JPH0441799B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は沸騰水型原子力発電プラントの負荷追
従制御装置に係り、特に、負荷変動の変動幅が小
幅で、かつ変動周期が短かい場合には、いわゆる
ガバナフリー運転により負荷追従するようにした
沸騰水型原子力発電プラントの負荷追従制御装置
に関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

近年、電力系統に占める原子力発電プラントの
割合が増すに従い、原子力発電プラントの運転は
従来のような定格基底負荷運転から負荷追従運転
に切換える必要が益々増加する傾向にある。

一般に電力需要は季節、昼間、夜間等による大
きな変動のほか、常時小さな負荷変動が生じてお
り、これら負荷変動に対して、電力系統の周波数
を一定に保持するために、この電力系統の電力供
給側である発電所ではその電気出力を制御する、
いわゆる系統の自動周波数制御（AFC）が行な
われている。

したがつて、原子力発電プラントが電力系統に
おける供給シエアを今後益々増大させて行く場合
には、昼間、夜間の各電力需要に対応した日間出
力調整運転のほか、夜間における電力系統の自動
周波数制御運転が必要となる。これは、夜間は電
力需要の低下に対応して、従来から電力系統の自
動周波数制御を分担していた火力発電所等が運転
を停止してしまい、電力系統の自動周波数制御に
参画する出力調整量が減少するためである。

第３図はこのような電力系統の負荷変動につい
ての発電所側の出力制御の分担例を示している。
すなわち、縦軸は負荷変動の大きさを示し、横軸
は負荷変動の周期をそれぞれ示しており、変動周
期Ｂ（例えば15分程度）よりも長周期で、かつ変
動幅の大きい負荷変動については、電力系統の図
示しない中央給電指令室からの指示に基づいて適
宜の日間出力調整を行なう。これについては本特
許出願人が既に特許出願をした「原子力発電所の
負荷追従自動化装置」（特開昭55−20404号公報掲
載）に詳細に記述されている。また、変動周期Ａ
（例えば約20秒程度）から同Ｂ迄の間の負荷変動
については、通常、電力系統の中央給電指令室に
おいて、所要の出力調整分が自動制御装置により
算出され、これが系統内の周波数制御を分担する
発電所に適切な割合で配分され、AFC中給信号
として送信される。この信号を受けた各発電所
は、この信号に基づいて出力調整を行なう。沸騰
水型原子力発電プラントのこの自動周波数制御
（AFC）装置に関しては、例えば本特許出願人が
特許出願をした「沸騰水型原子力発電プラントの
出力制御装置（特開昭59−54997号公報掲載）に
詳述されている。

そして、変動周期Ａ以下の高周波成分について
は、各発電所はタービン入口ガバナ弁（主蒸気加
減弁）を開度制御するいわゆるガバナフリー運転
によつて対応する。このガバナフリー運転は、タ
ービン発電機回転数を設定値と比較し、その偏差
をタービンにフイードバツクして、この偏差が零
となるようにタービン入口ガバナ弁（主蒸気加減
弁）を開度制御するものであるが、従来の原子力
発電プラントではガバナフリー運転を行なつてい
なかつた。しかしながら、上述した事情により、
今日では原子力発電プラントにおいてもガバナフ
リー運転が要請されている。また、このガバナフ
リー運転を行なう場合は特に自動周波数制御
（AFC）運転との協調を十分に考慮したものであ
ることが望ましい。

ところで、ガバナフリー運転の特長は第３図で
示すように変動周期が比較的短かい負荷変動を対
象とするものであると同時に、その変動幅が比較
的小幅であり、要求される出力調整分が小さいこ
とにある。したがつて、沸騰水型原子力発電プラ
ントでは、原子炉圧力容器や主蒸気管内の流体の
質量、内部エネルギーの慣性等原子炉系の慣性を
利用してガバナフリー運転を行なう場合は、出力
調整は必ずしも必要としない。

第４図および第５図は沸騰水型原子力発電プラ
ントにおいて、再循環流量制御あるいは制御棒操
作による出力調整を行なわずにタービンへの主蒸
気流量が短時間増加、あるいは減少した場合の原
子炉圧力（Kg／cm²）と、熱出力（％定格）の応答
をそれぞれ示すグラフである。第４図に示すよう
にタービンへの主蒸気流量（％）を少量、かつ短
時間増加させた場合には原子炉圧力が２次曲線的
に低下する。しかし、炉心における熱出力はその
初期では殆ど変化していない。これは原子炉圧力
の低下が熱出力へ及ぼす影響を少ないことを示し
ている。さらに、これとは逆に、第５図に示すよ
うに、タービンへの主蒸気流量（％）を少量、か
つ短時間減少させた場合においても、原子炉圧力
が２次曲線的に上昇するが、熱出力はその初期で
は殆ど変化せず、原子炉圧力の低下が熱出力へ与
える影響の小さいことを示している。

したがつて、以上のことから負荷変動の変動周
期が、例えば約20秒程度以下の比較的短かい周期
で、しかも、この変動幅が小幅である場合には、
原子炉系の慣性を利用して原子炉の熱出力の大き
な変動を発生させることなくガバナフリー運転を
行なうことができる。すなわち、一般に沸騰水型
原子力発電プラントではタービン蒸気流量、すな
わち負荷を増加させると、原子炉圧力が低下して
炉心内の蒸気泡（ボイド）が増加し、この蒸気泡
の負の反応度効果により炉出力が低下するという
逆応答を発生させるが、短周期の負荷変動に限定
すれば、このような逆応答は事実上考慮に入れな
くともよいことが確認された。

〔発明の目的〕

本発明は上述した事情に鑑みなされたもので、
電力需要の微小変動に対し、タービン発電機出力
を迅速かつ、確実に追従させる沸騰水型原子力発
電プラントの負荷追従制御装置を提供することを
目的とする。

〔発明の概要〕

上述した目的を達成するために本発明は、ター
ビン負荷変動の変動周期が短周期で、かつ変動幅
が小幅であるときは、沸騰水型原子炉系の慣性に
より、その変動初期では熱出力が殆ど変動しない
点に着目してなされたもので次のように構成され
る。沸騰水型原子炉の炉圧力を常に所定圧に保持
するように制御する圧力制御系と、タービンの回
転数を適宜制御するタービン制御系とを有する沸
騰水型原子力発電プラントのものにおいて、上記
タービン制御系にてタービン負荷要求信号から負
荷設定バイアス分を除去して得られたタービン速
度偏差信号からガバナフリー運転領域の高周波成
分を取り出して高周波タービン速度偏差信号を出
力する高周波フイルタと、この高周波タービン速
度偏差信号の振幅を適宜制限して所要の出力調整
分に調整してガバナフリー運転要求信号を形成し
これを上記圧力制御系の圧力調整信号に印加する
リミタと、上記ガバナフリー運転要求信号を受け
て上記圧力制御系の所要の圧力設定値を変更して
この圧力制御系による原子炉圧力制御を停止させ
る圧力設定値変更器とを有し、上記圧力調整信号
に印加されたガバナフリー運転要求信号により主
蒸気加減弁の開度を制御してタービン発電機出力
を負荷変動に追従させることを特徴とする。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の一実施例について図面を参照し
て説明する。

第１図は本発明に係る沸騰水型原子力発電プラ
ントの負荷追従制御装置の一実施例の全体構成を
示すブロツク線図であり、図中符号１は沸騰水型
の原子炉である。この原子炉１内には炉心２が炉
水で冠水された状態で収容されており、炉心２内
に装荷される核燃料の反応熱により炉水を加熱し
て蒸気を発生する。原子炉１は主蒸気管３を介し
てタービン４に接続され、原子炉１にて発生した
主蒸気が主蒸気管３を介してタービン４へ導入さ
れて仕事をし、タービン４の出力軸５に直結され
た図示しないタービン発電機を駆動して発電し、
図示しない電力系統に電力を供給するようになつ
ている。

主蒸気管３にはタービン４の主蒸気入口近傍に
て主蒸気加減弁６が装着され、タービン４へ流入
される流入蒸気量を調整するようになつている。
この主蒸気加減弁６の上流側の主蒸気管３の途中
にはタービンバイパス管７が接続され、このター
ビンバイパス管７の他端は途中、バイパス弁８を
介装してからタービン４の復水器９に連結されて
いる。タービンバイパス弁８はタービン４の負荷
が大幅に減少した際に開弁して、タービン４への
主蒸気流入量減少分を直接復水器９へバイパスさ
せて原子炉１内の圧力急上昇を抑制する。

このように構成された沸騰水型原子力発電プラ
ントには、さらに、原子炉１の圧力を常に所定圧
に保持するように制御する圧力制御系Ａと、ター
ビンの回転数を適宜制御するタービン制御系Ｂと
を有し、圧力制御系Ａはタービン入口圧力を検出
する圧力検出器１１を主蒸気管３のタービン入口
側に設けている。この圧力検出器１１にて検出さ
れたタービン入口圧力はタービン入口圧力信号１
１Ａとして圧力比較器１２に入力され、ここで、
タービン設定器１３にて設定された圧力設定値と
比較されて設定値との偏差が算出され、圧力偏差
信号１２Ａとして圧力制御装置１４に入力され
る。この圧力制御装置１４ではこの圧力偏差信号
１２Ａを、主蒸気加減弁６およびタービンバイパ
ス弁８の開度にそれぞれ換算して、圧力調整信号
１４Ａを形成し、これを加算器１５を介して低値
優先回路１６と、サーボ加算器１７とへそれぞれ
出力するようになつている。低値優先回路１６に
はタービン制御系Ｂからの制御信号も入力される
が、通常低値の圧力制御系Ａの圧力調整信号１４
Ａが優先されて、主蒸気加減弁サーボ１８と、タ
ービンバイパス弁サーボ１９とにそれぞれ入力さ
れる。主蒸気加減弁サーボ１８およびタービンバ
イパス弁サーボ１９では、圧力設定値との圧力偏
差を零にするように主蒸気加減弁６とタービンバ
イパス弁８の開度制御を行なう。これにより、原
子炉１内の圧力は常に一定に保持される。

一方、タービン制御系Ｂはタービン４の出力軸
５にタービン速度検出器２０を設け、タービン４
およびタービン発電機（図示せず）の回転速度
（周波数）を検出している。このタービン速度検
出器２０により検出されたタービン４の回転数
は、タービン速度信号２０Ｂとして速度比較器２
１に入力され、ここで、速度設定器２２にて設定
された速度設定値と比較されて偏差が算出され
る。この速度偏差信号２１Ｂは速度加算器２３に
入力され、ここで、負荷設定バイアス発生器２４
および負荷設定器２５から出力される負荷設定バ
イアスと負荷設定値とが、それぞれ加算され、タ
ービン負荷要求信号２３Ｂが形成され、これはバ
イアス減算器２６と低値優先回路１６とにそれぞ
れ出力される。低値優先回路１６には、上述した
ように、圧力制御系Ａから圧力調整信号１４Ａも
入力されるが、タービン制御系Ｂのタービン負荷
要求信号２３Ｂが既にバイアスされているので、
通常は低値の圧力調整信号１４Ａが優先され、各
サーボ１８，１９には圧力調整信号１４Ａがそれ
ぞれ優先して出力される。これは、一般に原子炉
系の圧力変化が出力へ及ぼす影響に対して常に正
帰還となるので、圧力制御系Ａをタービン制御系
Ｂよりも優先させるためである。

一方、バイアス減算器２６へ入力されたタービ
ン負荷要求信号２３Ｂは、速度加算器２３にて一
旦、加算されたバイアス分を再び除去されてター
ビン速度偏差信号２６Ｂに変換され、圧力設定値
調整器２７と高周波フイルタ２８とにそれぞれ入
力される。この圧力設定値調整器２７は圧力比較
器１２に入力される圧力設定値を適宜調整して、
圧力制御系Ａによる原子炉圧力制御動作を停止さ
せて、その間タービン制御系Ｂによるタービン４
の回転速度制御を実行させるものであるが、圧力
制御装置１４との定数調整が著しく困難なため
に、信頼性が高くなく、実際のプラントでは殆ど
使用されていない。

また、高周波フイルタ２８に入力されたタービ
ン速度偏差信号２６Ｂからはガバナフリー運転領
域の高周波成分が取り出され、第３図で示す負荷
変動周期Ａよりも長い周期（低周波成分）は除去
される。これは、変動周期Ａよりも短かい高周波
領域の負荷変動についてはガバナフリー運転によ
り負荷追従させ、変動周期Ａよりも長い周期の低
周波領域では第３図で示すように、自動周波数制
御や日間出力調整に分担させるためである。この
高周波フイルタ２８にて取り出された高周波成分
の高周波タービン速度偏差信号２８ｃはリミタ２
９に入力され、ここで、その振幅が所要幅に制限
され、タービン負荷要求を原子炉系の慣性が許容
する限度（例えば数％定格出力）以下に抑えるよ
うに調整し、ガバナフリー運転要求信号２９ｃ形
成して加算器１５と圧力設定値変更器３０とにそ
れぞれ出力される。この加算器１５にて圧力調整
信号１４Ａを加算したがガバナフリー運転要求信
号２９ｃは低値優先回路１６とサーボ加算器１７
とをそれぞれ介して、主蒸気加減弁サーボ１８お
よびタービンバイパス弁サーボ１９とにそれぞれ
入力される。これら両サーボ１８，１９はガバナ
フリー運転要求信号２９ｃの負荷要求に応じて、
主蒸気加減弁６とタービンバイパス弁８との開度
をそれぞれ制御し、タービン４の出力を負荷変動
に追従させる。ところで、この負荷変動の変動周
期が約20秒程度の場合には、これら両弁６，８の
開度制御が行なわれると、原子炉圧力が変動す
る。これにより圧力制御系Ａの圧力検出器１１が
この圧力変動を検出し、圧力設定値との偏差を零
にするように、圧力制御系Ａの原子炉圧力制御機
能が働き、ガバナフリー運転の負荷追従効果が時
間の経過と共に失われる。そこで、圧力設定値変
更器３０では、ガバナフリー運転要求信号２９ｃ
を受けて、圧力設定器１３の圧力設定値をガバナ
フリー運転が継続される方向に変更せしめる圧力
設定値変更信号３０ｃを圧力比較器１２へ出力す
る。すなわち、圧力設定値変更器３０はガバナフ
リー運転要求信号２９ｃの負荷要求を圧力設定値
変更に換算する係数と所要の伝達関数とにより、
圧力設定値変更信号３０ｃを適宜形成するように
なつており、所要の伝達関数としては例えば一次
遅れを用いることができる。

なお、上記ガバナフリー運転を行なう場合に
は、圧力設定値調整器２７の使用を中止して、高
周波フイルタ２８、リミタ２９、圧力設定値変更
器３０のパラメータ調整を容易にする。

また、原子炉１の炉出力は再循還流量制御系に
よりMGセツト、駆動モータを適宜制御して再循
還ポンプを駆動することにより調整される。

次に本実施例の作用について述べる。

ここで、例えばタービン発電機（図示省略）の
負荷が増加すると、タービン速度検出器２０等の
タービン制御系Ｂがタービン４の回転速度（周波
数）の低下を検出し、タービン負荷要求信号２３
Ｂを低値優先回路１６とバイアス減算器２６とに
それぞれ出力する。バイアス減算器２６ではター
ビン負荷要求信号２６Ｂから負荷設定バイアス分
を除去してタービン速度偏差信号２６Ｂを高周波
フイルタ２８に出力する。高周波フイルタ２８に
てガバナフリー運転の対象となる高周波成分が取
り出され、自動周波数制御（AFC）等の対象と
なる低周波数成分は除去される。この高周波ター
ビン偏差信号２８ｃはリミタ２９に入力され、こ
こで、原子炉の主蒸気圧力の慣性を利用できる範
囲、すなわち、主蒸気圧力の変動についての許容
限度内に出力調整するように、この高周波タービ
ン偏差信号２８ｃの振幅を制限してガバナフリー
運転要求信号２９ｃを形成する。ガバナフリー運
転要求信号２９ｃは圧力設定値変更器３０と加算
器１５とにそれぞれ出力される。このガバナフリ
ー運転要求信号２９ｃを入力した主蒸気加減弁サ
ーボ１８は主蒸気加減弁６をタービン速度偏差が
零になるように開度を増す方向に開弁操作する。
その結果、タービン４へ流入される主蒸気流入量
は増加し、タービン４の回転速度が加速されて発
電機出力は、負荷増に相当する分増加せしめ、負
荷変動に迅速、かつ確実に追従することができ
る。上記タービン負荷要求信号２３Ｂが例えば約
10秒程度の周期の矩形波状である場合は、第２図
に示すようにタービン蒸気流量（％）が、タービ
ン負荷要求信号２３Ｂに良好に応答する。

しかも原子炉圧力の変動幅は波高値で0.2Kg／
cm²であり、中性子束の変動幅が波高値で２％未満
であるので、問題はない。

しかし、負荷変動の変動周期が例えば20秒程度
である場合には、圧力制御系Ａが動作して原子炉
圧力制御機能が働き、ガバナフリー運転の負荷追
従効果が失われる。そこで、ガバナフリー運転要
求信号２９ｃを入力した圧力設定値変更器３０は
圧力設定器１３の圧力設定値をこのガバナフリー
運転要求信号２９ｃの入力前よりも低い圧力に設
定値を変更する圧力設定値変更信号３０ｃを圧力
制御系へ出力する。このために、ガバナフリー運
転により原子炉圧力が低下しても、この低下幅が
変更幅以内であれば圧力偏差が生ずることがな
く、圧力制御系の圧力補償機能によるガバナフリ
ー運転の負荷追従効果の喪失は未然に防止され
る。しかも、このガバナフリー運転中は上述した
ように、原子炉１の熱出力は負荷変動初期では殆
ど変動せず安定している。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明は、原子炉系の慣性
を利用できる範囲内でガバナフリー運転を行なう
ので、変動周期が短かいガバナフリー運転領域の
負荷要求に対しても原子力発電プラントは迅速、
かつ確実に負荷追従することができ、電力系統の
周波数制御に有効である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る沸騰水型原子力発電プラ
ントの一実施例の全体構成を示すブロツク線図、
第２図は第１図で示す一実施例におけるタービン
負荷要求信号に対する原子炉系の応答例を示すグ
ラフ、第３図は電力系統の一般的な負荷変動曲線
を発電所出力制御の分担例と共に示すグラフ、第
４図および第５図は一般的な沸騰水型原子力発電
プラントにおける原子炉系の慣性をそれぞれ説明
するためのグラフである。 ２６…バイアス減算器、２６Ｂ…タービン速度
偏差信号、２８…高周波フイルタ、２８ｃ…高周
波タービン速度偏差信号、２９…リミタ、２９ｃ
…ガバナフリー運転要求信号、３０…圧力設定値
変更器、３０ｃ…圧力設定値変更信号。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 沸騰水型原子炉の炉圧力を常に所定圧に保持
   するように制御する圧力制御系と、タービンの回
   転数を適宜制御するタービン制御系とを有する沸
   騰水型原子力発電プラントのものにおいて、上記
   タービン制御系にてタービン負荷要求信号から負
   荷設定バイアス分を除去して得られたタービン速
   度偏差信号からガバナフリー運転領域の高周波成
   分を取り出して高周波タービン速度偏差信号を出
   力する高周波フイルタと、この高周波タービン速
   度偏差信号の振幅を適宜制限して所要の出力調整
   分に調整してガバナフリー運転要求信号を形成し
   これを上記圧力制御系の圧力調整信号に印加する
   リミタと、上記ガバナフリー運転要求信号を受け
   て上記圧力制御系の所要の圧力設定値を変更して
   この圧力制御系による原子炉圧力制御を停止させ
   る圧力設定値変更器とを有し、上記圧力調整信号
   に印加されたガバナフリー運転要求信号により主
   蒸気加減弁の開度を制御してタービン発電機出力
   を負荷変動に追従させることを特徴とする沸騰水
   型原子力発電プラントの負荷追従制御装置。