JPS63148007A - 蒸気発生器の給水レベル制御方法及び装置 - 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】 光曹目ど館遣− 本発明は、一般に、加圧水系原子炉（ＰＩＩＩＲ）を備
えた原子力発電プラントで用いられる蒸気発生器に係り
、特に、低出力コントローラと高出力コントローラとの
間における手動または自動切換を行う必要なく、原子炉
負荷の全範囲に亙り蒸気発生器レベルを制御する方法及
び装置に関する。尚、本明細書で用いる術語「蒸気発生
器レベル」または類似の表現は、蒸気発生器に含まれる
２次ループ給水レベルを表す。

プロセス・コントローラの主たる機能は、言う迄もなく
、１つまたは２つ以上のプロセス変数を所望の設定点ま
たはその近傍に維持することにあ。

る。しかしながら、人間であるオペレータがプロセスの
遂行の責任を負わされているので、コントローラがその
仕事を行っていることをオペレータが確証することを可
能にし且つ必要に応し、プロセスの制御をオペレータが
代わって行うことを可能にするための何等がの手段を設
けなければならない。オペレータとプロセスとの間のこ
のリンク（結合）は制御ステーションにより与えられる
。

あらゆる制御ステーションには下記のような５つの典型
的な部品もしくは装置が存在する。即ち、（１）プロセ
ス変数インジケータ（指示装置）と、（２）設定点調節
機構と、（３）制御弁に対する信号を直接的に操作する
調整装置（通常マニュアルと呼称される）と、（４）出
力信号インジケータと、（５）自動モード制御と手動モ
ード制御との間の切換を行うための装置とである。制御
ステーションに不可欠的なこれら５つの装置もしくは部
品の実際の構造は製造業者間で異なるが、これら装置は
、通常流体圧型のものであれ、電子的性買のものであれ
或いはコンピユータ化されたものであれ、有らゆる制御
ループに存在するものである。

プロセス変数インジケータとしては多くの形態のものが
知られている。一般的な計器として、インジケータは、
円形または水平のスケール上で運動する指針の形態とす
ることができ、コントローラ、記録装置または双方の一
部とすることができる。一般に、現在用いられている形
態においては記録装置とコントローラとは分離されて、
制御スチージョンにコントローラを結合し指示コントロ
ーラとしている。記録装置またはインジケータの形態毎
に、設定点を操作する仕方は異なる。流体圧もしくは空
気圧型の計器においては、設定点機構は一般に、コント
ローラに対して３乃至１５ｐｓｉ信号を供給する小型の
送信部を調整する。他方、電子型の計器は、一般に、プ
ロセス変数信号に対して反対の極性の電圧を発生するポ
テンショメータからなる調節手段を備えている。

調節装置は、通常、弁または弁アクチユエータに対する
出力信号を直接的に操作する手動操作装置である。この
調節装置は、自動コントローラが稼働していない場合に
のみ用いられる。多くの手動操作出力は調節装置の位置
に直接比例する。しかしながら、新型のコントローラの
中には、手動調節で、「増分」または「減分」機構を作
動することにより出力を変えるものがある。出力信号イ
ンジケータは、制御弁に対して印加されつ−ある信号レ
ベルを指示する装置である。この種の目的に用いられる
形式のインジケータは、プロセス変数インジケータとし
て用いられるものに類似している。

通常、この種のインジケータは、制御弁の位置を表す「
開」または「閉」が両端に記入されているスケールを備
えている。

自動−手動切換スイッチもしくは円滑切換スイッチの目
的は、弁に対する信号源を切換することにある。信号の
大きさを変えることなくこの切換を行うためには、言い
換えるならば衝撃を伴わない円滑な切換を実現するため
には、旧式のコントローラでは平衡化手続きが必要とさ
れている。

通常モードもしくは自動モードから手動モードへの切換
に際して、切換装置を最初に中間位置もしくは平衡化さ
れた位置に動かして、手動出力を自動コントローラ出力
と整合する。次いで切換レバーを手動位置に移動して、
出力を所望の値に調整し無衝撃もしくは円滑切換を完了
する。手動モードから自動モードＩ＼の移行に際しては
、自動モードへの切換前に、平衡位置を用いて設定点と
プロセス変数とを整合する。次いで、設定点を所望値に
調整する。

現在利用可能なプロセス制御ステーションにおいては、
一般に、各製造業者毎に異なった方式を採用して平衡位
置は除外される趨勢にある。最も一般的な方法によれば
、自動モードにある間に手動調節出力はコントローラ出
力を追跡するように強制され、他方、手動モートにおい
ては設定点調節出力が測定出力を追跡するように強制さ
れる。

従って切換時には、平衡化或いは整合（アラインメント
）は不必要となる。

ところで、原子力蒸気供給システムの２次ループにおけ
る給水レベルの制御は、システムが非最小位相動特性（
ｎｏｎ−ｍｉｎｉｍｕ＋ｎ　ｐｈａｓｅ　ｄｙｎａｍｉ
ｃｓ）で挙動するために制御が困難である事例の代表的
な例である。ここで、「非最小動特性」とは、プラント
入力機能とプラント出方機能との間における周波数領域
伝達機能の性質を記述するために用いられている術語で
ある。入力信号とそれに対応する出力との間における伝
達遅延もしくは純時間遅延は、非最小位相挙動の１つの
態様である。非最小位相挙動の他の態様として、記号の
変化及びその正の漸近線に接近する前における出力信号
の初期の負の応答がある。この種の非最小位相挙動もし
くは原子力蒸気供給システムのオペレータが往々にして
称するところの「収縮／膨張挙動」は通常、右半分平面
ゼロ（ｒｉｇｈｔ　ｈａｌｆ　ｐｌａｎｅ　ｚｅｒｏｓ
）を含む切換機能を備えたプラントと関連する挙動であ
る。

原子炉出力、蒸気流量、給水の温度及び給水流量におけ
る変化は、総て、蒸気発生器に含まれている二次ループ
給水の測定されたレベルに影響を与える。従って、レベ
ル・コンＩ・ローラの基本的な役割は、他の因子により
生じたレベルの変動を補償するために、給水流量を変え
ることにより限界内で目標レベルを維持することにある
。主に長時間遅延及び収縮／ｍ張効果を考慮して、コン
トローラは、プラント状態の変化または制御作用が蒸気
発生器レベルに与える影響を予測し、以て、蒸気発生器
レベルに対するこのようなイベントもしくは事象の究極
的な影響が測定レベルに顕在化する前に補償応答を行わ
なければならない。更に、コントローラは、現在の蒸気
発生器レベル挙動を一７＝ 解釈するために、過去の制御作用及びプラント状態の変
化を追跡記録していなければならない。このように、プ
ロセスは、エラーレベルの単純なフィードバックにより
容易に制御することはできない。

給水コントローラが補償作用を行う前に成る影響がレベ
ル・エラーとして顕在化するのを待つとするならば、シ
ステムは不安定になり得る。これは、システムに長時間
の遅延がある場合、レベル擾乱がＷｔ察された後に行わ
れる応答では、限界を越えるのを回避するべく適時にレ
ベルに対し何等かの作用を与えることは殆ど不可能とな
るからである。

更に、情況は、収量／膨張効果で錯綜化する。このよう
な効果もしくは作用が原因で、終局的にシステムを平衡
状態にする制御作用は、初期において事態を一層悪化す
る。例えば、オペレータが、レベル減少を観察した後に
初めて水を付加するとするとするならば、オペレータが
イ］加した水は、初期において、収縮が原因でレベルを
更に減少せしめ、限界を越える事態を引き起こす確率を
一層高める。

複雑なプロセス動特性と関連する困難さに加えて、コン
トローラはしばしば、蒸気発生器水インベン１〜りのよ
うな臨界的状態変数に対し直接的にアクセスすることが
できず、タービン出力、蒸気流量、蒸気発生器レベルの
ような間接的測定量に頼る外ないために、予測が困難と
なる。更に、蒸気流量及び給水流量の最も臨界的な正確
な測定は低出力状態では得られない。その結果、コント
ローラは、蒸気流量及び給水流量が平衡しているか否か
、成るいはまた、それらを平衡にするために給水流量の
どの程度の変化が要求されるかを直接的に知る術を有し
ない。従って、オペレータは、殆ど排他的に、このよう
な情報を推定するためのレベル傾向データに頼らざるを
得ない。上述のような長い遅延並びに収縮及び膨張効果
が原因て、給水流量−蒸気流量平衡に関する情報が蒸気
発生器レベル挙動に現れる前に相当な遅延が介在する。

従って、ＰＷＲ原子力発電プラントにおける蒸気発生器
レベル、蒸気流量及び給水流量を測定するのに用いられ
ている慣用の３要素コントローラは、次の２つの理由か
ら、非常に低い出力レベルでは有効ではない。その第１
の理由は、正確な流量測定ができないこと、そして第２
の理由は、低い給水温度においては蒸気発生器の伝達も
しくは交換機能に変化が生ずるためである。その結果、
現行の設計においては、蒸気発生器レベル制御は、手動
制御かまたは低出力範囲で動作する別のコントローラに
切換えられるでいる。いずれの場合にも、高／低蒸気発
生器レベルでの原子炉のトリップ（停止）を回避するた
めには、切換は［無衝撃もしくは円滑な」切換であるこ
とが不可欠的に肝要である。

１吐へ」」 従って本発明の一般的目的は、全範囲蒸気発生器レベル
制御システムもしくは装置を提供することにある。

更に具体的には、本発明は、低出力コントローラによる
蒸気発生器レベルの制御から高出力コントローラによる
蒸気発生器レベルの制御への円滑な遷移またはその逆の
方向における円滑な遷移もしくは切換を実現することを
目的とする。

本発明の他の目的は、ＰＷＲ原子力発電プラントにおけ
る蒸気発生器のための低出力レベル・コントローラと高
出力レベル・コントローラとの間における手動または自
動切換の必要性を排除することにある。

本発明の更に他の目的は、無衝撃切換回路を除去し、同
時に、全出力範囲に亙り原子炉トリップの確率を減少し
つつ、全範囲蒸気発生器レベル制御システムもしくは装
置のための単純な設計を提供することにある。

概略的に述べると、本発明の上記の目的並びに他の目的
は、慣用の低出力コントローラ及び慣用の高出力コント
ローラからの出力を合成し、そして入力給水温度に従い
、上記出力の重み付けされた線形合成信号を発生してそ
れにより蒸気発生器と関連する給水弁の調整を行う装置
及び方法により達成される。

本発明の上に述べた目的並びに他の目的は、添付図面と
関連して以下に述べる好適な実施例に関する詳細な説明
から明らかとなるであろう。

１ｌ− ｆｉｌｆｉ′−ｊの；日 以下医面を参照し説明する。尚、全図面を通し同じ参照
文字は、同様のまたは対応の部分を表すものとする。第
１図を参照するに、この図には、原子力蒸気供給システ
ム１０の蒸気発生器１２における指示レベルに影響を与
えるプロセスの機能ダイアダラムが示しである。蒸気発
生器１２のレベル（即ち蒸気発生器１２に含まれる２次
ループ給水レベル）は、臨界的に重要な性能変数であり
、蒸気発生器１２とトリップ（緊急停止）回路１６との
間に接続されているレベル・インジケータ１４により指
示される。該トリップ回路１６は、蒸気発生器１２にお
ける指示レベルが低レベル・トリップ点または高レベル
・１ヘリツブ点に達した時に、原子炉１８内に設けられ
ている制御棒２０を該原子炉内に下降することにより原
子炉１８をトリップ（緊急停止）するように適用されて
いる。機能制御作用は、蒸気流量制御弁２２及び給水量
制御弁２４の位置付は並びに可変速度給水ポンプの場合
には該給水ポンプの速度を制御することにより行われる
。図示のように、プロセス変数には、蒸気流量−６、給
水流量−１、蒸気圧力Ｐ６及び蒸気発生器レベルＬが含
まれる。

原子力蒸気供給システム１０の運転に影響を与える作用
として他の種々なものが考えられる。例えば、蒸気ダン
プ弁及びタービン調速弁の位置制御、給水ポンプの速度
制御、主タービン速度制御、補助、バイパス及び主給水
調整弁または制御棒２０の位置制御により直接的な制御
作用を与えることができる。考慮しなければならない２
次的な変数には、蒸気ダンプ弁の位置、タービン速度、
タービン速度変化、給水ポンプ速度、主蒸気及び給水ヘ
ッダにおける圧力並びに給水制御弁位置が含まれる。

低い給水温度においては、蒸気発生器機能に変化が生じ
、然も、非常に低い原子炉出力レベルにいては正確な流
量測定が不可能となるので、第１図に示しであるような
慣用の原子力蒸気供給システムにおいては、高出力コン
トローラ２８に加えて低出力コントローラ２６が用いら
れている（第２図）。しかしながら、本発明の１つの重
要な様相によれば、第２図に示すように、低出力コント
ロ−ラ２６及び高出力コントローラ２８からの各出力は
、原子炉１８の全出力範囲に亙り高出力コントローラ２
８と低出力コントローラ２６との間に円滑な遷移を保証
する遷移手段３０に入力される。低出力コントローラ２
６及び高出力コントローラ２８からのそれぞれの出力Ｘ
及びＹは、給水温度Ｔ、の関数として給水調整弁２４を
作動するための重み付けされた線形合成関数Ｃを得るた
めに遷移手段３０に供給される。

この合成関数Ｃは次式から求められる。

Ｃ・　Δ（Ｔ、）Ｘ　　＋　　Ｂ（Ｔ、）Ｙ上式中：　
　Ａ（Ｔ、）・（Ｔ２−　Ｔ、）／（Ｔ２−　Ｔ＋）Ｂ
（Ｔ、）・（Ｔ、　−Ｔ、）／（Ｔ２−　Ｔ、）Ｘは低
出力コントローラの出力 Ｙは高出力コントローラの出力 Ｔ、は測定給水温度である 関数Ａ（Ｔｆ）及びＢ（Ｔ、）の上、下限は、下記の条
件を満足するように制限される。

０立＾（Ｔ、）　＜　１ ０≦−Ｂ（Ｔ、）　＜　１ 上式で用いられているＴ１及びＴ２は、給水温度の特性
に基づく設定点である。典型例においては、Ｔ１は１０
００Ｆに等価であり、Ｔ２は２８０’Ｆに等価である。

次に第３図を参照するに、この図には、低出力コントロ
ーラが狭い範囲のレベル測定及び推測蒸気流量に作用す
るようにして原子力発電プラントで用いられる本発明の
一実施例が示しである。ここで「狭い範囲もしくは狭範
囲」とは、通例のように、蒸気発生器の予め定められた
部分（例えば１２フイートの部分）が制御目的に用いら
れる場合を表す。遷移手段３０は、図示のように、低出
力コン）ヘローラ２６及び高出力コントローラ２８から
の出力を表す入力Ｘ及びＹ並びに給水温度入力信号Ｔ、
を受ける。給水温度信号Ｔｆは次いで、ブロック３２で
利得を与えられて、乗算器ブロック３６で、蒸気発生器
レベルを表す負の入力並びに狭範囲蒸気発生器レベル設
定点を表す正の入力を受ける加算点３４から得られる合
成信号を乗ぜられる。乗算器ブロック３６からの出力は
そこで、第１の３モード・コントローラすなわち比例・
積分・微分（ＰＩＤ）コントローラ３８に供給される。

周知のように、３モード・コントローラは、比例、積分
及び微分要素の作用を１つの単位に合成する。これら各
種要素の主たる作用は次の通りである。比例（利得）モ
ードでは、一般に、利得が高くなればなる程、過渡もし
くは遷移が高速になり応答の振動性が高くなるような応
答曲線が形成される。他方、積分（リセット）モードで
は、定常状態オフセットが除去され、また微分（変化率
）モードでは、高次の系に対し高い比例利得が得られる
。

第１のＰＩＤ　３８からの出力は、蒸気流量ｌ！Ｉｓの
正の入力、給水流量−７の負の入力並びに収縮／膨張補
償を表す入力を受けるブロック４０及び第２の加算点４
２に供給され、該加算点４２において、正のタービン・
レベル入力及び正の蒸気ダンプ需要人力を有する第３の
加算点４６からの入力を受ける関数発生器４４によって
発生される関数と合成される。ブロック４０並びに加算
点４２からの出力は、それぞれ遷移手段３０に対するＸ
及びＹ入力を導出するために、高出力コントローラ２８
及び低出力コントローラ２６に供給される。然る後に、
遷移手段３０は、先に第２図を参照して述べたアルゴリ
ズムに基づいて動作し、フィードフォワード技術を用い
て、主及びバイパス給水流量弁の弁特性及び差圧入力を
補償する弁線形化回路４８ａ及び４８ｂに対して出力を
供給する。

蒸気発生器レベル制御が臨界的なほどに重要てない成る
種の事例においては、遷移手段３０の出力を直接、給水
弁位置付は装置に供給することができよう。しかしなが
ら、遷移手段３０の出力は、流量需要信号であり、この
信号を直接、弁位置材は装置に供給するとすれば、２つ
の望ましくない効果が起こり得る。第１に、給水弁特性
（Ｃｖ対弁位置特性）は完全には線形でないので、この
弁の非線形性で制御ループに可変利得が導入され、従っ
てループ利得は動作点に依存することになる。この作用
もしくは効果は、第３図及び第４図にｒｅｖ補償」ブロ
ックで示ずように制御ループに非線形利得を導入するこ
とにより補償することができる。

第２に、遷移手段３０が一定の流量従って給水制御弁の
固定の位置を要求している場合でも、蒸気発土器に供給
される給水の実際の流量は、給水制御弁の両側における
差圧の変化で変動する。この差圧は、給水系における圧
力降下の変化、給水ポンプ速度変化成るいは運転中の給
水ポンプの数の変化が原因で変動し得る。この作用は、
第３図及び第４図に「ΔＰ補償」を記入したブロックで
示すように、補償信号を導入することにより除去するこ
とができる。このブロックは、給水制御弁における測定
圧力降下に比例する信号を受けて、平方根抽出回路によ
り処理する。これにより、給水制御弁における圧力降下
に変化が生じても供給される給水流量が一定に留とまる
ことが確保される。

同様にして、第４図に示すように、遷移手段３０を、広
範囲レベル測定で動作する低出力コントローラを備えた
プラント用に実現することもできる。

周知のように、「広範囲」とは、蒸気発生器１２の全長
を監視する場合を表す。このような情況は、蒸気発生器
１２の充填及び起動中に生ずる。第３図に示した既述の
構成と同様に、蒸気発生器レベル及び設定点の狭範囲入
力が加算点３４ａに与えられて、ブロック３２ａによる
給水温度Ｔ、の利得改善信号と乗算器ブロック３６ａで
乗ぜられる。給水温度信号Ｔ、も乗算ブロック３２ｂで
利得増幅されて、広範囲蒸気発生器レベル及び設定点入
力を有する加算点３４ｂからの入力を受ける乗算器ブロ
ック３６ｂに供給される。乗算器ブロック３６ａ及び３
６ｂがらの各出力は、そこで、３モードもしくはＰＩＤ
コントローラ３８ａ及び２６に供給され、ＰＩＤ２６は
、低出力コントローラＸの入力を遷移手段３０に与え、
そしてＰＩＤコンコンローラ３８ａはその出力を加算ブ
ロック４０を介して高出力コントローラ２８に供給する
。コントローラであるＰＩＤ２８の出力は、遷移手段３
０に対する高出力コントローラＹ入力となる。第４図の
残りの部分は、総ての点において、第３図を参照し説明
した対応の部分に類似する。

上の説明から明らかなように、第２図乃至第４図を参照
して述べた遷移手段３０により全範囲蒸気発生器レベル
制御システムが提供される。Ｔ１より低い給水温度では
、遷移手段３０からの出力は、慣用の低出力コントロー
ラ２６の出力と同じであり、他方Ｔ２より高い温度では
、遷移手段３０の出力は高出力コントローラ２８の出力
と同じである。Ｔ１とＴ２との間の遷移範囲もしくは渡
り領域においては、低出力コントローラから高出力コン
トローラへの漸進的な遷移が存在し、これにより、切換
機構を必要とすることなく、全出力範囲における動作が
可能となる。低出力コントローラ及び高出力コントロー
ラ間における手動或いは自動切換プロセス並びに関連の
円滑切換回路が不必要となることにより設定が単純化さ
れるばかりではなく、蒸気発生器レベルの急激な変動に
起因する原子炉トリップ（緊急停止）の確率が減少する
。低出力コントローラ２６及び高出力コントローラ２８
を有する現存のどのシステムも、本発明による遷移（渡
り）手段を備えることができ、システムの整合性は、慣
用の仕方で、低出力コントローラ２８を整合するために
Ａ（Ｔ、）を「１」に等しく設定し且つＢ（Ｔ、）を「
０」に等しく設定し、そして高出力コントローラ２８を
整合するためにＡ（Ｔ、）を「０」に等しく且つＢ（Ｔ
、）を「１」に等しく設定することにより達成すること
ができる。

上の説明から、本発明の多くの変形及び変更が容易に可
能であることは明らかである。例えば、上の説明におい
ては、給水温度を、２つのコントローラ間における遷移
を強制する因子として用いている。しかしながら、運転
出力範囲内で給水温度と給水流量との間には強い相関が
存在するので遷移手段３０に対する遷移強制因子として
給水流量信号を使用することも同じく可能であろう。従
って、本発明の範囲内で、ここに述べたものとは異なっ
た仕方で本発明を実施し得ることを銘記されるべきであ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、原子力蒸気供給システムの蒸気発生器におけ
る指示レベルに影響を与えるプロセスを示す機能ダイア
ダラム、第２図は、蒸気発生器のレベルを制御するため
に第１図の原子力蒸気供給システムに組み込まれた本発
明の装置の概略的構成を示すブロック・ダイアダラム、
第３図は狭範囲レベル測定及び推定蒸気流量に基づいて
動作する低出力コントローラを備えたプラント用に用い
られる本発明の装置を示す図、そして第４図は広範囲レ
ベル測定に基づいて動作する低出力コントローラを備え
たプラン１〜で使用される本発明の装置を図解する図で
ある。 １０・・・原子力蒸気供給システム １２・・・蒸気発生器 １４・・・レベル・インジケータ １６・・司・リップ（緊急停止）回路 １８・・・原子炉 ２０・・・制御棒 ２２・・・蒸気流量制御弁 ２４・・・給水量制御弁 ２６・・・低出力コントローラ ２８・・・高出力コントローラ ３ｏ・・・遷移（渡り）手段 ３４．４２．４６・・・加算点 ３６・・・乗算器ブロック ３８・・・比例積分微分（ＰＩＤ）コントローラ４０・
・・加算ブロック ４４・・・関数発生器 ４８・・・弁線形化回路

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、加圧水形原子力発電プラントで使用され給水管路を
   有している蒸気発生器の給水レベルを制御するために、
   予め定められた百分率値より低い原子炉出力レベルで給
   水流量を制御するための第１の信号を出力する段階、及
   び前記予め定められた百分率値より高い原子炉出力レベ
   ルで給水流量を制御するための第２の信号を出力する段
   階を含んだ蒸気発生器の給水レベル制御方法において、
   更に、 遷移制御手段で前記第１及び第２の信号を受ける段階と
   、 第１の給水温度依存関数を発生する段階と、前記第１の
   温度依存関数で前記第１の入力信号を処理して第３の信
   号を発生する段階と、 第２の給水温度依存関数を発生する段階と、前記第２の
   温度依存関数で前記第２の入力信号を処理して第４の信
   号を発生する段階と、 前記第３の信号を発生する段階並びに前記第４の信号を
   発生する段階から得られる前記第３及び第４の信号を加
   算して給水流量を制御する段階と、を含んだ蒸気発生器
   の給水レベル制御方法。 ２、給水管路により給水レベルが維持される蒸気発生器
   に熱源を供給する加圧水系原子炉を備え、該給水管路を
   流れる流量を給水調整弁により調整する原子力蒸気供給
   システムのための制御装置において、 第１の信号を出力する低出力コントローラと、第２の信
   号を出力する高出力コントローラと、前記第１及び第２
   の信号を受けて、前記第１及び第２の信号の重み付けさ
   れた線形合成信号を表す第３の信号を発生する遷移制御
   手段とを備え、前記第３の信号が、給水流量の調整の目
   的で前記給水調整弁に供給されるようにした原子力蒸気
   供給システムのための制御装置。