DE3523147C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Schützen von Pumpenaggregaten für ein Kernkraftwerk gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Ein bekannter Siedewasser-Reaktor gemäß der US-PS 43 02 288 enthält einen Druckbehälter, der einen Reaktorkern mit Brennstoff aufweist, der in eine Flüssigkeit, wie beispielsweise Leichtwasser, untergetaucht ist, die sowohl als Arbeitsmittel als auch als Neutronenmoderator dient.

Das Wasser wird durch den Reaktorkern geleitet, wodurch ein Teil davon in Dampf umgewandelt wird. Der Dampf wird dem Druckbehälter entnommen und zu einer Antriebsmaschine, beispielsweise einer Turbine, geleitet, die einen elektrischen Generator antreibt. Der Turbinenabdampf wird kondensiert und zusammen mit notwendigem Frischwasser durch ein Kondensatfördersystem in den Druckbehälter zurückgeleitet.

Kernreaktoren sind mit Wasserstands-Regeleinrichtungen versehen, die den Wasserstand innerhalb des Druckbehälters, die Dampfausströmung aus dem Druckbehälter und die Speisewassereinströmung in den Druckbehälter überwachen. Die Wasserstands-Regeleinrichtungen beeinflussen den Betrieb des Kondensatsfördersystems, um den Wasserstand in dem Reaktordruckbehälter zu steuern. Sollte die Dampfausströmung die Speisewassereinströmung übersteigen, wird die Wasserstands-Regeleinrichtung bestrebt sein, mehr Speisewasser in den Behälter zu leiten. Ebenso wird, wenn die Speisewassereinströmung die Dampfgasströmung übersteigt, die Wasserstands-Regeleinrichtung bestrebt sein, weniger Speisewasser in den Behälter zu leiten. Vorrangig vor dieser Regelung ist eine Regelung auf Grund des Wasserstandes im Druckbehälter. Ein hoher Wasserstand ergibt eine Forderung nach einer Reduzierung der Speisewassereinströmung. Ein niedriger Wasserstand ergibt eine Forderung nach einer Erhöhung der Speisewassereinströmung.

Speisewasserpumpen in Kondensationsfördersystemen werden durch Elektromotoren oder Turbinen angetrieben. Wenn die Speisewasserpumpen durch Elektromotoren angetrieben werden, kann die Speisewasserzufuhr gesteuert werden, indem das Speisewasser durch ein Durchflußregelventil geleitet und das Ventil gemäß den Forderungen der Wasserstands- Regeleinrichtung verstellt wird, um den Strömungswiderstand zu verkleinern oder zu vergrößern. In einigen Kernreaktoranlagen werden die Speisewasserpumpen durch Turbinen angetrieben, die Dampf aus dem Reaktordruckbehälter benutzen. In diesen Fällen kann die Speisewasserströmung gesteuert werden, indem die Menge des diesen Turbinen zugeführten Dampfes verändert wird. Ein Durchflußregelventil ist in den Dampfförderleitungen vorgesehen, um diese Steuerung zu gestatten.

Die Regelung der Speisewasserzufuhr durch die Speisewasserpumpe beeinflußt den Wasserdruck sowohl am Pumpenauslaß als auch am Pumpeneinlaß. Beispielsweise wird das Öffnen eines Ventils, das zur Durchflußregelung in der Speisewasserleitung benutzt wird, zu einer Vergrößerung der Durchflußmenge mit einer entsprechenden Vergrößerung der Belastung des die Pumpe antreibenden Motors führen. Der Druck am Pumpeneinlaß wird sinken. Weiter wird beispielsweise eine Vergrößerung der Dampfmenge, die einer Turbine zugeführt wird, zu einer Beschleunigung der Pumpe führen, was von einem Absinken des Einlaßdruckes begleitet ist. Die Speisewasserströmung wird zunehmen.

Ein Kondensatfördersystem enthält mehrere Radialpumpen. Die Speisewasserpumpen sind diejenigen Pumpen, die den Speisewasserdruck auf den Wert des Druckes innerhalb des Reaktorbehälters erhöhen. Das Speisewasser ist meistens auf einer erhöhten Temperatur. Der Wasserdruck ist an verschiedenen inneren Punkten einer Radialpumpe während des Pumpenbetriebes unterschiedlich. Obgleich der mittlere Wasserdruck steigt, wenn das Wasser die Pumpe durchströmt, kann der lokale Druck innerhalb der Pumpe aufgrund von Turbulenz und anderen Faktoren beträchtlich unter den Pumpeneinlaßdruck sinken. Sollte der lokale Druck weit genug sinken, kann es zu einem schlagartigen Sieden des Wassers und infolgedessen zur Pumpenkavitation kommen. Das hat einen nachteiligen Einfluß auf den Pumpenwirkungsgrad und kann zur Beschädigung der Pumpe führen.

Das Sieden erfolgt, wenn eine weitere Zufuhr von Wärme oder eine Verringerung des lokalen Druckes bewirkt, daß sich etwas Wasser in Dampf umwandelt. Wenn eine ausreichende Differenz zwischen der Enthalpie des Wassers im Pumpeneinlaß und der Enthalpie an der Siedelinie des Wassers bei lokalem Druck innerhalb der Pumpe aufrechterhalten wird, wird das Sieden verhindert. Die minimal erforderliche Enthalpie-Differenz wird als erforderlicher NPSH-Wert und die tatsächliche vorliegende Enthalpie-Differenz als vorhandener NPSH-Wert bezeichnet. Der bei jeder Pumpe jeweils erforderliche NPSH-Wert variiert mit der Wassertemperatur. Diese Eigenschaften von Radialpumpen sind seit langem bekannt, und Daten darüber sind im allgemeinen vom Pumpenhersteller erhältlich. Bislang wird bei den Schutzmaßnahmen zum Verhindern der Pumpenkavitation eine Drucküberwachung zum Abschalten des Antriebsmotors immer dann, wenn der Pumpeneinlaßdruck unter einen vorbestimmten Wert gefallen ist, verwendet. Diese Druckabschaltungen erfolgen bei dem gewählten vorbestimmten Wert bei sämtlichen Wassertemperaturen. Derartige Druckabschaltmaßnahmen sind in Kernreaktoranlagen bereits benutzt worden.

Aus der GB-PS 10 78 576 ist es bekannt, bei Auftreten von Kavitation das druckseitige Drosselventil in Richtung auf seine Schließstellung zu bewegen, um die Kavitation zu stoppen.

Die US-PS 34 64 440 zeigt ein auf der Druckseite angebrachtes Drosselventil, das in Richtung auf seine Schließstellung bewegt wird, wenn eine Überlastung des Pumpenmotors zu befürchten ist.

Der erforderliche NPSH-Wert bei einer bestimmten Pumpe kann für verschiedene Kombinationen von Temperatur und Druck zwar steigen oder abnehmen, jedoch kann ein ausreichender NPSH-Wert bei einer bestimmten Pumpe bei niedrigeren Pumpeneinlaßdrücken erzielt werden, wenn die Wassertemperatur sinkt. Infolgedessen kann es zu unnötigem Auslösen von Schutzmaßnahmen kommen, wenn eine einfache Druckauslösung benutzt wird. In einem Kernkraftwerk könnte eine druckausgelöste Speisewasserpumpenschaltung, die zu einer teilweisen Absperrung der Wasserströmung zum Reaktor führt, eine unerwünschte Notabschaltung des Reaktors erfordern. Das Auftreten von solchen Abschaltungen des Pumpensystems ist noch wahrscheinlicher, wenn das Aufrechterhalten der maximalen Speisewasserströmung zum Behälter besonders wichtig ist, um eine Reaktornotabschaltung zu vermeiden. Ein Beispiel eines solchen Falles wäre, wenn der Reaktorwasserstand niedrig ist und die Wasserstands-Regeleinrichtung versucht, die Speisewasserströmung zu vergrößern.

Ein weiteres Problem bei bekannten Systemen besteht darin, daß eine Forderung nach größerer Durchflußmenge nicht nur einen kleineren Druck ergibt, sondern auch eine größere Belastung des Pumpenmotors. Wenn Elektromotoren benutzt werden, muß bei unzulässig hohen Belastungen der aufgenommene übermäßige Strom ein Relais auslösen, welches den Motor abschaltet, was wiederum zu einer Reaktornotabschaltung führen kann.

Die Betriebsgeschichte von Kernreaktoren zeigt, daß Kavitation und Pumpenmotorüberlastung in Pumpensystemen weit häufiger in Speisewasserpumpensystemen als in Kondensatpumpensystemen auftreten.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung zum Schützen von Pumpenaggregaten zu schaffen, durch die eine Überbelastung der Pumpenmotoren und eine Kavitation in den Pumpen vermieden werden.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch Maßnahmen gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß durch Anlegen von Ventilstellsignalen an das Speisewasser- Durchflußregelventil, welche einen übermäßigen Leistungsverbrauch und/oder Bedingungen anzeigen, die Pumpenkavitation verursachen können, der Durchfluß fortschreitend reduziert und der Leitungssystemwiderstand gegen den Durchfluß fortschreitend vergrößert wird, solange außerhalb der Grenzwerte liegende Bedingungen vorhanden sind. Zwei wesentliche Parameter werden gesteuert. Der Druck in dem Pumpensystem unmittelbar stromaufwärts des Ventils nimmt zu. Diese Druckzunahme verbessert den NPSH-Wert bei einer bestimmten Temperatur. Zweitens wird der Durchfluß verringert, wodurch die Belastung des Pumpenantriebsmotors verringert wird.

Die Einrichtung gemäß der Erfindung weist wahlweise eine Verzögerungseinrichtung auf, die zum Auslösen von Motorabschaltungen benutzt wird, falls die Werte eines übermäßigen Leistungsverbrauches oder eines reduzierten NPSH-Wertes über gewisse Zeitgrenzen hinaus andauern sollten.

Die Erfindung hilft also beim Aufrechterhalten der Pumpenfunktion und kann in Kombination mit einer Wasserstands-Regeleinrichtung den maximal möglichen Durchfluß durch die Leitung aufrechterhalten und gleichzeitig eine Pumpenbeschädigung oder eine unnötige Reaktornotabschaltung verhindern.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Schema eines Kernreaktors und einer zugeordneten Wasserstands-Regeleinrichtung,

Fig. 2 ein Schema einer Pumpenanordnung für ein typisches Kondensatfördersystem,

Fig. 3 ein Schema einer Speisewasserpumpen- Schutzeinrichtung in Verbindung mit einem Kondensatfördersystem, in welchem motorgetriebene Speisewasserpumpen benutzt werden,

Fig. 4 ein Schema von einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung in Verbindung mit einem Kondensatfördersystem mit turbinengetriebenen Speisewasserpumpen und

Fig. 5 eine grafische Darstellung des NPSH-Wertes als Funktion des Pumpeneinlaßüberdrucks und der Temperatur.

Fig. 1 zeigt schematisch einen wassergekühlten und -moderierten Siedewasserkernreaktor von welchem ein Beispiel in Fig. 1 schematisch gezeigt ist, mit einem Druckbehälter 10, welcher einen Reaktorkern 11 enthält, der in Kühlmittel/ Moderator, wie beispielsweise Leichtwasser, untergetaucht ist, wobei der normale Wasserstand mit 12 bezeichnet ist.

Eine Hülle 13 umgibt den Reaktorkern 11, und eine Kühlmittelumwälzpumpe 14 setzt eine untere Kammer 16 unter Druck, aus welcher Kühlmittel aufwärts durch den Reaktorkern 11 gedrückt wird. Ein Teil des Kühlwassers wird in Dampf umgewandelt, der durch Abscheider 17 hindurchgeht, die sich innerhalb eines Trocknerdichtmantels 9 mit Trocknern 18 befinden, und von da aus durch eine Dampfleitung 19 zu einem Verbraucher in Form einer Turbine 21.

Ein Teil des Dampfes wird aus der Turbine 21 durch Vorwärmer 92 und 93 in einer Speisewasserleitung 26 abgeleitet. Kondensat, das in einem Kondensator 22 gebildet wird, wird zusammen mit notwendigem Speisewasser als Speisewasser zu dem Behälter 10 durch eine Kondensatpumpe 30, eine dieser nachgeschaltete Speisewasserpumpe (Radialpumpe) 23 und über ein Durchflußregelventil 24 in der Speisewasserleitung 26 zurückgeleitet.

Mehrere Steuerstäbe 27, die Neutronenabsorbermaterial enthalten, sind vorgesehen zum Steuern der Leistungserzeugung und zum Abschalten des Reaktors, falls notwendig. Die Steuerstäbe 27 sind wahlweise zwischen die Brennelemente des Reaktorkerns unter der Steuerung eines Steuerstabsteuersystems 28 einführbar.

Für den richtigen Reaktorbetrieb ist es notwendig, den Wasserspiegel in dem Behälter 10 innerhalb vorbestimmter oberer und unterer Grenzen zu halten. Eine allgemeine Möglichkeit für diese Wasserstandsregelung wird nun erläutert. Ein erster Aspekt dieser Regelung ist ein Vergleich zwischen der Dampfausströmung aus dem Behälter und der Speisewassereinströmung.

Ein Signal, das zu dem Dampfdurchsatz proportional ist, wird durch einen Dampfströmungssensor 29 geliefert, bei welchem es sich um einen Differenzdruckgeber handeln kann, der den Differenzdruck an zwei Abstand voneinander aufweisenden Druckanzapfungen in einer Strömungsmeßvorrichtung 31 erfaßt, die in der Dampfleitung 19 angeordnet ist.

Ebenso wird ein Signal, das zu dem Speisewasserdurchsatz proportional ist, durch einen Sensor 32 geliefert, bei welchem es sich um einen Differenzdruckgeber handeln kann, der mit einer Durchflußmeßvorrichtung 33 in der Speisewasserleitung 26 verbunden ist.

Die Signale aus den Strömungssensoren 29 und 32 werden zu einer Speisewasserstands-Regeleinrichtung 34 geleitet, in welcher sie voneinander subtrahiert werden. Eine Differenz von null zeigt an, daß Ausströmung und Einströmung dieselben sind und daß der Wasserstand konstant bleiben wird. Wenn die Differenz von null verschieden ist, wird ein Signal, dessen Vorzeichen der Differenz entspricht und dessen Amplitude zu der Differenz proportional ist, an eine Ventilsteuerung 36 angelegt, die das Ventil 24 so einstellt, daß die Dampfausströmung und die Speisewassereinströmung ins Gleichgewicht gebracht werden. Diese Anordnung sorgt für eine schnelle Korrektur und hält normalerweise den Wasserspiegel im Druckbehälter innerhalb eines relativ schmalen Bereiches. Die Position des Wasserspiegels in dem Behälter wird jedoch durch sie weder erfaßt noch geregelt.

Daher ist ein zweiter Aspekt der Wasserstandsregelung das Vorsehen einer oberen Wasserstandsdruckanzapfung 37 und einer unteren Wasserstandsdruckanzapfung 38, welche Signale liefern, aus denen die Position des Wasserstands bestimmt werden kann. Die Druckanzapfungen 37 und 38 stehen mit dem Inneren des Behälters 10 in Verbindung und sind mit einem Differenzdruckgeber 39 verbunden, der die Druckdifferenz an den Anzapfungen 37 und 38 in ein Ausgangssignal umwandelt, welches die Position des Wasserstands 12 angibt. Dieses Signal wird der Speisewasserstands- Regeleinrichtung 34 zugeführt und darin zum Verändern des Steuersignals für die Ventilsteuerung 36 verwendet, wodurch das Ventil 24 so gesteuert wird, daß es den Speisewasserdurchsatz einstellt und dadurch die Position des Wasserstands 12 innerhalb der vorgeschriebenen oberen und unteren normalen Betriebsgrenzen hält. (Es ist zwar hier der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt, es sei jedoch angemerkt, daß in dem üblichen System zwei oder mehr als zwei Sätze von Pumpen 23 und 30, Ventilen 24 und Ventil-Steuerungen 36 in Parallelschaltung benutzt werden, vgl. Fig. 2.)

Wenn aus irgendeinem Grund, beispielsweise wegen des Ausfalls einer Komponente, die Wasserstands-Regeleinrichtung 34 nicht in der Lage ist, den Wasserstand innerhalb der normalen Grenzen zu halten, kann der Wasserstand übermäßig niedrig oder hoch werden. Ein Wasserstandsdetektor 40 ist vorgesehen, um einen übermäßig niedrigen, außerhalb der Grenzen liegenden Wasserstand zu erfassen und ein Signal OL_l zu erzeugen. Ebenso ist ein Wasserstandsdetektor 41 vorgesehen, um einen übermäßig hohen Wasserstand zu erfassen und ein Signal OL_h zu erzeugen. Diese Signale werden durch ein Reaktorschutzsystem 42 empfangen, das auf einen außerhalb der Grenzen liegenden Zustand anspricht, indem es dem Steuerstabsteuersystem 28 meldet, daß die Steuerstäbe einzuführen sind und eine Notabschaltung des Reaktors vorzunehmen ist.

Fig. 2 zeigt einen Überblick über ein typisches Kondensatfördersystem. Elemente, die zur aktiven Steuerung der Speisewassertemperatur oder des Speisewasserdruckes benutzt werden, sind schematisch dargestellt.

Der Kondensator 22 sammelt Kondensat aus der Arbeitsturbine 21 und aus den Vorwärmern 92 und 93. Kondensat wird über einen Verteiler 150 drei Kondensatpumpen 30 zugeführt. Das Kondensat wird als Speisewasser durch die Kondensatpumpen gefördert, und seine Temperatur wird durch Hindurchleiten durch die Vorwärmer 92 erhöht. Die Vorwärmer benutzen Dampf, welcher der Arbeitsturbine entnommen wird.

Das Speisewasser wird dann in einen Verteiler 151 geleitet, der es zu zwei Speisewasserpumpen 23 fördert. Die Vorwärmer 93 sind hinter den Auslässen der Speisewasserpumpen vorgesehen. Wenn das Kondensatfördersystem motorgetriebene Speisewasserpumpen enthält, sind Regelventile 24 in jeder Leitung unmittelbar hinter der letzten Vorwärmstufe vorgesehen. Ein Verteiler 152 fördert dann das Speisewasser zu dem Reaktorgefäß.

Wie oben erwähnt, enthält ein typisches Kondensatfördersystem mehrere Radialpumpen. Die Verwendung von Gruppen von Pumpen in Parallelschaltung ergibt eine vorteilhafte Redundanz für den Fall, daß eine Pumpe ausfällt. Mehrphasige Elektromotoren und/oder Dampf angetriebene Turbinen werden zum Antreiben der verschiedenen Pumpen benutzt. Wenn Turbinen benutzt werden, kann die Strömungssteuereinrichtung für den Dampf, der diesen Turbinen zugeführt wird, anstelle der Regelventile 24 in den Speisewasserleitungen benutzt werden.

Das Kondensat ist üblicherweise auf einer Temperatur von 6-11°C oberhalb der Umgebungstemperatur und auf einem Druck von 68-85 MPa. Die Kondensatpumpen 30 erhöhen den Druck des Speisewassers auf einen Überdruck von ungefähr 48 bar. Die Vorwärmer 92 erhöhen die Wassertemperatur auf etwa 190°C. Die Speisewasserpumpen 23 erhöhen dann den Wasserdruck auf einen Überdruck von etwa 74 bar. Alle obigen Zahlenangaben gelten für normalen Betrieb.

In Fig. 3 ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Das Kondensatfördersystem ist der Übersichtlichkeit halber nur mit zwei Radialpumpen dargestellt. Die Positionen der Verteiler 150, 151 und 152 sind gezeigt. Jede Speisewasserpumpe in einem Kondensatfördersystem weist eine Schutzeinrichtung für das Pumpenaggregat auf. Demgemäß wird jedes Regelventil 24 unabhängig gesteuert. Die Speisewasserleitung 26 enthält die verschiedenen Pumpen, Rohre und Ventile, die zum Verbinden des Kondensators 22 mit dem Reaktorbehälter 10 benutzt werden. Der Kondensator 22 ist mit der Kondensatpumpe 30 direkt verbunden. Die Kondensatpumpe fördert in die Speisewasserpumpe 23. Die Speisewasserpumpe 23 steht mit dem Druckbehälter 10 über das Regelventil 24 in Verbindung. Die Pumpen 23 und 30 sind typisch Radialpumpen.

Antriebsmotoren 50 und 52 treiben die Kondensatpumpe bzw. die Speisewasserpumpe an. Im allgemeinen wird ein dreiphasiger Asynchronmotor benutzt.

Das Regelventil 24 kann durch die Ventilsteuerung 36 verstellt werden.

Die Vorwärmer 92 und 93 benutzen Dampf, der aus der Turbine 21 abgeleitet worden ist, um die Temperatur des Speisewassers zu erhöhen, das in den Reaktorbehälter geleitet wird. Der Vorwärmer 92 erhitzt das in der Speisewasserleitung 26 zwischen der Kondensatpumpe 30 und der Speisewasserpumpe 23 strömende Wasser. Der Vorwärmer 93 erhitzt Wasser, das er aus der Speisewasserpumpe 23 empfängt.

Ein Temperatursensor der Temperaturmeßeinrichtung 56 und ein Drucksensor der Druckmeßeinrichtung 58 sind im Einlaß 54 der Speisewasserpumpe 23 vorgesehen. Jeder Sensor liefert ein elektrisches Signal, das zu dem Wert des gemessenen physikalischen Zustands proportional ist. Das Temperatursignal ist daher proportional zu der Temperatur des Speisewassers in dem Pumpeneinlaß. Das Drucksignal ist proportional zu dem Wasserdruck in dem Pumpeneinlaß. Die Wassertemperatur während des normalen Betriebes beträgt typisch 190°C, obgleich sie niedriger sein wird, wenn das Reaktorsystem nicht mit voller Leistung arbeitet. Der normale Überdruck des Wassers in dem Einlaß 54 beträgt etwa 48 bar.

Das Temperatursignal und das Drucksignal werden durch eine Schaltungsanordnung in einer den vorhandenen NPSH-Wert ermittelnden Recheneinheit 60 verarbeitet, die ein Mikroprozessor sein kann, der in der Lage ist, eine Tabellensuchoperation auszuführen. Das Temperatursignal und das Drucksignal werden durch einzelne A/D-Wandler verarbeitet. Die NPSH-Werte für die Matrix von diskreten Drucken und Temperaturen sind in einem Speicher abgespeichert. Der Mikroprozessor bestimmt die geeignete Adresse in dem Speicher aus den Temperatur- und Druckangaben und generiert so einen NPSH-Wert. Ein D/A- Wandler verarbeitet den NPSH-Wert aus dem Speicherregister, auf das der Zugriff erfolgt. Ein Signalwert, der mit dem NPSH-Wert des Wassers in dem Pumpeneinlaß korreliert ist, wird so geliefert. Das korrelierte Signal wird dem nichtinvertierenden Anschluß einer Summiereinrichtung 62 zugeführt. Die Funktion des NPSH-Wertes ist nichtanalytisch und ist grafisch in Fig. 5 dargestellt.

Eine Einrichtung 64 zum Ermitteln des erforderlichen NPSH- Wertes empfängt das Temperatursignal aus dem Speisewasserpumpeneinlaß. Der zugehörige Grenzwert- Signalgenerator 64 ist ein Funktionsgenerator, der aus der gemessenen Temperatur einen erforderlichen NPSH-Wert ermittelt, welcher notwendig ist, um Kavitation in der Speisewasserpumpe bei dieser Temperatur zu verhindern. Diese NPSH-Werte stammen aus Testdaten, die der Hersteller liefert. Ein repräsentativer Satz von Werten ist in Fig. 5 grafisch dargestellt. Die Schaltung kann mit einer geeichten Konstantstromquelle und einem Summierpunkt realisiert werden. Eine bestimmte Größe des NPSH-Wertes, der bei einer gegebenen Temperatur erforderlich ist, verlangt einen gewissen Mindestdruck für diese Temperatur. Ein Signal, das zu dem erforderlichen NPSH-Wert proportional ist, wird dem invertierenden Eingangsanschluß der ersten Summiereinrichtung 62 zugeführt. Diese bildet ein Signal, das zur Differenz zwischen dem vorhandenen und dem erforderlichen NPSH-Wert des Speisewassers, das in die Speisewasserpumpe 23 eintritt, proportional ist. Ein negatives Signal zeigt die Möglichkeit von Kavitation an. Dieses Signal wird an eine NPSH-Grenzwert-Triggerschaltung 98 angelegt.

Die NPSH-Grenzwert-Triggerschaltung 98 erzeugt ein konstantes positives "EIN"-Signal, falls der durch die Recheneinheit 60 festgestellte vorhandene NPSH-Wert kleiner als das erforderliche Minimum ist. Das liegt vor, wenn die Recheneinheit 60 ein Signal erzeugt, das kleiner als der erforderliche NPSH-Wert aus dem Grenzwert-Signalgenerator 64 ist. Die Grenzwert-Triggerschaltung 98 kann durch einen Schmitt-Trigger mit nachgeschaltetem Invertierer realisiert werden. Jedes Signal, das durch die Grenzwert-Triggerschaltung 98 erzeugt wird, wird an eine erste Eingangsklemme eines ODER-Gatters 80 angelegt. Das Ausgangssignal des ODER-Gatters 80 wird an einen Ventilstellungs- Steuersignalgenerator 84 zur Steuerung des Regelventils 24 angelegt, was im folgenden beschrieben ist.

Wie oben erwähnt, können dreiphasige Asynchronmotoren zum Antreiben der Pumpen in der Speisewasserleitung benutzt werden. Diese Motoren nehmen elektrischen Strom bei konstanter Spannung und Frequenz auf und wandeln ihn in Abhängigkeit von ihrer Belastung in mechanische Leistung und Drehmoment um. Diese Motoren sind in der Lage, zunehmenden Strom zu ziehen, um zunehmende mechanische Leistung und zunehmendes Drehmoment in ihren gesamten nutzbaren Betriebsbereich zu erzeugen. Diese Motoren weisen außerdem Leistungsbegrenzungsschalter auf, die den Motor von seinen Versorgungsleitungen trennen, falls der elektrische Leistungsverbrauch über einen vorbestimmten Grenzwert steigen sollte. Der elektrische Leistungsverbrauch des Motors ist durch folgende Beziehung gegeben:

wobei cosϕ die Wirkkomponente des aufgenommenen Stroms (Leistungsfaktor), V₁₁ die verkettete Spannung und I_b der Zweigstrom ist.

Der Leistungsfaktor cosϕ kann in dem Betriebsbereich des Motors für die hier interessierenden Betriebswerte als eine Konstante behandelt werden. Die verkettete Spannung kann ebenfalls als konstant angenommen werden. Daher verändert sich I_b etwa proportional zur verbrauchten Leistung, und die ist von einer durch den Motor angetriebenen Last abhängig. Der aufgenommene Strom wird als Maß für die verbrauchte Leistung überwacht. Andere Größen könnten ebenfalls überwacht werden, z. B. die Motordrehzahl, oder die Leistung könnte berechnet werden, indem die obigen Werte überwacht werden und die obige Beziehung benutzt wird. Ein Stromüberwacher liefert jedoch eine zuverlässige und relativ billige Angabe. Demgemäß ist ein Stromwandler 66 in einer der drei Eingangsleitungen 68 eines Antriebsmotors 52 angeordnet. Der gemessene Strom ist proportional zu der Gesamtleistung, weil das zeitliche Mittel des aufgenommenen Stroms in irgendeiner der drei Leitungen eines symmetrischen Motors gleich dem des durch irgendeine andere Leitung aufgenommenen Stroms ist. Ein Signal, das zu dem des aufgenommenen Stroms proportional ist, wird in dem Stromwandler 66 induziert und zu einem Stromskalierer 61 geleitet, der dieses Signal auf ein Signal reduziert, das für eine nachfolgende Vergleichseinrichtung 70 geeignet skaliert ist. Der skalierte Strom wird an den invertierenden Anschluß der Vergleichseinrichtung 70 angelegt. Ein zweites Signal, nämlich ein stationäres Strombegrenzungssignal aus einer geeichten Stromquelle, wird an den nichtinvertierenden Anschluß der Vergleichseinrichtung 70 aus dem Stromgrenzwertgenerator 65 angelegt. Sollte das Signal aus dem Stromskalierer 61 das Strombegrenzungssignal übersteigen, wird die Vergleichseinrichtung 70 ein festes, positives Ausgangssignal erzeugen. Dieses Signal wird an eine zweite Eingangsklemme des ODER-Gatters 80 angelegt.

Das ODER-Gatter 80 arbeitet herkömmlich und liefert ein Signal an eine Integriereinrichtung 82 in dem Ventilstellungs- Steuersignalgenerator 84 auf jedes Anzeigesignal hin. Dieser Steuersignalgenerator 84 empfängt und summiert Eingangssignale sowohl aus der Wasserstands-Regeleinrichtung 34, wie sie oben beschrieben worden ist, als auch aus der Schutzeinrichtung für das Pumpenaggregat. Das Signal aus der Wasserstands-Regelanordnung 34 wird in den Steuersignalgenerator 84 über eine Signalbegrenzungseinrichtung 88 eingegeben, die eine positive Angabe (d. h. eine Angabe zum Öffnen des Regelventils 24) auf einen vorbestimmten Maximalwert begrenzt. Eine solche Begrenzungseinrichtung (Begrenzer) kann unter Verwendung eines Operationsverstärkers mit einer ohmschen Gegenkopplungsschleife aufgebaut werden. Die Integriereinrichtung 82 erzeugt ein Ausgangssignal, das mit der Zeit ansteigt, solange ein Ausgangssignal aus dem ODER-Gatter 80 empfangen wird. Die Integriereinrichtung 82 kann unter Verwendung eines Operationsverstärkers mit kapazitiver Rückkopplung realisiert werden.

Die Ausgangssignale aus dem Signalbegrenzer 88 und der Integriereinrichtung 82 werden an die positiven bzw. negativen Anschlüsse einer zweiten Summiereinrichtung 90 angelegt. Die Summiereinrichtung 90 erzeugt das Ventilstellungssignal, das an die Ventilsteuerung 36 angelegt wird. Die Integriereinrichtung 82 und die Signalbegrenzungseinrichtung 88 sind so ausgebildet, daß, wenn einander widersprechende Forderungen durch die Schutzeinrichtung für das Pumpenaggregat und die Wasserstands-Regeleinrichtung gestellt werden, die Schutzeinrichtung erst später dominiert. Diese Anordnung hält den Pumpenbetrieb im Falle einer geforderten großen Speisewasserströmung aufrecht.

Eine Zeitverzögerungabschalt-Triggerschaltung kann als eine Reserveabschaltvorrichtung in die vorbeschriebene Schutzeinrichtung eingebaut werden. Das NPSH-Signal, das durch die erste Summiereinrichtung 62 erzeugt wird, wird an einen A/D-Wandler 113 angelegt. Der A/D-Wandler 113 liefert das Dateneingangssignal eines Zeitverzögerungsrechners 105, der ein Auslösesignal zu einem Relais 104 sendet, welches seinerseits die Stromzufuhr zu dem Antriebsmotor 52 unter unten beschriebenen Umständen abschalten kann. Der Rechner 105 enthält einen Mikroprozessor, der so programmiert ist, daß er einen Zeitsteuermechanismus auslöst, falls das NPSH- Grenzwertsignal negativ wird und unter einen ersten Minimalwert fällt, beispielsweise -23 J/g. Wenn das NPSH- Signal unter diesen Minimalwert sinkt, beginnt der Zeitgeber eine Rückwärtszählung von 30 s, die, wenn sie ihr Ende erreicht, ein Auslösesignal verursacht, welches an das Relais 104 angelegt wird. Eine Reihe von weiteren Minimalwerten ist im Speicher gespeichert, die, wenn sie unterschritten werden, einen Satz von Zeitgrößen ergeben, die von dem vorgenannten Zeitgeber subtrahiert werden. Wenn beispielsweise das NPSH-Signal unter -46 J/g abfällt, werden 10 s von dem laufenden Zeitgeber subtrahiert. Wenn das NPSH-Signal auf -69 J/g fällt, werden 15 weitere Sekunden von dem Zeitgeber subtrahiert. Ein plötzliches Absinken des NPSH-Signals von einem positiven Wert auf -69 J/g gibt der Pumpenschutzeinrichtung maximal 5 s, um wieder zufriedenstellende Arbeitsbereiche herzustellen. Der Zeitgeber wird gestoppt und rückgesetzt, wenn der NPSH- Arbeitsbereich wieder einen Minimalwert von beispielsweise -11,5 J/g erreicht.

Anhand von Fig. 4 wird nun ein zweites bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben, das überwiegend analog zum ersten Ausführungsbeispiel arbeitet.

Wie zuvor sind eine Druckmeßeinrichtung 58 und eine Temperaturmeßeinrichtung 56 an dem Einlaß der Speisewasserpumpe 23 angeordnet. Das Signal, das durch den Temperatursensor 56 erzeugt wird, wird zu einem Sättigungsdruck-Funktionsgenerator 161 geleitet, der ein einen Eingang aufweisender Funktionsgenerator ist, der ein Signal erzeugt, das zu dem proportional ist, was der Drucksensor 58 erzeugen würde, wenn das Wasser bei dieser Temperatur gesättigt wäre. Der Funktionsgenerator 161 wird mit einer geeichten Stromquelle und einem Summierpunkt realisiert. Demgemäß ist das durch den Funktionsgenerator 161 erzeugte Signal gleich dem oder kleiner als das durch den Drucksensor 58 erzeugte Signal. Das Sättigungsdrucksignal wird von dem Istdruck in einem Summierer 160 subtrahiert. Das sich ergebende Druckdifferenzsignal ist der Druckarbeitsbereich, der mit dem vorhandenen NPSH-Wert am Pumpeneinlaß korreliert ist.

Das Druckdifferenzsignal aus dem Summierpunkt 160 wird an den positiven Anschluß eines Summierers 162 angelegt.

Ein Funktionsgenerator 164 liefert ein temperaturabhängiges Differenzsignal in Bezug auf den erforderlichen Druck, das mit einem ausreichenden NPSH-Wert bei jeder Betriebstemperatur korreliert. Der Funktionsgenerator 164 ist ein Generator mit einem Eingang und kann als eine geeichte Stromquelle mit einer Summierstelle realisiert werden.

Das durch den Funktionsgenerator 164 erzeugte Signal wird an den negativen Anschluß des Summierers 162 angelegt.

Sollte der Wert des Differenzsignals unter den des Signals aus dem Funktionsgenerator 164 sinken, wird das Signal aus dem Summierer 162 negativ.

Wieder ist eine NPSH-Grenzwert-Triggerschaltung 98 vorgesehen, um ein positives Steuersignal mit festem Wert zu erzeugen, sollte der Summierer 162 ein Signal mit negativem Wert erzeugen, das einen Druck-Arbeitsbereich umgibt, der zum Gewährleisten eines ausreichenden NPSH- Arbeitsbereich nicht ausreicht.

Bei dem dargestellten Kondensatfördersystem wird eine dampfgetriebene Turbine 132 zum Antreiben der Speisewasserpumpe 23 benutzt. Die Steuerung des Durchflusses in der Leitung 26 erfolgt durch Steuern der Antriebskraft, mit der die Turbine 132 angetrieben wird. Die Steuerung erfolgt durch Steuern der Dampfmenge, die der Turbine 132 zugeführt wird. Zu diesem Zweck ist ein Regelventil 124 in der zur Turbine führenden Dampfförderleitung vorgesehen.

Eine Ventilsteuerung 84 erfüllt dieselbe Funktion in dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 wie in dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel nach Fig. 3. Das erzeugte Signal wird über einen Summierer 138 an eine Ventilsteuerung 136 angelegt, die die Dampfströmung zu der Turbine 132 durch Verstellen des Regelventils 124 gemäß den Forderungen der Wasserstands-Regeleinrichtung und der Schutzeinrichtung für das Pumpenaggregat steuert. Demgemäß wird eine Forderung nach einer größeren Speisewasserströmung zum Öffnen des Regelventils 124 führen. Ein Übersteuerungssignal, das eine drohende Pumpenkavitation anzeigt, führt zum fortschreitenden Zurückstellen des Regelventils 124, um die Dampfströmung zu reduzieren. Diese Veränderung der Dampfströmung steuert die Energieversorgung der Turbine und dadurch den Speisewasserdurchfluß durch die Pumpe 23. Durch den reduzierten Durchfluß in der Speisewasserpumpe 23 wird bei den Kondensatpumpen der Druck an dem Pumpeneinlaß erhöht und so die Gefahr von Pumpenkavitation vermindert.

Wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 kann eine Zeitverzögerungsabschalt-Triggerschaltung als eine Reserveabschaltvorrichtung vorgesehen sein. Ein A/D-Wandler wandelt das Druck-Arbeitsbereichssignal aus dem Summierer 162 in ein digitales Eingangssignal für den Zeitverzögerungsrechner 105 um, welcher der gleiche Rechner wie der Rechner 105 in Fig. 3 ist. Es ist jedoch zu beachten, daß Druck-Arbeitsbereiche anstelle von NPSH- Arbeitsbereichen als Mindestauslösewerte für den Zeitgeber benutzt werden. Ein Auslösegenerator 204 empfängt ein Auslösesignals aus dem Rechner 105. Beim Empfang eines Auslösesignal erzeugt der Auslösegenerator 204 ein Ventilstellungssignal ausreichender Größe, das sämtliche anderen Eingangssignale an dem Summierer 138 übersteuert. Das aus dem Summierer 138 resultierende Signal wird an die Ventilsteuerung 136 angelegt, wodurch das Regelventil 124 geschlossen wird.

Eine Turbine kann Leistung nicht auf eine Weise aufnehmen, die der eines Elektromotors analog ist. Es ist demgemäß nicht notwendig, die durch die Turbine aufgenommene Leistung zu messen.

Das vorstehend beschriebene, analog arbeitende Ausführungsbeispiel kann anstelle des Ausführungsbeispiels auf Mikroprozessorbasis benutzt werden, das mit Bezug auf die motorgetriebene Speisewasserpumpe beschrieben worden ist. Ebenso kann das Ausführungsbeispiel auf Mikroprozessorbasis bei einem turbinengetriebenen Pumpensystem verwendet werden.

Die Arbeitsweise der beschriebenen Einrichtung zum Schützen von Pumpenaggregaten wird im folgenden mit Bezug auf die Fig. 1 bis 5 erläutert.

Beispiel 1

Es wird zunächst das erste bevorzugte Ausführungsbeispiel betrachtet. Kondensat wird in dem Kondensator 22 ungefähr auf Atmosphärendruck gesammelt. Die Kondensatpumpe 30 erhöht den Druck auf einen Überdruck von ungefähr 48 bar. Die Radialpumpe 23 für das Speisewasser verstärkt diesen Überdruck auf ungefähr 74 bar zur Wiedereinleitung in den Druckbehälter 10. Es sei angenommen, daß die Wassertemperatur am Speisewasserpumpeneinlaß 190°C beträgt. Der Durchfluß wird durch das Regelventil 24 gesteuert. Das ist der normale Betrieb. Der erforderliche NPSH-Wert beträgt etwa 174 J/g.

Es sei angenommen, daß die Wasserstands-Regeleinrichtung eine Dampfströmung erfaßt, die wesentlich größer als die Speisewasserströmung ist. Dieser Zustand kann beispielsweise die Konsequenz eines Lecks in der Speisewasserleitung stromaufwärts der Speisewasser-Durchflußmeßvorrichtung 33 sein. Wenn diesem Zustand nicht begegnet wird, kann er zu einer Verringerung des Wasserstands innerhalb des Reaktorbehälters 10 führen. Demgemäß sendet die Wasserstands- Regeleinrichtung ein Signal zu dem Ventilstellungs-Steuersignaloperator, welcher der Ventilsteuerung den Befehl gibt, mit dem Öffnen des Ventils zu beginnen, um die Speisewasserströmung zu vergrößern. Das Vergrößern der Strömung ist mit einer Verringerung des Druckes am Einlaß der Speisewasserpumpe verbunden. Die Betriebsbedingungen werden beginnen, sich auf der mit "Arbeitsbereich" bezeichneten Kurve in Fig. 5 nach unten zu bewegen. Wenn der Durchfluß zunimmt, steigt die Belastung des die Radialpumpe 23 antreibenden Motors 52. Infolgedessen nimmt der durch den Antriebsmotor 52 aufgenommene Strom zu. Fig. 5 zeigt, das der NPSH-Wert abnimmt, wenn der Druck sinkt (die Wassertemperatur bleibt konstant). Sollte der Punkt, der mit "Minimum" bezeichnet ist, durchquert werden, wird ein Signal durch die Schutzeinrichtung für die Speisewasserpumpe über den Steuersignalgenerator 84 an die Ventilsteuerung 36 abgegeben, um das Regelventil 24 in Richtung auf seine Schließstellung zu bewegen und den NPSH- Minimalwert aufrechtzuerhalten, der zur Verhinderung von Pumpenkavitation notwendig ist. Ebenso wird, wenn der durch den Motor 52 aufgenommene Strom zu groß wird, ein Signal zum Schließen des Regelventils 24 erzeugt, um den Durchfluß und dadurch die Belastung zu reduzieren. Die Integriereinrichtung 82 gewährleistet, daß diese Signale das Signal aus der Wasserstands-Regelanordnung übersteuern.

Beispiel 2

Es sei der Betrieb derselben Anlage wie oben angenommen, aber bei Teillast. In Fig. 5 ist ein exemplarischer Teillastarbeitspunkt so bezeichnet. Wenn das Kondensatfördersystem normal arbeitet, wird der Speisewasserpumpeneinlaßdruck von dem Vollastarbeitspunkt aus nicht beeinflußt. Die Pumpeneinlaßtemperatur wird jedoch beträchtlich reduziert.

Das System würde mit einem NPSH-Wert von ungefähr 523 J/g arbeiten. Der erforderliche NPSH-Minimalwert würde etwa 161 J/g betragen. Eine bekannte Drucktriggerschaltung würde eine Motorabschaltung bei einem Druck auslösen, welcher einen NPSH-Wert von etwa 357 J/g ergeben würde.

Vielfältige Ursachen könnten zu einer schnellen Reduzierung des Überdruckes am Speisewasserpumpeneinlaß unter den Wert von 26 bar führen, auf den die Triggerschaltungen eingestellt worden sind, um bei ihm aktiviert zu werden. Ein Ausfall einer Kondensatpumpe könnte den Druck unter den früher benutzten Druckauslösewert reduzieren, die Pumpe aber nicht in tatsächliche Kavitationsgefahr bringen. Das Kondensatfördersystem könnte einen Kondensatpumpenausfall tolerieren und funktionsfähig bleiben. Eine unnötige Reaktornotabschaltung würde vermieden werden.

In den Ausführungsbeispielen der Erfindung, die oben beschrieben und in den Fig. 4 und 5 gezeigt sind, ist die Schutzeinrichtung bei der Verwendung mit einem Kondensatfördersystem in einem Siedewasserkernreaktor gezeigt. Sie kann jedoch auch als zuverlässige Einrichtung zum Schutz von Pumpen eingesetzt werden, die in anderen Anlagen, z. B. hydraulischen Anlagen, benutzt werden.

Claims (5)

1. Einrichtung zum Schützen von Pumpenaggregaten für ein Kernkraftwerk, das einen Druckbehälter mit einer Dampfausströmleitung zum Ableiten von Dampf aus dem Druckbehälter und eine Flüssigkeitseinströmeinrichtung zum Einleiten von Flüssigkeit in den Druckbehälter aufweist, wobei die Einströmeinrichtung eine Einströmleitung, eine in der Einströmleitung angeordnete Radialpumpe mit einem Antriebsmotor, eine Durchflußregeleinrichtung zwischen der Radialpumpe und dem Druckbehälter und eine Einrichtung zum Erzeugen eines ersten Steuersignals abhängig vom Flüssigkeitsstand in dem Druckbehälter und von der Dampfausströmung/Flüssigkeitseinströmung aufweist, gekennzeichnet durch:
eine Druckmeßeinrichtung (58) zum Messen des Drucks der Flüssigkeit im Einlaß der Radialpumpe (23);
eine Temperaturmeßeinrichtung (56) zum Messen der Temperatur der Flüssigkeit im Einlaß der Radialpumpe (23);
eine Einrichtung (64) zum Ermitteln des erforderlichen NPSH-Wertes für die Radialpumpe (23) bei der augenblicklichen Temperatur der Flüssigkeit im Einlaß der Radialpumpe (23);
eine Recheneinheit (60) zum Ermitteln des vorhandenen NPSH-Wertes der Flüssigkeit im Einlaß der Pumpe (23) aus dem Druck und der Temperatur der Flüssigkeit;
eine erste Summiereinrichtung (62) zum Vergleichen des erforderlichen mit dem vorhandenen NPSH-Wert und zum Erzeugen eines ersten Anzeigesignals, wenn der vorhandene NPSH-Wert der Flüssigkeit den erforderlichen NPSH-Wert nicht übersteigt,
eine Meßeinrichtung (61, 66) für die augenblickliche Leistungsaufnahme des Antriebsmotors (52),
eine Vergleichseinrichtung (70) zum Vergleichen der Leistungsaufnahme des Antriebsmotors (52) mit einer maximal zulässigen Leistungsaufnahme und zum Erzeugen eines zweiten Anzeigesignals, falls die maximal zulässige Leistungsaufnahme überschritten wird,
ein ODER-Gatter (80) zum Empfangen des ersten und zweiten Anzeigesignals und zum Erzeugen eines zweiten unipolaren Steuersignals bei Vorliegen entweder des ersten und/oder zweiten Anzeigesignals und
eine zweite Summiereinrichtung (90) zum Summieren des ersten und zweiten Steuersignals, um ein Signal zum Steuern des Ventils (24) der Durchflußregeleinrichtung (24, 36) zu bilden;
wobei das Ventil (24) der Durchflußregeleinrichtung (24, 36) bei einer Motorüberlastung oder einer möglichen Kavitation in der Radialpumpe (23) in Richtung auf seine Schließstellung bewegt wird.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der das erste Anzeigesignal erzeugenden Summiereinrichtung (62) eine Grenzwert-Triggereinrichtung (98) nachgeschaltet ist, die ein Ausgangssignal konstanter Größe für das erste Anzeigesignal erzeugt.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Steuersignal durch eine Begrenzungseinrichtung (88) auf einen Maximalwert begrenzt ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Steuersignal in einer Integriereinrichtung (82) über der Zeit derart integriert und vergrößert wird, daß das zweite Steuersignal das erste Steuersignal übersteuert.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Recheneinheit (60) elektronische Digitalschaltungen einschließlich eines Speichers enthält, wodurch die Druck- und Temperatur-Meßwerte verarbeitet werden können, um den vorhandenen NPSH-Wert zu ermitteln.