DE3622373C2 - - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Steuerungs­ vorrichtung für ein Elektrizitätskraftwerk nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Als Antwort auf die Notwendigkeit einer relativ kleinen und schnellen Laständerung im angeschlossenen Starkstromnetz ist eine Steuerungsvorrichtung für ein Kernkraftwerk, insbesondere für ein Siedewasserreaktorkraftwerk, bekannt, die vor allem konzipiert wurde, um eine gleichmäßige Last­ folgesteuerung herzustellen, indem sie die Leistungskontrolle des Kernreaktors harmonisch mit der Generatorausgangsleistungs­ steuerung koordiniert. Eine derartige Vorrichtung wurde z. B. in JP-A 1 31 799/1980 beschrieben.

Nach diesem Vorschlag wird ein Laständerungsbedarfssignal, das von einem Turbinendrehzahlregler in Verbindung mit einer Frequenzänderung des Starkstromnetzes erzeugt wird, zu einem Gesamtdampfdurchflußbedarfssignal, das von einem Druckregler erzeugt wird, addiert. Dadurch reagiert die Vorrichtung schnell auf einen Laständerungsbedarf des Starkstromnetzes, während sie den Reaktordruck konstant hält. Man nimmt an, daß dieser Steuerungsansatz bessere Eigenschaften bezüglich der Leistungssteuerung im Steuer­ system des bestehenden Siedewasserreaktors gewährleisten kann; dieses Steuerungssystem ist vorwiegend auf die Leistungs­ steuerung des Kernreaktors gerichtet.

Für die Zukunft jedoch erwartet man die Notwendigkeit für ein Betriebskontrollsystem, das hauptsächlich für die Konstanthaltung der Frequenz des Starkstromnetzes konzipiert ist, da der Anteil der Kernkraftwerke an der Gesamtstromerzeugung ständig steigt. In diesem Falle wird ein sog. reglerfreier Betrieb erforderlich werden, bei dem die Generatorabgabeleistung (Turbinendrehzahl) direkt als Funktion der Frequenzänderung oder der Frequenzschwankung des Starkstromnetzes, das an den Generator angeschlossen ist, gesteuert wird. Im reglerfreien Betrieb hat das Dampf­ durchflußregelventil, das den Dampffluß, der in die Turbine eingespeist wird, steuert, keinen Anteil am Drucksteuerungs­ vorgang, der Schwankungen des Reaktordrucks unterdrückt. Dies gilt solange, als die Größe dieser Schwankungen inner­ halb eines Toleranzbereichs bleibt. Das Dampfdurchflußregel­ ventil übernimmt nur die Steuerungsfunktion für Schwan­ kungen der Turbinendrehzahl, d. h. die Schwankungen der Frequenz des Starkstromnetzes. Im Zusammenhang damit muß festgestellt werden, daß das Steuerungssystem nach obigem älterem Vorschlag Steuerungscharakteristika aufweist, in denen sich Schwankungen oder Änderungen des Reaktor­ drucks widerspiegeln. Dadurch ist die Reaktionsgeschwindig­ keit dieses Systems relativ langsam, verglichen mit der Reaktionsgeschwindigkeit, die durch den vorher erwähnten reglerfreien Betrieb erreicht werden kann.

Durch die US-PS 43 29 592 ist eine Steuervorrichtung für ein Elektrizitätskraftwerk, die die wesentlichen Merkmale des Oberbegriffs des vorliegenden Patentanspruchs 1 aufweist, bekannt geworden. Während jedoch bei der vorliegenden Erfindung der Dampfdruck nur dann auf die Steuerung einen Einfluß hat, wenn dieser außerhalb des zulässigen Größenbereichs liegt, wird bei der Steuervorrichtung in der genannten Literaturstelle der Dampfdruck unabhängig von seiner Größe stets zur Steuerung herangezogen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Steuervorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 zu schaffen, mit der kleine und schnelle Laständerungen schnell im sogenannten reglerfreien Betrieb ausgeglichen werden, und mit der bei großen Laständerungen der Druck im Dampfgenerator weitgehend konstant gehalten wird, und die dabei eine kurze Ansprechzeit besitzt. Gelöst wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale. Zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird durch die folgenden Abbildungen erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Gesamtansicht eines Elek­ trizitätskraftwerks mit einer erfindungs­ gemäßen Steuerungsvorrichtung;

Fig. 2 ein Blockschema der erfin­ dungsgemäßen Steuerungsvorrichtung;

Fig. 3 und 4 grafische Darstellungen der Steuerungs­ charakteristika der erfindungsgemäßen Vor­ richtung der Fig. 2 im reglerfreien Betrieb, verglichen mit denjenigen der bisher bekannten Steuerungsvorrichtungen;

Fig. 5 ein Blockschema einer anderen Ausführungsform der erfindungs­ gemäßen Steuerungsvorrichtung;

Fig. 6 ein Blockschema einer weiteren Ausführungsform der erfin­ dungsgemäßen Steuerungsvorrichtung;

Fig. 7 eine schematische Darstellung eines Siede­ wasserreaktors (SWR), in dem die Erfindung angewandt werden kann;

Fig. 8 in einem Fließdiagramm Details der Steuerungs­ vorrichtung, die im in Fig. 7 gezeigten Kraftwerk verwendet wird;

Fig. 9 eine grafische Darstellung der Steuerungs­ charakteristika der in Fig. 8 dargestellten Steuerung im reglerfreien Betrieb, verglichen mit denen der in Fig. 2 dargestellten Steue­ rungsvorrichtung;

Fig. 10 ein Blockschema einer anderen Ausführungsform der erfin­ dungsgemäßen Steuerungsvorrichtung.

Die nun folgende Beschreibung bezieht sich auf die Zeich­ nungen.

In Fig. 1 und Fig. 2 wird beispielhaft eine erfindungs­ gemäße Vorrichtung vorgestellt, die im Kraftwerksteuerungs­ system eines Siedewasserreaktors angewandt wird. Beim Siedewasserreaktor entspricht der Reaktordruckbehälter dem Dampfgenerator.

Gemäß den Zeichnungen ist der Dampfgenerator 1 mit einer Turbine 2 durch eine Hauptdampfleitung 3 verbunden. Diese ist mit einem Absperrventil 5 und einem Dampfdurchflußregelventil 6 ausgerüstet. Ein Kondensator 4 dient zur Kondensation des von der Turbine 2 abgegebenen Dampfes. Eine Bypass-Leitung 7, die mit der Hauptdampfleitung 3 oberhalb des Absperrventils 5 verbunden ist, ist mit dem Kondensator 4 verbunden, der seinerseits mit dem Dampfgenerator 1 durch eine Wassereinspeiseleitung 9 verbunden ist. Eine Wassereinspeisepumpe 10 und eine Kondensatpumpe 11 sind in der Wassereinspeiseleitung 9 installiert. Obwohl in den Zeichnungen nicht dargestellt, werden in Verbindung mit der Wassereinspeiseleitung 9 außerdem ein Entsalzer und Nieder- und Hochdruckeinspeisewassererhitzer vorgesehen.

Eine Reaktorumwälzpumpe (Rücklaufpumpe) 12 ist in der Rücklaufleitung 13, die mit dem Reaktordruckbehälter 1 verbunden ist, installiert. Die Turbine 2 betreibt einen Stromgenerator 37.

Auf dem Dampfgenerator 1 ist ein Manometer 14 ange­ bracht, das den Dampfdruck mißt. Ein Drehzahlindikator oder Tachometer 15 dient zur Drehgeschwindigkeitsmessung (Drehzahlmessung) der Turbine 2. Das Manometer 14 ist durch eine elektrische Leitung 31 mit der Steuerungs­ vorrichtung 16 verbunden. Analog verbindet eine elektrische Leitung 32 das Tachometer 15 mit der Steuervorrichtung 16. Analog sind weiterhin das Turbinensteuerungsventil 6 und das Bypass-Ventil 8 mit der Steuerungsvorrichtung 16 durch die Leitungen 33 bzw. 34 verbunden. Ein Rücklauf­ flußregler 30 ist einerseits durch die elektrische Leitung 35 mit der Steuervorrichtung 16, ander­ erseits mit der Reaktorumwälzpumpe 12 durch die Leitung 36 verbunden.

Fig. 2 zeigt im Detail die Struktur der Steuervor­ richtung 16. Wie man sieht, enthält die Steuer­ vorrichtung 16 als Hauptbestandteile einen Druckregler 17, einen Unempfindlichkeitsbegrenzer 23, einen Turbinendrehzahlregler 27 und einen Addierer 28. Der Druck­ regler 17 ist durch eine elektrische Leitung 31 über einen Addierer 19 mit dem Manometer 14 verbunden. Der Turbinendrehzahl­ regler 27 ist über eine elektrische Leitung 32 über einen Addierer 25 mit dem Tachometer 15 verbunden. Der über einen Addierer 21 an den Druckregler 17 angeschlossene Unempfindlichkeits­ begrenzer 23 ist mit dem Addierer 28 verbunden, welcher seinerseits mit dem Turbinendrehzahlregler 27 über einen Addierer 24 und zusätzlich mit dem Dampfdurch­ flußregelventil 6 über die Leitung 33 verbunden ist. Ein Addierer 20 ist an den Druckregler 17 und zusätzlich über die Leitung 34 an das normalerweise geschlossene Bypass-Ventil 8 angeschlossen.

Anhand der soeben beschriebenen Struktur der Regelvorrichtung für ein Siedewasserkraftwerk wird nun die Betriebsweise dieses Systems erklärt.

Ein Kühlmittel oder Wasser wird durch die Reaktorumwälz­ pumpe 12 in den Reaktorkern, der sich im Dampfgenerator 1 des Kernreaktors befindet, eingespeist. Indem das Kühl­ mittel durch den Reaktorkern fließt, wird es aufgeheizt und zu Dampf verwandelt. Der auf diese Weise erzeugte Dampf wird vom Dampfgenerator 1 über die Hauptdampf­ leitung 3 in die Turbine 2 geleitet. Bei normalem Betrieb des Kraftwerks ist das Bypass-Ventil 8 geschlossen. Die Turbine 2 wird mit dem eingespeisten Dampf betrieben, dadurch dreht sich der Rotor des Stromgenerators 37. Der von der Turbine 2 abgegebene Dampf wird im Konden­ sator 4 zu Wasser kondensiert. Das Kondensat wird durch die Kondensatpumpe 11 und die Wassereinspeisepumpe 10 zurückgepumpt, um wiederum durch die Wassereinspeiseleitung 9 in den Dampfgenerator 1 eingespeist zu werden.

Ein Drucksignal P₁, das für einen vom Manometer 14 gemessenen Dampfdruck steht (im Falle der vorliegenden Anordnung handelt es sich um den Dampfdruck im Dampfgenerator 1) wird in den Addierer 19 eingegeben. Andererseits wird in den Addierer 25 ein Turbinendrehzahlsignal R₁, das für den vom Tachometer 15 gemessenen Wert der Turbinendrehzahl steht, eingegeben.

Als zweites Eingabesignal erhält der Addierer 19 ein Druck­ einstellungssignal P _R , das für den gewünschten oder be­ nötigten Druck steht und das von einer Druckeinstellungs­ einheit 18 ausgegeben wird. Der Addierer 19 erzeugt daraus ein Druckabweichungssignal S₁, das den Unterschied zwischen dem gegenwärtigen Drucksignal P₁ und dem Signal gewünschten Drucks P _R angibt; S₁ wird in den Druckregler 17 eingegeben.

Dort wird die Phase des Abweichungs­ signals S₁ kompensiert, anschließend wird es mit dem Kehr­ wert des Druckregelfaktors multipliziert, um ein erstes Steuersignal (Gesamt­ dampfflußbedarfssignal) S₂, wie es im Fachbereich üblich ist, zu erhalten. Unter dem Ausdruck "Druckregelfaktor" wird hier die prozentuale Druckabweichung vom Nennwert verstanden, die notwendig ist, um den Dampffluß durch das Turbinensteuerventil 6 von 0 auf 100% zu steigern. Das auf diese Weise gewonnene erste Steuersignal S₂ wird nun in den Addierer 20 und zusätzlich in den Addierer 21 eingegeben. Der Addierer 21 erhält als andere Eingabe ein Lasteinstellungssignal L _D , das für die einzu­ stellende Last steht, angegeben in Prozent des Nennwerts, und das von der Lasteinstellungseinheit 22 ausgegeben wird. Er erzeugt ein Abweichungssignal S₃, das den Unterschied zwischen dem Lasteinstellungssignal L _D und dem ersten Steuersignal S₂ angibt. Das Abweichungssignal S₃ wird nun einerseits dem Rücklaufflußregler 30 als Last­ folgesignal (das der eingestellten Last folgt), anderer­ seits dem Unempfindlichkeitsbegrenzer 23 über­ mittelt.

Im Rücklaufflußregler 30 wird das eingegebene Lastnach­ folgesignal S₃ durch proportionale und integrale Operationen verändert, wobei ein Rücklaufpumpengeschwindigkeitsbedarfs­ signal S₁₀ als Ausgangssignal entsteht. Ein nicht ge­ zeichneter Motorregelschaltkreis der Rücklaufpumpe (auch genannt Reaktorumwälzpumpe) 12 erhält das Rücklaufpumpengeschwindig­ keitsbedarfssignal S₁₀ als Eingabe, um die Drehzahl des Pumpenmotors in Abhängigkeit vom Signal S₁₀ zu regeln. Da die Drehzahl oder Drehgeschwindigkeit des Pumpenmotors geregelt ist, wird der von der Rücklaufpumpe 12 ausgehende Kühlmittelfluß erhöht bzw. vermindert. Dadurch wird der Kühlmittelfluß, der dem Reaktorkern eingespeist wird (auch als Kernfluß bezeichnet), erhöht oder vermindert. Durch Erhöhung bzw. Verminderung des Kernflusses wird bei einem Siedewasserreaktor die Ausgangsleistung erhöht bzw. vermindert. Somit steuert der Rücklaufflußregler 30 die Reaktorleistung. Im Zusammenhang damit wäre anzu­ merken, daß die Anpassung oder Regelung des Kernflusses des Kühlmittels genauer bewerkstelligt werden kann als die der Steuerstäbe. Man kann also sagen, daß der Rücklauf­ flußregler 30 eine Steuerungseinrichtung für die Feinein­ stellung der Reaktorleistung darstellt.

Der Addierer 25 erhält als Eingabesignale das Turbinen­ drehzahlsignal R₁ und ein Drehzahleinstellungssignal N _T ′ das von einer Turbinendrehzahleinstellungseinheit 26 er­ zeugt wird. Er gibt ein Abweichungssignal S₅ aus, das für den Unterschied zwischen den Signalen R₁ und N _T steht. Die an der Druckeinstellungseinheit 18 und der Turbinendreh­ zahleinstellungseinheit 26 eingestellten Werte, d. h. das Druckeinstellungssignal P _R und das Geschwindigkeits­ einstellungssignal N _T (siehe oben) werden übrigens von einer hier nicht dargestellten zentralen Steuerstation bestimmt. Genauso stammt das Lasteinstellungssignal L _D an der Last­ einstellungseinheit 22 von der zentralen Steuerstation. Im Turbinendrehzahlregler 27 wird das eingegebene Ab­ weichungssignal S₅ mit dem Kehrwert des Geschwindigkeits­ regelfaktors multipliziert. Dabei wird ein Laständerungs­ bedarfssignal S₆ erzeugt, wie es im Fachgebiet bekannt ist. Unter dem Ausdruck "Geschwindigkeitsregelfaktor" ist hier der Wert des Geschwindigkeitsabweichungssignals zu verstehen, das notwendig ist, um den Dampfdurchfluß durch das Turbinensteuerventil 6 von 100% auf 0% zu ändern, bezogen auf die Nenngeschwindigkeit. Das Laständerungsbedarfs­ signal S₆ wird dem Addierer 24 eingegeben, in dem das Laständerungsbedarfssignal S₆ mit dem Lasteinstellungs­ signal L _D addiert wird. Damit wird ein zweites Steuersignal (Lastbedarfssignal) S₇ vom Addierer 24 erzeugt. Dieses wird dem Addierer 28 eingegeben, der als andere Eingabe das vom Unempfindlich­ keitsbegrenzer 23 ausgegebene Signal S₄ erhält. Der Addierer 28 dient zur Korrektur des zweiten Steuersignals S₇ auf Grundlage des Signals S₄, um ein drittes Steuersignal (Turbinensteuerungs­ ventilöffnungsbedarfssignal) S₈ als Ausgabe zu erhalten. Auf diese Weise wird das zweite Steuersignal S₇ vom Addierer 28 korrigiert.

Der Öffnungsgrad des Turbinensteuerventils 6 wird gemäß dem dritten Steuersignal S₈ einge­ stellt. Dadurch wird der Dampffluß, der in die Turbine 2 eingespeist wird, geregelt, womit wiederum die Drehge­ schwindigkeit der Turbine 2 in Abhängigkeit der Laständerung des Starkstromnetzes angepaßt oder geregelt werden kann.

Der Unempfindlichkeitsbegrenzer 23 erhält als Ein­ gabe das vorher erwähnte Lastfolgesignal S₃, um das Signal S₄ zu erzeugen. Wenn, genauer gesagt, das Abweichungs­ signal S₃ in einen vorher bestimmten Unempfindlichkeits­ bereich fällt, wird vom Begrenzer 23 das Signal S₄ auf Null­ niveau ausgegeben, wogegen es mit einem vorbestimmten Wert ausgegeben wird, wenn das Abweichungssignal S₃ außerhalb des Unempfindlichkeitsbereichs liegt. Die Charakteristika des Unempfindlichkeitsbegrenzers sind schematisch im Block 23 in Fig. 2 dargestellt. Die Breite des Unempfind­ lichkeitsbereichs des Begrenzers 23 wird auf Grundlage der Größe der erlaubten Schwankungen innerhalb desselben Drucks bestimmt. Wenn der Bereich, in dem sich der Dampf­ druck ändern darf, durch Δ P _L und der Druckregelfaktor durch k _p dargestellt wird, kann die Breite D _B des Unempfind­ lichkeitsbereichs durch folgenden Ausdruck angegeben werden:

Unter Verwendung des Unempfindlichkeitsbegrenzers 23 mit der Unempfindlichkeitsbereichsbreite D _B kann der reglerfreie Betrieb auf zufriedenstellende Weise realisiert wer­ den, wenn die Änderung oder die Schwankungen des Dampf­ drucks innerhalb des Dampfgenerators 1 im Bereich der erlaubten Werte liegen, wogegen die Druckregelung erst dann zusätzlich zur Lastregelung wirksam wird, wenn die Schwankungen des Dampfdrucks außerhalb des obigen Bereichs liegen, wobei die Schwankungen des Reaktordrucks auf ein Minimum reduziert werden können.

Ein Bypassventil-Öffnungsbedarfssignal S₉ wird vom Addierer 20 ausgegeben. Der Addierer 20 erhält als Eingabe das erste Steuersignal (Gesamtdampfdurchflußbedarfssignal) S₂, das dritte Steuersignal (Dampfregelventil­ öffnungsbedarfssignal) S₈ und ein Ventilöffnungsvorein­ stellsignal (bias) B _S , das von einer Voreinstellungsein­ heit 29 erzeugt wird und das den Voreinstellwert (bias) für das Bypass-Ventil 8 darstellt, um Druckschläge in der Schließrichtung zu verhindern. Im Addierer 20 werden die Signale S₈ und B _S vom Signal S₂ abgezogen, wobei das Bypassventil-Öffnungsbedarfssignal S₉ erzeugt wird. Abhängig vom Bypassventil-Öffnungsbedarfssignal S₉ wird der Öffnungsgrad des Bypass-Ventils 8 geregelt. Wenn das Bypass-Ventil 8 geöffnet ist, kann eine entsprechende Menge des im Dampfgenerator 1 erzeugten Dampfs über die Bypass-Leitung 7 in den Kondensator 4 fließen. Wenn das Turbinensteuerventil 6 nicht so weit geöffnet ist, wie es notwendig ist, damit der Hauptdampffluß, der dem Gesamt­ dampfbedarfssignal S₂ entspricht, durch das Ventil fließen kann, ist also das Bypass-Ventil 8 geöffnet, damit der über­ flüssige Dampf in den Kondensator 4 fließen kann. Dadurch wird verhindert, daß eine zu große Menge Dampf unter dem übermäßig hohen Druck im Dampfgenerator 1 in die Turbine 2 fließt.

Wie im folgenden dargelegt wird, kann die Steuerung der Drehgeschwindigkeit der Turbine 2, d. h. der Abgabe­ leistung des elektrischen Generators gemäß der in den Zeichnungen dargestellten Vorrichtung in Abhängigkeit von einer Frequenzänderung des Starkstromnetzes erfolgen. Hier wäre anzumerken, daß die Reaktionscharakteristik im reglerfreien Betriebsmodus wesentlich dadurch verbessert wird, daß die Steuerung des Öffnungsgrades des Dampfregel­ ventils 6 auf der Grundlage des Ausgangssignals des Druck­ reglers 17, das den Unempfindlichkeitsbegrenzer 23 passieren mußte, und des Ausgangssignals des Turbinen­ drehzahlreglers 27 geschieht. Insbesondere bei einer Anwen­ dung der vorliegenden Erfindung in einem Siedewasserreaktor­ kraftwerk kann der Druck im Dampfgenerator, d. h. der Druck im Reaktor, innerhalb eines Bereichs erlaubter Werte gehalten werden, wobei Änderungen oder Schwankungen der Reaktorleistung durch die Wirkungsweise des reglerfreien Betriebs befriedigend ausgeglichen werden können. Wenn sich der Druck im Reaktor schnell oder abrupt ändert, steigt oder fällt der Leerraumkoeffizient des Kerns eines Siede­ wasserreaktors im allgemeinen schnell, was mit einer schnellen Änderung des Neutronenflusses und damit der Reaktorleistung einhergeht. Im Gegensatz dazu können durch die vorliegende Erfindung, wie oben dargelegt, die Druckänderungen oder Schwankungen im Dampfgenerator 1 und damit die Schwankungen der Reaktorleistung auf ein Minimum reduziert werden.

Die typischen Regelcharakteristika der oben beschriebenen Steuerungsvorrichtung im Vergleich zu den bisher bekannten werden deutlich, wenn man Fig. 3 und Fig. 4 betrachtet. In diesen Darstellungen sind die Charakteristika der erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung durch durchgezogene Linien darge­ stellt, wogegen die der bekannten Vorrichtungen durch unterbrochene Linien dargestellt sind. Genauer gesagt, stellen Fig. 3 und Fig. 4 die Steuerungscharakteristika der Steuerungsvorrichtung für das Siedewasserkraftwerk bei einer Änderung des Lasteinstellpunktes durch die Last­ einstellvorrichtung 22 entsprechend den Frequenzänderungen oder Schwankungen im Starkstromnetz dar.

Wie aus Fig. 3 hervorgeht, stabilisieren sich Änderungen des Reaktordrucks und der Reaktorleistung schnell, wenn der Betrag der Laständerung +2% ist und somit durch den normalen reglerfreien Betrieb bewerkstelligt werden können (d. h. wenn die Änderung innerhalb der Bandbreite des Unempfindlichkeitsbegrenzers 23 liegt). Dabei nähern sie sich in kurzer Zeit unter der Regelung der oben beschrie­ benen erfindungsgemäßen Vorrichtung einem bestimmten Niveau an. Das gilt im wesentlichen auch, wenn eine Vorrichtung nach dem bisherigen Stand der Technik verwendet wird.

Im Gegensatz dazu zeigt Fig. 4 die Reaktordruckschwankungen und die Reaktorleistungsschwankungen, wenn die Laständerung +5% beträgt. Im bisherigen reglerfreien Steuerungsbetrieb ändert sich die Turbinenausgangsleistung, indem sie der Änderung des Einstellpunktes folgt. Wenn jedoch der Betrag der Änderung des Einstellpunktes groß ist, steigt auch die Schwankung im Reaktordruck im gleichen Maße, wodurch sich das Überschießen der Reaktorleistung (dargestellt durch ein dem Wärmefluß äquivalentes Signal, das durch ein Verzögerungselement erster Ordnung aus dem Neutronen­ flußsignal erzeugt wird) erhöht. Als Folge davon dauert es lange Zeit, bis sich diese Schwankungen wieder einem bestimmten stabilen Niveau annähern. Das läßt sich dadurch erklären, daß der Hauptdampffluß abrupten oder schnellen Schwankungen unterliegt, wenn er der Änderung des Einstell­ punktes in einem Zeitintervall folgen soll, das so kurz ist, daß die Reaktorleistung nicht der Laständerung folgen kann. Wenn jedoch nach der Lehre der Erfindung der Reaktor­ druck beginnt, unterhalb des erlaubten Druckschwankungs­ bereichs zu fallen, wirkt das Ausgangssignal des Druck­ reglers 17 und unterdrückt die Schwankung im Öffnungsgrad des Dampfdurchflußregelventils 6, die vom Ausgangssignal des Turbinendrehzahlreglers 27 erzeugt wurde. Dabei kann der Druckabfall im Reaktor deutlich klein gemacht werden, verglichen mit der bisherigen reglerfreien Betriebsweise. Genauer gesagt, der Betrag der Reaktordruckschwankung ist auf die Hälfte dessen, was mit bisherigen reglerfreien Steuervorrichtungen erreicht wurde, reduziert. Obwohl die anfängliche Reaktion der Generatoraus­ gangsleistung langsam erfolgt, kann die Zeit, die benötigt wird, um Reaktordruck und Reaktorleistung einem stabilen Niveau anzunähern, durch die erfindungsgemäße Vorrichtung gegenüber bisher üblichen bemerkenswert verkürzt werden.

Es sollte erwähnt werden, daß der reglerfreie Betrieb sogar dann durchgeführt werden kann, wenn der Unempfind­ lichkeitsbegrenzer 23 entfernt wird und das Ab­ weichungssignal S₃, das vom Addierer 21 erzeugt wird, direkt in den Addierer 28 eingegeben wird. In diesem Fall jedoch verschlechtern sich die Reaktionscharakteristika des reglerfreien Betriebs mehr oder weniger, verglichen mit denen der oben beschriebenen Vorrichtung.

Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform 16 A der erfindungs­ gemäßen Steuerungsvorrichtung. Auch sie wurde entworfen, um in einem Siedewasserreaktorkraftwerk, wie in Fig. 1 gezeigt, verwendet zu werden. Um die Beschreibung zu ver­ einfachen, sind die einander entsprechenden Bestandteile der Steuerungsvorrichtung 16 A und der vorher erwähnten Steuerungsvorrichtung 16 (siehe Fig. 2) mit einander ent­ sprechenden Bezugszeichen gekennzeichnet. Diese Steuerungs­ vorrichtung 16 A unterscheidet sich von der Steuerungsvor­ richtung 16 darin, daß eine Niedrigwert-Torschaltung 38, ein Addierer 39 und eine Voreinstelleinheit 40 zugefügt wurden. Im Addierer 39 wird das erste Steuersignal (Gesamtdampfflußbedarfssignal) S₂ mit dem Dampfflußbedarfsvoreinstellungssignal B _P , das von der Voreinstelleinheit 40 ausgegeben wird, addiert, wobei ein Signal S₁₁ entsteht, das der Niedrigwert-Torschal­ tung 38 zugeführt wird. Die Torschaltung ist so aufgebaut, daß sie das niedrigwertigere der beiden Signale S₇ (Last­ bedarfssignal) und S₁₁ auswählt; das ausgewählte Signal wird als Signal S₁₂ ausgegeben. Der Addierer 28 bestimmt eine Abweichung zwischen dem Signal S₁₂ und dem Signal S₄′ das vom Unempfindlichkeitsbegrenzer 23 ausgegeben wird, wobei die Abweichung als 3. Steuersignal Turbinenregelventilöffnungs­ bedarfssignal) S₈ ausgegeben wird.

Gemäß dieser Ausführungsform hat das Dampfflußbedarfs­ voreinstellungssignal B _P einen derartigen Wert, daß der Betrag des Signals S₁₁, das vom Addierer 39 ausgegeben wird, deutlich von dem des zweiten Steuersignals (Lastbedarfssignals) S₇ abweicht. Der Wert des Signals B _P kann positiv oder negativ gewählt werden. Wenn das Signal B _P positiv ist, wählt die Niedrig­ wert-Torschaltung 38 immer das Lastbedarfssignal S₇, wobei der reglerfreie Betrieb wie bei der in Verbindung mit Fig. 2 beschriebenen Ausführung abläuft. Wenn dagegen das Dampfflußbedarfsvoreinstellsignal B _P negativ gewählt wird, wählt die Niedrigwert-Torschaltung 38 immer das Ausgangssignal S₁₁ des Addierers 39. Dann wird anstelle des reglerfreien Betriebs die normale Lastfolgesteuerung ausgeführt, die vorzugsweise auf der Reaktordrucksteuerung beruht. Im Fall der letztgenannten Betriebsweise wird von der Voreinstelleinheit 40 a das Signal -B _p so erzeugt, damit es das Signal +B _p , das dem Gesamtdampfflußsignal S₂ überlagert ist, aufhebt. Es wird in den Addierer 28 einge­ geben. Dafür ist die Voreinstelleinheit 40 a so aufgebaut, daß sie das Signal -B _p nur dann erzeugt, wenn durch die Voreinstelleinheit 40 das negative Voreinstellsignal ge­ setzt ist. Andernfalls gibt sie ein Nullsignal aus.

Eine andere Ausführungsform des Steuerungsgeräts 16 ist in Fig. 6 dargestellt. Das dieser Ausführung entsprechende Gerät ist mit 16 B bezeichnet und besitzt im wesentlichen dieselbe Struktur wie das Steuergerät 16, mit der Ausnahme, daß ein Lastfolgesignal S₁₃ von einem Addierer 41 erzeugt und dann in den Rücklaufflußregler 30 eingegeben wird. Genauer gesagt, erhält der Addierer 41 das erste Steuersignal (Gesamtdampf­ flußbedarfssignal) S₂ und das zweite Steuersignal (Lastbedarfssignal) S₇, um den Unterschied zwischen diesen beiden Eingabesignalen zu bestimmen; diese Differenz wird als Abweichungssignal S₁₃ ausgegeben. Mit einer derartigen Anordnung kann die Steuerung so erfolgen, daß die Generatorabgabeleistung und die Reaktorleistung harmonisch miteinander koordiniert werden. Die in Fig. 6 gezeigte Ausführung kann auch für den reglerfreien Betrieb verwendet werden.

Eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Steuervor­ richtung für ein Siedewasserreaktorkraftwerk wird in Ver­ bindung mit Fig. 7 und Fig. 8 beschrieben. Bei dieser Anordnung befindet sich ein Neutronendetektor 42 im Kern des Dampfgenerators 1. Er ist durch eine Leitung 43 elektrisch mit der Steuervorrichtung, die mit 16 C bezeich­ net wird, verbunden; ferner ist ein in der Hauptdampfleitung 3 eingebautes Dampfdurchflußmeßgerät 46 über eine Leitung 47 an die Steuervorrichtung 16 C angeschlossen. Die Steuervorrichtung 16 C unterscheidet sich von der in Fig. 2 gezeigten Steuervorrichtung 16 darin, daß erstere ein Zeitverzögerungselement erster Ordnung 44 und Addierer 45 und 49 enthält, wie in Fig. 8 dargestellt.

Diejenigen Betriebsweisen der vorliegenden Ausführungsform, die sich von denjenigen der in Fig. 2 gezeigten Steuervor­ richtung 16 unterscheiden, werden nun beschrieben. Sobald ein Neutronenflußsignal Ne, das vom Neutronendetektor 42 erzeugt wird, kleine und schnelle Schwankungen aufweist, wird dieses Signal Ne zuerst dem Zeitverzögerungselement erster Ordnung 44 zugeführt, um die Schwankungen zu dämpfen. Das entstehende Signal S₁₅ wird dem Addierer 45 als für die Reaktorleistung charakteristisches Signal zugeführt. Der Addierer 45 erhält als andere Eingabe das Hauptdampf­ flußsignal S _F , das die Reaktorausgangsleistung darstellt, wenn der Bypass-Fluß Null ist, und vom Dampfflußmeßgerät 46 erzeugt wird. Er bestimmt daraus den Unterschied zwischen den Signalen S₁₅ und S _F ; dieser wird als Reaktorfehlan­ passungssignal S₁₆ ausgegeben. Dieses Signal S₁₆ wird dem Addierer 49 zugeführt, wo es zusammen mit einem korri­ gierenden Lastbedarfssignal S₁₄ als drittes Steuersignal (Regelventilöffnungsbedarfs­ signal) S₈ ausgegeben wird. In diesem Sinne stellt der Addierer 49 auch eine Korrekturvorrichtung dar. Das korri­ gierende Lastbedarfssignal S₁₄ wird vom Addierer 28 erzeugt, indem er das zweite Steuersignal (Lastbedarfssignal) S₇ mit dem Signal S₄ korri­ giert. Der Öffnungsgrad des Dampfdurchflußregelventils 6 wird in Abhängigkeit vom dritten Steuersignal S₈ gesteuert.

Durch den Addierer 20 werden das Ventilöffnungsvoreinstellungs­ signal B _s und das dritte Steuersignal S₈ vom zweiten Steuersignal S₂ abgezogen, wobei ein Bypassventil-Öffnungsbedarfssignal S₉ entsteht.

Auf diese Weise kann die Stabilität der Reaktordruck­ steuerung und der Reaktorleistungssteuerung weiter erhöht werden, indem das Reaktorleistungsfehlanpassungssignal S₁₆ als Steuerungssignal für das Dampfdurchflußregelventil 6 zurückgeführt wird. Wenn insbesondere der Neutronenfluß anzusteigen beginnt, wird der Reaktordruck durch Erhöhung des Hauptdampfflusses vermindert; der Leerraum wird folglich größer, der Neutronenfluß nimmt ab. Auf diese Weise kann ein Steigen des Neutronenflusses wir­ kungsvoll unterdrückt werden. Sobald der Reaktordruck aufgrund des steigenden Hauptdampfflusses zu fallen beginnt, findet folglich eine Unterdrückungswirkung statt, die ein Fallen des Reaktordrucks durch Unterdrückung der Stei­ gerung des Hauptdampfflusses verhindert. Da die erfindungs­ gemäße Feed-back-Vorrichtung weiterhin auf der Steuerung des Reaktordrucks basiert, findet der Regelvorgang ohne Reaktionsverzögerung statt und bringt daher keine Insta­ bilität oder Schwankung in der Reaktorleistung mit sich.

Fig. 9 zeigt die Steuercharakteristika des Systems, in dem die Steuervorrichtung 16 verwendet wird, verglichen mit derjenigen eines Systems, in dem die Steuervorrichtung 16 C (siehe Fig. 8) verwendet wird. Die durchgezogenen Kurven stellen die Charakteristika der Steuervorrichtung 16, in der die Rückführung des Reaktorleistungsfehlan­ passungssignals S₁₆ nicht angewandt wird, dar, wogegen die mit unterbrochener Linie gezeichneten Kurven die Cha­ rakteristika der Steuervorrichtung 16 C darstellen, die eine Feed-back-Regelung über das Reaktorfehlanpassungs­ signal S₁₆ verwendet. Wie aus den mit durchgezogener Linie gezeichneten Kurven ersichtlich ist (Steuervorrichtung ohne Feed-back des Reaktorleistungsfehlanpassungssignals S₁₆), bewirkt eine Änderung des Lasteinstellpunktes um -5% einen steil ansteigenden Neutronenfluß in der ersten Reaktionsphase wegen des Leerraumreaktivitätseffekts, der vom Ansteigen des Reaktordrucks bewirkt wird. Darauf folgt ein Absinken des Rücklaufflusses wegen der Schwankung des Lastfolgesignals. Im Gegensatz dazu wird bei einer Steuervorrichtung, in der die Feed-back-Funktion des Reaktor­ fehlanpassungssignals S₁₆ eingebaut ist, das Absinken des Turbinensteuerungsventilöffnungsbedarfssignals durch ein Ansteigen des Neutronenflusses in der Anfangsphase unterdrückt, die Schwankungen der Reaktorleistung und des Neutronenflusses in der Anfangsphase können reduziert werden, obwohl die Reaktionsgeschwindigkeit beim Herabsetzen der Ausgangsleistung des Stromgenerators niedrig ist (wie durch die mit unterbrochenem Strich gezeichneten Kurven dargestellt).

Fig. 10 zeigt noch eine andere Ausführungsform der Erfindung. Nach dieser Ausführung wird ein Dampfflußmeßgerät 46 in die Hauptdampfleitung 3 eingebaut, wie es auch beim in Fig. 7 abgebildeten System der Fall ist. Das Hauptdampf­ flußsignal S _F , das von dem Dampfflußmeßgerät 46 erzeugt wird, wird in den Addierer 41 eingegeben, um seine relative Abweichung zum zweiten Steuersignal (Lastbedarfssignal) S₇ zu ermitteln; das resultierende Abweichungssignal S₁₄ wird verwendet, um die Rückflußregelvorrichtung 30 zu steuern. Nachdem es der Zweck des Rücklaufflusses ist, die Reaktorleistung zu steuern, muß die Steuerung auf Grundlage des Hauptdampf­ flusses S _F , der der Reaktorleistung entspricht, erfolgen. Da weiterhin die erfindungsgemäße Steuervorrichtung die Ausgangsleistung des Stromgenerators steuern soll, ist es nicht nur praktisch, sondern auch stabilitätserhöhend, die Regelung des Rücklaufflusses auf die Grundlage des Abweichungssignals S₁₄ zwischen dem zweiten Steuersignal (Lastbedarfssignal) S₇ - eine Größe, die in Verbindung zur Generatorabgabe­ leistung steht - und dem Hauptdampfflußsignal S₄₇ - eine Größe, die in Beziehung zur Reaktorleistung steht - zu stellen. Dadurch wird die gegenseitige Anpassung von Generatorabgabe­ leistung und Reaktorleistung sichergestellt.

In der obigen Beschreibung in Verbindung mit Fig. 1, 5, 6 und 10 wurde angenommen, daß die jeweiligen Steuervor­ richtungen in einem Siedewasserreaktorkraftwerk verwendet werden. Es sollte jedoch klargestellt werden, daß die in Fig. 1, 5, 6 und 10 dargestellten Steuervorrichtungen genauso in einem Druckwasserreaktorkraftwerk wie in einem thermischen Kraftwerk verwendet werden können. Ferner wird festgehalten, daß das Manometer 14, das den Druck im Dampfgenerator 1 mißt (siehe Fig. 1), auch geeignet ist, um den Dampfdruck in einem Dampfgenerator (oder den Dampfdruck in der Hauptdampfleitung) bei einem Druckwasser­ reaktorkraftwerk oder den Dampfdruck im Dampfkessel bei einem thermischen Kraftwerk zu messen. Die Rücklaufpumpe (Reaktorumwälzpumpe) 12, die ein Mittel zur Feinanpassung der Reaktorleistung darstellt (siehe Fig. 1), kann bei einem Druckwasserreaktorkraftwerk durch eine Vorrichtung zur Anpassung der Konzentration des flüssigen Giftes ersetzt werden, während es sich bei einem thermischen Kraftwerk um eine Regleranpassungsvorrichtung handelt. Folglich wird der Rücklaufflußregler 30 beim Druckwasserreaktor durch eine Vorrichtung zur Regelung der Konzentration des flüssigen Giftes bzw. beim thermischen Kraftwerk durch eine Regler­ anpassungsvorrichtung ersetzt.

Man sieht nun also, daß nach der Lehre der Erfindung ein reglerfreier Betrieb sehr viel leichter durchgeführt werden kann. Selbst wenn ein Bedarf nach einer großen Lastände­ rung im Lauf des reglerfreien Betriebs entstehen sollte, können Schwankungen des Dampfdrucks und des Neutronen­ flusses wirkungsvoll ausgeglichen werden, wobei deren Stabilisierung in kurzer Zeit erreicht werden kann.

Claims (10)

1. Steuervorrichtung für ein Elektrizitätskraftwerk mit

• - einem Dampfgenerator (1),
• - einer Turbine (2),
• - einer Hauptdampfleitung (3) zur Versorgung der Turbine mit dem im Dampfgenerator (1) erzeugten Dampf,
• - einem Dampfdurchflußregelventil (6), das zur Steuerung der Turbinendrehzahl in der Hauptdampfleitung (3) angebracht ist,
• - einem Kondensator (4), zur Kondensation des in der Turbine (2) entspannten Dampfs,
• - einer den Kondensator (4) und die Hauptdampfleitung (3) verbindenden und stromaufwärts des Dampfdurchfluß­ regelventils (6) angebrachten Bypass-Leitung (7) zur Einspeisung des Dampfs aus der Hauptdampfleitung (3) in den Kondensator (4),
• - einem in der Bypass-Leitung (7) angebrachten Bypass- Ventil (8),
• - Wassereinspeisevorrichtungen (9, 10, 11) zur Einführung von Einspeisewasser aus dem Kondensator (4) in den Dampfgenerator (1),
• - einem an die Turbine (2) gekoppelten Stromgenerator (37).

2. Steuervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Unempfindlichkeitsbegrenzer (23) eine Totzone aufweist, die gleich dem zulässigen Druckschwankungs­ bereich ist.

3. Steuervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch weitere Vorrichtungen (38, 39, 40) zur Auswahl des ersten (S₂) oder zweiten Steuersignals (S₇), wobei Korrekturvorrichtungen (23, 28) das von den Auswahlvorrichtungen ausgewählte Steuersignal auf Grundlage des ersten Steuersignals (S₂) korrigieren.

4. Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswahlvorrichtungen (38, 39, 40) einen zweiten Addierer (39), der zum ersten Steuersignal (S₂) entweder ein positives oder negatives Signal von vorbestimmtem Wert addiert, so daß das entstehende Signal sich durch einen ausreichend großen Betrag vom zweiten Steuersignal (S₇) unterscheidet, und eine Niederwert-Torschaltung (38) enthalten die das Ausgangssignal des zweiten Addierers (39) mit dem zweiten Steuersignal (S₇) ver­ gleicht, um das niedrigwertigere der beiden Signale auszuwählen.

5. Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch einen Rücklaufflußregler (30), der den Dampfgenerator (1) aufgrund mindestens des ersten Steuersignals (S₂) regelt.

6. Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Dampfgenerator (1) ein Siedewasserreaktor und als Vorrichtung zur Regelung der Abgabe des Dampfgene­ rators (1) ein Rücklaufflußregler (30) verwendet werden.

7. Steuerungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Rücklaufflußregler (30) zur Regelung der Abgabe des Dampfgenerators (1) auf Grundlage der Differenz zwischen dem ersten (S₂) und dem zweiten Steuersignal (S₇) geregelt wird.

8. Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch einen Neutronenflußdetektor (42) im Kern des Siedewasser­ reaktors, wobei der Rücklaufflußregler (30) auf Grundlage eines Differenzsignals zwischen dem zweiten Steuersignal (S₇) und dem Ausgangssignal des Neutronenflußdetektors (42) gesteuert wird.

9. Steuervorrichtung nach Anspruch 1, bei dem als Dampfgene­ rator (1) ein Siedewasserreaktor verwendet wird, gekennzeichnet durch einen Neutronenflußdetektor (42) im Reaktorkern zum Nachweis von Neutronen, ein Dampfdurchflußmeßgerät (46) zur Messung des Dampfflusses in der Hauptdampfleitung (3) und einen Addierer (45), der ein Differenzsignal auf Grundlage des Ausgangssignals des Neutronenflußdetek­ tors (42) und des Ausgangssignals des Dampfdurchflußmeß­ geräts (46) bestimmt, wobei das zweite Steuersignal (S₇) durch das Differenzsignal mittels eines weiteren Addierers (49) so korrigiert wird, daß Schwankungen des Neutronenflusses im Reaktorkern unterdrückt werden.

10. Steuervorrichtung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch eine Zeitverzögerungsschaltung (44), die ein Zeitverzöge­ rungselement erster Ordnung enthält, und die zwischen den Neutronenflußdetektor (42) und den Addierer (45) geschaltet ist.