JP2594976B2 - 機能階層構成出力制御システム - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、機能階層構成出力制御システムに係り、特
に原子力発電プラントに適用するのに好適な機能階層構
成出力制御システムに関するものである。

〔従来の技術〕

近年、電力系統に占める原子力発電プラントの比重の
増大に伴ない、原子力発電プラントを基底負荷運転に留
めることなく負荷追従運転、自動周波数制御運転及びガ
バナフリー運転等の出力調整運転を行なうために使用す
る必要性が高まつてきた。また、原子力発電プラントの
発電効率向上及び運転員の負担軽減の観点から、プラン
トの起動、停止、出力一定運転に対しても、出力制御を
自動的に行なう必要性が生じている。

ところで、原子力発電プラントにおいて高範囲に亘り
出力制御を自動的に行なうようにすると、関連する制御
装置が多岐に亘り、かつ制御プロセス量及び制御を行な
う場合に監視する必要のあるプロセス量が多数に及ぶこ
とになる。例えば、沸騰水型原子力発電プラントにおい
ては、出力制御に係る制御装置として、中性子吸収材で
ある制御棒を炉心に挿抜して炉心熱出力を変化させる制
御棒制御装置中性子束減速機能を有する炉心流量を変化
させることによりその密度を変化させて炉心熱出力を変
化させる再循環流量制御装置及びタービンを駆動する蒸
気流量を変化させることによつて発電機出力を変化させ
るタービン制御装置等がある。

従来、これらを関連づけ所定の出力制御を行なう際に
は、これらを統括し、かつ最上位に位置付けられた出力
調整装置の設置が考えられてきた。その際、重要なこと
は、沸騰水型原子炉では、核燃料及び各種機器の健全性
を維持するため、炉心運転領域や出力に関連した種々の
プロセス量を監視し、それらが所定の制限内で運転され
るよう考慮する必要がある。これらを解決する方法とし
て、これまでは次に示す２つの方式が考えられてきた。

（１）１つは監視すべきプロセス量を制御プロセス量と
してフイードバツク信号として用い、直接監視プロセス
量を所定に制御しようとする方式である。例えば、再循
環流量制御系における中性子束フイードバツク方式がこ
れに相当する。

（２）他の１つは特開昭61−165690号公報の様に、出力
調整装置において、予め、監視すべきパラメータが所定
の制限値を超えることがない様、予測演算することによ
つて、出力設定パターン（運転パターン）を設定する方
式である。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従来技術に対する問題点を以下に示す。

監視プロセス量をフイードバツクする方式では、特に、
出力制御が高範囲に亘つてくると、監視すべきプロセス
量が多数となり、かつ制御モードに応じて重要な監視プ
ロセス量が変わつてくるため、制御アルゴリズムが複雑
になる恐れがある。また、特開昭61−165690号公報に示
された方式では、制御を実行する前に、予め予測演算し
た結果に基づき出力設定パターンを決定しているので、
予測精度に伴なう不正確さが存在し、それを初期の設定
パターンに盛り込むことによつて、制御範囲が限定され
たり、きめ細い監視が行なわれないことが予想される。

本発明の目的は、全ての出力制御モードに対して、所
定の運転制限範囲内で、効率良く制御が行なわれ、しか
もその構成が簡便でかつ拡張性のある機能階層構成出力
制御システムを提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記の目的は、原子炉プラントの出力制御を行なう制
御棒制御装置、再循環流量制御装置及びタービン制御装
置が階層化された制御手段、制御許容量監視設定手段及
び保護ブロツク手段をそれぞれ有しており、各々の前記
制御装置の前記制御手段を統括する統括制御装置と、各
々の前記制御装置の前記制御許容量監視設定手段を統括
する統括制御許容量監視設定装置と、各々の前記制御装
置の前記保護ブロツク手段を統括する統括保護ブロツク
装置とを備えていることによつて達成できる。

〔作用〕

制御棒制御装置、再循環流量制御装置及びタービン制
御装置の各々に階層化された制御手段、制御許容量監視
設定手段及び保護ブロツク手段が設けられているので、
制御、許容制御量の設定及びプラントの保護を同時に独
立してしかも機能的に補間し合いながら行なうことがで
きる。このため所定の運転制限範囲を守つて速やかに効
率のよい制御を実施することができる。

本発明の好適な一実施例である原子力発電プラントの
出力制御システムを第１図に基づいて以下に説明する。

ここでは、沸騰水型原子力発電プラントに適用した例
を示している。出力制御に係る制御装置としては、制御
棒制御装置６再循環流量制御装置７、及びタービン制御
装置８が設けられている。制御装置６は制御手段6A、制
御許容量監視設定手段6B及び保護ブロツク手段6Cと階層
化された手段を有しており、制御装置７も階層化された
制御手段7A、制御許容量監視設定手段7B及び保護ブロツ
ク手段7Cを有している。制御装置８も、制御手段8A、制
御許容量監視設定手段8B及び保護ブロツク手段8Cを階層
化して有している。更に制御手段6A,7A及び8Aをシステ
ム的に統括する統括制御装置３、制御許容量監視設定手
段6B,7B及び8Bを統括する統括制御許容量監視設定装置
４及び保護ブロツク手段6C,7C及び8Cを統括する統括保
護ブロツク装置５が設けられている。ここで重要なこと
は、各階層部はシステム的に機能分類されていることを
示しているのであつて、統括装置３〜５は、実際の構成
上必要な場合に設置すればよい。各階層部は前述の統括
装置３〜５を介して（又は直接）中央給電指令所１、プ
ロセス計算機２及び第１図では省略されているがプラン
ト等と連絡されている。20は運転員である。制御手段6
A,7A及び8Aは、各制御装置6,7及８の上位に配せられ、
統括制御装置３からの指令に基づいて、制御モード及び
制御プロセス量の選択を行ない、統括制御装置３からの
指令により設定された制御パターンとを比較演算するこ
とによつて、該当する制御装置6,7及び８の操作量を算
出する。制御許容量監視設定手段6B,7B及び8Bは、制御
装置6,7及び８の操作量設定部位に配せられ、各制御装
置（6,7及び８）において制御時に監視することが必要
な沸騰水型原子力発電プラントの監視プロセス量（例え
ば炉心運転領域、炉周期、炉水温度変化率、中性子束上
昇率、中性子束分布及び燃料の熱的制限値等）と各々に
対する所定の制限値との裕度から、対応する制御装置で
許容される操作量及び操作量変化率を算出し、設定す
る。したがつて、制御手段6A,7A及び8Aで算出された操
作量は、該当する制御許容量監視設定手段6B,7B及び8B
で制限されることになる。保護ブロツク手段6C,7C及び8
Cは該当する制御装置6,7及び８の出力端に配置され、前
述の制御許容量監視設定手段6B,7B及び8Bとは別に原子
力発電プラントまたは炉心の監視を行なう。これらの保
護ブロツク手段は、必要な場合に制御装置とは構成上分
離独立した機能により、出力ブロツク及び操作端トリツ
プ等の保護動作を行なう。

次に本実施例が、どのように動作するのかを説明す
る。統括制御装置３は、中央給電指令所１、運転員20及
びプロセス計算機２の指令又は操作により出力制御モー
ド、（起動，停止，日負荷通従，自動周波数制御、ガバ
ナフリー、出力一定）及び目標出力、出力パターンを選
択する。統括制御装置３は、選択した出力制御モードに
応じて、各制御装置６〜８に制御モード（自動，一定）
制御プロセス量の選択（炉周期、炉水温度、出力、操作
量）、及び設定パターン（目標値、時間、周期）を指令
する。制御装置６〜８の制御手段6A,7A及び8Aは統括制
御装置３から出力された指令に従つて制御演算を実行
し、操作量（制御棒移動量、再循環ポンプ速度変化量、
蒸気加減弁開度変化量）を算出する。一方、制御許容量
監視設定手段6B,7B,8Aは、該当する制御装置毎にまたは
統括制御許容量監視設定装置４にて、制御時において監
視が必要な原子力発電プラントのプロセス量（炉心運転
領域、炉周期、炉水温度変化率、中性子束上昇率、中性
子束分布、燃料の熱的制限値等）と所定の制限値との裕
度から許容される操作量及び操作量変化率を算出し、こ
れらの操作量及び操作量変化率と前述の制御手段6A,7A
及び8A部で算出された操作量と比較する。制御手段で算
出された操作量が許容量を超えた場合には、該当する制
御許容量監視設定手段にて操作量が制限されて出力され
る。これによつて、前述の監視パラメータが制限値を超
えることはなく、原子力発電プラントは所定の運転制限
範囲内で自動的に目標の出力、又は出力パターンに制御
されることになる。また、万一、制御装置に故障等が発
生し、前述の機能が果せないような場合で、かつプラン
ト及び炉心健全性上の問題が生ずる可能性がある場合
は、各制御装置の出力端に配せられた保護ブロツク手段
にて、出力ブロツク、操作端トリツプ等の保護動作が実
行されるので、プラント及び炉心健全性が損なわれるこ
とはない。

以上に本実施例の概念を説明したが、第２図により更
に具体的に説明する。

第２図における１〜８は第１図に示す機能階層化構成
出力制御システムである。沸騰水型原子力発電プラント
は、原子力９で発生した蒸気を蒸気加減弁16を介してタ
ービン14に導き、タービン14の回転により発電機15にて
電気を発生させる。このような沸騰水型原子力発電プラ
ントにおける出力制御は、制御棒制御装置６、再循環流
量制御装置７及びタービン制御装置８にて行われる。制
御棒制御装置６は、中性子吸収材である制御棒11を炉心
21に挿入または引抜いて原子炉出力を変化させる制御棒
駆動装置12を制御する。再循環流量制御装置７は再循環
ポンプ電源装置13をコントロールする。再循環ポンプ電
源装置13は、中性子束減速機能を有する炉心流量調節す
る再循環ポンプ10の回転数を調節する。このような炉心
流量の変化によりその密度が変化され、これによつて原
子炉出力が変化される。タービン14を駆動する蒸気流量
を変化させることによつて発電機出力を変化させる蒸気
加減弁16がタービン制御装置８によつてコントロールさ
れる。第２図にて一点鎖線で囲まれた部分の構成は第１
図において一点鎖線で囲まれた部分の構成と同じであ
る。

本実施例の動作の概略については既に説明しているの
で次に、具体的に種々の出力制御モードに対する本実施
例の動作を示す。先に説明したように、以下に示す出力
制御モードの選択及び目標出力、出力パターンは、中央
給電指令所１、運転員、プロセス計算機２からの指令又
は操作により、統括制御装置３にて決定される。

（１）原子炉の起動 ａ）臨界近接 統括制御装置３から出力された指令信号により、制御
棒制御装置６は自動モード、制御プロセス量として炉周
期を選択し、再循環流量制御装置７は一定モードを選択
し、タービン制御装置８は圧力制御モードを選択する。
制御許容量監視設定手段では、炉周期等が重要プロセス
量として監視される。これらによつて、制御棒11の操作
量は設定された炉周期になるよう算出され、許容操作量
は同じく炉周期と制限値との裕度から算出され、制御棒
操作量を制限する。

ｂ）圧力上昇 統括制御装置３から出力された指令信号に基づいて制
御棒制御装置６では自動モード、制御プロセス量として
炉心温度変化率が選択され、再循環流量制御装置７では
一定モードが選択され、タービン制御装置８では圧力制
御モードが選択される。制御許容量監視設定手段では、
炉水温度変化率、中性子束分布、燃料の熱的制限等が重
要プロセス量として監視される。これらによつて、制御
棒11の操作量は設定された炉水温度上昇率になるよう算
出され、許容操作量は前述の監視プロセス量と制限値と
の裕度から算出され、制御棒操作量を制限する。

ｃ）出力上昇 統括制御装置３からの指令により、制御棒制御装置６
では自動モード、制御プロセス量として出力が選択さ
れ、再循環流量制御装置７では一定モードが選択される
場合と、制御棒制御装置６では一定モードが選択され、
再循環流量制御装置７では自動モード、制御プロセス量
として出力が選択される場合とがある。何れの場合もタ
ービン制御装置８は圧力／負荷モードが選択される。制
御許容量監視設定手段では炉心運転領域、中性子束上昇
率、中性子束分布、燃料の熱的制限値等が重要プロセス
量として監視される。これらによつて、制御棒11制御と
再循環ポンプ10制御が交互に行なわれ、所定の目標出力
に到達する。この間、制御棒操作量再循環ポンプ操作量
は前述の監視プロセス量と制限値との裕度に応じて制限
される。また、何らかの故障等により、前記監視プロセ
ス量が監視制限値を超えて、別に定めた保護制限値に到
つた場合には、保護ブロツク手段にて、制御棒11操作の
ブロツクや再循環ポンプ10の一部トリツプを行ないプラ
ント及び炉心の健全性を維持する。

（２）負荷追従運転 統括制御装置３からの指令信号により、以下に示す負
荷追従モード運転及びそれらの重畳運転ができる。何れ
の場合も、制御許容量監視設定手段では炉心運転領域、
中性子束上昇率、中性子束分布、燃料の熱的制限値等が
重要プロセス量として監視され、制限値との裕度に応じ
て各制御装置の許容操作量が算出され操作量の制限が行
なわれる。また、この場合も前述と同様に、保護ブロツ
ク部にてプラント及び炉心健全性の監視保護が行なわれ
る。

ａ）日負荷追従 統括制御装置３からの指令信号により、制御棒制御装
置６には直接、制御棒操作量が設定され、再循環流量制
御装置７では自動モード、制御プロセス量として出力が
選択される。この時の各プロセス量及び出力の変化の様
子を第３図に示す。出力変更後、中性子吸収物質である
ゼノン135の濃度変化が生じるが、再循環流量制御によ
り、出力は一定に保たれる。また、この時の制御許容量
監視設定部と保護ブロツク手段部の動作例を第４図〜第
６図を用いて、以下に説明する。第４図は原子炉出力と
炉心流量との関係を示したが炉心運転領域を表わしてい
る。制御許容量監視設定部では、炉心運転領域をイ〜ハ
３つの領域に分けている。第５図は各制御装置のブロツ
ク図の例であり、出力と出力設定パターンとを制御手段
である制御演算器17で比較演算して操作量を算出しその
後制御許容量監視設定手段にて設定された信号制限器1
8、変化率制限器19により操作量は制限される。前述の
運転領域イ〜ハに応じて、この信号制限器18、変化率制
限器19の設定が変化することによつて、運転領域が制限
値に近づけば近づくほど、制御許容量の許容度は小さく
なるようになつている。第６図は、再循環流量制御の動
作を示したものである。炉心運転領域の監視及び制御許
容量の設定により、制限値を超えることなく、速やかに
応答していることがわかる。第４図において一点鎖線二
は炉心健全性維持の観点から設けられた設定であり、こ
の設定を超えた場合には、保護ブロツク手段にて、制御
棒ブロツク、再循環ポンプ一部トリツプの保護動作が行
なわれる。

ｂ）自動周波数制御 中央給電指令所１からの指令により、統括制御装置３
は、再循環流量制御装置７に対し、自動モード、制御プ
ロセス量として出力の選択を指令し、出力設定パターン
を与える。これによつて、再循環流量制御による自動周
波数制御運転が行なわれる。

ｃ）ガバナフリー 統括制御装置３は、タービン制御装置８に対し、ガバ
ナフリーモードの選択を指令する。これによつて、ター
ビン制御装置８ではタービン速度制御を行なうと共に、
再循環流量制御装置７に出力変更要求を出力する。

（出力一定運転、停止モードについての説明は、省略す
る。） 以上説明した様に、本実施例によれば、出力制御の全
てのモードに対して、所定の運転制限範囲を守り、速や
かな制御を行なうことができる。

〔発明の効果〕

本発明の機能階層化構成出力制御システムによれば、
全ての出力制御モードに対して、各出力制御装置の制御
・監視プロセス量の監視による許容制御量の設定、プラ
ント及び炉心の健全性保護が同時に独立でかつ機能的に
補間し合いながら効率的に行うことができるので、所定
の運転制限範囲を守り、速やかな制御を行なうことがで
きるという効果がある。また、本出力制御システムは、
機能毎に分離した構成としているため、構成が簡便であ
り、多くの拡張性を有しているという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例である機能階層化構成出力制御
システムの構成図、第２図は第１図の制御システムを沸
騰水型原子力発電プラントに適用した例を示す構成図、
第３図は第２図における日負荷追従運転の特性図、第４
図は炉心運転領域を表わした説明図、第５図は第２図の
実施例における制御装置のブロツク図、第６図は第２図
の実施例における再循環流量制御による出力上昇の特性
図である。 １…中央給電指令所、２…プロセス計算機、３…統括制
御装置、４…統括制御許容量監視設定装置、５…統括保
護ブロツク装置、６…制御棒制御装置、７…再循環流量
制御装置、８…タービン制御装置、９…原子炉、10…再
循環ポンプ、11…制御棒、12…制御棒駆動装置、13…再
循環ポンプ電源装置、14…タービン、15…発電機、16…
蒸気加減弁、17…制御演算器、18…信号制限器、19…変
化率制限器。

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】原子炉プラントの出力制御を行なう制御棒
   制御装置、再循環流量制御装置及びタービン制御装置を
   備え、しかも各々の前記制御装置が階層化された制御手
   段、制御許容量監視設定手段及び保護ブロツク手段をそ
   れぞれ有しており、各各の前記制御装置の前記制御手段
   を統括する統括制御装置と、各々の前記制御装置の前記
   制御許容量監視設定手段を統括する統括制御許容量監視
   設定装置と、各々の前記制御装置の前記保護ブロツク手
   段を統括する統括保護ブロツク装置とを備えていること
   を特徴とする機能階層構成出力制御システム。
2. 【請求項２】前記制御手段は各々の前記制御装置の上位
   に配せられ、選択された制御モード、制御プロセス量及
   び設定された制御パターンに基づく、制御プロセス量と
   制御パターンとの比較演算により操作量の算出を行な
   い、前記制御許容量監視設定手段は各々の前記制御装置
   の操作量設定部位に配せられ、制御を行なう際に、監視
   すべきプロセス量と所定の制限値との裕度から各制御装
   置操作量の許容操作量の設定を行なつて前記操作量の制
   限を行ない、前記保護ブロツク手段は各々の前記制御装
   置の出力端に配せられ、プラント又は炉心監視により必
   要な場合、制御装置とは構成上分離独立した機能によ
   り、出力ブロツク、操作端トリツプ等の操作を行なう特
   許請求の範囲第１項記載の機能階層構成出力制御システ
   ム。
3. 【請求項３】前記制御手段は、運転員、プロセス計算機
   又は中央給電指令所からの指令信号により、起動，停
   止，日負荷追従・自動周波数制御、ガバナフリー、出力
   一定等の出力制御モードを把握し、各々の前記制御装置
   に制御モード、制御プロセス量の選択、制御パターンの
   設定を行なう特許請求の範囲第２項記載の機能階層構成
   出力制御システム。
4. 【請求項４】前記制御許容量監視手段は、炉心運転領
   域、炉周期、炉水温度変化率、中性子束上昇率、中性子
   束分布、燃料の熱的制限値等の監視プロセス量とそれぞ
   れの所定の制限値との裕度から、各々の前記制御装置に
   対し許容される操作量及び操作量変化率を算出し、設定
   する特許請求の範囲第２項記載の機能階層構成出力制御
   システム。