸気加減弁の開度を予め設定された開度に固定し、
前記三方弁における前記第１出口配管側と前記第２出口配管側の開口比率を、前記速度検出器が検出した速度検出値と予め設定された速度設定値との偏差に基づき調整し、
前記圧力検出器が検出した圧力検出値と予め設定された圧力設定値との偏差に基づき前記バイパス弁の開度を調整する
ことを特徴とする原子力発電プラント。
請求項２に記載の原子力発電プラントにおいて、
前記制御装置は、運転モードが前記原子炉内の圧力を一定に維持することを優先する通常運転の場合、
前記バイパス弁の開度を予め設定された開度に固定し、
前記三方弁における前記第１出口配管側と前記第２出口配管側の開口比率を予め設定された開口比率に固定し、
前記圧力検出器が検出した圧力検出値と予め設定された圧力設定値との偏差に基づき前記蒸気加減弁の開度を調整する
ことを特徴とする原子力発電プラント。
原子炉で発生した蒸気を蒸気タービンに導く主蒸気配管に設けられた蒸気加減弁と、
前記主蒸気配管における前記蒸気加減弁よりも上流側から分岐して前記蒸気タービンを迂回するタービンバイパス配管に設けられたバイパス弁と、
前記主蒸気配管の前記蒸気加減弁よりも上流側を流れる蒸気の一部を前記蒸気加減弁及び前記バイパス弁を介さずに前記主蒸気配管の前記蒸気加減弁よりも下流側と前記タービンバイパス配管の前記バイパス弁よりも下流側とに分流させる分流配管の分岐部に設けられた三方弁とを備える原子力発電プラントの制御方法であって、
運転モードが発電機出力を負荷変動に応じて追従させる負荷追従運転である場合、
前記蒸気加減弁の開度を予め設定された開度に固定することで、前記蒸気加減弁を通過して前記蒸気タービンに導入される蒸気流量を一定とし、
前記三方弁を介して前記主蒸気配管と前記タービンバイパス配管とに分流する蒸気流量の分配比率を調整することで、前記分流配管を介して前記主蒸気配管に合流して前記蒸気タービンに導入される蒸気流量を変動させて前記蒸気タービンの回転速度に応じたタービン出力に制御し、
前記バイパス弁の開度を調整することで、前記バイパス弁を通過して前記蒸気タービンを迂回する蒸気流量を変動させて前記原子炉内の圧力を一定に維持する
ことを特徴とする原子力発電プラントの制御方法。
請求項４に記載の原子力発電プラントの制御方法において、
運転モードが前記原子炉内の圧力を一定に維持することを優先する通常運転の場合、
前記バイパス弁の開度を予め設定された開度に固定することで、前記バイパス弁を通過して前記蒸気タービンを迂回する蒸気流量を一定とし、
前記三方弁を介して前記主蒸気配管と前記タービンバイパス配管とに分流する蒸気流量の分配比率を固定することで、前記分流配管を介して前記主蒸気配管に合流して前記蒸気タービンに導入される蒸気流量及び前記タービンバイパス配管に合流して前記蒸気タービンを迂回する蒸気流量を一定とし、
前記蒸気加減弁の開度を調整することで、前記蒸気加減弁を通過して前記蒸気タービンに導入される蒸気流量を変動させて前記原子炉内の圧力を一定に維持する
ことを特徴とする原子力発電プラントの制御方法。