DE4131086C2

DE4131086C2 - Einrichtung zur Füllstandsmessung in einem Reaktordruckbehälter

Info

Publication number: DE4131086C2
Application number: DE4131086A
Authority: DE
Inventors: Egon Dipl Ing Schneider; Horst Dipl Ing Kremin; Rafael Dipl Ing Mandl
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Areva GmbH
Priority date: 1991-09-18
Filing date: 1991-09-18
Publication date: 1997-12-04
Anticipated expiration: 2011-09-19
Also published as: DE4131086A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Füllstandsmessung in einem Reaktordruckbehälter, mit einem Druckdifferenzmesser, der mit einem unteren mit Flüssigkeit gefüllten Teilraum und einem oberen, mit Dampf gefüllten Teilraum des Behälters in Verbindung steht, und mit einer Auswerteeinheit, die mit dem Druckdifferenzmesser ver bunden ist und der Werte für Dichten der Flüssigkeit und des Dampfes zuführbar sind.

Eine solche Einrichtung ist in der europäischen Patentschrift 0 226 806 beschrieben. Dort wird an einem Siedewasserreaktor für die Füllstandsmessung ein Druckdifferenzmesser eingesetzt, der einerseits mit dem mit Flüssigkeit gefüllten unteren Teil raum des Reaktordruckbehälters und andererseits über eine Ver gleichssäule mit dem dampfgefüllten oberen Teilraum des Reaktordruckbehälters in Verbindung steht. Die Vergleichssäule ist mit einer bekannten Flüssigkeit gefüllt. Ihr Flüssigkeits spiegel befindet sich in einem am oberen Ende der Vergleichs säule angeformten Gefäß. Der Dampfraum dieses Gefäßes steht mit dem oberen Teilraum, dem Dampfraum des Reaktordruckbe hälters in Verbindung.

Damit die Druckdifferenz zwischen unterem und oberem Teilraum zuverlässig zu bestimmen ist, müssen zumindest mit vertikaler Komponente verlaufende Verbindungsleitungen zwischen Reaktor druckbehälter und Druckdifferenzmesser mit einem Medium be kannter Dichte gefüllt sein.

Gemäß der EP-0 226 806 ist die Verbindungsleitung zwischen dem unteren Teilraum des Reaktordruckbehälters und dem Druckdiffe renzmesser stets vollständig mit Flüssigkeit aus dem Reaktor druckbehälter gefüllt. Dazu ist der Druckdifferenzmesser auf einem Niveau angeordnet, das unterhalb des Niveaus des nied rigsten möglichen Wasserspiegels im Reaktordruckbehälter liegt. Darüber hinaus ist erforderlich, daß die Verbindungsleitung zwischen dem unteren Teilraum und dem Druckdifferenzmesser an keiner Stelle höher als dieses niedrigste zu erwartende Flüs sigkeitsniveau im Reaktordruckbehälter verläuft. Sonst könnte nämlich ein Flüssigkeits-Gas-Gemisch in die Leitung eindringen. Die Dichte eines solchen Gemisches wäre nicht konstant und wäre daher nur schwer zu bestimmen.

Damit der vertikale Abschnitt der Verbindungsleitung zwischen dem oberen Teilraum des Reaktordruckbehälters und dem Druck differenzmesser mit einem Medium bekannter Dichte gefüllt ist, sieht die EP-0 226 806 die Vergleichssäule vor. Ohne Ver gleichssäule wäre der vertikale Abschnitt in einem variablen Anteil mit Gas oder Dampf gefüllt, so daß die Dichte seiner Füllung nur schwer zu bestimmen wäre.

Ohne Kenntnis der Dichte der Medien in den Leitungen, die zum Druckdifferenzmesser führen, kann aber der Füllstand nicht bestimmt werden.

Aus der europäischen Patentschrift 0 226 806 ist zu entnehmen, wie aus der gemessenen Druckdifferenz die Füllstandshöhe zu berechnen ist. Außer der gemessenen Druckdifferenz, der Erdbe schleunigung und geometrischer Größen des Reaktordruckbehälters werden die Werte für drei Dichten benötigt. Neben der Dichte der Flüssigkeit im Reaktordruckbehälter und der Dichte des Dampfes im Reaktordruckbehälter muß die Dichte des Mediums in der Vergleichssäule bekannt sein. Es sind also drei unter schiedliche Dichtewerte zu ermitteln.

Damit die Leitung zwischen dem Druckdifferenzmesser und dem unteren flüssigkeitsgefüllten Teilraum des Reaktor druckbehälters stets homogen mit Flüssigkeit gefüllt ist, muß diese Leitung an einer Seitenwand am Reaktordruckbehälter ange schlossen sein. Ihr Anschlußpunkt muß unterhalb des tiefsten möglichen Flüssigkeitsniveaus im Reaktordruckbehälter liegen. Die Leitung darf vom unteren Teilraum des Reaktordruckbehälters zum Druckdifferenzmesser hin gesehen nicht, auch nicht abschnittsweise, mit einer Komponente nach oben verlaufen. Sonst könnten sich in der Leitung Gasblasen bilden, so daß eine homogene, bekannte Dichte in der Leitung nicht gewährleistet sein könnte.

Beim bekannten müssen für eine Füllstandsmessung Anschlüsse an der Seitenwand des Reaktordruckbehälters eingerichtet sein, obwohl sich im Deckel des Reaktordruckbehälters ver schließbare Öffnungen befinden.

Auch aus der EP 0 066 520 B1 ist eine Einrichtung zur Füll standsmessung bekannt. Auch bei dieser Vorrichtung sind An schlüsse an der Seitenwand des Behälters erforderlich. Darüber hinaus werden die vorhandenen Tauchrohre dadurch flüssig keitsfrei gehalten, daß in die Tauchrohre ständig von außen ein Gas hineingepumpt wird. Dazu ist eine Druckgasleitung notwendig. Dieses Gas ist ein Fremdstoff im Behälter. Die Zufuhr von Fremdstoffen ist aber besonders dann, wenn der Behälter ein Teil eines Kernkraftwerkes ist, nicht zulässig.

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Füllstandsmessung in einem Reaktordruckbehälter anzugeben, die keine Öffnungen in den Seitenwänden des Behälters erfordert. Alle Anschlüsse sollen durch ohnehin vorhandene Öffnungen im Deckel des Reaktordruckbehälters anzubringen sein, ohne daß Gasblasen in zum Druckdifferenzmesser führenden Lei tungen entstehen könnten, was eine Dichtebestimmung erschweren würde. Außerdem soll es nicht notwendig sein, fremde Gase von außen einzuspeisen.

Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die Einrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst.

Dadurch ist vorteilhafterweise ein Einspeisen von Fremd stoffen in den Behälter für die Füllstandsmessung nicht erforderlich.

Dadurch, daß gewährleistet ist, daß in beiden Leitungen stets ein Medium bekannter Dichte vorhanden ist, ist es erst möglich, die Leitungen auf direktem Weg nach oben aus dem Behälter herauszuführen. Es muß vorteilhafterweise nicht darauf geachtet werden, daß die erste Leitung in ihrem Verlauf stets unter halb des Niveaus des tiefsten möglichen Flüssigkeitsspiegels im Behälter liegt. Außerdem kann vorteilhafterweise darauf verzichtet werden, in die zweite Leitung eine Vergleichssäule einzuschalten. Die Vergleichssäule beim bekannten dient nämlich nur dazu, im vertikalen Teilabschnitt der zweiten Leitung eine gleichmäßige Füllung mit einem bekannten Medium zu gewähr leisten.

Mit der Einrichtung gemäß der Erfindung wird der Vorteil er zielt, daß beim Einsatz an einem Reaktordruckbehälter ohnehin vorhandene Öffnungem im Reaktordeckel zum Anschließen der Ein richtung verwendet werden können. Die Einrichtung ist insbe sondere in einem Druckwasserreaktor einsetzbar. Es werden dort die Instrumentierungsstutzen im Reaktordruckbehälterdeckel ausgenützt. Trotzdem kann es bei der Einrichtung nach der Er findung nicht dazu kommen, daß Flüssigkeit aus dem unteren Teilraum des Behälters unkontrolliert und mit Dampf vermischt in eine zum Druckdifferenzmesser führende Leitung gelangt.

Die Einrichtung zur Füllstandsmessung gemäß der Erfindung ist mit einfachen Mitteln aufgebaut und gewährleistet eine zuverlässige Messung.

Zur Berechnung des Füllstandes sind neben der Druckdifferenz nur zwei Dichtewerte, für die Flüssigkeit und für den Dampf im Behälter zu bestimmen.

Beispielsweise ist auch die zweite Leitung, damit sie stets vollständig mit Dampf gefüllt ist, beheizt. Damit wird sicher gestellt, daß in den Leitungen stets nur Dampf vorhanden ist und daß der Dampf nicht unter den Kondensationspunkt abkühlt.

Die Heizung kann eine elektrische Heizung, z. B. in der Form einer eine Leitung umfassenden Heizwendel sein. Auch eine Beheizung der Leitungen durch Gammastrahlen ist möglich. Falls zumindest die erste Leitung im Reaktordruckbehälter bis in den Reaktorkern hineinreicht, kann eine Erwärmung des Mediums in der Leitung durch auftreffende Neutronen erfolgen, die aus dem Reaktorkern stammen.

Mit den genannten Heizungsarten ist eine gleichmäßige Er wärmung der Leitungen möglich, wodurch das Kondensieren von Dampf in den Leitungen verhindert wird.

Beispielsweise sind eine oder beide Leitungen doppelwandig ausgebildet. Diese Konstruktion dient zur Isolierung. Es wird vorteilhafterweise in doppelwandigen Leitungen der Kondensation des Dampfes innerhalb der Leitung entgegengewirkt.

Mit der Einrichtung nach der Erfindung wird der Vorteil er zielt, daß mit nur zwei bekannten Dichten und der zu messenden Druckdifferenz der Füllstand in einem Reaktordruckbehälter bestimmt werden kann, wobei erforderliche Leitungen von oben in den Behälter, z. B. durch Instrumentierungsstutzen in einen Reaktordruckbehälterdeckel hineingeführt angeordnet sind.

Die Aufgabe wird anhand der Zeichnung näher erläutert:

Fig. 1 zeigt einen Reaktordruckbehälter eines Druckwasserreaktors mit einer Einrichtung zur Füllstandsmessung.

Fig. 2 zeigt eine mit einer Heizung ausgestattete Leitung.

Nach Fig. 1 weist ein Behälter 1, der ein Reaktordruck behälter eines Druckwasserreaktors ist, einen unteren mit Flüssigkeit gefüllten Teilraum 2 und einen oberen mit Gas oder Dampf gefüllten Teilraum 3 auf. Im Behälter 1 soll der Füll stand gemessen werden. Es ist die Höhe h des Flüssigkeits spiegels über dem Boden des Behälters 1 zu bestimmen. Dazu ist ein Druckdifferenzmesser 4 vorhanden, der über eine erste Leitung 5 mit dem unteren Teilraum 2 und über eine zweite Leitung 6 mit dem oberen Teilraum 3 verbunden ist. Der Druck differenzmesser 4 ist über eine Datenleitung mit einer Aus werteeinheit 7 verbunden, der außerdem andere Meßwerte oder bekannte Größen, wie z. B. Mediumdichten und Behälterabmes sungen, zuführbar sind. Die Auswerteeinheit 7 umfaßt eine Anzeigevorrichtung. Gemäß der Erfindung sind beide Leitungen 5, 6 von oben in den Behälter 1 hineingeführt. In einem Reak tordruckbehälter können die Leitungen 5, 6 durch ohnehin vor handene Instrumentierungsstutzen im Reaktordruckbehälterdeckel in den Behälter 1 hineingeführt sein. Die beiden Leitungen 5, 6 sind gemäß der Erfindung vollständig mit einem Medium bekannter Dichte gefüllt. Dieses Medium ist gesättigter Dampf.

Damit die Leitungen 5, 6 stets mit solchem gesättigten Dampf gefüllt sind, sind die Leitungen 5, 6 beheizt. Dadurch befindet sich selbst in demjenigen Teilstück der ersten Leitung 5, das im Behälter 1 in die Flüssigkeit eintaucht, stets gesättigter Dampf und keine Flüssigkeit.

An den Leitungen 5, 6 können verschließbare Stutzen 8, 9 zum zeitweisen Einspeisen eines externen Gases oder Dampfes vor handen sein, um einen Druckabfall in den Leitungen 5, 6 zu verhindern.

Zur Berechnung der Höhe h des Flüssigkeitsspiegels reicht es aus, wenn der Abstand h_s des Flüssigkeitsspiegels vom unteren Ende der ersten Leitung 5, von der Position C, bestimmt wird. Der Abstand der Position C vom Boden des Behälters 1 ist eine feste Größe, die hinzuaddiert werden kann.

Die Berechnung des Füllstandes aus der gemessenen Druckdif ferenz erfolgt in an sich bekannter Weise mittels einer Druck betrachtung. An der Position A, dem unteren Ende der zweiten Leitung 6 herrscht der Druck p₀. Am Flüssigkeitsspiegel, der Position B, herrscht dann der Druck p₁ = p₀+h_D·ρ_D·g. Dabei ist h_D der Abstand zwischen dem Flüssigkeitsspiegel und dem unteren Ende der zweiten Leitung 6. ρ_D ist die Dampfdichte im oberen Teilraum 3. g ist die Erdbeschleunigung. An der Po sition C, dem unteren Ende der ersten Leitung 5, herrscht der Druck p₂ = p₀+h_D·ρ_D·g+h_s·ρ_s·g. Dabei ist ρ_s die mittlere Dichte eines Gemisches aus Flüssigkeit und Dampf im unteren Teilraum 2.

Am Anschlußpunkt der ersten Leitung 5 am Druckdifferenz messer 4, der Position D, herrscht dann der Druck p₃ = p₂-(h_s+h_D+h_L)·ρ_D·g. Dabei ist h_L der Niveauunterschied zwischen dem unteren Ende der zweiten Leitung 6 und den Ein gängen der Leitungen 5, 6 am Druckdifferenzmesser 4. Der Druck am Anschluß der zweiten Leitung 6 am Druckdifferenzmesser 4, der Position E, ist p₄ = p₀-h_L·ρ_D·g.

Die Druckdifferenz ist Δp = p₃-p₄. Durch mathematische Umfor mung erhält man Δp = h_s·g·(ρ_s-ρ_D).

Falls im unteren Teilraum 2 statt einer reinen Flüssigkeit ein Flüssigkeits-Gas-Gemisch vorhanden ist, kann erwünscht sein, den Füllstand der kollabierten Flüssigkeit zu bestimmen. Damit ist derjenige Füllstand gemeint, der sich einstellen würde, wenn die Flüssigkeit im unteren Teilraum 2 vollständig entgast wäre. Um diesen fiktiven Füllstand zu bestimmen, werden die Partial drücke von Flüssigkeit und Gas im unteren Teilraum 2 betrachtet. Der Druck des Gemisches entspricht dabei der Summe des Flüssig keitsdruckes und des Gasdruckes. Daraus ergibt sich:

h_s · ρ_s · g = h_c · ρ_w · g + (h_s-h_c) · ρ_D · g

Dabei bedeutet ρ_w die Dichte der reinen Flüssigkeit im unteren Teilraum 2. h_c ist der Abstand des fiktiven Flüssigkeits standes nach vollständigem Entgasen der Flüssigkeit vom unteren Ende der ersten Leitung 5. In Fig. 1 ist dieses Niveau bzw. diese Position mit F bezeichnet.

Durch mathematische Umformung erhält man Δp = h_c·g(ρ_w-ρ_D).

Daraus ergibt sich für

Es muß also nur die Dampfdichte im oberen Teilraum 3 und die Flüssigkeitsdichte im unteren Teilraum 2 be kannt sein, um aus der gemessenen Druckdifferenz die Füllstandshöhe zu bestimmen. Es ist dabei gemäß der Erfindung sicherzustellen, daß beide Leitungen 5, 6 mit Dampf vollständig gefüllt sind, wobei der Dampf die gleiche Dichte wie der Dampf im oberen Teilraum 3 hat.

Mit der erfindungsgemäßen Einrichtung kann auf einfache Weise der Füllstand im Behälter 1 bestimmt werden.

Zur Beheizung der Leitungen 5, 6 sind diese nach Fig. 2 beispielsweise von einer elektrischen Heizung, in der Form einer Heizwendel 10 umgeben. Es kann aber auch eine andere Heizungsart vorgesehen sein. Die Leitung 5, 6 mit der Heizung kann von einem Schutzrohr 11 umgeben sein, um Kondensatbildung zu vermeiden.

Claims

1. Einrichtung zur Füllstandsmessung in einem Reaktordruckbehälter (1), mit einem Druck differenzmesser (4), der mit einem unteren, mit Flüssigkeit gefüllten Teilraum (2) und einem oberen, mit Dampf gefüllten Teilraum (3) des Behälters (1) in Verbindung steht, und mit einer Auswerteeinheit (7), die mit dem Druckdifferenzmesser (4) verbunden ist und der Werte für Dichten (ρ) der Flüssigkeit und des Dampfes zuführbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß vom Druckdifferenzmesser (4) ausgehend zwei Leitungen (5, 6) von oben in den sonst geschlossenen Behälter (1) hereingeführt sind, daß die erste Leitung (5) im unteren Teilraum (2) und die zweite Leitung (6) im oberen Teilraum (3) endet und daß die Leitungen (5, 6) vollständig mit gesättigtem, aus der Flüs sigkeit im Behälter stammendem Dampf bekannter Dichte gefüllt sind, wobei durch Beheizung der ersten Leitung (5) erreicht wird, daß diese vollständig mit gesättigtem Dampf gefüllt bleibt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auch die zweite Leitung (5, 6) beheizt ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß der Leitung (5, 6) eine elektrische Heizwendel (10) zugeordnet ist.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitung (4, 5) durch Gammastrahlen beheizbar ist.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium in der Leitung (5, 6) durch auftreffende Neutronen auf heizbar ist.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitung (5, 6) dop pelwandig ausgebildet ist.