JPH068920B2

JPH068920B2 - 原子炉の出力制御システム

Info

Publication number: JPH068920B2
Application number: JP61240329A
Authority: JP
Inventors: 仁嗣丸山; 泰三村; 功皆月; 浩二藤森; 光彦内田
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1986-10-09
Filing date: 1986-10-09
Publication date: 1994-02-02
Anticipated expiration: 2009-02-02
Also published as: JPS6395396A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は高速増殖炉等の原子炉の出力制御システムの改
良に関する。

〔従来の技術〕

第６図は従来の高速増殖炉の出力制御システムの一例を
示す構成図であり、１は原子炉、２は蒸気発生器（S
G）、３はタービン、４は高温側配管、５は低温側配
管、６は冷却材ポンプ、７は給水管、８は給水ポンプ、
９は給水調節弁、１０は蒸気配管、１１はガバナ弁、１
２は復水・給水系、１３は給水流量計、１４は制御器、
１５は圧力計、１６は制御器、１７は圧力設定器、１８
は温度計、１９は制御器、２０は減算器、２１は温度
計、２２は制御器、２３は制御棒駆動機構、２４は温度
計、２５は制御器、２６は温度設定器、２７は加算器、
２８は出力設定器、２９は圧力計、３０，３３，３４，
３５は関数発生器、３１は発電量制御器、３２は加算
器、３６は制御棒、３７は発電機である。

第６図の従来の高速増殖炉の出力制御システムにおい
て、原子炉１の出口の冷却材（例えばナトリウム）の温
度を温度計２１により計測して制御器２２によりフィー
ドバックして制御棒３６の挿入量を制御棒駆動機構２３
で調節する。これにより原子炉１の発熱量は常に調節さ
れ出口温度は制御目標値に保たれる。また蒸気発生器２
の出口蒸気温度は、温度計２４で計測されて制御器２５
の作用を経て原子炉出口温度にフィードバックされる。
具体的には加算器２７を用いて関数発生器３３による原
子炉出口温度の制御目標値を高低調節し、結果として高
温側配管４を通して蒸気発生器２に流入する冷却材の温
度を高低調節する。これにより、例えば蒸気温度が温度
設定器２６で設定する値よりも高ければ正の温度偏差が
負帰還され、原子炉１の出口温度〜蒸気発生器２の入口
冷却材温度が低下されて蒸気温度が低減される。また反
対に蒸気温度が低ければ前記と逆の作用により温度が上
昇され、常に蒸気温度が目標値に保たれる。このように
負帰還制御により、安定生を保ちつつ被制御変数である
蒸気温度が制御目標値に一致することができる。

次に給水流量は、関数発生器３５により設定される制御
目標値に対して流量計１３による計測値をフィードバッ
クして、制御器１４では同制御偏差に応じた弁開度を算
定して弁駆動部に送り給水調節弁９を開閉する。これに
より給水流量が多ければ給水調節弁９の開度が減少さ
れ、反対に給水流量が少なければ給水調節弁９の開度が
増大して、常に給水流量は制御目標値に保たれる。

蒸気発生器２の出口部の冷却材温度は温度計１８により
計測され、関数発生器３４により設定される制御目標値
との偏差が制御器１９の作用を経て給水流量設定へフィ
ードバックされ、減算器２０にて給水流量設定値を修正
する。これにより、蒸気発生器２の出口部の冷却材温度
が高ければ給水流量が増加され、同温度が低ければ給水
流量が減少されるので、蒸気発生器２の冷却量が調節さ
れ、出口冷却材温度は関数発生器３４の設定する温度制
御目標値に保たれる。

蒸気圧力はタービン入口部の圧力が圧力計１５により計
測され、圧力設定器１７による制御目標値との偏差が制
御器１６の作用を経てフィードバックされ、ガバナ弁１
１の開度が調節される。これにより同圧力は一定値に制
御される。

〔発明が解決しようとする問題点〕

以上述べた従来の高速増殖炉の出力制御システムでは以
下に述べる理由から実用化することができなかった。仮
に蒸気発生器２の出口冷却材温度が高いとき、これを制
御目標値まで下げるために制御器１９の作用で給水流量
が増加したとすると、後述する理由により蒸気発生量が
増加し、またこの蒸気発生量の増加により後述する理由
により発電量が増すと同時に、冷却が増えるために蒸気
温度が低下する。

前記の蒸気発生器２の出口冷却材温度が高くなる原因の
一つとしては、冷却材ポンプ６を駆動するモータの電源
電圧がわずかながら増大する等の外乱が発生した場合に
ポンプ回転数が増加して、そのために冷却材流量が増加
する等の現象が考えられる。このとき蒸気発生器２への
原子炉１からの熱輸送量が増加するので、蒸気発生器２
内部で水側と熱交換した後で蒸気発生器２を出る出口部
の冷却材温度が高くなる。

このため、出力設定器（発電機３７の出力制御目標値を
常時出力しているもの）２８の設定値が修正されるよう
に、発電量制御器３１の出力信号と出力設定器２８の設
定値が加算器３２により加算されるように構成されてい
る。このように出力設定器の設定値が修正されると、第
７図のプラントの部分負荷特性に応じて原子炉出口冷却
材温度の、目標値が引き下げられるので、制御器２２の
原子炉制御作用により原子炉出口冷却材温度が低下す
る。これは蒸気発生器２の入口に伝わり、蒸気温度をさ
らに引き下げる作用を及ぼす。このため、蒸気温度制御
計の制御器２５の作用により、原子炉出口冷却材温度を
引き上げる制御を行なう。

前記の給水流量が増加すると、蒸気発生量が増加する理
由は、例えば貫流型蒸気発生器２では給水入口から蒸気
出口まで連通していて分岐が無い。このため給水した量
だけ蒸気になって出口より出て来るという関係にある。
よって給水流量が増せば、その分だけ出口からの蒸気流
量つまり蒸気発生量が増加する。

また前記の蒸気発生量が増加すると発電量が増す理由は
次の通りである。すなわち、対象プラントでは発生した
蒸気が全て蒸気発生器２を出てタービン３に流入する様
になっており、蒸気発生量が大になるとそのままタービ
ン３に流入する蒸気が増え、タービン３の発生する動力
が増す。タービン３は発電機３７を駆動しているなで、
発電機３７を駆動する動力が増えることにより、また発
電量が増すという結果を生み出す。また圧力制御系は、
タービン３に流入する蒸気管路を弁を用いて絞ることに
より、蒸気発生器２側の圧力を一定に保つのであって、
タービン３に流入する蒸気量を削減するものではない。
例えば発生蒸気量が増せば、圧力制御系は弁開度を増し
てタービン３に流入する蒸気の流量を増やし、蒸気の発
生とタービン３への流入のバランスを保つので蒸気の蓄
積による圧力上昇は生じない。その結果としてまた、発
生する蒸気の流量とタービン３に流入する蒸気流量は一
致する。

具体的な動作は圧力計１５により検出した圧力と、圧力
設定器１７による圧力設定値との偏差に応じて、制御器
１６の作用を介してガバナ弁１１の開度を操作する。こ
れにより圧力が高ければ開度が増し、低ければ開度が減
るので常に、適切な絞りに調節されて弁前の圧力が一定
に保たれるのである。

ところが、制御器２５による原子炉出口冷却材温度を引
き上げようとする作用は、発電量制御器３１による同温
度を引き下げようとする別の制御動作の作用と相反する
ために、両方の制御機能が互いに妨害して、双方とも又
は片方が制御機能を果たさない。従って、蒸気温度は制
御目標値に一致するに至らず、また発電機３７の出力も
制御目標値に一致するに至らず、所期の状態に発電機運
転状態を保てない。このようなことから、従来の高速増
殖炉の出力制御システムにあっては実用化することはで
きない。

そこで、本発明は蒸気発生器出口冷却材温度制御、蒸気
発生器出口蒸気温度制御および発電機出力制御がともに
可能となり実用化ができる原子炉の出力制御システムを
提供することを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は前記目的を達成するため、次のように構成した
ものである。すなわち、原子炉１と蒸気発生器２を有す
る原子炉冷却材循環系と、前記蒸気発生器２により生成
される蒸気によって駆動されるタービン３により発電機
３７を駆動するタービン駆動系と、前記原子炉１の出口
温度検出信号２１と前記発電機３７の出力設定信号２８
および前記蒸気発生器２により生成される出口蒸気温度
検出信号２４を入力し、これにもとづいて前記原子炉１
の制御棒３６を制御する制御棒制御系と、前記出力設定
信号２８にもとづいて前記蒸気発生器２に供給される給
水流量を制御する給水流量制御系と、前記出力設定信号
２８と前記蒸気発生器２の冷却材の温度検出信号１８を
入力し、これにもとづいて前記給水流量制御系に制御調
整信号を与える吸水制御調整系と、前記タービン３の出
力検出信号２９を入力し前記給水制御調整系に与える前
記出力設定信号２１を補償する補償系とから構成したも
のである。

〔作用〕

前記の構成することにより、蒸気発生器出口冷却材温度
制御、この出口蒸気温度制御及び発電機出力制御が共に
可能となる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例について図面を参照して説明す
る。はじめに第１図の構成図により第１の実施例を説明
する。

プラントは原子炉１と貫流型蒸気発生器２及び発電機タ
ービン３を主な構成機器としている。原子炉１と蒸気発
生器２は、高温側配管４と低温側配管５とで連絡されて
おり、この低温側配管５を通して原子炉１に流入する冷
却材例えばナトリウムは、加熱されて温度上昇した後で
原子炉１に出て、高温側配管４を通して蒸気発生器２に
導かれる。蒸気発生器２で熱交換により温度低下した冷
却材は再び低温側配管５に流入する。かかる冷却材の循
環は、ポンプ６の作用による。原子炉１では核分裂連鎖
反応による発熱があり、その熱は冷却材に伝達される。
発熱の強さつまり原子炉出力は、制御棒３６の挿入量に
より調節され、制御棒３６は駆動機構２３により駆動さ
れる。蒸気発生器２では、給水ポンプ３により給水管７
を通して送り込まれた給水が伝熱管内を流れる間に高温
側配管４から送り込まれる高温の冷却材と熱交換して加
熱され、蒸発して出口では過熱蒸気となり、蒸気管１０
を通してタービン３に送り込まれる。タービン３は、発
電機３７を駆動して電力を発生する。タービン３を出た
蒸気は、復水・給水系１２によりサブクール水となり、
復水・給水系１２を通して再び給水管に戻る。給水の流
量は給水調節弁９の開度変化により調節される。またタ
ービン入口圧力はカバナ弁１１の開度変化により調節さ
れる。以上述べたことは制御の対象となるプラントの概
要である。

次に第１図の動作について説明する。原子炉１の出口の
冷却材温度を温度計２１により計測して、制御器２２に
よりフィードバックして制御棒３６の挿入量を調節す
る。例えば温度が関数発生器３３により与えられる出力
設定器２８の制御目標値よりも高ければ制御器２２は正
の制御偏差を算出し、これに基き制御棒挿入信号を制御
棒駆動機構２３に送ることにより制御棒３６を挿入し、
反対に出口温度が低ければ制御棒３６を引き抜く。これ
により原子炉１の発熱量は常に調節され出口温度は制御
目標値に保たれる。

蒸気発生器２の出口蒸気温度は、温度計２４で計測され
て制御器２５の作用を経て原子炉出口温度にフィードバ
ックされる。より具体的には加算器２７を用いて関数発
生器３３による原子炉出口温度の制御目標値を高あるい
は低に調節し、結果として高温側配管４を通して蒸気発
生器２に流入する冷却材の温度を高低調節する。これに
より、例えば蒸気温度が温度設定器２６で設定する値よ
りも高ければ正の温度偏差が負帰還され、原子炉１の出
口温度〜蒸気発生器２の入口冷却材温度が低下されて蒸
気温度が低減される。また反対に蒸気温度が低ければ前
記と逆の作用により温度が上昇され、常に蒸気温度が目
標値に保たれる。

次に給水流量は、関数発生器３５に入力される出力設定
器２８からの制御目標値に対して流量計１３による計測
値をフィードバックして、制御器１４では同制御偏差に
応じた弁開度を算定して弁駆動部に送り給水調節弁９を
開閉する。これにより給水流量が多ければ給水調節弁９
の開度が減少され、反対に流量が少なければ給水調節弁
９の開度が増大して、常に給水流量は制御目標値に保た
れる。

蒸気発生器２の出口部の冷却材温度は温度計１８により
計測され、関数発生器３４により設定される制御目標値
との偏差が制御器１９の作用を経て給水流量設定へフィ
ードバックされ、減算器２０にて給水流量設定値を修正
する。これにより出口部の冷却材温度が高ければ給水流
量が増加され、同温度が低ければ給水流量が減少される
ので、蒸気発生器２の冷却量が調節され出口冷却材温度
は関数発生器３４の設定する温度制御目標値に保たれ
る。

蒸気圧力はタービン３の入口部の圧力が圧力計１５によ
り計測され、圧力設定器１７による制御目標値との偏差
が制御器１６の作用を経てフィードバックされ、ガバナ
弁１１の開度が調節される。これにより同圧力は一定値
に制御される。

前記制御器１４，１６，１９，２５，５１はいずれもＰ
Ｉ制御器を用い、その典型的な特性は次式のようにな
る。

ただしＫ…比例ゲイン〜はラプラス変換値を示
す。

Ｔ…積分時間ｅ…制御偏差ａ…制御器出力ｘ…被制御変数ｒ…制御目標値ｓ…ラプラス演算子制御器２２だけは第３図の特性により制御棒駆動速度信
号を与えるものである。

次に本発明の第１の実施例の動作、特に蒸気発生器２の
出口冷却材温度の制御と、主蒸気温度の制御、及び発電
機出力の制御の３者が全て成立することを、第２図の原
理図と前記第１図を参照しながら作用を説明する。

今、発電機出力Ｑ_０のとき蒸気発生器２の出口冷却材温
度がθ_０であったとして、制御目標値θ_Ａよりも高い状
態にあるとする。すると、温度制御器１９の作用によ
り、給水流量が増加するため、蒸気流量が増して発電機
出力はＱ_１まで増える。そこで、出力制御器５１は出力
信号の制御偏差ΔQ_E＝Q₁−Q₀をフィードバックしてΔθ
_B＝ｋΔQ_Eなる温度設定値の修正値を、関数発生器３４
の設定する蒸気器出口冷却材温度制御目標値（第２図中
の温度設定カーブＡ）に対して加算器３２において加え
る。これにより、温度設定カーブは第２図中の温度設定
カーブＢとなる。この段階で実機温度θ_１は温度設定θ
_Ｂに一致するが、このままでは発電機出力はＱ_１のまま
であり出力制御偏差ΔQ_Eが残っている。そこで出力制御
器５１は比例積分動作によりΔQ_C＝ｋ（１＋∫dt）ΔQ_E
なる値まで温度設定の修正値を増し、加算器５２の発生
する温度設定カーブを第２図中の温度設定カーブＣとす
る。これを受けて温度制御器１９は、温度目標値θ_Ｃが
実機温度θ_１よりも高いので実機温度を引き上げるべ
く、冷却を減らすために給水流量を減ずる。これにより
出力はθ_２にまで下がり、蒸気発生器２の出口冷却材温
度はθ_２まで上がり制御目標値θ_Ｃに一致する。整定状
態ではまたθ_２＝θ_０であって、出力についても目標値
θ_０に一致するに到る。

なお、前記温度設定カーブＡ，Ｂ，Ｃはいずれも蒸気発
生器２の出口部分の冷却材温度の制御目標値を設定する
曲線である。

この様に蒸気発生器２の出口冷却材の温度設定値を、設
定出力における実機のバランス値に一致する様に修正す
る機能を出力制御器５１が果たすので、実機特性と当初
の温度設定カーブが相違した条件下でも、出口冷却材温
度制御器１９を作動させることが可能となる。よって外
乱を受けた際に同温度の変動を抑制する機能を保つこと
ができる。

そこで、仮に蒸気発生器２の入口冷却材温度が急に変化
する様な外乱が加わることにより出口冷却材温度の実機
バランス値が変化しても、その影響を吸収して発生蒸気
量つまり発電機出力を目標値に保持することが可能であ
る。その時、出口冷却材温度制御系は作動し続けてお
り、同温度の急激な変化は抑制される。

前記の様に入口冷却材温度が変化する要因としては、蒸
気温度制御器２５の作用で原子炉出口冷却材温度が変更
されて蒸気発生器２にまで伝播して来る場合があるが、
前記に説明した通りの蒸気発生器２の出口冷却材温度制
御及び発電機出力調整の作用により矛盾は発生しない。

ここで、第１図と第６図の差異について述べる。

第１図における出力設定器２８、関数発生器３０、制御
器５１、加算器５２の相互の接続関係は、第６図におけ
る出力設定器２８、関数発生器３０、制御器３１、加算
器３２の相互の接続関係と同様であるが、これらの構成
する出力調整系とプラント制御系全体との接続が大幅に
異なり、作用も違うものである。すなわち、第６図の加
算器３２の発する信号は関数発生器３３，３４、及び３
５に入力されており、出力調整系の作用は関数発生器３
３による原子炉出口温度設定値、関数発生器３４による
蒸気発生器出口冷却材温度設定値、及び関数発生器３５
による給水流量設定値の全てを修正するように作用す
る。

これに対して第１図の加算器５２の発する信号は関数発
生器３４のみに入力されており、出力調整系の作用は関
数発生器３４による蒸気発生器出口冷却材温度設定値の
みを修正する様に作用する。残る関数発生器３３と３５
に対しては出力設定器２８の発する信号が入力され、出
力調整作用は関数発生器３３と３５には及ばない。

次に第４図および第５図により本発明の第２の実施例に
ついて説明する。第１図と異る点は、出力設定器２８で
設定された出力設定値信号と、出力制御器５１の出力信
号とを加算器５２にて加算して修正した後の修正済出力
説定信号を、蒸気発生器出口の冷却材温度を設定するた
めの関数発生器３４に入力するようにし、第１図の出力
制御器５１の出力信号と関数発生器３４の出力とを加算
器５２を省いたものである。これらの点を除くと、原子
炉出口温度制御系、給水流量制御系、蒸気温度制御系、
蒸気圧力制御系については第１図と同様である。

次に第４図の構成の動作について第５図の原理図を参照
して説明する。蒸発器２の出口冷却材温度の関数設定カ
ーブは、第５図の原理図において、発電機出力の増加に
対して減少する特性であるものとする。今、発電機出力
Ｑ_０のとき蒸気発生器出口冷却材温度がＱ_０であったと
して、制御目標値Ｑ_Ａよりも高い状態にあるとする。す
ると、温度制御器１９の作用により給水流量が増加する
ため、蒸気流量が増して発電機出力はＱ_１まで増える。
そこで出力制御器５１は、出力制御偏差ΔQ_Eをフィード
バックして発電機出力設定をＱ_Ｂまで減少させてゆく。
減少された発電機出力設定値は、関数発生器３４のみに
入力され、蒸発器出口冷却材温度の設定カーブに沿い温
度制御目標値をθ_Ａからθ_Ｂまで引き上げる作用を果た
す。蒸発器出口冷却材温度制御目標値の増大により、同
温度制御器１９の作用で冷却を減らすべく給水流量が減
少されて発電機出力は減少してＱ_２に至る。かかる発電
機出力制御目標値の減少は、第５図の温度設定カーブに
照して温度設定θ_Ｂが実機温度θ_２に一致するＱ_Ｂ点ま
で続く。かくしてバランス状態では実機温度θ_２は温度
制御目標値θ_Ｂに一致して当初のθ_０に戻り、発電機出
力Ｑ_２は当初のＱ_０に復帰する。

このように蒸気発生器出口冷却材の温度設定値を設定出
力における実機バランス値に一致するように修正する機
能を出力制御器５１が果たすので、実機特性と当初の温
度設定カーブが相違した条件下でも、出口冷却材温度制
御器１９を作動させることが可能となり、外乱を受けた
際に同温度の変動を抑制する機能を保てる。

そこで、仮に蒸気発生器２の入口冷却材温度が急に変化
する様な外乱が加わることにより出口冷却材温度の実機
特性が変化しても、発生蒸気量すなわち発電機出力を目
標値に保持することが可能である。その時、出口冷却材
温度制御系は作動しているので、同温度の急激な変化が
抑制される。

入口冷却材温度が変化する要因としては、蒸気温度制御
器２５の作用で原子炉出口温度が変更されて蒸気発生器
２にまで伝播する場合があるが、上記に説明した通りの
出口冷却材温度制御及び発電機出力調整の作用により矛
盾は発生しない。

ここで、第４図の実施例と第６図の従来例との差異につ
いて述べる。

第４図の実施例では、出力制御器５１の出力信号を蒸気
発生器出口冷却材温度の設定値にのみ作用させるため
に、関数発生器３４の入力として、出力制御器５１と出
力設定器２８出力信号を加算器５２により加算した信号
を用いるが、他の関数発生器３３と３５に対しては修正
していない出力設定器２８の出力信号を直接に入力する
点にある。これに対して第６図の従来例では関数発生器
３３と３５に対しても、修正のため、出力設定器２８の
出力信号と出力制御器３１の出力信号を加算した信号を
入力している。

このように第４図の実施例では出力調整の為、蒸気発生
器２の出口の冷却材温度の設定値を修正することによ
り、この温度を制御するために操作される給水流量が間
接的に修正される。温度制御を行ないながら給水流量も
適切な値に移向することを意図している。これに対し第
６図の従来例では出力制御器３１の出力信号を関数発生
器３５に入力して給水流量を直接的に修正操作するの
は、上記意図に反して給水流量の変化による蒸気発生器
出口冷却材温度の変動を誘起するので、採用できない。

〔発明の効果〕

以上述べた本発明によれば、蒸気発生器出口冷却材温度
制御、同出口蒸気温度制御、及び発電機出力制御の３者
が共に可能になり、実用化ができる原子炉の出力制御シ
ステムを提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原子炉の出力制御システムの第１の実
施例を示す構成図、第２図は第１図の原理を説明するた
めの図、第３図は第１図の制御器２２の機能を説明する
ための図、第４図は本発明による原子炉の出力制御シス
テムの第２の実施例を示す構成図、第５図は第４図の原
理を説明するための図、第６図は従来の高速増殖炉の出
力制御システムの一例を示す構成図、第７図は第６図の
問題点を説明するための対象発電機の部分負荷特性図で
ある。１…原子炉、２…貫流型蒸気発生器、３…タービン、４
…高温側配管、５…低温側配管、６…冷却材ポンプ、７
…給水管、８…給水ポンプ、９…給水調節弁、１０…蒸
気配管、１１…ガバナ弁、１２…復水・給水系、１３…
流量計、１４…制御器、１５…圧力計、１６…制御器、
１７…設定器、１８…温度計、１９…制御器、２０…減
算器、２１…温度計、２２…制御器、２３…制御棒駆動
機構、２４…温度計、２５…制御器、２６…設定器、２
７…加算器、２８…設定器、２９…圧力計、３０，３
３，３４，３５…関数発生器、３１…発電量制御器、３
２…加算器、３６…制御棒、３７…発電機、５１…制御
器、５２…加算器。

フロントページの続き (72)発明者藤森浩二東京都千代田区丸の内２丁目５番１号三菱重工業株式会社内 (72)発明者内田光彦東京都千代田区丸の内２丁目５番１号三菱重工業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】原子炉（１）と蒸気発生器（２）を有する
原子炉冷却材循環系と、前記蒸気発生器（２）により生
成される蒸気によって駆動されるタービン（３）により
発電機（３７）を駆動するタービン駆動系と、前記原子
炉（１）の出口温度検出信号（２１）と前記発電機（３
７）の出力設定信号（２８）および前記蒸気発生器
（２）により生成される出口蒸気温度検出信号（２４）
を入力し、これにもとづいて前記原子炉（１）の制御棒
（３６）を制御する制御棒制御系と、前記出力設定信号
（２８）にもとづいて前記蒸気発生器（２）に供給され
る給水流量を制御する給水流量制御系と、前記出力設定
信号（２８）と前記蒸気発生器（２）の冷却材の温度検
出信号（１８）を入力し、これにもとづいて前記給水流
量制御系に制御調整信号を与える給水制御調整系と、前
記タービン（３）の出力検出信号（２９）を入力し前記
給水制御調整系に与える前記出力設定信号（２１）を補
償する補償系とからなる原子炉の出力制御システム。