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発明の名称 原子力発電プラント及びその制御方法
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2007−232396(P2007−232396A)
公開日 平成19年9月13日(2007.9.13)
出願番号 特願2006−50918(P2006−50918)
出願日 平成18年2月27日(2006.2.27)
代理人 【識別番号】100122884
【弁理士】
【氏名又は名称】角田 芳末
発明者 木藤 和明 / 有田 節男 / 伏見 篤 / 青山 肇男 / 石井 佳彦
要約 課題
自然循環型BWRを備えた原子力発電プラントにおいて、外乱などで炉心冷却材流量や炉心出力が変動したときに、炉心熱的余裕の迅速な確保を図る。

解決手段
炉心冷却材流量が減少または増加したときに、炉心冷却材流量の測定値、あるいは炉心冷却材流量および炉心出力の測定値を用いて、制御器34から出力される炉心圧力の設定値に基き、タービン系の蒸気加減弁16またはタービンバイパス弁26の少なくとも一方の開度を増加または減少させて炉心圧力を適正に制御する。
特許請求の範囲
【請求項1】
原子炉内の冷却材密度差により冷却材が自然循環する自然循環型沸騰水型軽水炉と、タービン系を備えた原子力発電プラントの制御方法において、
炉心の冷却材流量の測定値を入力として炉心圧力の設定値を出力とする制御器を有し、
炉心冷却材流量が減少したときには、前記制御器から出力された設定値に基いて前記タービン系のタービンへの蒸気量を調整する蒸気加減弁またはタービンバイパス弁の少なくとも一方の開度を増加させて炉心圧力を減少させ、
炉心冷却材流量が増加したときには、前記制御器から出力された設定値に基いて前記蒸気加減弁または前記タービンバイパス弁の少なくとも一方の開度を減少させて炉心圧力を増加させることを特徴とする原子力発電プラントの制御方法。
【請求項2】
前記炉心冷却材流量が減少したときには、前記制御器から出力された設定値に基いて炉心圧力を減少させるとともに、前記タービン系の給水ポンプのうち少なくとも1段以上のポンプの回転数を減少させ、
前記炉心冷却材流量が増加したときには、前記制御器から出力された設定値に基いて炉心圧力を増加させるとともに、前記給水ポンプのうち少なくとも1段以上のポンプの回転数を増加させることを特徴とする請求項1記載の原子力発電プラントの制御方法。
【請求項3】
原子炉内の冷却材密度差により冷却材が自然循環する自然循環型沸騰水型軽水炉と、タービン系を備えた原子力発電プラントの制御方法において、
炉心の冷却材流量の測定値および炉心出力の測定値を入力として最小限界出力比を出力とする計算装置と、
前記最小限界出力比を入力として、炉心圧力の設定値を出力とする制御器を有し、
最小限界出力比が減少したときには、前記制御器から出力された設定値に基いて前記タービン系のタービンへの蒸気量を調整する蒸気加減弁またはタービンバイパス弁の少なくとも一方の開度を増加させて炉心圧力を減少させ、
最小限界出力比が増加したときには、前記制御器から出力された設定値に基いて前記蒸気加減弁または前記タービンバイパス弁の少なくとも一方の開度を減少させて炉心圧力を増加させることを特徴とする原子力発電プラントの制御方法。
【請求項4】
前記最小限界出力比が減少したときには、前記制御器から出力された設定値に基いて炉心圧力を減少させるとともに、前記タービン系の給水ポンプのうち少なくとも1段以上のポンプの回転数を減少させ、
前記最小限界出力比が増加したときには、前記制御器から出力された設定値に基いて炉心圧力を増加させるとともに、前記給水ポンプのうち少なくとも1段以上のポンプの回転数を増加させることを特徴とする請求項3記載の原子力発電プラントの制御方法。
【請求項5】
炉心圧力を減少または増加させるときには、さらに制御棒を炉心に対して挿抜制御して炉心出力を制御することを特徴とする請求項1記載の原子力発電プラントの制御方法。
【請求項6】
炉心圧力を減少または増加させるときには、さらに制御棒を炉心に対して挿抜制御して炉心出力を制御することを特徴とする請求項3記載の原子力発電プラントの制御方法。
【請求項7】
炉心冷却材流量には、定格運転時の値より小さな下限しきい値を有し、
前記下限しきい値を下回ったときのみ炉心圧力を減少
させることを特徴とする請求項1記載の原子力発電プラントの制御方法。
【請求項8】
炉心冷却材流量には、定格運転時の値より小さな下限しきい値と定格運転時の値より大きな上限しきい値を有し、
前記下限しきい値を下回ったときのみ炉心圧力を減少させ、
前記上限しきい値を上回った以降に炉心圧力を増加させることを特徴とする請求項1記載の原子力発電プラントの制御方法。
【請求項9】
最小限界出力比には、定格運転時の値より小さな下限しきい値を有し、
前記下限しきい値を下回ったときのみ炉心圧力を減少
させることを特徴とする請求項3記載の原子力発電プラントの制御方法。
【請求項10】
最小限界出力比には、定格運転時の値より小さな下限しきい値と定格運転時の値より大きな上限しきい値を有し、
前記下限しきい値を下回ったときのみ炉心圧力を減少させ、
前記上限しきい値を上回った以降に炉心圧力を増加させることを特徴とする請求項3記載の原子力発電プラントの制御方法。
【請求項11】
最小限界出力比を出力する計算装置の入力信号として、炉心冷却材流量の測定値、炉心出力の測定値及び炉心圧力の測定値を用いることを特徴とする請求項3記載の原子力発電プラントの制御方法。
【請求項12】
原子炉内の冷却材密度差により冷却材が自然循環する自然循環型沸騰水型軽水炉と、タービン系とを備えた原子力発電プラントにおいて、
炉心の冷却材流量を測定する炉心冷却材流量センサと、
前記炉心冷却材流量センサの測定値を入力として炉心圧力の設定値を出力とする制御器とを有し、
炉心冷却材流量が減少したときには、前記制御器から出力された設定値に基いて前記タービン系のタービンへの蒸気量を調整する蒸気加減弁またはタービンバイパス弁の少なくとも一方の開度を増加させて炉心圧力を減少させ、
炉心冷却材流量が増加したときには、前記制御器から出力された設定値に基いて前記蒸気加減弁または前記タービンバイパス弁の少なくとも一方の開度を減少させて炉心圧力を増加させるようにして成ることを特徴とする原子力発電プラント。
【請求項13】
前記炉心冷却材流量が減少したときには、前記制御器から出力された設定値に基いて炉心圧力を減少させるとともに、前記タービン系の給水ポンプのうち少なくとも1段以上のポンプの回転数を減少させ、
前記炉心冷却材流量が増加したときには、前記制御器から出力された設定値に基いて炉心圧力を増加させるとともに、前記給水ポンプのうち少なくとも1段以上のポンプの回転数を増加させるようにして成ることを特徴とする請求項12記載の原子力発電プラント。
【請求項14】
原子炉内の冷却材密度差により冷却材が自然循環する自然循環型沸騰水型軽水炉と、タービン系とを備えた原子力発電プラントにおいて、
炉心の冷却材流量を測定する炉心冷却材流量センサと、
炉心出力を測定する炉心出力センサと、
前記炉心冷却材流量センサ及び前記炉心出力センサの測定値を入力として最小限界出力比を出力する計算装置と、
前記計算装置から出力された最小限界出力比を入力として炉心圧力の設定値を出力とする制御器とを有し、
最小限界出力比が減少したときには、前記制御器から出力された設定値に基いて前記タービン系のタービンへの蒸気量を調整する蒸気加減弁またはタービンバイパス弁の少なくとも一方の開度を増加させて炉心圧力を減少させ、
最小限界出力比が増加したときには、前記制御器から出力された設定値に基いて前記蒸気加減弁または前記タービンバイパス弁の少なくとも一方の開度を減少させて炉心圧力を増加させるようにして成ることを特徴とする原子力発電プラント。
【請求項15】
前記最小限界出力比が減少したときには、前記制御器から出力された設定値に基いて炉心圧力を減少させるとともに、前記タービン系の給水ポンプのうち少なくとも1段以上のポンプの回転数を減少させ、
前記最小限界出力比が増加したときには、前記制御器から出力された設定値に基いて炉心圧力を増加させるとともに、前記給水ポンプのうち少なくとも1段以上のポンプの回転数を増加させるようにして成ることを特徴とする請求項14記載の原子力発電プラント。
【請求項16】
炉心圧力を減少または増加させるときには、さらに制御棒を炉心に対して挿抜制御して炉心出力を制御するようにして成ることを特徴とする請求項12記載の原子力発電プラント。
【請求項17】
炉心圧力を減少または増加させるときには、さらに制御棒を炉心に対して挿抜制御して炉心出力を制御するようにして成ることを特徴とする請求項14記載の原子力発電プラント。
【請求項18】
最小限界出力比を出力する計算装置の入力信号として、炉心冷却材流量の測定値、炉心出力の測定値及び炉心圧力の測定値を用いることを特徴とする請求項14記載の原子力発電プラント。
発明の詳細な説明
【技術分野】
【0001】
本発明は、原子力発電プラントに係り、特に炉心内外の密度差により冷却材を自然循環させる自然循環型の沸騰水型軽水炉(以下、BWRと略す)の安全性を迅速に確保するための制御方法に関する。
【背景技術】
【0002】
一般にBWRは、その冷却材(冷却水)の循環方式によって強制循環型と自然循環型とに大別することができる。現在運転されているBWRは、そのほとんどが再循環ポンプまたは原子炉インターナルポンプの動力を用いて炉心の冷却材を強制的に循環する強制循環型BWRである。この強制循環型BWRでは、運転の安全を確保するために、ポンプの回転数を制御することで炉心冷却材流量を制御し、適切な炉心熱的余裕を確保している。一方、近年では、プラント簡素化のために、これらのポンプを持たない自然循環型BWRも検討されている。自然循環型BWRに関しては、これまで特許文献1を始め多くの例示が成されている。自然循環型BWRでは、強制循環型BWRのようなポンプによる炉心冷却材流流量の調整手段が無く、また、水位制御等による炉心冷却材流量の制御幅も強制循環型BWRに比較して小さいと考えられているから、炉心熱的余裕を確保する制御方法として、運転圧力を一定にしたままで制御棒を挿入して炉心出力を減少させる方法が検討されている。
【0003】
【特許文献1】特開2003ー130982号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
ところで、自然循環型BWRでは、炉内冷却材温度の変動などにより一時的に炉心冷却材流量が減少したり、または炉心出力が増加した場合、特に、過渡事象に至らない通常運転時の外乱が発生したときには、上述のように運転圧力を一定したままで制御棒を挿入して出力を減少させることで運転の安全を確保することが考えられる。しかし、スクラム時を除くと制御棒の挿入速度は遅いため、炉心冷却材流量や炉心出力の変動から制御棒挿入までの時間遅れを考慮すると、制御棒の制御だけでは外乱が発生したときに炉心の熱的余裕を迅速に確保することが難しい。
【0005】
本発明は、上述の課題を解決するためのもので、自然循環型BWRを備えた原子力発電プラントにおいて、炉心冷却材流量や炉心出力が変動したときにも、炉心の熱的余裕を迅速に確保できるようにした原子力発電プラント及びその制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
上記目的を達成するために、本発明に係る原子力発電プラントは、炉心の冷却材流量を測定する炉心冷却材流量センサと、この炉心冷却材流量センサの測定値を入力として炉心圧力の設定値を出力とする制御器とを設け、炉心冷却材流量が減少したときには、制御器からの設定値に基いて炉心圧力を減少し、炉心冷却材流量が増加したときには、制御器からの設定値に基いて炉心圧力を増加するように構成される。
【0007】
また、本発明に係る原子力発電プラントは、炉心の冷却材流量を測定する炉心冷却材流量センサと、炉心出力を測定する炉心出力センサと、炉心冷却材流量センサ及び炉心出力センサの測定値を入力として最小限界出力比を出力する計算装置と、計算装置から出力された最小限界出力比を入力として炉心圧力の設定値を出力とする制御装置とを設け、最小限界出力比が減少したときには、制御器からの設定値に基いて炉心圧力を減少し、最小限界出力比が増加したときには、制御器からの設定値に基いて炉心圧力を増加するように構成される。
【0008】
本発明の原子力発電プラントにおいては、炉心冷却材流量センサの測定値によって、あるいは炉心冷却材流量センサと炉心出力センサの測定値を用いて得られる最小限界出力比によって、炉心圧力の設定値を出力し、この設定値に基いて炉心冷却材流量の減少時あるいは増加時に炉心圧力の制御が迅速に行われる。特に炉心圧力の制御において、炉心圧力を減少させるときは、炉心冷却材流量の増加と、炉心出力の減少と、最小限界出力比の増加が同時に達成できる。
【0009】
上記目的を達成するために、本発明に係る原子力発電プラントの制御方法は、炉心の冷却材流量の測定値を入力として炉心圧力の設定値を出力とする制御器を有し、炉心冷却材流量が減少したときには、制御器からの設定値に基いて炉心圧力を減少させ、炉心冷却材流量が増加したときには、制御器からの設定値に基いて炉心圧力を増加させる。
【0010】
また、本発明に係る原子力発電プラントの制御方法は、炉心の冷却材流量の測定値および炉心出力の測定値を入力として最小限界出力比を出力とする計算装置と、最小限界出力比を入力として炉心圧力の設定値を出力とする制御器とを有し、最小限界出力比が減少したときには、制御器からの設定値に基いて炉心圧力を減少させ、最小限界出力比が増加したときには、制御器からの設定値に基いて炉心圧力を増加させる。
【0011】
本発明の原子力発電プラントの制御方法においては、炉心冷却材流量の測定値によって、あるいは炉心冷却材流量と炉心出力の測定値を用いて得られる最小限界出力比によって、炉心圧力の設定値を出力し、この設定値に基いて炉心冷却材流量の減少時あるいは増加時に炉心圧力の制御が迅速に行われる。特に炉心圧力の制御において、炉心圧力を減少させるときは、炉心冷却材流量の増加と、炉心出力の減少と、最小限界出力比の増加が同時に達成できる。
【発明の効果】
【0012】
本発明によれば、炉心圧力の減少により炉心冷却材流量の増加と、炉心出力の減少と、最小限界出力比の増加が同時に達成できるので、原子炉の安全性を迅速に確保することができる。特に、外乱などによって炉心冷却材流量や炉心出力が変動したときにも、炉心の熱的余裕を迅速に確保することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0013】
以下、本発明に係る原子力発電プラント及びその制御方法の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【0014】
図1は、本発明に係る自然循環型BWR及びその制御系統を備えた原子力発電プラントの第1実施の形態の全体構成を示す模式図である。
【0015】
本実施の形態に係る原子力発電プラントは、図1に示すように、自然循環型BWR1と、これに連結されたタービン系2とを備えている。自然循環型BWR1は、複数の燃料棒を整列させた燃料棒集合体4と、燃料棒集合体4の間隙に挿入または抜き出されて炉心の反応度を制御する制御棒5を配置した炉心6を内包する原子炉圧力容器7を有している。原子炉圧力容器7の下部には、図示しないが、炉心6内で制御棒5を上下方向に挿抜可能に駆動する制御棒駆動機構が設けられている。制御棒は原子炉出力、すなわち炉心出力を調整するものである。
【0016】
原子炉圧力容器7内には、炉心6を囲むようにして円筒状のシュラウド8が配設されている。シュラウド8の内側には、冷却材が上昇するための上昇流路が形成され、またシュラウド8と原子炉圧力容器7との間隙には、冷却材が下降するための下降流路であるダウンカマ13が形成されている。炉心上部には自然循環流量を増加させるための機器であるチムニ9が設置されており、さらにチムニ9の上方には、気水分離器11及び蒸気乾燥器12が設けられている。
【0017】
タービン系2では、原子炉圧力容器7に接続された主蒸気管14と冷却材を供給する給水管15を有する。主蒸気管14には原子炉、すなわち原子炉圧力容器7内で発生する蒸気が供給される。この主蒸気管14は、これに繋がる蒸気加減弁16を介して高圧タービン17に接続され、さらに湿分分離器または湿分分離過熱器18を介して低圧タービン19に接続される。蒸気加減弁16は、主蒸気管14から高圧タービン17に流入する蒸気量を調整する調整弁である。20は低圧タービン19に接続された発電機である。
【0018】
低圧タービン19の出口には抽気ラインを介して低圧タービン19から排出された蒸気を凝集する復水器21が設置され、復水器21の下流側には低圧給水加熱器22、給水ポンプ23及び高圧給水加熱器24が設置されている。この高圧給水加熱器24の出口に給水管15が接続されている。
【0019】
また、主蒸気管14には、分岐してタービンバイパス弁26を介して直接復水器21に接続されたタービンバイパス管27が設けられている。タービンバイパス管27は、蒸気加減弁16の上流側の主蒸気管14から蒸気の一部を抜き取り復水器21に供給するバイパス流路である。タービンバイパス弁26は、このバイパス流路上にあってタービンバイパス管27を通る蒸気量を調整する調整弁である。
【0020】
復水器21の下流側、すなわち復水器21から原子炉圧力容器7に至る給水管15の途上には、順次、復水器21から供給された給水を加熱する低圧給水加熱器22と、給水を加圧して原子炉圧力容器7に供給する少なくとも1段以上の給水ポンプ23と、給水を加熱する高圧給水加熱器24が配置されている。
【0021】
自然循環型BWR1では、炉心6で加熱され一部が沸騰して蒸気となった気液二相の冷却材がチムニ9を上昇流で流れ、気水分離器11及び蒸気乾燥器12で気水に分離される。分離されたうちの、気相の蒸気は主蒸気管14に送られ、液相の高温水は再循環水とる。再循環水と、炉心6及びチムニ9を流れる上昇流の冷却材とは、シュラウド8で分離され、互いに混ざり合うことはない。再循環水は下降流として流れ、途中で給水管15の給水ノズル25から供給される給水と混合して、下部プレナム26を通った後に炉心6の下部から供給される。
【0022】
原子炉圧力容器7内では、チムニ9内を流れる気液二相の上昇流体の体積密度が液単相より小さく、チムニ9外の下降流体(冷却材)の体積密度が高いことにより、この密度差により、冷却材は自然循環される。
【0023】
一方、原子炉圧力容器7から主蒸気管14に送られた蒸気は、蒸気加減弁16を通じて高圧タービン17に導かれ、さらに湿分分離器または湿分分離過熱器18を介して低圧タービン19に導かれ、低圧タービン19に接続された発電機20を回転させて発電する。
【0024】
低圧タービン19を回転させた蒸気は、抽気ラインを介して復水器21に導入され、凝縮される。この復水器21で凝縮した冷却水(復水)は、給水ポンプ23により給水管15から原子炉圧力容器7内へ還流される。復水器21からの冷却水(復水)は、給水管15の途中で低圧給水加熱器22及び高圧給水加熱器23により冷却水を適当な温度まで昇温される。
【0025】
そして、本実施の形態においては、さらに炉心冷却材流量を測定する流量センサ31と、炉心出力を測定する出力センサ32と、炉心流量と炉心出力からMCPRの値を計算して出力するMCPR計算装置(いわゆるMCPR計算機)33と、MCPR計算装置33からのMCPRを入力して炉心圧力の設定値を出力する圧力制御器34と、炉心圧力を測定する炉心圧力センサ35とを有してなる制御装置36が設けられる。MCPRの定義は後述する。
【0026】
すなわち、原子炉圧力容器7の内部に炉心6の冷却材流量を測定する流量センサ31と炉心出力を測定する出力センサ32が設置される。出力センサ32としては、例えば炉心の熱的バランスまたは中性子束を測定して炉心出力を測定するセンサを用いることができる。流量は、実際には炉心下部に設けた炉心支持板35の上下の圧力差(差圧)で測定することができる。炉心出力は、本例では炉心下部から挿入された出力センサ32となる中性子束センサの値から計算することができる。炉心流量や炉心出力の測定方法は、上記以外の方法を使用しても良い。
【0027】
この制御装置36では、流量センサ31による炉心流量の測定値と、出力センサ32による炉心出力の測定値がMCPR計算装置33に入力される。MCPR計算装置33では、炉心流量と炉心出力からMCPRの値を計算し、MCPRの計算結果を出力する。なお、MCPRは、炉心流量が大きいほど、炉心出力が小さいほど、大きくなり、MCPRの値が大きいほど炉心の熱的余裕が大きくなる。
【0028】
MCPRの値は、炉心流量と炉心出力の2つの測定値(入力信号)から計算する方法以外にもある。例えば、MCPRは炉心圧力にも依存するので、図1に示すように、炉心圧力センサ35による炉心圧力の測定値と、流量センサ31による炉心流量の測定値と、出力センサ32による炉心出力の測定値の3つの測定値(入力信号)をMCPR計算装置33に入力して、炉心圧力と炉心流量と炉心出力からMCPRの値を計算する方法もある。炉心圧力は、例えば原子炉圧力容器7の上部ドーム部に設置した圧力センサ35となる圧力計で測定することができる。この圧力センサ35で測定した炉心圧力の値は、圧力制御器32にも入力される。
【0029】
MCPR計算装置33から出力されたMCPRの値は圧力制御器34に入力され、圧力制御器34内で圧力設定値を評価する。圧力制御器34内部で評価された設定値は炉心圧力センサ35で測定された炉心圧力と比較され、蒸気加減弁16及びタービンバイパス弁26に弁開度要求信号を、給水ポンプ23にはポンプの回転数要求信号を送る。この圧力制御器34からの夫々の弁開度要求信号により、蒸気加減弁16の開度とタービンバイパス弁26の開度が制御され、炉心圧力が制御される。すなわち、MCPRが低下したときには炉心圧力が減少する。ここで、弁開度要求信号は、蒸気加減弁16またはタービンバイパス弁26の少なくとも一方、すなわち何れか一方あるいは両方に入力され、炉心圧力の適正な制御が行われるようになされる。また圧力制御器34からの回転数要求信号により、給水ポンプ23からの給水量が制御され、炉心圧力が制御されても、一定の給水量を原子炉圧力容器7へ供給することができる。
【0030】
MCPRは次のように定義される。
MCPR=Min.(膜沸騰に遷移して燃料温度が上昇する出力/現在の出力)
Min.は全ての燃料集合体で計算したものの最小値の意味である。
一般に、BWRの熱的余裕は、上記で定義される最小限界出力比(=MCPR)という指標で評価される。
【0031】
図2に、炉心圧力変化による炉心上部のボイド率の変化を示す。図2の評価は定格運転時の圧力が7.0MPa、炉心出口ボイド率が80%の例を示している。計算を簡略化するために炉心出口のボイド率を示しているが、炉心圧力によるボイド率の変化の傾向は炉心内部でも同じである。炉心圧力を減少させると、水の沸点が減少するとともに、気液の密度差が増加するため、ボイド率が増加する。ボイド率が増加すると、中性子の減速能力が低下するために、原子炉の出力が低下する。
【0032】
次に、図3に、炉心圧力変化によるシュラウド内外の冷却材密度差(=シュラウド外側の平均冷却材密度−シュラウド内側の平均冷却材密度)変化を示す。図2に示したように炉心圧力を減少するとボイド率が増加するが、ボイド率の増加は密度が小さい気相の体積が増加するということであるから、シュラウド内側の平均冷却材密度は減少する。シュラウド外側の冷却材は圧縮水であるので圧力が変化しても密度はほとんど変化しない。よって、炉心圧力を減少させるとシュラウド内外の冷却材密度差は増加する。
【0033】
冷却材の自然循環は、前述したようにシュラウド内外の冷却材密度差によって引き起こされるので、シュラウド内外の冷却材密度差が増加すると、自然循環量、すなわち炉心冷却材流量が増加することになる。さらに、一般的にMCPRの値は、炉心圧力が減少すると増加する。
【0034】
原子炉の運転中には発電機負荷の変動などの外乱により、給水流量や給水温度が変動する可能性がある。給水流量が変動すると炉心流量が変動し、給水温度が変動すると炉心出力が変動する。これらの変動が小さければ特に問題になることはないが、炉心流量が大きく減少したり、炉心出力が大きく増加した場合には、MCPRの余裕が過度に減少する可能性がある。
【0035】
再循環ポンプや原子炉インターナルポンプを備えた強制循環型BWRであれば、ポンプの回転数を増加することでMCPRの余裕を適正に保つことが可能であるが、自然循環型BWRの場合には、従来の技術では制御棒を挿入して炉心出力を下げる制御方法が検討されている。しかし、制御棒の挿入による出力制御は応答が遅いため、従来の技術を使用すると定格運転時のMCPRの余裕を大きく取っておく必要がある。
【0036】
これに対して、本実施の形態では、MCPRが減少したときに炉心圧力の設定点を減少させる制御方法をとる。炉心圧力を減少させるには、圧力制御器34から出力される信号によって蒸気加減弁16の開度または/及びタービンバイパス弁26の開度を増加させればよい。炉心圧力の減少によりMCPRが増加し、炉心の熱的余裕が増加して安全性が確保される。炉心圧力が減少すると、給水流量が増加するので、給水流量を一定に保ちたい場合には、圧力制御器34から出力される信号によって給水ポンプ23の回転数も同時に低減する。
【0037】
本実施の形態の制御方法を説明する。炉心冷却材流量が減少したとき、あるいはMCPRが減少したときには、圧力制御器34からの弁開度要求信号によって、蒸気加減弁16またはタービンバイパス弁26の少なくとも一方の開度を増加させて炉心圧力を減少させる。このとき、同時に圧力制御器34からのポンプの回転数要求信号により1段以上ある給水ポンプのうち少なくとも1段以上のポンプの回転数を減少させて給水流量を減少させ、炉心冷却材流量を一定に保つ。また、炉心冷却材流量が増加したとき、あるいはMCPRが増加したときには、蒸気加減弁16またはタービンバイパス弁26の少なくとも一方の開度を減少さて炉心圧力を増加させる。このとき、同時に圧力制御器34からのポンプの回転数要求信号により1段以上ある給水ポンプのうち少なくとも1段以上のポンプの回転数を増加させて給水流量を増加させ、炉心冷却材流量を一定に保つ。これによって炉心圧力が制御され、炉心出力が制御されて原子炉の安全運転が確保される。
【0038】
第1実施の形態に係る原子力発電プラントによれば、上述したように、外乱によって炉心冷却材流量や炉心出力が大きく変動したとき、例えば炉心冷却材流量が大きく減少したり、炉心出力が大きく増加して、熱的余裕が減少したときには、炉心圧力を減少させることで、安全余裕を増加させる要素である、炉心出力低下、炉心冷却材流量増加、MCPR増加を同時に達成できるため、炉心の安全性を迅速に確保することが可能となる。
【0039】
すなわち、熱的余裕が減少したときに、炉心圧力を減少させることで炉心のボイド率を増加させることができ、炉心冷却材流量を増加させて炉心出力を減少させることができる。これにより、炉心の熱的余裕を迅速に確保し、安全性の確保が迅速できる。
【0040】
その後、外乱が収束してMCPRが回復した場合には、これまでの操作とは逆に、運転圧力の設定点を増加させ、蒸気加減弁16または/及びタービンバイパス弁26の開度を減少させ、定格運転時の炉心圧力まで圧力を増加させる。給水ポンプ23の回転数制御も同時に実施している場合には、給水ポンプ23の回転数も増加させる。
【0041】
上述の実施の形態は、定格運転時に常時使用しても良いが、安全確保のためのインターロック(安全装置)の一部として使用しても良い。本実施の形態では、インターロックの一部として使用する場合の例を示す。図4に、MCPR変化時の圧力設定点及び炉心圧力変化の概念図を示す。
【0042】
インターロックの一部として使用する場合には、MCPRのある程度の変動は許容して圧力制御を行わない。MCPRには下限となるしきい値41を設けておき、MCPRが下限となるしきい値41を下回った場合のみ(時点t2から)炉心圧力を減少させる。炉心圧力を減少させ外乱も収束すると、MCPRはしだいに増加してくる(時点t3からt4)。MCPRが増加すると炉心圧力をもとの定格運転時の炉心圧力42に戻す必要がある。炉心圧力を増加させる場合には、減少させる場合と逆に、炉心出力増加、炉心冷却材流量減少、MCPR低下が同時に起こるため、定格運転時のMCPRよりも高い点にMCPRの上限となるしきい値43を設けておき、MCPRが上限となるしきい値43を越えたら炉心圧力を増加させる(時点t4からt5)。炉心圧力が定格圧力42に戻った時点t5でMCPRも定格値44に戻る。炉心圧力の制御範囲の上限は、図4から明らかなように、定格運転時の炉心圧力(定格圧力42)である。
【0043】
炉心冷却材流量に関しても、上記MCPRの場合と同様に、定格運転時の値より小さなしきい値(下限しきい値)を設け、炉心冷却材流量がこの下限しきい値を下回った場合のみ炉心圧力を減少させることができる。また、炉心冷却材流量において、定格運転時の値より大きいしきい値(上限しきい値)を設け、炉心冷却材流量が下限しきい値を下回った場合のみ炉心圧力を減少させ、上限しきい値を上回って以降に炉心圧力を増加させることができる。炉心圧力が定格圧力に戻った時点で炉心冷却材流量も定格値に戻る。
【0044】
図5に、本実施の形態の制御ロジックを示す。先ず、炉心冷却材流量センサ31と炉心出力センサ32のそれぞれの測定値信号P1,P2をMCPR計算装置33が受け取る。MCPR計算装置33は、炉心冷却材流量と炉心出力からMCPRを評価し、評価結果(すなわちMCPR計算値信号P3)を圧力制御器34へと送る。一方、炉心圧力センサ35で測定した炉心圧力測定値信号P4を圧力制御器34へ送る。
【0045】
圧力制御器34の内部では、まずステップS1において、現在のMCPRが下限となるしきい値41(図4参照)を下回っているか否かを評価する。
下回っている場合には、ステップS4に進み、炉心圧力設定値を減少させる。
MCPRが下限となるしきい値41を下回っていない場合には、ステップS2に進み、MCPRが上限となるしきい値43(図4参照)を上回っているか否かを評価する。
上限のしきい値43を上回っている場合にはステップS3に進み、現在の炉心圧力が定格炉心圧力42(図4参照)を下回っているか否かを評価する。
現在の炉心圧力が定格炉心圧力を下回っていれば、ステップS6に進み、炉心圧力を徐々に定格炉心圧力に戻すために炉心圧力設定値を増加させる。
上記以外の場合、すなわちステップS2でMCPRが上限のしきい値43を上回っていない場合、及びステップS3で現在の炉心圧力が定格炉心圧力を下回っていない場合には、ステップS5に進み、現在の炉心圧力設定値を据え置く。
圧力制御器34の内部で評価された圧力設定値(すなわち圧力設定値減少、圧力設定値据え置き、圧力設定値増加にもとづく圧力設定値信号P5)は,蒸気加減弁16、タービンバイパス弁26及び給水ポンプ23に送られ、炉心圧力を調整して1回の制御を終了する。ここで、圧力制御器34から出力される圧力設定値信号P5には、蒸気加減弁16への弁開度要求信号、タービンバイパス弁26への弁開度要求信号、給水ポンプ23への回転数要求信号が含まれる。
図5中のMCPR計算機33の入力信号は、炉心流量と炉心出力の他に、炉心圧力を加える場合もある。
なお、図5には示していないが、圧力制御器34内部で評価された圧力設定値は、その後実際には現在の炉心圧力と比較され、圧力設定値が炉心圧力よりも大きければ蒸気加減弁16またはタービンバイパス弁26の開度を下げる方向の弁開度要求信号を発し、圧力設定値が炉心圧力よりも小さければ蒸気加減弁16またはタービンバイパス弁26開度を上げる方向の弁開度要求信号を発する。
【0046】
図6に、本発明に係る自然循環型BWR及びその制御系統を備えた原子力発電プラントの第2実施の形態を示す。本実施の形態に係る原子力発電プラントは、第1実施の形態の制御項目から給水ポンプ23の回転数を除いて構成される。すなわち、制御装置36の圧力制御器34からは、それぞれ出力された弁開度要求信号が蒸気加減弁16とタービンバイパス弁26に入力される。出力制御器34からは給水ポンプ23の回転数をを制御するための回転数要求信号は出力されない。その他の構成は、図1の第1実施の形態と同様であるので、詳細説明を省略する。
【0047】
本実施の形態では、MCPRが減少したときに炉心圧力を下げ、給水ポンプ23の回転数を変更しない場合、給水ポンプ23の出口圧力と炉心圧力の圧力差が大きくなるために給水流量が増加する。本実施の形態を安全確保の目的で利用する場合には、給水流量の増加は安全側であるため、あえて給水流量の増加を許容するときには給水ポンプの回転数を制御しなくても良い。また、本来は、給水流量はMCPRとは別に原子炉内部の熱バランスから決まるものであるので、本実施の形態の圧力制御とは別の制御系で給水ポンプ23の回転数を制御しても良い。
【0048】
第2実施の形態に係る原子力発電プラントによれば、第1実施の形態と同様に、外乱によって炉心冷却材流量や炉心出力が大きく変動したときにおいても、圧力制御器34から出力される弁開度要求信号が蒸気加減弁16とタービンバイパス弁26に入力されて、蒸気加減弁16の開度及び/またはタービンバイパス弁26の開度が制御され、炉心圧力を減少させることができる。これにより炉心の安全性を迅速に確保することが可能になる。
【0049】
図7に、本発明に係る自然循環型BWR及びその制御系統を備えた原子力発電プラントの第3実施の形態を示す。本実施の形態に係る原子力発電プラントは、第1実施の形態のMCPR計算装置33を省略し、測定値としては流量センサ31からの炉心冷却材流量と、圧力センサ35からの炉心圧力の2つにして、それぞれの測定値を圧力制御器34に入力して構成される。その他の構成は、図1の第1実施の形態と同様であるので、詳細説明を省略する。
【0050】
強制型循環BWRでは、炉心冷却材流量を制御することで炉心出力を制御し、プラントの運用性を向上させている。第3実施の形態の原子力発電プラントによれば、自然循環炉であっても、圧力制御器34からの出力信号で蒸気加減弁16及び/またはタービンバイパス弁26の開度制御による炉心圧力の制御により、炉心冷却材流量を制御することができ、安全性の迅速な確保と共に、プラントの運用性を向上させることができる。すなわち、常時運転する場合に、制御棒の制御を用いないで炉心出力の制御が可能になるので、プラントの運用性が向上する。
【0051】
なお、図7において、図6の第2実施の形態と同様に、圧力制御器34からは給水ポンプ23の回転数を制御するための回転数要求信号が出力されないようにすることもできる。この場合は給水ポンプ23の回転数は変更されない。
【0052】
図8に、本発明に係る自然循環型BWR及びその制御系統を備えた原子力発電プラントの第4実施の形態を示す。本実施の形態に係る原子力発電プラントは、第1実施の形態の制御項目に制御棒5の操作を追加して構成される。すなわち、圧力制御器34から制御棒駆動信号を出力するようになし、この制御棒駆動要求信号を制御棒5を駆動する制御棒駆動装置37に供給して制御棒5を制御するようになす。その他の構成は図1の第1実施の形態と同様であるので、詳細説明を省略する。
【0053】
第4実施の形態は2つの目的で使用することができる。第1の目的は第1実施の形態と同じく原子炉の安全確保に使用する場合である。第2の目的は単純に炉心流量の制御に使用する場合である。
【0054】
第1の使用目的の場合、炉心圧力を減少させるときには、圧力制御器34からの弁開度要求信号により蒸気加減弁16または/及びタービンバイパス弁26の開度を制御して炉心圧力を減少させると共に、圧力制御器34からの制御棒駆動要求信号により制御棒5を挿入して炉心出力をさらに減少させる。これによって、安全余裕を増加させ安全性の確保をより確実にすることができる。
また、炉心圧力を増加させるときには、圧力制御器34からの弁開度要求信号により蒸気加減弁16または/及びタービンバイパス弁26の開度を制御して炉心圧力を増加させると共に、炉心出力の増加量を抑制(小さく)するために炉心圧力の増加と合わせて制御棒5を挿入する。これらの2つの方法を組み合わせても良い。
【0055】
第2の使用目的の場合、炉心圧力を減少させるときには、制御棒駆動要求信号により、炉心出力の減少を抑制するための制御棒5を引き抜いて炉心出力の変化を抑制する。すなわち、制御棒5を引き抜いて炉心圧力減少による炉心出力低下量を小さくする。同様に、炉心圧力を増加させるときには炉心出力の増加を抑制するために、制御棒駆動要求信号により制御棒5を挿入する。
【0056】
なお、第4実施の形態で追加した制御棒による制御は、基本的に前述した各実施の形態の制御方法に付加して用いることができる。
【0057】
上述の各実施の形態は、定格運転中に使用することを前提に述べたが、本発明は原子炉起動時にも同じ方法で適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【0058】
【図1】本発明に係る原子力発電プラント及びその制御系統の第1実施の形態を示す概略構成図である。
【図2】炉心圧力変化による炉心上部のボイド率変化を示すグラフである。
【図3】炉心圧力変化によるシュラウド内外の冷却材密度差変化を示すグラフである。
【図4】MCPR変化時の圧力設定点及び炉心圧力変化の概念図である。
【図5】本発明の第1実施の形態の制御ロジック図である。
【図6】本発明に係る原子力発電プラント及びその制御系統の第2実施の形態を示す概略構成図である。
【図7】本発明に係る原子力発電プラント及びその制御系統の第3実施の形態を示す概略構成図である。
【図8】本発明に係る原子力発電プラント及びその制御系統の第4実施の形態を示す概略構成図である。
【符号の説明】
【0059】
1・・自然循環型BWR、2・・タービン系、4・・燃料棒集合体、5・・制御棒、6・・炉心、7・・原子炉圧力容器、8・・シュラウド、9・・チムニ、11気水分離器、12・・蒸気乾燥器、13・・ダウンカマ、14・・主蒸気管、15・・給水管、16・・蒸気加減弁、17・・高圧タービン、18・・湿分分離過熱器、19・・低圧タービン、21・・復水器、22・・低圧給水加熱器、23・・給水ポンプ、24・・高圧給水加熱器、26・・タービンバイパス弁、27・・タービンバイパス管、31・・流量センサ、32・・出力センサ、33・・MCPR計算装置、34・・圧力制御器、35・・圧力センサ、36・・制御装置、




 

 


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