DE102017205553A1

DE102017205553A1 - Verfahren zur Leistungsregelung eines Kernkraftwerks im Lastfolgebetrieb

Info

Publication number: DE102017205553A1
Application number: DE102017205553.7A
Authority: DE
Inventors: Andreas Kuhn; Burkhardt Möller
Original assignee: Areva GmbH
Current assignee: Areva GmbH
Priority date: 2017-03-31
Filing date: 2017-03-31
Publication date: 2018-03-01

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Leistungsregelung eines Kernkraftwerks (2) mit einem Druckwasserreaktor (4), welches einen sicheren, ressourcenschonenden und schnell auf die Anforderungen eines Verbundnetzes reagierenden Lastfolgebetrieb ermöglicht. Dies wird erfindungsgemäß ermöglicht durch ein Verfahren zur Leistungsregelung eines Kernkraftwerks (2) im stochastischen Lastfolgebetrieb, wobei
a. das Kernkraftwerk (2) einen Druckwasserreaktor (4) mit einem Reaktorkern (8), einen zugehörigen Kühlkreislauf (10) und einen elektrischen Generator (20) aufweist,
b. eine Einstellung der Reaktorleistung (PR) durch mindestens einen in den Reaktorkern (8) einfahrbaren, in seiner Stellung veränderlichen Steuerstab (24) und durch Einspeisung von Borsäure und Deionat (BODE) in den Kühlkreislauf (10) möglich ist,
c. auf der Basis der vom Generator (20) aktuell erzeugten elektrischen Ist-Leistung (PG) und einer jederzeit von einem zugehörigen Lastverteiler anforderbaren maximalen Lastrampe der zeitliche Verlauf der mit dieser Lastrampe einhergehenden Reaktivitätsänderung des Reaktorkerns (8) prädiktiv ermittelt wird,
d. diese maximale Lastrampe durch eine maximale Ziel-Leistung (PMAX) und einen maximalen Leistungsgradienten (dPG/dt) charakterisiert ist,
e. der durch das Spaltprodukt Xenon (Xe) in dieser Lastrampe verursachte Beitrag an der Reaktivitätsänderung des Reaktorkerns (8) mit Hilfe eines prädiktiven, nichtlinearen Modells vorhergesagt wird,
f. anhand der so ermittelten Reaktivitätsänderung die zur Erreichung des Regelungsziels erforderliche Soll-Steuerstabstellung ermittelt, und
g. die Steuerstab-Iststellung entsprechend eingestellt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Leistungsregelung eines Kernkraftwerks mit einem Druckwasserreaktor sowie ein entsprechendes Regelsystem.
Kernkraftwerke waren ursprünglich für einen Grundlastbetrieb mit überwiegend zeitlich konstanter Leistung konzipiert. Lastwechselfahrweisen – ferngesteuert durch den Lastverteiler des Verbundnetzes – im Umfeld volatiler Strommärkte mit Einspeisung regenerativer Energien sind für die Kernkraftwerke weltweit eine neue Herausforderung.
In technischer Hinsicht liegt folgendes Problem zugrunde: Das Erreichen einer Zielleistung in einer bestimmten Zeit für einen Druckwasserreaktor (DWR) ist durch die maximal zuführbare Reaktivität bestimmt. Die maximalen Reaktivitätsänderungen als Funktion der Zeit können für alle Beiträge bis auf den des Xenons in linearer Näherung betrachtet werden. Die auf das Spaltprodukt Xenon zurückzuführende Xenonvergiftung ist jedoch ein großer Beitrag und zeitlich komplex durch die stark verzögerte Entstehung über das Jod und den verzögerten Zerfall von Xenon in Kombination mit dem Xenonausbrand durch Neutroneneinfang.
Der Beitrag gerade des Xenon-Ausbrands beim Wiederhochfahren (reaktivitätsunterstützend) kann durch das Betriebspersonal schwer im Voraus abgeschätzt werden. Dies ist jedoch wünschenswert, um bei Teillast der Reaktorregelung den geeigneten Sollwert für die Stellung der Steuerstäbe in den Steuerstabbänken (Bankstellungs-Sollwert) unter Berücksichtigung dieses Reaktivitätseffektes vorzugeben. Dies gilt vor allem im zunehmenden stochastischen Netz-Sekundärregelbetrieb. Hierbei gibt der Lastverteiler den Leistungszielwert des Kraftwerkes ferngesteuert vor.
Momentan erfolgt bzgl. der Xenonreaktivität eine erfahrungsbasierte grobe Abschätzung durch den Reaktorfahrer über eine Bankstellungs-Sollwertvorgabe. Dabei kommt es in bestehenden DWR-Anlagen zu unnötigen Borsäure-/Deionat-Einspeisungen in den Kühlkreislauf, und die Erreichbarkeit der maximalen Zielleistung durch den Lastverteiler ist nicht immer gewährleistet. Dies kann zu Strafzahlungen bzw. Abschlägen (Pönalen) bei der Vergütung dieses Netz-Sekundärregelbetriebs durch den Lastverteiler führen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Leistungsregelung eines Kernkraftwerks mit einem Druckwasserreaktor anzugeben, welches einen sicheren, ressourcenschonenden und schnell auf die Anforderungen des Verbundnetzes reagierenden Lastfolgebetrieb ermöglicht, insbesondere im stochastischen Netz-Sekundärregelbetriebsmodus. Weiterhin soll ein entsprechendes Regelsystem angegeben werden, das sich vorzugsweise auch einfach in bestehenden Kraftwerksanlagen nachrüsten lässt.
Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Regelsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 8.
Vorteilhafte Varianten und Weiterentwicklungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche sowie der nachfolgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen.
Die Erfindung geht von folgenden Überlegungen aus:
Im Gegensatz zu der bisher praktizierten Abschätzung durch den Reaktorfahrer können sowohl das Erreichen der Zielleistung als auch die Einhaltung der geforderten Leistungssteigerungsrampe durch Ergänzungen in der Reaktorregelung erheblich verbessert werden. Der Schlüssel dazu ist ein prädiktives Reaktivitätsmanagement – bevorzugt vollautomatisiert online in der Reaktorregelung – für Lastwechselfahrweisen von Druckwasserrektoren zur vorrausschauenden Berechnung zukünftiger nichtlinearer Reaktivitätsbeiträge bei zukünftig abrufbaren Laständerungen durch den Lastverteiler. Diese ferngesteuerten Laständerungen können innerhalb definierter Regelbänder stochastisch sein; definiert sind nur die erreichbare Zielleistung und der maximal mögliche Leistungsgradient.
Hierzu wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein automatisiertes Reaktivitätsmanagement verwirklicht, das linearisierbare Reaktivitätsbeiträge mit einer modellbasierten Prädiktion der Xenonreaktivität ergänzt. Hierdurch werden bei Teillast die Steuerstabbankstellungen bei gleichzeitiger Minimierung der Borsäure-/Deionat-Einspeisungen (BODE) optimiert. Dies dient auch zur Entlastung der Kühlmittelaufbereitung, aber vor allem zur automatischen Sicherstellung der Erreichbarkeit der maximal möglichen Zielvorgaben des Lastverteilers.
Mit anderen Worten erfolgt eine prädiktive Bestimmung der Xenonreaktivität für die maximal mögliche Lastrampe resultierend aus dem maximalen Leistungsgradienten und der maximal möglichen Leistung, die mit dem Lastverteiler zuvor abgestimmt ist, und zwar innerhalb einer völlig stochastischen Leistungsfahrweise des Kraftwerkes, die sich durch die Einspeisung volatiler regenerativer Energien (Sonne/Wind) in das Verbundnetz ergibt.
Mit dem prädiktiven Reaktivitätsmanagement wird somit eine vollautomatische Reaktorregelung im Netz-Sekundärregelbetriebsmodus erreicht, bei der fehlerhafte oder unzulängliche Vorgaben des Bankstellungssollwertes durch den Reaktorfahrer ausgeschlossen sind.
Wie bereits erwähnt, ist das Erreichen einer Zielleistung in einer bestimmten Zeit für einen Druckwasserreaktor durch die maximal zuführbare Reaktivität bestimmt. Die maximal zuführbare Reaktivität als Funktion der Zeit kann mit Ausnahme des Xenons in linearer Näherung betrachtet werden.
Linearisiert betrachtet werden können insbesondere folgende Reaktivitätseffekte in Abhängigkeit von der Kernbeladung und der Brennelement-Zyklusdauer:

• die Borwirksamkeit,
• die Steuerstab-Bankwirksamkeiten
• der Kühlmitteltemperaturkoeffizient, und
• der Leistungsreaktivitätskoeffizient (im Wesentlichen Dopplerreaktivität).

Nicht linearisierbar ist die zeitliche Vorhersage des Xenon-Reaktivitätsbetrages für die jederzeit abrufbare (wann: obliegt der stochastischen Netzanforderung) maximale Laständerung, und zwar bezüglich Leistungsgradient und Zielleistung. Die zur Lösung dieses Problems im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwirklichte Xenonprädiktion beruht auf folgenden Grundkonzepten:

• Die Prädiktion läuft online auf den Automatisierungsrechnern der Reaktorregelung.
• Die Prädiktion ist eingepasst in die streng zyklische Abarbeitung auf den Automatisierungsrechnern.
• Die Prädiktion startet mit den berechneten aktuellen Ist-Werten von Jod und Xenon, die bevorzugt durch ein Ist-Zustand-bezogenes 1-Punkt Xenon-Modell berechnet werden.
• Durch einen modellbasierten Ansatz wird daraus mit einem prädiktiven Xenon-Modell, bevorzugt ebenfalls ein 1-Punkt Modell, für die maximal mögliche zukünftige Lastrampe, die vom Lastverteiler jederzeit angefordert werden kann, die Änderung der Xenon-Reaktivität während dieser Rampe vorausberechnet.
• Als Ergebnis liefert die Xenon-Prädiktion im Zusammenhang mit den oben genannten linearisierten Reaktivitätsbeträgen – als Führungsregler – die Bankstellungssollwerte und vorzugsweise auch eine Visualisierung aller Reaktivitätsbeiträge auf dem Prozessrechner.

Wesentlich dabei ist, dass es sich um eine Online-Reaktorregelung handelt, und nicht etwa um ein parallel mitlaufendes Experten-System. Nur mit einer Online-Regelung lässt sich die vollständige Automatisierung – ohne Eingriff durch den Reaktorfahrer – erreichen. Aus verfahrenstechnischer Sicht ergibt sich hierdurch mit der gleichzeitigen Visualisierung auf dem Prozessrechner ein erheblicher Gewinn an Zuverlässigkeit und nuklearer Sicherheit.
Das beschriebene Konzept ist bei allen Druckwasserreaktoren anwendbar, insbesondere auch beim Europäischen Druckwasserreaktor (EPR) von AREVA. Für WWER-Anlagen ist eine Anpassung an das Regel-Konzept erforderlich. Eine direkte Übertragung auf Siedewasserreaktoren hingegen scheidet aufgrund der grundlegend verschiedenen Regelmethodik und -charakteristik vorläufig aus.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen erläutert.
1 gibt einen Überblick über ein Kernkraftwerk mit einem Druckwasserreaktor.
2 gibt einen Überblick über ein für einen Lastfolgebetrieb ausgelegtes Regelsystem zur Leistungsregelung eines Kernkraftwerks gemäß 1.
3 zeigt ein Diagramm mit verschiedenen Kenngrößen eines Kernkraftwerks mit einem Druckwasserreaktor als Funktion der Zeit im stochastischen Netz-Sekundärregelbetrieb, ohne Prädiktoreinfluss. Hier wird mittels des in 4 dargestellten Kennlinieneinflusses die von der Reaktorleistung abhängige Steigung der Bank-Sollwertkennlinie von Hand permanent verändert, was die Schwierigkeit einer manuellen Steuerung bzw. Nachjustierung im stochastischen Regelbetrieb zeigt.
4. zeigt diagrammatisch den Einfluss eines in die Lastfolgeregelung integrierten Prädiktors für die Xenonreaktivität auf die durch die Eintauchtiefe von Steuerstäben charakterisierten Kennlinien einer Steuerstabbank als Funktion der Reaktorleistung.
5 zeigt ein Diagramm bezüglich der zeitlichen Xenon-Reaktivität eines Kernkraftwerks mit einem Druckwasserreaktor bei einer Leistungssteigerung um 70% und einem Leistungsgradienten von 1,5%/min nach einem vorherigen Teillastbetrieb mit einer Dauer von 2 Stunden.
6 zeigt ein zu 5 analoges Diagramm bei einem vorherigen Teillastbetrieb mit einer Dauer von 6 Stunden.
7 zeigt ein zu 6 gehöriges Anlagenbild in Bezug auf das Reaktivitätsmanagement.
8 zeigt ähnlich wie 3 ein Diagramm mit verschiedenen Kenngrößen eines Kernkraftwerks mit einem Druckwasserreaktor als Funktion der Zeit im stochastischen Netz-Sekundärregelbetrieb, jedoch mit Prädiktoreinfluss.
Im Einzelnen:
1 gibt einen schematischen und stark vereinfachten Überblick über ein Kernkraftwerk 2 mit einem Druckwasserreaktor 4. In einem Reaktordruckbehälter 6 befindet sich ein Reaktorkern 8 mit Kernbrennstoff. Zur Abfuhr der Zerfallswärme aus dem Reaktorkern 8 ist der Reaktordruckbehälter 6 in einen primären Kühlmittelkreislauf 10 oder kurz Kühlkreislauf geschaltet, in dem ein primäres Kühlmittel zirkuliert. Der Zwangsumlauf des unter hohem Druck stehenden primären Kühlmittels wird durch eine primäre Hauptkühlmittelpumpe 12 bewirkt. Der Druck ist so hoch eingestellt, dass eine Verdampfung des primären Kühlmittels vermieden wird.
Ein in den primären Kühlmittelkreislauf 10 geschalteter Wärmeübertrager 14 dient zur Übertragung der vom primären Kühlmittel mitgeführten Wärme auf ein in einem sekundären Kühlmittelkreislauf 16 zirkulierendes sekundäres Kühlmittel. Da in dem Wärmeübertrager 14 das sekundäre Kühlmittel verdampft wird, wird der Wärmeübertrager 14 auch Dampferzeuger (DE) genannt. Das verdampfte sekundäre Kühlmittel strömt durch eine Turbine 18, in der es sich arbeitsleistend entspannt. Dadurch wird ein elektrischer Generator 20 angetrieben. Anschließend wird das entspannte sekundäre Kühlmittel in einem Kondensator 22 kondensiert und im flüssigen Zustand wieder dem Dampferzeuger 14 zugeführt, wodurch der sekundäre Kühlmittelkreislauf 16 geschlossen wird. Der Umlauf des sekundären Kühlmittels wird durch eine (hier nicht dargestellte) sekundäre Speisepumpe angetrieben.
Zur Leistungsregelung des Druckwasserreaktors 4 steht eine Anzahl von Steuerstäben 24 zur Verfügung, die üblicherweise in einer Steuerstabbank angeordnet sind, und die mittels eines zugehörigen Steuerstabantriebs bedarfsweise in den Reaktorkern 8 eingefahren und wieder aus ihm herausgefahren werden können. Die Steuerstäbe 24 wirken als Neutronenabsorber und beeinflussen durch ihre Stellung unmittelbar den Neutronenfluss im Reaktorkern 8 und damit die Kernspaltung. Insofern bildet die Steuerstabstellung eine vergleichsweise schnell wirkende Stellgröße für die Reaktorleistung PR, die wiederum für die am Generator 20 geforderte elektrische Leistung PG wesentlich ist.
Die elektrische Leistung PG am Generator 20 wird zudem durch den Massenstrom von verdampftem sekundären Kühlmittel oder kurz Dampf durch die Turbine 18 beeinflusst. Zur Einstellung bzw. Drosselung des Dampfmassenstroms dient ein zwischen Dampferzeuger 14 und Turbine 18 in den sekundären Kühlmittelkreislauf 16 geschaltetes Regelventil 26.
In erster Näherung vergleicht die Turbinenregelung 28 die am Generator 20 abgenommene elektrische Ist-Leistung PG mit einem – ggf. direkt durch den Lastverteiler vorgegebenen – Leistungssollwert und stellt das Regelventil 26 im Sinne der Regelvorgabe ein. Eine veränderte Leistungsbilanz zwischen erzeugter Reaktorleistung PR und abgenommener Generatorleistung PG führt zu einer veränderten mittleren Kühlmitteltemperatur KMT, die über die Reaktorregelung 30 die Steuerstabstellung anpasst. Die Reaktorregelung 30 vergleicht hierzu die mittlere Kühlmitteltemperatur KMT im primären Kühlmittelkreislauf 10 mit einem aus dem Leistungssollwert am Generator 20 abgeleiteten Kühlmitteltemperatur-Sollwert. Die mittlere Kühlmitteltemperatur KMT wird mit einer Mittelwertbildung 32 aus der gemessenen Reaktoraustrittstemperatur TA und der Dampferzeugeraustrittstemperatur TDA des primären Kühlmittels berechnet.
Langfristige Reaktivitätsänderungen – vor allem – durch Xenon und Kernabbrand werden durch eine Veränderung der Borsäurekonzentration im Primärkühlmittel ausgeregelt. Dieses erfolgt durch die Einspeisung von Borsäure (engl. boric acid) und/oder Deionat (demineralized water = entmineralisiertes Wasser), kurz BODE, in den primären Kühlmittelkreislauf 10. Die Einspeisung erfolgt über das an den primären Kühlmittelkreislauf 10 angeschlossene Volumenregelsystem. Borsäure wirkt als Neutronenabsorber. Mit größer werdender Borsäurekonzentration wird die Reaktorleistung bzw. die Reaktivität abgesenkt. Mit kleiner werdender Borsäurekonzentration, was durch die Erhöhung des Deionatgehalts erreicht wird, steigt die Reaktorleistung bzw. Reaktivität. Im Vergleich zur Steuerstabstellung handelt es sich bei der BODE-Einspeisung um eine langsam wirkende Stellgröße, mit der auch die Bankstellung angepasst wird.
Erschwert werden die Regelvorgänge durch das komplexe Zeitverhalten des sich im Reaktorkern 8 ansammelnden Spaltproduktes Xenon-135, kurz Xenon oder Xe. Xenon wirkt ähnlich wie Borsäure als Neutronenabsorber oder Neutronengift. Die Entstehung von Xenon im Rahmen der zugrunde liegenden Zerfallsketten und sein Abbau durch Neutroneneinfang (Ausbrand) sind gegenüber den auslösenden Prozessen zeitverzögert, so dass für den aktuellen und künftigen Lastzustand des Kernreaktors auch die entsprechende Historie der Xenonreaktivität betrachtet werden muss. Durch den spontan verstärkten Xenonausbrand im Verhältnis zur verzögerten Xenonentstehung über das Zwischenprodukt Jod im Reaktorkern 8 kann das Wiederhochfahren aus einem Teillastzustand abhängig vom Hochfahrgradienten und Leistungszielwert unterschiedlich stark unterstützt werden. Hierbei ist auch die Xenon- und Jod-Historie durch die vorangegangenen Laständerungen relevant. Dies muss durch geeignete Regelung der Steuerstabstellung im Teillastzustand über eine BODE-Einspeisung berücksichtigt werden.
Dies spielt vor allem im sogenannten Lastfolgebetrieb eine Rolle, speziell im stochastischen Netz-Sekundärregelbetrieb, in dem der Lastverteiler des elektrischen Verbundnetzes den Stromerzeugern ferngesteuert zeitlich schwankende Zielwerte für die elektrische Leistung diktiert. Diese Zielwerte unterliegen stochastischen Schwankungen und sind nicht planbar. Es besteht lediglich eine mit dem jeweiligen Stromlieferanten in Abhängigkeit von der Kraftwerksauslegung getroffene Vereinbarung hinsichtlich der jederzeit anforderbaren maximalen Lastrampe, die durch die aktuell gemessene Reaktorleistung PR, die maximale Zielleistung PMAX und den maximalen (zeitlichen) Leistungs- oder Lastgradienten dPG/dt definiert ist.
Das in 2 dargestellte Regelsystem 40 ist in spezifischer Weise für die Beherrschung der oben genannten Effekte bei der Leistungsregelung eines Kernkraftwerkes 2 des im Zusammengang mit 1 beschriebenen Typs im stochastischen Lastfolgebetrieb ertüchtigt. Das in der Reaktorregelung implementierte Regelschema und die dazu eingesetzten und miteinander verknüpften Komponenten werden nachfolgend beschrieben.
Ein wesentlicher Bestandteil des Regelschemas ist eine prädiktive, also vorrausschauende Bilanzierung der von Xenon-135 bewirkten Beiträge oder Anteile an der Reaktivität des Reaktorkerns 8, kurz der Xenonreaktivität.
Ein zyklisch in der Reaktorregelung abgearbeitetes Zustandsmodell 42 berechnet anhand der gemessenen aktuellen Reaktorleistung PR und deren Vergangenheit die aktuellen integralen Konzentrationen von Iod (J) und Xenon (Xe) im Reaktorkern 8. Die Reaktorleistung PR ist der einzige Messwert, der in die Berechnung eingeht. Die übrigen Parameter des Zustandsmodels 42 sind fixiert. Sie sind spezifisch an den Reaktortyp und die Kernbeladung angepasst/modelliert.
Die Reaktorleistung PR kann beispielsweise indirekt über den Neutronenfluss im Reaktor mit Hilfe entsprechender Detektoren gemessen werden (wie in 2 angedeutet). Alternativ kann man eine thermische Leistung über die Aufwärmspanne ermitteln oder die gemessene Generatorleistung PG als Grundlage der Messung nehmen und ggf. umrechnen (die normierten Leistungssignale für Reaktor und Generator sind im oberen Leistungsbereich mit Blick auf die benötigte Genauigkeit quasi identisch).
Des Weiteren macht ein zyklisch in der Reaktorregelung arbeitendes Prädiktormodul oder kurz ein Prädiktor 44 eine Vorhersage des künftigen zeitlichen Verlaufs der integralen Konzentrationen von Iod und Xenon im Reaktorkern 8, und zwar unter der Annahme, dass die mit dem Lastverteiler vereinbarte maximale Lastrampe jederzeit abgerufen werden kann. Wie bereits weiter oben andeutetet, ist die maximale Lastrampe in der Lastwechselspezifikation 70 durch die aktuelle Reaktorleistung PR, die maximale Zielleistung PMAX und den maximalen (zeitlichen) Leistungs- oder Lastgradienten dPG/dt oder durch zu den genannten Größen äquivalente und umrechenbare Größen definiert. Der Prädiktor 44 löst dazu in iterativer Weise ein nichtlineares Anfangswertproblem mit den vom Zustandsmodell 42 gelieferten Anfangswerten und den durch die maximale Lastrampe definierten Parametern.
Damit ist gewissermaßen ein Tandem-Modell 46 aus einem Xenon-Zustandsmodell 42 und einem zeitabhängigen prädiktiven Xenonmodell (Prädiktor 44) verwirklicht, wobei das aus aktuellen Messwerten für die Reaktorleistung PR gespeiste, den aktuellen Lastzustand des Reaktors charakterisierende quasistatische Modell die Eingangswerte für das prädiktive zeitabhängige Modell liefert. Beide Modelle werden zyklisch, beispielsweise alle 50 Millisekunden auf dem zugrunde liegenden Regelungsrechner abgearbeitet. Hierbei wird für die prädiktive Lastrampe und die resultierende prädiktive Xenonberechnung ein eigenes zusätzliches Zeitinkrement bestimmt, das eine prädiktive Durchrechnung der maximalen Lastrampe innerhalb von 10 Sekunden mit ausreichender Genauigkeit zulässt. Bei jedem Durchlauf werden die aktuellen Eingangswerte für das prädiktive Modell durch das Ist-Modell aktualisiert.
Aus dem vorhergesagten zeitlichen Verlauf der Xenonkonzentration wird der aktuell unter den getroffenen Annahmen zu erwartende, künftige zeitliche Verlauf der Xenonreaktivität während der maximalen Lastrampe ermittelt und einem Reaktivitätsmodul 48 zugeführt, welches – ebenfalls vorausschauend – eine Reaktivitätsbilanz für den Reaktorkern 8 erstellt. In die Reaktivitätsbilanz gehen neben der Xenonreaktivität auch noch andere relevante Reaktivitätsbeiträge ein, die im Gegensatz zur Xenonreaktivität jedoch in linearer Näherung ohne Zeitverzögerungseffekte berücksichtigt werden können. Hierzu werden dem Reaktivitätsmodul 48 eingangsseitig entsprechende Reaktivitätskoeffizienten aus einem zugehörigen Koeffizientenmodul 50 zugeführt.
Die im Reaktivitätsmodul 48 ermittelte, prädiktive Reaktivitätsbilanz wird in einem mit der Reaktorregelung verbundenen Prozessinformationssystem 52 mittels geeigneter Diagramme und dergleichen graphisch dargestellt oder visualisiert, so dass das Bedienpersonal die bevorzugt vollautomatisch ablaufenden Regelungsvorgänge überwachen und bedarfsweise eingreifen kann.
Die vorrausschauend im Hinblick auf eine jederzeit vom Lastverteiler anforderbare Lastrampe ermittelte Reaktivitätsbilanz wird in einem (Prädiktor-gesteuerten) Stabstellungs-Sollwertmodul 54 verwendet, um entsprechende Sollwerte für die Steuerstabstellung zu ermitteln, die eine Reaktorfahrweise mit einer solchen Lastrampe, falls sie tatsächlich angefordert wird, ermöglichen. Dies erfolgt unter der Nebenbedingung, die BODE-Einspeisungen in den primären Kühlmittelkreislauf 10 zu minimieren, um die Last auf die zugehörigen Subsysteme möglichst gering zu halten.
In der in 2 gezeigten Implementierung lässt sich der Einfluss des Prädiktors 44 bedarfsweise ausschalten, beispielsweise zu Kontrollzwecken oder zum Fahren langfristiger Teillastzustände mit Steuerstabstellungen in der sogenannten „Volllaststellung”. Die Abschaltmöglichkeit ist hier rein schematisch durch einen symbolischen Schalter 56 im Signalweg angedeutet und kann in der Praxis auf alternative Weise oder an anderer Stelle verwirklicht sein. Bei abgeschaltetem Prädiktor-Einfluss kann der Bankstellungssollwert mit der Stabstellungs-Einstellung 58 von Hand beeinflusst werden. Mit anderen Worten: Bei abgeschaltetem Prädiktor-Einfluss fällt die Reaktorregelung in ihre unmodifizierte Grundfunktionalität zurück.
Der auf die beschriebene Weise ermittelte Sollwert für die Steuerstabstellung wird einem konventionellen Regelmodul 60 oder Grundregelmodul mit geeigneten Stellgliedern für die Steuerstäbe 24 zugeführt, so der jeweilige Istwert der Steuerstabstellung an den Sollwert angeglichen wird. Das konventionelle Regelmodul 60 erhält außerdem die Reaktivitätskoeffizienten aus dem Koeffizientenmodul 50 und, sofern verfügbar, die aktuellen integralen Konzentrationen von Iod und Xenon im Reaktorkern 8 aus dem Zustandsmodell 42 als Eingangswerte. Ausgangsseitig steuert es neben den Stellgliedern für die Steuerstäbe 24 auch die BODE-Einspeisungen, hier exemplarisch über zugehörige Regelventile 62, 64 in den BODE-Einspeiseleitungen, falls die Steuerstabstellung im Teillastzustand – gemäß Prädiktion – zu korrigieren ist oder der gewünschte Lastwechsel nicht durch die Steuerstabstellung alleine verwirklicht werden kann. Die dargestellte Hochdruck-Förderpumpe 66 des Volumenregelsystems läuft üblicherweise kontinuierlich.
Das konventionelle Regelmodul 60 ist damit in der Lage, auch ohne den Prädiktor 44 zu arbeiten. Der Prädiktor 44 und die ihm nachgeschalteten Bestandteile des Reaktivitätsmanagements mit prädiktivem Charakter, hier nämlich das Reaktivitätsmodul 48 und Stabstellungs-Sollwertmodul 54, sind gewissermaßen zuschaltbare Zusatzkomponenten der Reaktorregelung. Dies erhöht nicht nur die Ausfallsicherheit der grundlegenden, nicht prädiktiven Regelfunktionen, sondern ermöglicht auch eine einfache Nachrüstung von bestehenden Anlagen.
Soweit die allgemeine, überblicksartige Systembeschreibung. Weitere Details gehen hervor aus dem nachfolgenden technischen Anhang, der auch die weiteren Figuren beinhaltet und erläutert.
Technischer Anhang
Zum besseren Verständnis sei angemerkt, dass sich der Anhang auf einen Reaktortyp bezieht, bei dem zwei verschiedene Typen von Steuerstabbänken vorhanden sind, nämlich eine D-Bank und eine L-Bank. Die L-Bank dient überwiegend zur Steuerung der (lokalen) Leistungsverteilung im Reaktorkern, während die D-Bank in erster Linie zur (integralen) Leistungssteuerung über den Dopplereffekt dient. Die D-Bank ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung die relevante Steuerstabbank.
Weiterhin werden im Text die folgenden Abkürzungen verwendet:
ALFC = Advanced Load Following Control (= fortschrittliche Lastfolgeregelung)
KMT = Kühlmitteltemperatur
D-BARE = D-Bank-Regelung
STAFAB = Steuerstabfahrbegrenzung
Mit der Kennlinienverschiebung wird der Drehpunkt der D-Bank-Sollwertkennlinie verschoben (daher der Name) und zwar auf den Maximal-Lastpunkt (= PMAX).
1. Hintergrund
Hintergrund für die im Rahmen der vorliegenden Erfindung implementierte „adaptiven Leistungsverteilungs- und Bankstellungs-Regelung” (ALFC) sind die folgenden Verbesserungsmöglichkeiten hinsichtlich der Bedienung und Überwachung durch das Schichtpersonal vor allem beim stochastischen Netz-Sekundärregel-betrieb (N-SR):

• Die strategische Einstellung des D-Bank-Kennlinieneinflusses (KE) (4) zur Festlegung des geeigneten D-Bankfahrweges zum Wiederhochfahren ist gerade im stochastischen Netz-Sekundärregelbetrieb schwer möglich (3). Da sich hier kein eindeutiges stationäres Teillastniveau einstellt, ist der im Tertiärregelbetrieb praktizierte „Soll-Ist-Angleich” nur unzulänglich möglich. Eine langfristige Betriebsverfolgung diesbezüglich – gerade mit Blick auf die langfristige Xe-Entwicklung – ist zusätzlich durch den regelmäßigen Schichtwechsel erschwert. Die schwierige Suche nach der geeigneten Einstellung des D-Bank-Kennlinieneinfluss einerseits mit dem Ziel Bor-/Deionat-Einspeisungen (BODE) zu minimieren (aus Kapazitätsgründen der Verdampferanlage in der Kühlmittelaufbereitung) und andererseits immer den geeigneten Steuerstabfahrweg (
D-Bank-Kennlinieneinfluss) zum Hochfahren zu haben, ist aus bisherigen Pilotprojekten zu ersehen (3). Eine anwählbare automatische Verstellmöglichkeit für den D-Bank-Kennlinieneinfluss ist daher sinnvoll.
• Im Sinne eines angestrebten Reaktivitätsmanagements ist einerseits eine vollständige Automatisierung diesbezüglich wünschenswert. Zusätzlich zu der im ALFC realisierten Reaktivitätsbilanz sollten deshalb die Xenonreaktivitätseffekte in der potentiellen Hochfahrrampe, die jederzeit beginnen kann, prädiktiv vorausgerechnet werden. Andererseits sollte dieses Reaktivitätsmanagement vorteilhafterweise auf dem Prozessdaten- und Informationssystem mit einem geeigneten Anlagenbild visualisiert werden.

2. Aufgabenstellung
Eine Reaktivitätsbilanz, die den Bedarf von zusätzlichem Deionat („Zusatzdeionat”) bei Leistungserhöhungen erkennt, ist im ALFC in einer Basisversion implementiert. In diesem Zusammenhang werden bereits alle erforderlichen Reaktivitätseffekte berücksichtigt. Bezüglich

• der verfügbaren Steuerstabfahrwege der D- und L-Bank
• sowie der zu kompensierenden Leistungsreaktivität
• und ggf. auch der KMT-Reaktivitätsrückwirkungen (z. B. bei Leistungserhöhungen mit Änderung des KMT-Sollwertes)

Die folgenden zeitlich komplexeren Reaktivitätsbeiträge werden simuliert:

• Reaktivitätseffekte durch Nachlauf von BODE im Volumenregelsystem
• Integrale Xe-Vergiftung (Xe-135) mit der zeitlich verzögerten indirekten Entstehung über das Jod und den verzögertes Zerfallsprozess des instabilen Xe-135.

Die bereits implementierte Simulation des Reaktivitätseinflusses dieses Xe-135 liefert die aktuellen Reaktivitätsbeiträge in der Dimension „pcm/min” auf die Reaktivitätsbilanz. Mit Blick auf die Reaktivitätsbilanz am Zielpunkt einer Leistungserhöhung wäre eine vorrausschauende „prädiktive” Bilanz des gesamten Reaktivitätsbeitrages des Xe-135, der während einer Leistungserhöhung in der Regel Reaktivität zuführt hilfreich, um den geeigneten Steuerstabfahrweg bei Teillast für diese Leistungserhöhung zur Verfügung stellen zu können. Dies wird bislang von Hand mit dem D-Bank-Kennlinieneinfluss gemacht. Am Beispiel einer Reaktorleistungserhöhung um 70% (von 30% auf Volllast) mit zwei unterschiedlichen Teillastdauern soll die unterschiedliche Wirkung dieser Xe-Reaktivität verdeutlicht werden:

• Bei einer Teillastdauer von 2 h (5) ist das sogenannte instationäre Xe-Maximum (= max. Vergiftung) noch nicht erreicht. Das heißt, die Leistungserhöhung startet in einem Bereich einer sich noch aufbauenden Xe-Vergiftung, so dass erst nach einer Leistungssteigerung um ca. 20% dieser Aufbau (= Reaktivitätsverlust) beendet ist, und erst danach langsam in einen – die Leistungserhöhung unterstützenden – Xe-Ausbrand (= Reaktivitätsgewinn) „umkippt”. Insgesamt ergibt sich deshalb nur ein Reaktivitätsgewinn von ca. 100 pcm, der diese gesamte Leistungserhöhung unterstützt. Dies entspricht etwa 20% einer D-Bank, die entsprechend weniger zur Leistungserhöhung ausgefahren werden muss.
• Deutlich anders sieht dies bei einer Leistungserhöhung nach einer Teillastdauer von 6 h (6) aus. Hier wird die Anlage aus dem sogenannten Xe-Maximum angefahren. Der Xe-Ausbrand beginnt sofort nach der Leistungserhöhung und liefert insgesamt – während der ganzen Lastrampe – einen Reaktivitätsbeitrag von 500 pcm. Dies entspricht etwa einer ganzen D-Bank, die entsprechend weniger zur Leistungserhöhung ausgefahren werden muss.

Mit Blick auf die Kompensation des teilastbedingt entstehenden vorübergehenden Xe-Maximums lässt sich auf Basis dieser Beispiele sagen, dass diese Vergiftung teilweise durch Ziehen der D-Bank kompensiert werden kann, da mit ansteigender Xe-Vergiftung der Xe-Ausbrand bei einer Leistungserhöhung mehr Reaktivität zuführt. Ein prädiktiv geführter D-Banksollwert (
D-Bank-Kennlinieneinfluss) spart in diesem Zusammenhang unnötige BODE-Einspeisungen und trägt somit gerade zum BE-Zyklusende hin zur Erhöhung der Lastflexibilität bei (Kapazität der Kühlmittelaufbereitung wird führend).
3. Überblick über die Prädiktion
Aufbauend auf der beschriebenen Basisversion des ALFC sehen die prädiktiven Ergänzungen folgendermaßen aus (vgl. 2):
Diese eben diskutierten – während der Rampe auftretenden – Xe-Reaktivitätsbeiträge sollen zukünftig prädiktiv vorausgerechnet werden, um somit über eine vorausschauenden Reaktivitätsbilanz in jedem Teillastpunkt – mit Blick auf den stochastischen N-SR (Netz-Sekundärregelbetrieb) – den geeigneten D-Bank-Sollwert über den D-Bank-Kennlinieneinfluss einstellen zu können. Dieser prädiktive Einfluss auf den D-Bank-Kennlinieneinfluss soll abwählbar sein, um im Tertiärregelbetrieb bei sehr langen „bekannten” Teillastdauern der Reaktor auch mit der Kernabbrand-relevant günstigeren Volllaststellung der D-Bank fahren zu können. Im häufiger auftretenden N-SR bzw. Tertiärregelbetrieb mit kürzerer Teillastdauer (< ca. 1 Tag) ist der Prädiktor-Einfluss (PE) immer angewählt. Zur Unterstützung des Schichtpersonals bzgl. ihres Überwachungsauftrages wird diese vorausschauende Reaktivitätsbilanz in dem Anlagenbild „Reaktivitätsmanagement” (beispielhaft in 7 dargestellt) visualisiert. Die zyklisch erforderliche Prädiktion des Xe-Reaktivitätsbeitrages für eine potentielle Leistungserhöhung erfolgt mit einer Häufigkeit von ca. 10 s. Hierbei werden die aktuellen Jod- und Xe-Integrale aus der bestehenden kontinuierlich mitlaufenden Xe-Rechnung als Startgrößen ausgelesen. Als Zielleistung wird die mit der Kennlinienverschiebung eingestellte maximale Zielleistung (P_MAX) verwendet, die mit dem eingestellten Turbinengradienten „dP/dt” in der Vorausrechnung – ausgehend von der Istleistung – angefahren wird. Auf diese Weise kann die potentielle Lastrampe für die Xe-Prädiktion beschrieben werden.
Zusätzlich zur automatisierten Einstellung des D-Bank-Kennlinieneinflusses kann über die ergänzende Vorausrechnung der möglichen Wirkung des Zusatzdeionats, das auch eine Lastrampe unterstützen kann, eine in der bestehenden ALFC-Schaltung schon vorhandene Wartezeit optimiert werden, bevor bei offensichtlich knappem D-Fahrweg gleich Deionat eingespeist wird. Dies wird im Zusammenspiel mit der bestehenden Funktion „D-BARE nach Laständerung bzw. N-SR” gelöst und trägt zur Minimierung der BODE-Einspeiseraten bei. Denn vielleicht will der Lastverteiler im nächsten Schritt nicht hoch sondern weiter runterfahren. Das heißt, Einspeisungen werden bei Teillast – solange diese während der Hochfahrrampe noch kompensiert werden können – verzögert. Dies entspricht schon dem aktuellen Regelalgorithmus, kann aber mit vorausschauender Reaktivitätsbilanz präzisiert werden.
Außerdem wird auch die aktuell bestehende Zusatzdeionatfunktion mit der Xe-Prädiktion optimiert, da hier zur Zeit nur der momentane Xe-Gradient verwendet wird, der über die – sich während der Rampe ändernde – „zukünftige” Xe-Entwicklung keine Aussage machen kann.
Basis für die Gesamtbilanz sind die bestehenden – bereits bewährten – Reaktivitätskoeffizienten der ALFC-Regelungen. Die ALFC-Reaktorleistungsregelung bekommt mit jeder neuen Kernbeladung einen neuen Satz von Reaktivitätskoeffizienten über das Servicegerät mitgeteilt. Diese Koeffizienten und deren Veränderung über den Brennelementzyklus als Funktion der Referenzborkonzentration werden bei der Kernauslegung ermittelt, so dass über das Servicegerät mit der entsprechenden grafischen Bedienmaske deren Kennlinie – mit bis zu 3 Stützpunkten – eingestellt werden kann. Als Maß für die Referenzborkonzentration C_R (Borkonzentration bei Volllast mit Xe-Gleichgewicht) wird der Borkonzentrationssollwert der Leittechnikfunktion zur primärseitigen Leckageergänzung (PRILE) verwendet. Die relevanten Reaktivitätskoeffizienten sind:

• die Borwirksamkeit Γ_C,
• die D-Bankwirksamkeit Γ_D zur Leistungsverteilungs-(LV)-Feinregelung am Volllastpunkt,
• die D-Bankwirksamkeit Γ_DM gemittelt für Reaktivitätsbilanzen im Zusammenhang mit Lastzyklen,
• die L-Bankwirksamkeit Γ_L,
• der Kühlmitteltemperaturkoeffizient Γ_T, und
• der Leistungsreaktivitätskoeffizient Γ_P (im Wesentlichen Dopplerreaktivität).

Die Arbeitsweise des Prädiktors in einem Umfeld mit stochastischen (vom Lastverteiler ferngesteuerten) Laständerungen ist möglich, da das prädiktive Xenon-Modell immer auf den aktuell mitgerechneten Werten der Jod und er der Xenonkonzentration aufsetzt. Aus jedem stochastischen Lastpunkt kann somit die zukünftige Xenonentwicklung bis zur Maximallast mit maximalem Hochfahrgradienten bestimmt werden (8).
Konkret ist in 8. korrelierend zur stochastischen Laständerung PG die aktuelle Xenon-Reaktivität dargestellt; in diesem Fall als Ergebnis eines 2-Punktmodels mit einem Rechenpunkt für die obere und einem Rechenpunkt für die untere Kernhälfte (für die Prädiktion wird aber vorzugsweise nur mit einem Rechenpunkt gearbeitet, was völlig ausreichend ist; das 2-Punktmodel bleibt der Leistungsverteilungsregelung vorbehalten; das 1-Punktmodel würde den Mittelwert des 2-Punkt-Modells liefern). Die Tangente mit ihrem unteren und oberen Punkt symbolisiert die Xenonänderung (= Reaktivitätsgewinn; die Zahlenwerte werden weniger negativ), die sich während einer maximalen Hochfahrrampe in diesem Bereich ergibt. Dieser Reaktivitätsgewinn wird zum Zeitpunkt des unteren Punktes bereits durch den Prädiktor vorhergesagt.
Das Anlagenbild „Reaktivitätsmanagement” (7) soll hochfahrrelevant die Erreichbarkeit der Zielleistung visualisieren. Hierbei werden die eben genannten Reaktivitätskoeffizienten in den Kontext mit der relevanten Prozessgröße gestellt und deren potentieller Reaktivitätsbeitrag in dieser Lastrampe aufgezeigt. Die zum Verständnis eingeblendeten Zahlenwerte fußen auf der oben diskutierten Lastrampe (PR-Erhöhung um 70% mit 1,5%/min = ca. 20 MW/min) nach 6 h Teillast zu Zyklusbeginn bei einer Referenzborkonzentration C_R = 700 ppm. In diesem Beispiel ergibt sich ein positiver Reaktivitätsüberschuss in „pcm”, dessen D-Bank-Äquivalent in „cm” und dessen Borkonzentrationsäquivalent in „ppm” dargestellt wird. In diesem Beispiel war der „Prädiktor-Einfluss” (PE) abgeschaltet, und es wird eine entsprechende Änderung des D-Bank-Kennlinieneinflusses vorgeschlagen. Auch mit beginnender Rampe wäre dieser Reaktivitätsüberschuss kein Problem: Eine Mischungsbilanz für den Zeitraum der Lastrampe zeigt die erforderliche Boreinspeiserate auf, die in diesem Beispiel noch unter der Mindesteinspeiserate der Pumpe liegt. Sollte eine BODE-Kompensation mit maximaler Einspeiserate noch möglich sein, so erfolgt ein entsprechend grün umrandeter Hinweis. Andernfalls erfolgt eine rot umrandete Warnung.
Ergänzung zum Verständnis dieser Rampe:
Durch den Xe-Ausbrand während der Hochfahrrampe wird erheblich Reaktivität gewonnen. Das heißt, die D-Bank steht am Startpunkt für diese Rampe zu tief, weshalb hochfahrbegleitend Borsäure eingespeist werden muss (sonst würde es die Steuerstabfahrbegrenzung STAFAB machen). Die Regelung wird diese Einspeisung über die vorgelagerte Sicherung des STAFAB-Abstandes ausführen. Dies kann zeitlich leicht parallel zur Hochfahrrampe erledigt werden.
4. Informationsverarbeitung in der TXS-Leistungs-Regelung
Im Folgenden wird die Funktionsweise des Prädiktors und dessen Interaktion im digitalen TXS-Leittechniksystem mit den bestehenden Regelungsmodulen beschrieben.
i) Prädiktive Xe-Berechnung
Die Xenon-Gleichungen werden mathematisch als Anfangswertproblem formuliert. Das integrale Ist-Xenon-Modell liefert zu jeder Zeit die aktuelle Xenon- und Joddichte als Funktion der aktuellen Reaktorleistung. Die Berechnung fußt auf dem Zusammenhang, dass eine lineare Rampe zwischen aktueller Reaktorleistung und der Zielleistung (= PMAX = Kennlinienverschiebung) besteht, mit einer Steigung, die durch den aktuellen Turbinenleistungsgradienten gegeben ist. Mit Hilfe von diskreten Xenongleichungen wird die prädiktive Xenondichte berechnet. Eine Berechnung der Xe-Dichte alle 10 s ist für die weitere Verarbeitung ausreichend.
Das Prädiktor-Modell löst die identischen Differentialgleichungen für Jod und Xenon wie das Ist-Xenon-Modell. Der Unterschied zum Punktmodell für die Ist-Xenonreaktivität liegt im zeitlichen Inkrement (Delta T) der beiden Integratoren für Jod und Xenon. Dieses wird abhängig von der Dauer (= Zeit) des maximalen Lasthubes – mit max. Gradient (eingestellt in der Turbinenregelung) und maximaler Zielleistung (= PMAX = Kennlinienverschiebung) – und der Rechenschrittanzahl von n = 200 bestimmt. Der aktuelle Rechenschritt (VARIABLE N) wird mit einer Zählfunktion bestimmt. Bei N < 1 ist der Startpunkt „START” für einen Prädiktionslauf definiert und bei N > 199 der Endpunkt „VALID”. Neben dem zeitlichen Inkrement wird als Funktion von N die Prädiktionsleitungsrampe – normiert in Neutronenflussdichte „PRÄ NFL” – vorgegeben. Diese Lastrampe startet für die Prädiktion bei der Ist-Reaktorleistung und endet bei PMAX (= Kennlinienverschiebung). Zum Startpunkt „START” werden für das Prädiktions-Model die Istwerte der aktuellen Jod- und Xenonkonzentration („Jod PM” und „Xe PM”) eingelesen. Am Endpunkt „VALID” der Prädiktions-Lastrampe wird die Xenon-Reaktivität – für den Verlauf des nächsten Rechendurchlaufes (≈ 10 s) – gespeichert und mit der Ist-Xenonreaktivität verglichen. Diese Differenz „Xe Erg” wird für das prädiktive Reaktivitätsmanagement in der D-BARE (D-Bankregeleinrichtung der Reaktorregelung) verwendet.
ii) Erläuterung des Xenon-Models
Das bekannte Xenon-Modell ist ein Modell, das die Erzeugung von Xenon und Jod durch Neutroneneinfang und induzierten Zerfall und die Zerfälle von Jod und Xenon beschreibt. Das Modell wird durch zwei gekoppelte Gleichungen beschrieben. Diese Gleichungen werden online in den Automatisierungsrechnern berechnet.
X ist Xenon; J ist Jod;
ist der Neutronenfluss;
ist der Absorptionsquerschnitt von Xenon; λ_j ist die Zerfallskonstante von Jod;
ist die Zerfallskonstan te von Xenon; γ_j ist die Jodausbeute und
ist die Xenonausbeute.
Der Neutronenfluss ist proportional zur Reaktorleistung. Die Reaktorleistung ist die einzige gemessene Größe.
Die beiden Gleichungen sind ein Anfangswertproblem und damit ein bekanntes Problem der Mathematik. Wenn man Jod und Xenon zum Zeitpunkt t = 0 kennt und die Reaktorleistung zu allen Zeiten kennt, kann man J(t) and X(t) berechnen.
Das Ziel des Prädiktors ist es, die benötigte Reaktivität zu berechnen, wenn man mit einer gegebenen maximalen Rampe (grad) von der aktuellen Reaktorleistung
nach
fährt. Dieser Vorgang wird mit Gleichung (3) beschrieben.
Nach der Zeit t_ftn ist der Zielpunkt erreicht.
Indem man Gleichung (3) in Gleichung (1) und (2) einsetzt und die Anfangswerte von J(t) und X(t) bekannt sind, kann man die Xenonkonzentration
zum Zeitpunk
berechnen.
iii) Einbindung des Xenon-Prädiktors in die Regelung
Das Ergebnis der Xenonprädiktion „Xe Erg”, das den Xenonreaktivitätsgewinn über die prädizierte Lastrampe liefert, wird mit den literarisierten übrigen Reaktivitätseffekten, die sich während der prädizierten Lastrampe auch ergeben, verknüpft:

• Leistungsreaktivität
• Reaktivitätsänderung der KMT
• L-Bank-Reaktivität
• BODE-Nachlauf

Hieraus lässt sich

• additiv die erforderliche D-Bank-Reaktivität „ρD erf.”
• bzw. unter zusätzlicher Berücksichtigung der gemittelten D-Bank-Reaktivitätswirksamkeit (Γ_DM) der D-Bankfahrweg „SD erf.”

• Der Kennlinieneinfluss „KE” und damit der D-Banksollwert kann automatisiert eingestellt werden, wenn der „Prädiktoreinfluss” eingeschaltet ist. Dies erfolgt über eine Nachführregelungsschleife, die die „Dopplerkennline mit KE” mit „SD erf.” vergleicht. Nur für Laständerungen nahe Volllast, wenn das Xenon nahezu keine Rolle spielt, wird die KE-Vorgabe vereinfacht, indem die D-Bank-Reaktivitätswirksamkeit (Γ_D; nicht gemittelt!) in Relation zur Leistungsreaktivität und zur Grundsteigung der D-Bankkennlinie – nämlich 19 cm/% – gesetzt wird.
• Gleichzeitig wird überwacht, ob beim Hochfahren die Zielleistung mit der im Teillastzustand vorhanden Reaktivität erreicht werden kann und zwar unter Berücksichtigung „maximaler begleitender BODE-Einspeisungen”:
– Bor mit 6 kg/s
– Deionat mit 12 kg/s.

Diese Überwachung erfolgt auf Basis von „ppm”-Äquivalenten. Hierfür wird der D-Bank-Reaktivitätsüberschuss bzw. -Mangel mit der Borwirksamkeit T entsprechend umgerechnet. Die Wirksamkeiten der „maximalen begleitender BODE-Einspeisungen” werden über die Mischungsgleichungen mit Blick auf das Masseninventar des Primärkreislaufes (300 t) ebenfalls in „ppm”-Äquivalente umgerechnet.
Prinzipiell werden BODE-Einspeisungen im Teillastzustand solange wie möglich hinausgezögert, um diese BODE-Einspeisungen zu minimieren. Vielleicht fährt – beispielsweise – der Lastverteiler weiter runter statt rauf und der dadurch weiter zunehmende Xe-Reaktivitätsverlust kompensiert zunächst einen zuvor eventuell vorhandenen Reaktivitätsüberschuss.
Zum Einleiten von BODE-Einspeisungen wird der D-Bank-Reaktivitätsüberschuss bzw. -Mangel mit der Kompensationsmöglichkeit durch BODE während der maximalen Lastrampe höher (mit eingestelltem Turbinenleistungsgradient zur P_MAX) auf Basis der eben genannten maximalen Einspeisewerte verglichen. Unter Berücksichtigung einer Wartezeit und einer Abfallverzögerung von jeweils 3 min im Bor- und Deionat-Rechenpfad (zur Berücksichtigung des stochastischen Netz-Sekundärregelbetriebs) werden für die „D-BARE nach Laständerung und SR” die folgenden Freigaben für den jeweils relevanten Fall (D ist entweder zu hoch oder zu tief) gegeben und verknüpft:

• „Bor frei SR” &-verknüpft mit „D tief” & kein „Xe-Reakt-Verlust”
• „Deionat frei SR” &-verknüpft mit „D hoch” & kein „Xe-Reakt-Gewinn”

Hierdurch wird die für den SR-Betrieb vorgesehene Wartezeit umgangen, und zwar

• 10 min-Wartezeit für das Bor
• 20 min Wartezeit für das Deionat

Gleichzeitig wird über das Signal „Bil BoDe frei” in der „D-Banksollwertbildung” die SR-relevante Umschaltung auf das PR-abhängig erweiterte D-Bankstellungstotband blockiert. Diese Maßnahmen greifen nur, wenn der Prädiktor-Einfluss eingeschaltet ist, denn sie machen nur mit einem automatisch korrekt eingestellten Kennlinieneinfluss Sinn. Die Einspeiseraten sind zunächst die Mindestmengen, wobei die des Deionats mit dem CR-Faktor korrigiert ist.
Ergibt sich dann eine Leistungserhöhung mit Reaktivitätsmangel, kommt es parallel zum Ansprechen von „Zusatzdeionat für Leistungserhöhungen”. Entsprechend den schon bestehenden Rechenalgorithmen mittels Reaktivitätsbilanz wird jetzt die maximale Deionatmenge gefordert.
Im Zusammenhang mit der eben beschriebenen Signalbildung „Deionat frei SR” wird allerdings die normalerweise für den SR-Betrieb vorgesehene 3 min-Ansprechverzögerung aufgehoben (über das Signal „Zusatzdeionat frei”), so dass bei Reaktivitätsmangel und erkannter Leistungserhöhung quasi sofort (nur 20 s verzögert) mit der Deionateinspeisung begonnen wird. Grundsätzlich geht das aus der Prädiktion abgeleitete „Xe ERG” in die Reaktivitätsbilanz ein. Kurz vor Erreichen der Zielleistung (bis 10% vorher) wird auf das ursprüngliche Signal zurückgeschaltet. Dieses Schalten kann aber über das Servicegerät blockiert werden.
Ergibt sich eine Leistungserhöhung mit Reaktivitätsüberschuss, dann kommt es parallel zum Ansprechen der UG-Funktion „Sicherung des STAFAB-Abstandes”. Jetzt wird nur für den Fall, dass die Maximalanforderung durch den Lastverteiler (PS > Kennlinienverschiebung – 10%) erkennbar ist, die Bormenge auf 6 kg/s gesteigert. Ansonsten wird nur mit doppelter Menge eingespeist.
iv) Zu- und Abschalten des Prädiktoreinflusses
Durch Zu- und Abschalten des Prädiktor-Einflusses am Wartenbaustein „Präd.Einfluss” werden die folgenden Funktionen wirksam bzw. unwirksam:

• Automatische Verstellung des Kennlinieneinflusses
• Überwachung, ob beim Hochfahren die Zielleistung mit der im Teillastzustand vorhanden Reaktivität erreicht werden kann und falls erforderlich entsprechende Beeinflussung der „Wartezeit in der D-BARE nach Laständerung bzw. SR” sowie Beeinflussung des „Zusatzdeionats zur Leistungserhöhung” (Umgehung der Wartezeit) und der Sicherung des STAFAB-Abstandes (Erhöhung der Durchsatzsollwerte).

Sollten Funktionsstörungen der Prädiktion auftreten, kann über das Servicegerät das Signal „PRÄ EIN” auf Null gesetzt werden. Hierdurch wird zusätzlich zu den beiden eben genannten Punkten auch die Einbindung des prädiktiv ermittelten „Xe Erg” in die Funktion „Zusatzdeionat zur Leistungserhöhung” unterbrochen. An Stelle dessen wird auf den Einfluss aus dem Ist-Xenon-Punktmodell zurückgeschaltet.
Die Abwahlmöglichkeit des Prädiktors von der Warte aus ist für längere Teillastfahrweisen mit konstanter Leistung und D-Bank in Volllaststellung vorgesehen. Hier ist die manuelle Einstellmöglichkeit des Kennlinieneinflusses (KE = 0) erforderlich.
Bezugszeichenliste

2: Kernkraftwerk
4: Druckwasserreaktor
6: Reaktordruckbehälter
8: Reaktorkern
10: primärer Kühlmittelkreislauf
12: Hauptkühlmittelpumpe
14: Wärmeübertrager/Dampferzeuger
16: sekundärer Kühlmittelkreislauf
18: Turbine
20: Generator
22: Kondensator
24: Steuerstab
26: Regelventil
28: Turbinenregelung
30: Reaktorregelung
32: Mittelwertbildung
40: Regelsystem
42: Zustandsmodell
44: Prädiktor
46: Tandemmodell
48: Reaktivitätsmodul
50: Koeffizientenmodul
52: Prozessinformationssystem
54: Stabstellungs-Sollwertmodul
56: Schalter
58: Stabstellungs-Einstellung
60: Regelmodul
62: Regelventil
64: Regelventil
66: Hochdruck-Förderpumpe
70: Lastwechselspezifikation

Claims

Vollautomatisches Verfahren zur Leistungsregelung eines Kernkraftwerks (2) im stochastischen Lastfolgebetrieb, insbesondere Netz-Sekundärregelbetrieb, wobei a. das Kernkraftwerk (2) einen Druckwasserreaktor (4) mit einem Reaktorkern (8), einen zugehörigen Kühlkreislauf (10) und einen elektrischen Generator (20) aufweist, b. eine Einstellung der Reaktorleistung (PR) durch mindestens einen in den Reaktorkern (8) einfahrbaren, in seiner Stellung veränderlichen Steuerstab (24) und durch Einspeisung von Borsäure und Deionat (BODE) in den Kühlkreislauf (10) möglich ist, c. auf der Basis der vom Generator (20) aktuell erzeugten Ist-Leistung (PG) und einer jederzeit von einem zugehörigen Lastverteiler anforderbaren maximalen Lastrampe der zeitliche Verlauf der mit dieser Lastrampe einhergehenden Reaktivitätsänderung des Reaktorkerns (8) prädiktiv ermittelt wird, d. diese maximale Lastrampe durch eine maximale Ziel-Leistung (PMAX) und einen maximalen Leistungsgradienten (dPG/dt) charakterisiert ist, e. der durch das Spaltprodukt Xenon (Xe) in dieser Lastrampe verursachte Beitrag an der Reaktivitätsänderung des Reaktorkerns (8) mit Hilfe eines prädiktiven, nichtlinearen Modells vorhergesagt wird, f. anhand der so ermittelten Reaktivitätsänderung die zur Erreichung des Regelungsziels erforderliche Soll-Steuerstabstellung ermittelt wird, und g. die Steuerstab-Iststellung entsprechend eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Regelung unter der Nebenbedingung erfolgt, dass die Einspeisung von Borsäure und Deionat (BODE) in den Kühlkreislauf (10) minimiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das prädiktive Modell sich mit einem Zustandsmodell, das den Istzustand der Xenon- und Jodkonzentration im Reaktorkern (8) berechnet, austauscht.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die aktuell gemessene Reaktorleistung (PR) als Eingangsgröße in das Zustandsmodell eingeht.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, wobei das prädiktive Modell und das Zustandsmodell zyklisch auf einer Recheneinheit einer digitalen Reaktorregelung abgearbeitet werden.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei neben dem Beitrag von Xenon (Xe) weitere Beiträge an der Reaktivitätsänderung des Reaktorkerns (8) berücksichtigt werden, und zwar für diese weiteren Beiträge in linearer Näherung.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei eine prädiktiv ermittelte Reaktivitätsbilanz auf einem Anzeigegerät eines zugehörigen Prozessinformationssystems (52) durch ein Prozessbild visualisiert wird.
Regelsystem (40) zur Leistungsregelung eines Kernkraftwerks (2) im stochastischen Lastfolgebetrieb, insbesondere Netz-Sekundärregelbetrieb, wobei das Kernkraftwerk (2) einen Druckwasserreaktor (4) mit einem Reaktorkern (8), einen zugehörigen Kühlkreislauf (10) und einen elektrischen Generator (20) aufweist, wobei eine Einstellung der Reaktorleistung (PR) durch mindestens einen in den Reaktorkern (8) einfahrbaren, in seiner Stellung veränderlichen Steuerstab (24) und durch Einspeisung von Borsäure und Deionat (BODE) in den Kühlkreislauf (10) möglich ist, und wobei das Regelsystem (40) eine Recheneinheit (40) aufweist, in der die Verfahrensschritte c bis f gemäß Anspruch 1 implementiert sind.
Regelsystem (40) nach Anspruch 8, mit einem Prädiktormodul (44) für die Xenonreaktivität und mit einem Reaktivitätsmodul (48) für eine prädiktive Reaktivitätsbilanz, wobei das Prädiktormodul (44) und/oder das Reaktivitätsmodul (48) in einer solchen Weise abschaltbar sind, dass eine Regelung ohne die prädiktiven Einflüsse möglich bleibt.
Regelsystem (40) nach Anspruch 8 oder 9 mit einem zugehörigen Prozessinformationssystem (52) zur Visualisierung einer prädiktiv ermittelten Reaktivitätsbilanz.