JPH0631813B2

JPH0631813B2 - 原子炉プラントのタ−ビン制御装置

Info

Publication number: JPH0631813B2
Application number: JP60171064A
Authority: JP
Inventors: 正雄広瀬
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1985-08-05
Filing date: 1985-08-05
Publication date: 1994-04-27
Anticipated expiration: 2009-04-27
Also published as: JPS6232393A

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の利用分野〕本発明は、原子炉プラントのタービン制御装置に関する
ものである。

〔発明の背景〕

従来の原子炉プラントのタービン制御装置としては、特
開昭６０−53895号公報の第１図に示すものが知られて
いる。すなわち、沸騰水型原子炉の原子炉圧力容器にて
発生した蒸気は、主蒸気管を通つてタービンに供給され
る。主蒸気管には、タービンへの蒸気流量を調節する蒸
気加減弁が設けられている。バイパス管が蒸気加減弁の
上流側で主蒸気管に接続され、さらに復水器に接続され
る。バイパス弁がバイパス管に設けられる。

蒸気加減弁は、プラントの通常運転時には、蒸気圧力に
基づいて制御信号を出力する圧力調整器の出力信号に基
づいて開度を制御されている。しかし、電力系統の負荷
が急激に減少すると、タービンの回転数が上昇する。こ
の場合には、タービン回転数を入力して制御信号を出力
するタービン速度制御器の出力信号が圧力調整器の出力
信号に優先され、タービン速度制御器の出力信号により
蒸気加減弁の開度が制御される。

バイパス弁は、通常運転時には圧力調整器の出力信号に
基づいてサーボアンプにより緩やかに開度が制御され
る。電力系統の負荷が急激に減少した場合には、圧力調
整器の出力信号を入力して電磁急開弁が動作し、バイパ
ス弁の開度が急開する。

このような原子炉プラントのタービン制御装置では、蒸
気加減弁の開度の増減とバイパス弁の開度の減増が１対
１に対応しない。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、信頼性が高くしかも電力系統にじよう
乱が生じた場合でも原子炉を継続して運転することので
きる原子炉プラントのタービン制御装置を提供すること
にある。

〔発明の概要〕

本発明の特徴は、蒸気加減弁の開度を検出する手段と、
前記蒸気加減弁の開度と蒸気加減弁流量との非線形特性
を用いて前記開度検出手段の出力に対応する前記蒸気加
減弁流量を出力する関数発生器と、圧力調整器及び前記
関数発生器の出力に基づいてバイパス弁の開度を制御す
る第２制御手段とを備えたことにある。

従来の原子炉プラントのタービン制御装置のバイパス弁
サーボの機能を以下に示す。このバイパス弁サーボ２７
の回路の機能を第２図に基づいて説明する。

一般にバイパス弁は複数個設けられている。プラントの
通常運転ではシーケンシヤルにバイパス弁１５ａ，１５
ｂ，…，１５ｎの順に開くようにバイパス弁閉バイパス
設定器３９ａ，３９ｂ，…３９ｎの値を段階的に設定し
ておく。もしバイパス弁が８個であり、全容量が１００
％であれば、増幅器４０のゲインは、入力１００％で８
００％（＝１００％×８弁）の信号がでるように８倍
（＝８００％÷１００％）とする。そして、バイアス設定器３９ａに０％バイアス設定器３９ｂに８００％÷８＝１００％バイアス設定器３９ｃに２００％バイアス設定器３９ｈに７００％のバイアスをそれぞれかけておく。

第６図に示すごとく、プラント弁開度要求信号が０〜１
００％まで徐々に変化すると、増巾器４０の出力は０〜
８００％まで徐々に変化する。これにより、まずバイパ
ス弁１５ａが１００％開度になり、その次にバイパス弁
１５ｂが開き始めて、２００％信号にて２００％−１００％＝１００％開度となる。

以下同様にして、８００％信号にて、最後である８番目
のバイパス弁１５ｈの開度が８００％−７００％＝１０
０％開度になる。

この間の動作を第７図に示す。バイパス弁開度要求信号
の変化が緩慢な場合には、バイパス弁開度要求信号とバ
イパス弁１５ａ，…，１５ｈの開度を示す変位検出器３
６ａ，…，３６ｈの出力信号との各偏差信号が大きくな
らない（５％以内）。従つて偏差検出器３７ａ，…，３
７ｈは動作せず、バイパス弁開度要求信号を入力するサ
ーボアンプ３３ａ，…，３３ｈのみによつてサーボ弁３
４ａ，…，３４ｈが動作して、油圧シリンダ３５ａ，
…，３５ｈが動作する。油圧シリンダ３５ａ，…，３５
ｈに直結されたバイパス弁１５ａ，…，15hは、対応す
る油圧シリンダ３５ａ，…，３５ｈの動作により開く。

バイパス弁開度要求信号の増加速度が急激な場合には、
前述の動作に加えて偏差検出器３７ａ，…，３７ｈが動
作する。これによつて電磁急開弁３８ａ，…，３８ｈが
動作して油圧シリンダ35a，…，３５ｈに作動油を急速
に注入し、バイパス弁１５ａ，…，１５ｈを急開する。

さて、ここで蒸気加減弁とバイパス弁１５の開閉特性お
よびそれに伴う蒸気流量特性について説明する。第７図
に通常信号による蒸気加減弁の開閉特性と全蒸気流量特
性を示す。蒸気加減弁は４個設けられており、制御信号
によつてそれらの４弁とも同時に開閉する。蒸気加減弁
の全閉から全開までに要する最短時間は約１０秒程度で
ある。弁開度と蒸気流量の特性は、第１０図に示す様に
なつており、１００％蒸気流量を流すのには蒸気加減弁
の開度を約５０％すればよい。それ以上の開度では、非
線形特性によつて、蒸気流量はせいぜい５％位しか増加
しない。そのため、蒸気加減弁の開度と全蒸気流量との
関係は第７図に示すようになる。

第８図に、通常の緩慢な制御信号によるバイパス弁１５
の開閉特性と全蒸気流量特性を示し、８個のバイパス弁
１５ａ，…，１５ｈで１００％の蒸気流量を流す場合を
示す。１弁であるバイパス弁１５ａから８弁であるバイ
パス弁１５ｈまでは前述のようにシーケンシヤルに順番
に動作する。バイパス弁開度と蒸気流量との関係は線形
であるので、全蒸気流量は全開のバイパス弁の個数に応
じて第８図のように変化する。

プラントの通常運転時におけるバイパス弁の最短開閉時
間は、第７図の蒸気加減弁の全蒸気流量の変化速度とバ
イパス弁のそれとがほぼ同程度になるように調節されて
いる。

第９図に急開信号によるバイパス弁の特性及び蒸気流量
特性を示す。これは、大きな急開要求信号が瞬時に加わ
つたものと想定し、結果的にNo.１〜８のすべてのバイ
パス弁１５ａ，…，１５ｈが同時に急開した場合を示し
ている。バイパス弁が閉じる場合には、急閉動作機能は
不要であり、制御信号によつて閉じる。

バイパス弁１５，…，１５ｈの通常制御時サーボ弁３４
ａ，…，３４ｈによる開速度と、電磁急開弁３８ａ，
…，３８ｈによる急開特性とを比較すると第６図のよう
に異つている。

以上述べてきた従来例のタービン制御系を有する原子炉
プラントにおいて、第１１図(a)に示すように時間ｔ_１
〜ｔ_２の間で電力系統の一時的な部分負荷急減が生じる
ものとする。

この場合、第１１図(b)のようにタービン速度（タービ
ン回転数）が一時的に上昇する。これを回転速度計は、
このタービン速度を検出してタービン速度制御器に出力
する。タービン速度制御器の出力信号Ｓ_１は小さくな
り、０．５％以上タービン速度が上昇すると、Ｓ_１＜Ｐ
_１となる（Ｐ_１は圧力調整器の出力信号）。従つて、信
号Ｓ_１が低値選択回路を通り、加減弁サーボ２４に伝達
されている。加減弁サーボは、信号Ｓ_１に基づいて蒸気
加減弁の開度を減少させるので、蒸気加減弁を通過する
蒸気流量（以下、加減弁流量という）が減少しはじめ
る。第１１図(a)のように電力系統の負荷急激が時間ｔ
_１で発生すると、Ｓ_１＝Ｐ_１となる時間ｔ_２以降に第１
１図(c)に示すように加減弁流量要求信号が減少しはじ
める。これとほぼ時を同じくして、第１１図(e)に示す
ようにバイパス弁開度要求信号（Ｐ_１−Ｃ_１）が増加す
る。なお、Ｃ_１は低値選択回路の出力信号である。第１
１図(c)に示すように加減弁量要求信号は、急激に減少
するが、時間ｔ_３にて第１１図(a)に示すように電力系
統負荷が復帰すると、タービン速度が第１１図(b)の如
く減少に転じるので、加減弁流量要求信号は増加に転じ
る。第１１図(d)に示す加減弁流量の変化速度は、加減
弁サーボによつて、第７図に示すような開閉速度制限が
あるために第１１図(d)に示すように比較的緩やかに減
少し、その後、第１１図(c)の加減弁流量要求信号の大
きさ相当になつた時間ｔ_４にて減少から増加に転じる。
第１１図(e)のように時間ｔ_２からバイパス弁開度要求
信号が急増すると、バイパス弁急開機構が動作して第１
１図(f)のようにバイパス弁の必要個数が１つずつわず
かな時間を以つて急開する。このとき時間ｔ_３にて第１
１図(c)に示すように加減弁流量要求信号が増加に転じ
たことにより、第１１図(e)に示すようにバイパス弁開
度要求信号は減少に転じる。これに応じて第１１図(f)
のようにバイパス弁流量も減少に転じる。

第１１図(a)に示すように時間ｔ_３にて電力系統負荷が
復帰したこと及び第１１図(d)のように加減弁流量が一
時的に減少したことにより、タービン速度は第１１図
(b)に示すように元の速度に向けて降下して時間ｔ_５に
て整定する。ほぼこの時点で加減弁流量要求信号は第１
１図(c)の如く元の値に戻り、バイパス弁開度要求信号
も第１１図(e)のように零にもどる。加減弁サーボおよ
びバイパス弁サーボには、第７図及び第８図に示すよう
な開閉速度変化制限があるので加減弁流量は第１１図
(d)のように時間ｔ_５より遅れた時間ｔ_６にて元の値に
戻り、バイパス弁流量も第１１図(f)のように時間ｔ_７
にて零に戻る。このように、加減弁流量とバイパス弁流
量の応答特性に差があるために、タービン入口圧力は第
１１図(g)に示すように一時的に減少してから元の状態
に回復する。この圧力変化は、時間遅れをもつて原子炉
圧力容器内に伝播され、原子炉圧力容器内で減衰させら
れて第１１図(h)のような変化となる。

原子炉圧力容器内の炉には蒸気泡が存在しており、この
圧力変化によつて蒸気泡の体積が変化する。これによつ
て炉心反応度が変わり、中性子束が変化する。すなわ
ち、減圧過程では中性子束減少となり、増圧過程では中
性子束増加となる。負荷急減量およびその継続時間（ｔ
_３−ｔ_１）の大きさによつては、中性子束が第１１図
(i)のようにスクラム設定値（１２０％）以上となり、
原子炉プラントが停止に至る可能性がある。

本発明は、上記のような検討結果に基づいてなされたも
のである。

〔発明の実施例〕

沸騰水形原子力発電プラントに適用した本発明の好適な
一実施例であるタービン制御装置を、第１図及び第２図
に基づいて説明する。

原子炉圧力容器４内を循環する冷却水の一部は、可変周
波数電源装置７により駆動される再循環ポンプ８によつ
て再循環配管９を通つてジエツトポンプ３の駆動水とな
る。ジエツトポンプ３の吸こみ口にて吸引した冷却水と
駆動水とが混合されて炉心１に送りこまれる。炉心１で
は冷却水が燃料の核反応によつて発生した熱を吸収して
沸騰し、ボイド（蒸気泡）を発生しつつ上昇する。気水
分離器２によつて飽和水と蒸気に分けられ、飽和水は原
子炉圧力器４内を降下してふたたび給水（図示せず）と
混合してジエツトポンプ３より炉心１内に供給される。

蒸気は原子炉圧力容器４から主蒸気管１０に吐出され、
蒸気加減弁１１を通つてタービン１２内に供給される。
タービン１２から排気された蒸気は、復水器１４にて凝
縮された後に再び原子炉圧力容器４内に給水される。タ
ービン１２は、蒸気によつて回転され、発電器１３を回
す。発電機１３にて発生した電気出力は、電力系統に送
伝される。

原子炉出力を制御する方法としては、制御棒駆動装置５
によつて制御棒６を炉心１内に挿入し、または炉心１か
ら引抜く方法と、再循環ポンプ８の回転数を変えて炉心
１を流れる冷却水流量を増減する方法とがある。前者は
起動・停止のように大巾な出力変更を行なう場合に用
い、後者は運転中の出力変更に用いる。

つぎにタービン蒸気流量であるが、蒸気加減弁１１は、
タービン入口の蒸気圧力（圧力計１６にて検出）を一定
に保つように、その開度を制御されている。圧力調整器
２０がこの制御を行なう。たとえば、再循環流量を制御
して原子炉出力を増加（減少）させた結果、蒸気圧力が
設定値よりも上がる（下がる）と、蒸気加減弁１１の開
度が開かれ（閉じられ）、蒸気圧力を一定に保とうとす
る。この間にタービン出力は、増加（減少）することに
なる。蒸気圧力が更に上昇して、蒸気加減弁１１にて調
節しきれない場合には、バイパス弁１５を開いて蒸気を
直接復水器１４に排出し、蒸気圧の上昇を抑えるように
している。

以上のように蒸気加減弁１１は、プラントの通常運転時
には圧力調整器２０の出力信号によつてその開度を制御
されているが、急激な負荷減少が生じて、タービン１２
の回転数が上昇すると回転速度計１７の出力を入力した
タービン速度制御器２３の出力信号が圧力調整器２０の
出力信号に優先して蒸気加減弁１１の開度を減少させ、
タービンの過速を防止する。

このことを詳細に説明する。

主蒸気管１０に取付けられた圧力検出器１６で検出され
たタービン入口の蒸気圧力信号は圧力設定器１８の設定
圧力信号と比較される。これらの圧力信号の偏差信号
は、圧力調整器２０に伝えられる。圧力調整器２０の出
力信号Ｐ_１は、低値選択回路２１に伝えられる。低値選
択回路２１は、タービン速度制御器２３の出力信号Ｓ_１
と前述の信号Ｐ_１とのうちで低値の信号を選択してその
信号を信号Ｃ_１として出力する。信号Ｃ_１は、関数発生
器３２に入力される。関数発生器３２は、蒸気加減弁の
開度対流量の非線形特性を補償するため、第３図に示す
ような関数を内蔵している。関数発生器２４の出力信号
が、加減弁サーボ２４に入力される。加減弁サーボ２４
は、この入力信号に基づいて蒸気加減弁１１の開度を調
節する。

一方、プラントの通常運転時にタービン速度制御器２３
の出力信号Ｓ_１が蒸気加減弁１１の開度を制御しないよ
うに、速度／負荷設定器２２によりタービン速度の設定
値が与えられている。すなわち、タービン１２及び発電
機１３が定格速度で回転しているときには、タービン速
度制御器２３の出力信号Ｓ_１が負荷にして１１０％の値
になるように、１０％高めに速度／負荷設定器２２にて
１０％高めの設定値が与えられている。速度調定率は、
タービンの速度上昇５％が加減弁流量100％変化に対応
するように定められているので、前述のように１０％高
めの負荷は、タービン速度に換算して０．５％に対応す
る。従つて負荷設定110％は、速度換算で100.5％となつ
ている。従つて、プラントの通常運転時において、信号
Ｓ_１は圧力調整器２０の出力信号Ｐ_１よりも大きく、低
値選択回路２１を通過できない。このため、プラントの
通常運転時に蒸気加減弁１１の開度は、圧力調整器２０
の出力信号Ｐ_１によつて制御される。

電力系統の負荷が部分的に喪失すると、タービン２３の
負荷が軽くなるため、一時的にタービン速度が上昇す
る。タービン速度の上昇量が０．５％を越えると、回転
速度計１７の出力信号を入力するタービン速度制御器２
３の出力信号Ｓ_１は、圧力調整器２０の出力信号Ｐ_１よ
りも小さくなり、信号Ｓ_１が低値選択回路２１を通過し
て信号Ｃ_１となる。すなわち、蒸気加減弁１１は信号Ｓ
_１によつて制御され、タービン速度上昇が制御される。

前述のように操作される蒸気加減弁１１の開度が検出さ
れる。この開度は、例えば、蒸気加減弁１１に設けられ
た弁体位置検出器４１によつて検出される。弁体位置検
出器４１の出力信号は、第１０図に示す関数を内蔵した
関数発生器４２に入力される。加算器２６は、信号
Ｐ_１、関数発生器４２の出力信号及びバイパス設定器２
５の出力信号を入力してバイパス弁開度要求信号を出力
する。バイパス弁サーボ２７は、バイパス弁開度要求信
号を入力してバイパス弁１５の開閉操作を行う。バイパ
ス弁サーボ２７の詳細構成は、第２図に示される。バイ
パス弁サーボ２７の構成及び機能は、従来例と同じであ
る。本実施例では、バイパス弁１５は、弁体位置検出器
４１の出力信号により信号Ｐ_１を補正して得られたバイ
パス弁開度要求信号に基づいて操作される。

本実施例における電力系統じよう乱時のプラント応答特
性を第４図に示す。第１１図に示す従来例と比較して異
なる部分は、第４図の(e)〜(i)の部分である。すなわ
ち、第４図(d)に示す加減弁流量の減少分が、バイパス
弁開度要求信号となる。

このバイパス弁開度要求信号の立ち上がり（時間ｔ_２か
ら時間ｔ_４の間）が緩やかなので、バイパス弁サーボ２
７内のバイパス弁急開機構は動作しない。さらにバイパ
ス弁１５の開閉速度は、バイパス弁サーボ２７の特性に
よつて第８図に示すような変化速度制限があるので、バ
イパス弁１５を通過する流量（バイパス弁流量という）
は、第４図(f)に示されるように第４図(e)よりもピーク
値が多少小さくなり、元の状態に戻る時間も多少長くな
るように変化する。バイパス弁１５は、時間ｔ_６より多
少遅れた時間ｔ_７で全閉となる。この間におけるタービ
ン入口の蒸気圧力の変化（第４図(g)参照）は、従来の
第１１図(g)に比べてはるかに緩やかなものとなる。従
つて、本実施例では、多少の時間遅れをもつて変化する
原子炉圧力の変化（第４図(h)参照）も緩やかなものと
なる。このため、中性子束の変化も、第４図(i)に示す
ように従来例に比べてわずかなものとなり、中性子束高
によるスクラム（プラント停止）に至ることなく原子炉
プラントの運転を続行できる。

なお、特開昭６０−53895号公報の第４図には、無負荷
設定器を有するバイパス弁サーボの構成が示されてい
る。この例は、パワーロードアンバランスリレーが作動
しない程度の電力系統の負荷変動が生じた場合に、パワ
ーロードアンプバランスリレーの不作動をもつてバイパ
ス弁サーボのバイパス弁急開機構の機能を働らかせない
ようにしたものである。このようにある条件のもとでバ
イパス弁サーボのバイパス弁急開機構の動作を阻止する
機能を新たに付加することは、パワーロードアンバラン
スリレーが作動するような電力系統の大幅な負荷変動が
生じた場合においてバイパス弁１５の急開失敗の故障要
因を増加させることにつながり、タービン制御装置の信
頼性を低くすることになる。本実施例では、特開昭６０
−53895号公報の第４図のようなバイパス弁急開機構の
動作を阻止する機能を有していないので、パワーロード
アンバランスリレーが作動した場合でもバイパス弁１５
を確実に急開させることができ、信頼性が著しく高くな
る。また、特開昭60−53895号公報の第４図の示すバイ
パス弁サーボを用いた場合であつても、蒸気加減弁の開
閉速度とバイパス弁の開閉速度を可能な限り一致させる
ようにそれら弁の駆動機構を調整しなければならなかつ
た。しかし、本実施例は、弁体位置検出器４１で検出さ
れた蒸気加減弁１１の開度に対応して関数発生器４２か
ら出力される蒸気加減弁流量（蒸気加減弁を通過する蒸
気流量）と、圧力調整器２０の出力とに基づいて、バイ
パス弁１５の開度制御を行っているので、蒸気加減弁１
１の開閉速度とバイパス弁１５の開閉速度が異なってい
ても、すなわち蒸気加減弁１１とバイパス弁１５の動作
ミスマッチが生じても、第４図（ｈ）に示すように原子
炉圧力の変動を著しく低減でき、原子炉出力の変動も極
めて小さくできる。このため、電力系統にじょう乱が発
生してもプラントの停止を回避することができる。従つ
て、蒸気加減弁１１及びバイパス弁１５の駆動機構の製
作，調整が極めて容易になる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、検出された蒸気加減弁の開度に対応し
て関数発生器から出力される蒸気加減弁流量と、圧力調
整器の出力に基づいてバイパス弁の開度を制御している
ので、電極系統にじょう乱が発生しても、蒸気加減弁の
開閉速度とバイパス弁の開閉速度が異なっていても、原
子炉圧力の変動を著しく低減でき、原子炉出力の変動も
極めて小さくできる。プラント停止を回避できることは
言うまでもない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の好適な一実施例である原子炉プラント
のタービン制御装置の系統図、第２図は第１図のバイパ
ス弁サードの詳細系統図、第３図は第１図の関数発生器
４２内に内蔵されている関数の特性図、第４図(a)〜(i)
は第１図に示す本発明の実施例における制御特性を示す
説明図、第５図はバイパス弁開度要求信号とバイパス弁
流量との関係を示す特性図、第６図はバイパス弁開度特
性を示す説明図、第７図は蒸気加減弁の開度及び蒸気流
量の変化を示す特性図、第８図はプラントの通常運転時
におけるバイパス弁開度及び蒸気流量の変化を示す特性
図、第９図はバイパス弁急開時におけるバイパス弁開度
及び蒸気流量の変化を示す特性図、第１０図は第２図の
関数発生器４０に内蔵されている関数の特性図、第１１
図(a)〜(i)は従来例の制御特性を示す説明図である。４……原子炉圧力容器、１１……蒸気加減弁、１２……
タービン、１５……バイパス弁、１６……圧力計、１７
……回転速度計、２０……圧力調整器、２１……低値選
択回路、２３……タービン速度制御器、２７……バイパ
ス弁サーボ、４０……弁体位置検出器、４２……関数発
生器。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】蒸気を発生する原子炉と、前記原子炉から
吐出された蒸気が供給されるタービンと、前記原子炉と
前記タービンとを連絡する主蒸気管と、前記タービンか
ら排気された蒸気を凝縮する復水器と、前記主蒸気管に
設置された蒸気加減弁と、前記蒸気加減弁よりも上流側
の前記主蒸気配管と前記復水器とを連絡するバイパス管
と、前記バイパス管に設置されたバイパス弁とを有する
原子炉プラントのタービン制御装置において、前記原子
炉で発生した蒸気の圧力を検出する手段と、前記タービ
ンの回転数を検出する手段と、前記圧力検出手段の出力
を入力する圧力調整器と、前記回転数検出手段の出力を
入力するタービン速度制御器と、前記圧力調整器及び前
記タービン速度制御器の出力のうち低いレベルの出力を
選択する低値選択手段と、前記低値選択手段の出力に基
づいて前記蒸気加減弁の開度を制御する第１制御手段
と、前記蒸気加減弁の開度を検出する手段と、前記蒸気
加減弁の開度と蒸気加減弁流量との非線形特性を用いて
前記開度検出手段の出力に対応する前記蒸気加減弁流量
を出力する関数発生器と、前記圧力調整器及び前記関数
発生器の出力に基づいて前記バイパス弁の開度を制御す
る第２制御手段とを備えたことを特徴とする原子炉プラ
ントのタービン制御装置。