JP7489340B2

JP7489340B2 - 原子力発電プラントの出力制御装置及び出力制御方法

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Publication number: JP7489340B2
Application number: JP2021009920A
Authority: JP
Inventors: 幸徳片桐; 洋平村上
Original assignee: Hitachi GE Nuclear Energy Ltd
Current assignee: Hitachi GE Nuclear Energy Ltd
Priority date: 2021-01-25
Filing date: 2021-01-25
Publication date: 2024-05-23
Anticipated expiration: 2041-01-25
Also published as: JP2022113590A

Description

本発明は、原子力発電プラントの出力制御装置及び出力制御方法に関する。

従来、沸騰水型原子力発電プラントにおける発電機出力制御は、目標発電機出力値（出力目標値）と現在の実発電機出力値（実出力値）との間に偏差が生じた場合、偏差に応じて原子炉出力を調整するとともに、原子炉からタービンに送気する蒸気（主蒸気）の量を調整することで実出力値を出力目標値に一致させている。

例えば特許文献１には、従来の出力制御装置の一例が記載されている。特許文献１によれば、最初に原子炉出力の調整手段として出力目標値と実出力値との偏差に基づいて再循環ポンプの速度を調整する。これにより原子炉の炉心を流れる冷却材（冷却水）の流量が変化し、原子炉の出力変化がもたらされる。次に、原子炉の出力変化に応じてタービンに送出する主蒸気の量を蒸気加減弁で調整する。これにより出力目標値と実出力値が一致する。そして特許文献１では、出力目標値に対する実出力値の制御遅れを抑制するため、本来の出力目標値とは別に制御用の出力目標値を設定し、これを用いて制御遅れを先行的に補償する構成が開示されている。

また、特許文献２には、主蒸気によって駆動する蒸気タービンの中間段落から抜き出される蒸気（抽気蒸気）に着目し、抽気蒸気の量の増減により実出力値を調節する手段を追加した別の従来の出力制御装置が記載されている。この出力制御装置では、出力目標値と実出力値との偏差に基づいて原子炉出力を上昇させた後、出力目標値と実出力値になお偏差が生じる場合に、抽気蒸気の量を制御して実出力値の上昇を補助する構成になっている。

特開昭６４－９１０９５号公報特開２０１７－１９４３１２号公報

特許文献１，２に記載された従来技術は、以下に説明するように、出力目標値の変化に近似した実出力値の変化を実現する原子力発電プラントの出力制御を実現することが要望されていた。

例えば、近年、温室効果ガスの排出量削減を目標として、再生可能エネルギー発電の導入と、温室効果ガスの排出源の一つである火力発電プラントの廃止が進められている。太陽光発電や風力発電に代表される再生可能エネルギー発電は、昼夜や天候・気候によって発電量が時々刻々変化する。そのため、電力の需要と供給を常にバランスさせて運用する電力系統にあっては、再生可能エネルギーの発電量の変動を吸収し、電力系統を安定的に運用するための発電手段（調整力）が必要となる。これまで、電力系統を安定的に運用するための調整力として火力発電プラントがその役割を担ってきたが、温室効果ガスの排出量削減の目標に対応して順次廃止が見込まれており、火力発電を代替する調整力が必要となる。このような状況に鑑み、出力一定での運転が前提とされる原子力発電プラントにおいても、電力系統からの指令に応じた負荷追従運転、すなわち調整力としての活用が検討されている。

しかしながら、沸騰水型原子炉を有する原子力発電プラントでは、出力目標値の変化に対し、実出力値の遅れが顕著である。これは、原子炉内の核反応度を調整するための手段（例えば制御棒）の動作開始から実際に核反応が増加/減少するまでの遅れや、増加/減少した核反応により燃料内で発生した熱が冷却水に伝わるまでの遅れに起因する。これらの遅れを無視して原子炉の出力を急激に変化した場合、燃料棒内部に発生する熱応力や熱変形により燃料棒の健全性が損なわれ、原子炉ひいては原子力発電プラントを安全に運転することが困難となる。

原子力発電を調整力として活用可能とするという課題に対し、特許文献１，２に記載された従来技術は、原子炉の出力変更で対応するが、いずれも燃料棒の健全性を考慮しての運用が前提となる。また、再生可能エネルギーからの発電量の変化は、昼夜や天候・気候によってそれぞれ異なるが、特に太陽光発電における天候の変化、風力発電における風況の変化は数秒や数分といった極めて短い時間で発生する。そのため、これら変化に起因する発電量の変化を原子炉の出力変更で対応することは極めて難しい。また、特許文献２では、急速な出力変更に対応する手段として、抽気蒸気の量を調整するという手段を採用する。しかしながら抽気蒸気量の調整は、原子炉の出力変更に伴う遅れを補償するためのものである。そのため、特許文献２に記載の原子炉は、昼夜や天候の変化にともない、変化量や変化幅の差異こそあれ常に出力を変更する運用が求められる。

本発明は、前記した課題を解決するためになされたものであり、出力目標値の変化に近似した実出力値の変化を実現する原子力発電プラントの出力制御装置及び出力制御方法を提供することを主な目的とする。

前記目的を達成するため、本発明は、原子力発電プラントの出力制御装置であって、原子炉で発生した蒸気で駆動する高圧蒸気タービンから流出した抽気蒸気の流量を調整する高圧抽気弁と、前記高圧蒸気タービンの駆動後に再加熱された蒸気で駆動する低圧蒸気タービンから流出した抽気蒸気の流量を調整する低圧抽気弁と、原子力発電プラントの出力目標値に基づいて前記高圧抽気弁及び前記低圧抽気弁を制御する弁制御手段と、を備え、前記弁制御手段は、前記出力目標値の単位時間当たりの変化率である出力変化率と変化時の前記出力目標値の総変化量である出力変化量とを求める出力目標値信号分配手段を有する構成とする。
その他の手段は、後記する。

本発明によれば、出力目標値の変化に近似した実出力値の変化を実現することができる。

実施形態１に係る出力制御装置を備えた原子力発電プラントの概略構成図である。実施形態１に係る出力制御装置の概略構成図である。実施形態１に係る出力制御装置における出力目標値信号分配手段の概略構成図である。出力目標値の説明図である。実施形態１に係る出力制御装置の出力制御による低圧抽気弁開度と低圧蒸気タービン出力との関係説明図である。実施形態１に係る出力制御装置の出力制御による高圧抽気弁開度と高圧蒸気タービン出力との関係説明図である。実施形態１に係る出力制御装置の出力制御による原子力発電プラントの実出力値（発電出力値）の説明図である。実施形態２に係る出力制御装置の概略構成図である。実施形態３に係る出力制御装置の説明図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態（以下、「本実施形態」と称する）について詳細に説明する。なお、各図は、本発明を十分に理解できる程度に、概略的に示しているに過ぎない。よって、本発明は、図示例のみに限定されるものではない。また、各図において、共通する構成要素や同様な構成要素については、同一の符号を付し、それらの重複する説明を省略する。

［実施形態１］
＜原子力発電プラントの構成＞
以下、図１を参照して、本実施形態１に係る原子力発電プラント１０の出力制御装置１１の構成について説明する。図１は、本実施形態１に係る出力制御装置１１を備えた原子力発電プラント１０の概略構成図である。本実施形態では、原子力発電プラント１０が沸騰水型原子力発電プラントである場合を想定して説明する。

図１に示す例では、本実施形態１に係る原子力発電プラント１０は、原子炉４０と、蒸気加減弁４１と、高圧蒸気タービン４２と、加熱器４３と、低圧蒸気タービン４４と、発電機４５と、復水器４６と、低圧給水加熱器４７と、原子炉給水ポンプ４８と、高圧給水加熱器４９と、を備えている。

原子炉４０は、内部に燃料体（燃料棒）を装荷し、冷却水を一定水位まで満たす圧力容器である。原子炉４０には、燃料体の反応を制御するための制御棒５２と、図示せぬ燃料棒と冷却水との熱交換量を制御する再循環システム１２とが設けられている。再循環システム１２は、図１に示す原子炉４０の下部から冷却水の一部を抜き出し、原子炉４０の中央部に還流している。再循環システム１２を循環する冷却水の流量調整には再循環ポンプ５５が用いられる。

原子炉４０は、配管６０ａにより高圧蒸気タービン４２に接続されている。また、原子炉４０は、配管６０ａから分岐した配管６０ｂにより加熱器４３に接続されている。原子炉４０は、原子炉４０で発生した蒸気を、配管６０ａにより高圧蒸気タービン４２に供給するとともに、配管６０ｂにより加熱器４３に供給する。配管６０ａには、圧力計５６が取り付けられている。圧力計５６は、原子炉圧力Ａ３（図８参照）として、配管６０ａの内部の圧力を測定する。配管６０ａは、原子炉４０と高圧蒸気タービン４２との間に、原子炉４０の出力変化に応じて高圧蒸気タービン４２に送出する主蒸気の量を調整する蒸気加減弁４１を有している。

原子炉４０で発生した蒸気は、蒸気加減弁４１を経て高圧蒸気タービン４２に供給され、高圧蒸気タービン４２を駆動する。高圧蒸気タービン４２の下流側には、加熱器４３が配置されている。高圧蒸気タービン４２の排気は、原子炉４０から分流した蒸気によって加熱器４３で再加熱されたのち、低圧蒸気タービン４４に供給され、低圧蒸気タービン４４を駆動する。高圧蒸気タービン４２と低圧蒸気タービン４４は、タービンシャフト５０で接続されている。そのタービンシャフト５０は、発電機４５に接続されている。原子力発電プラント１０は、高圧蒸気タービン４２及び低圧蒸気タービン４４の駆動時にタービンシャフト５０が回転して発電機４５を駆動することで、電力を発生する。

低圧蒸気タービン４４を駆動した蒸気は、復水器４６に排気され、復水器４６の内部で凝縮・復水して、復水器４６の底部に貯留される。復水器４６の底部に貯留した復水は、復水ポンプ５１で加圧されて低圧給水加熱器４７に供給され、低圧給水加熱器４７で加温される。低圧給水加熱器４７で加温された復水は、原子炉給水ポンプ４８でさらに加圧されて高圧給水加熱器４９に供給され、高圧給水加熱器４９でさらに加温されたのち、給水として原子炉４０に供給される。

なお、図１に示す例では、原子力発電プラント１０は、高圧蒸気タービン４２から抽気した蒸気を抽気配管６８により高圧給水加熱器４９に導き、高圧給水加熱器４９で給水を加熱する構成になっている。また、原子力発電プラント１０は、低圧蒸気タービン４４から抽気した蒸気を抽気配管６９により低圧給水加熱器４７に導き、低圧給水加熱器４７で給水を加熱する構成になっている。図１に示す例では、高圧蒸気タービン４２から抽気した蒸気を高圧給水加熱器４９に導く配管と低圧蒸気タービン４４から抽気した蒸気を低圧蒸気タービン４４に導く配管とを、便宜上それぞれ１本の抽気配管６８，６９として示している。しかしながら、原子力発電プラント１０は、それぞれ複数本の抽気配管６８，６９を備える構成にしてもよい。なお、高圧蒸気タービン４２から抽気した蒸気の抽気量は、抽気配管６８に設けられた高圧抽気弁５３により調整可能になっている。また、低圧蒸気タービン４４から抽気した蒸気の抽気量は、抽気配管６９に設けられた低圧抽気弁５４により調整可能になっている。

原子力発電プラント１０は、全体の動作を制御する出力制御装置１１を備えている。出力制御装置１１は、発電機４５の出力を制御することができる。

＜出力制御装置の構成＞
以下、図２を参照して出力制御装置１１の概略構成について説明する。図２は、出力制御装置１１の概略構成図である。図３は、出力制御装置１１における出力目標値信号分配手段の概略構成図である。

図２に示すように、本実施形態に係る出力制御装置１１は、原子炉出力設定手段２０と、低圧抽気弁開度設定手段２２と、高圧抽気弁開度設定手段２３と、出力目標値信号分配手段３１と、運転切替手段３４と、を有している。低圧抽気弁開度設定手段２２と高圧抽気弁開度設定手段２３と出力目標値信号分配手段３１は、原子力発電プラント１０の出力目標値に基づいて高圧抽気弁５３及び低圧抽気弁５４の開度を制御する弁制御手段１３を構成している。

出力制御装置１１には、中央給電指令所等に設置された外部装置７１から運転切替指令Ａ１２と出力目標値Ａ１が入力されるとともに、発電機４５から実際の発電出力である実出力値Ａ２が入力される。本実施形態では、原子力発電プラント１０は、原子炉４０の出力を一定にして運転しているものとして説明する。出力制御装置１１は、出力目標値Ａ１と実出力値Ａ２との差である出力偏差Ａ１１を運転切替手段３４に入力する。運転切替手段３４は、運転切替指令Ａ１２に基づいて切替後出力偏差Ａ１３を原子炉出力設定手段２０に出力する。

運転切替手段３４は、出力目標値Ａ１の変化時に、原子炉４０の炉心を流れる冷却水の流量調整及び原子炉４０から高圧蒸気タービン４２に送出する主蒸気の流量調整による出力制御と高圧抽気弁５３及び低圧抽気弁５４の開閉による出力制御とのいずれか一方に運転状態を切り替える手段である。「原子炉４０の炉心を流れる冷却水の流量調整及び原子炉４０から高圧蒸気タービン４２に送出する主蒸気の流量調整による出力制御」は、従来技術と同様の出力制御であり、出力目標値の変化に近似した実出力値の変化を実現することを考慮していない出力制御となっている。原子炉４０の炉心を流れる冷却水の流量調整は、再循環ポンプの速度を調整することで行われる。原子炉４０から高圧蒸気タービン４２に送出する主蒸気の流量調整は、蒸気加減弁４１の開度を調整することで行われる。「高圧抽気弁５３及び低圧抽気弁５４の開閉による出力制御」は、本実施形態によって実現された出力制御であり、出力目標値の変化に近似した実出力値の変化を実現することを考慮した出力制御となっている。

運転切替指令Ａ１２が「原子炉４０の炉心を流れる冷却水の流量調整及び原子炉４０から高圧蒸気タービン４２に送出する主蒸気の流量調整による出力制御」を選択する内容である場合に、運転切替手段３４は、切替後出力偏差Ａ１３の値として出力偏差Ａ１１の値を採用（設定）して原子炉出力設定手段２０に出力する。そして、原子炉出力設定手段２０は、出力設定Ａ４の値として出力偏差Ａ１１の値を採用して蒸気加減弁４１に出力する。

この場合に、出力制御装置１１は、出力設定Ａ４としての出力偏差Ａ１１の値に基づいて蒸気加減弁４１の開度を制御する。また出力制御装置１１は、出力設定Ａ４としての出力偏差Ａ１１の値に基づいて制御棒５２や再循環ポンプ５５、原子炉給水ポンプ４８などを制御する。この場合に、出力制御装置１１は、負荷追従運転とは無関係な出力制御を行う。

一方、運転切替指令Ａ１２が「高圧抽気弁５３及び低圧抽気弁５４の開閉による出力制御」を選択する内容である場合に、運転切替手段３４は、切替後出力偏差Ａ１３の値として出力目標値Ａ１と実出力値Ａ２との間の偏差が「無し」となる固定値「０」を採用（設定）して原子炉出力設定手段２０に出力する。そして、原子炉出力設定手段２０は、出力設定Ａ４の値として出力目標値Ａ１と実出力値Ａ２との間の偏差が「無し」となる固定値「０」を採用（設定）して蒸気加減弁４１に出力する。

この場合に、出力制御装置１１は、出力設定Ａ４としての値「０」に基づいて、出力目標値Ａ１と実出力値Ａ２（発電出力値）とが一致するように、蒸気加減弁４１の開度を制御する。また出力制御装置１１は、出力設定Ａ４としての値「０」に基づいて、出力目標値Ａ１と実出力値Ａ２（発電出力値）とが一致するように、制御棒５２や再循環ポンプ５５、原子炉給水ポンプ４８などを制御する。この場合に、出力制御装置１１は、負荷追従運転に対応した出力制御を行う。

また、出力制御装置１１は、外部装置７１から入力された出力目標値Ａ１を出力目標値信号分配手段３１に入力する。出力制御装置１１は、出力目標値信号分配手段３１で出力目標値Ａ１の変化率から変化率指令Ａ１４を算出する。出力目標値信号分配手段３１は、変化率指令Ａ１４を低圧抽気弁開度設定手段２２に出力する。また出力制御装置１１は、出力目標値信号分配手段３１で出力目標値Ａ１が変動する際の変化量を変化量指令Ａ１５として算出し、変化量指令Ａ１５と発電機４５から入力された実出力値Ａ２との差である出力偏差Ａ１６を高圧抽気弁開度設定手段２３に出力する。

低圧抽気弁開度設定手段２２は、変化率指令Ａ１４に基づいて低圧抽気弁開度Ａ６を設定し、低圧抽気弁開度Ａ６を用いて低圧抽気弁５４を開閉する。また、高圧抽気弁開度設定手段２３は、変化量指令Ａ１５と実出力値Ａ２との偏差が０となるように高圧抽気弁開度Ａ７を設定し、高圧抽気弁開度Ａ７を用いて高圧抽気弁５３をフィードバック制御する。

次に、図３を参照して、出力制御装置１１における出力目標値信号分配手段３１の概略構成について説明する。

出力目標値信号分配手段３１は、出力目標値Ａ１を入力し、変化率指令Ａ１４と変化量指令Ａ１５を後続の構成要素に出力する。変化率指令Ａ１４は、出力目標値Ａ１の単位時間当たりの変化量である出力変化率を表している。変化量指令Ａ１５は、変化時の出力目標値Ａ１の総変化量である出力変化量を表している。図３は、その機能を実現するための出力目標値信号分配手段３１の構成を単純化して示している。出力目標値信号分配手段３１は、変化率制限器３３に保持されている出力目標値Ａ１の前回値と今回入力された出力目標値Ａ１との差（すなわち、出力目標値Ａ１の単位時間当たりの変化量）を、変化率指令Ａ１４として、後続の低圧抽気弁開度設定手段２２に出力する。このとき、変化率制限器３３は、出力目標値Ａ１の前回値を保持する遅延手段として機能する。また、出力目標値信号分配手段３１は、出力目標値Ａ１を、変化量指令Ａ１５として、そのまま後続の構成要素に出力する。

図２に戻り、低圧抽気弁開度設定手段２２は、出力目標値Ａ１の出力変化率（単位時間当たりの変化量）を変化率指令Ａ１４として入力し、変化率指令Ａ１４を抽気弁開度の変化分に換算したのち、現在の低圧抽気弁５４の開度をこの変化分に基づいて修正する。

また、高圧抽気弁開度設定手段２３は、変化時の出力目標値Ａ１の総変化量（出力変化量）である変化量指令Ａ１５と実出力値Ａ２との差である出力偏差Ａ１６を入力し、出力偏差Ａ１６に基づいて、実出力値Ａ２が出力目標値Ａ１に追従するように高圧抽気弁５３の開度をフィードバック制御する。

＜出力制御装置による出力制御＞
以下、図４乃至図７を参照して、出力制御装置１１による出力制御について説明する。図４は、出力目標値の説明図である。図５は、出力制御装置１１の出力制御による低圧抽気弁開度と低圧蒸気タービン出力との関係説明図である。図６は、出力制御装置１１の出力制御による高圧抽気弁開度と高圧蒸気タービン出力との関係説明図である。図７は、出力制御装置１１による原子力発電プラント１０の実出力値（発電出力値）の説明図である。

図４は、外部装置７１から出力制御装置１１に与えられた出力目標値Ａ１の一例を示している。図４において、横軸は時間を示しており、縦軸は出力を示している（図５から図７も同様。）。また、図４において、出力目標値Ａ１は、時刻ｔ０で変化を開始し、時刻ｔ１で変化を終了している（図５から図７も同様。）。

図５は、出力制御装置１１の出力制御による低圧抽気弁開度Ａ６と低圧蒸気タービン出力Ｂ１との関係を示している。原子力発電プラント１０は、原子炉４０の出力を一定にして運転している。図５に示すように、時刻ｔ０から時刻ｔ１の間において出力目標値Ａ１（図４参照）が変化を開始すると、出力制御装置１１の低圧抽気弁開度設定手段２２が低圧抽気弁５４を絞ることで、低圧蒸気タービン出力Ｂ１が増大する。このとき、図２に示すように、低圧抽気弁開度設定手段２２は、出力目標値信号分配手段３１から変化率指令Ａ１４を入力し、変化率指令Ａ１４に応じて低圧抽気弁５４の開閉速度を決定する。これにより、低圧抽気弁開度設定手段２２は、変化率指令Ａ１４が大きい場合に高い変化率で低圧抽気弁５４を変化させ、一方、変化率指令Ａ１４が小さい場合に低い変化率で低圧抽気弁５４を変化させる。これにより、出力制御装置１１は、低圧蒸気タービン出力Ｂ１が出力目標値Ａ１（図４参照）の変化に速やかに追従するように、低圧蒸気タービン出力Ｂ１をフィードバック制御することができる。その結果、出力制御装置１１は、出力目標値Ａ１（図４参照）の変化に対して、即応性に優れた低圧蒸気タービン出力Ｂ１の変化を実現することができる。

なお、図５に示すように、低圧蒸気タービン出力Ｂ１は、時刻ｔ０から時刻ｔ１の間において、低圧抽気弁開度Ａ６の開度を絞るにつれて、一時的に上昇するものの、時刻ｔ１以降において、徐々に低下する。このような現象が発生する理由は、以下の通りである。すなわち、その理由は、低圧抽気弁５４の開度を絞ることで、時刻ｔ０から時刻ｔ１の間において、低圧蒸気タービン４４の内部を流れる蒸気量が一時的に上昇することで、低圧蒸気タービン出力Ｂ１の増大の効果が一時的に得られるものの、時刻ｔ１以降において、蒸気排出量の増加にともなって、低圧蒸気タービン４４の入口の蒸気圧力が低下することで、低圧蒸気タービン４４の駆動力が減じるためである。

図６は、出力制御装置１１の出力制御による高圧抽気弁開度Ａ７と高圧蒸気タービン出力Ｂ２との関係を示している。図６に示すように、時刻ｔ０において出力目標値Ａ１（図４参照）が変化を開始すると、出力目標値Ａ１（図２参照）と実出力値Ａ２（図２参照）との偏差が０となるように、出力制御装置１１の高圧抽気弁開度設定手段２３が高圧抽気弁５３の開度を絞ることで、高圧蒸気タービン出力Ｂ２が増大する。このとき、図２に示すように、高圧抽気弁開度設定手段２３は、変化量指令Ａ１５と実出力Ａ２との間の出力偏差Ａ１６を入力し、出力偏差Ａ１６に基づいて高圧抽気弁５３の開度を絞ることで、高圧蒸気タービン出力Ｂ２が緩やかに増大した後、略一定になる。これにより、出力制御装置１１は、発電機４５の一定量以上の発電出力を確保する。

なお、本実施形態において原子力発電プラント１０の実出力値Ａ２（図７参照）は、低圧蒸気タービン出力Ｂ１（図５参照）と高圧蒸気タービン出力Ｂ２（図６参照）との合計値となっている。図７は、出力制御装置１１による原子力発電プラント１０の実出力値（発電出力値）を示している。

実出力値Ａ２（図７参照）には、低圧蒸気タービン出力Ｂ１（図５参照）の時刻ｔ０から時刻ｔ１の間における過渡的な上昇値並びに時刻ｔ１以降における低下値が反映される。出力制御装置１１は、低圧蒸気タービン出力Ｂ１（図５参照）の時刻ｔ０から時刻ｔ１の間における上昇値並びに時刻ｔ１以降における低下値が反映された実出力値Ａ２（図７参照）に基づいて、低圧抽気弁５４の開度を制御する。また、実出力値Ａ２（図７参照）には、高圧蒸気タービン出力Ｂ２（図６参照）の時刻ｔ０から時刻ｔ１の間における緩やかな上昇値並びに時刻ｔ１以降における略一定値が反映される。出力制御装置１１は、高圧蒸気タービン出力Ｂ２（図６参照）の時刻ｔ０から時刻ｔ１の間における緩やかな上昇値並びに時刻ｔ１以降における略一定値が反映された実出力値Ａ２（図７参照）に基づいて、高圧抽気弁５３の開度を制御する。

つまり、図５に示すように、時刻ｔ０から時刻ｔ１の間において、変化率指令Ａ１４の大小に応じて、出力制御装置１１が低圧抽気弁５４の開閉速度を決定して低圧抽気弁５４の開度を絞ることにより、低圧蒸気タービン出力Ｂ１が増大する。また、図６に示すように、時刻ｔ０から時刻ｔ１の間において、出力目標値Ａ１（図２参照）と実出力値Ａ２（図２参照）との偏差が０となるように、出力制御装置１１が高圧抽気弁５３の開度を絞ることにより、高圧蒸気タービン出力Ｂ２が増大する。また、図５に示すように、時刻ｔ１以降において、低圧蒸気タービン出力Ｂ１が緩やかに減少する。また、図６に示すように、時刻ｔ１以降において、高圧蒸気タービン出力Ｂ２が略一定値となる。

このような出力制御装置１１は、原子炉４０の出力を一定とするとともに、実出力値Ａ２（図７参照）を出力目標値Ａ１（図７参照）に追従させるように、低圧蒸気タービン出力Ｂ１（図５参照）及び高圧蒸気タービン出力Ｂ２（図６参照）をフィードバック制御することができる。その結果、出力制御装置１１は、出力目標値Ａ１（図７参照）の変化に近似した実出力値Ａ２（図７参照）の変化を実現することができる。また、出力制御装置１１は、出力目標値Ａ１（図７参照）の変化に対して、低圧蒸気タービン出力Ｂ１で即応性に優れた出力特性を確保しながら、高圧蒸気タービン出力Ｂ２で一定値以上の出力特性を確保することができる。

出力制御装置１１は、原子炉４０の出力を一定とするとともに、高圧蒸気タービン４２及び低圧蒸気タービン４４の抽気蒸気の流量を調整することで、再生可能エネルギーからの発電量変化を吸収して、出力目標値の変化に近似した実出力値の変化を実現することができる。換言すると、出力制御装置１１は、原子力発電プラント１０に対する出力目標値Ａ１の変化量を少なくとも二つ以上の抽気蒸気の流量で調整することで、原子炉４０の出力を一定に保ちつつ、再生可能エネルギーに起因する発電量の変化を補償することができる。

以上の通り、本実施形態１に係る出力制御装置１１によれば、出力目標値Ａ１（図７参照）の変化に近似した実出力値Ａ２（図７参照）の変化を実現することができる。

［実施形態２］
以下、図８を参照して、本実施形態２に係る出力制御装置１１Ａの構成について説明する。図８は、本実施形態２に係る出力制御装置１１Ａの概略構成図である。本実施形態に係る出力制御装置１１Ａは、原子炉出力設定手段２０で得られた出力設定Ａ４に基づいて、高圧抽気弁５３及び低圧抽気弁５４の開閉制御並びに原子炉４０の圧力制御を行うものである。

図８に示すように、本実施形態２に係る出力制御装置１１Ａは、実施形態１に係る出力制御装置１１（図２参照）と比較すると、以下の点で相違している。
（１）タービン負荷指令設定手段２６を備える点。
（２）圧力調整手段１４を備える点。

タービン負荷指令設定手段２６を備える点について、出力制御装置１１Ａは、高圧抽気弁５３及び低圧抽気弁５４の開閉制御（つまり、高圧蒸気タービン４２及び低圧蒸気タービン４４の出力制御）に際して、出力目標値Ａ１をタービン負荷指令設定手段２６に入力する。タービン負荷指令設定手段２６は、出力目標値Ａ１に基づいてタービン負荷指令Ａ１０を取得する。そして、出力制御装置１１Ａは、原子炉出力設定手段２０で取得された出力設定Ａ４とタービン負荷指令設定手段２６で取得されたタービン負荷指令Ａ１０との出力偏差Ａ１７を蒸気加減弁開度設定手段２１に入力する。蒸気加減弁開度設定手段２１は、出力偏差Ａ１７が０となるように、蒸気加減弁開度Ａ５を決定し、蒸気加減弁４１の開度を制御する。

また、圧力調整手段１４を備える点について、圧力調整手段１４は、原子炉圧力指令設定手段３２と、再循環流量制御指令設定手段２４と、制御棒位置設定手段２５と、を有している。原子炉圧力指令設定手段３２は、原子炉４０内の圧力を表す原子炉圧力Ａ３に基づいて原子炉圧力指令Ａ１８を取得する構成要素である。再循環流量制御指令設定手段２４は、再循環ポンプ５５による冷却水の再循環流量を制御する構成要素である。制御棒位置設定手段２５は、原子炉４０内での制御棒５２の位置を設定する構成要素である。

出力制御装置１１Ａは、原子炉４０の圧力制御に際しては、圧力計５６から原子炉圧力Ａ３を原子炉圧力指令設定手段３２に入力する。原子炉圧力指令設定手段３２は、原子炉圧力Ａ３に基づいて原子炉圧力指令Ａ１８を取得する。そして、出力制御装置１１Ａは、原子炉出力設定手段２０で取得された出力設定Ａ４と原子炉圧力指令設定手段３２で取得された原子炉圧力指令Ａ１８との出力偏差Ａ１９を再循環流量制御指令設定手段２４と制御棒位置設定手段２５とに入力する。再循環流量制御指令設定手段２４は、出力偏差Ａ１９が０となるように、再循環流量制御指令Ａ８を決定し、再循環ポンプ５５による冷却水の再循環流量を制御する。また、制御棒位置設定手段２５は、出力偏差Ａ１９が０となるように、制御棒位置設定Ａ９を決定し、原子炉４０内での制御棒５２の位置を設定する。

出力制御装置１１Ａは、原子炉４０内の圧力上昇時（つまり、出力上昇時）に、高圧蒸気タービン４２及び低圧蒸気タービン４４の抽気量を絞るように動作する。このような出力制御装置１１Ａは、本来、低圧給水加熱器４７及び高圧給水加熱器４９において給水を加温するための蒸気が不足するため、原子炉４０に供給する給水温度を低下させることができる。原子炉４０において給水温度の低下は、炉心における冷却水温度の低下、冷却水が蒸発する際に発生する気泡（ボイド）の減少、ボイドの減少による炉心部の反応促進、及び、炉心からの蒸発量の増大をもたらす。そして蒸発量の増大は、原子炉圧力Ａ３の上昇として顕現する。出力制御装置１１Ａは、再循環ポンプ５５の回転速度を下げ、原子炉４０内を再循環する冷却水の流量を低下させることで、燃料棒から冷却水への伝熱を促進する。そして、出力制御装置１１Ａは、ボイドの発生を増加させることで、原子炉圧力Ａ３を一定に維持する。

また、出力制御装置１１Ａは、低圧抽気弁５４の開度及び高圧抽気弁５３の開度を制御することで発電機４５の出力を制御する。運転切替指令Ａ１２が「高圧抽気弁５３及び低圧抽気弁５４の開閉による出力制御」を選択する内容である場合に、原子炉出力設定手段２０からの出力設定Ａ４は、現状の原子炉４０の出力を維持する内容となる。そのため、蒸気加減弁開度設定手段２１は、現状の蒸気加減弁開度Ａ５を維持する。そして原子力発電プラント１０の出力は、低圧抽気弁５４の開度及び高圧抽気弁５３の開度によって制御される。

なお、出力制御時において低圧抽気弁５４及び高圧抽気弁５３の開閉動作により原子炉圧力Ａ３が変動した場合に、再循環流量制御指令設定手段２４は、出力設定Ａ４と原子炉圧力指令Ａ１８との出力偏差Ａ１９が０となるように、再循環流量制御指令Ａ８を決定し、再循環ポンプ５５による冷却水の再循環流量を制御する。また、制御棒位置設定手段２５は、出力偏差Ａ１９が０となるように、制御棒位置設定Ａ９を決定し、原子炉４０内での制御棒５２の位置を設定する。これにより出力制御装置１１Ａは、出力制御時においても原子炉４０を一定出力で運用することができる。

以上の通り、本実施形態２に係る出力制御装置１１Ａによれば、実施形態１に係る出力制御装置１１と同様に、原子炉の出力を一定とするとともに、出力目標値の変化に近似した実出力値の変化を実現することができる。しかも、本実施形態２に係る出力制御装置１１Ａによれば、実施形態１に係る出力制御装置１１Ａに比べて、原子炉４０の圧力制御を行うことができる。

［実施形態３］
以下、図９を参照して、本実施形態３に係る出力制御装置１１Ｂの構成について説明する。図９は、本実施形態３に係る出力制御装置１１Ｂの構成を示す図である。本実施形態に係る出力制御装置１１Ｂは、複数の抽気配管６８，６９を有する構成になっている原子力発電プラント１０に用いられる。そして、出力制御装置１１Ｂは、出力目標値Ａ１の変化時に、低圧蒸気タービン４４から流出した抽気蒸気を複数の低圧給水加熱器４７に導くための複数の抽気配管６９のうち、単相の蒸気のみが流れる抽気配管６９に設けられた低圧抽気弁５４のみを作動させるものである。つまり、出力制御装置１１Ｂは、蒸気と水滴とが混合した混合相の水成分が流れる抽気配管６９に設けられた低圧抽気弁５４を作動させないものである。

図９に示すように、本実施形態３に係る出力制御装置１１Ｂは、実施形態１に係る出力制御装置１１（図１参照）と比較すると、以下の点で相違している。
（１）出力制御装置１１Ｂは、複数の高圧抽気弁５３ａ，５３ｂ，５３ｃ，５３ｚに高圧抽気弁開度Ａ７ａ，Ａ７ｂ，Ａ７ｃ，Ａ７ｚを選択的に出力することができる点。
（２）出力制御装置１１Ｂは、複数の低圧抽気弁５４ａ，５４ｂ，５４ｃ，５４ｚに低圧抽気弁開度Ａ６ａ，Ａ６ｂ，Ａ６ｃ，Ａ６ｚを選択的に出力することができる点。
（３）出力制御装置１１Ｂは、複数の抽気配管６９ａ，６９ｂ，６９ｃ，６９ｚのうち、単相の蒸気のみが流れる抽気配管６９ａ，６９ｂ，６９ｃに設けられた低圧抽気弁５４ａ，５４ｂ，５４ｃに低圧抽気弁開度Ａ６ａ，Ａ６ｂ，Ａ６ｃを出力し、混合相の水成分が流れる抽気配管６９ｚに設けられた低圧抽気弁５４ｚに低圧抽気弁開度Ａ６ｚを出力しない点。

なお、本実施形態では、原子力発電プラント１０は、高圧蒸気タービン４２から流出した抽気蒸気を複数の高圧給水加熱器４９ａ，４９ｂ，４９ｃ，４９ｚに導くための複数の抽気配管６８ａ，６８ｂ，６８ｃ，６８ｚを備えている。各抽気配管６８ａ，６８ｂ，６８ｃ，６８ｚには、それぞれに対応する高圧抽気弁５３ａ，５３ｂ，５３ｃ，５３ｚが設けられている。また、原子力発電プラント１０は、低圧蒸気タービン４４から流出した抽気蒸気を複数の低圧給水加熱器４７ａ，４７ｂ，４７ｃ，４７ｚに導くための複数の抽気配管６９ａ，６９ｂ，６９ｃ，６９ｚを備えている。各抽気配管６９ａ，６９ｂ，６９ｃ，６９ｚには、それぞれに対応する低圧抽気弁５４ａ，５４ｂ，５４ｃ，５４ｚが設けられている。また、複数の低圧給水加熱器４７ａ，４７ｂ，４７ｃ，４７ｚと複数の抽気配管６８ａ，６８ｂ，６８ｃ，６８ｚとの間には、それぞれに対応する原子炉給水ポンプ４８ａ，４８ｂ，４８ｃ，４８ｚが設けられている。

このような出力制御装置１１Ｂは、出力目標値Ａ１の変化時に、低圧蒸気タービン４４から流出した抽気蒸気を複数の低圧給水加熱器４７に導くための複数の抽気配管６９のうち、単相の蒸気のみが流れる抽気配管６９ａ，６９ｂ，６９ｃに設けられた低圧抽気弁５４ａ，５４ｂ，５４ｃのみを選択的に作動させことができる。また、混合相の水成分が流れる抽気配管６９ｚに設けられた低圧抽気弁５４ｚを作動させないようにすることができる。

本発明は、前記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、前記した実施形態は、本発明を分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。また、実施形態の構成の一部を他の構成に置き換えることが可能であり、また、実施形態の構成に他の構成を加えることも可能である。また、各構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

本発明は、原子力発電プラント１０、なかでも原子炉４０で発生した主蒸気をタービンに送出して、発電する沸騰水型原子力発電プラントおよびその出力制御装置１１に利用可能である。

なお、本実施形態では出力目標値信号分配手段３１において変化率指令Ａ１４を出力目標値Ａ１の時間変化率から求めたが、原子力発電プラント１０が出力制御しうる最大変化量以下の範囲において、運転員、中央給電指令所などが直接変化率を指令値として与えてもよい。

また、出力目標値信号分配手段３１において変化量指令Ａ１５を出力目標値Ａ１と同一と設定したが、出力目標値Ａ１が原子炉の定格出力を越えた場合にのみ出力目標値Ａ１を与えるとともに、原子炉４０の定格出力未満では変化量指令を実出力値と同一の値として高圧抽気弁制御を停止し、また変化率指令を０とすることで通常の出力制御に切り替えてもよい。

さらにまた、本実施形態では出力制御の対象である原子力発電プラント１０を沸騰水型原子力発電プラントとしたが、図２に示した出力制御装置１１は、発電出力と原子炉出力設定、ならびに発電出力と高圧抽気弁および低圧抽気弁の関係を示したものであり、原子炉および発電方式を限定するものではない。本実施形態を適用しうる原子力発電プラント１０の構成要件は、出力を設定可能な原子炉、原子炉で発生した蒸気で駆動する高圧蒸気タービン４２、高圧蒸気タービン４２からの抽気蒸気の流量を調整するための高圧抽気弁、高圧蒸気タービン４２の駆動後に再加熱された蒸気で駆動する低圧蒸気タービン４４、低圧蒸気タービン４４からの抽気蒸気の流量を調整するための低圧抽気弁である。すなわち本実施形態は、沸騰水型原子力発電プラントのみならず、高圧蒸気タービン４２、低圧蒸気タービン４４を備えた加圧水型原子力発電プラントにも適用可能である。

１０原子力発電プラント
１１，１１Ａ，１１Ｂ出力制御装置
１２再循環システム
１３弁制御手段
１４圧力調整手段
２０原子炉出力設定手段
２１蒸気加減弁開度設定手段
２２低圧抽気弁開度設定手段
２３高圧抽気弁開度設定手段
２４再循環流量制御指令設定手段
２５制御棒位置設定手段
２６タービン負荷指令設定手段
３１出力目標値信号分配手段
３２原子炉圧力指令設定手段
３３変化率制限器（遅延手段）
３４運転切替手段
４０原子炉
４１蒸気加減弁
４２高圧蒸気タービン
４３加熱器
４４低圧蒸気タービン
４５発電機
４６復水器
４７，４７ａ，４７ｂ，４７ｃ，４７ｚ低圧給水加熱器
４８，４８ａ，４８ｂ，４８ｃ，４８ｚ原子炉給水ポンプ
４９，４９ａ，４９ｂ，４９ｃ，４９ｚ高圧給水加熱器
５０タービンシャフト
５１復水ポンプ
５２制御棒
５３，５３ａ，５３ｂ，５３ｃ，５３ｚ高圧抽気弁
５４，５４ａ，５４ｂ，５４ｃ，５４ｚ低圧抽気弁
５５再循環ポンプ
５６圧力計
６０ａ，６０ｂ配管
６８，６８ａ，６８ｂ，６８ｃ，６８ｚ，６９，６９ａ，６９ｂ，６９ｃ，６９ｚ抽気配管
７１外部装置
Ａ１出力目標値
Ａ２実出力値（発電出力値）
Ａ３原子炉圧力
Ａ４出力設定
Ａ５蒸気加減弁開度
Ａ６，Ａ６ａ，Ａ６ｂ，Ａ６ｃ，Ａ６ｚ低圧抽気弁開度
Ａ７，Ａ７ａ，Ａ７ｂ，Ａ７ｃ，Ａ７ｚ高圧抽気弁開度
Ａ８再循環流量制御指令
Ａ９制御棒位置設定
Ａ１０タービン負荷指令
Ａ１１，Ａ１６，Ａ１７，Ａ１９出力偏差
Ａ１２運転切替指令
Ａ１３切替後出力偏差
Ａ１４変化率指令（出力変化率）
Ａ１５変化量指令（出力変化量）
Ａ１８原子炉圧力指令
Ｂ１低圧蒸気タービン出力
Ｂ２高圧蒸気タービン出力

Claims

原子炉で発生した蒸気で駆動する高圧蒸気タービンから流出した抽気蒸気の流量を調整する高圧抽気弁と、
前記高圧蒸気タービンの駆動後に再加熱された蒸気で駆動する低圧蒸気タービンから流出した抽気蒸気の流量を調整する低圧抽気弁と、
原子力発電プラントの出力目標値に基づいて前記高圧抽気弁及び前記低圧抽気弁を制御する弁制御手段と、を備え、
前記弁制御手段は、前記出力目標値の単位時間当たりの変化率である出力変化率と変化時の前記出力目標値の総変化量である出力変化量とを求める出力目標値信号分配手段を有する
ことを特徴とする原子力発電プラントの出力制御装置。
請求項１に記載の原子力発電プラントの出力制御装置において、
前記弁制御手段は、さらに、
前記出力目標値の変化時に、前記出力目標値信号分配手段の第１の出力である出力変化率に基づいて前記低圧抽気弁の開度を設定する低圧抽気弁開度設定手段と、
前記出力目標値信号分配手段の第２の出力である出力変化量と実出力値の差とに基づいて前記高圧抽気弁の開度を設定する高圧抽気弁開度設定手段と、を有する
ことを特徴とする原子力発電プラントの出力制御装置。
原子炉で発生した蒸気で駆動する高圧蒸気タービンから流出した抽気蒸気の流量を調整する高圧抽気弁と、
前記高圧蒸気タービンの駆動後に再加熱された蒸気で駆動する低圧蒸気タービンから流出した抽気蒸気の流量を調整する低圧抽気弁と、
原子力発電プラントの出力目標値に基づいて前記高圧抽気弁及び前記低圧抽気弁を制御する弁制御手段と、
前記出力目標値の変化時に、前記原子炉の炉心を流れる冷却水の流量調整及び前記原子炉から前記高圧蒸気タービンに送出する主蒸気の流量調整による出力制御と前記高圧抽気弁及び前記低圧抽気弁の開閉による出力制御とのいずれか一方に運転状態を切り替える運転切替手段を備える
ことを特徴とする原子力発電プラントの出力制御装置。
原子炉で発生した蒸気で駆動する高圧蒸気タービンから流出した抽気蒸気の流量を調整する高圧抽気弁と、
前記高圧蒸気タービンの駆動後に再加熱された蒸気で駆動する低圧蒸気タービンから流出した抽気蒸気の流量を調整する低圧抽気弁と、
原子力発電プラントの出力目標値に基づいて前記高圧抽気弁及び前記低圧抽気弁を制御する弁制御手段と、を備え、
前記出力目標値の変化時に、前記低圧蒸気タービンから流出した抽気蒸気を複数の低圧給水加熱器に導くための複数の抽気配管のうち、単相の蒸気のみが流れる抽気配管に設けられた低圧抽気弁を作動させる
ことを特徴とする原子力発電プラントの出力制御装置。
請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の原子力発電プラントの出力制御装置において、
前記弁制御手段は、前記出力目標値の変化時に、前記出力目標値に基づいて前記高圧抽気弁及び前記低圧抽気弁の開閉を制御するとともに、前記原子炉の出力を一定とする
ことを特徴とする原子力発電プラントの出力制御装置。
請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の原子力発電プラントの出力制御装置において、
さらに、前記原子炉の圧力に応じて制御棒と再循環ポンプとを制御することで前記原子炉の圧力を調整する圧力調整手段を備える
ことを特徴とする原子力発電プラントの出力制御装置。
原子炉で発生した蒸気で駆動する高圧蒸気タービンから流出した抽気蒸気の流量を調整する高圧抽気弁と、前記高圧蒸気タービンの駆動後に再加熱された蒸気で駆動する低圧蒸気タービンから流出した抽気蒸気の流量を調整する低圧抽気弁と、を備える原子力発電プラントに対して、前記原子力発電プラントの出力目標値に基づいて前記高圧抽気弁及び前記低圧抽気弁を制御し、その際に、前記出力目標値の単位時間当たりの変化率である出力変化率と変化時の前記出力目標値の総変化量である出力変化量とを求める
ことを特徴とする原子力発電プラントの出力制御方法。
原子炉で発生した蒸気で駆動する高圧蒸気タービンから流出した抽気蒸気の流量を調整する高圧抽気弁と、前記高圧蒸気タービンの駆動後に再加熱された蒸気で駆動する低圧蒸気タービンから流出した抽気蒸気の流量を調整する低圧抽気弁と、を備える原子力発電プラントに対して、前記原子力発電プラントの出力目標値に基づいて前記高圧抽気弁及び前記低圧抽気弁を制御するとともに、前記出力目標値の変化時に、前記原子炉の炉心を流れる冷却水の流量調整及び前記原子炉から前記高圧蒸気タービンに送出する主蒸気の流量調整による出力制御と前記高圧抽気弁及び前記低圧抽気弁の開閉による出力制御とのいずれか一方に運転状態を切り替える
ことを特徴とする原子力発電プラントの出力制御方法。
原子炉で発生した蒸気で駆動する高圧蒸気タービンから流出した抽気蒸気の流量を調整する高圧抽気弁と、前記高圧蒸気タービンの駆動後に再加熱された蒸気で駆動する低圧蒸気タービンから流出した抽気蒸気の流量を調整する低圧抽気弁と、を備える原子力発電プラントに対して、前記原子力発電プラントの出力目標値に基づいて前記高圧抽気弁及び前記低圧抽気弁を制御するとともに、前記出力目標値の変化時に、前記低圧蒸気タービンから流出した抽気蒸気を複数の低圧給水加熱器に導くための複数の抽気配管のうち、単相の蒸気のみが流れる抽気配管に設けられた低圧抽気弁を作動させる
ことを特徴とする原子力発電プラントの出力制御方法。