JPS593104B2 - 電力系統の負荷追従運転方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、電力系統の負荷追従運転方法に係り、特に原
子力発電プラントを有する電力系統に好適な負荷追従運
転方法に関する。

ｊ 原子力発電プラントは、現在は系統に占める割合も
小さく、高効率運転のためにほとんど一定負荷運転を行
なつているが、原子力発電プラントの設置数が増加し、
電源構成比が変化すると原子力発電プラントと言えども
負荷追従運転が要求され０ るようになる。

ところが、負荷追従運転を行なうようになると炉出力の
変化に伴ないウランの核分裂により生成されるＸ１ｅ３
５（キセノン）の濃度が変化し、ＢＷＲ（沸騰水型原子
炉）発電プラントにおいては負荷指令のパターンによつ
ては操作量５ の制限内で炉出力を負荷指令に追従させ
ることができない場合が生じる。次にこれについて詳し
く説明する。ＢＷＲ発電プラントにおいて、原子炉の出
力制御は、再循環ポンプにより駆動される炉心流量とク
制御棒の操作により行なう。

第１図は、この関係を示す図である。図において、実線
で示す曲線、例えば曲線１は制御棒パターンを固定して
炉心流量を変化させたときの炉出力の変化を示すもので
あり、炉心流量制御ラインという。また、被線でワ 示
す曲線、例えば曲線２は再循環ポンプ速度を固定して制
御棒パターンを変化させたときの炉出力の変化を示し、
制御棒制御ラインという。次に操作量の制限について説
明する。まず、燃料棒保護のために燃料棒単位長さ当り
フ の出力すなわち線出力密度が基準値以上では、挿入
以外制御棒はあまり操作しない方が好ましい。

また、第１図の炉出カー流量曲線上において、（Ｉ）原
子炉の熱水力学的不安定を回避するための再循環ポンプ
速度下限、（■）ポンプ容量の限界である再）循環ポン
プ速度上限、（１１）ポンプキャビテーション防止のた
めの運転下限、（資）燃料棒保護のための制御棒引抜ブ
ロックライン（ＲＢＬ）からなる４つヨーの太線の内側
で運転するのが望ましい。

負荷追従運転を行なう場合、原子力発電プラントにおい
ては炉出力の変更に伴なつて（１）式に示す動特性に従
つてＸｌｅ３５濃度が変化する。

ところで、Ｘ卜３５は中性子を吸収する性質があり、ｘ
１♂５濃度が変化すると、例えば増加すると、操作量を
固定した状態では炉出力が減少するなど炉の出力特性が
変化する。このため、負荷指令通りに炉出力を大幅に変
更しようとすると、線出力密度が基準値以上では挿入以
外制御棒をあまり操作しない方がよいという条件の下で
は、負荷指令のパターンによつては第１図の４つの太線
の外側にはみ出て運転せざるを得なくなる。これらの代
表例として、再循環ポンプ速度上限に掛かる場合と原子
炉状態がＲＢＬ（ロッドブロックライン）を越える場合
がある。次にこれについて説明する。先ず、再循環ポン
プ速度上限に掛かる場合について説明する。負荷指＋Ｌ
ｄとして、１００％から再循環ポンプ速度下限ラインの
近傍のＱ１％に出力を落とし、Ｔ１時間その出力を保持
した後再び１００％に出力を戻すような例を考える。こ
れは夜間の負荷需要減少のために出力を落とし、翌朝再
び出力を上昇させることに対応する。初期状態としては
、１００％出力で平衡しているものとする。この負荷指
＋Ｌｄに炉出力を追従させようとすると炉心流量のみを
操作することにより対処することになる。第２図は、こ
の場合の炉出力Ｑｒと炉心流量Ｗｉの軌跡を示したもの
であり、Ａ−＋Ｂ−＋Ｃ−＋Ｄ→Ａ→Ｅ→Ａのように原
子炉状態が遷移する。この軌跡を時間的な変化としてと
らえると第３図のようになる。図かられかるように、Ｑ
１％から１００％に炉出力Ｑｒを戻そうとして炉心流量
Ｗｉを１００％に増加させてもＸｌｅ３５濃度Ｘが増加
しているので初め炉出力Ｑｒは１００％出力まで回復せ
ず、負荷指令Ｌｄと炉出力Ｑｒとの間に偏差が生じる（
Ｃ−＋Ｄの状態遷移に対応する）。

炉心流量Ｗｉを１００％に回復する（Ｄ−＋Ａの状態遷
移に対応する）。次に、原子炉状態がＲＢＬを越える場
合について説明する。

負荷指令Ｌｄとして、１００％からＱ２％まで出力を落
とし、２日程その出力を保持した後再び１００％出力に
戻すような例を考える。初期状態としては、再循環ポン
プ速度上限に掛かる場合と同様１００％出力で平衡して
いるものとする。この負荷指令Ｌｄに炉出力Ｑｒを追従
させようとして、炉心流量のみにより再循環ポンプ速度
下限の近傍まで炉出力を下げ、その後制御棒操作により
Ｑ２％まで出力を下げてその出力を保持した後制御棒を
１００％制御棒パターンになるまで引抜いて、その後炉
心流量Ｗｉにより１００％出力に戻すことにより対処す
る制御方法がある。第４図は、この場合の炉出力Ｑｒと
炉心流量Ｗｉの軌跡を示したものであり、Ａ→Ｂ−＋Ｃ
−＋Ｄ→Ｅ→Ｆ−＋Ａのように原子炉状態が遷移する。
ここで、１００％制御棒パターンとは、定常状態として
炉心流量Ｗｌｌが１００％で炉出力Ｑｒが１００％とな
るような制御棒パターンのことである。図かられかるよ
うに、Ｑ２％から１００％に出力を戻す場合、まず１０
０％制御棒パターンになるまで制御棒を操作する（Ｃ−
＋Ｄの状態遷移に対応する）。ここで、Ｂ点とＤ点の制
御棒パターンは同じであるが、Ｘｌｅ３５濃度が小さく
なつているのでその分だけＤ点の方が出力が増加してい
る。制御棒を１００％制御棒パターンに戻した後、炉心
流量のみの操作により炉出力Ｑｒを１００％まで増加さ
せる（Ｄ→Ｅの状態遷移に対応する）。この後過渡的に
Ｘ卜３５濃度が減少するので炉出力を１００％に保持し
ようとすると炉心流量を減少させなければならず、原子
炉状態がＲＢＬを越えるようになる（Ｅ−＋Ｆの状態遷
移に対応する）。その後、再びＸｌｅ３５濃度が１００
％出力平衡Ｘｌｅ３５濃度に向つて増加しそのため炉心
流量Ｗｉを増加させる（Ｆ−＋Ａの状態遷移に対応する
）。原子炉状態がＲＢＬを越えないようにするには、制
御棒を挿入すればよいが、そうするとその後Ｘｌｅ３５
濃度が増加したときには１００％出力を出せなくなるｏ
以上のことから、原子力発電プラントに系統の負荷需要
に従つてその出力を大幅に変化させるような運転を要求
するような場合は、負荷指令のパターンによつては、炉
心流量の上限に掛かつて高出力において負荷指令通りに
炉出力を増加させることができなくなつたり、原子炉状
態がＲＢＬを越えるような場合が生じることがわかる。

前者の場合は、供給予備力の減少をきたし、最悪の場合
は供給予備力がマイナスになる場合もあり得、系統の安
定運用上問題がある。また、後者の場合は、ＲＢＬを越
えたいように制御棒の挿入を行なうとその後ｘ１♂５濃
度が増加したとき負荷指令通りに出力を増加させること
ができなくなり、前者の場合と同様の問題が生じる。逆
に制御棒を挿入しないで、高出力を保持しようとすると
原子炉状態がＲＢＬを越えて燃料棒の安全上好ましくな
く、プラント安全運転上問題がある。したがつて、原子
力発電プラントに系統の負荷需要に従つてその出力を大
幅に変化させるような運転を要求するような場合は、上
記の問題を解決しなければならないが、これには予め炉
出力を予測しその結果に従つて負荷配分を修正する必要
がある。

ところで、従来は中給において翌日の負荷需要を予測し
、予測結果に従つて翌日のＥＬＤ（経済負荷配分）予想
計算を行ない、当日数分毎にオンライン修正してその修
正結果に基づいて各発電プラントに負荷指令を与えてい
た。これでは数時間以上の時定数を持つＸｌｅ３５の変
化に効果的に対処できない。本発明の目的は、上記した
事項を考慮して安全に運転できる負荷指令を短時間に決
定できる電力系統の負荷追従運転方法を提供することに
ある。

本発明の特徴は、負荷需要の経済配分による各発電プラ
ントに対する第１負荷を中央給電所にて決定し、第１負
荷に基づく負荷追従運転後における原子力発電プラント
の運転制限範囲逸脱の有無を、原子力発電プラント内に
設けられたプラント運用指令装置で推定し、推定結果が
運転制限範囲を逸脱しない場合には第１負荷に基づいて
原子力発電プラントの負荷追従運転を実行し、推定結果
が運転制限範囲を逸脱する場合にはプラント運用指令装
置より中央給電所にその旨を伝えて中央給電所にて原子
力発電プラントに対する第１負荷を経済配分により運転
制限範囲を満足する第２負荷に修正することにある。図
により本発明の実施例を説明する。

第５図は、本発明になる負荷指令方式を説明するための
図である。図において、中央給電所（以下、単に中給と
いう）１２、翌日の系統の負荷需要を予測し、その予測
結果に基づいてＥＬＤ予想計算を行ない翌日の系統の各
発電プラントの負荷配分を決定して、各原子力発電プラ
ントに対しては負荷配分の結果に基づいてその日のうち
に翌日分の負荷指令を与える。各原子力発電プラント内
に設けられた原子力発電プラント運用指令装置１３は、
Ｘ卜３５濃度を推定し、この推定値と中給１２からの翌
日分の負荷指令に基づいて翌日の炉出力を予測し、その
日のうちに予測結果を中給に伝える。予測の結果もしプ
ラント運転制限条件内で負荷指令通りに炉出力を変更で
きないと予測された場合は、中給１２がプラント運転制
限に掛かると予測されたプラントの原子力発電プラント
運用指令装置１３と連絡を取り合つて翌日のＥＬＤ予想
計算結果を修正する。プラント制御装置１４は、原子力
発電プラント運用指令装置１３においてプラント運転制
限に掛からない予測確認された負荷指令に基づいて、制
御棒８と再循環ポンプ６の駆動による炉心流量を操作し
て炉出力を制御し、蒸気加減弁１０とバイパス弁１１を
操作して主蒸気圧力とタービン速度を制御する。次に詳
細に説明する。系統の負荷需要の予測には、従来技術が
利用できる。これにはいろいろあるが、このうちの１例
を説明する。それは、（２）式に示ずように、負荷に大
きな影響を与える要因をいくつか取り上げて、それに重
み付けした和の形で予測するものである〇要因（Ｘ１）
としては、過去のいくつかの負荷データや予測時点の気
温、照度、湿度、風速の推定値などが用いられ、各要因
に対する重み付けは過去の有限な観測期間内の実積から
定める。予測精度は、他の予測方法と同程度で２〜３％
前後である。また、系統の負荷需要予測結果に基づいた
ＥＬＤ予想計算は、基本的に次のように定式化できる。
（ａ） Ｐｓｉ（ｔ）を火力発電プラント≠ｉの出力分
担、ＰＨｉ（ｔ）を水力発電プラントΦｊの出力分担、
ＰＡｋ（ｔ）を原子力発電プラント≠ の出力分担、Ｌ
（ｔ）を系統の総負荷需要、Ｒ（ｔ）を系統における損
失の総量とする。カツコ内のｔは、それぞれの量が時刻
ｔにおける値であることを示す（以下同様）。これから
、需給バランスの条件は、で表わせる。（ｂ）火力発電
プラント≠ｉの出力の上下限値をＰｒ丁，Ｐｓ〒、水力
発電プラント＋ｊの出力の上下限値をＰＷ〒，ＰＨ〒、
原子力発電プラント＋ｋの出力の上下限値をＰｍａ★，
ｐ賢とすると、それぞれの出力の制約は、！１Ａ？ となる。

（ｃ）水力発電プラント◆ ＱＪ（ｔ）とすると、ＰＨ Ｑｊ（ｔ）の関数になる。

Ｎｖ−′ｉ− ＮＫ ｊの水の使用速度を ・（ｔ）は、（５）式のように Ｊ （ｄ）水力発電プラント＋ｊの考察期間Ｔにおける全使
用水量ＱｊＴは、Ｑｊ（ｔ）をＴ。

（考察開始時間）からＴ。＋Ｔまで積分したものである
。運用上ＱＬＴは与えられるものとする。（ｅ）系統の
損失は、（７）式のように｛Ｐｓｉ｝，｛ＰＨ，｝，｛
ＰＡｋ｝の関数である。

（ｆ）（３）〜（７）式を制約条件とし、目的関数をＴ
。

〜ＴＯ＋Ｔの間の総火力・原子力燃料費Ｆとする。火力
発電プラント＋ｉの火力がＰＳｌのときの単位時間当り
の燃料費をＦＳｉ（ＰＳｉ）、原子力発電プラント≠ｋ
の出力がＰＡｋのときの単位時間当りの燃料費をＦＡｋ
（ＰＡｋ）とすれば、目的関数は（８）式のように表わ
せる。ＥＬＤ予想計算は、このＦを最小にするようなＰ
ｓｉ（ｔ）、ＰＨｊ（ｔ）、ＰＡｋ（ｔ）をＴ。−ＴＯ
＋Ｔに亘つて求めるものである（１＝１，・・・・・・
ＮＦｊ：１９１１ＦｍＩｋ：ＬＯｌＦｌ）０中給１２に
おける翌日の系統の負荷需要の予測と予測結果に基づく
翌日分のＥＬＤ予想計算は、上で説明した方法により行
なう。そして、この翌日分のＥＬＤ予想計算結果に基づ
いて、各原子力発電プラントに対してはその日のうちに
翌日分の負荷指令を前もつて与える。各原子力発電プラ
ント内に設けられた原子力発電プラント運用指令装置１
３は、この翌日分の負荷指令に従つて翌日分の炉出力の
時間的変化を予測する。予測には、原子炉の出力特性を
表わすモデルを用いる。また、この予測計算に先立つて
、予測開始時点のＸｌｅ３５濃度を推定し、この推定値
と翌日分の負荷指令に基づいて炉出力を予測し、予測結
果をその日のうちに中給に伝える。予測の結果、もしプ
ラント運転制限条件内で負荷指令通りに炉出力を変更で
きないというが判明した場合は、中給１２がプラント運
転制限に掛かると予想された原子力発電プラントの原子
力発電プラント運用指令装置１３と連絡を取り合つて、
プラント運転制限条件内で運転すると共に系統負荷の需
給バランスが保たれるようにＥＬＤ予想計算結果を修正
する。以上の説明をフロー線図で表わすと第６図のよう
になる。ところで、系統の負荷需要は、季節、月、曜日
により多少変動するが、第７図に示す日間負荷曲線が基
本パターンとなる。そして、毎日このパターンが繰り返
される。この昼間大きく、夜間小さい負荷需要のパター
ンは、昼間働いて夜間休息を取る人間の生活態度と相関
している。人間が生物である以上この生活態度は、不変
のものと考えられ、これと相関している負荷需要のパタ
ーンも不変のものと考えられる。そして、各発電プラン
トの負荷指令のパターンもこの負荷需要のパターンに相
関して、通常昼間大きく夜間小さいパターンになる。原
子力発電プラントにおいても近い将来このような日単位
で大きく高低を繰り返すようなパタ一ンの負荷指令に従
つて日単位に大幅に出力を変化させるようになるものと
思われる。

そして、負荷指令通りに炉出力を変化させようとして数
時間から数十時間程度の時定数を持つＸｌｅ３５の濃度
変化のため炉の出力特性が変化し、プラント運転制限に
掛かる可能性が大きいのはこのような場合である〇した
がつて、中給において翌日の負荷需要に従／／つてＥＬ
Ｄ予想計算を行ない、原子力発電プラントに対してはそ
の日のうちに翌日分の負荷指令を与え、それに基づいて
翌日の時々刻々の炉出力を予測させることにより、プラ
ント運転制限に掛かるかどうかを前もつて容易に確認で
きる。

そして、もしプラント運転制限に掛かるという結果が得
られた場合でも、その日のうちに翌日の負荷配分を修正
するので、効果的な対策ができる。すなわちＸｌｅ３５
の濃度は、数時間から数十時間程度の時定数を持つが、
通常負荷指令の基本パターンは上で述べたように日単位
で高低を繰り返えすようなパターンであるから、数時間
から１日程度の時定数に注目すればよく、その日のうち
に翌日分の負荷指令を修正するのは、この時定数に相当
する時間前もつて修正するということであり、効果的な
対策ができる。本実施例では、電力系統での経済的な負
荷配分と原子力発電プラントの安全な運転を考慮した負
荷追従運転を実施する場合の各発電プラントの負荷を、
中給１２と原子力発電プラント内に設置された原子力発
電プラント運用指令装置とで分担して決めているので、
中給１２と原子力発電プラントとの相互間で伝送する情
報量が著しく減少する。

このため、中給１２にすべてのプラント情報を集めて中
給１２にて原子力発電プラントの安全性を予測する場合
に比べて、すべての情報を伝送するのに要する時間が著
しく短縮され、安全性の高い負荷指令を短時間で決定す
ることができる。本発明により、中給において翌日の負
荷需要に従つてＥＬＤ予想計算を行ない、原子力発電プ
ラントに対してはその日のうちに翌日分の負荷指令を与
え、それに基づいて翌日の時々刻々の炉出力を予測させ
、もし負荷指令通りに炉出力を変化させようとするとプ
ラント運転制限に掛かると予測された場合は、その日の
うちに中給と原子力発電プラントと連絡を取り合つて翌
日のＥＬＤ予想計算結果を修正すｌてとにより、プラン
ト運転制限に掛かる可能性の大きい日単位に大きく高低
を繰り返す負荷指令に対して、プラント運転制限に掛か
るかどうかを炉出力が低→高→砥という１つの繰り返し
に渡つて一括して確認できるので、プラント安全運転に
対する評価が行ないやすく、安心してプラントを運転で
きるという確認が前もつて得られると共に、プラント運
転制限に掛かるという結果が得られた場合でも、負荷指
令が日単位に高低を繰り返すということからＸｌｅ３５
の濃度変化の時定数が数時間から数十時間程度の時定数
を持つにもかかわらず、数時間から１日程度の時定数に
注目すればよく、その日のうちに翌日分の負荷指令を修
正するのは、この時定数に相当する時間前もつて修正す
るということであり、十分効果的な対策ができ、プラン
トを安全に運転できると共に系統負荷の需給バランスを
良好に保てるように負荷指令を修正できるので、系統の
安定運用も前もつて確認できる。さらに、本発明によれ
ば、負荷追従運転を実施する際の負荷の決定にあたつて
中央給電所と原子力発電プラント内に設けられたプラン
ト運用指令装置とで機能分担しているので、中央給電所
と原子力発電プラントとの相互間における情報の伝送量
が著しく低減され、安全性の高い負荷指令を短時間で決
定することができる。

ＥＬＤ予想計算結果の修正は、翌日分についてのみ行な
うだけでなく、修正時点からその日の終りまでのＥＬＤ
計算結果も合せつ修正を加えることにより、一層効果的
な負荷配分の修正が可能となる。

【図面の簡単な説明】 第１図は炉出力と炉．心流量の関係を示す図、第２図は
再循環ポンプ速度上限に掛かつて炉出力を負荷指令に追
従させることができない場合の原子炉状態遷移を示す図
、第３図は第２図の原子炉状態遷移をプラント状態量の
時間的変化として表した図、第４図は炉出力を負荷指令
通りに変化させたときに原子炉状態がＲＢＬを越える場
合の状態遷移を示す図、第５図は本発明になる原子力発
電プラント運用制御システムの構成を示す図、第６図は
本発明になる負荷指令方式をフロー線図で表わした図、
第７図は日間負荷曲線を示す図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 原子力発電プラントおよび原子力発電プラント以外
   の他の種類の発電プラントを有する電力系統の負荷需要
   を中央給電所にて予測し、この予測した負荷需要に前記
   電力系統を追従させる運転方法において、予測した前記
   負荷需要の経済配分による各々の前記発電プラントに対
   する第１負荷を前記中央給電所にて決定し、前記第１負
   荷を前記原子力発電プラント内に設けられたプラント運
   用指令装置に伝え、前記第１負荷に基づく負荷追従運転
   後における前記原子力発電プラントの運転制限範囲逸脱
   の有無を、前記プラント運用指令装置が前記原子力発電
   プラントから入力した動特性を考慮して推定し、推定し
   た結果が前記運転制限範囲を逸脱しない場合には、前記
   第１負荷に基づいて前記原子力発電プラントの負荷追従
   運転を実行し、前記推定した結果が前記運転制限範囲を
   逸脱する場合には、前記プラント運用指令装置により前
   記中央給電所にその旨を伝えてその中央給電所にて前記
   原子力発電プラントに対する前記第１負荷を経済配分に
   より前記運転制限範囲を満足する第２負荷に修正するこ
   とを特徴とする電力系統の負荷追従運転方法。