CH633124A5

CH633124A5 - Speisewasser-regeleinrichtung fuer kernkraftanlagen.

Info

Publication number: CH633124A5
Application number: CH128978A
Authority: CH
Inventors: Ernest A Parziale; Dennis C Richardson
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Priority date: 1977-02-07
Filing date: 1978-02-06
Publication date: 1982-11-15
Also published as: FR2379887B1; JPS5830560B2; JPS53102495A; DE2803000A1; SE426756B; IT1093648B; EG13087A; IL53822A; YU19678A; ES466709A1; YU41582B; US4104117A; BE863739A; SE7801365L; IT7820048A0; CA1076371A; FR2379887A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Speisewasser-Regeleinrichtung für Kernkraftanlagen nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Die erfindungsgemässe Speisewasser-Regeleinrichtung ist insbesondere für den Einsatz in Verbindung mit Druckwasser- w reaktoren vorgesehen, kann jedoch auch in Verbindung mit Siedewasserreaktoren Anwendung finden.

Wenn der Leistungspegel des Kernreaktors der betreffenden Anlage verändert wird, ist auch eine entsprechende Änderung der Speisewasserzufuhr zu dem bzw. zu jedem Dampfer- 45 zeuger erforderlich. Der Speisewasserzustrom zu jedem Dampferzeuger wird mittels Ventilen gesteuert, nämlich mittels eines in einem Hauptzweig der Speisewasserrückführung liegenden Hauptventils und mittels eines in einem, den Hauptzweig umgehenden Nebenzweig der Speisewasserrückführung so liegenden Hilfsventils. Bei normalen Leistungspegeln erfolgt die Steuerung der Speisewasserzuströmung mittels des Hauptventils. Das im Nebenzweig befindliche Hilfsventil kann entweder vollständig oder teilweise geöffnet oder geschlossen sein. Bei niedrigen Belastungen von beispjielsweise 15% der Nenn- 55 leistung, vorwiegend während des Anfahrens, ist das Hauptventil geschlossen und die Steuerung der Speisewasserzufuhr erfolgt mittels des im Nebenzweig liegenden Hilfsventils.

Bei bekannten Anlagen erfolgt die Speisewasserregelung sowohl bei hohen als auch bei niedrigen Leistungspegeln unter 60 gemeinsamer Berücksichtigung von drei Parametern, nämlich dem Wasserstand im Dampferzeuger, dem Dampfdurchsatz und dem Speisewasserzustrom.

Der jeweils gemessene Wasserstand im Dampferzeuger wird mit dem geforderten oder voreingestellten Wasserstand 65 verglichen und als Messgrösse einem Proportional-Integral-Regler zugeführt, der im stationären Zustand Abweichungen des Wasserstandes eliminiert. Ausserdem ist ein auf Anpassungsfehler zwischen dem Speisewasserzustrom und dem Dampfdurchsatz ansprechender Regelkreis vorhanden, der dazu dient, beginnenden bzw. zu erwartenden Wasserstandsabweichungen vom Sollwert zuvorzukommen. Das aus dem gemessenen Wasserstandspegelwert und dem Anpassungsfehlerwert zusammengesetzte Summensignal wird dann einem weiteren Proportional-Integral-Regler zugeführt, der im stationären Zustand Abweichungen des Speisewasserzustroms eliminiert.

Die bekannte Speisewasserregelung arbeitet zwar bei mittleren und höheren Belastungspegeln zufriedenstellend, jedoch nicht bei niedrigen Belastungspegeln von beispielsweise weniger als 15% der Nennbelastung. Aufgrund dieses Mangels ist eine vollautomatische Speisewasserregelung nicht durchführbar. Wenn die Speisewasserzufuhr bei niedrigen Belastungen nicht genau geregelt wird, treten während des Anfahrens Aufwallungen auf. Dabei handelt es sich um heftige, durch den Zustrom von zu viel kaltem Speisewasser in den Dampferzeuger hervorgerufene Betriebsschwankungen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Speisewasserregelung bei Kernkraftanlagen im Bereich niedriger Belastungen im Hinblick auf grössere Zuverlässigkeit, erhöhte Wirksamkeit und grössere Genauigkeit zu verbessern.

Diese Aufgabe wird gemäss der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebene Anordnung gelöst.

Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass bei niedrigen Belastungspegeln eine ausreichende Regelung des Speisewasserstromes herkömmlicher Art nicht durchführbar ist, da die Dampfströmung bei niedrigen Belastungspegeln nicht mit der für eine zuverlässige Steuerung des Speisewasserstromes erforderlichen Genauigkeit erfassbar ist. Die Grösse der Dampfströmung wird nämlich von einer Messung des Dampfdruckgefälles in der Dampfleitung abgeleitet, und bei geringem Dampfdurchsatz ist dieses Druckgefälle zu klein, um ein ausreichend genaues Signal zu liefern. Ausserdem tritt eine Änderung der Dampfströmung nach einer Änderung der Belastung erst dann ein, wenn die, die Wärmeenergie liefernde Komponente, nämlich der Reaktor, auf den Befehl zur Leistungsänderung reagiert hat, was im Hinblick auf die Ventilsteuerung nicht voll zufriedenstellend ist.

Die Erfindung geht davon aus, dass die Regelung des Speisewasserzustroms in Abhängigkeit vom Wasserstand im Dampferzeuger und von der jeweiligen Reaktorleistung als Messgrössen erfolgt. Für die Lösung dieser Aufgabe wird eine Speisewasser-Regeleinrichtung der eingangs erwähnten Art vorgeschlagen, die erfindungsgemäss gekennzeichnet ist durch einen Regler, der bei niedriger Belastung der Anlage die Ventileinrichtung in Abhängigkeit von der Grösse der jeweiligen Reaktorleistungsabgabe und vom Wasserstand im Dampferzeuger steuert.

Aufgrund des im stationären Zustand vorhandenen Wärmegleichgewichts ist die jeweilige Reaktorleistung proportional zur Dampfströmung (bzw. Anlagenbelastung) und kann deshalb als Führungsgrössenkomponente für die Speisewasserregelung im stationären Zustand verwendet werden. Bei Laständerungen spricht die gemessene Reaktorleistung schnell an und führt zu einer schnellen Korrektur der Führungsgrösse zur Steuerung des Speisewasserventils, wodurch die Dampfströmung ebenfalls schnell wieder ins Gleichgewicht gebracht wird. Die Wasserstandsausgleichsregelstrecke der bekannten Regelung wird beibehalten, um im stationären Zustand die Wasserstandsabweichung auf Null zu halten. Ausserdem dient diese Regelstrecke dem Ausgleich des Regelfehlers aufgrund der geringen Differenz zwischen der gemessenen Reaktorleistung und der tatsächlichen Reaktorleistung, welch letztere auch die Zerfallswärme im heissen Nulleistungsbetrieb ein-schliesst.

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Bei niedriger Leistung findet die Speisewasserregelung bei jede dieser Ventileinrichtungen 43 ein in einem Hauptzweig Iie-der erfindungsgemässen Anordnung mittels eines Steuerven- gendes Hauptventil 45 auf. Dieses Hauptventil 45 ist durch tils, nämlich des im Nebenzweig gelegenen Hilfsventils statt, einen Nebenzweig 47 überbrückt, in welchem ein Hilfsventil 49 das kleiner als das bei höherer Leistung zur Steuerung des Spei- angeordnet ist. Das Hilfsventil 49 besitzt etwa 20% der Kapazi-sewasserstromes benützte Ventil, nämlich das im Hauptzweig 5 tat des Hauptventils 45 und dient zur Steuerung des Speisewas-gelegene Hauptventil ist. Demzufolge arbeitet das den Speise- serstromes im Niedriglastbetrieb.

wasserstrom bei niedriger Leistung steuernde Ventil im linea- Der Reaktor 11 enthält eine herkömmliche Messeinrich-

ren Bereich seiner Öffnungs-Durchfluss-Charakteristik. Alter- tung 51 zur Abgabe eines den jeweiligen Neutronenfluss, der nativ dazu kann die gewünschte lineare Arbeitskennlinie auch seinerseits von der jeweiligen Reaktorleistung abhängig ist, dadurch erzielt werden, dass Speisewasserpumpen mit variab- io darstellenden Signals. Jeder der Dampferzeuger 13 und 15 1er Drehzahl eingesetzt werden. weist eine ebenfalls übliche Messeinrichtung 53 bzw. 55 auf, die

Die erfindungsgemässe Einrichtung ist nicht nur im Niedrig- Abweichungen des Wasserstandes in den Dampferzeugern lastbetrieb gegenüber der bekannten Regelung von Vorteil, vom Sollwert darstellende Signale erzeugen. Bei erfindungsge-sondern auch im gesamten, sowohl niedrige als auch höhere mässer Speisewasserregelung sowohl im Niedriglastbetrieb als Belastungen umfassenden Betriebsbereich, da die erfindungs- 15 auch im Betrieb bei höheren Belastungen braucht nur ein Was-gemässe Regelung eine Rückführungsvariable weniger benö- serstandsfehlersignal von jedem Dampferzeuger 13 und 15 tigt als die bekannte Regelung und auch keinen zweiten Pro- abgeleitet zu werden. Wenn dagegen die Speisewasserrege-portional-Integral-Regler zur Erzielung einer zufriedenstellen- lung bei höheren Belastungspegeln in herkömmlicher Weise den Arbeitsweise braucht. und nur im Niedriglastbetrieb nach der Erfindung erfolgt, bei-

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend 20 spielsweise wenn die erfindungsgemässe Regelung nachträg-mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen mehr im einzelnen lieh bei einer bereits vorhandenen Anlage eingesetzt wird, liebeschrieben. Es zeigt: fern die Messeinrichtungen 53 und 55 die Dampfströmung und

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Kernkraftanlage den Speisewasserzustrom darstellende Signale. Die von den mit einer Speisewasserregelung nach der Erfindung, Messeinrichtungen 51,53 und 55 kommenden Signale sind elek-

Fig. 2 die in Fig. 1 mit II bezeichneten Komponenten mehr 25 trische Signale und werden zur weiteren Verarbeitung Ventil-im einzelnen in vergrösserter Darstellung, reglern 57 und 59 zugeführt. Diese Regler 57 und 59 steuern die

Fig. 3 ein Signalflussdiagramm, welches das Zusammenwir- einzelnen Ventile 45 und 49 der Ventileinrichtungen 43.

ken der einzelnen Regelparameter erkennen lässt, Gemäss der Darstellung in Fig. 2 wird das Hauptventil 45 über

Fig. 4 eine graphische Darstellung, welche die Wirkungen eine herkömmlichen 3-Parameter-Summierer 61 und das Hilfsverschiedener, von einer Analogsimulation abgeleiteter Ein- 30 ventil 49 über einen Summierer 63 gesteuert.

stellwerte für die Speisewasserregelung nach der Erfindung bei Gemäss Fig. 3 wird das den jeweiligen Wasserstand im Annahme einer 5%igen Laständerung zeigt, Dampferzeuger 13 bzw. 15 darstellende elektrische Signal

Fig. 5 eine ähnliche graphische Darstellung, die von einer einem Rauschfilter 71 zugeführt. In der dieses Filter 71 Digitalsimulation in einem Rechner abgeleitet ist, charakterisierenden algebraischen Formel ist S die Laplace-

Fig. 6 graphische Darstellungen der Änderung der verschie- 35 sehe Funktion mit dem Operator d/dt, wobei t die Zeit ist, und denen Parameter der erfindungsgemässen Speisewasserrege- T1 die Zeitkonstante des Filters 71. Der Wasserstandssollwert lung bei einem sprungartigen Lastabfall von 5%, und in jedem Dampferzeuger 13 und 15 wird von einem Funktions-

Fig. 7 ähnliche graphische Darstellungen für einen sprung- former 73 geliefert, wenn dieser durch ein Befehlssignal (Turbi-artigen Lastanstieg. nenstufenarbeitsdruck) zur Steigerung oder Drosselung der

Die in Fig. 1 dargestellte Kernkraftanlage enthält einen 40 Leistungsabgabe der Anlage angesteuert wird. Diese Funktion Kernreaktor 11, der mit einer Anzahl von Dampferzeugern 13 ist in dem Block 73 graphisch dargestellt. Dabei ist der Lei-und 15 im Wärmeaustausch steht. Der Primärkühlkreislauf des stungsbedarf auf der Abszisse und der Dampfdruck auf der Reaktors weist Primärkühlschleifen 17 und 19 auf, die jeweils Ordinate aufgetragen. Die Kurve entspricht dem Wassereine Umwälzpumpe 18 bzw. 20 aufweisen und den Reaktor 11 standssollwert. Das Wasserstandssollwertsignal gelangt durch mit einem der Dampferzeuger 13 und 15 verbinden. Durch den 45 ein Rauschfilter 75, dessen Zeitkonstante T2 ist. Die Regelab-nicht dargestellten Reaktorkern des Reaktors 11 und die weichung wird von einem Summierer 77 abgeleitet, dem die

Dampferzeuger 13 und 15 zirkuliert ein Reaktorkühlmittel, vor- Ausgangssignale der beiden Filter 71 und 75 zugeführt werden, zugsweise Druckwasser. Die in den Primärkühlschleifen 13 und Der Summierer 77 bildet dabei die Differenz dieser beiden 19 vom Reaktorkern zu den Dampferzeugern 13 und 15 trans- Signale. Das so erhaltene Fehlersignal beeinflusst über einen portierte Wärme dient in den Dampferzeugern zur Verdamp- 50 nicht dargestellten Proportional-Integral-Regler das Hauptven-fung von Wasser. til 45 und beeinflusst ausserdem über einen Proportional-Inte-

Jedem der Dampferzeuger 13 und 19 ist eine Sekundär- gral-Regler 81 und den Summierer 63 das Hilfsventil 49. In der kreislaufschleife 21 bzw. 23 zugeordnet. den Proportional-Integral-Regler 81 charakterisierenden For-

Weiter enthält die in Fig. 1 gezeigte Anlage eine Turbine 25 mei ist K3 die Verstärkung und Ts die Zeitkonstante. Der Ver-und einen von dieser angetriebenen elektrischen Generator 27.55 stärkungsfaktor K3 = Ventilverstellungsanforderung (%)/Was-Jeder der Sekundärkreislaufschleifen 21 und 23 umfasst einen serstandsabweichung (%). Das die jeweilige Reaktorleistung ersten, zwischen dem betreffenden Dampferzeuger 13 bzw. 15 angebende Signal wird dem Summierer 63 über ein Filter 83 und der «Turbine 25 verlaufenden dampfführenden Abschnitt 29 zugeführt, bei welchem Kt die Verstärkung und Tt die Zeitkon-zur Speisung der Turbine mit Dampf und einen zweiten, zwi- stante ist. Diese Parameter sind einstellbar. Für 100% des Nenn-schen der Turbine und dem betreffenden Dampferzeuger ver- 60 durchflusses des Nebenzweiges 47 beträgt der Verstärkungslaufenden Abschnitt 31 zur Speisewasserrückführung. Den faktor Kt = 1,0% Ventilverstellungsanforderung/% Reaktorlei-Abschnitt 31 beider Sekundärkreislaufschleifen 21 und 23 stungsänderung. Die algebraische Summe des Wasserstandsab-'

gemeinsam ist ein Kondensator 33 zur Kondensation des Turbi- weichungssignals und des Reaktorleistungssignals wird einem nendampfes, eine Kondensatpumpe 35 und eine Anzahl von Automatik/Hand-Regler 78 zugeführt, der die notwendigen Speisewasservorwärmern 37. Jedem speisewasserführenden 65 Steuerbefehle an das im Nebenzweig liegende Hilfsventil 49 Kreislaufschleifenabschnitt 31 ist ausserdem eine Speisewas- abgibt.

serpumpe 39, ein Speisewasservorwärmer 41 und eine Ventil- Bei den in Fig. 3 gezeigten, die Filter 71,75 und 83 und den einrichtung 43 (siehe Fig. 2) zugeordnet. Gemäss Fig. 2 weist Proportional-Integral-Regler 81 darstellenden Blöcken handelt

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es sich um an sich bekannte, in Festkörpertechnik ausgeführte Kurve b ist auf der Ordinate die Temperatur in °F aufgetragen, elektronische Einheiten. Die Kurve c zeigt eine sprungartige 5%ige Änderung der

Die in Fig. 3 angegebenen Integrale sind Integrale über der Dampfströmung. Die Kurve d zeigt, dass die maximale Wasser-Zeit, während welcher der Regelvorgang stattfindet. Die Rege- standsänderung nur 10% beträgt und dass diese Wasserstands-lung des Wasserstandes erfolgt über eine geschlossene Regel- s abweichung innerhalb eines Zeitraums von etwa 300 s auf den schleife, deren Rückführung durch das den jeweiligen momen- Wert Null zurückgeht. Die Kurve e zeigt, dass sich der Speise-tanen tatsächlichen Wasserstand im Dampferzeuger ange- wasserstrom ebenfalls innerhalb einer Zeitspanne von nur etwa bende Signal gebildet ist. Das Reaktorleistungssignal wird 300 s auf einen stationären Wert einpendelt.

einer offenen Schleife zugeführt. Wie Fig. 6 zeigt, führt die Verminderung der Dampfströ-

Fig. 4 zeigt die Auswirkungen einer Variation der Pararne- io mung zu einer Leistungsfehlanpassung zwischen Primär- und ter Kî, wobei die dargestellten Kurven durch eine Analogana- Sekundärkreislauf, was zu einem Anstieg der Primärkühlmittel-lyse erhalten wurden. Die Verstärkung K3 ist auf der Ordinate temperatur führt. Die Steuerstäbe werden daher weiter in den aufgetragen, während T3 (in s) auf der Abszisse aufgetragen ist. Reaktorkern eingetaucht und verringern die Reaktorleistung Die Ordinate ist mit zwei Teilungen versehen, von denen die entsprechend dem neuen Lastpegel. Bei einer Lastabsenkung linke Teilung auf 100% Durchfluss durch das Hilfsventil 49 und 15 neigt der Wasserstand im Dampferzeuger infolge der Verringe-die rechte Teilung auf 100% Durchfluss durch das Hauptventil rung der Verdampfungsleistung und dem Anstieg des Dampf-45 bezogen ist. Oberhalb der oberen Kurve 91 schwingt das druckes zum Absinken, wodurch die Wasserdichte ansteigt und System. Unterhalb der nächsten Kurve 93 und oberhalb der Leerräume bzw. Blasen im Wasser zusammengedrückt werden, danach folgenden Kurve 95 beträgt die Einschwingzeit des Die Steuerung des Speisewasserstromes erfolgt durch eine Systems weniger als 10 Minuten (wünschenswerte Einschwing- 20 wasserstandsabhängige Steuersignalkomponente des Wasserzeit). Unterhalb der nächsten Kurve 99 und oberhalb der standsregelkreises und durch eine reaktorleistungsabhängige untersten Kurve 97 beträgt die maximale Abweichung vom Steuersignalkomponente des vom Reaktor ausgehenden, rückgewünschten Wasserstand weniger als 15%. Die schraffierte führungslosen Steuerkreises. Die reaktorleistungsabhängige Fläche zeigt demgemäss den wünschenswerten Arbeitsbereich. Steuersignalkomponente versucht, den Speisewasserstrom

Fig. 5 zeigt eine Fig. 4 ähnliche graphische Darstellung, die 25 schnell auf den erforderlichen neuen stationären Wert zu brin-aus einer Digitalanalyse mittels eines LOFTRAN-Rechners gen. Der Wasserstandsregelkreis dagegen versucht während abgeleitet ist. Die Kurven 101,103,107 und 109 und die schraf- der Periode des Absinkens des Wasserstandes unter den Soll-fierte Fläche 111 entsprechend den Kurven 91,93,95,99 und 97 wert, den Speisewasserstrom zu steigern. Als resultierende und der schraffierten Fläche 100 in Fig. 4. Wirkung erhält man einen rampenförmigen Abfall des Speise-

In Fig. 6 sind die Auswirkungen eines sprungartigen Lastab- 30 wasserstromes auf seinen neuen stationären Wert, was den falls um 5% auf die verschiedenen Betriebsparameter der Wasserstandseinschwingvorgang verkürzt.

Anlage nach der Erfindung graphisch dargestellt. Diese Kur- Fig. 7 zeigt eine ähnliche graphische Darstellung wie Fig. 6,

ven sind aus einer Digitalrechneranalyse abgeleitet. Bei allen jedoch für einen sprungartigen 5%igen Lastanstieg, wie er bei-Kurven ist die Zeit in Sekunden auf der Abszisse aufgetragen. spielsweise während des Anfahrens auftreten kann. In diesem Auf derselben vertikalen Linie (Ordinatenparallele) liegende 35 Fall beträgt die Wasserstandsabweichung nur 15% und gleicht Punkte der verschiedenen Kurven entsprechen jeweils dem sich innerhalb von etwa 300 s auf den Wert Null aus. Der Speigleichen Zeitpunkt. In den Kurven a und c bis e ist auf der Ordi- sewasserstrom stabilisiert sich in diesem Fall innerhalb von nate jeweils die prozentuale Änderung aufgetragen; bei der etwa 400 s.

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5 Blatt Zeichnungen

Claims

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PATENTANSPRÜCHE

1. Speisewasser-Regeleinrichtung für Kernkraftanlagen, bei welchen ein mit Wärmeenergie eines Kernreaktors betriebener Dampferzeuger eine Dampfturbine speist, mit einer in der Speisewasserrückführung zwischen Kondensator und Dampf- 5 erzeuger angeordneten Ventileinrichtung zur Steuerung der Speisewasserzufuhr zum Dampferzeuger, gekennzeichnet durch einen Regler (78,81), der bei niedriger Belastung der Anlage die Ventileinrichtung (43) in Abhängigkeit von der Grösse der jeweiligen Reaktorleistungsabgabe und vom Was-serstand im Dampferzeuger (13,15) steuert.
2. Speisewasser-Regeleinrichtung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, dass die Speisewasserrückführung einen Hauptzweig und einen dazu parallel verlaufenden Nebenzweig (47) aufweist, dass weiter der Hauptzweig ein Hauptven- 15 til (45) zur Steuerung der Speisewasserzufuhr bei hoher Belastung der Anlage und der Nebenzweig ein Hilfsventil (49) zur Steuerung der Speisewasserzufuhr bei niedriger Belastung enthält und dass der genannte Regler (78,81) auf das Hilfsventil wirkt. 20
3. Speisewasser-Regeleinrichtung nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Kapazität des Nebenzweiges (47) etwa 20% der Nennkapazität des Hauptzweiges beträgt.
4. Speisewasser-Regeleinrichtung nach einem der 25 Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass dem genannten Regler (78,81) als Messgrösse für die jeweilige Reaktorleistungsabgabe ein den jeweiligen Neutronenfluss im Reaktor angebendes Signal zugeführt wird.

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