JPS6356441B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、蒸気発生器の水位制御装置に係り、
特に、沸騰水形原子炉の低出力時の水位制御に好
適な蒸気発生器の水位制御装置に関する。

蒸気発生器の水位は、蒸気を所定量発生してい
る状態では、給水流量を制御することによつて可
能であり、給水制御系の入力は、蒸気発生器水位
のみの一要素、さらに蒸気流量、給水流量の偏差
（ミスマツチ）を制御系入力に追加した三要素制
御などが公知である。

しかるに、これらの制御が可能となるには主蒸
気流量が定格の少なくとも10％程度以上でなけれ
ばならない。これ以下では、蒸気及び給水流量の
計測誤差が大きいことや、給水制御弁の非線形特
性等により、蒸気発生器水位の適切な自動制御が
不可能であり、主に手動制御によつて行われてい
る。

ここで、蒸気発生器として沸騰水形原子炉を例
にとつてみる。原子炉の冷温起動時には、発生蒸
気は無く、給水は不要である。制御棒の引抜きに
際し、制御棒駆動水圧系を起動すると、制御棒駆
動部を通じて、原子炉へ冷却水が入る。制御棒駆
動水流量は1100MWeプラントで約10t／ｈ程度で
あるが、放置すれば、炉水位は上昇する。また、
核加熱による原子炉水の膨脹によつても炉水位は
上昇する。これらに対し、原子炉水浄化系の一部
から、排水することによつて水位調節操作が行わ
れる。水の沸騰開始点以上では、蒸気管ウオーミ
ング、及びドレン排出、空気抽出器起動等によつ
て、原子炉出力上昇と共に蒸気の消費も増えてく
るので、これに対応して、給水流量を増加してい
く必要がある。また、タービン起動の前後では、
原子炉圧力をバイパス弁で制御させるため、蒸気
の消費量は増加するが、制御棒引抜きによる原子
炉出力増加と対応するため、蒸気流量の増加割合
は複雑で、これに対応して給水流量を調節する必
要がある。自動給水制御は発電機併入後の出力約
10％以上でのみ可能となる。

また、給水系統は原子炉圧力の上昇に伴い、復
水ポンプ、復水昇圧ポンプ、給水ポンプを順次起
動させるが、各ポンプの起動前後で給水調節弁の
調整が必要である。かように、低出力時の原子炉
水位の調整は繁雑で、運転経験を必要とする。

本発明の目的は、蒸気発生器の出力が極めて小
さな範囲すなわち零出力（冷温状態）から、従来
の自動給水制御可能までの蒸気発生器水位を自動
制御する蒸気発生器の水位制御装置を提供するに
ある。

本発明は、新たな水位制御器出力によつて、給
水系、排水系を同時に制御することである。さら
に、制御性向上のために、蒸気発生器出力が零の
状態でも一定の給、排水を行うこと、及び給排水
調節弁開度と弁前後差圧から低流量を精度よく求
め流量制御を行うサブループ制御を組み合せるこ
とである。

第１図に本発明の実施例を示す。蒸気発生器と
して沸騰水形原子炉を例として挙げている。原子
炉１は、主蒸気管２によつてタービン３に接続さ
れている。復水器４には冷却水が蓄えられてお
り、復水ポンプ７、復水昇圧ポンプ８、補助給水
ポンプ９、給水調節弁１０を経て原子炉１に給水
が行われる。また、制御棒駆動ポンプ５により、
制御棒駆動部６の冷却が行われる。低出力では主
給水ポンプ１５は停止しており、吐出弁１６も閉
じている。

他方、原子炉水を浄化するために、原子炉１、
炉浄化ポンプ１１、熱交換器１３、脱塩器１２、
原子炉１を一順する炉浄化系の一部からオリフイ
ス１７、排出弁１４を経て復水器４へ戻す配管が
用意されている。

原子炉水位検出器１０２により水位が検出さ
れ、水位設定値１０１（L_set）との偏差は調節計
１０３の入力となる。調節計１０３は比例、積
分、微分の要素をもつ。調節計出力Ｄは、給水、
排水の要求値であるが、給水系へは正、排水系へ
は負の値で出力する。この給水系へは正及び排水
系へは負の値を出力することは、制限器１０４，
１０６を設けることによつて可能となる。すなわ
ち、制限器１０４は、調節計出力Ｐ（すなわち、
要求値Ｄ）の正の信号のみを通過させるべく、そ
の負の信号をカツトする。制限器１０６は、要求
値Ｄの負の信号のみを通過させるべく、要求値Ｄ
の符号を反転した上で負信号をカツトする。これ
らの制限器の出力と入力の差を互いに他の要求値
に加算することにより、要求値Ｄに対し、連続し
た給排水量をとることができる。すなわち、 給水系； α₁＝Ｄ＋β₂−β₁ α₂＝α₁（α₁≧０） ＝０（α₁＜０） (1) 排水系； β₁＝−Ｄ＋α₂−α₁ β₂＝β₁（β₁≦０） ＝０（β₁＞０） (2) したがつて、 Ｄ≧のとき β₁＝−Ｄ、β₂＝０、α₁＝Ｄ−（−Ｄ）＝2D、α₂＝
2D なるゆえ、 α₂−β₂＝2D …(3) Ｄ＜０のとき a₁＝Ｄ、α₂＝０、β₁＝−Ｄ−Ｄ＝−2D、β₂＝−
2D ゆえに、 α₂−β₂＝2D …(4) となつて、Ｄと（α₂−β₂）の関係は常に一定とな
り、連続性を保つことができる。

信号α₂は給水制御弁１０の非線形特性を補償す
る関数発生器１０５で補正された信号で給水調節
弁を制御する。他方、信号β₂は排水調節弁１４の
非線形特性を補償するための関数発生器１０７で
補正された信号で同弁を制御する。

次に動作について説明する。プラント停止時に
は、第１図のすべてのポンプが停止しており、本
発明の制御系は生かさずともよいが、制御棒駆動
水ポンプ起動とともに、復水ポンプ７及び炉浄化
系ポンプ１１を起動することにより、炉水位の自
動制御が可能である。

すなわち、ブラント起動直後には炉水位制御器
出力Ｄは負となり、排出水制御が行われる。炉圧
の上昇とともに蒸気消費量が増えてくるので、炉
水位制御器出力は徐々に正方向に増大し、排出量
が減少し、給水量が増えてくる。

以上のように本発明の実施例によれば、排水及
び給水を連続的に同一制御器で制御できるので、
低出力の炉水制御が自動的に行われ、手動操作の
繁雑さから解放されるので、運転員の負担が軽減
する。

第２図は本発明の他の実施例を示すもので、第
１図と異なるのは、水位制御器出力の各加算点に
バイアスＢを加えることと、及び給水流量及び、
排出流量を各々制御するマイナーループ制御系
（構成は後述）を追加していることである。追加
された部分の構成は次のようである。

バイアスＢは、水位制御器出力の各加算点に正
の値で印加する。次に給水流量制御系は、給水制
御弁前後差圧発振器２０６の信号を開平演算器２
０４で開平した信号と、弁開度信号２０５から
C_v値を算出する関数発生器２０３の出力を各々
乗算する乗算器２０２から給水流量W_FWeを算出
する。すなわち、 W_FWe＝C_v／1.17√・_F〔ｔ／ｈ〕 …(5) γ：比重 C_v：C_v値 ΔP_F：給水制御弁差圧（Kg／cm²） となる。

(5)式によつて、通常の計測範囲以下の流量を精
度よく求めることができる。

上記給水流量W_FWeと給水要求量α₂との偏差は
流量制御器２０１で比例、積分演算され、制御器
出力で給水制御弁を制御する。

他方、排水系の要求値β₂は、流量制限器２０７
を通して、排水流量信号２０８との偏差をとり、
排出水制御器２０９に入力する。同制御器出力で
排水制御弁１４を制御する。

次に第２図の動作について説明する。まず、バ
イアスＢと給、排水要求量（α₂、β₂）の関係を図
示すると、第３図のようになる。バイアスＢを正
の値に選ぶとα₂及びβ₂はＤの範囲に対し次のよう
になる。

(i) Ｄ＜−Ｂのとき α₂≒０ β₂＝−2D (6) (ii) −Ｂ≦Ｄ≦Ｂのとき α₂＝Ｄ β₂＝−Ｄ (7) (iii) Ｄ＞Ｂのとき α₂＝2D β₂≒０ (8) すなわち、すべてのＤに対し、 α₂−β₂＝2D となり、バイアスＢは静的に外乱とはならない。
このバイアスは炉水位制御器出力Ｄが零であつて
も、バイアスＢに相当する一定給水、排水を行う
ことができる。また、給水制御弁、排水制御弁の
非線形性が著しくなる全閉付近をＤ＝０からＤ＝
±Ｂの付近に移動させることにより、制御性能を
さらに向上させることができる。

第４図に原子炉の冷温状態から定格圧力（ただ
し、炉出力は極めて小さい）までの、炉水温度と
給、排水量の関係を図示した。制御されるのは排
水及び給水であり、実線はバイアスＢ＝０の場合
（実施例１に同じ）、破線はバイアスの値を ０＜Ｂ＜（制御棒駆動水流量） …(9) とした場合をそれぞれ示している。同図でわかる
ようにＢ＝０の場合には蒸気消費量が制御棒駆動
水流量に等しくなるａ点で排水と給水が切替る
が、バイアスが(9)式の場合にはｂ点で給水が開始
され、ｃ点で排水が零となる。このようにＢを適
当な値に選ぶことにより、給排水をオーバラツプ
させることができ、一方の弁の全閉付近での非線
形性を他の弁で補うことができ、よりよい制御特
性が得られる。

前述のマイナーループ制御系は第２図におい
て、２系統ある。その第１は給水系であり、α₂を
設定値とし、調節計２０１、給水制御弁１０によ
つて原子炉１へ流れ込む流量信号WFweが制御量
として調節計２０１の入力にフイードバツクされ
る制御ループである。第２のマイナーループ制御
系は排水系であり、流量制限器２０７の出力を設
定値とし、調節計２０９の出力によつて制限され
る排水流量２０８を調節計２０９の入力にフイー
ドバツクされる制御ループである。

次に、マイナーループ制御系の効果について述
べる。すでに述べたように、給水系を構成する各
ポンプは原子炉圧力の昇圧過程で次のように起動
される。

復水ポンプ起動…炉圧７Kg／cm²ｇ以下 復水昇圧ポンプ起動…７≦炉圧≦40Kg／cm²ｇ 給水ポンプ…炉圧40Kg／cm²以上 従来方法ではポンプを起動する毎に同一弁開度
でも流量が増える。しかるに本発明による流量制
御系があると、ポンプ起動による流量増加をいち
早く検出して制御弁を絞ることになり、制御性が
よくなる。第１の実施例ではこのような場合に
は、炉水位によるフイードバツクしかないので、
速応性に欠けることは当然である。

次に排水制御系ではポンプ１１は運転中のまま
であるが、炉圧が低いときにはオリフイス１１の
圧力損失をオリフイスバイパス弁１８を開放する
ことによりこの部分での圧力損失を少なくしてい
るが、炉圧が上昇するとこのバイパス弁を閉じ
る。これは手動操作で行われるが、この操作によ
つて排水量が変化する。これに対しても排水制御
系は流量変化をマイナーループで制御できるの
で、炉水位の外乱は軽減され、良好な制御特性を
得ることができる。第２図の制御器２０７は、排
水量の上限を設定するものであり、炉浄化系の運
転制限範囲を守るために設けたもので、マイナー
ループ制御によつて、その効果が発揮されるので
ある。また、第４図では昇圧過程を示したが、そ
の後のタービン起動、発電機併入後まで使用でき
ることは言うまでもない。さらに制御系の構成は
アナログ、デイジタルのいずれでも構成できる。

本発明の実施例では、給水制御弁として常用の
制御弁を使用した場合について説明したが、常用
制御弁をバイパスする小流量制御弁でも適用でき
ることは当然である。

第５図は、本発明をデイジタル計算機で実施し
た場合の構成図である。計算機入力信号として
は、原子炉水位１０２（L_R）、給水制御弁前後差
圧２０６（ΔP_F）、排出水流量２０８（W_D）のプ
ロセス信号のほか、デイジタル計算機３００の前
面パネルに設けたバイアスＢ設定器、弁開度設定
器など３０８の信号があり、デイジタル計算機の
入力ユニツト３０５に入る。

デイジタル計算機３００は、入力ユニツト３０
５のほか、中央処理ユニツト３０１、タイマー３
０２、記憶ユニツト３０３、コンソールユニツト
３０４、出力ユニツト３０６などから構成され
る。中央処理ユニツトはコンソールユニツトから
の操作指令を受けるほか、タイプライタからの指
令により、これらのユニツトを統括制御する。

コンソールユニツトは自動制御開始指令や、中
央処理ユニツトの直接指令などを行うが、タイプ
ライタは、オンラインでのプログラムの変更や、
計算機処理に異常が生じたときのメツセージを印
字することに使用される。計算機内で演算処理さ
れた結果は、出力ユニツト３０６から出力信号と
して、給水制御弁１０及び排水制御弁１４を動作
せしめる。

次に、動作について説明する。コンソールユニ
ツトの指令を受けて、中央処理ユニツトが起動
し、まず、サンプリング時間が計測される。規定
のサンプリング時間に達すると、入力ユニツトか
ら各種信号を取り込んだ後、取込信号を工学単位
に変換する。例えば、弁差圧信号が０〜100Kg／
cm²に対してΔP_F ^*＝１〜5Vの信号であれば、 ΔP_F＝（m_SF ^*−ａ）・ｂ ただし、ａ＝1.0、ｂ＝25Kg／cm²／Ｖである。
ここで、ａ、ｂの値は記憶ユニツトから与えられ
る。

次いで、自動か否かの判定を行う。この指令は
タイプライタ（または、コンソールユニツト）か
ら発せられる。自動でない場合には、直接給、排
水制御弁開度を設定するが、これは計算機の前面
パネルの初期値設定器信号に従つて設定値を定め
る。他方、自動に設定されているときは、次のよ
うな制御演算及び、弁開度計算を行う。

水位制御入力偏差（ε_L）及び制御出力（D_i）は
次式による。

ε_L＝L_set−L_R (10) D_i＝K_P・ε_L＋_o=i 〓ⁿ⁼¹ （K_Iε_L）＋D_O (11) ここに、 L_set：水位設定（記憶ユニツト／手動設定 L_R：原子炉水位（入力ユニツト） K_P：比例ゲイン（記憶ユニツト） K_I：積分ゲイン（記憶ユニツト） D_O：積分出力初期値（記憶ユニツト） 次いで、給水制御弁開度を求める。

α₁＝D_i＋〔β₂〕_i-1−〔β〕_i-1＋Ｂ (12) α₂＝Max（α₁、０） （13） ε_F＝α₂−^Cv([^XF]^i-1) _1.17γ・ΔP_F （14） または ε_F＝α₂−W_F （15） x_F＝K_P′ε_F＋_o=i 〓ⁱ⁼¹ （K_I′ε_F）＋x_FO （16） ここに、 〔β₂〕_i-1：１サンプリング前のβ₂の値（記憶ユニ
ツト） 〔β₁〕_i-1：１サンプリング前のβ₁の値（記憶ユニ
ツト） Ｂ：バイアス値（手動設定） W_F：給水流量（ｔ／ｈ）（入力ユニツト） Max（ａ、ｂ）：高値選択 C_v（〔X_F〕_i-1）：１サンプリング前の弁開度〔x_F〕_i-1
におけるC_v値（記憶ユニツト） γ：比重 K_P′：給水制御比例ゲイン（記憶ユニツト） K_I′：給水制御積分ゲイン（記憶ユニツト） x_FO：給水制御弁初期値（入力ユニツト） 同様に、排水制御弁開度を求める。

β₁＝α₂−α₁＋Ｂ−Ｄ （17） β₂＝Min（Max（β₁、０）、β_LM （18） ε_D＝β₂−W_D （19） x_D＝K_P″ε_D＋_o=i 〓ⁱ⁼¹ （K_I″ε_D）＋x_DO （20） ここに、 Min（ａ、ｂ）：値選択 β_LM：排水流量制限値（記憶ユニツト） W_D：排水流量（ｔ／ｈ）（入力ユニツト） K_P″：排水制御比例ゲイン（記憶ユニツト） K_I″：排水制御積分ゲイン（記憶ユニツト） x_DO：排水制御弁初期値（入力ユニツト） これらの演算結果より求められた、給水、排水
制御弁開度x_F、x_Dはそれぞれ、出力ユニツトを介
して、出力される。以上の実施例の処理フローは
第６図に示される。

前述の実施例は、蒸気発生器として沸騰水形原
子炉を例にあげて説明しているが、各々の実施例
は他のタイプの蒸気発生器である重水減速沸騰軽
水形原子炉（新型転換炉）及びボイラ等の水位制
御にも適用できる。

本発明によれば、低出力時の蒸気発生器の水位
に関して給水、排水の双方を同時に制御すること
ができるので、零出力（冷温状態）から、従来の
自動給水制御可能出力までの蒸気発生器水位を良
好に自動制御できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示す構成図、第２図
は本発明の他の実施例を示す構成図、第３図は本
発明の動作特性を説明する図、第４図は原子炉昇
圧過程における本発明の静動作特性を説明する
図、第５図は本発明の他の実施例図、第６図はそ
の処理のフローチヤートである。 １……原子炉、２……主蒸気管、３……タービ
ン、４……復水器、１０……給水制御弁、１４…
…排出制御弁、１０４，１０６……関数発生器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 少なくとも給水ポンプ及びその吐出側に設置
   された給水制御弁を有する給水系統、及び排水制
   御弁を有する排水系統がそれぞれ接続される蒸気
   発生器の水位を制御する装置において、前記蒸気
   発生器の水位を検出する水位検出器と、前記水位
   検出器の出力である水位信号と水位設定信号の偏
   差を入力する第１制御手段と、入力された信号の
   うち正の信号を選択して出力する第１信号選択手
   段と、入力された信号のうち負の信号を選択して
   出力する第２信号選択手段と、前記第１選択手段
   の入力信号と前記第１選択手段の出力である第２
   信号との偏差を前記第１制御手段の出力である第
   １信号に加算して前記第２選択手段に出力する手
   段と、前記第２選択手段の入力信号と前記第２選
   択手段の出力である第３信号との偏差を前記第１
   信号に加算して前記第１選択手段に出力する手段
   と、前記第２信号に基づいて前記給水制御弁の開
   度を制御する第２制御手段と、前記第３信号に基
   づいて前記排水制御弁の開度を制御する第３制御
   手段とを設けたことを特徴とする蒸気発生器の水
   位制御装置。