JPS63302107A - 蒸気タ−ビン制御装置 - 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】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は、タービンバイパス系統を備えた蒸気タービン
を制御する蒸気タービン制御装置、特に原子力発電サイ
クルに適用して好適な蒸気タービン制御装置に関する。

（従来の技術） 原子力発電所における蒸気系統の代表的な構成例を第５
図に示す。第５図の系統構成においては、原子炉１で発
生された蒸気は主蒸気管２、主蒸気止め弁３、および蒸
気加減弁４を介して蒸気タービン５に流入して仕事をし
、その残余のエネルギーは復水器６によって回収される
。蒸気タービン５には発電機７が連結されている。発電
機７は図示していない電力系統に接続される。一方、以
上の主蒸気系統とは別に、原子炉１の起動時や蒸気ター
ビン５での急激な負荷変化時に余剰蒸気を吸収し原子炉
１が安定な運転を継続することができるようにタービン
バイパス弁９を有するタービンバイパス系統８が主蒸気
止め弁３、蒸気加減弁４および蒸気タービン５をバイパ
スするように配設されている。

このような構成を有する原子力発電所は基本的には主蒸
気圧力制御によって運転される。例えば原子炉１の出力
が増加した場合、発生蒸気の増加により主蒸気圧力は上
昇するが、この圧力上昇を捉えて蒸気加減弁４が開度を
増すため、蒸気タービン５への蒸気流量も増加し、結果
的にはタービン出力が増加する。タービンバイパス弁９
は蒸気加減弁４と協調し主蒸気圧力を制御することにな
るが、通常運転時は主蒸気圧力制御を蒸気加減弁４によ
り行うため全閉位置を維持しており、例えば蒸気タービ
ン５例の停止時あるいは蒸気加減弁４の急閉時のような
場合に開動作してタービンバイパス系統を構成し主蒸気
圧力制御を行う。

蒸気加減弁４は、第６図に示すように、速度制御回路ｌ
Ｏからの速度制御系出力信号１０ｈおよび圧力制御回路
１１からの圧力制御系出力信号１１ｈの中から低値優先
回路（ＬＶＧ）１２によって得られた、より低値の信号
を蒸気加減弁流量要求信号１３として制御される。ター
ビンバイパス弁９は圧力制御回路１１からの圧力制御系
出力信号１１ｈと速度制御回路１０からの速度制御系出
力信号１０ｈとの偏差の信号に基づいて制御される。速
度制御回路１０は、速度設定器１０ａによって設定され
た速度基準と速度検出器１０ｂによって検出された実速
度との偏差を加算器１０ｃによって得てその偏差の信号
をＰＩ演算器（ＫＳ）１０ｄによりＰＩ演算し、さらに
これと負荷設定信号１０ｅとの和を加算器１０ｆによっ
て得て速度制御系出力信号１０ｈを形成する。これに対
して圧力制御回路１１は、圧力設定器１１ａによって設
定された主蒸気圧力基準と蒸気圧力検出器１１ｂによっ
て検出された主蒸気圧力との偏差を加算器１１Ｃによっ
て得てその偏差の信号をＰＩ演算器（ＫＰ）ｌｌｄによ
りＰＩ演算し圧力制御系出力信号１１ｈを形成する。

負荷設定信号１０ｅは、蒸気加減弁流量要求信号１３に
対して、バイアス設定器１０ｇによって設定されたバイ
アス値ａを加算したものであり、当然のことながら通常
運転時においては圧力制御回路１１からの圧力制御系出
力信号１１ｈよりも高値である。つまり速度制御回路１
０からの速度制御系出力信号１０ｈと圧力制御回路１１
からの圧力制御系出力信号１１ｈとを通常運転時に比較
すると、後者の圧力制御系出力信号１１ｈが低値であり
、この圧力制御系出力信号１１ｈが低値優先回路１２の
出力信号すなわち蒸気加減弁流量要求信号１３となる。

なお、バイアス値αを加算する目的は、通常運転時にお
いて系統周波数等の蛮動が原子炉１の外乱とならないよ
うにすること、およびこの値をもって負荷設定信号１０
ｅを自動追従させることにある。

蒸気加減弁流量要求信号１３は蒸気加減弁流量要求−弁
リフト補正回路１４ａ〜１４ｄを介して各蒸気加減弁４
ａ〜４ｄごとの弁開度要求信号１５ａ〜１５ｄに変換さ
れ、この弁開度要求信号により以下の構成の位置制御回
路４０ａ〜４０ｄによって蒸気加減弁４ａ〜４ｄの開度
制御が行われる。なお、第５図には代表的にただ１つの
蒸気加減弁４しか示されていないが、実際は蒸気タービ
ン５に対して周上数箇所から蒸気を供給するように、第
６図に示すように例えば４個の蒸気加減弁４ａ〜４ｄが
設けられている。これに対応して位置制御回路も４組設
けられている訳である。各位置制御回路４０ａ〜４０ｄ
はそれぞれ同一構成を持っており、それぞれ増幅器１６
、リミッタ１７、サーボ弁１８、サーボモータ１９およ
び弁位置信号フィードバック用の位置検出器２０からな
っている。

リミッタ１７は蒸気加減回持をの特性に従って設けられ
ているものである。すなわち蒸気加減弁の場合、閉方向
動作は油圧を解除することにより油筒に設けられたばね
の作用によって行われるので、この閉方向に対する制限
は無いが、開方向においては、その動作に多量の操作油
を必要とするため油供給システムの容量を超えないよう
に速度制限をするのが一般的であり、リミッタ１７はこ
の速度制限のために設けられている訳である。

一方、タービンバイパス弁９への開度要求信号２１は、
圧力制御系出力信号１１ｈと蒸気加減弁流量要求信号１
３との差として形成されるが、通常運転中はこれらの信
号レベルは等しいため“０″となり、タービンバイパス
弁９は全開のままである。何らかの理由により両者の信
号レベルに差が生じ、信号１１ｈ〉信号１３　となった
とき初めて開度要求信号２１〉０となり、タービンバイ
パス弁９は開方向に駆動されることになる。

なおタービンバイパス弁９を開閉制御するための位置制
御回路４１も蒸気加減弁を制御するための位置制御回路
とほぼ同様に構成され、増幅器２２、サーボ弁２３、サ
ーボモータ２４および位置検出器２５からなっている。

ただし、蒸気加減弁の場合に設けられていたリミッタ１
７に相当するリミッタは設けられていない。すなわち、
タービンバイパス弁９の場合、その駆動システムが多量
の操作油を供給できる給油手段、例えばアキュムレータ
を一般に備えているため、リミッタを設ける必要性がな
いからである。

以上の構成を有する第６図の蒸気タービン制御装置の作
用について第７図を参照して説明する。

いま蒸気タービン５に連結されている発電機７が電力系
統網に接続され、定格出力状態で運転されている状態に
おいて、何らかの原因により発電機周波数すなわちター
ビン実速度が上昇したときの装置各部の挙動を考えてみ
る。第７図に示すように、時刻ＴＯにおいて蒸気タービ
ン５は定格出力運転状態にあり、速度検出器１０ｂによ
って検出されるタービン実速度は速度設定器１０ａによ
って設定された定格速度基準に等しくなっているものと
する。このとき、速度制御系出力信号１０ｈと圧力制御
系出力信号１１ｈとをレベル比較すると、バイアス値α
の作用により後者の出力信号１１ｈが低値となるため、
この出力信号１１ｈが低値優先回路１２を通過し、蒸気
加減弁流量要求信号１３になるとともに、この値にバイ
アス値αを加算したものが負荷設定信号１０ｅとなり、
速度制御系出力信号１０ｈを形成している。

蒸気加減弁流量要求信号１３は蒸気加減弁流量要求−弁
リフト補正回路１４ａ〜１４ｄを介して弁開度要求信号
１５ａ〜１５ｄとなり、さらに位置制御回路４０ａ〜４
０ｄを介して蒸気加減弁４ａ〜４ｄの開度を決定してい
る。

タービンバイパス弁９への開度要求信号２１は、この時
点では圧力制御回路１１の出力信号１１ｈと蒸気加減弁
流量要求信号１３とが等しいためゼロであり、タービン
バイパス弁９も全開位置を保持している。

このような状態から時刻Ｔ１に系統周波数すなわちター
ビン実速度１０ｂが一定の割合で上昇し始めたものとす
ると、速度制御系出力信号１０ｈは徐々に低下し、時刻
Ｔ２には圧力制御系出力信号１１ｈと等しくなる。時間
Ｔ１〜Ｔ２の間に変化する要素は、圧力制御系出力信号
１１ｈが低値であるため速度制御系出力信号１０ｈのみ
であるが、時刻Ｔ２以後は圧力制御系出力信号１１ｈよ
りも低値となり、この速度制御系出力信号１０ｈが蒸気
加減弁流ｆｆｉ要求信号１３となる。このため時刻Ｔ２
以後、さらに速度が上昇すると蒸気加減弁４は図示のよ
うに閉動作を開始する一方、圧力制御系出力信号１１ｈ
がほぼ一定値であるのに対して蒸気加減弁流量要求信号
１３が減少するため、タービンバイパス弁開度要求信号
２１は両者の差分だけの出力信号をもってタービンバイ
パス弁９を開方向に制御することになる。この間の蒸気
加減弁４およびタービンバイパス弁９は、制御回路中に
制限要素が無いので、ともに速度制御回路１０からの出
力信号レベルの変化に対する追従性が良好であり、その
ため主蒸気圧力変動も少ない。

このような系統周波数の上昇は各発電所の負荷調整によ
り時刻Ｔ３に停止し、時刻Ｔ４には再び定格周波数に復
帰しようとしてタービン速度を下げ始める。このときの
速度制御系出力信号１０ｈおよび蒸気加減弁流量要求信
号１３の変化は速度上昇時とは逆の動きとなり実速度の
変化に追従するが、蒸気加減弁４は蒸気加減弁流量要求
信号１３の変化（弁開方向変化）に追従することができ
ず、第７図に示すように比較的緩慢な開方向の動きを呈
することになる。この開方向の緩慢な動きは蒸気加減弁
４の位置制御系に設けられているリミッタ１７ａ〜１７
ｄの作用によるものであり、一般的な動作として蒸気加
減弁４が開方向の動きを呈するときには駆動源として多
量の油を必要とするためこれを制限し、蒸気タービン制
御用油供給システムの健全性を確保する。

これに対してタービンバイパス弁開度要求信号２１は、
蒸気加減弁流量要求信号１３と速度制御回路１０の出力
信号１１ｈとの差のみによって定まるものであり、ター
ビンバイパス系統８には上記の蒸気加減弁４の場合に説
明したような閉方向速度リミッタが設けられていないた
め、追従性の良い動きとなっており、時刻Ｔ４の速度下
降と同時にタービンバイパス弁９を閉め始め、実速度が
定格速度に復帰する時刻Ｔ５には全開となる。

（発明が解決しようとする問題点） 時刻１４〜１５間では、このように蒸気加減弁４への蒸
気加減弁流量要求信号１３と実開度との時間的な差が発
生し、蒸気タービン５側への蒸気流入量が制限されるの
に対して、タービンバイパス弁９側は、あたかも蒸気タ
ービン５側へ発生蒸気が流入されているかのように作動
するため、両者間に蒸気量のアンバランスが発生してし
まう。

このため時刻Ｔ５付近では余剰蒸気により主蒸気圧力が
急先に上昇し始め、原子炉１側にとっては核反応が促進
される方向となるため非常に危険な状態となり、場合に
よっては原子炉１を余儀なくスクラムさせる必要が生ず
ることさえ生ずる。仮にその必要性が無い場合でも主蒸
気圧力の変動およびタービンバイパス弁９の無用な開閉
動作を生じ、プラント運用上の大きな外乱となってしま
う。

以上の問題を生ずるような周波数変動はそんなに頻繁に
発生するものではないが、系統事故などにより発生した
場合、本来、変動を抑制すべき方向に作用しなければな
らないはずの制御装置が原子炉をスクラムさせるに至る
など、逆に変動を促進させるような動きを呈したのでは
系統運用上好ましくない。

このような問題を解決するために蒸気加減弁４の位置制
御系に設けられているリミッタ１７ａ〜１７ｄを除去す
ることも考えられるが、リミッタ１７ａ〜１７ｄを除去
したのでは油供給システムの容量を大幅に増加させなけ
ればならなくなり、また、問題となるような系統事故の
発生頻度が非常に少ないことを考慮すれば、経済的にも
得策とは言えない。

本発明は以上の点を考慮してなされたもので、急激な系
統周波数変動時において蒸気加減弁を開方向に制御する
場合においても主蒸気圧力を安定化させ、それにより運
転特性の優れたタービン運転を実現し得る蒸気タービン
制御装置を提供することを目的とするものである。

〔発明の構成〕

（問題点を解決するための手段） 上記目的を達成するために本発明は、タービンバイパス
弁制御系に、蒸気加減弁制御系によって制御される蒸気
加減弁の開速度に合せた閉速度を達成するための回路手
段を設けたことを特徴とするものである。

（作　用） 上記構成によればタービン実速度に変動があった場合で
も、蒸気タービンへの供給蒸気量を制御する蒸気加減弁
の開速度に合せた閉速度でのタービンバイパス弁の開閉
作用により、蒸気発生源側から見た負荷の変動を無くし
、主蒸気圧力を安定化することができ、タービン速度の
変動を促進するような弊害を除去し、安定したタービン
運転を実現することができる。

（実施例） 本発明の第１の実施例を第１図に示す。この実施例は第
６図の装置を基本とし、それに若干の構成要素を付加し
たものに相当するものであり、第６図と同一の機能を有
する構成要素には同一符号を付し、それら個々の構成要
素の説明の繰返しは省略する。すなわち、第１図の装置
は、第６図の装置を基本とし、これに、蒸気加減弁４ａ
〜４ｄ用の位置検出器２０ａ〜２０ｄの出力信号を入力
とし、相応する弁通過蒸気流量を予測する弁リフト−・
蒸気流量補正回路３０ａ〜３０ｄと、これらの弁リフト
−蒸気流量補正回路３０ａ〜３０ｄによって予測された
各蒸気流量を加算して合計実弁通過蒸気流量３２を求め
る加算器３１と、蒸気加減弁流量要求信号１３および合
計実弁通過蒸気流量３２を入力し、両者のうちの低値の
信号を出力する低値優先回路３３とを、タービンバイパ
ス弁９のために用いる蒸気加減弁流量要求信号１３の系
統に追加することによって構成されている。

このように構成された第１図の装置の作用を、第６図の
場合と同様の周波数変動が発生したものとして、第２図
を参照して説明する。

蒸気加減弁４ａ〜４ｄの開方向の動作を伴わない時刻１
０〜１４間の動きについては蒸気加減弁流量要求信号１
３と実弁通過蒸気流量３２との信号レベルが合弁の位置
制御回路４０ａ〜４０ｄに設けられたリミッタ１７ａ〜
１７ｄが弁閉方向には作用しないためほぼ同じ値となり
（実際には位置制御回路４０ａ〜４０ｄに制御動作遅れ
があるため蒸気゛加減弁流量要求信号１３がやや低値と
なり、この信号が低値優先信号となる）、その条件のも
とでタービンバイパス弁開度要求信号２１を演算するた
め、タービンバイパス弁開度要求信号２１、タービンバ
イパス弁９の主蒸気圧力１１ｂには第７図の場合と同様
に変動は無い。

時刻Ｔ４に、一旦上昇した周波数の下降が開始されたと
する。このときは蒸気加減弁流量要求信号１３が周波数
の下降割合に比例して変化するのに対して、実弁通過蒸
気流量３２は実蒸気加減弁開度から求めた流量であるた
め、実蒸気加減弁開度に合せて変化する。このため、両
者の低値は明らかに実弁通過蒸気流量３２であり、この
信号が低値優先回路３３を介してタービンバイパス弁開
度要求信号２１を求めるための演算回路に入力される。

タービンバイパス弁開度要求信号２１およびタービンバ
イパス弁９は、このため蒸気加減弁流量要求信号１３に
は影響されずに蒸気タービン５への蒸気流入量に合せた
弁絞り込み動作を行い、主蒸気圧力１１ｂの変動防止を
計る。

なお、蒸気加減弁流ｍ要求−弁リフト補正回路１４ａ〜
１４ｄと弁リフト−蒸気流量補正回路３０とは同一構成
のものでよく、ただ人力信号と出力信号とを置換えたも
のにすればよい。

第３図に本発明の第２の実施例を示す。この実施例にお
いては、蒸気加減弁流量要求信号１３と実弁通過蒸気流
量３２との間の差の信号を出力する加算器３４と、この
加算器３４の出力信号が所定値以上にな・ったとき動作
信号を出力するオン／オフ信号発生器３５と、このオン
／オフ信号発生器３５の動作信号により作動される切換
接点３６と、この切換接点３６が作動したときタービン
バイパス弁９用の位置制御回路４１に挿入される閉速度
リミッタ３７とが設けられている。閉速度リミッタ３７
は、蒸気加減弁位置制御回路４０ａ〜４０ｄに設けられ
ているリミッタ１７ａ〜１７ｄとの間に同一応答速度特
性を保つように設計されており、作動時における蒸気タ
ービン５側への蒸気流人割合とタービンバイパス弁９側
のタービンバイパス弁９による絞込み割合とは互いに等
しくなる。

第４図に第３図の装置における周波数変動時の各部の挙
動を示す。

時刻１０〜１４間については、すでに述べたように蒸気
加減弁４の通過蒸気量絞込み量とタービンバイパス弁９
によるバイパス量とが等しいため、主蒸気圧力変動は無
い。時刻Ｔ４以・後、周波数変動が回復し始めると、第
３図に示す蒸気加減弁流量要求信号１３と実弁通過蒸気
流量信号３２のレベルが、信号１３〉信号３２という関
係になるので、オン／オフ信号発生器３５がオン状態と
なり、切換接点３６を作動させる。このため、タービン
バイパス弁位置制御回路には閉速度リミッタ３７が介在
することになり、タービンバイパス弁開度要求信号２１
が蒸気加減弁流量要求信号１３とともに変化するのに対
し、タービンバイパス弁９そのものは一定の割合で閉じ
られることになる。このため主蒸気圧力１１ｂの変動は
第３図の場合と同様に抑えられ、安定したタービン運転
を継続することが可能になる。

以上の実施例によれば、系統周波数の急激な変動時にお
いても、蒸気加減弁４およびタービンバイパス弁９の協
調制御が達成され、蒸気タービン５への流入蒸気量の変
動とタービンバイパス弁９によるバイパス蒸気量との協
調が保たれ、主蒸気圧力の変動を防止することができる
。

以上の説明は原子力発電システムを対象として行ってき
たが、本発明はタービンバイパスシステムを有するもの
であれば火力発電システムに対しても同様に適用するこ
とが可能であり、それによリボイラ側の運転操作性を向
上させることができる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、蒸気加減弁およびタービンバイパス弁
のより完全な協調制御を実施することにより、系統周波
数の急激な変動時においても蒸気タービンへの流入蒸気
量を適正に制御し、主蒸気圧力を安定化させ、それによ
りプラントの運転特性をより安定化させることができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示すブロック図、第２図は
第１図の装置の周波数変動時における各制御要素の挙動
を示すタイムチャート、第３図は本発明の他の実施例を
示すブロック図、第４図は第３図の装置の周波数変動時
における各制御要素の挙動を示すタイムチャート、第５
図は公知の原子力発電所の典型的な構成例を示す系統図
、第６図は従来の蒸気タービン制御装置のブロック図、
第７図は第６図の装置の周波数変動時における各制御要
素の挙動を示すタイムチャートである。 １・・・原子炉、２・・・主蒸気管、３・・・主蒸気止
め弁、４．４ａ〜４ｄ・・・蒸気加減弁、５・・・蒸気
タービン、６・・・復水器、７・・・発電機、８・・・
タービンバイパス系統、９・・・タービンバイパス弁、
１０・・・速度制御回路、１０ｈ・・・速度制御系出力
信号、１１・・・圧力制御回路、１１ｈ・・・圧力制御
系出力信号、１２・・・低値優先回路、１３・・・蒸気
加減弁流量要求信号、１４ａ〜１４ｄ・・・蒸気加減弁
流量要求−弁リフト補正回路、１５ａ〜１５ｄ・・・弁
開度要求信号、２１・・・タービンバイパス弁開度要求
信号、３０ａ〜３０ｄ・・・弁リフト−蒸気流量補正回
路、３２・・・実弁通過蒸気流量、３３・・・低値優先
回路、３５・・・オン／オフ信号発生器、３６・・・切
換接点、３７・・・閉速度リミッタ、４０ａ〜４０ｄ、
４１・・・部位ｔｉｆ制御回路。 出願人代理人　　佐　　藤　　−雄 第２図 第４図 第７図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、速度制御回路の出力信号と圧力制御回路の出力信号
   のうちの低値の信号を蒸気加減弁流量要求信号として出
   力する第１の流量要求信号発生手段と、前記蒸気加減弁
   流量要求信号を受けて蒸気加減弁の弁リフトを決定する
   関数発生器と、この関数発生器の出力信号に基づいて蒸
   気加減弁の開度を制御する蒸気加減弁位置制御回路とを
   有する蒸気加減弁制御系と、 前記圧力制御回路の出力信号に基づいて形成される第１
   の入力信号と前記蒸気加減弁流量要求信号に基づいて形
   成される第２の信号との差をタービンバイパス弁開度要
   求信号として出力する第２の流量要求信号発生手段と、
   前記タービンバイパス弁開度要求信号に基づいてタービ
   ンバイパス弁の開度を制御するタービンバイパス弁位置
   制御回路とを有するタービンバイパス弁制御系と、を備
   えた蒸気タービン制御装置において、 前記タービンバイパス弁制御系に、前記蒸気加減弁制御
   系によって制御される蒸気加減弁の開速度に合せた閉速
   度を達成するための閉速度制限手段を設けたことを特徴
   とする蒸気タービン制御装置。 ２、前記閉速度制限手段として、前記蒸気加減弁位置制
   御回路の実弁リフト信号から実弁通過蒸気流量を求める
   第２の関数発生器と、前記蒸気加減弁流量要求信号およ
   び前記第２の関数発生器の出力信号のうち低値の信号を
   通過させて前記第２の信号とする低値優先回路とを具備
   したことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の蒸気
   タービン制御装置。 ３、前記閉速度制限手段として、前記蒸気加減弁流量要
   求信号と前記第２の関数発生器の出力信号との偏差が所
   定値以上に大きくなったとき作動するオン／オフ信号発
   生器と、このオン／オフ信号発生器が作動したとき前記
   タービンバイパス弁の閉速度を制限するための閉速度リ
   ミッタ回路とを具備したことを特徴とする特許請求の範
   囲第１項記載の蒸気タービン制御装置。