WO1997019328A1 - Verfahren und vorrichtung zur messung der füllstandshöhe eines druckbehälters - Google Patents

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WO1997019328A1
WO1997019328A1 PCT/EP1996/004924 EP9604924W WO9719328A1 WO 1997019328 A1 WO1997019328 A1 WO 1997019328A1 EP 9604924 W EP9604924 W EP 9604924W WO 9719328 A1 WO9719328 A1 WO 9719328A1
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fill level
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PCT/EP1996/004924
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Jean Mattern
Johann Meseth
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • G01F23/248—Constructional details; Mounting of probes

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for measuring the full level within a pressure vessel, in particular a pressure vessel of a boiling water power plant.
  • a determination of the full level is often necessary in DE 35 41 613 AI describes a method and a device for measuring the fill level in a reactor pressure vessel of a boiling water reactor.
  • the measurement of the fill level is carried out as a pressure difference measurement in which the differential pressures between a reference water column and the cooling medium contained in the reactor pressure vessel are measured Level by measuring the pressure difference is extremely reliable, but it harbors the possibility that radiolysis gas dissolved in the reference water column could lead to a falsification of the measurement signal.
  • Another option for determining the full level is to evaluate the cooling rates of temperature sensors previously heated to a defined temperature and arranged in the container, as described in GB 2 168 153 A
  • the object of the invention is to provide a device for determining the fullness level within a pressure vessel, in particular a reactor pressure vessel
  • the object is to specify a method for determining the full level within a pressure vessel
  • the tasks directed at a device are achieved by providing an increasing fluid line with a lower end and an upper end outside a pressure vessel in which there is a fluid with an adjoining gas area. where the lower end is geodetically below the upper end and both ends are connected to the
  • Pressure vessels are connected and a plurality of temperature measuring elements are provided between the lower end and the upper end for determining a temperature distribution between the gas area and the fluid that results along the fluid line due to a temperature difference in the pressure vessel Evaluation device for determining the full level can be connected on the basis of the measuring signals of the temperature measuring elements
  • the fluid line is preferably routed monotonically increasing, in particular vertically.
  • the fluidic coupling of the fluid line to the pressure vessel results on the one hand in a temperature distribution along the fluid line, which is determined via a plurality of temperature measuring elements which can be arranged outside or inside the fluid line.
  • the temperature measuring elements are preferably sufficiently insulated from thermal influences from the surroundings of the fluid line so that they clearly ensure a reproduction of the temperature distribution in the fluid line.
  • the fluidic coupling of the fluid line to the pressure vessel m of the fluid line m results in the same height as the pressure vessel, the level of the fluid em.
  • the fluid line From the full height to the upper end of the fluid line, there is a gaseous medium, in particular steam, with a largely constant temperature in particular, which is preferably determined with at least one temperature measuring element.
  • a gaseous medium in particular steam
  • a largely constant temperature in particular, which is preferably determined with at least one temperature measuring element.
  • the fluid has a temperature distribution with a temperature which decreases steadily towards the lower end.
  • the fill level can be clearly determined on the basis of the different temperature distribution of the fluid and steam, in particular water vapor, in the fluid line.
  • a constant temperature is present in the part of the fluid line filled with steam, so that an extrapolation of the temperatures determined in the fluid region to this temperature makes it easy to determine the full level.
  • the height namely the full level
  • the fill level m of the fluid line and thus also the temperature distribution m of the fluid line also change.
  • changes in the fill level are also easy to detect with the device.
  • the fluid line preferably has at least one temperature measuring element in the area filled with steam, as a result of which the steam temperature, which is essentially constant, can be determined. Two or more temperature measuring elements are preferably provided in the area filled with fluid, so that the temperature distribution, the temperature gradient, in the area filled with fluid is recorded.
  • the device Due to a plurality of temperature measuring elements in the area filled with fluid, a high measuring accuracy is achieved even if one or more temperature measuring elements fail.
  • the device is characterized by its long-term stability, the temperature measuring elements being calibratable via a diverse determination of the fill level.
  • the device also enables a continuous analog or digitally processable signal for the level of the fluid in the pressure vessel. Even if the fluid foams, for example in the event of an uncontrolled boiling of the fluid, the device can significant value achievable for the effective full level.
  • the device preferably has an evaluation device which evaluates the signals obtained from the temperature measuring elements and from which the fullness level is determined.
  • the signals of the temperature measuring elements smd are uniquely assigned to a respective temperature, so that the temperature distribution can be determined over the height of the fluid line.
  • This temperature distribution is divided into two partial temperature distributions, one partial temperature distribution the temperature profile within the fluid up to the full level and other partial temperature distribution reflects the temperature profile within the steam present above the fill level.
  • the full level of the reactor pressure vessel marks the height at which the two different partial temperature distributions merge. The full level therefore corresponds to the intersection of the two partial temperature distributions and can therefore be clearly determined from the signals of the temperature measuring elements. It is not necessary here to convert the signals of the temperature measuring elements only to m temperature values.
  • the full level can be determined directly from the signals. It goes without saying that the evaluation device can have means for displaying the full level, printer, screen, data recording devices, etc. Furthermore, it goes without saying that the evaluation device, in particular, has a control, regulation and monitoring system for the pressure vessel can communicate with an I&C system for operating a nuclear power plant with a reactor pressure vessel.
  • the lower end of the fluid line is preferably connected to the pressure vessel via a lower drain line, the lower drain line being the geodetically lowest point of the Includes device. This point can be seen at the transition between the lower drain line and the fluid line.
  • the lower discharge line can run from the reactor pressure vessel monotonously falling into the fluid line. In addition or alternatively, it can be designed like a siphon. This effectively prevents fluid from flowing from the pressure vessel into the fluid line due to convection, which fluid has a higher temperature than the fluid in the fluid line. The fluid line is thus decoupled from the pressure vessel to such an extent that a stable temperature distribution is formed in it.
  • the upper end of the fluid line is fluidly connected to the reactor pressure vessel via an upper inflow line, so that a flow path into the fluid line, in particular a constant drop from the pressure vessel, is formed. It is thus effectively prevented in a simple manner that non-condensable gases, for example radiolysis gases, accumulate in the fluid line.
  • non-condensable gases for example radiolysis gases
  • this ensures that above the level in the fluid line practically exclusively steam from the reactor pressure vessel is present without the addition of radiolysis gas.
  • At an operating pressure of the reactor pressure vessel of approximately 70 bar there is a constant saturated steam temperature of approximately 286 ° C. in the part of the fluid line filled with steam.
  • the temperature at the full level is also 286 ° C. Due to heat losses in the area of the fluid line filled with fluid, in particular water, the temperature of the fluid decreases to the geodetically lowest point of the device. As a result of the stable temperature distribution, a height-dependent temperature gradient results in the fluid line geodetically below the fill level. This is the stronger the smaller the heat losses in the part of the fluid line filled with steam or gas and the greater the heat losses in the area of the fluid line filled with fluid. For example, in the case of a fluid line which is thermally insulated in the area filled with fluid, a temperature gradient of approximately 1 K / cm can be present. If the heat insulation is left out, the temperature gradient can rise to approximately 5 K / cm.
  • the temperature measuring elements are preferably thermocouples which can be arranged on the inside and / or outside of the fluid line. Measuring the temperature on the inside of the fluid line also enables rapid temperature changes to be recorded, since a time delay due to heat conduction through the wall of the fluid line is avoided. If the temperature distribution changes only slowly, a measurement of the temperature on the outside of the fluid line is generally sufficient
  • the fluid line is preferred, in particular with the
  • Fluid-filled area surrounded by a heat insulation layer.
  • the temperature gradient within the fluid line can be set within wide limits, in particular as a function of the temperature measuring elements or temperature measuring method used. This makes it possible to achieve a measuring accuracy with a measuring error of significantly less than 5 cm.
  • the device is preferably connected to a reactor pressure vessel of a boiling water nuclear power plant, the lower end being arranged geodetically below and the upper end geodetically above the full height, which should not fall below or exceed even in extreme cases of interference. If the full level is in between, constant sufficient cooling of the reactor core is ensured.
  • the device can be used as the sole or additional diversified device for determining the level serve within the reactor pressure vessel. In the case of a reactor pressure vessel which already has a so-called standpipe, this can be designed as a fluid line with temperature determination, so that no additional passages through the jacket of the reactor pressure vessel are necessary. Such existing standpipes can easily be provided with temperature measuring elements.
  • the device enables an accident-proof detection of the fill level, since only the temperature measuring elements are provided on the fluid line and an evaluation device with corresponding electronic components can be arranged outside a safety container enclosing the reactor pressure vessel.
  • the properties and the safety against accidents of temperature measuring elements, in particular thermocouples, are well known.
  • the level is always determined by means of the device when the temperature inside the reactor pressure vessel is higher than the ambient temperature. This is fulfilled even in the case of extremely improbable accidents, for example in the case of a loss of coolant in the reactor pressure vessel.
  • a method for determining the fill level in a pressure vessel which is filled up to a fill level with a fluid forming a fluid region and geodetically above this fill level with a gaseous medium, in particular steam, forming a gas region, is achieved in that a fluid line it is provided outside the pressure vessel, which is connected to the fluid area as well as the gas area in terms of flow technology, and the temperature distribution along the fluid line and therefrom the fill level in the fluid line and thus in the pressure vessel is determined.
  • the method makes use of the fact that, due to a temperature difference between the gas area and the fluid in the pressure vessel, there is a temperature distribution along the fluid line, with a respective temperature in the gas area and in the fluid area within the fluid line. There is a distribution which clearly differs from one another and whose intersection characterizes the full level.
  • the temperature determination along the fluid line takes place via a plurality of temperature measuring elements arranged on the fluid line, in particular thermocouples. These temperature measuring elements can be arranged both on the inside and / or outside of the fluid line. Of course, it is also possible to determine the full level directly from the signals of the temperature measuring elements without carrying out an explicit determination of the temperature.
  • the term temperature distribution also includes a distribution of a variable uniquely assigned to the temperature, for example a thermal voltage of a thermocouple.
  • the temperature can also be determined by means of suitable thermal radiation measurements, for example by means of infrared measurement methods.
  • FIG. 1 shows a reactor pressure vessel in a longitudinal section with a device for determining the full level
  • FIG. 2 shows the temperature profile within a fluid line arranged on the reactor pressure vessel according to FIG.
  • a reactor pressure vessel 1 of a boiling water nuclear power plant is shown schematically and not to scale in a longitudinal section.
  • the reactor pressure vessel 1 comprises a reactor core 14 which is completely flushed by a coolant 11, in particular water.
  • the coolant 11 takes up a fluid region 9a with a fill level 7 within the reactor pressure vessel.
  • a gas region 9b adjoins the Saturated steam is filled.
  • the saturated steam is fed to a steam turbine (also not shown) for generating electrical energy via devices (not shown).
  • the reactor pressure vessel 1 has a vertically running main axis 13.
  • a fluid line 5, which is stretched along the main axis 13, is arranged on the reactor pressure vessel 1.
  • This fluid line 5 has a geodetically upper end 5b and a geodetically lower end 5a.
  • the geodetically upper end 5b is fluidically connected to the reactor pressure vessel 1 via an upper inflow line 6.
  • the upper inflow line 6 runs from the reactor pressure vessel 1 to the geodetically upper end 5b.
  • the geodetically lower end 5a is connected to the fluid region 9a by a lower drain line 4 with the reactor pressure vessel 1.
  • the lower drain line 4 also runs from the reactor pressure vessel 1 to the lower end 5a.
  • With the fluid line 5, the lower drain line 4 forms a type of siphon with a geodetically lowest point 12.
  • the fluid line 5 there are a plurality of temperature measuring elements 3, in particular thermocouples, for determining the temperature within the fluid line 5. These temperature measuring elements 3 are connected to an evaluation device 10.
  • the fluid line 5, the lower outflow line 4, the upper inflow line 6, the temperature measuring elements 3 and the evaluation device 10 belong to a device 2 which serves to determine the fullness level 7 within the
  • the coolant 11 present in the fluid line 5 assumes the same filling level 7 in the fluid line 5 as in the reactor pressure vessel 1.
  • the fluid line is surrounded by a heat insulation layer 8 from the lower end 5a to the fill level 7.
  • a monotonously falling connection of the fluid line 5 via the upper inflow line 6 to the gas regions 9b ensures that saturated steam is constantly present up to the full level 7 m of the fluid line.
  • This saturated steam has an almost constant temperature of, for example, approximately 280 ° C. to 300 ° C.
  • the falling course of the upper inflow line 6 ensures that no radioactive gases accumulate in the fluid line 5, which could impair the temperature profile and the full height 7 m of the fluid line 5.
  • the siphon-like design of the lower drain line 4 with the geodetically lowest point 12 also ensures that no hot coolant 11 flows into the fluid line 5 from the reactor pressure vessel 1 m. As a result, a temperature distribution of the coolant 11 m of the fluid line 5 is achieved, which decreases from the full level 7 to the geodetically lowest point 12.
  • the temperature m of the fluid line 5 at discrete points which correspond to a respective height m of the fluid line 5 is determined via the temperature measuring elements 3 and a continuous temperature profile is obtained therefrom in the evaluation device 10. This is shown schematically in FIG.
  • a temperature distribution depending on the height is determined from the signals of the temperature measuring elements 3 m in the fluid region 9a, the intersection of this temperature distribution with the largely constant temperature m in the steam region 9b giving the full level which signals are uniquely assigned to the temperature also take place directly from the signals of the temperature measuring elements 3. This applies, for example, to thermocouples whose signal is a thermal voltage.
  • the invention is characterized by a device and a method for determining the fullness level within a pressure vessel, in particular a reactor pressure vessel of a boiling water nuclear power plant.
  • the device comprises a fluid line running essentially parallel to the main axis of the reactor pressure vessel, which preferably runs via the Reactor pressure vessel falling inlet and outlet lines is connected to this in terms of flow technology.
  • temperature measuring elements in particular thermocouples, which in each case deliver a signal uniquely assigned to the temperature Win extrapolation.
  • the device and the method are suitable both for an independent determination of the fill level as well as for an additional diversified determination of the fill level. All components of the device can be made resistant to accidents and can be easily installed even in the course of retrofitting on a reactor pressure vessel.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (2) zur Bestimmung des Füllstandes innerhalb eines Druckbehälters (1), welcher bis zu einer Füllstandshöhe (7) mit einem Fluid befüllbar ist, bei der außerhalb des Druckbehälters (1) eine steigend verlaufende Fluidleitung (5) vorgesehen ist, enthält ein unteres Ende (5a) und ein oberes Ende (5b). Das untere Ende (5a) liegt geodätisch unterhalb des oberen Endes (5b) und beide Enden (5a, 5b) stehen jeweils strömungstechnisch mit dem Druckbehälter (1) in Verbindung. Zwischen dem unteren Ende (5a) und dem oberen Ende (5b) sind eine Mehrzahl von Temperaturmeßelementen (3) zur Bestimmung der Temperatur in der Fluidleitung (5) vorgesehen, die mit einer Auswerteeinrichtung (10) zur Bestimmung der Füllstandshöhe (7) auf Grundlage der Meßsignale der Temperaturmeßelemente (3) verbindbar sind.

Description

Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zur Messung dei Fullstanαshohe ei¬ nes Druckbehalters
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und em Verfahren zur Messung der Fullstandshohe innerhalb eines Druckbehalters, insbesondere eines Druckbehalters einer Siedewasser-Rern- kraftanlage .
In einem Druckbehalter, insbesondere einem Reaktorαruckbehal- ter einer Siedewasser-Kernkraftanlage, welcher bis zu einer Fullstandshohe mit einer Flüssigkeit und oberhalb der Full¬ standshohe mit einem Gas oder einem Dampf befullt ist, ist häufig eine Bestimmung der Fullstandshohe erforderlich In der DE 35 41 613 AI ist ein Verfahren und eine Einrichtung zur Messung des Füllstandes m einem Reaktordruckbehalter ei¬ nes Siedewasserreaktors beschrieben Die Messung des Füll¬ standes erfolgt als Druckdifferenzmessung, bei der die Diffe- renzdrucke zwischen einer Referenzwassersaule und dem m dem Reaktordruckbehalter enthaltenen Kuhlmedium gemessen werden Die Bestimmung des Füllstandes durch Druckdifferenzmessung ist zwar äußerst zuverlässig, aber sie birgt die Möglichkeit, daß m der Referenzwassersaule gelöstes Radiolysegas zu einer Verfälschung des Meßsignals fuhren konnte. Hierdurch bestünde zudem die Möglichkeit, daß infolge einer chemischen Reaktion von Radiolysegas eine Uberbeanspruchung eines oder mehrerer Druckaufnehmer entstehen und somit em bleibender Meßsignal¬ fehler erzeugt werden konnte. Eine weitere Möglichkeit zur Bestimmung der Fullstandshohe ist das Auswerten der Abkuhlra- ten von zuvor auf eme definierte Temperatur aufgeheizte und im Behalter angeordnete Temperaturfühler, wie sie in der GB 2 168 153 A beschrieben ist
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Bestimmung der Fullstandshohe innerhalb eines Druckbehalters, insbeson¬ dere eines Reaktordruckbehalters, anzugeben Eine weitere Aufgabe besteht darin, ein Verfahren zur Bestimmung der Full¬ standshohe innerhalb eines Druckbehalters anzugeben
Erfindungsgemaß wird die auf eine Vorrichtung gerichtete Auf- gäbe dadurch gelost, daß außerhalb eines Druckbehalters, m dem sich em Fluid mit einem darüber anschließenden Gasbe¬ reich befindet, eine steigend verlaufende Fluidleitung vorge¬ sehen ist, mit einem unteren Ende und einem oberen Ende, wo¬ bei das untere Ende geodätisch unterhalb des oberen Endes liegt und beide Enden jeweils stromungstechnisch mit dem
Druckbehalter m Verbindung stehen und zwischen dem unteren Ende und dem oberen Ende eine Mehrzahl von Temperaturme߬ elementen zur Bestimmung einer sich entlang der Fluidleitung aufgrund eines im Druckbehalter vorliegenden Temperaturunter- schiedes zwischen dem Gasbereich und dem Fluid ergebende Tem- peraturverteilung vorgesehen sind Sie smd mit einer Auswer- teemrichtung zur Bestimmung der Fullstandshohe auf Grundlage der Meßsignale der Temperaturmeßelemente verbindbar
Die Fluidleitung ist vorzugsweise monoton steigend gefuhrt, insbesondere senkrecht. Durch die stromungstechnische Ankopp¬ lung der Fluidleitung an den Druckbehälter stellt sich zum einen entlang der Fluidleitung eine Temperaturverteilung em, die über eme Mehrzahl von Temperaturmeßelementen, die außer- halb oder innerhalb der Fluidleitung angeordnet sein können, bestimmt wird. Die Temperaturmeßelemente smd hierbei vor¬ zugsweise ausreichend gegenüber thermischen Einflüssen aus der Umgebung der Fluidleitung isoliert, so daß sie eindeutig eme Wiedergabe der Temperaturverteilung m der Fluidleitung gewährleisten. Zum anderen stellt sich durch die stromungs¬ technische Ankopplung der Fluidleitung an den Druckbehalter m der Fluidleitung m der gleichen Hohe wie m dem Druckbe¬ halter die Füllstandshohe des Fluides em. Von der Full¬ standshohe bis zum oberen Ende der Fluidleitung liegt ein gasformiges Medium, insbesondere Dampf, mit einer insbesonde¬ re weitgehend konstanten Temperatur an, welche vorzugsweise mit zumindest einem Temperaturmeßelement bestimmt wird. Von der Fullstandshohe bis zu dem unteren Ende weist das Fluid eine Temperaturverteilung mit einer zum unteren Ende hm ste¬ tig abnehmenden Temperatur auf. Anhand der unterschiedlichen Temperaturverteilung des Fluides und Dampfes, insbesondere Wasserdampfes, in der Fluidleitung ist die Füllstandshöhe eindeutig bestimmbar. Insbesondere liegt in dem mit Dampf ge¬ füllten Teil der Fluidleitung eine konstante Temperatur an, so daß eine Extrapolation der m dem Fluidbereich bestimmten Temperaturen zu dieser Temperatur die Fullstandshohe einfach bestimmbar ist. Beispielsweise wird auε den diskreten an be¬ stimmten Höhen gemessenen Werten der Temperatur des Fluides die Höhe, nämlich die Fullstandshohe, bestimmt an der die Temperatur des Fluides mit der Temperatur des gasförmigen Me¬ diums, insbesondere des Dampfes, übereinstimmt. Bei einer Än- derung der Füllstandshöhe in dem Druckbehälter ändert sich analog auch die Füllstandshöhe m der Fluidleitung und damit auch die Temperaturverteilung m der Fluidleitung. Somit sind mit der Vorrichtung ebenfalls Änderungen der Füllstandhöhe einfach erfaßbar. Vorzugsweise hat die Fluidleitung m dem mit Dampf befüllten Bereich zumindest em Temperaturmeßele¬ ment, wodurch die Dampftemperatur, welche im wesentlichen konstant ist, bestimmbar ist. In dem mit Fluid gefüllten Be¬ reich sind vorzugsweise zwei oder mehr Temperaturmeßelemente vorgesehen, so daß eine Erfassung der Temperaturverteilung, des Temperaturgradienten, m dem mit Fluid gefüllten Bereich gegeben ist . Durch eme Mehrzahl von Temperaturmeßelementen in dem mit Fluid gefüllten Bereich wird selbst bei Ausfall eines oder mehrerer Temperaturmeßelemente eme hohe Meßgenau¬ igkeit erreicht. Die Vorrichtung zeichnet sich durch ihre Langzeitstabilität aus, wobei die Temperaturmeßelemente je¬ derzeit über eme diversitare Bestimmung der Füllstandshöhe eichbar smd. Die Vorrichtung ermöglicht zudem ein kontinu¬ ierliches analog oder digital verarbeitbares Signal für die Füllstandshöhe des Fluides in dem Druckbehälter. Selbst bei einem Aufschäumen des Fluides, z.B. im Falle eines unkontrol¬ lierten Siedens des Fluides, ist mit der Vorrichtung ein aus- sagekraftiger Wert fur die effektive Fullstandshohe erziel¬ bar.
Die Vorrichtung weist vorzugsweise eme Auswerteeinrichtung auf, m der die von den Temperaturmeßelementen erhaltenen Si¬ gnale ausgewertet und daraus die Fullstandshohe bestimmt wird. Die Signale der Temperaturmeßelemente smd eindeutig einer jeweiligen Temperatur zugeordnet, so daß die Tempera¬ turverteilung über die Hohe der Fluidleitung bestimmbar ist Diese Temperaturverteilung ist in zwei Teiltemperaturvertei- lungen aufgeteilt, wobei die eine Teiltemperaturverteilung den Temperaturverlauf innerhalb des Fluides bis zur Full¬ standshohe und die andere Teiltemperaturverteilung den Tem¬ peraturverlauf innerhalb des geodätisch oberhalb der Füll standshohe anliegenden Dampfes widerspiegelt. Die Fullstands¬ hohe des Reaktordruckbehalters markiert die Hohe, an der die beiden unterschiedlichen Teiltemperaturverteilungen ineinan¬ der übergehen. Die Fullstandshohe entspricht daher dem Schnittpunkt der beiden Teiltemperaturverteilungen und ist somit eindeutig aus den Signalen der Temperaturmeßelemente bestimmbar. Es ist hierbei nicht notwendigerweise erforder¬ lich die Signale der Temperaturmeßelemente erst m Tempera¬ turwerte umzusetzen. Bei Kenntnis des Zusammenhanges zwischen den Signalen der Temperaturmeßelemente und der Temperatur kann unmittelbar aus den Signalen die Fullstandshohe bestimmt werden. Es versteht sich, daß die Auswerteeinrichtung über Mittel zur Darstellung der Fullstandshohe, Drucker, Bild¬ schirm, Datenaufzeichnungsgerate, etc. verfugen kann Weiter¬ hin ist es selbstverständlich, daß die Auswerteeinrichtung mit einem Steuer , Regel- und Kontrollsystem des Druckbehal¬ ters, insbesondere mit emem leittechnischem System zum Be¬ trieb einer Kernkraftanlage mit einem Reaktordruckbehalter, kommunizieren kann.
Vorzugsweise ist das untere Ende der Fluidleitung über eine untere Abflußleitung mit dem Druckbehalter verbunden, wobei die untere Abflußleitung den geodätisch tiefsten Punkt der Vorrichtung beinhaltet. Dieser Punkt kann am Übergang zwi sehen unterer Abflußleitung und Fluidleitung liegen. Die un¬ tere Abflußleitung kann von dem Reaktordruckbehalter monoton fallend in die Fluidleitung hinein verlaufen. Sie kann zu- sätzlich oder alternativ siphonartig ausgeführt sein. Hier¬ durch wird wirksam verhindert, daß aufgrund von Konvektion Fluid von dem Druckbehälter in die Fluidleitung strömt, wel¬ ches eine höhere Temperatur als das Fluid in der Fluidleitung aufweist . Somit ist die Fluidleitung von dem Druckbehälter soweit entkoppelt, daß sich in ihr eine stabile Temperatur¬ verteilung ausbildet.
Das obere Ende der Fluidleitung ist über eine obere Zuflu߬ leitung strömungstechnisch mit dem Reaktordruckbehalter ver- bunden, so daß ein vom Druckbehälter insbesondere stetig fal¬ lender Strömungsweg in die Fluidleitung gebildet iεt. Somit ist auf einfache Art und Weise wirksam verhindert, daß sich nicht kondensierbare Gase, beispielsweise Radiolysegase, in der Fluidleitung, ansammeln. Bei einer Fluidleitung, welche an einen Reaktordruckbehalter einer Siedewasser-Kernkraft¬ anlage angeschlossen ist, ist hierdurch gewährleistet, daß oberhalb der Füllstandshöhe in der Fluidleitung praktisch ausschließlich Dampf aus dem Reaktordruckbehalter ohne Zusatz von Radiolysegas anliegt. Bei einem Betriebsdruck des Reak- tordruckbehälters von etwa 70 bar herrscht in dem mit Dampf gefüllten Teil der Fluidleitung eine konstante Sattdampftem¬ peratur von etwa 286 °C. Durch Wärmeverluste innerhalb der Fluidleitung kann ein Teil des Dampfes kondensieren und bis zur Fullstandshohe in der Fluidleitung hinabεtrömen. Da der kondensierte Dampf ebenfalls noch etwa 286 °C besitzt, liegt an der Fullstandshohe ebenfalls eine Temperatur von 286 °C vor. Durch Wärmeverluste in dem mit Fluid, insbesondere Was¬ ser, gefüllten Bereich der Fluidleitung nimmt die Temperatur des Fluids bis zum geodätisch tiefsten Punkt der Vorrichtung ab. Infolge der stabilen Temperaturverteilung ergibt sich in der Fluidleitung geodätisch unterhalb der Füllstandshöhe ein höhenabhängiger Temperaturgradient. Dieser ist um so stärker, je kleiner die Warmeverluste in dem mit Dampf oder Gas ge¬ füllten Teil der Fluidleitung sind und je großer die Warme¬ verluste im mit Fluid gefüllten Bereich der Fluidleitung sind. Beispielsweise kann bei einer Fluidleitung, welche m dem mit Fluid gefüllten Bereich warmeisoliert ist, em Tempe¬ raturgradient von ca. 1 K/cm vorliegen. Bei Weglasεen der Warmeisolation kann der Temperaturgradient auf ca 5 K/cm steigen.
Die Temperaturmeßelemente smd vorzugsweise Thermoelemente, welche an der Innen- und/oder Außenseite der Fluidleitung ar- geordnet sem können Eme Messung der Temperatur an der In¬ nenseite der Fluidleitung ermöglicht auch die Erfassung schneller Temperaturanderungen, da eme Zeitverzogerung αurch Warmeleitung durch die Wand der Fluidleitung hindurch vermie¬ den wird. Bei einer sich nur langsam ändernden Temperaturver¬ teilung ist in der Regel eme Messung der Temperatur an αer Außenseite der Fluidleitung ausreichend
Die Fluidleitung ist vorzugsweise, insbesondere m dem mit
Fluid befullten Bereich, von einer Warmeisolationsschicht um¬ geben. Durch eme Warmeisolation der Fluidleitung kann der Temperaturgradient innerhalb der Fluidleitung innerhalb wei¬ ter Grenzen eingestellt werden, insbesondere m Abhängigkeit der verwendeten Temperaturmeßelemente bzw. Temperaturmeßver¬ fahren. Es ist hierdurch eme Meßgenauigkeit mit einem Me߬ fehler von deutlich unter 5 cm erreichbar.
Die Vorrichtung ist vorzugsweise an einem Reaktordruckbehal- ter einer Siedewasser-Kernkraftanlage angeschlossen, wobei das untere Ende geodätisch unterhalb und das obere Ende geo¬ dätisch oberhalb der Fullstandshöhen angeordnet smd, die auch bei extremen Storfallen nicht unter- bzw uberschritter werden sollen. Bei einer dazwischen liegenden Fullstandshohe ist eine standige ausreichende Kühlung des Reaktorkerns ge¬ währleistet Die Vorrichtung kann als alleinige oder zuεatz liehe diversitare Vorrichtung zur Bestimmung des Füllstandes innerhalb des Reaktordruckbehälters dienen. Bei einem Reak¬ tordruckbehalter, der bereits über ein sogenannte Standrohr verfügt, kann dieses als Fluidleitung mit Temperaturbestim- mung ausgebildet werden, so daß keine zusätzlichen Durchfüh- rungen durch den Mantel des Reaktordruckbehälters notwendig sind. Solche bereits vorhandenen Standrohre können einfach mit Temperaturmeßelementen versehen werden. Die Vorrichtung ermöglicht eine störfallfeste Erfassung der Füllstandshöhe, da lediglich die Temperaturmeßelemente an der Fluidleitung vorgesehen sind und eine Auswerteeinrichtung mit entsprechen¬ den elektronischen Komponenten außerhalb eines den Reaktor¬ druckbehalter umschließenden Sicherheitsbehälters angeordnet sein können. Die Eigenschaften und die Störfallsicherheit von Temperaturmeßelementen, insbesondere Thermoelementen, sind hinreichend bekannt. Zudem funktioniert eine Bestimmung der Füllstandshöhe mittels der Vorrichtung immer dann, wenn die Temperatur innerhalb des Reaktordruckbehälters höher als die Umgebungstemperatur ist. Dies ist selbst bei äußerst unwahr¬ scheinlichen Störfällen, beispielεweise bei einem Verlust von Kühlmittel des Reaktordruckbehälterε, erfüllt.
Erfindungsgemaß wird die auf ein Verfahren zur Bestimmung des Füllstandes in einem Druckbehälter, welcher bis zu einer Füllstandshöhe mit einem einen Fluidbereich bildenden Fluid und geodätisch oberhalb dieser Fullstandshohe mit einem ein Gasbereich bildenden gasförmigen Medium, insbesondere Dampf, befüllt ist, dadurch gelöst, daß eine Fluidleitung außerhalb des Druckbehälters vorgesehen ist, welche strömungεtechniεch εowohl mit dem Fluidbereich alε auch mit dem Gasbereich ver- bunden ist, und die Temperaturverteilung entlang der Fluid¬ leitung und daraus die Füllstandshöhe in der Fluidleitung und somit in dem Druckbehälter bestimmt wird. Bei dem Verfahren wird ausgenutzt, daß sich aufgrund eines im Druckbehälter vorliegenden Temperaturunterschiedes zwischen dem Gasbereich und dem Fluid eine Temperaturverteilung entlang der Fluidlei¬ tung ergibt, wobei in dem Gasbereich sowie in dem Fluidbe¬ reich innerhalb der Fluidleitung eine jeweilige Temperatur- Verteilung vorliegt, die sich deutlich voneinander unter¬ scheiden und deren Schnittpunkt gerade die Fullstandshohe kennzeichnet .
Die Temperaturbestimmung entlang der Fluidleitung erfolgt über eine Mehrzahl an der Fluidleitung angeordneter Tempera¬ turmeßelemente, insbesondere Thermoelementen. Diese Tempera¬ turmeßelemente können sowohl an der Innen- und/oder Außen¬ seite der Fluidleitung angeordnet sein. Es ist selbstver- ständlich möglich, auch unmittelbar aus den Signalen der Tem¬ peraturmeßelemente die Fullstandshohe zu bestimmen, ohne eme explizite Bestimmung der Temperatur durchzuführen. Insofern ist mit dem Begriff Temperaturverteilung auch bereits eme Verteilung einer der Temperaur eindeutig zugeordneten Größe, beispielsweise einer Thermospannung eines Thermoelementes, umfaßt . Die Bestimmung der Temperatur kann zudem über geeig¬ nete Thermostrahlungsmessungen, beispielsweise mittels Infra¬ rotmeßverfahren erfolgen.
Anhand der Zeichnung werden das Verfahren sowie die Vorrich¬ tung näher erläutert. Es zeigen in schematischer nicht ma߬ stäblicher Darstellung die
FIG 1 einen Reaktordruckbehalter m einem Längsschnitt mit einer Vorrichtung zur Bestimmung der Fullstandshohe und die FIG 2 den Temperaturverlauf innerhalb einer an dem Reaktor¬ druckbehalter gemäß FIG 1 angeordneten Fluidleitung.
In FIG 1 ist in einem Längsschnitt schematisch und nicht ma߬ stäblich ein Reaktordruckbehalter 1 einer Siedewaεεer-Kern- kraftanlage dargestellt. Der Reaktordruckbehalter 1 umfaßt einen Reaktorkern 14, welcher von einem Kühlmittel 11, insbe¬ sondere Wasser, vollständig umspült ist. Das Kühlmittel 11 nimmt innerhalb des Reaktordruckbehälters einen Fluidbereich 9a mit einer Füllstandshöhe 7 ein. Geodätisch oberhalb des Fluidbereiches 9a schließt εich ein Gasbereich 9b an, der mit Sattdampf befüllt ist. Der Sattdampf wird über nicht darge¬ stellte Vorrichtungen einer ebenfalls nicht dargestellten Dampfturbine zur Erzeugung elektrischer Energie zugeführt . Der Reaktordruckbehalter 1 hat eine vertikal verlaufende Hauptachse 13. An den Reaktordruckbehalter 1 ist eine entlang der Hauptachse 13 gestreckte Fluidleitung 5 angeordnet . Diese Fluidleitung 5 hat ein geodätisch oberes Ende 5b und ein geo¬ dätisch unteres Ende 5a. Das geodätisch obere Ende 5b ist über eine obere Zuflußleitung 6 strömungstechnisch an den Re- aktordruckbehälter 1 angeschlossen. Die obere Zuflußleitung 6 verläuft von dem Reaktordruckbehalter 1 fallend zu dem geo¬ dätisch oberen Ende 5b. Das geodätisch untere Ende 5a ist durch eine untere Abflußleitung 4 mit dem Reaktordruckbehal¬ ter 1 an den Fluidbereich 9a angeschlossen. Die untere Ab- flußleitung 4 verläuft ebenfalls von dem Reaktordruckbehalter 1 fallend zu dem unteren Ende 5a. Mit der Fluidleitung 5 bil¬ det die untere Abflußleitung 4 eine Art Siphon mit einem geo¬ dätisch tiefstliegenden Punkt 12. Entlang der Fluidleitung 5 sind eine Mehrzahl von Temperaturmeßelementen 3 , insbesondere Thermoelementen, zur Bestimmung der Temperatur innerhalb der Fluidleitung 5 vorgeεehen. Dieεe Temperaturmeßelemente 3 sind mit einer Auswerteeinrichtung 10 verbunden. Die Fluidleitung 5, die untere Abflußleitung 4, die obere Zuflußleitung 6, die Temperaturmeßelemente 3 sowie die Auswerteeinrichtung 10 ge- hören zu einer Vorrichtung 2, welche der Bestimmung der Full¬ standshohe 7 innerhalb des Reaktordruckbehälters 1 dient .
Daε m der Fluidleitung 5 vorhandene Kühlmittel 11 nimmt m der Fluidleitung 5 dieselbe Füllεtandshöhe 7 wie m dem Reak- tordruckbehälter 1 ein. Die Fluidleitung ist vom unteren Ende 5a bis zur Füllstandshöhe 7 von einer Wärmeisolationsschicht 8 umgeben. Durch einen monoton fallenden Anschluß der Fluid¬ leitung 5 über die obere Zuflußleitung 6 an den Gasbereicn 9b ist gewährleistet, daß bis zur Fullstandshohe 7 m der Fluiα- leitung ständig Sattdampf anliegt. Dieεer Sattdampf hat eine nahezu konstante Temperatur von beiεpielsweise etwa 280 °C bis 300 °C. Der fallende Verlauf der oberen Zuflußleitung 6 gewährleistet, daß sich m der Fluidleitung 5 keine Radio- iysegase ansammeln, die den Temperaturverlauf sowie die Full¬ standshohe 7 m der Fluidleitung 5 beeinträchtigen konnten. Durch die siphonartige Ausbildung der unteren Abflußleitung 4 mit dem geodätisch tiefsten Punkt 12 wird zudem erreicht, daß kein heißes Kuhlmittel 11 von dem Reaktordruckbehalter 1 m die Fluidleitung 5 hineinströmt. Hierdurch ist eine Tempera¬ turverteilung des Kuhlmittels 11 m der Fluidleitung 5 er¬ reicht, die von der Fullstandshohe 7 bis zu dem geodätisch tiefsten Punkt 12 abnimmt. Über die Temperaturmeßelemente 3 wird die Temperatur m der Fluidleitung 5 an diskreten Punk¬ ten, welche einer jeweiligen Hohe m der Fluidleitung 5 ent¬ sprechen, beεtimmt und daraus m der Auswerteeinrichtung 10 em kontinuierlicher Temperaturverlauf gewonnen Dies ist in FIG 2 schematisch dargestellt. Aus den Signalen der Tempera¬ turmeßelemente 3 m dem Fluidbereich 9a wird eine Temperatur¬ verteilung m Abhängigkeit der Hohe bestimmt, wobei der Schnittpunkt dieser Temperaturverteilung mit der weitgehend konstanten Temperatur m dem Dampfbereich 9b gerade die Full- standshόhe ergibt Eine Bestimmung der Fullstandshohe 7 kann hierbei auch unmittelbar aus den Signalen der Temperaturme߬ elemente 3 erfolgen, welche Signale eindeutig der Temperatur zugeordnet sind. Dies trifft beispielsweise bei Thermoelemen¬ ten zu, deren Signal eme Thermospannung ist.
Die Erfindung zeichnet sich durch eine Vorrichtung und em Verfahren zur Bestimmung der Fullstandhohe innerhalb eines Druckbehälters, insbesondere eines Reaktordruckbehalters ei¬ ner Siedewasser-Kernkraftanlage, aus Die Vorrichtung umfaßt eine im wesentlichen parallel zur Hauptachse des Reaktor¬ druckbehalters verlaufende Fluidleitung, welche vorzugsweise über von dem Reaktordruckbehalter fallende Zu- bzw Abflu߬ leitungen mit diesem stromungstechnisch verbunden ist An αei Fluidleitung smd Temperaturmeßelemente, insbesondere Thermo- elemente, vorgesehen, welche jeweils em eindeutig der Tempe¬ ratur zugeordnetes Signal liefern Aus diesen Signalen laßt sich die Fullεtandεhohe durch einfache Interpolation und/oder Extrapolation gewinnen. Hierbei wird ausgenutzt, daß die Füllstandshöhe m der Fluidleitung der Füllstandshohe des Re¬ aktordruckbehälters entspricht und an der Füllstandshöhe die Temperatur des Kühlmittels des Reaktordruckbehälters sowie des oberhalb der Fullstandshohe vorhandenen Dampfes gleich sind. Der Schnittpunkt der über die Höhe aufgetragenen Tempe¬ raturverläufe innerhalb des Kühlmittels und des Dampfes der Fluidleitung ergeben gerade die Fullstandshohe. Die Vor¬ richtung und das Verfahren eignen sich sowohl zu einer eigen- standigen Bestimmung der Füllstandεhohe als auch zu einer zu¬ sätzlichen diversitären Beεtimmung der Fullstandshohe. Sämt¬ liche Komponenten der Vorrichtung εind stόrfallfest ausführ¬ bar und selbst im Zuge einer Nachrüstung an einem Reaktor¬ druckbehalter einfach mstallierbar.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung (2) zur Bestimmung des Füllstandeε eines in¬ nerhalb eines Druckbehalters (1) befindlichen Fluidε, über dem sich ein Gasbereich (9b) befindet, bei der außerhalb des Druckbehälters (1) eine steigend verlaufende Fluidleitung (5) vorgesehen ist, die em unteres Ende (5a) und ein oberes Ende (5b) aufweiεt, wobei das untere Ende (5a) geodätisch unter¬ halb deε oberen Endeε (5b) liegt und beide Enden (5a, 5b) je- weils εtrömungstechnisch mit dem Druckbehalter (1) m Verbin¬ dung εtehen und zwischen dem unteren Ende (5a) und dem oberen Ende (5b) eine Mehrzahl von Temperaturmeßelementen (3) zur Bestimmung einer sich entlang der Fluidleitung (5) aufgrund eines im Druckbehälter (1) vorliegenden Temperaturschiedes zwischen dem Gasbereich (9b) und dem Fluid ergebenden Tempe¬ raturverteilung vorgesehen smd, die mit einer Auswerteein¬ richtung (10) zur Bestimmung des Füllstandes auf Grundlage der Meßsignale der Temperaturmeßelemente (12) verbindbar
2. Vorrichtung (2) nach Anspruch 1, bei der das untere Ende (5a) über eine untere Abflußleitung (4) mit dem Druckbehalter (1) verbunden ist, wobei die untere Abflußleitung (4) den geodätisch tiefsten Punkt der Vorrichtung (2) beinhaltet.
3. Vorrichtung (2) nach Anspruch 1 oder 2, bei der das obere Ende (5b) über eine obere Zuflußleitung (6) strömungstech- niεch mit dem Reaktordruckbehalter (1) verbunden ist, εo daß em von dem Druckbehälter (1) m die Fluidleitung (5) fallen- der Strόmungsweg gebildet ist.
4. Vorrichtung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Temperaturmeßelemente (10) Thermoelemente smd
5. Vorrichtung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Fluidleitung (5) von einer Wärmeiεolationsschicht (8) umgeben ist.
6. Vorrichtung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die an einen Reaktordruckbehalter (1) einer Siedewasser-Kern¬ kraftanlage angeschlossen ist, wobei das untere Ende (5a) geodätisch unterhalb und das obere Ende (5b) geodätisch ober- halb der Füllstandshöhen (7) angeordnet sind, welche Füll¬ standhöhen (7) auch bei extremen Störfällen nicht unter- bzw. überschritten werden sollen.
7. Verfahren zur Bestimmung des Füllstandes in einem Druckbe- hälter (1) , welcher bis zu einer Füllstandshöhe (7) mit einem einen Fluidbereich (9a) bildenden Fluid und geodätisch ober¬ halb dieser Füllεtandεhöhe (7) mit einem einen Gaεbereich (9b) bildenden gaεförmigen Medium, insbeεondere Dampf, be¬ füllt ist, wobei eine Fluidleitung (5) außerhalb deε Druckbe- hälters (1) vorgeεehen ist, welche εtrömungstechnisch sowohl mit dem Fluidbereich (9a) als auch mit dem Gasbereich (9b) verbunden ist, wobei eine sich entlang der Fluidleitung (5) aufgrund eines im Druckbehälter (1) vorliegenden Temperatur¬ unterschiedes zwischen dem Gasbereich (9b) und dem Fluid er- gebende Temperaturverteilung gemessen und daraus die Füll¬ standshöhe (7) in der Fluidleitung (5) und somit in dem Druckbehälter (1) bestimmt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Temperaturbestimmung über eine Mehrzahl entlang der Fluidleitung (5) angeordneter
Temperaturmeßelemente (3) , insbesondere Thermoelementen, er¬ folgt .
9. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die Temperaturbestim- mung durch Thermostrahlungεmeεsung, beispielsweise mittels
Infrarotmeßverfahren, erfolgt.
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