DE1958422A1 - System zur Steuerung einer Kernreaktor-Dampfturbinenanlage - Google Patents

Description

Düsseldorf, 20. Nov. 1969

.39,473
69109

.Westinghouse Electric Corporation
Pittsburgh, Pa., V. St. A.

jSystem zur Steuerung einer Kernreaktor-Dampfturbinenanlage

pie vorliegende Erfindung bezieht sich auf Dampfturbirienanlagen und insbesondere auf dampfturbinengetriebene elektrische Kraftwerke, bei denen der Dampf von einem nuklearen Kochend-Wasserreaktor erzeugt und zugeführt wird.

Da die Wasserdichte einen entscheidenden Paktor für die Geschwindigkeit der Erzeugung langsamer Neutronen bildet, die für den kontrollierten Ablauf der nuklearen Kettenreaktion erforderlich sind, wird das Leistungsniveau des Reaktors teilweise durch die Ansammlung von Dampfhöh!räumen (steam voids) in dem Kernraum (core volume) bestimmt. Eine Zunahme der Kühlmittelströmung führt zu einer jtascheren Kühlung der Brennstäbe, damit zu einer Herabsetzung der Siedeintensität, dementsprechend zu einer Verringerung der Ansammlung von Hohlräumen und zu höherer Reaktorleistung. Eine Verringerung der Kühlmittelströmung ruft entgegengesetzte Wirkungen hervor. Typischerweis· kann von der Änderung der Kühlmittelströmung Gebrauch gemacht werden, um das Leistungsniveau von Kochend-Wasserreaktoren bei voreingestellten Kontrollstäben in einem Bereich von etwa 2o% oder 25% zu steuern.

Allgemein wird die Antriebsleistung der Dampfturbine durch die Strömung des Turbineneinlassdarapfes bestimmt, dessen Parameter wieder-

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Telegramm· Cuatopat

um durch die Dampfbedingungen am Ausgang der Dampfquelle und durch die Einstellung der Dampf-Einlassventile bestimmt werden. Die dem Generator bzw. den Generatoren der Anlage zugeführte Turbinenantriebsenergie soll so gesteuert werden, dass sie den von dem Anlagenoperator, einem geeigneten Computer oder einer anderen Einrichtung eingestellten Anforderungen bezüglich elektrischer Last und Frequenzanteil (frequency participation) genügt .-Zur Steuerung einer nuklearen Reaktor-Dampfturbinenanlage hat es sich eingebürgert, vom Turbinenfolgebetrieb Gebrauch zu machen. Nach dem Hochlaufen der Anlage werden durch automatische oder manuelle Steuerung der Reaktorkühlmittelströmung oder ggfs. durch automatische Betätigung der Kontrollstäbe änderungen in der Reaktorleistung vorgenommen, um eine Angleichung an den Lastbedarf herbeizuführen. Es wird der Drosseldruck der Turbine erfasst, und die Turbinendampf-Einlassventile werden im Folgebetrieb betätigt, um die Drossel- und Reaktorkesseldrücke zu steuern und dadurch Änderungen in der Turbinendampfströmung zu bewirken, so dass die Turbinenlast entsprechend der Korrektur der Reaktorleistung korrigiert wird. Um die Steuerung insbesondere dann zu beschleunigen, wenn bezüglich des Lastbedarfs stufenartige Änderungen eintreten, kann der Bezugswert der Turbinendrucksteuerung vorübergehend in Abhängigkeit von der Lastabweichung oder dem Lastfehler eingestellt werden.

Im typischen Einsatzfall nuklearer Reaktor-Dampfturbinen ist der Bestandteil des Steuerungssystems für die Turbinenventilsteuerung grundsätzlich mechanisch und hydraulisch aufgebaut, wobei einige elektrische Schaltkomponenten wie für die Drosseldruckerfassung vorhanden sind.

Obwohl die Verstellung des Bezugswertes für den Drosseldruck im Hinblick auf eine Steuerung im Voraus, so besitzt sie doch insofern Mängel, als dadurch immer noch die Kontrollsystem-Ansprechverzögerung einer herkömmlichen Drosse!drucksteuerung in Kauf genommen werden nuss. Ferner erfordert eine Einstellung des Drosseldruck-Bezugswertes eine feste Zuordnung des Betrages der Einstellung für den Drosaeldruck-Bezugswert in Abhängigkeit von der Zeit und der Last-

+) gewisse Vorzüge hat

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abweichung. Diese relative Inflexibilität der Ein- oder Verstellung des Drosseldruck-Bezugswertes bei der Drosseldrucksteuerung begrenzt den Turbinenventilsteuerungsbetrieb auf relativ groben Voraus-Betrieb ohne spezielle Angleichung oder Eichung auf das beste oder nahezu beste Systemansprechen für unterschiedlichen Lastbedarf, unterschiedlichen Drosseldruck und andere sich ändernde Systembedingungen. Die Anlagenkoordinierung und das Lastansprechen sind dadurch nachteilig beeinflusst worden.

Ein anderer allgemeiner Mangel des Turbinenfolgesystems bei dem Betrieb der Anlage bestand in der Tatsache, dass ein Verlust an Drosseldrucksteuerung eine Erfassung und in irgendeiner Form eine Steuerung erfordert, die die Turbine unter eine manuelle oder unter eine andere Form von automatischer Kontrolle oder Steuerung bringt. Die Zeit, die zur Ausführung der Änderungen verlorengeht, schliesst die Erfassungs- und die Einleitungszeit ebenso wie die Zeit ein, die erforderlich ist, um die neuen Kontrollzweige oder -schleifen auf die neuen Anlagenbedingungen zu bringen. Dadurch tritt ein Mangel in der Anlagenkoordinierung ein, der selbst für den Fall, dass die in Betracht kommende Steuerungszeit verhältnisraässig kurz ist, vermieden werden soll.

Aufgabe vorliegender Erfindung ist daher die Schaffung eines neuen Systems und Verfahrens für den Betrieb einer nuklearen Kochend-Wasserreaktor-Dampfturbinenkraftwerksanlage mit verbessertem Wirkungsgrad und verbesserter Wirtschaftlichkeit.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein System zur Steuerung einer Kernreaktor-Dampfturbinenanlage mit durch DampfeinlassventiIe gesteuerten Dampfturbinen, das eine Einrichtung zur Erzeugung eines den Lastbedarf repräsentierenden ersten elektrischen Signals, eine Einrichtung zur Erzeugung eines die erforderliche Turbinendrehzahl repräsentierenden zweiten elektrischen Signals, eine Einrichtung zur Erzeugung eines die tatsächliche Turbinendrehzahl repräsentierenden dritten elektrischen Signals, eine Einrichtung zur Erzeugung eines den Drosseldruck des Dampfes, der von dem Reaktor an die Turbine geliefert wird, repräsentierenden vierten elektrischen Signals sowie eine Einrichtung zur Erzeugung eines die Turbinendrehzahlabweichung

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fünften elektrischen Signals, ferner eine auf das erste Signal ansprechende Einrichtung für die Angleichung des Reaktorbetriebs an den Lastbedarf aufweist, erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet, dass es eine auf das vierte Signal ansprechende Begrenzungseinrichtung zur Begrenzung der Funktion der Einlassventile und damit zur Beschränkung des Drosseldrucks innerhalb vorgegebener Grenzen sowie eine Einrichtung zur Steuerung der Einstellung des Einlassventils in Abhängigkeit von dem die Turbinendrehzahlabweichung repräsentierenden fünften elektrischen Signal innerhalb der durch die Begrenzungseinrichtung vorgesehenen Grenzen enthält.

Die Erfindung wird nachstehend zusammen mit weiteren Merkmalen anhand von Aueführungebeispielen in Verbindung mit der zugehörigen Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 schematisch ein Schaltbild eines elektrischen Kraftwerks mit einem Kochend-Wasserreaktor und einer Dampfturbine;

Fig. 2 schematisch ein Schaltbild eines erfindungsgemäss aufgebauten Turbinenfolgesteuersystems für den Betrieb der Anlage der Fig. 1; und

Fig. 3 schematisch ein Schaltbild eines erfindungsgemäs« ausgebildeten koordinierten Steuerungssystems für den Betrieb der Anlage der Fig. 1.

Im einzelnen ist in Fig. 1 eine elektrische Kraftwerksanlage IO mit einem herkömmlichen elektrischen Generator 12 zu erkennen, der von einer nuklearen Dampfturbine 14 angetrieben wird. Als dampferzeugendes System für die Turbine 14 ist ein herkömmlicher nuklearer Kochend-Wasserreaktor 16 als Beispiel gezeigt.

Die nukleare Dampfturbine 14 ist mit einer Einzel-Antriebswelle 18 versehen, die den Generator 12 antreibt, so dass dieser elektrische Energie erzeugt. Der elektrische Generator 12 kann dann in üblicher Weise mit einem elektrischen Energienetz verbunden sein und bei kon-

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stanter Drehzahl arbeiten.

Im vorliegenden Fall ist die nukleare Dampfturbine 14 als mehrstufige Axialdampfturbine mit einem Hochdruckteil 20 sowie einem Gegenlauf-Niederdruckteil 22 ausgebildet. Die beiden Turbinenteile 20 und 22 können jeweils eine Reihe von Expansionsstufen aufweisen, die von stationären Leitschaufeln und damit zusammenwirkenden, mit der Welle 18 verbundenen Laufschaufeln gebildet sind.

Der Dampf von dem Niederdruckteil 22 gelangt zu einem Kondensator 30, nas von dem Kondensator 30 abgegebene Wasser enthält sowohl Ersatzwasser als auch durch Kondensation des Turbinendampfes erhaltenes Wasser als auch das Wasser, das sich durch Kondensation des an der Turbine 14 vorbei über ein Nebenschlussventil 32 direkt zu dem Kondensator 30 geleiteten Dampfes ergibt. Das von dem Kondensator 30 abgegebene Speisewasser wird zu einem Entmineralisierer 34 geleitet, wo Korrosionsbestandteile und andere Verunreinigungen abgeschieden werden. Von dem Demineralisierer 34 aus wird das Speisewasser mittels einer oder mehrerer Speisewasserpumpen 36 durch ein Speisewassererhitzersystem 26 hindurch in den Druckkessel des Kernoder nuklearen Reaktors 16 geleitet.

In dem Reaktor 16 wird in den Brennstäben, die sich in dem Brenn-* stoffkern (core) befinden, erzeugte Wärme an das an den Brennstäben vorbeiströmende Kühlmittel abgegeben. An der Oberseite des Druckkeesels sammelt sich Dampf an, der über eine oder mehrere Leitungen 38 zu Turbineneinlassventilen 24 geleitet wird.

Um Änderungen in der Turbinendampfströmung zwecks Anpassung an die Anforderungen bezüglich Turbinen- und Kraftwerksbelastung vornehmen zu können, wird das Niveau der Reaktorenergie etwa durch Änderung der Umlaufströmung durch den Reaktorkern durch Steuerung von Zentrifugalpumpen 38a und 40 beeinflusst, die in die Strömungsschleifen 42 und 44 geschaltet sind.

Wenn die Reaktorleistung erhöht werden soll, so wird die Ansammlung von Dampfbohlräuaew durch Vergröeaerung der Uralaufströmung verringert. Vm di« Eeaktorleistung herabzusetzen, siums die Ural&ufströ-

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-■β -

mung verringert werden. Entsprechend einem typischen Wert kann die Steuerung der Umlaufströmung verwendet werden, um die Reaktorleistung über einen Bereich von bis zu 25% oder mehr zu ändern.

Für grössere Leistungsänderungen ist es erforderlich, die Einstellung herkömmlicher Kontrollstäbe 46 zu ändern, um den Wert der Neutronenabsorption zu variieren. Manuelle oder ggfs. automatische Verstellung der Kontrollstäbe würde normalerweise auch einem Steuerprogramm für das Abbrennen des Kerns unterliegen.

Ein herkömmliches Reaktorsteuersystem 48 ist vorgesehen, um den jeweiligen Betriebszustand des UmlaufStrömungssystems und der Kontrollstäbe 46 zu bestimmen. Dem Reaktorsteuersystem 48 werden Rückkopplungssignale oder -daten von vorgegebenen Reaktorsystemdetektoren zugeführt, und manuell oder automatisch betätigte Analogsteuerungen oder andere geeignete Steuereinrichtungen des Reaktorsteuersystems 48 erzeugen dann Ausgangssignale, die die Pumpen 38a und 40, eine Antriebseinrichtung 50 für die Kontrolsstäbe 46 und andere Steuereinheiten des Reaktorsystems speisen.

In den Umlaufströmungssystem können herkömmliche Kühlmittel-Strömungsdetektoren (nicht dargestellt) verwendet werden, um die Strömungen in Schleifen 42, 44 zwecks RückkQpplungsvergleich mit einem extern bestimmten Umlaufströmungs-Bezugswert FSP zu erfassen. In ähnlicher Weise erzeugen geeignete Positionsdetektoren RückkQpplungssignale entsprechend der Einstellung der Kontrollstäbe zwecks Vergleich mit Kontrollstabeinstellung--Bezugswerten RSP, die in Übereinstimmung mit dem extern festgelegten Kernsteuerungsprogramm und ggfs. in Abhängigkeit von einer bestimmten Anforderung an eine Änderung der Reaktorleistung über den Bereich der Steuerung der Umlaufströmung hinaus bestimmt werden. In diesen Fall ändern die automatisch betätigten Pumpensteuerungen die Drehzahl der Umlaufpumpenantriebe, so dass eine Änderung der Strömung erfolgt, und manuell betätigte Steuerungen für den Kontrollstabantrieb dienen dann dazu, den Kontrollstabantrieb 50 entsprechend den Kontrollstabeinotellimgsbezugswerten RSP zu verstellen.

Einstellung d®r Dampfturbinen-Einlassventil« 24 erfolgt durch

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Betätigung hydraulischer Einlassventilbetätigungseinrichtungen 52 über die Steuerung mittels elektrohydraulischer Einlassventilsteuerungseinrichtungen 54. Dazu wird den Steuereinrichtungen 54 ein Sollwertsignal DT für die Einstellung der Einlassventile zugeführt, das mit entsprechenden, die Stellung der Einlassventile repräsentierenden Rückkapplungssignalen verglichen werden kann, die von Detektoren PDIV für die Einstellung der Einlassventile geliefert werden. Bei Abweichung der Einstellung· eines der Sinlassventile 24 von der gewünschten Solleinstellung wird die zugehörige Betätigungseinrichtung 52 so lange inganggesetzt, bis die Abweichung verschwindet und insgesamt der erforderliche Abgleich auf die Ventilsolleinstellung entsprechend dem Signal DT vollzögen worden ist·

In ähnlicher Weise wirken hydraulische Nebenschlussventilbetätigungseinrichtungen 56 und elektrohydrauIisehe Nebenschlussventilsteuereinrichtungen 58 auf das Nebenschlussventil 32 ein, um Insgesamt die Einstellung des Nebenschlussventile 32 an ein Sollwertsignal DB anzugleichen und damit für die Turbine 14 nicht benötigten Dampf umzuleiten, etwa beim Hochfahren und beim Abschalten der Turbine oder bei Laständerungen infolge Lastabwurfs. Die Stellung der Nebenschlussventile 32 repräsentierende RückkQpplungs- oder Isteignale werden durch Stellungsdetektoren PDBV erzeugt und dann mit einzelnen Nebenschlussventileinstellungs-Sollwertsignalen DB 1, ..., DBn verglichen, die von dem gesamten NebenschluiÖeollwerteignal DB abgeleitet werden.

Jedes Venti!steuersystem in den Einlassventilsteuereinrichtungen 54 und den Nebenschlussventilsteuereinrichtungen 58 weist eine herkömmliche elektrische Analog-Lullwertsteuerung (nicht gezeigt) auf, die das ihrem Eingang zugeführte einzelne VentiIstellungs-Sollwertsignal linear wiedergibt. Der Ausgang der Sollwertsteuerung ist mit einer herkömmlichen Analog-Einstellungssteuerung (nicht gezeigt) gekoppelt, in der durch Vergleich des Ausgangssignals der Sollwertsteuerung mit dem Ventileinstellungs-Rückkapplungs- oder Ist-Signal ein Einstellungs-Fehlersignal erzeugt wird. Die Einstellungssteuerung sorgt denn für eine proportionale Plus-Rückstellung. Ihr Ausgang betätigt ein Servoventil, das seinerseits die hydraulische

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Ventilbetätigungseinrichtung 56 antreibt, bis die richtige Ventileinstellung erzielt worden ist. Hinsichtlich weiterer Einzelheiten über elektrohydraulische Steuerungen wird auf eine Schrift mit dem Titel "Electrohydraulic Control For Improved Availability and Operation of Large Steam Turbines" von M.Birnbaum und E. G. Noyes verwiesen, die gelegentlich der ASME-IEEE National Power Conference in Albany, New York, vom 19. bis 23. September 1965 vorgelegt wurde.

In Fig. 2 ist ein allgemein mit 60 bezeichnetes Turbinenfolgesteuersystem 60 veranschaulicht, um den Kochend-Wasserreaktor 16 und die Dampfturbine 14 zu betreiben. Ein herkömmliches digitales Bezugssystem 62 wie das in der vorstehend erwähnten Schrift von Birnbaum und Noyes wird verwendet, um eine elektrische Drehzahl-Bezugsgrösse und eine elektrische Last-Bezugsgrösse zu erzeugen, an die der Betriebszustand der Anlage anzugleichen ist. Der Betriebszustand wird über das elektrische Ausgangssignal eines herkömmlichen Geschwindigkeitsdetektor 64, der mit der Turbinenwelle gekoppelt ist, sowie über einen herkömmlichen Impulsdruckdetektor 66 ermittelt, der mit der Impulskammer des Turbinen-Hochdruckteils 20 gekoppelt ist.

Da der Betrieb der Anlage so gesteuert werden soll, dass den Anforderungen an die Anlage entsprochen wird, wird der Drosseldruck durch eine analoge Druckkontrolleinheit 68 oder eine ähnliche zusätzliche Druckkontrolleinheit 70 eines Drosseldruck-Steuersystems 67 unterhalb eines Grenzwertes und innerhalb eines vorgegebenen Wertebereichs gehalten. Der Drosseldruck wird mittels eines Drosseldruckdetektors 72 erfasst, der ein elektrisches Signal erzeugt, das mit einem in geeigneter Weise erzeugten Bezugswert-Signal SP summiert wird.

Die Druckkontrolleinheit 68 bzw. 70 kann von einem Operations- oder Rechenverstärker gebildet sein, dessen Eingangskreis die Summierfunktion bezüglich der zugeführten Eingangssignale ausführt. In diesem Fall weist die Druckkontroll- oder Steuereinheit 68 bzw. 70 proportionales Verhalten auf, wie es bei Druckreglern in herkömm-

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lichen Turbinenfolgesteuersystemen für Kochend-Wasserreaktordampfturbinenanlagen vorgesehen ist. Jedoch können in Verbindung mit dem Drosselsteuerungssystem 67 Drucksteuerungen mit anderem Verhalten wie etwa proportionalem Plus-Rückstellverhalten Verwendung finden.

Eine geeignete Komparatorschaltung in einer Selektorstufe 74 dient dazu, um den Ausgang von einer der beiden Drucksteuereinheiten 68 oder 70 zur weiteren Auswertung zu übertragen. Beispielsweise kann die zusätzliche Drucksteuerungseinheit 70 unter normalen Bedingungen so eingestellt sein, dass sie über den Bereich der Drosseldruck-Abweichungseingangssignale ein geringfügig grösseres Ausgangssignal als die Druckkontrolleinheit 68 erzeugt. Die Selektorstufe 74 spricht dann auf die zusätzliche Drucksteuerungseinheit 70 nur an, wenn deren Ausgangssignal kleiner als das Ausgangssignal der Steuereinheit 70 ist.

Entsprechende analoge Funktionsgeneratorkreise 76 und 78 sprechen auf das ausgewählte Drucksteuerungs-Ausgangssignal an und erzeugen die entsprechenden Ventileinstellungs-Sollwertsignale DT und DB für die Turbineneinlassventile 24 bzw. die Nebenschlussventile 32. Vorzugsweise erzeugt der Einlassventil-Funktionsgenerator 76 ein Ausgangs-Ventileinstellungs-Sollwertsignal, das dem Drucksteuerungsausgangssignal proportional ist, wobei die Proportionalitätskonstante so gewählt ist, dass für die Einlassventil-Steuerschleife eine geeignete geschlossene Schleifenverstärkung erzielt wird.

In ähnlicher Weise erzeugt der Nebenschlussventil-Funktionsgeneratorkreis 78 ein Ausgangs-Ventileinstellungs-Sollwertsignal, das dem Drucksteuerungsausgangssignal proportional 1st, wobei die Proportionalitätskonstante so gewählt ist, dass für die Nebenschlussventil-Steuerschleife eine geeignete geschlossene Schleifenverstärkung erzielt wird. Die Übergangsfunktion des Funktionsgenerators 78 ist jedoch so, dass kein Ausgangesigsal für die Steuerung des Nebenschiussvent!Is erzeugt werden kann, ehe nicht das Drosseldruck-Ab«r«i"hungesignal <tin#n vorgegebenes* Wert über dem Drosselnenndruck überschreitet.

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Das Drosseldrucksteuerungssystem 67 hält dementsprechend den Drosseldruck entweder durch Steuerung des Turbinen-Einlassventils, wobei die Turbinenlast unmittelbar beeinflusst wird, oder durch Steuerung des Nebenschlussventils, wobei nicht benötigter Dampf von der Turbine 14 zu dem Kondensator 30 abgeleitet wird, innerhalb des vorgesehenen Bereichs. Der Angleich an den Lastbedarf der Anlage erfolgt im Belastungszustand über die Turbine 14 durch Nachfolgen gegenüber dem Kochend-Wasserreaktor 16. Änderungen im Leistungsniveau des Reaktors während des Betriebszustandes machen es somit möglich, die Turbinenlast zuletzt einzustellen, um dem Lastbedarf der Anlage zu genügen, da Drossel- und Reaktordruckbedingungen genügt ist.

Um den Belastungszustand der Anlage zu erreichen, werden der Reaktor 16 bei auf Getriebedrehzahl befindlicher Turbine 14 gestartet, der Funktionsgenerator 76 abgeschaltet und der Reaktor- und Drosseldruck durch Betätigung des Nebenschlussventils gesteuert. Der Funktionsgenerator 78 wird in geeigneter Weise von der Selektorstufe 74 gesteuert, um diesen Betriebszustand einzustellen. Bei geeigneter Reaktor-Arbeitsleistung und geeigneten Dampfbedingungen wird die Turbine 14 unter Verwendung eines Geschwindigkeits-Sägezahn-Bezugssignals , das einem herkömmlichen Drehzahlabweichungsdetektorkreis 80 von einem digitalen Bezugssystem 62 zugeführt und dann von diesem mit dem Ist-Drehzahlsignal verglichen wird, auf Synchrondrehzahl beschleunigt. Das erhaltene Drehzahlabweichungssignal wird einem Prozent-Drehzahlregler 82 zugeführt und beaufschlagt dann die elektrohydraulischen Einlassventilsteuereinrichtungen 54, wo es das Einlassventil-Einstellungs-Sollwertsignal DT bildet. Die Steuereinrichtungen 54 beeinflussen sodann die Betätigungseinrichtungen 52, um die Einstellungen der Einlassventile 24 zu berichtigen. In den meisten Fällen ist die Steuerung der Einlassventile mit einem Nachlaufen der Einlassventile verbunden, so dass die Steuereinrichtungen 54 entsprechend herkömmliche Nachlaufsteuerschaltungen enthalten. Während der Drehzahlsteuerung bleibt der Funktionsgenerator 76 unwirksam, während die Funktion des Neben-, Schlußsystems fortdauert, um den Drosseldruck zu steuern.

Nach Synchronisierung und Schliessung der Anlagenschalter erfolgt

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eine anfängliche Belastung der Turbine 14, und die Drosseldrucksteuerung wird von den Nebenschlussventilen zu den Turbinenventilen verlegt. Eine solche Verlegung erfolgt beispielsweise durch Einschaltung einer stossfrei arbeitenden- Ubergangsschaltung der Selektorstufe 74, wenn der Funktionsgenerator 76 eingeschlatet wird, um das Sollwertsignal DT zu erzeugen. Nach der anfänglichen Belastung tritt die Anlage in den Belastungszustand über, in dem die Turbine 14 unter Drosseldrucksteuerüng betrieben wird, um den in der Reaktorleistung vorgenommenen korrigierenden Ladungsänderungen zu folgen. Im Turbinenfolgelaststeuerbetriebszustand sind die Nebenschlussventile 32 geschlossen, um einen Dampfnebenschlußstrom ausser in Abhängigkeit von der Einwirkung des Funktionsgenerators 78 zu verhindern.

Während der anfänglichen Belastung und des Turbinenfolgebetriebs vergleicht ein Lastabweichungsdetektor 84 das Lastbezugssignal mit der durch den Ausgang des Irapulsdruckdetektors 76 repräsentierten tatsächlichen Last und erzeugt ein Fehlersignal, das durch einen Anlagen-Sicherheitsbegrenzer 86 läuft und dann auf das Reaktorsteuersystem 48 einwirkt. An dieser Stelle wird das Last-Fehlersignal algebraisch mit einem Drehzahlabweichungs- oder Frequenzanteilsignal summiert, um den Reaktorlast-Bezugswert zu bilden. Der Reaktorbetrieb wird in der vorstehend beschriebenen Weise durch das Reaktorsteuersystem 48 beeinflusst.

Da der Reaktor 16 unter Berücksichtigung der Frequenz an den Lastbedarf angeglichen wird, erzeugt die Druckkontrolleinheit 68 oder 70 ein TurbinenventiIsteuersi nal, dessen Grosse proportional zu der Drosseldruckabweichung ist und auf das von dem Funktionsgenerator 76 wirkt, um das Signal DT zu erzeugen. Die von den Steuereinrichtungen 54 abgegebene Zunahme bestimmt die Geschwindigkeit, mit der eich die Turbinendampfströmung ändert, ohne dabei die Drosseldruckbegrenzungen zu überschreiten, bis eine Angleichung an den Lastbedarf der Anlage eingetreten ist. Um die Turbinenfolgesteuer-Wirkung zu beschleunigen, ist eine herkömmliche Drosseldruck-Bezugswertverstelleinrichtung 90 mit einer übergangefunktlon vorgesehen, dl· «in geeignetes dynamisches Verhalten besitzt. Diese Verstell-

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einrichtung spricht auf das begrenzte Lastabweichungssignal an und sorgt für eine vorübergehende Verstellung des Drucksteuerungs-Bezugswertes SP, insbesondere, wenn bezüglich des Lastbedarfs sprungartige Änderungen vorgenommen werden.

Bei der Laststeuerung beaufschlagt das elektrische Drehzahlfehlersignal die Einlassventilsteuereinrichtungen 54, ruft jedoch keine Steuerung hervor, bis die Turbinendrehzahl einen vorgegebenen Wert von etwa 102% des Nennwertes überschreitet. Die Einleitung der Drehzahlsteuerung wird elektrisch etwa durch Verwendung einer logischen Diodenschaltung (nicht dargestellt) bestimmt, die in den Einlassventilsteuereinrichtungen vorgesehen 1st, um festzulegen, wann das Drehzahlsignal den zugeordneten Wert überschreitet. Wenn die Drehzahlsteuerungsschleife in den Laststeuerungszustand übergeht, wird das Turbinenventileinstellungssignal DT gleich der Summe des Drehzahlsteuerungs- und des Drucksteuerungesignals gemacht. Die Drehzahlrückkopplungsschleife enthält den Drehzahlabweichungsdetektorkrels 80, den Prc ent-Drehzahlregler 82 und dl· elektrohydraulischen Einlassventilsteuereinrichtungen 54. Bei überdrehzahl der Turbine hebt die Drehzahlsteuerungsschleife daher die Drucksteuerungsfunktion auf, um bei steigender Turbinengeschwindigkeit in zunehmendem Masse für eine Schliessung der Einlassventile zu sorgen, wobei der Einsatz der Drehzahlsteuerung bei einem bestimmten Wert der Turbinen-Überdrehzahl einsetzt, der von dem Belastungswert der Turbine unabhängig ist. Dadurch lässt sich für die Turbinenfolgesteuerung eine bessere Wirkungsweise der Anlage erzielen, und ähnliche Vorteile lassen sich auch bei koordinierter Anlagensteuerung erhalten. Der Ausgang des Impulsdruckdetektors wird mit dem Ausgang des Nebenschlussventil-Funktiongeneratorkreises 78 in der Begrenzerstufe 88 zusammengefasst, um die gesamte Reaktordampf strömung unterhalb eines vorgegebenen Wertes zu halten.

Hit Fig. 3 ist ein koordiniertes Steuerungssystem 92 für den Betrieb der Reaktordampfturbinenanlage veranschaulicht. Das Steuerungssystem 92 weist Komponenten auf, die den Komponenten des Systems 60 der Fig. 2 ähnlich sind, jedoch wird durch einige Unterschiede in den Komponenten und unterschiedliches Zusammenwirken für

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eine weiter verbesserte Funktion gesorgt.

Es wird wiederum ein digitales Bezugssystem 94 eingesetzt, um ein elektrisches Lastbezugssignal und ein elektrisches Drehzahlbezugssignal zu erzeugen. Der Drehzahlsteuerungszweig enthält auch in diesem Fall einen Drehzahlfehlerdetektor 96, der ein Fehlersignal erzeugt, das den Unterschied zwischen dem Geschwindigkeits- bzw. Drehzahlbezugssignal und dem Ausgangssignal des Geschwindigkeitsdetektors 64, der die Istdrehzahl der Turbine wiedergibt, anzeigt. Das Drehzahlabweichungs- oder -fehlersignal durchläuft einen Prozentregler 98 und beaufschlagt dann das Reaktorsteuersystem 48 und die elektrohydraulischen Einlassventilsteuereinrichtungen 54 wie in Fig. 2. Die Drehzahlrückkopplungssteuerschleife steuert die Turbinenbeschleunigung beim Hochfahren, die Frequenz (frequency participation) im Betriebszustand und die Verzögerung der Turbine beim Stillsetzen in den Fällen, in denen man die Turbine nicht auslaufen (coastdown) lässt.

Bei der Laststeuerung erzeugt ein herkömmlicher Lastabweichungsdetektor 100 ein Signal, das der Lastabweichung in Abhängigkeit von der Differenz zwischen dem Lastbezugssignal und dem die tatsächliche Turbinenbelastung repräsentierenden Ausgangssignal des Impulsdruckdetektors 66 entspricht. Nach Begrenzung durch eine Begrenzerstufe 102 beaufschlagt das Lastabweichungssignal das Reaktorsteuerungssystem 48, um den Wert der Reaktorleistung auf dem für den Lastbedarf der Anlage erforderlichen Niveau zu halten.

Um im Betriebszustand eine schnellere, besser koordinierte, wirksamere, wirtschaftlichere und zuverlässige Wirkungsweise der Anlage zu gewährleisten, enthält das koordinierte Steuerungssystem 92 ausserdeu eine teilweise mit dem Bezugszeichen 104 angedeutete Laststeuerungeschleife, in der der Lastbedarf, vorzugsweise in Form des Lastbezugssignals, direkt auf die elektrohydraulischen Einlassventilsteuereinrichtungen 54 gegeben wird, wobei jedoch ein Drosseldruokateuersystem 1.06 für eine bestimmte Einschränkung sorgt. In anderen Fällen könnte das Lastbedarfselgnal das Lastabweichungssignal des Detektors 100 sein.

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Beim Auftreten von Änderungen in dem Lastbezugssignal oder - bei festgehaltenem Lastbezugssignal - in der Turbinenlast, wird das gesamte Einlassventil-Einstellungssteuersignal DT direkt verändert, um - unter Begrenzung durch das Drosseldrucksteuersystem 106 - eine unmittelbare Änderung in der Einlassventileinstellung hervorzurufen. Das Ventileinstellungsbedarfssignal DT wird im normalen Lastbetrieb durch eine geeignete Schaltungsanordnung innerhalb der Einlass Ventilsteuereinrichtungen 54 als algebraische Summe des Last-Bezugsignals, eines Drehzahlsteuersignals 110 und eines Drosseldrucksteuersignals 108 erzeugt. Die Drosseldruckbeschränkung wird so durch Änderung des gesamten Ventileinstellungs-Bedarfsignals DT eingeprägt. Das Drehzahlsteuersignal 110 ist fortlaufend in der Summe DT enthalten, jedoch kann dieser Anteil des Drehzahlsteuersignals 110 gewünschtenfalls - etwa durch eine Diodenschaltungsanordnung - bei Überdrehzahl der Turbine aus der Summe DT eliminiert werden, bis die Turbine einen bestimmten Überdrehzahlwert erreicht. Die Überlagerung des Drehzahlsteuerungssignals führt dann zu einer Unterdrückung des Laststeuerungssignals, so dass das Einlassventil der Turbine mit wachsender Turbinendrehzahl zunehmend geschlossen wird. Wie zuvor wird die Einleitung der Einwirkung der Drehzahlsteuerung auf die Überdrehzahl dann unabhängig von dem Lastbetriebsniveau gemacht. In beiden Fig. 2 und 3 bestimmt die Drehzahlsteuerung den Turbinenüberdrehzahlwert, bei dem die Einlassventile vollständig geschlossen werden.

Zur Frequenzanpassung (frequency participation), wie sie bei zunehmender Belastung erforderlich wird, beaufschlagt die Drehzahlsteuerung die Einlassventile in ähnlicher Weise in kontinuierlicher Form, jedoch erst, nachdem ein vorgegebener Drehzahlabfall durch eine Diodenschaltungsanordnung (nicht dargestellt) oder eine andere geeignete Einrichtung in der Eingangsschaltung der Einlassventils teuereinrichtungen 54 erfasst worden ist. Die Turbine wird dann daran gehindert, bei kleinerem Frequenzanpassungsbedarf (frequency participation demands) betätigt zu werden.

Bezüglich der Laststeuerung führt direkte Lastateuerung der Einlassventi!Steuereinrichtungen 54 im wesentlichen dazu, dass von

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der in dem Reaktordampf gespeicherten Energie Gebrauch gemacht wird, um eine schnellere Laststeuerung zu erzielen, wenn das Reaktorleistungsniveau zur Angleichung an die Lastbedarfsabweichung geändert wird. In diesem Sinne ist das koordinierte Steuerungssystem 92 ähnlich der Turbinenfolgesteuerung 60 der Fig. 2, da letztere von einer Drosseldruck-Bezugswerteinstellung Gebrauch macht, um gespeicherte Dampfenergie zum schnelleren Ansprechen der Anlage auszuwerten. Jedoch führt direkte Laststeuerung in dem koordinierten Steuerungssystem 92 zu einem schnelleren und im allgemeinen besseren Anlagenverhalten, weil die Verstellung der Turbinenventile ohne die Zeitverzögerung infolge des Ansprechens des Drucksteuerungssystems eingeleitet wird und weil ferner die frühzeitige Venti!verstellung stets mit der besten Eichung, d.h. bis zu dem durch die Beschränkung oder Begrenzung des Drosseldrucksteuerungssystems zugelassenen Wert, durchgeführt werden kann. Demgegenüber bringt die Verwendung einer Drosseldruck-Bezugswerteinstellung in Turbinenfolgesystemen eine feste Vor-Pestlegung des Turbinenventi1-Steuerungsansprechens ohne Eichung aller sich ändernden Arbeitsbedingungen mit sich.

Das gesamte Einlassventil-Einstellungsbedarfssignal DT ergibt sich aus einem Abgleich des Lastbezugssignals und, soweit zutreffend, des Drehzahlsteuerungssignals gegenüber dem Signal 108 des Drosseldrucksteuerungssystems 106. Die Ventileinstellungs-RückkQpplungssignale PDIV werden mit den einzelnen Ventileinstellungs-Bedarfssignalen DTl, ..., DTn wie in Fig. 2 verglichen, bis die Ventileinstellungsabweichung durch proportionale Plus-Rückstellsteuerwirkung beseitigt worden ist. Das Dros jeldrucksteuersignal 108 des Venti1-einstellungs-Bedarfssignals DT modifiziert das Lastbezugssignal so, dass die Einlassventileinstellung dem Lastbedarf sowie den Drosseldruckbegrenzungen genügt.

Durch das direkte Beaufschlagen der Einlassventilsteuereinrichtungen 54 kann sich ein positiver Rückkopplungszustand einstellen, wenn er nicht auf andere Weise verhindert wird. Beispielsweise erfordert ein erhöhter Lastbedarf eine höhere Dampfströmung und höheren Impulsdruck. Es ist somit eine Öffnungsbewegung der Regelven-

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tile erforderlich, «ae jedoch zu einem Abfall des Drosseldruckes führt» 4er dann wiederum den Iapulsdruck absinken lässt, so dass sich die Notwendigkeit einer weiteren öffnung der Regelventile ergibt*

Das Drosse!drucksteuerungssyste» 106 gestattet es, die Einlassventi!wirkung so auszurichten, dass eine Angleichung an den Lastbedarf Innerhalb der Drosseldruckbeschränkungen eintritt und vermeidet dabei das Auftreten einer positiven Einlassventi!rückkopplung. Das Drucksteuerungssignal 108 wird so mittels eines herkömmlichen Summierkreises 112 als algebraische Summe entsprechender Signale von einem Druck-Funktionsgenerator 14 und einem Druckabweichungs-Funktionsgenerator 116 gebildet.

Wie in Fig. 2 ist das Drosseldrucksignal von dem Drosseldruckgenerator 72 mit dem Eingang eines Druckreglers 118 und eines zusätzlichen Druckreglers 120 gekoppelt. Eine Bezugsgrösse SP wird mit dem den Ist-DrosseldrucJr repräsentierenden Signal verglichen und dadurch ein Drosseldruck-Fehlersignal erhalten. In diesem Fall wird von einer proportionalen Zuordnung in den Reglern 118 oder 120 Gebrauch gemacht. Eine Selektorstufe 122 überträgt das Auegangs-Drosseldruck-Fehlersignal von einem der beiden Regler 118 oder ISO zu dem Eingang des Funktionsgenerators 116 entsprechend dem vorstehend beschriebenen Selejttrionsvorgang. Die Übergangsfunktion des Generators 116 ist die gleiche, wie sie für den Funktionsgenerator 76 der Fig. 2 beschrieben wurde.

Die Eingänge des Verhältnis-Funktionsgenerators 114 sind das Ausgangesignal des Drosseldruckdetektors 72 und das Ausgangssignal des Impulsdruckdetektors 66. Das Ausgangssignal des Generators 114 ist eine vorgegebene Funktion des Verhältnisses des Impulsdruckes P. zu dem Drosseldruck P . Vorzugsweise ist die Übergangsfunktion so gewählt, dass das Ausgangssignal des Generators 114 im wesentlichen konstant gemacht wird, wenn die Turbine auf konstanter Last, d.h. konstantem P. gehalten wird. Dadurch können die Steuereinrichtungen 54 mit der Drosse!drucksteuerung beaufschlagt werden, wenn keine Lastabweichung bzw. keineLastfehler vorhanden ist. Mit dem Ge-

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nerator 114 wird eine geeignete Schaltungsanordnung (nicht dargestellt), beispielsweise ein herkömmlicher Potentiometerkreis, verwendet, um das Verhältnissignal zu erzeugen, und eine herkömmliche logische Torschaltung kann Verwendung finden, um das Verhältnissignal entsprechend der Übergangsfunktion zu sperren oder durchzulassen.

Das Verhältnis von P. zu P ist proportional der gesamten Einlassventilfläche, die wiederum der Last bei Nenn-Drosseldruck im wesentlichen linear zugeordnet ist. Das Verhältnis von P. zu P wirkt somit als Lastrückkopplungssignal, das unter Bildung des Gesamt-Bedarfssignals DT gegenüber dem Lastbezugssignal angeglichen wird. Das Verhältnis-Rückkopplungssignal eliminiert positive Rückkopplungswirkung, da eine Ventileinstellungsänderung, um einer Änderung im P,-Bedarf zu genügen, eine Änderung entgegengesetzter Polarität für das Verhältnis hervorruft. Der Drosseldrucksteuerungssignal mit dem Regler 118 oder 120 und der Funktionsgenerator 116 üben eine Drosseldruckbegrenzungswirkung aus, wenn der Angleich an den Lastbedarf über die Verhältnis-Rückkupplungssteuerung erfolgt.

Gewünschten«,falls kann der Summierkreis 122 mit den Einrichtungen 54 zusammengefasst werden. In diesem Fall ist das gesamte Ventileinstellungs-Bedarfssignal DT während der Laststeuerung gleich der algebraischen Summe des Lastbezugssignals, des Druckverhältnis-Lastrückkopplungssignals, des Drosseldruckbegrenzungssignals von dem Funktionsgenerator 116 und - zutreffendenfalls - des Drehzahlsteuersignale 110.

Das koordinierte Steuerungssystem 92 enthält ferner eine Drosseldruck-Bezugsgrössenverstelleinrichtung 124, die auf das begrenzte Lastfehlersignal anspricht, um den Drucksteuerungs-Bezugswert SP innerhalb bestimmter Grenzen abzusenken oder anzuheben, um ein Schliessen oder Öffnen der Turbineneinlassventile bei Zunahme bzw. Abnahme des Lastbedarfs zu verbinder». Wenn der Drosseldruck unter den eingestellten Bezugswert abfällt oder über diesen hinaus ansteigt, veranlasst das Steuerungssystem, dass die Turbineneinlassventile j· nach den gegebenen Bedingungen schIiessen oder geöffnet

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werden.

Das Drosseldrucksteuerungssystem 106 weist einen Nebenschlussventil-Funktionsgenerator 126 auf, der entsprechend wie in Verbindung mit Fig. 2 beschrieben ein Nebenschlussventil-Steuersignal liefert, so dass bei der Laststeuerung von der Turbine 14 nicht benötigter Dampf direkt zu dem Kondensator 30 umgeleitet wird. Das Gesamt-Nebenschlussventil-Bedaffssignal DB wird - unter Begrenzung des Impulsdrucks durch eine Begrenzerstufe 128-von dem Nebenschlusssteuersignal abgeleitet.

Durch die Erfindung ergibt sich ein verbesserter Betrieb für nukleare Raktor Dampfturbinenanlagen. Diese Verbesserung umfasst besseres Leistungsverhalten bei grösserer Wirtschaftlichkeit, grösserem Wirkungsgrad und grösserer Zuverlässigkeit. Die koordinierte Steuerung sorgt für schnelleren und weiter koordinierten Anlagenbetrieb im Rahmen des Leistungsvermögens der Anlage. Sowohl für den Betrieb mit der Folgesteuerung als auch für den Betrieb mit der koordinierten Steuerung der Anlage finden elektrohydraulische Kontroll- bzw. Steuerungseinrichtungen Verwendung. Die elektrischen Bestandteile des Systems sind hier als analoge Einheiten beschrieben worden, jedoch können stattdessen auch digitale Systeme mit digitalen Computern eingesetzt werden, um zu der· erläuterten Funktion des Systems zu gelangen. Ferner können sowohl analoge als auch digitale Steuerungssysteme Hardware- und/oder Software-Steuerungsschaltanordnungen verwenden, die im einzelnen von den hier speziell beschriebenen Ausführungsformen abweichen, soweit es sich um das koordinierte Steuerungssystem handelt.

Patentansprüche;

QÖ9824/U47

Claims (4)

1858422

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Patentansprüche

System zur Steuerung einer Kernreaktor-Dampfturbinenanlage mit durch Dampfeinlassventile gesteuerten Dampfturbinen, das eine Einrichtung zur Erzeugung eines den Lastbedarf repräsentierenden ersten elektrischen Signals, eine Einrichtung zur Erzeugung eines die erforderliche Turbinendrehzahl repräsentierenden zwei ten Signals, eine Einrichtung zur Erzeugung eines die tatsächliche Turbinendrehzahl repräsentierenden dritten elektrischen Signals, eine Einrichtung zur Erzeugung eines den Drosseldruck des Dampfes, der von dem Reaktor an die Turbine geliefert wird, repräsentierenden vierten Signals sowie eine Einrichtung zur Erzeugung eines die Turbinendrehzahlabweichung repräsentierenden fünften Signals, ferner eine auf das erste Signal ansprechende Einrichtung für die Angleichung des Reaktorbetriebs an den Lastbedarf aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das System eine auf das vierte Signal ansprechende Begrenzungseinrichtung sur Be grenzung der Funktion der Einlassventile (24) und damit zur Be schränkung des Drosseldruckes innerhalb vorgegebener Grenzen sowie eine Einrichtung zur Einstellung der Einlassventile (24) in Abhängigkeit von dem die Turbinendrehzahlabweichung repräsentierenden fünften elektrischen Signal innerhalb der durch die Begrenzungseinrichtung vorgegebenen Grenzen enthält.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage eine ventilgesteuerte Turbinendampf-Nebenschlussanordnung zur vorübergehenden Vorbeileitung von durch den Reaktor erzeugtem, von der Turbine aber nicht benötigtem Dampf aufweist.

3.System nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Steuerung der Einstellung der Einlassventile @4) eine Anordnung zur Erzeugung eines sechsten elektrischen Signals enthält, das dem Verhältnis des Turbinen-Impulsdruckes zu dem Drosseldruck entspricht, und daß diese Einrichtung zur Steuerung ' die Einlassventile (24) mindestens In Abhängigkeit von dem sechsten, dem ersten und dem vierten Signal steuert.

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4. System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Steuerung der Einlassventile mindestens einen analogen Druckregler aufweist, der auf einen Drosseldruck-Bezugswert und ein Ist-Drosseldrucksignal anspricht, um so ein Drosseldruck-Fehlersignal zu erzeugen, und dass die Einrichtung zur Steuerung der Einlassventile ferner eine Anordnung enthält, die mindestens auf das Drosseldruck-Fehlersignal, das erste Signal sowie das sechste Signal anspricht, um so ein Ventileinstellungs-Bedarfssignal für die Einlassventile zu erzeugen.

KN/hb 3

Q0982W1U7

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