JPH01248098A - 沸騰水型原子炉の小幅・短周期負荷追従運転装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、沸騰水型原子炉（以下ＢＷＲと略記する）の
負荷追従運転装置に係わり、特に小幅で短周期の出力変
更であるガバナーフリー運転や自動周波数調整運転（以
下ＡＦＣと略記する）に好適な出力制御装置に関する。

〔従来の技術〕

従来の装置は特開昭５７−４８２９６号に記載のように
、特に部分負荷しゃ断能力しか持たないプラント、すな
わち１００％以下のバイパス蒸気容量のプラントに対す
る負荷しゃ断能力を向上させるために中間弁と制御弁、
および高圧タービンからの抽気を制御することが考えら
れている。

〔発明が解決しようとする課題〕

ＢＷＲは、２４時間の周期で６０％以上の出力をゆっく
りと変化させるのは、再循環系の流量の設定点を変更す
るだけで容易に達成できる。しかし、一方で、比較的速
い変化を伴う、ガバーフリー運転やＡＦＣ運転において
は、蒸気流量と圧力変動の相互作用によって、■原子炉
内の中性子束が出力変化と共に変動する。■高圧タービ
ンと低圧タービンの間にある湿分分離器内の水位が圧力
変動によって変化し、共にその変化が急激である場合に
は、原子炉に制御棒を緊急挿入（スクラム）するように
なっている。このため、十分な注意と限界をわきまえて
、運転する必要がある。しかし、従来の技術は、負荷が
増大と減少を繰り返えす負荷追従運転を正面から取上げ
たものではなく、上記の問題と、それによってひき起こ
される状態変化についての配慮が十分なされていない。

本発明の目的は小幅、短周期の負荷追従時に中性子束、
湿分分離器内水位の変動を抑制し、さらに給水温度の変
化も補償した、円滑な負荷追従運転を実現する制御シス
テムを提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記の目的は、次の５個の技術手段によって達成できる
。（１）±５％程度までの小幅短周期の出力変更を、全
て低圧タービンで受は持たせる。

（２）低圧タービンの流入蒸Ｘｊｔは、中間阻止弁（以
下、ＩＶ弁と略記）で行なう。（３）高圧タービン出口
から、湿分分離器に到る蒸気配管から、給水加熱器に抽
気している蒸気の量を抽気配管に設けた弁で制御する。

（４）（３）の抽気蒸気の制御は、湿分分離器内の圧力
変化が少なくなるように行なう。（５）給水温度の変化
に伴う、ゆっくりした炉出力の変化は再循環流量によっ
て補償する。また、（３）の抽気量の大きさによって。

このようなモードでの負荷追従の可能幅が決まるが、（
６）この可能幅を越える大幅な負荷変更要求に対しては
、急峻で小幅な成分を抽出して、低圧タービンで受は持
ち、残りを高圧タービンとバイパス系に回わす。

このようにすることによって、圧力変動が原子炉側に伝
わらず、又湿分分離器の水位変動と給水温度の偏在を防
止できる。

〔作用〕

技術手段（１）では、原子炉ではなく、タービン内の蒸
気流量を変更するので非常に速い応答が期待できる。（
２）では、ＩＶ弁は、Ｃｖ弁と同様のすぐれた速溶性を
有しているので、速い応答に向いている。（３）では低
圧タービンと高圧タービンを圧力に関して分離できる唯
一の抽気点であり、通常タービン全体の熱換算出力の１
０％以上を抽気している。（４）では、この抽気の制御
弁はＩＶ弁と同等の速溶性を持ち、１ｖ弁と丁度開閉動
作を逆方向にして、湿分分離器内の圧力変化を無くする
。高圧タービンから見れば、排気圧がほとんど変化しな
いため、高圧タービン入口圧力も変化せず、原子炉圧力
ひいては中性子束も変動しない。（５）では、ＡＦＣや
ＧＦの出力変更がほどよく上側に振れているときは、大
きな熱容量を持つため給水温度はあまり変化しないが、
長時間に亘って、一方の側に出力要求が振れると給水温
度が上がったままか、下がったままになる。

このゆっくりした変化を再循環系で補償することによっ
て、給水温度の偏在をなくする。（６）では大幅な出力
変更に対する、低圧タービンと高圧タービンの役割分担
によって、原子炉圧力の変動を可能なかぎり抑える。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図により説明する。第１
図において番号１〜２２はＢＷＲの主要機器・配管を示
す。番号２３〜２７は主要な弁を示す。

番号３０〜３３は圧力計測信号を１番号３４〜４５は信
号加算要素で、その極性を＋、−で表示する。番号４６
．４７はスイッチ、番号４８〜５９は主要な信号処理演
算部を、番号６０〜６６は、各種の設定点を、ｉ号６７
〜９１は、信号伝送路を、番号９２〜９５は給水加熱用
の抽気蒸気配管を、それぞれ示す。

原子炉１で発生した蒸気は１通常は主蒸気配管４．６を
経由して、高圧タービン７に流入し、排気蒸気は、配管
８により、湿分分離器で、波板によって、水分を落下さ
せ、蒸気のクォリティーを上げで、配管１０によって、
複数台ある低圧タービン１１に導き、復水器１２で凝縮
したのち、配管１４で、復水ポンプ１５により複数台（
通常は６段階３０ｔット程度）ある給水加熱器１６゜１
７．１８，２０により、昇温され、給水ポンプ１９によ
って、原子炉内の水位を一定に保ちつつ、原子炉１に注
入される。

発電機１３の要求以上の蒸気はバイパス配管５によって
直接、復水器１２に戻す。原子炉１の出力、すなわち発
生蒸気量は、（１）制御棒挿入度。

（２）炉内に流入する冷却水の流量（再循環ポンプ３で
変更し、炉心流量の増大が出力増大となる）。

（３）炉内に流入する冷却水の温度を変更する（温度が
低くなると出力が増大する）、（４）Ｊ！子炉の圧力（
Ｐｏ）３２の変更（特に圧力の時間変化率が増大すると
出力が増大する）、によって変化する。（２）〜（４）
はいずれも炉心内のボイドの量の変化に起因するＢＷＲ
特有のものである。

発生蒸気の１部は、給水加熱器１６〜２０の熱源として
、あるいは給水ポンプの駆動動力として用いられる。配
管９２は高圧タービン７の羽根の各段からの抽気を第１
給水加熱器２０に導き、配管９３は、高圧タービン出口
と湿分分離器９を結ぶ配線（クロスアラウンド管と称す
る）８から抽気し、第２給水加熱器１８に供給する。配
管９４は湿分分離器９の内部に形成される自由液面９６
を持つ凝縮水を、第３給水加熱器１７に導く。配管９５
は低圧タービン１１の各羽根段から抽気して、第６〜第
３の給水加熱器に導く。各給水加熱器で凝縮した抽気蒸
気は、配管２２によって、復水器１２に戻される。

以上の基本構造を持つＢＷＲを、系統の要求する負荷に
追従させることを考える。

今、第１図の原子力発電所は、簡単のため、定格の８０
％の出力で定常運転しているとする。この時、再循環ポ
ンプも８０％の流量で、主蒸気流量も８０％とする。バ
イパス流量は零とする。本実施例では発電気１３の出力
（８０％）のうち、約８５％が低圧タービン１１で約１
５％が高圧タービン７で発生される。これは、第２図に
示す１１００ＭＷｅクラスのＢＷＲの熱平衡線図から、
各部を流れる流量と流体のエンタルピの積によるエネル
ギーバランスを求めることによって評価できる。第２図
のクロスアラウンド配管８からの抽気蒸気の総エネルギ
ーＱＥＸは約３．７　Ｘ　Ｉ　Ｏ’Ｋｃａｌ／ｈで、低
圧タービンのエネルギーＱＬｔ：２．３２Ｘ１０９Ｋｃ
ａｌ／　ｈ　　と高圧タービンのエネルギーＱＩ＋Ｔ岬
３．３Ｘ１０♂Ｋｃａｌ／ｈの総和ＱＬｏｒ弓２　、６
５　Ｘ１０９の約１４％に相当する。本実施例では、こ
の抽気蒸気のエネルギーと抽気の場所に着目にして、こ
れをうまく制御することによって、円滑な負荷追従を行
なわせようとするもので、具体的には、第１図で言えば
、配管９３に、中間阻止弁（以下ＩＶ弁）２６と、同等
の応答性を有する抽気制御弁（以下ＥＶ弁）２７を備え
ることが必要な要件である。第３図のより詳しい構造図
で言えば、クロスアラウンド管からの抽気系の適当な容
量の配管９３に、抽気弁ＥＶを設ける。

負荷追従運転を行なわせるために、以下のように、ｒｖ
弁、ＥＶ弁を、そして再循環系５８を操作する制御シス
テムを構成する。

今、仮に、負荷±１．５％程度で、数秒〜士数秒の周期
を持つガバナフリー運転の要求があったとすると、その
負荷の変動は、発電機１３の回転数（Ｎｔ）６７の設定
値（Ｎ、）６０に対する差信号６８として検出されるブ
ロック４９は速度調定率ゲインで回転周波数の次元を負
荷（％）の次元を持信号７０に変換する。ブロック４８
．バイアス６２、信号６９等は、発電機１３の負荷が喪
失した時に、回転数が急上昇して、大きな負値となる信
号６８や、中揉からの指令で同様の異常時に大きな負値
となる信号６９を受けて、ＩＶ弁を信号７４で優先的に
制御し、全開あるいは半閉状態にする一種のタービンの
保護動作系列である。本発明の対象とする出力変更には
、信号７４はバイアス（ｔ３＋）６２によって十分大き
な値になっており、低値優先ゲート５０で阻止されてい
る。

一方、広５％内のＡＦＣ信号（Ｌｏｓ）が負荷の％の単
位で設定値６１として与えられたときは。

信号７ｏと要素３６で加算され、信号７１として、ブロ
ック５１に入る。ブロック５１の機能は後述するが、±
５％程度以内の信号７１は、そのまま信号７３として出
力し、信号７２は零である。

信号７３は、ＬＶＧ５０によって、通常は信号７５とし
てＩＶ弁を動作する。即ちＩＶ弁はＡＦＣ信号、あるい
はガバナフリー信号をそのまま受けて応答する。今ＩＶ
弁の位置が８０％としているから、この点を中心に、最
大５％程度振れ、発電機出力が要求に即応する。

しかし、このとき、ＩＶ弁を通過する蒸気流量の変化に
よって、湿分分に器９の圧力（Ｐ＋ｓ）が変動する。自
由液面は、水位制御系によって、−定となるように制御
されているものの、水位はほとんど飽和水で形成されて
いるため、ＰＭｓ＜ｏのときには減圧沸騰を、ＰＭＳ＞
Ｏ（・は時間微分）のときには凝縮を繰返し、水位が大
きく振動し。

スクラム信号を発する可能性がある。そこで、湿分分離
器内の圧力信号３１を得て、一方は、直接に加算要素４
３へ、他方は移動平均演算回路５３を経て、信号７７を
作って、加算要素４３に送られる。移動平均回路５３は
入力Ｘに、移動平均時間Ｔを用いて、 ここで、ｔ：現時点の時刻 τ：で時間前 Ｔニ一定時間（指定する） なる演算を行なうもので、過去のＸの一定時間Ｔに直る
平均値を時々刻々求めてゆくもので、第４図の信号３１
に対して、信号７７の形のものが得られる。

湿分分離器の圧力ＰＭＳは、原子炉の出力レベルによっ
て、変化する量であるので、信号７７は各出力レベルに
対応した、平衡運転時のＰＭＳを求めようとするもので
、Ｔは数十分のオーダが望ましい。あるいは、別法とし
て、信号７７に相当する参照圧力を出力との関数で設定
するようにしてもよい。信号７８は、圧力ＰＭＳを、は
ぼ一定の信号７７に等しくするための制御誤差信号であ
り、これを比例・積分動作を持つ調節器２８に通し、抽
気弁（ＥＶ）２７を操作する。さらに圧力の制御特性を
向上させるためには、ＩＶ弁の動作指令と逆方向の指令
を、ブロック５２で先行制御指令信号７６として、加算
要素４２に印加するモードを、スイッチ４７で生かすこ
とにより達成される。

このように、クロスアラウンド管８からの抽気蒸気量を
ＩＶ弁の動作による蒸気流量の変化を補償する形で制御
することにより、湿分分難器内の水位は変動が極く少な
く、十分な安定余裕を持つことになる。

さらに最も基本的なこととしては、この条件では信号７
２は零であり、又、圧力ＰＭＳはほぼ一定であるので、
制御弁（ＣＶ）２４は動作せず、又高圧タービンの出力
分担割合も一定であり、結局圧力ＰＴも変動しない。し
たがって、最も中性子束が敏感に応答する原子炉ドーム
圧力Ｐｏが変化しないため、理想的な運転状態を実現で
きる。

本実施例での要点の１つはクロスアラウンド管からの抽
気量を制御することであって、他の抽気点、たとえば高
圧タービン７の抽気配管９２の蒸気量を、湿分分離器９
の圧力が一定になるように制御したのでは、高圧タービ
ン７の出力自体が変動し、負荷追従がスムーズに行かな
いばかりか、抽気に伴う高圧タービン内の圧力変化が上
流側の圧力変動となって表われ（高圧タービンは起動特
等特別な場合を除いて、臨界流状態にはなっていない）
、原子炉圧力、ひいては中性子束が変動する。

以上の構成でも、十分な効果があるが、さらに、抽気弁
ＥＶの理想的な動作状況は、丁度開度の中間点のまわり
で、抽気蒸気をいつも増大・減少させるのが、最も広範
囲の負荷変動に対応できるので、望ましい。放置してお
くと第５図に示すように、負荷変更要求信号７３が、ど
ちらか一方向（増大側と仮定）に、長時間に亘ってドリ
フトするような成分が含まれると、ＩＶ弁は８０％から
少し開いた点で落着く。その結果、ＥＶ弁は、当初設定
した位置（中間点とする）よりも、少し閉じた状態で長
時間保持される。すると抽気量が減るため、給水配管２
１の給水の温度は下降しく約４０秒後）、原子炉出力が
徐々に増大し、土窯気流量が増大し、圧力ＰＭＳが少し
増大し、ＥＶ弁も少し、開く側に寄り戻して、新らい平
衝点に到って落着く。したがって、このような状況下に
おいても、給水温度もほぼ一定に戻し、ＥＶ弁も次の負
荷変更の局面に備えて、中間点に戻しておくことが望ま
しい。このために、第６図に示すように、抽気弁ＥＶの
開度指令である信号７９と、抽気弁の開度設定点（ＢＥ
Ｘ）６６との差８０を加算要素４４で求め、ブロック５
４で、誤差信号を５４ａで積分し、これを給水温度の変
化の時定数相当以上の遅れ時間Ｔｒと適切なゲインＫＴ
で処理して得た信号８１を再循環系の主制御器の設定点
に加算要素４５で加える。そうすると、第５図の給水温
度の低下分に見合う反応度を再循環流量をポンプ３で増
大して、補償することになるので、ＥＶ弁位置は、第７
図のように元の中間位置に戻り、給水温度の恒常的低下
も生じない。その代りに再循環系のポンプ３の回転数が
増大する。

以上は、負荷要求信号７３が増大側に上昇した場合であ
るが、減少側に恒常的に移行した場合も全く同様（逆方
向）の過程を経て整定する。

自然循環型のＢＷＲでは、再循環系を持たないので、第
１図の信号９０と破線で示す９１として、制御棒自動駆
動装置５９に送ることで同様の効果を期待できる。

以上は、負荷追従要求信号７１が小幅で、ブロック５１
の機能によって、信号７２は零であった。

第８図に示すような±α％を越えるとＡＦＣ信号に対し
ては、ブロック５１は次の動作を行う。

（±α％は、上記のように抽気弁ＥＶの動作で、追従で
きる最大の出力変更幅とする）。ブロック５１は次の機
能を行なう。

負荷要求信号７１を入力Ｘとし、ｒｖ弁弁制御用信号上
制御弁（ＣＶ弁）制御用信号２を次の判断に基づき得る
。

ｘ＝ｙ＋ｚ　　　　　　　　　　　　　・・・（２）ｘ
＝ｙ＋ｚ　　　　　　　　　　　　　・・・（３）１ｙ
１（α　　　　　　　　　　・・・（４）１ｚ１くβ　
　　　　　　　　・・・（５）ただし、αは、ＥＶ弁の
上下限値。

βは、ＣＶ弁を用いて負荷を制御した 時に、中性子束の変動が十分な 余裕を持ってゆるされる負荷要 求の時間変化率上限。

すなわち、第１１図において、変化率評価部５１ａでＸ
を求め、絶対値評価部５１ｂでＸの値を分析し、分割分
担評価部５１ｃでは、（２）〜（５）式を満足するｙ＋
ｚ（特にｙを優先して）求める。

たとえば、第８図の形の信号７１（ｘ）が、入力された
とき、上下限値αを超過しているので。

上記の処置を行なって得られた結果のうち、信号７３（
ｙ）を第９図に、信号７２　（ｚ）を第１０図に示す。

当然信号Ｘが±α内に入るときには５１ｃはｙ＝ｘを出
力する。

要は、ブロック５１は、抽気弁ＥＶで処理できる小幅で
急峻な成分を抽出し、残りをＣＶ弁に送る方法で１周波
数分析等のより一層複雑な方法による分離方法も採用で
きる。

信号７２は、従来の構成の圧力制御系に送られ、従来と
全く同様の処理が行なわれ、再循環流量の制御と圧力制
御が二者択一的に行なわれる。すなわち、設定信号６３
としてのバイアス（Ｂし）を３７で加算され、低値優先
ゲート（ＬＶＧ）５５で、圧力制御器５６の出力信号８
３とつき合わされるが、バイアス分を越えないかぎり、
Ｃｖ弁２４を制御せず、要素３８でバイアス（Ｂし）を
差し引かれ、要素３９で出力に比例した圧力制御信号８
３を差し引かれ、過不足出力要求信号８５が再循環系の
主制御器設定点４５に加算される。

又圧力制御信号８３がバイアス（ＢＢ）として与える信
号６５よりも大きい時は、バイパス弁２５を用いて余剰
蒸気を排出する。一方、信号８２が、信号８３よりも小
さくなるほど大きく、負荷の減少要求が発生したときは
、低値優先回路は信号８２を選択し、信号８８として、
ＣＶ弁２４を絞る。このとき圧力上昇分が大きければ信
号８９でバイパス弁２５を開く。以上の説明でも分るよ
うに、信号７２が負荷を増大させる要求の場合には、Ｃ
ｖ弁２４はこのままでは動作せず、再循環系の応答を待
つ型である。初圧調整器５７は再循環系に送る信号８５
の変化率を先取りして、圧力設定点（ｐｒ　）信号６４
に加える形で、Ｃｖ弁を１時的に開こうとするもので、
スイッチ４６で動作させる。

このように、大幅で比較的ゆっくりした負荷変更要求成
分は、従来の制御方式に分担させ、小幅で急峻なものは
ＩＶ弁で制御するので、従来に比　ｌらべ±５％を越え
る大幅な負荷要求変更にも、圧力変動の格段に少ないす
ぐれた応答特性を持たせることが可能である。

〔発明の効果〕

本発明によれば、高圧タービンと湿分分離器の間にある
抽気配管の熱容量以内の出方変更幅の要求に対しては、
数秒程度に周期のものにも追従できる。このとき、原子
炉圧力変化および中性子束の変動は、はとんどなく、又
湿分分離器の水位変化も極く少ない。また、運転中にお
ける給水温度の変化は数°Ｃに抑え込むことが可能であ
る。

上記、抽気配管の熱容量以上の大幅な出方変更要求に対
しても、急峻なものは、低圧タービンで受は持ち、その
圧力変動成分は、同様に抽気弁が吸収するため、高圧タ
ービンは大幅でゆっくりした変化分を受は持ち、結果的
に原子炉圧力、中性子束の変化も十分な余裕をもつ範囲
内に収まる。

したがって、従来に比べて格段の負荷追従特性を有する
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の構成図、第２図はＢＷＲ（
１１００ＭＷｅ）の熱バランスを示す説明図、第３図は
第１図のタービン抽気部の詳細構成図、第４図は湿分分
離器内圧力参照値の作成を示す説明図、・第５図は給水
温度の変化を放置した場合の特性図、第６図は抽気弁中
間位置保持用信号の創生の説明図、第７図は給水温度の
変化を出力制御で補償した場合の特性図、第８図は大幅
負荷要求信号を示す特性図、第９図はインタセプト弁制
御用信号成分を示す特性図、第１０図は制御弁用制御信
号成分を示す特性図、第１１図は負荷要求信号の分割分
担方法を示す説明図である。 １・・・原子炉、２・・・制御棒、４，６・・・主蒸気
管、７・・・高圧タービン、８・・・クロスアラウンド
管、９・・・湿分分離器、１１・・・低圧タービン、２
６・・・中間阻第４０ 第１ Ｈ−一÷　　時用 々ザ・ 茶６図 第７　目 埼同 に高− 第８（２Ｉ１ １　　　　　名は ＄１１　７

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、少なくともタービン発電機と低圧タービンと高圧タ
   ービンと湿分分離器と、低圧タービン入口に中間阻止弁
   と高圧タービンと湿分分離器を結ぶクロスアラウンド配
   管とクロスアラウンド配管から給水加熱器用の蒸気を抽
   気する抽気配管と前記抽気配管に設けられた抽気弁から
   成る沸騰水型原子力発電所において、 負荷要求信号によつて、中間阻止弁を制御し、前記ター
   ビン発電機出力を負荷要求に追従させると共に、前記湿
   分分離器内の圧力変動を抑えるように、前記抽気弁を制
   御することを特徴とする沸騰水型原子炉の小幅・短周期
   負荷追従運転装置。 ２、前記湿分分離器内の圧力の変動を抑えるための参照
   値として、前記、湿分分離器内の圧力の移動平均値を用
   いる請求項１の沸騰水型原子炉の小幅・短周期負荷追従
   運転装置。３、少なくともタービン発電機と低圧タービ
   ンと高圧タービンと湿分分離器と、低圧タービン入口に
   中間阻止弁と高圧タービンと湿分分離器を結ぶクロスア
   ラウンド配管とクロスアラウンド配管から給水加熱器用
   の蒸気を抽気する抽気配管と、前記抽気配管に設けられ
   た抽気弁と再循環系あるいは制御棒駆動系から成る出力
   制御系を有する沸騰水型原子力発電所において、 負荷要求信号によつて、中間阻止弁を制御し、前記ター
   ビン発電機出力を負荷要求に追従させると共に、前記湿
   分分離器内の圧力変動を抑えるように前記抽気弁を制御
   するかたわら、前記抽気弁の開度平均が中間位置になる
   ように、前記出力制御系を制御し、給水温度の変動を抑
   えるようにしたことを特徴とする沸騰水型原子炉の小幅
   ・短周期負荷追従運転装置。 ４、少なくとも、タービン発電機と低圧タービンと高圧
   タービンと湿分分離器と、低圧タービン入口に中間阻止
   弁と高圧タービンと湿分分離器を結ぶクロスアラウンド
   配管とクロスアラウンド配管から給水加熱器用の蒸気を
   抽気する抽気配管と、前記抽気配管に設けられた抽気弁
   と加減弁を制御する圧力制御系と、タービン速度制御系
   と原子炉出力制御系から成る沸騰水型原子炉において、 負荷要求信号に対して、前記中間阻止弁と前記抽気蒸気
   の制御によつて、前記タービン発電機出力を負荷要求に
   追従させることが可能な範囲の負荷要求信号であるかど
   うかを判定し、不可能な場合は、負荷要求信号を前記中
   間阻止弁に適する第１の成分と残りの第２の成分に２分
   し、第１の成分を中間阻止弁の制御に、第２の成分を前
   記圧力制御系を介して、前記原子炉出力制御系に送るこ
   とを特徴とした沸騰水型原子炉の小幅・短周期負荷追従
   運転装置。