DE3008075C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Feststellen einer Strömungsinstabilität in einem Dampferzeuger - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Feststellen einer auf der Wasserseite eines Dampferzeugers auftretenden Strömungsinstabilität.

Bei Dampferzeugern für Atomkernreaktoren vom Typ des schnellen Brüters, für Gasöfen oder für mit fossilen Brennstoffen arbeitenden Öfen in thermischen Kraftwerken ist es möglich, daß eine Strömungsinstabilität auf der Wasserseite auftritt. Unter der oben genannten Strömungsinstabilität ist eine Erscheinung zu verstehen, bei der das Fluid, d. h. das Wasser oder der Dampf, über eine Selbsterregung in den Heizrohren pulsiert oder schwingt. Wenn bei einem fortgesetzten Betrieb des Dampferzeugers eine derartige Strömungsinstabilität übersehen wird, können an den Heizrohren aufgrunü thermischer Ermüdungserscheinungen Schäden auftreten, die ihrerseits die Sicherheit des Dampferzeugers beeinträchtigen. Eine Beschädigung der Heizrohre wird insbesondere bei einem Natriumdampferzeuger eine Natriumwasserreaktion hervorrufen, die zu einer ernsten Katastrophe führen kann. Aus diesem Grunde sind ein Verfahren und eine Vorrichtung außerordentlich wünschenswert, mit denen leicht und zuverlässig das Auftreten einer Stromungsinstabilität festgestellt werden kann.

Ein herkömmliches Verfahren zur Feststellung der Strömungsinstabilität verwendet eine Geräuschanalyse, wie es aus T. Tamaoki und J. Kubota et al. »Flow Instability Detection in Sodium-Heated Steam Generator by Noise Analysis« International Symposium on Nuclear Power Plant Control and instrumentation, Cannes, 24.-28. April 1978. bekannt ist. Dieses Verfahren beruht auf einer Geräuschanalyse des am Einlaß und am Auslaß des Dampferzeugers gemessenen Prozeßsignales und macht es erforderlich, die Wechselbeziehung zwischen den am Einlaß und am Auslaß gemessenen Prozeßsignalen zu prüfen, um die Strömungsinstabilitäi festzustellen. Dieses Verfahren hat jedoch die folgenden Nachteile: Die Verarbeitung der Signale ist aufgrund der Berechnung der Wechselbeziehung kompliziert, die für dieses Verfahren erforderliche Ausrüstung ist mit hohen Kosten verbunden, da elektronische Kleinrechner odct Mikrocomputer erforderlich sind, und es tritt eine große Zeitverzögerung auf. wenn die Strömung schwankt oder unbeständig ist. Aus diesen Gründen kann das obige Verfahren bei den gegenwärtig im Betrieb befindlichen Dampferzeugern nicht in zufneden-

faO stellender Weise angewandt werden. Andere Verfahren, die gegenwärtig in Betracht gezogen werden, um die Stromungsinstabilität festzustellen, bestehen darin, ein Thermoelement in das Heizrohr einzusetzen, um eine Schwankung der Temperatur zu messen oder einen

b5 Speisewasserstroinmesser direkt in das Heizrohr einzubauen. Diese Verfahren können für Versuchs- oder Experimeniicranlagen sehr wirkungsvoll sein, sie sind jedoch nahezu nicht auf die gegenwärtig im Betrieb bc-

findüchen Dampferzeuger im Hinblick auf die Sicherheit und die Zuverlässigkeit anwendbar.

Durch die Erfindung sollen daher ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Feststellen der Strörrungsinstabiütät in Dampferzeugern geliefert werden, wobei das erfindungsgemäße Verfahren so ausgebildet sein soll, daß es insbesondere zuverlässig und mit geringen Kosten die Strömungsinstabilität feststellen kann, wobei die Verarbeitung der Signale einfach sein soll, ohne die Sicherheit des Dampferzeugers zu beeinträchtigen.

Durch die Erfindung soll weiterhin ein Verfahren zum Feststellen der Strömungsinstabilität in einem Dampferzeuger geliefert werden, das wirkungsvoll anwendbar ist, gleichgültig, ob die Strömung beständig oder unbeständig ist

Gegenstand der Erfindung ist weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens.

Im allgemeinen nimmt der DruckunterscHed ΔΡζ\ν\- schen dem wasserseitigen Einlaß und Auslaß des Dampferzeugers, d. h. der Unterschied zwischen dem Druck des in den Dampferzeuger hineingehenden Wassers und dem Druck des vom Dampferzeuger herausgehenden Dampfes mit zunehmender Speisewasserströmungsgeschwindigkeit F zu. Wenn die Speisewasserströmungsgeschwindigkeit konstant ist, hat der Druckunterschied eine derartige Chrakteristik, daß er proportional zur anliegenden Wärmemenge zunimmt. Was die Strömungsinstabilität bei konstanter Speisewasserströmungsgeschwindigkeit anbetrifft, so ist die Gefahr, daß eine derartige Strömungsinstabilität auftritt, um so größer, je größer die anliegende Wärmemenge ist. Die Instabilität tritt dann auf, wenn die Wärmemenge einen gegebenen Wert überschreitet. Die Ergebnisse von Versuchen und theoretischen Untersuchungen bezüglich dieser Beziehungen haben ergeben, daß für jede Speisewasserströmungsgeschwindigkeit ein Grenzwert für den Druckunterschied ΔΡ festgelegt werden kann, der das Auftreten der Strömungsinstabilität genau bestimmt. Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung beruhen auf dieser Tatsache. In F i g. 1 der zugehörigen Zeichnung ist die Grenzlinie A diejenige Linie, die den Grenzdruckunterschied JP zwischen dem wasserseitigen Einlaß und Auslaß angibt, der das Auftreten der Strömungsinslabilität bei einer Speisewasserströmungsgeschwindigkeit F bestimmt. Druckunterschiede unter dieser Grenzlinie A liegen im stabilen Arbeitsbereich und Druckunterschiede über dieser Grenzlinie A liegen im instabilen Arbeitsbereich.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren /um Feststellen der St.'ömungsinstabilität in einem Dampferzeuger besteht der erste Verfahrensschritt darin, eine Anzahl von Grenzwerten des Druckunterschiedes, bei denen eine Strömungsinstabilität ausgelöst wird, zwischen dem wasserseitigen Einlaß und Auslaß des Dampferzeugers bei verschiedenen Speisewasserströmungsgeschwindigkeiten zu bestimmen und eine Grenzlinie zu bilden, die das Auftreten der Strömungsinstabilität genau bestimmt, indem diese Grenzwerte miteinander verbunden werden. Der nächste Verfahrensschritt besteht darin /\s prüfen, ob der gemessene Druckunterschied zwischen dem Einlaß und dem Auslaß bei einer tatsächlich gegebenen Speisewasserströmungsgeschwindigkeit über oder unter der Grenzlinie liegt, um festzustellen, ob die Strömungsinstabilität im Dampferzeuger aufgetreten ist oder nicht.

Der Druckunterschied zwischen dem wasserseitigen Einlaß und Auslaß des Dampferzeugers, d. h. der Unterschied zwischen dem Wasserdruck in dem Speisewasserrohr und dem Dampfdruck im Dampfrohr kann über einen Differentialdruckdetektor gemessen werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Feststellen der Strömungsinstabilität in einem Dampferzeuger weist einen Differentialdruckdetektor, einen Vorspannungssignalgenerator, der auf das Strömungsgeschwindigkeitssignal anspricht, das von einem Strömungsmesser übertragen wird, der in das Speisewasserrohr eingebaut ist. und ein Signal erzeugt, das einem Grenzwert des Druckunterschiedes zwischen dem wasserseitigen Ein- und Auslaß entspricht, wobei der Grenzwert das Einsetzen der Strömungsinstabilität bei einer gemessenen Speisewasserströmungsgeschwindigkeit bestimmt, einen Komparator, der das Ausgangssignal des Differentialdvuckdetektors mit dem Ausgangssignal vom Vorspannungssignalgenerator vergleicht und das Vergleichsergebnis ausgibt, und eine Alarmeinrichtung auf, die auf das vom Komparator ausgegebene Signal anspricht.

Im folgenden werden anhand der Zeichnung bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 in einer graphischen Darstellung das Grundprinzip des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Feststellen des Auftretens einer Strömungsinstabilität, wobei die Grenzwerte des Druckunterschieds Ap zwischen dem wasserseitigen Einlaß und Auslaß des Dampferzeugers für das Auftreten einer Strömungsinstabilität gegenüber den verschiedenen Speisewasserströmungsgeschwindigkeiten Fgetragen sind, um eine Grenzlinie A zu erhalten, die das Auftreten der Strömungsinstabilität genau begrenzt,

F i g. 2 eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung und

F i g. 3 eine schematische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Die in Fig. 1 dargestellte Grenzlinie A, die das Auftreten der Strömungsgeschwindigkeit genau begrenzt, kann experimentell und analytisch für jeden Dampferzeuger bestimmt werden. Um die Grenzlinie experimentell zu bestimmen, wird ein echter Dampferzeuger dazu verwandt, eine Strömungsinstabilität über einen weiten Bereich von Betriebsparanietern hervorzurufen, um die Beziehung zwischen dem Druckunterschied am wasserseitigen Ein- und Auslaß und der Speisewasserströmungsgeschwindigkeit unter den Verhältnissen zu erhalten, unter denen sich die Strömungsinstabilität entwickelt. Anschließend kann auf der Grundlage dieser Beziehung die Grenzlinie erhalten werden. In vielen Fällen ist es jedoch wünschenswert, zu vermeiden, selbst versuchsweise eine derartige Strömungsinstabilität in einem echten Dampferzeuger hervorzurufen. In diesen Fällen kann die Grenzlinie analytisch dadurch bestimmt werden, daß Rechenprogramme dazu benutzt werden, das Auftreten der Strömungsinstabilität vorherzusagen. Dazu kann ein Verfahren angewandt werden, das allgemein zum Simulieren von natürlichen dynamischen Er-

faO scheinungen verwandt wird. Da derartige analytische Verfahren allgemein bekannt sind, erübrigt sich eine Beschreibung im einzelnen; es sei lediglich zum Beispiel auf die Abhandlung von L. E. Effcrding aus dem Jahre 1968 hDYNAM«, ein digitales Computerprogramm zur Untersuchung der dynamischen Stabilität der Strömung eines Zwangsdurchlaufkessels mit Dampfüberhitzung, GAMD 1968, verwiesen. Im Prinzip erfolgte die Vorhersage der Strömungsinstabilität z. B. in der folgenden

Weise: Unter geeigneten Annahmen wird ein analytisches Modell erstellt und es werden die verschiedenen Gleichungen für die Masse, die potentielle und die kinetische Energie, die aus dem Gesetz der Erhaltung der Energie abgeleitet werden, unter Verwendung verschiedener mathematischer Verfahren gelöst, um die Strömungsinstabilität unter gegebenen Arbeitsbedingungen des Dampferzeugers vorherzusagen. Es können andere Rechenmodelle und Rechenverfahren verwandt werden, solange diese die Strömungsinstabilität genau unter gegebenen Betriebsverhältnissen vorhersagen können. Es ist somit möglich, das Auftreten der Strömungsinstabilität im Dampferzeuger dadurch festzustellen, daß fortlaufend der Druckunterschied zwischen dem wasserseitigen Einlaß und Auslaß überwacht und geprüft wird, ob der Druckunterschied die Grenzlinie A in Fig. 1 überschreitet.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung näher beschrieben.

F i g. 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer schematischen Ansicht. Ein Dampferzeuger 1 kann irgendeinen Aufbau haben. Als Beispiel ist in Fig. 2 ein Kesselrohrtyp dargestellt. Das Heizfluid, beispielsweise flüssiges Natrium, fließt durch den Kessel, während Wasser durch das Rohr fließt. Das Heizfluid wird über ein Heizfluidzuleitungsrohr 2 in den Kessel 3 eingeführt, wo es mit der Außenwand des Heizrohres 4 in Kontakt kommt und anschließend über ein Heizfluidableitungsrohr 5 abgeführt wird. Das Wasser wird andererseits über eine Speisewasserrohrleitung 6 dem Heizrohr 4 zugeführt, das im Dampferzeuger enthalten ist, wo es durch das das Heizrohr 4 umgebende Heizfluid erhitzt wird, bis es verdampft ist. Der sich daraus ergebende Dampf wird anschließend über eine Dampfrohrleitung 7 abgeführt. Ein Speisewasserströrnungsmesser 8 und ein Wasserdruckdetektor 9 sind in die Speisewasserrohrleitung 6 eingebaut und ein Dampfdruckdetektor 10 ist in der Dampfrohrleitung 7 vorgesehen. Diese Geräte sind denjenigen Geräten ähnlich, die in einen herkömmlichen Dampferzeuger eingebaut sind.

Ein Wasserdrucksignal vom Wasserdruckdetektor 9 und ein Dampfdrucksignal vom Dampfdruckdetektor 10 liegen an einem Differenzdrucksignalgenerator 11, der ein Differenzdrucksignal erzeugt, das an einer der beiden Eingangsklemmen eines Komparators 12 liegt. Ein Signal für die Speisewasserströmungsgeschwindigkeit liegt von dem Speisewasserströmungsmesser 8 an einem Vorspannungssignalgenerator 13. Der Vorspannungssignalgcncrator 13 empfängt das Speisewasscrströmungsgeschwindigkeitssignal und gibt ein Signal für den Grenzwert des Druckunterschiedes (Grenzlinie A in F i g. 1) aus. der das Einsetzen der Strömungsinstabilität bei der gemessenen Speisewasserströmur^sgeschwindigkeit bestimmt. Ein Funktionsgenerator kann beispielsweise als Vorspannungssignalgenerator 13 verwandt werden. Wenn die Grenzlinie A in Fig. 1 durch eine quadratische Gleichung angenähert wird, kann ein Verstärker mit quadratischer Chrakteristik als Vorspannungssignalgenerator 13 verwandt werden. Das in dieser Weise erhaltene Vorspannungssignal liegt an der anderen Eingangsklemme des Komparators 12. wo es mit dem Signal für den Differenzdruck zwischen dem wasserseitigen Eingang und Ausgang verglichen wird Wenn dieses Differenzdrucksigna! größer als das Vorspannungssignal ist, liegt ein Signal an der Alarmeinrichtung 14. damit eine Lampe aufleuchtet und ein Sum-

mer ein akustisches Signal gibt, um der Bedienungsperson ein Alarmsignal für das Auftreten der Strömungsinstabilität zu geben.

Um diese Vorrichtung wirksam einzusetzen, werden zwei oder drei Hilfsgrenzlinien B und C zusätzlich zu der Grenzlinie A derart gebildet, daß diese Linien etwas von der Grenzlinie A in Richtung auf den stabilen Arbeitsbereich entfernt liegen. Der Vorspannungssignalgenerator 13 ist weiterhin so ausgebildet, daß er Hilfsgrenzwerte ausgibt, die diesen Hilfsgrenzlinien B und C entsprechen, und der Komparator 12 ist mit logischen Schaltungen versehen, die zur Ausgabe von zwei oder drei Warnsignalen notwendig sind. Diese Warnsignale informieren somit die Bedienungsperson darüber, daß

!5 sich der Betrieb kritischen Verhältnissen nähen, bevor eine Strömungsinstabilität auftritt, so daß der Dampferzeuger immer im stabilen Bereich betrieben werden kann.

Im folgenden wird beschrieben, wie eine derartige

Vorrichtung das Einsetzen der Strömungsinstabilität im Dampferzeuger feststellt. Da bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel der Unterschied zwischen dem Wasserdruck in der Speisewasserrohrleitung und dem Dampfdruck in der Dampfrohrleitung in Form des Ab-

solutdruckes gemessen wird, besteht die Gefahr, daß Fehler in den gemessenen Druckunterschied eingehen. Ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendet daher einen herkömmlichen Differentialdruckdetektor bekannten Aufbaus, der Spannungs- oder Stromsignale erzeugt, die dem Druckunterschied proportional sind. Wie es in Fig. 3 dargestellt ist. ist ein Differentialdruckdetektor 15 vom Membrantyp zwischen der Speisewasserrohrleitung 6 und der Dampfrohrleitung 7 derart angeordnet, daß der Wasserdruck in einer seiner Kammern auf einer Seite der Membran und der Dampfdruck in der anderen Kammer herrscht. Der Differentialdruckdetektor 15 gibt ein Signal aus. das dem Druckunterschied zwischen dem Wasser und dem Dampf proportional ist. Der Aufbau der anderen Bauelemente kann ähnlich dem der in F i g. 2 dargestellten Bauelemente sein. Ein Signal des Druckunterschiedes vom Detektor 15 liegt am Komparator 12. der in ähnlicher Weise arbeitet, wie es anhand von F ι g. 2 beschrieben wurde.

Da der Unterschied zwischen dem Wasserdruck in der Speisewasserrohrleitung 6 und dem Dampfdruck in der Dampfrohrleitung 7 durch den Differentialdruckdctektor 15 gemessen wird, wie es oben beschrieben ist. kann die Strömungsinstabilität genau festgestellt wer den.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung mit dem oben beschriebenen Aufbau zeigen die folgenden Eigenschaften und Vorteile bei der Feststellung der Strömungsinstabilität im Dampferzeuger: Die Signalverarbeitung ist einfach, ein Computer oder eine elektronische Rechenanlage ist nicht erforderlich, was zu einer Verringerung der Kosten führt. Da das Druckdifferenzsignal direkt verwandt wird, tritt keine Zeitverzögerung auf und dieses Signal ist gültig, gleichgültig, ob die Strömung beständig oder unbeständig ist. Die zur Bestimmung der Strömungsinstabilität erforderlichen Signale sind nur die Speisewasserströmungsgeschwindigkeit bzw. der Speisewasserdurchsatz und der Druckunterschied zwischen dem Wasser und

en dem Dampf, wobei diese Signale mit Hilfe von Geräten erhalten werden können, die bereits im Dampferzeuger eingebaut sind, so daß die Strömungsinstabilität mit hoher Zuverlässigkeit festgestellt werden kann, ohne die

Sicherheit der Vorrichtung zu beeinträchtigen, und ohne daß zusätzliche Geräte erforderlich sind.

Durch die Erfindung wird somit ein Verfahren zum Feststellen der Strömungsinstabilität in Dampferzeugern geliefert. Bei diesem Verfahren wird zunächst eine Anzahl von Grenzwerten für den Druckunterschied zwischen dem wasserseitigen Einlaß und Auslaß des Dampferzeugers bei verschiedenen Speisewasserslrömungsgeschwindigkeiten oder -durchsalzen bestimmt. Die Grenzwerte legen das Einsetzen der Strömungsin-Stabilität genau fest. Durch eine Verbindung der in dieser Weise bestimmten Grenzwerte wird eine Grenzlinie erhalten, die das Auftreten der Strömungsinstabilität genau bestimmt. Anschließend wird geprüft, ob der gemessene Druckunterschied zwischen dem Einlaß und dem Auslaß bei einer tatsächlich gegebenen Speisewasserströmungsgeschwindigkeit oder bei einem tatsächlich gegebenen Speisewasserdurchsatz über oder unter der Grenzlinie liegt, um zu ermitteln, ob eine Strömungsinstabilität im Dampferzeuger aufgetreten ist oder nicht.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

25

35 40 45 50

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Feststellen einer StrömungsinstabiSität in einem Dampferzeuger, dadurch g e keniiifichnes. daß eine Anzahl von Grenzwerten für den Druckunterschied zwischen dem wasserseitigen Einlaß und Auslaß des Dampferzeugers bestimmt wird, wobei diese Grenzwerte das Einsetzen der Strömungsinstabilität bei verschiedenen Speisewasserströmungsgeschwindigkeiten oder Speisewasserdurchsätzen begrenzen, daß eine Grenzlinie gebildet wird, die das Auftreten der Strömungsinstabilitär begrenzt, indem diese Grenzwerte miteinander verbunden werden, und daß geprüft wird, ob der betriebsmäßige Druckunterschied die Grenzlinie bei der herrschenden Speisewasserströmungsgjeschwindigkeit oder dem herrschenden Speisewasserdurchsatz überschreitet.

2. Vorrichtung zum Feststellen einer Strömungsinstabilität in einem Dampferzeuger, gekennzeichnet durch einen Differentialdruckdetektor zum Messen des Unterschiedes zwischen dem Wasserdruck in einer Speisewasserrohrleitung und dem Dampfdruck in einer Dampfrohrleitung des Dampferzeugers, durch einen Vorspannungssignalgenerator, der auf ein Signal für die Strömungsgeschwindigkeit oder den Durchsatz anspricht, das von einem Strömungsmesser übertragen wird, der in die Speisewasserrohrleitung eingebaut ist und wobei der Vorspannungssignalgenerator ein Signal erzeugt, das einem Grenzwert des Druckunterschiedes zwischen dem wasserseitigen Ein- und Auslaß entspricht, wobei dieser Grenzwert das Einsetzen der Strömungsinstabilität bei der gemessenen Speisewassersirömungsgeschwindigkcit oder dem gemessenen Speisewasserdurchsatz bestimmt, durch einen Komparator, der das Ausgangssignal vom Differentialdruck-' detektor mn dem Ausgangssignal vom Vorspannungssignalgenerator vergleicht und das Vergleichsergebnis ausgibt, und durch eine Alarmeinrichtung, die auf das vom Komparator erhaltene Vergleichsergebnis anspricht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Differentialdruckdetektor ein Druckdifferenzsignalgenerator ist, der ein Signal erzeugt, das der Differenz zwischen dem Wasserdruck und dem Dampfdruck entspricht, wobei der Wasserdruck durch einen Wasserdruckdetektor gemessen wird, der in die Speisewasserrohrleitung eingebaut ist. und wobei der Dampfdruck durch einen Dampfdruckdetektor gemessen wird, der in die Dampfrohrleitung eingebaut ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet, daß der Differentialdruckdetektor ein Detektor vom Membrantyp ist. der derart zwischen der Speisewasserrohrleitung und der Dampfrohrleitung angeordnet ist. daß der Wasserdruck an einer Seite der Membran und der Dampfdruck an der anderen Seite der Membran herrschen, wobei der Detektor ein Signal erzeugt, das proportional zum Unterschied zwischen dem Wasserdruck und dem Dampfdruck ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorspannungssignaigenerator Signale erzeugt, die mehreren Hilfsgrenzwerien unterhalb des Grenzwertes entsprechen, der das Einsetzen der Strönuing.sinsUibilitiil bestimmt, sowie das Signal erzeugt, das dem Grenzwert entspricht, der das Einsetzen der Strömungsinstabilität bestimmt, wobei diese Signale vom Vorspannungssignaigenerator mit dem Ausgangssignal vom Differentialdruckdetektor verglichen werden, damit die Alarmeinrichtung in mehreren Schritten die Bedienungspersonen darüber informiert, daß der Punkt, an dem die Strömungsinstabilität auftritt, sich nähert