JPS6157898A - 沸騰水型原子力プラントにおける炉心急速停止防止装置 - 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】 〔発明の技術分野〕 本発明は、沸騰水型原子力プラントにおいて、電力系統
側の周波数上昇によるタービンバイパス弁の吸収能力を
上回る部分負荷しゃ断に対して不測の原子炉停止を避け
るようにした、原子炉急速停止防止装置に関するもので
ある。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

近年、電力系統の拡大、発電ユニットの大容量化ととも
に、夜間の揚水発電所の運転量の増大、電源立地点の入
手難、送電ルートの確保用等の技術的社会的要因から大
容量かつ長距離送電が必要となり、これに伴って電力系
統の安定運用問題がクローズアップされてきている。

特に、多数の揚水発電所が揚水運転を行なっている夜間
時において、電力系統に短絡、地絡等の系統故障が発生
すると、電源地帯では発電機出力減少のために発電機が
加速され、一方揚水発電所では供給される電力の減少に
よって減速されるため、周期運転限界以上に相差角が開
き、いわゆる揚水発電所の脱調現象に至る可能性がある
。

このようにして多数の揚水発電所が脱調すると、電力系
統網の電力の需給バランスがくずれて電源過剰になるた
め、系統周波数は或時間継続して上昇したままになる。

そして、この周波数の上昇量は揚水発電所の脱調吊にほ
ぼ比例している。

従来の沸騰水型原子力プラントでは、上述のような状況
下で系統周波数の上昇量がタービン制御装置内の予め決
められた負荷設定バイアス分相当以上になると、タービ
ン加減弁を絞るとともにタービンバイパス弁の開放が行
なわれていた。しかし、この場合タービンバイパス弁へ
流れる蒸気がタービンバイパス弁の設備容量以上になる
と、原子炉停止に至る虞れがある。

すなわち、電力系統に前述の如き周波数上昇が起きると
、その電気信号によりタービン加減弁が急閉するととも
にタービンバイパス弁が全開され蒸気タービンへ流入す
る蒸気流量が減少される。

しかし、この減少分がタービンバイパス弁開によるバイ
パス流量を上回ると、蒸気減少分とバイパス流量との間
にミスマツチが生じ主蒸気流量が減少する。一方、原子
炉出力はこの間はぼ一定であるため原子炉からの発生蒸
気は一定であり、したがって原子炉の発生蒸気と主蒸気
流量すなわち原子炉からの流出蒸気とのミスマツチが生
じ、原子炉圧力が上昇する。このように原子炉圧力が上
昇すれば、沸騰水型原子炉に特有の正の出力反応度特性
により原子炉内中性子束が増加し、さらにこれに比例し
て原子炉圧力が上昇する。したがって、その圧力上昇信
号或いは中性子束上昇信号いずれかが原子炉の安全装置
に導かれ、原子炉急速停止が行なわれる。

ここで電力系統の周波数上昇量Ｆ％（定格周波数に対す
る％値）とし、タービン加減弁の絞り込み量すなわち部
分負荷しゃ断量をＰ％（プラント定格負荷に対する％値
）とすれば、これらの間にはタービン速度制御系の速度
計定率Ａ％に対してＰ＝１００ＸＦ／Ａなる関係がある
。

また沸騰水型原子力プラントのタービン加減弁は、一般
に圧力優先制御を行なっており、そのためにタービン制
御装置からのタービン加減弁制御信号はいわゆるバイア
スが与えられている。

すなわち、第３図はタービン制御装置の回路構成因であ
り、タービン制御装置５０にはタービン速度信号４９Ａ
およびタービン圧力信号４８Ａが入力されている。上記
タービン速度信号４９Ａは速度計整器１３へ入力され、
速度設定器１４の設定値と比較器１３ａで比較され、そ
の偏差信号が増幅器１３ｂで増幅されて速度誤差信号１
３Ａとして基準値回路１５に加えられる。基準値回路１
５へは負荷設定器１６の負荷設定信号１６Ａおよび負荷
設定バイアス発生器１７からのバイアス信号１７Ａが加
えられており、その基準値回路１５の出力はタービン負
荷要求信号１５Ａとして低値優先回路１８の一つの入力
端に印加されている。低値優先回路１８の出力はタービ
ン加減弁流量信号５０Ａとしてタービン加減弁操作部３
７ａへ加えられるとともに、バイパス弁制御回路２０へ
入力される。

一方、タービン入口圧力信号４８Ａは圧力調節器２１へ
入力され、圧力設定器２２の設定値と比較器２１ａで比
較され、その偏差信号が増幅器２１ｂで増幅され圧力調
整信号２１Ａとして前記−〇− 低値優先回路１８の他の入力端および前記バイパス弁制
御回路２０の他の入力端に加えられる。前記低値優先回
路１８は前記タービン負荷要求信号１５Ａと圧力調整信
号２１Ａとを比較し低値を優先させて出力し、タービン
加減弁を調整するものであり、通常はタービン負荷要求
信号１５Ａが負荷設定バイアス分だけバイアスしている
から、タービン圧力制御系からの信号を優先させること
になる。

バイパス弁制御回路２０は前記タービン加減弁流量信号
５０Ａと全蒸気流量信号となる圧力調整信号２１Ａとを
比較器２０ａで比較し、その偏差を増幅器２０ｂにて増
幅し、バイパス弁流量信号５０Ｂとしてタービンバイパ
ス弁操作部４３ａに出力し、バイパス弁の調整を行なう
。このように低値優先回路１８の入力端にはタービン負
荷要求信号１５Ａと圧力調整信号２１Ａとが入力されて
おり、タービン負荷要求信号１５Ａは通常運転中負荷設
定バイアス分だけバイアスした状態となっている。

上気負荷設定バイアス量は一般に１０％定格負荷相当分
である。したがって、１０％定格負荷以内の部分負荷し
ゃ断に対してはタービン加減弁は応動せず、一般にＰ％
の部分負荷しゃ断に対してはタービン加減弁操作部への
実効絞り要求は（Ｐ−１０）％定格負荷となる。さらに
タービンバイパス弁の容量をＢ％定格蒸気流量とすると
、（Ｂ＋１０）％定格負荷相当までの部分負荷しゃ断に
対しては、タービン加減弁の絞り込みによる蒸気流量減
少があっても原子炉側へ原子炉圧力上昇等の波及的効果
は与えないと言える。しかし、（Ｂ＋１０）％定格負荷
相当以上の大幅な部分負荷しゃ断に対しては、タービン
加減弁の絞り込み量を前記タービンバイパス弁で吸収し
きれなくなるため、前述の如く原子炉は停止することと
なる。

そこで、このような原子炉の急速停止を防止するために
、タービンバイパス弁の吸収能力を上回る負荷しゃ断が
生じたことを系統周波数によって検出し、選択制御棒の
挿入および再循環ポンプトリップ等によって原子炉出力
を減少させることが提案されている（　特開昭５４−３
６４８０号参照）。

しかしながら、系統周波数の上昇が急激に起った場合に
は、たとえ上記のような対策を用いても燃料棒からの熱
出力および炉心発生蒸気量は、数秒以上の時定数でゆっ
くりとしか減少させることができず、その間に原子炉の
急速停止に至ってしまう可能性がある等の問題がある。

〔発明の目的〕

本発明はこのような点に鑑み、系統周波数の急激な上昇
による部分負荷しゃ断時において原子炉の急速停止を確
実に防止し得るようにした。沸騰水型原子力プラントに
おける原子炉急速防止装置を提供することを目的とする
。

〔発明の概要〕

本発明は、電力系統網の周波数上昇による部分負荷しゃ
断に対してその部分負荷しゃ断量がタービン制御系のタ
ービンバイパス弁容量を越えたことを検出する周波数検
出器と、この周波数検出器からの出力信号を受けて沸騰
水型原子力プラントのタービンバイパス弁総容量を一時
的に増加させるタービンバイパス弁総容量制御装置と、
前記周波数検出器からの出力信号を受けてタービン速度
計定率を増加させるタービン速度計定率変更装置と、さ
らに前記周波数検出器からの出力信号を受けて原子炉出
力を減少せしめる原子炉出力制御装置とを有し、沸騰水
型原子力プラントにおける部分負荷しゃ断による原子炉
の急速停止を確実に防止するようにしたものである。

〔発明の実施例〕

以下、第１図乃至第４図を参照して本発明の一実施例に
ついて説明する。

第１図において符号３０は原子炉であって、この原子炉
３０内には炉心３１が配設されており、この原子炉３０
の出力すなわち蒸気発生量は炉心３１内に分散して設け
られている複数本の制御棒３２の挿入位置および炉心３
１内を流れる冷却材の炉心流量によって制御される。上
記制御棒３２の挿入位置は制御棒操作装置３３によって
制御され、また前記炉心流量は再循環流量制御装置３４
ａ、３４ｂの出力によって作動される再循環ポンプ３５
ａ、３５ｂによって制御されるようにしである。

上記原子炉３０で発生した蒸気は、主蒸気管３６および
タービン加減弁３７を経て蒸気タービン３８に導かれる
。蒸気タービン３８に導入された蒸気はそこで仕事を行
ない軸直結された発電機３９を駆動し、−力仕事を終え
た蒸気は復水器４０に流入して凝縮される。そして復水
器４０で凝縮された水は給水管４１および給水ポンプ４
２を介して原子炉３０に環流される。

タービン加減弁３７の上流側と復水器４０とはタービン
バイパス弁４３を有するタービンバイパス管４４によっ
て接続されており、原子炉３０で発生した蒸気を上記蒸
気タービン３８をバイパスして直接復水器４０に導入す
ることができるようにしである。また、前記発電機３９
の出力は変圧器４５で昇圧され発電機主しゃ断器４６お
よび送電 電線４７を介して電力系統へ送電される。

一方、前記タービン加減弁３７およびタービンバイパス
弁４３は、タービン加減弁操作部３７ａおよびタービン
バイパス弁操作部４．３　ａによってそれぞれ操作され
、そのタービン加減弁操作部３７ａおよびタービンバイ
パス弁操作部４３ａは、主蒸気管３６に設けられたター
ビン入口圧力検出器４８からの圧力信号４８Ａと、蒸気
タービン３８に設けられたタービン速度検出器４９から
の速度信号４９Ａとを受けて動作するタービン制御装置
５０の出力信号５０Ａおよび５０Ｂによって制御される
。

符号５１は前記再循環流量制御装置３４ａ。

３４、　ｂ等に制御信号を与える制御装置であって、こ
の制御装置５１は、タービン速度検出器４９からの速度
信号４９Ａ１図示しない原子炉炉心流量検出器および原
子炉出力検出器からの炉心流量信号５２Ａおよび原子炉
出力信号５３Ａ、中央給電指令室５４から出される系統
周波数上昇の原因である複数の揚水発電所５５の脱調検
出信号５４Ａ、および発電機主しゃ断器４６からの主し
ゃ断器閉信号４６Ａを入力信号として受け、沸騰水型原
子炉プラントのタービンバイパス弁操作部４３ａ。

再循環流量制御装置３４ａ、３４ｂ及びタービン制御装
置５０の各々に対し、制御信号５１Ａ。

５１Ｂ及び５１Ｇを与える。

前記タービンバイパス弁操作部４３ａは上記制御装置５
１からの制御信号５１Ａを受け、あらかじめ増設された
予備のタービンバイパス弁を開放し一時的にタービンバ
イパス弁総容量を増加させる。尚これら予備のタービン
バイパス弁は復水器４０に過度の負担が加わらない範囲
内の時間（数秒程度）で自動的に閉鎖するようロジック
が組まれている。一方、再循環流量制御装置３４ａ。

３４ｂは制御信号５１Ｂを受け、再循環ポンプ３５ａ、
３５ｂによって原子炉炉心流量を減少させる。また、タ
ービン制御装置５０は、制御信号５１Ｃを受け、一時的
にタービン速度計定率を増加させプラントの実質的負荷
しゃ所間を減少させる。

第２図は制御装置５１の内部構成を示す図であって、再
循環流量制御回路６０はタービン速度信号４９Ａと速度
設定器６１の設定値を比較器６２で比較した偏差信号を
入力として、再循環流量制御装置３４ａ、３４ｂに対し
て流量を減少させる制御信号５１Ｂを出力する。一方、
周波数検出器６３はタービン速度の上昇値が予め定めら
れた量を所定時間継続して越えたことを検知するもので
あり、タービン速度の上昇値がプラント定格負荷でター
ビンバイパス弁容量と負荷設定バイアス分の和以上に相
当する部分負荷しゃ断に対して動作し、論理信号（１１
Ｔ１を出力しその出力信号がアンドゲート６４に加えら
れる。

また、炉心流量信号５２Ａおよび原子炉出力信号５３Ａ
はそれぞれ炉心流量検知器６５および炉出力検知器６６
に加えられる。これら炉心流量検知器６５および炉出力
検知器６６は、プラント出力が無負荷或いは低出力レベ
ルの状態ではなく、それらが所定出力レベルにあること
を検知するものであり、各々の状態量が所定の設定値以
上で動作して論理信号１１１　Ｉ＋を出力し、その出力
信号がアンドゲート６４に加えられる。アンドゲート６
４には、さらに発電機工しゃ断器４６が閉じているとき
論理信号“１″となる閉信号４６Ａ１および中央給電指
令室５４からの脱調検出信号５４Ａも加えられており、
これらの各信号が全て論理信号１１１　Ｔ＋である場合
すなわちＯＮとなった場合に、アンドゲート６４が論理
信号゛１″を出力し、この出力信号６４Ａはタービンバ
イパス弁総容量制御回路６７及びタービン速度計定率変
更回路６８に入力される。

タービンバイパス弁総容量制御回路６７はアンドゲート
６４からの出力信号６４Ａを受け、タービンバイパス弁
操作部４３ａに対しあらかじめ増設された予備のタービ
ンバイパス弁総容量を増加させる制御信号５１Ａを出力
する。タービン速度計定率変更回路６８は、同様にアン
ドゲート６４からの出力信号６４Ａを受け、タービン制
御装置５０に対し、一時的にタービン速度計定率を増加
させ、プラントの実質的負荷しゃ断量を減少させる制御
信号５１Ｃを出力する。

次に本実施例装置の作用について説明する。プランドが
夜間通常運転中に系統事故による揚水発電所脱調に伴っ
て所定値以上の周波数上昇が起ると、タービン制御装置
５０においてタービン速度検出器４９で検出したタービ
ン速度信号４９Ａによりこの周波数上昇が検知され、タ
ービン加減弁操作装置３７ａを介してタービン加減弁３
７を絞り込むと同時に、タービンバイパス弁操作装置４
３ａを介してタービンバイパス弁４３が全開される。

ところが、タービン加減弁３７の絞り込みにより蒸気タ
ービン３８への蒸気流量は減少するが、その減少分はタ
ービンバイパス弁４３の全開によるバイパス流量を上回
るため、蒸気タービン側に流出する主蒸気流量が減少し
、実質的に原子炉発生蒸気が流出蒸気よりも多くなって
原子炉圧力上昇しようとする。

一方、制御装置５１は、アンドゲート６４の入力のうち
発電機工しゃ断器４６Ａ１炉心流量検知器６５および出
力検知器６６はすでにプラントが通常運転状態にあるた
めＯＮとなっており、前記タービン速度検出器４９で検
出したタービン速度信号４９Ａを受けて周波数検知器６
３がＯＮＬ、さらに周波数上昇の直接原因である揚水発
電機の脱調信号５４．　Ａが中央給電指令室５４から入
力されることによりアンドゲート６４がＯＮＬ、制御信
号６４Ａを出力する。この信号がタービンバイパス弁総
容量制御回路６７を介してタービンバイパス弁操作部４
３ａに対し制御信＠５１Ａを出力するためあらかじめ増
設された予備のタービンバイパス弁が一時的に開放され
る。従って、タービンバイパス弁の総容量は一時的に増
大して原子炉圧力の上昇を抑制することができる。

同時に、アンドゲート６４からの出力信号６４Ａにより
タービン制御回路５０に対し、一時的にタービン速度計
定率を増加させる制御信号５１Ｇが出力される。これに
よってプラントの実質的負荷しゃ断量を減少させること
ができ、タービンバイパス弁蒸気流量とのミスマツチが
緩和され原子炉圧力の上昇は抑制される。

一方、再循環流量制御装置３４ａ、３４ｂは、タービン
速度信号４９Ａが速度設定器６１の設定値と比較器６２
で比較され、さらに再循環流量制御回路６０を介して出
される制御信号を受けて、再循環ポンプ３５ａ、３５ｂ
を制御して、初期の炉出力と主蒸気流量のミスマツチに
よる原子炉圧力上昇に伴う中性子束の上昇を補償するた
め、再循環流量を減少させる。

このようにして原子炉の炉心圧力および中性子束の過度
変化がいずれも原子炉急速停止動作の設定点以内に収め
られ、プラントの運転を続行することができる。

ところで、従来の沸騰水型原子力プラントにおいては、
プラント定格負荷換算でタービンバイパス弁容量と負荷
設定バイアス分との和以上の部分負荷しゃ断が加わった
場合には、原子炉より流出する主蒸気流量の減少をきた
し、一方原子炉出力はほぼ一定であるため原子炉の熱収
支のバランスが崩れる。このため原子炉圧力が上昇し、
それにより原子炉内のボイドがつぶれ中性子束が増加し
て原子炉出力が上昇し、それに応じてさらに原子炉圧力
が上昇し、その過程で原子炉の急速停止が発生する。

第４図は上述の如き部分負荷しゃ断が加わった場合のプ
ラント過度現象の模擬解析結果を示す図であって、横軸
に時間、縦軸に原子炉の各状態量の変化を示すものであ
る。従来の沸騰水型原子炉プラントにおいて前述のよう
な部分負荷しゃ断が加わった場合には、第４図に破線７
１で示すように原子炉圧力は急上昇し、それにつれて中
性子束も破線２１に示すように上昇し、約２秒後に中性
子束は中性子束“高″設定点１（１２９％定格）に達し
、この時点で原子炉は急速停止する。また、この場合原
子炉圧力も約４秒後に原子炉圧力゛高″設定点６に達す
ることがわかる。破線８１はこの従来例でのタービンバ
イパス弁蒸気流量である。

一方、第４図の実線は同様の部分負荷しゃ断に対して本
実施例の炉心急速停止防止装置が作用し、１　　　　　
た場合の各状態量の変化を示し、系統側からの部分負荷
しゃ断信号によるタービン蒸気流量の絞り込みは実線５
２に示すように、従来の場合（破線５１）に比べて大幅
に抑制され、炉出力と主蒸気流量のミスマツチはほぼ解
消される。さらに上記装置によって再循環流量も減少す
るので、一時的に上昇した原子炉圧ノｊ（実線７２）お
よび中性子束（実線２２）も減少する。この間原子炉中
性子束、原子炉圧力の最大値はいずれも原子炉急速停止
設定値（中性子束゛′高高段設定点および原子炉圧カバ
高″設定点６）に対して余裕を示しており、原子炉が急
速停止することがないことが判る。なお実線３は炉出力
を示し、実線４は炉心流量を示す。

上記実施例においては、原子炉出力の減少を、再循環流
量制御装置に対して循環水流量を減少させる制御信号を
与えることによって行なうとしたが、制御棒操作装置に
制御信号を与えて原子炉出力を減少せしめるようにして
もよい。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、従来であれば不測
の原子炉急速停止を招くような急激な部分負荷しゃ断が
沸騰水型原子炉に加わったような場合でも、これによっ
て引き起こされる原子炉の過渡変化を原子炉の安全運転
を継続できる範囲におさめることができ、原子炉の急速
停止を確実に防止することが可能となり、沸騰水型原子
力プラントの稼働率の向上を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の炉心急速停止防止装置の一実施例を示
す概略構成図、第２図は同実施例における制御装置の論
理演算部を示す構成図、第３図は同じく沸騰水型原子力
プラントのタービン制御装置のブロック図、第４図は大
幅負荷しゃ断が加わった場合のプラント過度現象の模擬
解析結果を示す線図である。 ３０・・・原子炉、３２・・・制御棒、３３・・・制御
棒駆動装置（原子炉出力制御装置）、３４ａ、３４ｂ・
・・再循環流量制御装置（原子炉出力制御装置）、３７
・・・タービン加減弁、３８・・・蒸気タービン、４３
・・・タービンバイパス弁、４６・・・発電機工しゃ断
器、４８・・・タービン入口圧力検出器、４９・・・タ
ービン速度検出器、５０・・・タービン制御装置、５ゴ
・・・制御装置、６３・・・周波数検出器、６５・・・
炉心流量検知器、６６・・・炉出力検知器、６７・・・
タービンバイパス弁総容量制御回路、６８・・・タービ
ン速度計定率変更回路。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）電力系統網の周波数上昇による部分負荷しゃ断に
   対してその部分負荷しゃ断量がタービン制御系のタービ
   ンバイパス弁容量を越えたことを検出する周波数検出器
   と、この周波数検出器からの出力信号を受けて沸騰水型
   原子力プラントのタービンバイパス弁設備容量を一時的
   に増加させるタービンバイパス弁総容量制御装置と、前
   記周波数検出器からの出力信号を受けてタービン速度計
   定率を増加させるタービン速度調定率変更装置と、前記
   周波数検出器からの出力信号を受けて原子炉出力を減少
   せしめる原子炉出力制御装置とを有することを特徴とす
   る沸騰水型原子力プラントにおける炉心急速停止防止装
   置。
2. （２）タービンバイパス弁総容量制御装置は、沸騰水型
   原子力プラントにあらかじめ備えられた予備のタービン
   バイパス弁の開閉制御を行なう装置であることを特徴と
   する特許請求の範囲第１項記載の沸騰水型原子力プラン
   トにおける炉心急速停止防止装置。
3. （３）タービン速度調定率変更装置は、周波数検出器か
   らの信号を受けて一時的にタービン速度計定率を増加さ
   せる装置であることを特徴とする特許請求の範囲第１項
   記載の沸騰水型原子力プラントにおける炉心急速停止防
   止装置。
4. （４）原子炉出力制御装置は、炉心再循環流量制御装置
   であることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の沸
   騰水型原子力プラントにおける炉心急速停止防止装置。
5. （５）原子炉出力制御装置は、制御棒駆動制御装置であ
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の沸騰水
   型原子力プラントにおける炉心急速停止防止装置。