DE2803000A1

DE2803000A1 - Speisewasser-regeleinrichtung

Info

Publication number: DE2803000A1
Application number: DE19782803000
Authority: DE
Inventors: Ernest A Parziale; Dennis C Richardson
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1977-02-07
Filing date: 1978-01-24
Publication date: 1978-08-10
Also published as: FR2379887A1; EG13087A; IT1093648B; ES466709A1; IT7820048A0; IL53822A; SE426756B; BE863739A; JPS53102495A; CA1076371A; YU19678A; CH633124A5; JPS5830560B2; FR2379887B1; YU41582B; US4104117A; SE7801365L

Description

ΡΑΤΜΙΑΗΪΓΔΙΤ

DIPL. ING.-E. HOLZES

-WElSEB-STaASSK 14

8900 AU6SBÜBG

TEIiEFON 516475 TELEX 5S3202 paid ä

W. 923

Augsburg, den 19. Januar 1978

Westinghouse Electric Corporation, Westinghouse Building, Gateway Center, Pittsburgh, Pennsylvania 15222, V.St.A.

Speisewasser-Regeleinrichtung

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

Die erfindungsgemäße Speisewasser-Regeleinrichtung ist insbesondere für den Einsatz in Verbindung mit Druckwasserreaktoren vorgesehen, kann jedoch auch in Verbindung mit Siedewasserreaktoren Anwendung finden.

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Wenn der Leistungspegel des Kernreaktors der betreffenden Anlage verändert wird, ist auch eine entsprechende Änderung der Speisewasserzufuhr zu dem bzw., zu jedem Dampferzeuger 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 liegenden Hilfsventils. Bei normalen Leistungspegeln erfolgt die Steuerung der Speisewasser zuströmung mittels des Hauptventils. Das im Nebenzweig befindliche Hilfsventil kann entweder vollständig oder teilweise geöffnet oder geschlossen sein. Bei niedrigen Belastungen von beispielsweise 15 % der Nennleistung, 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 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 ver-

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glichen und als Meßgröße einem Proportional-Integral-Regier zugeführt, -der im stationären Zustand .Abweichung des Wasser-. Standes eliminiert.. Außerdem ist ein -auf Anpassungsfenler zwischen dem Speisewasserzustrom und dem Dampfdurchsatz ansprechender Regelkreis vorhanden, der dazu dient, beginnenden bzw. zu erwartenden Viasserstandsabwexchungen 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

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Belastungen im Hinblick auf größere Zuverlässigkeit, ejrhöhte Wirksamkeit und ,größere Genauigkeit zu verbessern.

Diese Auf gab-e wird jgemäß der Erfindung ,durch die -im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs 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 Ciröße 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.

Gemäß der Erfindung erfolgt die Regelung des Speisewasserzustroms in Abhängigkeit vom Wasserstand im Dampferzeuger und von der jeweiligen Reaktorleistung als Meßgrößen. Die

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Wasserstandsmessung erfolgt in der gleichen Weise wie bisher. Die Sumriie des Dampfdruckes und des Wasserdruckes im Dampferzeuger wird mit Bezug auf die Höhe einer Wassersäule gemessen, und diese Meßgröße "wird mit dem geforderten Wasserstand verglichen, um ein dem Regler zuzuführendes Fehlersignal abzuleiten. Die Messung der jeweiligen Reaktorleistung erfolgt durch Messung des jeweiligen Neutronenflusses im Reaktor, wozu typischerweise ein im Reaktorkern angeordneter Röntgendetektor Anwendung findet. Die erste Reaktion auf einen Befehl zur Ausgangsleistungsanderung ist das Aus- oder Einfahren der Steuerstäbe aus dem bzw. in den Reaktorkern. Die unmittelbare Reaktion auf diese Veränderung ist eine entsprechende Änderung des Neutronenflusses. Die Messung des Neutronenflusses signalisiert also schon früh eine Änderung des Reaktorleistungspegels.

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 Wasser-

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standsausgleichsregelstrecke 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 Keaktorleistung und der tatsächlichen Reaktorleistung, welch letztere auch die Zerfallswärme im heißen Nulleistungsbetrieb einschließt.

Bei niedriger Leistung findet die Speisewasserregelung bei der erfindungsgemäßen Anordnung mittels eines Steuerventils, nämlich des im Nebenzweig gelegenen Hilfsventils statt, das kleiner als das bei höherer Leistung zur Steuerung des Speisewasserstromes benützte Ventil, nämlich das im Hauptzweig gelegene Hauptventil ist. Demzufolge arbeitet das den Speisewasserstrom bei niedriger Leistung steuernde Ventil im linearen Bereich seiner Öffnungs-Durchfluß-Charakteristik. Alternativ dazu kann die gewünschte lineare Arbeitskennlinie auch dadurch erzielt werden, daß Speisewasserpumpen mit variabler Drehzahl eingesetzt werden.

Die erfindungsgemäße Anordnung ist nicht nur im Niedriglastbetrieb gegenüber der bekannten Regelung von Vorteil, sondern auch im gesamten, sowohl niedrige als auch höhere Belastungen umfassenden Betriebsbereich, da die erfindungsgemäße Regelung eine Rückführungsvariable weniger benötigt als die bekannte Regelung und auch keinen zweiten Proporational-

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Integral-Regler zur Erzielung einer zufriedenstellenden Arbeitsweise braucht.

Die Anwendungsmöglichkeit der Erfindung beschränkt sich nicht auf mit Wasserdampf als Arbeitsmittel arbeitende Anlagen, sondern kann auch bei mit anderem Plussigkeitsdampf als Arbeitsmittel arbeitenden Anlagen Anwendung finden, wobei die in der vorliegenden Beschreibung benützten Begriffe "Dampf" und "Wasser" im entsprechend weiteren Sinne zu verstehen sind.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen mehr im einzelnen beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer

Kernkraftanlage mit einer Speisewasserregelung nach der Erfindung,

Fig. 2 die in Fig. 1 mit II bezeichneten

Komponenten mehr im einzelnen in vergrößerter Darstellung,

Fig. 3 ein Signalflußdiagramm, welches das

Zusammenwirken der einzelnen Regelparameter erkennen läßt,

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Fig. 4 eine graphische Darstellung, v/elche

die Wirkungen verschiedener, von einer Analogsimulation abgeleiteter Einstellwerte für die Speisewasserregelung nach der Erfindung bei Annahme einer 5 $-igen Laständerung zeigt,

Fig. 5 eine ähnliche graphische Darstellung,

die von einer Digitalsimulation in einem Rechner abgeleitet ist,

Fig. 6 graphische Darstellungen der Änderung

der verschiedenen Parameter der erf in dungs gemäßen Speisewasserregelung, bei einem sprungartigen Lastabfall von 5 %t und

Fig. 7 ähnliche graphische Darstellungen für

einen sprungartigen Lastanstieg.

Die in Pig. 1 dargestellte Kernkraftanlage enthält einen Kernreaktor 11, der mit einer Anzahl von Dampferzeugern 13 und 15 in Wärmeaustausch steht. Der Primärkühlkreislauf des Reaktors weist Primärkühlschleifen 17 und 19 auf, die jeweils eine Umwälzpumpe 18 bzw. 20 aufweisen und den Reaktor 11 mit

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einem der Dampferzeuger 13 und 15 verbinden. Durch den nicht dargestellten Reaktorkern des Reaktors 11 und die Dampferzeuger 13 und 15 zirkuliert ein Reaktorkühlmittel, vorzugsweise Druckwasser. Die in den Primärkühlschleifen 13 und 19 vom Reaktorkern zu den Dampferzeugern 13 und 15 transportierte Wärme dient in den Damperzeugern zur Verdampf ung von Wasser.

Jedem der Dampferzeuger 13 und 19 ist eine Sekundärkreis laufschleife 21 bzw. 23 zugeordnet.

Weiter enthält die in Big. 1 gezeigte Anlage eine Turbine 25; und einen von dieser angetriebenen elektrischen Generator 27. Jede der Sekundärkreislaufschleifen 21 und 23 umfaßt einen ersten, zwischen dem betreffenden Damperzeuger 13 bzw. 15 .und der Turbine 25 verlaufenden dampfführenden Abschnitt 29 zur Speisung der Turbine mit Dampf und einen zweiten, zwischen der Turbine und dem betreffenden Dampferzeuger verlaufenden Abschnitt 31 zur Speisewasserrückführung. Den Abschnitten 31 beider Sekundärkreis1aufschleifen 21 und 23 gemeinsam ist ein Kondensator 33 zur Kondensation des Turbinenabdampfes, eine Kondensatpumpe 35 und eine Anzahl von Speisewasservorwärmern 37· Jedem speise-. wasserführenden Kreislaufschleifenabschnitt 31 ist außerdem eine Speisewasserpumpe 39, ein Speisewasservorwärmer 4l und

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eine Ventileinrichtung 43 (siehe Fig. 2) zugeordnet. Gemäß Pig. 2 weist jede dieser Ventileinrichtungen 43 ein in einem Hauptzweig liegendes Hauptventil 45 auf. Dieses Hauptventil ist durch einen Nebenzweig 47 überbrückt, in welchem ein Hilfsventil 49 - angeordnet ist. Das Hilfsventil 49 besitzt etwa 20 % der Kapazität des Hauptventils 45 und dient zur Steuerung des Speisewasserstromes im Niedriglastbetrieb.

Der Reaktor 11 enthält eine herkömmliche Meßeinrichtung 51 zur Abgabe eines den jeweiligen Neutronenfluß, der seinerseits von der jeweiligen Reaktorleistung abhängig ist, darstellenden Signals. Jeder der Dampferzeuger 13 und 15 weist eine ebenfalls übliche Meßeinrichtung 53 bzw. 55 auf, die Abweichungen des Wasserstandes in den Dampferzeugern vom Sollwert darstellende Signale erzeugen. Bei erfindungsgemäßer Speisewasserregelung sowohl im Niedriglastbetrieb als auch im Betrieb bei höheren Belastungen braucht nur ein Wasserstandsfehlersignal von jedem Dampferzeuger 13 und 15 abgeleitet zu werden. Wenn dagegen die Speisewasserregelung bei höheren Belastungspegeln in herkömmlicher Weise und nur im Niedriglastbetrieb nach der Erfindung erfolgt, beispielsweise wenn die erfindungsgemäße Regelung nachträglich bei einer bereits vorhandenen Anlage eingesetzt wird, liefern die Meßeinrichtungen 53 und 55 die Dampfströmung und den Speisewasserzustrom darstellende Signale. Die von den Meßeinrichtungen 51,

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53 und 55 kommenden Signale sind elektrische Signale und werden zur weiteren Verarbeitung Ventilreglern 57 und 59 zugeführt. Diese Regler 57 und 59 steuern die einzelnen Ventile 45 und 49 der Ventileinrichtungen 43. Gemäß der Darstellung in Fig. 2 wird das Hauptventil 45 über einen herkömmlichen 3-Parameter-Summierer öl und das Hilfsventil 49 gemäß der Erfindung über einen Summierer 6j> gesteuert.

Gemäß Fig. 3 wird das den jeweiligen Wasserstand im Dampferzeuger 13 bzw. 15 darstellende elektrische Signal einem Rauschfilter 71 zugeführt. In der dieses Filter 71 charakterisierenden algebraischen Formel ist S die Laplacesche Funktion mit dem Operator d/dt, wobei t die Zeit ist, und T. die Zeitkonstante des Filters 71. Der Wasserstandssollwert in jedem Dampferzeuger 13 und 15 wird von einem Funktionsformer 73 geliefert, wenn dieser durch ein Befehlssignal (Turbinenstufenarbeitsdruck) zur Steigerung oder Drosselung der Leistungsabgabe der Anlage angesteuert wird. Diese Funktion ist in dem Block 73 graphisch dargestellt. Dabei ist der Leistungsbedarf auf der Abszisse und der Dampfdruck auf der Ordinate aufgetragen. Die Kurve entspricht dem Wasserstandssollwert. Das Wasserstandssollwertsignal gelangt durch ein Rauschfilter 75, dessen Zeitkonstante T_? ist. Die Regelabweichung

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wird von einem Summierer 77 abgeleitet, dem die Ausgangssignale der beiden Filter 71 und 75 zugeführt werden. Der Summierer 77 bildet dabei die Differenz dieser beiden Signale. Das so erhaltene Fehlersignal beeinflußt über einen nicht dargestellten Proportional-Integral-Regler das Hauptventil und beeinflußt außerdem über einen Proportional-Integral-Regler 81 und den Summierer 63 das Hilfsventil 49. In der den Proportional-Integral-Regler 81 charakterisierenden Formel ist K, die Verstärkung und T die Zeitkonstante. Der Verstärkungsfaktor K, = Ventilverstellungsanforderung {%)/ Wasserstandsabweiehung (%). Das die jeweilige Reaktorleistung angebende Signal wird dem Summierer 6j> über ein Filter 83 zugeführt, bei welchem Ku die Verstärkung und Th die Zeitkonstante ist. Diese Parameter sind einstellbar. Für 100 % des Nenndurchflusses des Nebenzweiges 47 beträgt der Verstärkungsfaktor Kj. = 1,0 % Ventilverstellungsanf orderung/ % ReaktorIeistungsänderung. Die algebraische Summe des Wasserstandsabweichungssignals und des Reaktorleistungssignals wird einem Automatik/Hand-Regler 78 zugeführt, der die notwendigen Steuerbefehle an das im Nebenzweig liegende Hilfsventil 49 abgibt.

Bei den in Fig. 3 gezeigten, die Filter 71* 75 und 83 und den Proportional-Integral-Regler 81 darstellenden Blöcken handelt es sich um an sich bekannte, in Festkörpertechnik ausgeführte elektronische Einheiten.

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Die in Fig. 3 angegebenen Integrale sind Integrale über der Zeit, während welcher der Regelvorgang stattfindet. Die Regelung des Wasserstandes erfolgt über eine geschlossene Regelschleife, deren Rückführung durch das den jeweiligen momentanen tatsächlichen Wasserstand im Dampferzeuger angebende Signal.gebildet ist. Das Reaktorleistungssignal wird".einer offenen Schleife zugeführt.

Pig, 4 zeigt die Auswirkungen einer Variation der Parameter K , wobei die dargestellten Kurven durch eine Änaloganalyse erhalten wurden. Die Verstärkung K ist auf der Ordinate aufgetragen, während T, (in s) auf der Abszisse aufgetragen ist. Die Ordinate ist mit zwei Teilungen versehen, von denen die linke Teilung auf 100 % Durchfluß durch das Hilfsventil 49 und die rechte Teilung auf 100 % Durchfluß durch das Hauptventil 45 bezogen ist. Oberhalb der oberen Kurve 91 schwingt das System. Unterhalb der nächsten Kurve 93 und oberhalb der danach folgenden Kurve 95 beträgt die Einschwingzeit des Systems weniger als 10 Minuten (wünschenswerte Einschwingzeit). Unterhalb der nächsten Kurve 99 und oberhalb der untersten Kurve 97 beträgt die maximale Abweichung vom gewünschten Wasserstand weniger als 15 %. Die schraffierte Fläche zeigt demgemäß den wünschenswerten Arbeitsbereich.

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Fig. 5 zeigt eine Fig. 4 ähnliche graphische Darstellung, die aus einer Digitalanalyse mittels eines LOFTRAN-Rechners abgeleitet ist. Die Kurven 101, 103, 107 und 109 und die schraffierte Fläche 111 entsprechen den Kurven 91, 93, 95, 99 und 97 und der schraffierten Fläche 100 in Fig. 4.

In Fig. 6 sind die Auswirkungen eines sprungartigen Lastabfalls um 5 % auf die verschiedenen Betriebsparameter der Anlage nach der Erfindung graphisch dargestellt. Diese Kurven sind aus einer Digitalrechneranalyse abgeleitet. Bei allen Kurven ist die Zeit in Sekunden auf der Abszisse aufgetragen. Auf derselben vertikalen Linie (Ordinatenparallele) liegende Punkte der verschiedenen Kurven entsprechen jeweils dem gleichen Zeitpunkt. In den Kurven a und c bis e ist auf der Ordinate jeweils die prozentuale Änderung aufgetragen; bei der Kurve b ist auf der Ordinate die Temperatur in F aufgetragen. Die Kurve c zeigt eine sprungartige 5 #-i Änderung der Dampfströmung. Die Kurve d zeigt, daß die maximale Wasserstandsänderung nur 10 % beträgt und daß diese Wasserstandsabweichung innerhalb eines Zeitraums von etwa 300 s auf den Wert Null zurückgeht. Die Kurve e zeigt, daß sich der Speisewasserstrom ebenfalls innerhalb einer Zeitspanne von nur etwa 300 s auf einen stationären Wert einpendelt.

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Wie Pig. 6 zeigt, führt die Verminderung der Dampfströmung zu einer Leistungsfehlanpassung zwischen Primär- und Sekundärkreislauf, was zu einem Anstieg der Primärkühlmitte ltemper at ur führt. Die Steuerstäbe werden daher weiter in den Reaktorkern eingetaucht und verringern die Reaktorleistung ensprechend dem neuen Lastpegel. Bei einer Lastabsenkung neigt der Wasserstand im Dampferzeuger infolge der Verringerung der Verdampfungsleistung und dem Anstieg des Dampfdruckes zum Absinken, wodurch die Wasserdichte ansteigt und Leerräume bzw. Blasen im Wasser zusammengedrückt werden. Die Steuerung des Speisewasserstromes erfolgt durch eine Wasserstandsabhängige Steuersignalkomponente des Wasserstandsregelkreises und durch eine reaktorleistungsäbhängige Steuersignalkomponente des vom Reaktor ausgehenden, rüekführungslosen Steuerkreises. Die reaktorleistungsabhängige Steuersignalkomponente versucht, den Speisewasserstrom schnell auf den erforderlichen neuen stationären Wert zu bringen. Der Wasserstandsregelkreis dagegen versucht während der Periode des Absinkens des Wasserstandes unter den Sollwert, den Speisewasserstrom zu steigern. Als resultierende Wirkung erhält man einen rampenförmigen Abfall des Speisewasserstromes auf seinen neuen stationären Wert, was den Wasserstandseinschwingvorgang verkürzt.

Fig. 7 zeigt eine ähnliche graphische Darstellung wie Fig. 6, jedoch für einen sprungartigen 5 %-igen

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Lastanstieg, wie er beispielsweise während des Anfahrens auftreten kann. In diesem Fall beträgt die Wasserstandsabweichung nur 15 % und gleicht sich innnerhalb von etwa 300 s auf den Wert Null aus. Der Speisewasserstrom stabilisiert sich in diesem Fall innerhalb von etwa 400 s.

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Claims

Patentansprüche

• 1. ■Speisewasser-Regeleinrichtung für Kernkraft anlagen, bei welchen ein mit Wärmeenergie eines Kernreaktors betriebener Dampferzeuger eine Dampfturbine speist, mit einer in der Speisewasserrückführung zwischen Kondensator und Dampferzeuger angeordneten Ventileinrichtung zur Steuerung der Speisewasserzufuhr zum Dampferzeuger, gekennzeichnet durch einen Regler (78, 8l), der bei niedriger Belastung der Anlage die Ventileinrichtung (43) in Abhängigkeit von der Größe der jeweiligen Reaktorleistungsabgabe und vom Wasserstand im Dampferzeuger (13, 15) steuert.
2. Speisewasser-Regeleinrichtung nach Anspruch Ij dadurch gekennzeichnet, daß die Speisewasserrückführung einen Hauptzweig und einen dazu parallel verlaufenden Nebenzweig (47) aufweist, daß weiter der Hauptzweig ein Hauptventil (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, 8l) auf das Hilfsventil wirkt.
3. Speisewasser-Regeleinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die maximale Kapazität des

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Nebenzweiges (47) etwa 20 % der Nennkapazität des Hauptzweiges beträgt.
4. Speisewasser-Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem genannten Regler (78, 8l) als Meßgröße für die jeweilige Reaktorleistungsabgabe ein den jeweiligen tfeutronenfluio im Reaktor angebendes Signal zugeführt wird.

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