JPH0441800B2 - - Google Patents

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発電プラントの負荷追
従制御装置に係り、特に、負荷変動の変動幅が小
幅で、かつ変動周期が短かい場合には、いわゆる
ガバナフリー運転により負荷追従するようにした
沸騰水型原子力発電プラントの負荷追従制御装置
に関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

近年、電力系統に占める原子力発電プラントの
割合が増すに従い、原子力発電プラントの運転は
従来のような定格基底負荷運転から負荷追従運転
に切換える必要が益々増加する傾向にある。

一般に電力需要は季節、昼間、夜間等による大
きな変動のほか、常時小さな負荷変動が生じてお
り、これら負荷変動に対して、電力系統の周波数
を一定に保持するために、この電力系統の電力供
給側である発電所ではその電気出力を制御する、
いわゆる系統の自動周波数制御（AFC）が行な
われている。

したがつて、原子力発電プラントが電力系統に
おける供給シエアを今後益々増大させて行く場合
には、昼間、夜間の各電力需要に対応した日間出
力調整運転のほか、夜間における電力系統の自動
周波数制御運転が必要となる。これは、夜間は電
力需要の低下に対応して、従来から電力系統の自
動周波数制御を分担していた火力発電所等が運転
を停止してしまい、電力系統の自動周波数制御に
参画する出力調整量が減少するためである。

第５図はこのような電力系統の負荷変動につい
ての発電所側の出力制御の分担例を示している。
すなわち、縦軸は負荷変動の大きさを示し、横軸
は負荷変動の周期をそれぞれ示しており、変動周
期Ｂ（例えば15分程度）よりも長周期で、かつ変
動幅の大きい負荷変動については、電力系統の図
示しない中央給電指令室からの指示に基づいて適
宜の日間出力調整を行なう。これについては本特
許出願人が既に特許出願をした「原子力発電所の
負荷追従自動化装置」（特開昭55−20404号公報掲
載）に詳細に記述されている。また、変動周期Ａ
（例えば約20秒程度）から同Ｂ迄の間の負荷変動
については、通常、電力系統の中央給電指令室に
おいて、所要の出力調整分が自動制御装置により
算出され、これが系統内の周波数制御を分担する
発電所に適切な割合で配分され、AFC中給信号
として送信される。この信号を受けた各発電所
は、この信号に基づいて出力調整を行なう。沸騰
水型原子力発電プラントのこの自動周波数制御
（AFC）装置に関しては、例えば本特許出願人が
特許出願をした「沸騰水型原子力発電プラントの
出力制御装置（特開昭59−54997号公報掲載）に
詳述されている。

そして、変動周期Ａ以下の高周波成分について
は、各発電所はタービン入口ガバナ弁（主蒸気加
減弁）を開度制御するいわゆるガバナフリー運転
によつて対応する。このガバナフリー運転は、タ
ービン発電機回転数を設定値と比較し、その偏差
をタービンにフイードバツクして、この偏差が零
となるようにタービン入口ガバナ弁（主蒸気加減
弁）を開度制御するものであるが、従来の原子力
発電プラントではガバナフリー運転を行なつてい
なかつた。しかしながら、上述した事情により、
今日では原子力発電プラントにおいてもガバナフ
リー運転が要請されている。また、このガバナフ
リー運転を行なう場合は特に自動周波数制御
（AFC）運転との協調を十分に考慮したものであ
ることが望ましい。

ところで、ガバナフリー運転の特徴は第５図で
示すように変動周期が比較的短かい負荷変動を対
象とするものであると同時に、その変動幅が比較
的小幅であり、要求される出力調整分が小さいこ
とにある。したがつて、沸騰水型原子力発電プラ
ントでは、原子炉圧力容器や主蒸気管内の流体の
質量、内部エネルギーの慣性等原子炉系の慣性を
利用してガバナフリー運転を行なう場合は、出力
調整は必ずしも必要としない。

第６図および第７図は沸騰水型原子力発電プラ
ントにおいて、再循環流量制御あるいは制御棒操
作による出力調整を行なわずにタービンへの主蒸
気流量が短時間増加、あるいは減少した場合の原
子炉圧力（Kg／cm²）と、熱出力（％定格）の応答
をそれぞれ示すグラフである。第６図に示すよう
にタービンへの主蒸気流量（％）を少量、かつ短
時間増加させた場合には原子炉圧力が２次曲線的
に低下する。しかし、炉心における熱出力はその
初期では殆ど変化していない。これは原子炉圧力
の低下が熱出力へ及ぼす影響の少ないことを示し
ている。さらに、これとは逆に、第７図に示すよ
うに、タービンへの主蒸気流量（％）を少量、か
つ短時間減少させた場合においても、原子炉圧力
が２次曲線的に上昇するが、熱出力はその初期で
は殆ど変化せず、原子炉圧力の低下が熱出力へ与
える影響の小さいことを示している。

したがつて、以上のことから負荷変動の変動周
期が、例えば約20秒程度以下の比較的短かい周期
で、しかも、その変動幅が小幅である場合には、
原子炉系の慣性を利用して原子炉の熱出力の大き
な変動を発生させることなくガバナフリー運転を
行なうことができる。すなわち、一般に沸騰水型
原子力発電プラントではタービン蒸気流量、すな
わち負荷を増加させると、原子炉圧力が低下して
炉心内の蒸気泡（ボイド）が増加し、この蒸気泡
の負の反応度効果により炉出力が低下するという
逆応答を発生させるが、短周期の負荷変動に限定
すれば、このような逆応答は事実上考慮に入れな
くともよいことが確認された。

しかしながら、例えば第８図に示すように、負
荷変動の周期がガバナフリー運転領域と自動周波
数制御（AFC）運転領域との境界Ａ周辺にある
ときは中性子束の逆応答が認められる。この逆応
答は原子炉の熱出力の逆応答を示すものではない
が（なぜならば、燃料棒から炉心冷却材に伝達さ
れる熱流束は中性子束に比べて、例えば時定数約
６秒程度の遅れがあるので、殆ど鈍される）、定
格出力近傍での運転の場合、中性子束固有のノイ
ズと重なり合うと誤警報の原因ともなる。また、
自動周波数制御（AFC）運転では、タービン蒸
気流量の制御よりも以前に、炉出力をAFC要求
信号により制御することが多いので、ガバナフリ
ー運転領域で中性子束の逆応答が発生すること
は、自動周波数制御運転領域への遷位領域での応
答を複雑にする。したがつて、このような場合
は、ガバナフリー運転時では中性子束を一定に保
持することが望ましい。

〔発明の目的〕

本発明は上述した事情に鑑みなされたもので、
タービン蒸気流量の変動に伴う中性子束の逆応答
性を改善しつつ、タービン負荷要求に確実に追従
する沸騰水型原子力発電プラントの負荷追従制御
装置を提供することを目的とする。

〔発明の概要〕

上述した目的を達成するために本発明は、ター
ビン負荷変動の変動周期が短周期で、かつ変動幅
が小幅であるときは、タービンのガバナフリー運
転を行ない、しかも、このガバナフリー運転中は
再循環流量制御系により原子炉内の中性子束を一
定に保持させ、上記負荷変動にタービン発電機出
力を確実に追従させると共に、中性子束の逆応答
性を改善させるようにしたことに特徴がある。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の一実施例について図面を参照し
て説明する。

第１図は本発明に係る沸騰水型原子力発電プラ
ントの負荷追従制御装置の一実施例の全体構成を
示すブロツク線図であり、図中符号１は沸騰水型
の原子炉である。この原子炉１内には炉心２が炉
水で冠水された状態で収容されており、炉心２内
に装荷される核燃料の反応熱により炉水を加熱し
て蒸気を発生する。原子炉１は主蒸気管３を介し
てタービン４に接続され、原子炉１にて発生した
主蒸気が主蒸気管３を介してタービン４へ導入さ
れて仕事をし、タービン４の出力軸５に直結され
た図示しないタービン発電機を駆動して発電し、
図示しない電力系統に電力を供給するようになつ
ている。

主蒸気管３にはタービン４の主蒸気入口近傍に
て主蒸気加減弁６が装着され、タービン４へ流入
される流入蒸気量を調整するようになつている。
この主蒸気加減弁６の上流側の主蒸気管３の途中
にはタービンバイパス管７が接続され、このター
ビンバイパス管７の他端は途中、バイパス弁８を
介装してからタービン４の復水器９に連結されて
いる。タービンバイパス弁８はタービン４の負荷
が大幅に減少した際に開弁して、タービン４への
主蒸気流入量減少分を直接復水器９へバイパスさ
せて原子炉１内の圧力急上昇を制御する。

また、原子炉１内の炉水は再循環ポンプ１０に
より炉心２へ強制循環され、蒸気の発生を有効に
行なうと共に、炉心冷却材流量を変化させること
により、炉熱出力（発生蒸気量）を制御してい
る。再循環ポンプ１０はMGセツト１１によりポ
ンプ速度が制御され、その制御は再循環流量制御
系１２により設定された設定値に基づいて実行さ
れる。

このように構成された沸騰水型原子力発電プラ
ントには、さらに、原子炉１の圧力を常に所定圧
に保持するように制御する圧力制御系Ａと、ター
ビンの回転数を適宜制御するタービン制御系Ｂと
を有し、圧力制御系Ａはタービン入口圧力を検出
する圧力検出器１３を主蒸気管３のタービン入口
側に設けている。この圧力検出器１３にて検出さ
れたタービン入口圧力はタービン入口圧力信号１
３Ａとして圧力比較器１４に入力され、ここで、
圧力設定器１５にて設定された圧力設定値と比較
されて設定値との偏差が算出され、圧力偏差信号
１４Ａとして圧力制御装置１６に入力される。こ
の圧力制御装置１６ではこの圧力偏差信号１４Ａ
を、主蒸気加減弁６およびタービンバイアス弁８
の弁開度にそれぞれ換算して、圧力調整信号１６
Ａを形成し、これを加算器１７を介して低値優先
回路１８と、サーボ加算器１９とへそれぞれ出力
するようになつている。低値優先回路１８にはタ
ービン制御系Ｂからの制御信号も入力されるが、
通常低値の圧力制御系Ａの圧力調整信号１６Ａが
優先されて、主蒸気加減弁サーボ２０と、サーボ
加算器１９とにそれぞれ入力される。主蒸気加減
弁サーボ２０およびタービンバイパス弁サーボ２
１では、圧力設定値との圧力偏差が所定の値にな
るように主蒸気加減弁６とタービンバイアス弁８
の開度制御を行なう。これにより、原子炉１内の
圧力は常に所定の値に保持される。

一方、タービン制御系Ｂはタービン４の出力軸
５にタービン速度検出器２２を設け、タービン４
およびタービン発電機（図示せず）の回転速度
（周波数）を検出している。このタービン速度検
出器２２により検出されたタービン４の回転数
は、タービン速度信号２２Ｂとして速度比較器２
３に入力され、ここで、速度設定器２４にて設定
された速度設定値と比較されて偏差が算出され
る。この速度偏差信号２３Ｂは速度加算器２５に
入力され、ここで、負荷設定バイアス発生器２６
および負荷設定器２７から出力される負荷設定バ
イアスと負荷設定値とが、それぞれ加算され、タ
ービン負荷要求信号２５Ｂが形成され、これはバ
イアス減算器２８と低値優先回路１８とにそれぞ
れ出力される。低値優先回路１８には、上述した
ように、圧力制御系Ａから圧力調整信号１６Ａも
入力されるが、タービン制御系Ｂのタービン負荷
要求信号２５Ｂが既にバイアスされているので、
通常は低値の圧力調整信号１６Ａが優先され、各
サーボ２０，２１には圧力調整信号１６Ａがそれ
ぞれ優先して出力される。これは、一般に原子炉
系の圧力変化が出力へ及ぼす影響に対して常に正
帰還となるので、圧力制御系Ａをタービン制御系
Ｂよりも優先させるためである。

一方、バイアス減算器２８へ入力されたタービ
ン負荷要求信号２５Ｂは、速度加算器２５にて一
旦、加算されたバイアス分を再び除去されてから
圧力設定値調整器２９と高周波フイルタ３０とに
それぞれ入力される。この圧力設定値調整器２９
は圧力比較器１４に入力される圧力設定値を適宜
調整して、圧力制御系Ａによる原子炉圧力補償機
能を停止させて、その間タービン制御系Ｂによる
タービン４の回転速度制御を実行させるものであ
るが、圧力制御装置１６と密接に関連しており、
圧力設定値調節器２９の制御定数調整が著しく困
難なために、信頼性が高くなく、実際のプラント
では殆ど活用されていない。

また、高周波フイルタ３０に入力されたタービ
ン負荷要求信号２８Ｂからはガバナフリー運転領
域の高周波成分が取り出され、第５図で示す負荷
変動周期Ａよりも長い周期（低周波成分）は除去
される。これは、変動周期Ａよりも短かい高周波
領域の負荷変動についてはガバナフリー運転によ
り負荷追従させ、変動周期Ａよりも長い周期の低
周波領域では第５図で示すように、自動周波数制
御や日間出力調整に分担させるためである。この
高周波フイルタ３０にて取り出された高周波成分
の高周波タービン速度偏差信号３０ｃはリミタ３
１と再循環流量制御器３３とに入力され、リミタ
３１にて、その振幅が所要幅に制限され、タービ
ン負荷要求を原子炉系の慣性が許容する限度（例
えば数％定格出力）以下に抑えるように調整し、
ガバナフリー運転要求信号３１ｃを形成して加算
器１７と圧力設定値変更器３２とにそれぞれ出力
する。この加算器１７にて圧力調整信号１６Ａと
ガバナフリー運転要求信号３１ｃが加算された信
号は低値優先回路１８とサーボ加算器１９とをそ
れぞれ介して、主蒸気加減弁サーボ２０およびタ
ービンバイパス弁サーボ２１とにそれぞれ入力さ
れる。これら両サーボ２０，２１はガバナフリー
運転要求信号３１ｃの負荷要求に応じて、主蒸気
加減弁６とタービンバイアス弁８との弁開度をそ
れぞれ制御し、タービン４の出力を負荷変動に追
従させる。ところで、この負荷変動の変動周期が
約20秒程度の場合には、これら両弁６，８の開度
制御が行なわれると、原子炉圧力が変動する。こ
れにより圧力制御系Ａの圧力検出器１３がこの圧
力変動を検出し、圧力設定値との偏差を所定の値
にするように、圧力制御系Ａの原子炉圧力補償機
能が働き、ガバナフリー運転の負荷追従効果が時
間の経過と共に失われる。そこで、圧力設定値変
更器３２では、ガバナフリー運転要求信号３１ｃ
を受けて、圧力設定器１５の圧力設定値をガバナ
フリー運転が継続可能な方向に変更せしめる圧力
設定値変更信号３２ｃを圧力比較器１４へ出力す
る。すなわち、圧力設定値変更器３２はタービン
負荷要求信号３１ｃの負荷要求を圧力設定値変更
に換算する係数と所要の伝達関数とにより、圧力
設定値変更信号３２ｃを適宜形成するようになつ
ており、所要の伝達関数としては例えば一次遅れ
を用いることができる。

なお、上記ガバナフリー運転を行なう場合に
は、圧力設定値調整器２９の使用を中止して、高
周波フイルタ３０、リミタ３１、圧力設定値変更
器３２のパラメータ調整を容易にする。

一方、再循環流量制御器３３に入力されたター
ビン負荷要求信号３０ｃは、ここで、再循環流量
制御系１２の再循環流量設定値に換算され、フイ
ードフオワード信号３３ｄとして再循環流量制御
系１２へ出力される。再循環流量制御系１２はフ
イードフオワード信号３３ｄの再循環流量設定値
に基づいて、MGセツト１１を介して再循環ポン
プ１０のポンプ速度を適宜制御し、原子炉１内の
中性子束を一定に保持する。この再循環流量制御
系１２による中性子束の逆応答補償の効果を第２
図に示す。第２図は、タービン蒸気流量の変動が
ガバナフリー運転領域と自動周波数制御運転領域
との遷位領域の周期、例えば約20秒程度の周期で
発生した場合の中性子束の逆応答例を示す。この
第２図によれば第８図で示す従来例のものに比較
して、中性子束変動の変動幅がピーク−ピーク値
で約70％に減少し、また、タービン蒸気流量と中
性子束との逆応答も改善させている。

なお、以上の実施例では、中性子束の制御につ
いては十分調整確認ずみの信号をフイードフオワ
ード信号３３ｄとして、再循環流量制御系１２へ
出力しているが、ガバナフリー運転による出力調
整幅を特に大きくする場合や、境界周期Ａをさら
に大きくする場合等のように、中性子束の変動幅
が大きくなると予想される場合には中性子束信号
に対してフイードバツク制御を行なうことは可能
である。第３図に示す実施例はその一例であり、
原子炉１内にて検出された中性子束信号を再循環
流量制御系１２へフイードバツクするフイードバ
ツク回路を新たに付設している。

すなわち、本実施例が第１図で示す実施例と異
なる主要な点は、原子炉１内で検出された中性子
束信号をノイズフイルタ３４および中性子束制御
器３５を介して再循環流量制御系１２へ帰還させ
ると共に、再循環流量制御器３３から出力される
フイードフオワード信号３３ｄをMGセツト１１
へ出力するように構成したことにある。なお、第
３図中、第１図と同一部分には同一符号を付し
て、その重複した部分の説明は省略する。

ノイズフイルタ３４は、中性子固有のノイズを
除去すると共に、原子炉１内の中性子束を検出す
る中性子検出器３６から出力された平均出力モニ
タの中性子束信号３６ｆを発電プラントの電気出
力相当に換算するものであり、この換算係数は本
発電プラントの炉心性能評価用のプロセス計算機
により容易に算出することができる。このノイズ
フイルタ３４からの出力信号は中性子束制御器３
５に入力されて、ここの入力点において、本発電
プラントの基底負荷に対する設定値ｅと比較さ
れ、その偏差が演算され、その出力信号３５ｆは
再循環流量制御系１２に出力され、その再循環流
量設定値を調整する。

一方、再循環流量制御器３３からのフイードフ
オワード信号３３ｄは、第１図で示す実施例のよ
うに再循環流量制御系１２へは入力されず、直接
MGセツト１１に入力される。したがつて、フイ
ードフオワード信号３３ｄによりMGセツト１１
の発電機の励磁電流を直接操作して、再循環ポン
プ１０駆動用モータ１０ａの入力電圧、すなわち
再循環ポンプ駆動用モータ１０ａの駆動トルクを
調整する。これにより、MGセツト１１を用いず
に再循環流量の調整を行なうことになるので、
MGセツト１１の応答遅れとは無関係に、迅速に
再循環流量を調整することができる。本実施例に
よる中性子束の逆応答補償の効果を第４図に示
す。第４図はタービン蒸気流量の変動がガバナフ
リー運転領域と自動周波数制御運転領桶域との遷
位領域の周期、例えば約20秒程度の周期で発生し
た場合の中性子束の逆応答例を示す。この第４図
によれば、第１図で示す実施例の中性子束の逆応
答がさらに改善され、中性子束変動の変動幅もさ
らに小幅に改善され、負荷変動に良好に追従して
いることが分る。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明はタービンの負荷変
動の変動周期が比較的短周期で、かつ変動幅が小
幅であるときは、タービンのガバナフリー運転に
よりその負荷変動に追従させ、しかも、このガバ
ナフリー運転中は再循環流量制御系により原子炉
内の中性子束を一定に保持させるようにした。し
たがつて、本発明によれば、中性子束の逆応答性
を改善しつつ、負荷変動に確実に、かつ迅速に追
従することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る沸騰水型原子力発電プラ
ントの負荷追従制御装置の一実施例の全体構成を
示すブロツク線図、第２図は第１図で示す一実施
例におけるタービン蒸気流量の変動に対する原子
炉系の応答例を示すグラフ、第３図は本発明の他
の実施例の全体構成を示すブロツク線図、第４図
は第３図で示す実施例の中性子束等の逆応答例を
示すグラフ、第５図は電力系統の一般的な負荷変
動曲線を発電所出力制御の分担例と共に示すグラ
フ、第６図および第７図は一般的な沸騰水型原子
力発電プラントにおける原子炉系の慣性をそれぞ
れ説明するためのグラフ、第８図は従来の沸騰水
型原子力発電プラントにおける中性子束の逆応答
を説明するためのグラフである。 １０…再循環ポンプ、１１…MGセツト、１２
…再循環流量制御系、２８…バイアス減算器、２
８Ｂ…タービン負荷要求信号、３０…高周波フイ
ルタ、３０ｃ…高周波タービン速度偏差信号、３
１…リミタ、３１ｃ…ガバナフリー運転要求信
号、３２…圧力設定値変更器、３２ｃ…圧力設定
値変更信号、３３…再循環流量制御器、３３ｄ…
フイードフオワード信号、３４…ノイズフイル
タ、３５…中性子束制御器、３６…中性子束検出
器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 沸騰水型原子炉の炉圧力を常に所定圧に保持
   するように制御する圧力制御系と、タービンの回
   転数を適宜制御するタービン制御系と、上記原子
   炉内の再循環流量を適宜制御する再循環流量制御
   系とを有する沸騰水型原子力発電プラントのもの
   において、上記タービン制御系にてタービン負荷
   要求信号から負荷設定バイアス分を除去して得ら
   れたタービン速度偏差信号からガバナフリー運転
   領域の高周波成分を取り出して高周波タービン速
   度偏差信号を出力する高周波フイルタと、この高
   周波タービン速度偏差信号の振幅を適宜制限して
   所要の出力調整分に調整してガバナフリー運転要
   求信号を形成しこれを上記圧力制御系の圧力調整
   信号に印加するリミタと、上記ガバナフリー運転
   要求信号を受けて上記圧力制御系の所要の圧力設
   定値を変更してこの圧力制御系による原子炉圧力
   補償機能を停止させる圧力設定値変更器と、上記
   高周波タービン負荷要求信号を上記再循環流量制
   御系の再循環流量設定値に換算する再循環流量設
   定値調整器とを有し、上記圧力調整信号に印加さ
   れたガバナフリー運転要求信号により主蒸気加減
   弁の開度を制御してタービン発電機出力を負荷変
   動に追従させると共に、上記再循環流量設定値調
   整器から出力されるフイードフオワード信号の再
   循環流量設定値により再循環流量を制御して上記
   主蒸気加減弁のガバナフリー運転による炉出力変
   動を補償させることを特徴とする沸騰水型原子力
   発電プラントの負荷追従制御装置。