DE3119045C2

DE3119045C2 - Verfahren und Anordnung zur Feststellung und Meldung von Kühlungsstörungen in einem Brennelement eines Reaktorkerns

Info

Publication number: DE3119045C2
Application number: DE3119045A
Authority: DE
Inventors: Anton Dipl.-Phys. 5060 Bergisch Gladbach Holick
Original assignee: Interatom 5060 Bergisch Gladbach GmbH; Interatom Internationale Atomreaktorbau GmbH
Current assignee: Interatom Internationale Atomreaktorbau GmbH
Priority date: 1981-05-13
Filing date: 1981-05-13
Publication date: 1985-11-14
Also published as: DE3119045A1

Abstract

Es wird ein Verfahren beschrieben, welches auch bei transienten Vorgängen im Reaktor verfügbar ist, und Kühlungsstörungen mit großer Empfindlichkeit feststellen kann. Die bei einem natriumgekühlten, schnellen Brutreaktor nicht direkt meßbare lokale Brennstoff- bzw. Kühlmitteltemperatur wird dazu aus Gesamtleistung, Primärdurchsatz an Kühlmittel, Kühlmitteleintrittstemperatur und Kühlmittelaustrittstemperatur an jedem Brennelement mit Hilfe eines rekursiven Parameter- und Zustands-Schätzverfahrens, vorzugsweise unter Verwendung eines Kalman-Filters, ermittelt. Der ermittelte Schätzwert wird auf Abweichungen vom Sollwert überwacht. Abweichungen lösen eine Fehlermeldung aus. Das Rauschen des Schätzwertes der lokalen Brennstofftemperatur ist wesentlich geringer als das der bisher verwendeten Kühlmittelaustrittstemperaturen, wodurch die große Empfindlichkeit erreicht wird. Das Verfahren ist durch die laufende Bestimmung aller relevanten Parameter auch bei Zustandsänderungen ohne Einschränkung der Empfindlichkeit verfügbar.

Description

ίο a) Der zur Kennzeichnung des Zustandes des Brennelementes anhand eines thermohydraulischen Modells notwendige Zustandsvektor (X_k) wird in einer dem Brennelement zugeordneten parameteradaptiven, rekursiv arbeitenden Schätzschaltung unter Berücksichtigung von anstehenden Meßwerten und früheren Schätzergebnissen in Zeitabständen A t geschätzt.

b) Die Schätzschaltung liefert geschätzte Zustaniiswerte des betreffenden Brennelements, darunter auch die nicht oder nur schwer meßbare mittlere Brennstofftemperatur (Tf) und die mittlere Kühlmitteltemperatur (T_c) im Brennelement.

c) Die geschätzte mittlere Brennstofftemperatur (Tf) und/oder die geschätzte mittlere Kühlmittel temperatur (T_c) im Brennelement werden einem Sollwertvergleicher zugeführt, der bei zu großer Abweichung vcn einem vorgebbaren Sollwert eine Fehlermeldung auslöst.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die parameteradaptive, rekursiv arbeitende Schätzschaltung ein Kaiman-Filter beinhaltet.

3. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) Dem Brennelement ist eine zeittaktgesteuerte parameteradaptive, vakursiv arbeitende Schätzschaltung zugeordnet, welche anhand eines das Brennelement beschreibenden thermohydraulischen Modells in Zeitabständen A t den Zustand des Brennelementes, darunter auch seine mittlere Brennstofftemperatur (T₁) und die mittlere Kühlmitteltemperatur (T_c) schätzt.

b) D'■' Schätzschaltung ist eingangsseitig mit den Meßwertgebern für Kühlmittelausgangstemperatur (T₀) und den Meßwertgebern für Gesamtleistung des Reaktorkerns (P), Primärkühlmittelgesamtdurchsatz (W) und die Kühlniitteleintrittstemperatur (T₁) verbunden.

c) Die Schutzschaltung ist ausgangsseitig mit einer Überwachungseinrichtung mit Sollwertvergleicher verbunden, welche die geschätzte mittlere Brennstofftemperatur (Tf) und/oder die geschätzte mittlere Brennstofftemperatur (T) auf Abweichungen von vorgebbaren Sollwerten überwacht und gegebenenfalls Fehlermeldungen auslöst.

d) Die Schätzschaltung weist ferner einen Rückkopplungszweig auf, welcher die Ausgangsgrößen (T_{, T_c) der jeweils letzten Schätzung nach Gewichtung mit vorgebbaren Faktoren (ff) wiecfr dem Eingang der Schätzschaltung zuführt.

e) Es ist eine weitere Schätzschaltung vorhanden, die aus den Meßwerten die Parametermatrizen (Φ, Γ) jeweils neu schätzt und bei Bedarf in die erste Schätzschaltung einspeist.

f) Zumindest die erste Schätzschaltung beinhaltet ein Kaiman-Filter und bildet folgende Rekursionsformel nach:

X_{k +} , = 0X_k + rih + K_k(Y_k - HX_k - Du_k)

mit

X = (Tr\ = simulierter Zustandsvektor für ein Brennelement,

U δ Ρ

I- u = δΤ, = (ggf. differenzierte) /Gesamtleistung, KühlmitteltemperA

;i δ W Eingangsgröße \ Kühlmittelgesamtdurchsatz /,

Ki Y = 6T₀ = (ggf. differenzierte) Eingangsgröße (Kühlmittelausgangstemperatur),

;, wobei Φ, Γ, K, H, D Parametermatrizen bedeuten und Index k bzw. (k + Y) den Zeitpunkt / bzw. (/ + A t) indi-

n ziert, dem die Werte jeweils zugeordnet sind

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Feststellung und Meldung von Kühlungsstörungen in einem Brennelement eines Reaktorkerns, insbesondere von natriumgekühlten, schnellen Brutreaktoren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie im Prinzip aus der CA-PS 10 83 268 bekannt. In natriumgekühlten, schnellen Brutreaktoren sind verschiedene Kühlungsstörungen im Reaktorkern denkbar, die zur Vermeidung von größeren Schäden möglichst schnell erkannt werden sollen. Bei einer Kühlungsstörung,

beispielsweise dem teilweisen oder ganzen Verstopfen eines von flüssigem Natrium durchflossenen Kanals in einem Brennelement oder dem Auftreten von größeren Gasblasen in dem Kühlmittel, kann es zu einer Überhitzung des Brennstoffes und damit zu einer mehr oder weniger starken Beschädigung des betroffenen Brennelementes kommen. Zur frühzeitigen Feststellung von solchen Kühlungsstörungen wird bisher die Kühlmitteltemperatur am Brennelementausgang gemessen und mit einem Sollwert verglichen. Überschreitet die Abweichung der Ausgangstemperatur vom Sollwert eine bestimmte Größe, so wird eine Kühlungsstörung unterstellt und eine entsprechende Fehlermeldung ausgegeben, bzw. gegebenenfalls ein Abschalten des Reaktors ausgelöst. Das Hauptproblem bei diesem Verfahren sind die immer vorhandenen Schwankungen des Kühlmittelaustrittstemperatur, das sogenannte Rauschen der Meßwertes, welches die Empfindlichkeit dieses Verfahrens einschränkt. Entweder muß nämlich die Ansprechschwelle sehr hoch gesetzt werden, damit auch bei den statistisch auftretenden Spitzen im Rauschspektrum kein Fehlalarm ausgelöst wird, oder man muß durch zeitliche Integration der Meßwerte eine Glättung vornehmen, was auf Grund der Zeitkonstanten zu verzögerten Fehlermeldungen und bei transienten Vorgängen zu Verfälschungen führt.

Über ein verbessertes Verfahren zur Verringerung des Rauschens in dem Meßwert der Kühlmittelausgangstemperatur wurde auf dem Specialists Meeting on Reactor Noise (SMORN II) in Gatlinburg, Tennessee (USA), 1977 von M. Edelmann unter dem Thema »Noise and DC Balanced Outlet Temperature Signals for Monitoring Coolant Flow in LMFBR Fuel Elements« berichtet. Bei diesem Verfahren wird versucht, die Schwankungen der Kühlmittelaustrittstemperatur durch weitere Messungen und Korrekturen zu kompensieren, um die Empfindlichkeit und Ansprechzeit des Kühlungs-Überwachungssystems zu verbessern. Dieses bekannte Verfahren kompensiert tatsächlich unter Zuhilfenahme eines thermohydraulischtn Modells schon einen erheblichen Teil der Schwankungen, ist jedoch vornehmlich für stationären Betrieb geeignet, da einige Parameter :-js kostant eingegeben werden. Ein Driften dieser Parameter führt u. U. zu Fehlmeldungen, wenn die Ansprechsc'iwelle für den Alarm nicht hinreichend hoch gewählt wird.

In der oben erwähnten CA-PS 10 83 268, von der die vorliegende Erfindung ausgeht, wurde bereits eine Korrekturschaltung vorgeschlagen, die die Überwachung von Kühlungsstörungen auch bei transienten Vorgängen verbessert. Durch zeitverzögerte Korrelation der Kühlmitteleintritt' temperatur mit der Kühlmittelaustrittstemperatur und andere Verknüpfungen der Meßwerte wird die Verfügbarkeit der Überwachung erhöht, jedoch ist auch hier eine Anpassung aller Parameter an Veränderungen nicht vorgesehen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß eine empfindliche Feststellung von Kühlungsstörungen in Reaktorkernen, insbesondere bei natriumgekühlten, schnellen Brütern, möglich wird, bei der Fehlmeldungen weitestgehend ausgeschlossen sind, ohne daß die Empfindlichkeit der Überwachung beschränkt werden muß. Insbesondere soll auch eine Kühlungsüberwachung bei transienten Vorgängen d. h. während normalen Betriebsänderungen im Reaktorsystem, ohne Einschränkung des Frühwarnpotentials möglich sein.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren gemäß dem Anspruch 1 vorgeschlagen. Demgemäß wird nicht mehr die Kühlmittelausgangstemperatur an jedem Brennelement überwacht, sondern die nicht direkt meßbare mittlere Brennstoff- bzw. Kühlmitteltemperatur aus ieicht meßbaren Größen unter Verwendung eines ihermohydr&ulischen Modells abgeleitet. Diese mittlere Brennstoff- bzw. Kühlmitteltemperatur ist eine Größe, deren Wert nur mit einem sehr geringen Rauschen behaftet ist. Die Probleme, die sich durch das Rauschen der KühimittelaustriUstemperatur ergaben, stellen sich nach einer Bestimmung der mittleren Brennstofftemperatur nicht mehr. Daher läßt sich eine Abweichung der mittleren Brennstoff- bzw. Kühlmitteltemperatur vom Sollwert mit großer Genauigkeit feststellen, so daß eine Fehlermeldung für das betreffende Brennelement ausgelöst werden kann.

Das erfindungsgemäße Verfahren erfordert keine zusätzliche Instrumentierung am Kernreaktor und liefert trotzdem mit Hilfe der Schätzschaltung genügend Meßwerte für alle freien Parameter des thermodynamischen Modells. Mit Hilfe dieser Messungen werden nun die Brennstofftemperatur im Brennelement und die Kühlmitteltemperatur im Brennelement geschätzt. Außerdem werden der Leistungsanteil des Brennelementes, der Durchsatzanteil des Brennelementes, die spezifische Wärme des Kühlmittels im Brennelement, die Wärmekapazität des Brennstoffes und des Kühlmittels im Brennelement und die integrale Wärmedurchgangszahl zwischen Brennstoff und Kühlmittel bestimmbar.

Insbesondere die Brennstofftemperatur ist nun geeignet für eine Überwachung auf Kühlungsstörungen jedes einzelnen Brennelementes. Die übrigen Größen dienen der Klassifizierung der über die Brennstofftemperatur indizierten Anomalie, d. h. sie können Informationen über Ursache und Risiko einer Anomalie geben.

Dieses Verfahren wird zweckmäßigerweise unter Verwendung eint s Kaiman-Filters gemäß Anspruch 2 durchgeführt. Es kann issbesondere unter Zuhilfenahme eines Rechners mit großer Schnelligkeit ausgeführt werden und arbeitet auch bei Zustandsänderungen des Reaktors einwandfrei und erheblich schneller als die bisherigen Verfahren. Außerdem wird die Verfügbarkeit der Überwachung nicht durch semi-manuelles Kalibrieren beeinträchtigt, was ein weiterer Vorteil gegenüber dem Stand der Technik ist.

Im Anspruch 3 wird eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens vorgeschlagen. Bei dieser Anordnung werden die Meßwertgeber für Gesamtleistung, Primärdurchsatz, Kühlmitteleintrittstemperatur, Kühlmittelaustrittstemperatur von jedem Brennelement mit einer Auswerteelektronik verbunden, in der die lokalen Brennstoff- bzw. Kühlmitteltemperaturen aus den Meßwerten nach einer Rekursionsformel abgeleitet werden. Die lokalen Brennstofftemperaturen treten nun an die Stelle der bisher übrwachten Kühlmittelaustritistemperaturen. Dabei ist deren Rauschen bedeutend geringer als das der bisher gemessenen Kühlmittelaustrittstemperatur.

Zur Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Verfahrens dienen noch folgende Erläuterungen: Bei natriumgekühlten schnellen Brutreaktoren stehen folgende Meßgrößen durch ohnehin notwendige Messungen zur Ver-

P = Gesamtleistung des Kerns

T₁ = Temperatur des Kühlmittels am Kerneingang

W = Gesamtdurchsatz des Kühlmittels im Kühlbereich

Weiterhin wird für jedes Brennelement die Kühlmittelaustrittstemperatur gemessen:
T„ = Kühlmittelaustrittstemperatur

Unter Zugrundelegung eines gängigen einfachen thermohydraulischen Modells läßt sich ein Brennelement ίο folgendermaßen beschreiben:

JL _Ti = JL·. ρ - -¹^(T₁-T₁) (1)

d/ C₁ C₁

JL τ = JZrU-T₁) - IH^a-T₁). (2)

d / C, C₁

Wobei die Buchstaben folgende Bedeutung haben:

T, = mittlere BrennstolTtemperatur des Brennelementes

T - mittlere Kühlmitteltemperatur im Brennelement

K₁, = Anteil der Brennelementleistung an der Gesamtleistung ρ

κ, = Anteil des Brennelementdurchsatzes am Gesamtdurchsatz »·

k = Wärmedurchgangszahl zwischen Brennstoff und Kühlmittel

/; = spezifische Wärme des Kühlmittels

C. = Wärmekapazität des Brennstoffes im Brennelement

C = Wärmekapazität des Kühlmittels im Brennelement

Unter der Annahme eines linearen axialen Temperaturprofils im Brennelement gilt der Zusammenhang:

T₁ = -(Z + T₁) oder T₁, = 2 I - T₁

Bei einer Linearisierung um den Arbeitspunkt, der dabei zeitabhängig ist, und einer Diskretisierung des linearen Modells lassen sich die Gleichungen (1) und (2) in ein System von linearen Differenzengleichungen zusammenfassen:

W.i = Φ X, + Γιπ (3)

ϊ\ = HX₁ +Du₁, (4)

wobei Φ, Γ, H und D Parametermatrizen sind und

"

den Zustandsvektor des Brennelementes zum Zeitpunkt r_A bedeutet.
Y_t = Υ(ι,) = OT,

ist die Meßgröße und

u_k = u(t_k) = OT₁

ist der Vektor der ebenfalls gemessenen Eingangs-(Stör-)Größen.

Das Geichungssystem (3), (4) beschreibt die Wirkung der Störungen u_k auf das Core-Verhalten zu den jeweils diskret gewählten Meßzeitpunkten t_k in der Umgebung des Arbeitspunktes.

Das hier behandelte Problem besteht nun unter anderem darin, den nicht direkt meßbaren Zustandsvektor X_k

aus den Meßwerten Y_k und u_k zu bestimmen. Dies läßt sich in besonders geeigneter Weise durch ein Zustands schätzverfahren, ein sogenanntes Kaiman-Filter bewerkstelligen. Die zugehörige Theorie ist z. B. beschrieben in dem Buch: K. W. Schrick, »Anwendungen der Kaiman-Filter-Technik«, Oldenbourg Verlag München Wien

Der Schatzwert X_k des Zustandsvektors X_k ist dabei gegeben durch die Rekursionsformel:

X_k+ , = 0X_k + ru_k + K_k ■ (Y_k - HX_k - Du_k) (5)

Je ungenauer anfangs der Schätzwert X_k ist, desto größer wird die Differenz sein zwischen Meßwert Y_k und dem Rechenwert

Y_k = HX_k + Du_k (siehe (4))

Das Kaiman-Filter benutzt die mit dem Faktor K_k gewichtete Differenz K_k (Y_k - Y_k) zur Korrektur des Schätzwertes nach Maßgabe von Gleichung (5). In der Literatur ist bewiesen, daß sich X_k mit zunehmender Zahl von Mev-ungen, d. h. mit wachsendem Index k dem tatsächlichen Wert X nähert.

Für die hier dargelegte Erfindung ist dabei aber entscheidend, daß die geschätzte, nicht direkt meßbare, Brennstofftemperatur außerordentlich rauscharm ist. Der Grund ist einerseits die große Wärmekapazität C/des Brennstoffes, welche sozusagen die Wirkung eines »Tiefpaßfilters« auf das Rauschen der verschiedenen Parameter hat, und andererseits die Tatsache, daß der Schätzwert erheblich rauschärmer ist, als der tatsächliche Wert der Brennstofftemperatur T₁. (Daher auch die Bezeichnung Kaiman-Filter).

Ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung einer Schätzschaltung unter Einbeziehung dieses Filters ist in der Zeichnung dargestellt:

Die zum Zeitpunkt t_k gemessenen Größen Y_k und u_k werden mit Hilfe dieser Schätzschaltung so verarbeitet, daß der nicht meßbare Brennelement-Zustand X_k bzw. X_k+ , am Ausgang anfällt. Die Schaltung bildet genau die Rekursionsformel (5) nach. Die am Ausgang anliegende Schätzgröße X_k wird mit Φ multipliziert und zu einem ΔΗΗϊργργ? opfiihrt 7u Hipcpm AHHiprpr opianot pHpnfallc Hip am Pinoano nnlipdp.nrip. Mpftoröftp ti. milltinli7iprt

mit dem Faktor Γ. An dem Addierer liegt außerdem noch die gewichtes Differenz K_k(Y_k - HX_k - Du_k) an, welche in einem vorgeschalteten Addierer Σ aus -Du,,, Y_k und -HX_k gebildet und mit K_k multipliziert wird.

Das Ergebnis der Schaltung ist der Schätzwert X_{k +} ,, der nach der Zeit Δ t über eine Verzögerungsschaltung an die Stelle von X_k tritt, wenn im nächsten Schritt X_k+2 geschätzt wird. Die kontinuierlich gemessenen Größen u_k und Y_k werden von der Schaltung über einen Zeittaktgeber in Zeitabständen Δ t abgefragt und verarbeitet (Dis- ■:

kretisierung). Bei dem Blockschaltbild ist zu beachten, daß die einzelnen Größen Vektoren bzw. Matrizen sind. 25 :j so daß eine Schaltung mit Aufschlüsselung nach einzelnen Komponenten die einzelnen Bauteile mehrfach ent- f_t

halten würde, was zur besseren Übersicht und Schematisierung hier vermieden wurde. jS

Der sehr rauscharme Schätzwert der Brennstofftemperatur T_f des jeweiligen Brennelementes wird nun über- |i

wacht, und eine Abweichung vom Sollwert löst eine Fehlermeldung aus. Entscheidend dabei ist auch, daß dieses f

Überwachungsverfahren auch bei transienten Vorgängen (z. B. Lastmanövern) verfügbar ist, da alle relevanten Pai imeter aus den Messungen laufend neu bestimmt werden (automatische Kalibrierung).

Dazu werden die zum Zeitpunkt t_k gemessenen Größen Y_k und u_k mit Hilfe einer zweiten Schätzschaltung so verarbeitet, daß die Schätzwerte Φ und Γ am Ausgang anfallen und bei Bedarf in das Kaiman-Filter eingeführt werden können. Dabei ist wesentlich, daß die Genauigkeit der Core-Parameter-Schätzung nicht von den Schätzfehlern in den Brennstoff- und Kühlmitteltemperaturen abhängt. (Es ist keine Rückkopplung vom Kalman-Filter an die Parameter-Schätzanordnung erforderlich.)

Es ist von der Literatur bekannt (z. B. E. V. Bohn, M. K. De Beer, »Consistent Parameter Estimation in Multiinput Multi-output Discrete Systems«, Automatica, Vol. 13, pp 301-305,1977), daß der Zustand X in den Gleichungen (3), (4) analytisch eliminiert und daß dadurch ein algebraischer Zusammenhang zwischen den Elementen der Systemmatrizen Φ, /"und den Meßwerten Y, u hergestellt werden kann. Die resultierenden Gleichungen haben standard lineares Regressionsformat.

Die unbekannten Parameter können deshalb mit Hilfe der Methode der kleinsten Quadrate rekursiv bestimmt werden. Die dazu verwendete zweite Schätzschaltung ist der Struktur nach identisch mit dem in der Zeichnung dargestellten Kaiman-Filter. An die Stelle des Zustandsvektors χ tritt der aus den Elementen von Φ und Γ gebildete Parameter Δ. 45 ^

Somit ist durch diese Verkopplung zwischen Core-Parameter und Core-Zustands-Schätzanordnung die Ver- φ

fügbarkeit der Brennelement-Überwachung stark erhöht, während die Fehlalarme trotz Steigerung der Empfindlichkeit erheblich reduziert werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Feststellung und Meldung von Kühlungsstörungen in einem Brennelement eines Reaktorkerns, insbesondere eines natriumgekühlten, schnellen Brutreaktors, wobei die Kühlmittelausgangstemperatur (T₀) über dem Brennelement und außerdem die Gesamtleistung (P) des Reaktorkerns, der Primärkühlmittelgesamtdurchsatz (W) und die Kühlmitteleintrittstemperatur (7^) oder andere in diese Größen umrechenbare Meßgrößen gemessen und funktional miteinander verknüpft werden, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: