DE2006299A1

DE2006299A1 - Steuereinrichtung für Kernreaktoren

Info

Publication number: DE2006299A1
Application number: DE19702006299
Authority: DE
Inventors: John James Los Gtos Calif. Hogle (V.St.A.)
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1969-02-14
Filing date: 1970-02-12
Publication date: 1970-09-03
Also published as: FR2031430B1; US3671390A; SE348305B; DE2006299C2; ES376261A1; SE348305C; JPS5113833B2; FR2031430A1

Description

DIPL.-PHYS. F. ENDLICH . eoa.* unterpfaffenhofem 11 . Februar 1970

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PATENTANWALT ^^UU"-^{JJ t}/^:>^r

TELEFON: (MÜNCHEN) 84 36 33

TELEGRAMMADRESSE PATENDLICH MÜNCHEN

CABLE ADDRESS; PATENDLICH MUNICH

Meine Akte: G-2548 Anmelderin: General Electric Company, Schenectady, N.Y., USA

Steuereinrichtung für Kernreaktoren

Die Erfindung betrifft eine Steuereinrichtung für wassergekühlte Kernreaktoren, "

bei welchen der erzeugte Wasserdampf einem Verbraucher mit unterschiedlichen Leistungsanforderungen zugeführt wird.

Es sind unterschiedliche Leistungsreaktoren bekannt, die insbesondere zur Erzeugung von Dampf bzw. Elektrizität Verwendung finden, wie beispielsweise Siedewasserreaktoren. Ein Siedewasserreaktor enthält einen Reaktorkern, indem der Brennstoff in korrosionsbeständigen wärmeleitenden Hüllen angeordnet ist. Die Brennstoffelemente des Reaktorkerns sind gitterförmig in einem Behälter angeordnet, durch den das als Moderator dienende Kühlmittel strömt. Beim Durchströmen des Kühlmittels durch die Zwischenräume zwischen den Brennstoffelementen wird dieses durch die bei den Kernspaltungen abgegebene Energie erhitzt, wodurch d,as Kühlmittel verdampft. Der erzeugte Dampf wird beispielsweise der Turbine pines ^ Generators zugeleitet, und nach einer Kompensation wieder in den Reaktor zurUckgeleitet.

In derartigen Reaktoren dient das Kühlmittel: sowohl zur Wärmeabfuhr aus den* Reaktorkern aJs auch als Moderator. Wenn ein Sieden in dem Reaktorkern auftritt, verringert das Auftreten von Dampfbläschen in dem Kühlmittel die Menge des flüssigen, Moderators in dem Reaktorkern, wodurch die Reaktivität erniedrigt wird. Deshalb, führt, eine erhöhte Reaktivität, in dem Kern zu einer erhöhten. Wärmeerzeugung! un,ter Ausbildung vorr mehr Dampfbkiseη, welche ihrerseits d;ie Reaktivitätverringern. hoMkkann ein derartiger Reaktor selbstregelnd! sein. Die Reakti:vi;l<ä;fr eines Reaktors, w,i;r,d; im Pilligemein^ durch die Einstellung der Steuerstäjpe bestimmt;.

die Steuerstäbe teilweise herausgezogen werden, steigt die Neutronenflußdichte und damit die Reaktivität. Die erhöhte Reaktivität erhöht die Wärmeerzeugung, welche die Ausbildung zusätzlicher Dampfblasen bewirkt. Wenn sich die Dampfblasen ausbilden, fällt die Moderatorwirkung des Kühlmittels ab, wodurch die erhöhte Reaktivität teilweise kompensiert wird. Das Sieden dauert bei diesen Verhältnissen an, solange der Reaktordruck konstant bleibt. Wenn jedoch der Druck während des Betriebs beträchtlich geändert wird, ohne daß kompensierende Einstellungen der Reaktor leitung erfolgen, kann der Reaktor nicht mehr selbstregulierend sein, weil eine Erhöhung des Drucks die Ausbildung von Dampfblasen verhindert, so daß die Leistung ansteigen kann. Deshalb ist es vorzuziehen, daß der Druck im Reaktor praktisch konstant gehalten wird, und daß die Reaktivität in anderer Weise gesteuert wird. Wie oben erläutert wurde, besteht das grundsätzliche Steuersystem des Reaktors aus den Steuerstäben, welche einen Neutronenabsorber enthalten und beim Einfuhren die Reaktivität erniedrigen. Die Änderung der Reaktorleistung und der Dampfabgabe, die sich durch eine Änderung der Lage der Steuerstäbe ergibt, erfolgt jedoch verhältnismäßig langsam und benötigt im allgemeinen 20 bis 30 Sekunden. Eine derartige Verzögerung der Dampfabgabe ist jedoch in der Praxis im allgemeinen nicht wünschenswert, weil im allgemeinen ein möglichst schnelles Ansprechvermögen erforderlich ist.

Bei Siedewasserreaktoren ist ein weiterer Steuermechanismus verfügbar, der bei ^; anderen Reaktortypen nicht vorhanden ist. Das flussige Kühlmittel wird von dem Reaktor Über den Reaktorkern abgepumpt und in den Reaktor unterhalb des Kerm zurUckgepumpt„ P-urch Änderung der Strömungsgeschwindigkeit bei dieser Umwälzung kann die durch den Kern strömende KüMmittetrnenge pro Zeiteinheit geändert werden» Wenn eine. frlhöhung der Leistung gewünscht wird, kann die Umwälzung erhöht werden, wodurch Pompifelcisen schneller aus dem Reaktorkern entfernt werden. Da der Anteil d*$ Reafctc-rkerns, in dem flüssiges Kühlmittel vorhanden ist, gegenüber den Bereichen mit mpftem Kühlmittel ansteigt, steigt die Moderation an und erhöbt am Rexifctivitä*.: es erwünscht ist, die Leistung des Reaktors z-u verringern, kam» dSe Umwälzung; werden, wodurch die Dampf blasen aus. der» Reaktorkern tangsaeier emtfe«m# »,.. W,e-i| dec Reaktorkern dann einen« höheren Anteil von Danpibtasem *ma ftMiem von, flüssigem /yV?derator wHoait, feil:It dft* ItedkfriviK* «Jb. Nochden*

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die grundsätzliche Reaktorleistung durch Einstellung der Steuerstäbe bestimmt ist, kann deshalb die Reaktorleistung innerhalb eines beträchtlichen Bereichs geändert werden, indem die Umwälzung des Kühlmittels dem Dampfbedarf angepaßt wird.

Während der Reaktor auf Änderungen des Dampfbedarfs des Verbrauchers durch Änderung der Umwälzung schneller anspricht, als wenn einfach die Einstellung der Steuerstäbe geändert wird, ergibt sich immer noch eine Verzögerung von etwa 5 bis 15 Sekunden, bevor das neue Leistungsniveau erreicht wird. Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, die Steuereinrichtung eines Siedewasserreaktors derart auszubilden, daß er schneller auf Änderungen des Energiebedarfs des Verbrauchers anspricht. μ

Es wurde bereits vorgeschlagen, daß die Ansprechzeit bei Verstellung der Steuerstäbe verbessert werden könnte, wenn der Reaktordruck zeitweilig gesenkt wird, damit eine größere Dampfmenge zu dem Verbraucher gelangen kann, während die Steuerstäbe die Reaktivität erhöhen. Dies erscheint jedoch nachteilig, weil die Erhöhung des Reaktordrucks während 20 bis 30 Sekunden, die für die Einstellung der Steuerstäbe erforderlich sind_#. zeitweilig das Leistungsniveau erniedrigt statt es zu erhöhen. Dieser Effekt ist darauf zurückzuführen, daß der Druck in dem Reaktor plötzlich abfällt, wodurch sich viel mehr Gasblasen wegen des geringeren Drucks im Reaktorkern sofort ausbilden. Diese Vermehrung des Dampfvolumens in dem Reaktorkern erniedrigt die Moderationswirkung des Kühlmittels beträchtlich, wodurch sich die Reaktivität erniedrigt. Schließlich wird allerdings die Reaktivität wegen des Herausziehens der Steuer- | stäbe erhöht. Die Reaktivität ist jedoch während einer beträchtlichen Zeitspanne verringert, während der der Verbraucher zusätzlichen Dampf benötigt. Wenn dann wegen des Herausziehens der Steuerstäbe die Reaktivität und die ReaktorIeistung ansteigt, stellt sich wieder der ursprüngliche Druck im Reaktor ein. Dadurch ergibt sich eine kurzzeitige Leistungsspitze, weil beim Auftreten des ursprünglichen Drucks der Druck im Reaktorkern zeitweilig auf den Druck steigt, bei dem weniger Dampfblasen ausgebildet werden. Dadurch wird die Moderationswirkung des Kühlmittels zeitweilig erhöht und damit auch die Reaktivität erhöht. Bei ansteigender Reaktivität werden mehr Dampfblasen gebildet und die Dampfabgabe ausgeglichen. Es tritt jedoch eine kurzzeitige Leistungsspitze auf, bevor diese Selbstregelung die Wiederherstellung des

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ORIGINAL INSPECTED

Reaktordrucks entsprechend dem Normalbetrieb kompensiert. Während der Reaktordruck zeitweilig erniedrigt wird, wenn die Steuerstäbe verstellt werden, wird deshalb die Dampfabgabe an den Verbrauchern zeitweilig erhöht, wobei jedoch unerwünschte Schwankungen der ReaktorIeistung während der Zeitspanne auftreten können, in welcher die Steuerstäbe das grundsätzliche Leistungsniveau ändern.

Im allgemeinen ist es auch nicht wünschenswert, eine Verstellung der Steuerstäbe durchzufuhren, um kurzzeitige Änderungen des Dampfbedarfs zu berücksichtigen. Die relative Lage der vielen Steuerstäbe im Reaktorkern ist zumindest teilweise durch die Flußverteilung und die Brennstoffökonomie bestimmt. Bei optimalem Reaktorbetrieb sollten die verschiedenen Steuerstäbe entlang unterschiedlicher Abstände bewegt werden, um eine gewünschte Änderung des Leistungsniveaus des Reaktors zu erzielen. Die Bewegungsverteilung ist kompliziert und schwer aufrechtzuerhalten, wenn häufige Änderungen erfolgen müssen, um kurzzeitige Änderungen des Leistungsbedarfs des Verbrauchers zu berücksichtigen. Ferner führt eine häufige Betätigung des Steuermechanismus zur Abnutzung betriebsnotwendiger Teile und erhöht die Gefahr von Betriebsausfällen. Wenn der Operateur des Reaktors eine große Anzahl von Steuerstäben häufig entlang unterschiedlicher Abstände bewegen muß, besteht eine erhöhte Fehlergefahr. Ein Fehler hinsichtlich einer ungeeigneten Zurückziehung eines Steuerstabs könnte eine plötzliche Reaktivitätserhöhung zur Folge haben, die zu Beschädigungen des Reaktors oder zu einer Notabschaltung führen könnte.

Die erwähnten Nachteile und Schwierigkeiten werden bei einer Steuereinrichtung für einen Siedewasserreaktor erfindungsgemäß vermieden, da bei diesem die Steuerstäbe zur allgemeinen Einstellung der Reaktorleistung benutzt werden und eine Umwälzsteuerung vorgesehen ist, um die Leistung innerhalb eines gewissen Bereichs zu verändern. Dabei ist ein Druckregler vorgesehen, der mit der Umwälzsteuereinrichtung zusammenarbeitet, um den Rückdruck auf den Reaktor in einem verhältnismäßig kleinen Bereich einzustellen, welcher von dem Reaktor tolleriert werden kann, so daß bei einer plötzlichen Erhöhung des Dampfbedarfs des Verbrauchers der Reaktordruck um einen geeigneten Betrag gesenkt werden kann, um zusätzlichen Dampf an den Verbraucher abzugeben, während die Umwälzsteuerung die ReaktorIeistung auf das

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gewünschte Niveau bringt. Diese Steuereinrichtung enthält auch eine Einrichtung zur Kompensation einer plötzlichen Erniedrigung des Dampfbedarfs des Verbrauchers. Mit dieser Einrichtung kann die Ansprechzeit von den 4 Sekunden verbessert werden, welche fur den Beginn der Erhöhung der Dampfströmung nach dem Auftreten eines Verbrauchsbedarfs erforderlich ist, wenn nur eine Umwälzungssteuerung verwandt wird, auf eine Ansprechzeit von etwa 1 % pro Sekunde , wenn sowohl eine Umwälzsteuerung als auch die erwähnte Sollwert-Einstellung verwandt werden. Diese Steuereinrichtungen stehen in einer Wechselbeziehung, so daß stärkere Schwankungen der Leistung im Reaktorkern nicht auftreten.

Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Steuereinrichtung gemäß der Erfindung;

Fig. 2 eine graphische Darstellung des Ansprechvermögens einer bekannten Steuereinrichtung bei einer Steigerung des Verbraucherbedarfs um 10 %;

Fig. 3 eine Fig. 2 entsprechende Darstellung des Ansprechvermögens einer Steuereinrichtung gemäß der Erfindung;

Fig. 4 eine graphische Darstellung des Ansprecht Vermögens einer bekannten Steuereinrichtung bei Steigerung des Leistungsbedarfs um 20 %; und

Fig. 5 eine Fig. 4 entsprechende Darstellung des Ansprechvermögens einer Steuereinrichtung gemäß der Erfindung.

Fig. 1 zeigt einen Siedewasserreaktor 10. Der von dem Reaktor 10 erzeugte Dampf gelangt durch eine Hauptleitung 11 zu dem Verbraucher, welcher in diesem Falle eine Turbine 12 ist, die einen Generator 13 antreibt. Nach dem Durchtrieb durch die Turbine 12 wird der Dampf in dem Hauptkondensator 14 kondensiert. Eine Nebenschlußleitung 16 leitet Dampf von der Leitung 11 direkt zu dem Hauptkondensator 14, falls die Turbine 12 die erforderliche Dampfmenge nicht aufnehmen kann.

Das Leistungsniveau des Reaktors wird durch Steuerstäbe 18 gesteuert. Die Reaktivität des Reaktorkerns wird durch die Lage der Sfeuerstäbe 18 gesteuert. Wie bereits erwähnt wurde, hat ein Siedewasserreaktor den besonderen Vorteil, daß das Leistungs-

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niveau innerhalb eines beträchtlichen Bereichs durch Einstellung der Durchflußmenge gesteuert wird, mit der das Wasser durch den Reaktorkern umgewälzt wird. Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, verläßt das umgewälzte Wasser den Reaktor durch die Leitung und wird in dem Reaktor durch eine Pumpe 20 mit veränderlicher Förderleistung durch die Leitung 21 und das Schleusenventil 22 zurückgepumpt. Bei ansteigender Drehzahl der Pumpe 20 wird mehr Wasser durch den Reaktorkern gepumpt. Diese erhöhte Strömungsgeschwindigkeit hat zur Folge, daß Dampfblasen aus dem Reaktorkern schneller verdrängt werden. Dadurch ergibt sich eine Erhöhung des Anteils an moderierendem Wasser in dem Reaktorkern, wodurch die Reaktivität des Reaktors und dessen Leistung erhöht wird.

Die Umwälzung wird durch die Änderung der Drehzahl eines Wechselstromgenerators 24 gesteuert, welcher an einen Induktionsmotor 25 der Umwälzpumpe angeschlossen ist. Ein Drehzahlregler 26 steuert die Drehzahl des Generators durch Änderung der Fluid-Kupplung zwischen einem Antriebsmotor 27 und dem Generator 24. Die Kupplung wird durch Änderung der Lage des Ölaufnehmerrohrs in einer üblichen Flüssigkeitskupplung 28 geändert. Obwohl nur ein einziger Umwälzweg und ein Pumpensystem in Fig. 1 dargestellt ist, können mehrere derartige Einrichtungen parallelgeschaltet sein. Ein Führungsregler 23 erhält ein Signal entsprechend dem Fehlbetrag des Leistungsbedarfs und aktiviert jedes der Umwälzsyste..ie. Ein Tachometer 33 mißt die Drehzahl der Pumpe und gibt ein Signal an die Summierungsstelle 29. Dieses Signal wird mit dem Signal verglichen, das von dem Führungsregler erzeugt wird. Die beiden Signale heben sich bei stationärem Betrieb auf. An der Summierstelle 29 kennzeichnet das Vorzeichen an dem Eingang die proportionale Weise, in welcher dieses Signal die Ausgangsgröße der Summierstelle beeinflußt. Deshalb beeinflußt das Signal von dem Tachometer 33 das Signal zu dem Drehzahlregler 26 umgekehrt, während das Signal von dem Führungsregler das Signal zu dem Drehzahlregler direkt beeinflußt. Ein Signal entsprechend höherer Drehzahl von dem Tachometer führt deshalb zu einer Verringerung der Drehzahl des Drehzahlreglers, während ein Signal entsprechend höherer Drehzahl von dem Führungsregler die Drehzahl des Drehzahlreglers erhöht. Die Summierstelle 29 kann aus irgendeiner geeigneten elektrischen oder mechanischen Einrichtung bestehen, welche einen Signalvergleich der erwähnten Art durchführen kann. Beispielsweise kann ein

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Steuerventil, eine Hebelanordnung oder eine übliche elektrische Schaltung Verwendung finden. Die im folgenden noch erwähnten Summierstellen arbeiten in.einer ähnlichen Wsise. Obwohl dieses System sehr wirksam ist, kann es wünschenswert sein, daß ein anderes Steuersystem für die Umwälzung verwandt wird, in welchem das umgewälzte Kuhlmittel durch eine große Pumpe mit konstanter Drehzahl durch ein Drosselventil gepumpt wird, welches durch den Führungsregler 23 gesteuert wird.

Obwohl die Steuereinrichtung für die Umwälzung zur Einstellung der Reaktorleistung sehr wirksam ist, wurde es festgestellt, daß sie nicht ein so hohes Ansprechvermögen hat, als wünschenswert wäre, um plötzliche Änderungen des Dampfbedarfs % des Verbrauchers zu berücksichtigen. Gemäß der Erfindung wird deshalb zusätzlich zur Steuerung der Umwälzung eine Einrichtung verwandt, um den Sollwert des Drucks in der Dampfleitung zeitweilig einzustellen, um ein schnelleres Ansprechvermögen zu erzielen. Zu diesem Zwecke ist eine Einrichtung zum Nachweis der Drehzahl des Generators 13 vorgesehen, um plötzliche Änderungen nachzuweisen oder um manuell eingeführte schnelle Belastungsänderungen aufzunehmen und gleichzeitig die Umwälzungsgeschwindigkeit zu erhöhen und den Sollwert des Drucks zu verringern, damit der Reaktordruck zeitweilig abfallen kann. Durch beide Maßnahmen wird eine schnelle übertragung von zusätzlichem Dampf zu der Turbine bewirkt. Durch die Entfernung von Gasblasen aus dem Reaktorkern wird die Moderatormenge in dem Reaktorkern erhöht und dessen Reaktivität schnell erhöht. i

Die Drehzahl des Generators 13 wird kontinuierlich überwacht, wobei ein Signal erzeugt wird, das zu der Summierstelle 30 über die Leitung 31 gelangt. Die Summierstelle 30 vergleicht das Signal der Generatordrehzahl mit einem Bezugssignal 32. Ein entsprechender Vergleich der nachgewiesenen Belastung und eines Belastungs-Bezugssignals kann verwandt werden, wenn die Belastung nicht durch die Turbine und den eingeschlossenen Generator wie bei diesem Ausführungsbeispiel erfolgt. Wenn die Generatordrehzahl unter die Drehzahl, des Bezugssignals fällt, wird ein Signal an die Summierstelle 32 weitergeleitet, welches zusätzlichen Dampf für die Turbine 12 anfordert. Bei stationären Zuständen heben sich die Signale für die Generatordrehzahl und das Bezugssignal auf. Das Belastungs-Sollwertsignal, das von Hand eingestellt oder von

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einem automatischen Regler abgeleitet werden kann, wird normalerweise so eingestellt, daß es um etwa den äquivalenten Wert von 10 % der Dampfströmung größer ist, so daß die Dampfströmung normalerweise durch den Druckregler 34 gesteuert wird, wie im folgenden noch näher erläutert werden soll. Die Signale von der Belastungseinstellung und der Summierstelle 30 werden an der Summierstelle 32 verglichen, wodurch sich ein vorgespanntes Signal der Verbraucheranforderung ergibt, welches an das Gatter 36 weitergeleitet wird. Das Gatter 36 empfängt auch ein Signal von dem Druckregler 34. Das Gatter 36 spricht auf das niedrigere dieser beiden Signale an. Wenn sich das niedrigere m Signal ändert, betätigt das Gatter 36 das Steuerventil 38 der Turbine über den Servomotor 39.

Das vorgespannte Signal der Verbraucheranforderung gelangt ebenfalls zur Summierstelle 41, wo eine Vorspannung, welche gleich der 10 %igen Vorspannung ist, die der Belastungseinstellung 33 zugeführt wird, abgezogen wird, so daß die Ausgangsgröße der Summierstelle 41 die wirkliche Verbraucheranforderung ist. Das Signal der wirklichen Verbraucheranforderung gelangt zu der Summierstelle 42, wo es mit dem Signal von dem Druckregler 34 verglichen wird. Während des stationären Betriebs heben sich diese Signale auf. Wenn jedoch ein Unterschied zwischen dem Signal der Verbraucheranfordeung und des Druckreglers vorhanden ist, gibt die Summierstelle 42 ein Ausgangssignal ab, welches das Fehlersignal der Verbraucheranforderung ist. Dieses Fehlersignal gefc langt zu dem Fuhrungsregler 23, so daß die Umwälzung zur Korrektur des Fehlers ein gestellt werden kann, wie oben beschrieben wurde. Das Fehlersignal gelangt ebenfalls zu dem Sollwert-Einsteller 44.

Die Summierstelle 45 vergleicht den tatsächlichen Dampfdruck der Leitung 11, den manuell eingestellten Druck-So 11 wert 46 und das Signal von dem Sollwert-Einsteller für die vorübergehende Einstellung. Wenn ein schneller Anstieg der Verbraucheranforderung auftritt, ist das Signal des Sollwert-Einstellers 44 so groß, daß der Druckregler beträchtlich geändert wird, damit eine größere Dampfmenge zu der Turbine 12 gelangen kann.

Dos Signal von dem Druckregler 44 gelangt auch zu der Summierstelle 48, wo es mit dem Ausgangssignal des Gatters 36 verglichen wird. Die kleine Vorspannung

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(gewöhnlich entsprechend 0,07 kg/cm ) wird der Summierstelle 48 zugeführt, um das Nebenschlußventil geschlossen zu halten, weil sich die beiden anderen Signale gewöhnlich aufheben. Wenn das Druckreglersignal beträchtlich über das Signal von dem Gatter 36 ansteigt und diese Vorspannung überschreitet, was auftreten würde, wenn die vorgespannte Verbraucheranforderung das Gatter 36 steuert, betätigt das Ausgangssignal der Summierstelle 48 das Nebenschlußventil 50 über den Servomotor 51. Dadurch ergibt sich ein Nebenschluß für den Dampf zu der Turbine 12, der direkt an den Hauptkondensator 14 weitergeleitet wird. Die Dampferzeugungsrate des Reaktors kann normalen Belastungsänderungen entsprechen, so daß ein Nebenschluß für den Dampf normalerweise nicht erforderlich ist. Dies tritt auf, wenn die Verbraucheranforderung schneller fällt als das System aufnehmen kann und größer als die 10 %ige Vorspannung des Signals der Verbraucheranforderung ist.

Im folgenden soll die Arbeitsweise näher erläutert werden. Bei stationärem Betrieb gleichen sich das Signal entsprechend der Drehzahl und das Bezugssignal 32 an der Summierstelle 30 aus, so daß kein Signal von der Summierstelle 30 zu der Summierstelle 32 gelangt. Die vorgespannte Verbraucheranforderung ist dann die Belastungseinstellung 33, einschließlich der zugeführten Vorspannung. Dieses Signal gelangt zu dem Gatter 36. Inzwischen wird die Vorspannung von dem Signal der Verbraucheranforderung an der Summierstelle 41 entfernt und das Signal der Verbraucheranforderung gelangt zu der Summierstelle 42. Bei diesem stationären Zustand steuert der Druckregler die Dampfströmung zu der Turbine. Das von dem Druckregler 34 zu der Summierstelle 42 g

gelangende Signal gleicht die Belastungsanforderung aus. Deshalb ergibt sich kein Ausgangssignal von der Summierstelle 42 zu dem Sollwert-Einsteller 44 oder dem Führungsregler 23. Deshalb bleibt die Strömungsgeschwindigkeit der Umwälzung konstant. Das Gatter 36 steuert das Ventil 38 über den Servomotor 39 in Abhängigkeit von dem Signal von dem Druckregler 34. Die Summierstelle 48, die Eingangssignale von dem Druckregler 34 und dem Gatter 36 empfängt, wird innerhalb der durch die kleine Vorspannung bedingten Grenzen ausgeglichen. Deshalb bleibt das Nebenschlußventil 50 geschlossen.

Die Steuereinrichtung gemäß der Erfindung wird wirksam, wenn eine schnelle Änderung der Verbraucheranforderung auftritt. Es sei angenommen, daß ein Notfall

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oder eine Änderung der elektrischen Verbraucheranforderung auftritt, welche eine Verringerung der Drehzahl des Generators 13 entsprechend etwa 10 % der Verbraucher-

/verursacht

anforderung. Das Drehzahlsignal 31 fällt dann auf einen Wert unter demjenigen des Bezugssignals 32. Da die Ausgangsgröße der Summierstelle 30 umgekehrt proportional dem Drehzahlsignal 31 ist (wie durch das negative Vorzeichen angrenzend an den betreffenden Eingang dieses Signals gekennzeichnet ist), wird dadurch das Signal zu der Summierstelle 32 erhöht. Deshalb steigt das Signal der vorgespannten Belastungsanforderung an, weil das Ausgangssignal der Summierstelle 32 direkt proportional dem Eingangssignal von der Summierstelle 30 ist. Deswegen steigt das Signal , welches das Gatter 36 von der Summierstelle 32 erreicht, ebenfalls an. Dies hat keinen sofortigen Einfluß, weil das Gatter 36 auf das kleinere der beiden empfangenen Signale anspricht. Inzwischen erreicht ein vergrößertes Signal die Summierstelle 41, wo die zusätzliche Vorspannung entfernt wird. Das Signal für die tatsächliche Be lastungsanforderung steigt deshalb prbportional an. Das Ausgangssignal von der Summierstelle 42 erhöht sich ebenfalls proportional, weil das Eingangssignal der Belastungsanforderung das Eingangssignal von dem Druckregler 34 überschreitet. Ein Fehlersignal der Verbraucheranforderung von der Summierstelle 42 gelangt zu dem Führungsregler 23, wodurch eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit der Umwälzung bewirkt wird. Dieses Fehlersignal gelangt auch durch den Sollwert-Einsteller 44 zu der Summierstelle 45. Ein proportional ansteigendes Ausgangssignal von der Summierstelle 45 erhöht das Signal von dem Druckregler 44 zu dem Gatter 36. Da beide Eingangssignale des Gatters 36 angestiegen sind, öffnet das Gatter das Steuerventil 38 über den Servomotor 39 in Abhängigkeit von dem Signal des Druckreglers, welches immer noch das niedrigere der beiden Eingangssignale ist. Deshalb tritt eine schnelle Erhöhung der Dampfströmung von dem Reaktor 10 zu der Turbine 12 auf. Diese anfänglich höhere Dampfgeschwindigkeit aufgrund der Einstellung des Drucksollwerts verursacht eine Erhöhung der Drehzahl der Turbine. Das Ausgangssignal von der Summierstelle 32 fällt ab, wenn das Signal'des Druckreglers ansteigt, bis es gleich Null wird, zu welcher Zeit die Verbraucheranforderung erfüllt ist und das Signal des zeitweilig aktiven Sollwert-Einstellers ebenfalls gleich Null ist. Deshalb gelangt nach wenigen Sekunden der Drucksollwert auf den ursprünglichen Wert zurück. Dies ist bedeutsam, da bei einem niedrigen keaktordruck während einer längeren Zeit-

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spanne ein nachteiliger Einfluß auf die Dampfableitung bewirkt wurde, weil bei dem niedrigeren Druck mehr Fehlstellen in dem Reaktorkern auftreten könnten, was zu einem niedrigeren Anteil an Moderator in dem Reaktorkern und damit zu einer geringeren Wärmeleistung des Reaktorkerns führt. Mit einer Einrichtung gemäß der Erfindung wird jedoch der Reaktordruck nur während einer kurzen Zeitspanne erniedrigt, welche lang genug ist, um die Änderung der Verbraucheranforderung schnell aufzunehmen.

Da die Turbine 12 schnell den erforderlichen zusätzlichen Dampf erhält, steigt die Drehzahl des Generators 13 an, wodurch das Drehzahlsignal zu der Summierstelle 30 erhöht wird. Wegen der'Drehzahlregelung (ein proportionaler Drehzahlregler) entspricht das Drehzahlsignal 31 nicht vollständig dem Bezugssignal der Drehzahl an der Stelle 32, ™

weil das Ausgangssignal der Summierstelle 30 das Signal der Verbraucheranforderung liefern muß, welches notwendig ist, um das Steuerventil 38 in dem gewünschten Ausmaß offenzuhalten. Die Belastungseinstellung 33 kann um diesen Betrag erhöht werden, so daß das Drehzahlsignal gewUnschtenfalls dem Bezugssignal der Drehzahl entspricht. In jedem Fall erreicht das System deshalb einen neuen stationären Zustand mit einer größeren Umwälzung und Dampferzeugung, um dem größeren Dampfbedarf der Turbine zu entsprechen.

Wenn die Drehzahl des Generators 13 plötzlich ansteigt, tritt das Umgekehrte des oben im Hinblick auf einen plötzlichen Belastungsanstieg Beschriebenen auf. Wenn das Drehzahlsignal 31 ansteigt, fällt das Ausgangssignal der Summierstelle umgekehrt pro- _Λ

portional ab. Deshalb wird das vorgespannte Signal der Belastungsanforderung von der Summierstelle 32 vecringert. Das Gatter 36 vergleicht dieses Signal mit demjenigen von dem Druckregler 34. Wenn das Signal entsprechend der Belastungsanforderung niedriger als das Signal des Druckreglers ist, was dann der Fall wäre, wenn das Signal der Belastungsanforderung plötzlich um mehr als 10 % abfällt, dann spricht das Gatter 36 auf das Signal der Belastungsanforderung an und beginnt das Steuerventil 38 zu schließen. Inzwischen gelangt das vorgespannte Signal der Belastungsanforderung durch die Summierstelle 41, wo die Vorspannung entfernt wird, und erreicht die Summierstelle 42 als das echt· Signal der Belastungsanforderung. Da dieses Signal kleiner als das Signal von dem Druckregler ist, ist das Ausgangssignal von der Summierstelle 42 kleiner. Dieses Fehler-

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signal erreicht den Führungsregler 32, um eine Verringerung der Umwälzung zu verursachen. Dieses Signal erreicht auch die Summierstelle 45 über den Sollwert-Einsteller Das Ausgangssignal von der Summierstelle 45 ist kleiner, wodurch das Signal von dem Druckregler 34 zu dem Gatter 36 verringert wird. Dieses Signal von dem Druckregler wird an der Summierstelle 45 mit dem Signal von dem Gatter 36 verglichen. Wenn der Unterschied dieser Signale die kleine Vorspannung überschreitet, öffnet das Ausgangssignal der Summierstelle 48 das Nebenschlußventil 50 über den Servomotor 51. Dies ermöglicht einen Schnellablaß von Dampf zu dem Hauptkondensator 14, um eine unerwünschte Erhöhung des Reaktordrucks zu vermeiden. Unabhängig davon, ob es erforderlich ist, einen Nebenschluß zu dem Hauptkondensator vorzunehmen, wenn das System die Dampfzufuhr zu der Turbine 12 verringert, gelangt das Drehzahlsignal in den Normalzustand zurück, und das System gelangt zu einem stationären Betriebszustand zurück, wobei eine geringere Umwälzung vorhanden ist.

Ein Vergleich der Ansprechgeschwindigkeiten verschiedener Parameter des Reaktorbetriebs bei plötzlichen, stufenförmigen Belastungsänderungen ist in den Fig. 2 bis 5 dargestellt, wobei bekannte Einrichtungen einer Steuereinrichtung gemäß der Erfindung gegenübergestellt sind.

Die Fig. 2 und 3 zeigen die Änderung der Neutronenflußdichte F, des Dampfdurchsatzes D und des Reaktordrucks P in Abhängigkeit von der Zeit bei einer 10 %igen stufenförmigen Änderung der Belastungsanforderung. Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, benötigt das bekannte System etwa 3 Sekunden, bevor eine beträchtliche Änderung des Dampfdurchsatzes (in %) erfolgt). Die Fig. 3 betrifft dagegen eine Steuereinrichtung gemäß der Erfindung, wobei eine sehr schnelle Erhöhung des Dampfdurchsatzes erfolgt, die etwa 3 % nach etwa 2 Sekunden beträgt. Die vollständige Erhöhung des Dampfdurchsatzes um 10 % wird mit der Einrichtung gemäß der Erfindung in etwa 30 Sekunden erreicht, während bei der bekannten Einrichtung etwa 37 Sekunden erforderlich sind. Dieses beträchtlich schnellere Ansteigen des Dampfdurchsatzes resultiert von der zeitweilig wirksamen Sollwert-Einstellung, welche einen starken Abfall des Drucks im Reaktor während der ersten wenigen Sekunden nach dem Anstieg der Verbraucheranforderung ermöglicht. Wie oben ausgeführt wurde, erhöht die plötzliche Erniedrigung des

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Drucks im Reaktor während einigerSekunden den Anteil der Dampfblasen in dem Reaktorkern. Dies führt zu einem Abfall der Neutronenflußdichte während etwa 4 Sekunden. Die Neutronenflußdichte steigt aber schnell wieder an und erreicht die 10 %ige Erhöhung nach etwa 8 Sekunden, was bei bekannten Einrichtungen und bei der Einrichtung gemäß der Erfindung der IFaII ist.

Die Fig. 4 und 5 zeigen entsprechende Kurven bei einem Anstieg der Verbraucheranforderung um 20 %. Auch aus diesen Darstellungen ist ersichtlich, daß die Einrichtung gemäß der Erfindung eine viel schnellere Erhöhung des Dampfdurchsatzes in Abhängigkeit von der Belastungsanforderung ermöglicht. Auch in diesem Falle wird die Neutronenflußdichte während weniger Sekunden erniedrigt, erreicht aber schnell wieder den gewünschten Betrag.

Daraus ist ersichtlich, daß die Steueränrichtung gemäß der Erfindung ein viel schnelleres Ansprechvermögen auf plötzliche Änderungen der Belastungsanforderungen aufweist, ohne daß die Betriebssicherheit oder die Zuverlässigkeit des Reaktorbetriebs verringert wird.

Patentansprüche

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Claims

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Π. Februar 1970 E/St Meine Akte: G-1548

Patentansprüche

Iy Steuereinrichtung für einen Siedewasserreaktor, der Dampf an einen Verbraucher mit unterschiedlicher Belastungsanforderung liefert, mit einer Umwälzeinrichtung für das Kühlmittel, durch die das als Kühlmittel dienende Wasser über eine Pumpe durch den Reaktorkern umgewälzt wird, mit einem Ventil zur Steuerung des Dampfdurchsatzes zu dem Verbraucher, für welches eine auf Änderungen der Belastung ansprechende Einrichtung vorgesehen ist, die ein Signal entsprechend einer Belastungsanforderung erzeugt, sowie mit einer auf den Druck in dem Reaktor und auf den Sollwert des Drucks des Reaktors ansprechenden Druckregeleinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Umwälzeinrichtung mit der ersten Einrichtung zur Änderung der Umwälzgeschwindigkeit entsprechend Änderungen des Signals für die Belastungsanforderungen verbunden ist, daß eine Ventilbetätigungseinrichtung die erste Einrichtung und die Druckregeleinrichtung verbindet, um das Ventil zur Änderung des Dampfdurchsatzes von dem Reaktor zu dem Verbraucher entsprechend dem kleineren der Signale von der ersten Einrichtung und der Druckregeleinrichtung zu betätigen, und daß eine vorübergehend wirksame Einstelleinrichtung für einen Drucksollwert auf die erste Einrichtung anspricht, um den Sollwert der Druckregeleinrichtung zu erniedrigen, wodurch der Reaktordruck zeitweilig unter den normalen Drucksollwert in Abhängigkeit von einem plötzlichen Anstieg der Belastungsanforderung verringert wird.
2. Steuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine auf die Ventilbetätigungseinrichtung und die Druckregeleinrichtung ansprechende Nebenschlußeinrichtung Dampf von dem Verbraucher ableitet, falls die Dampfzufuhr beträchtlich über den Betrag ansteigt, der durch den Verbraucher aufnehmbar ist.
3. Steuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umwälzeinrichtung einen Führungsregler aufweist, der auf die Belastungsänderungen anspricht, daß zumindest eine veränderliche Pumpeinrichtung auf den Führungsregler anspricht, daß die Pumpeinrichtung einen Drehzahlregler aufweist, der auf den Führungsregler anspricht und auf einen die Drehzahl der Umwälzpumpe nachweisenden Tachometer, daß

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20ÜG299

eine Kupplungseinrichtung mit veränderlicher Drehzahl durch den Drehzahlregler betätigbar ist, daß ein Motor mit konstanter Drehzahl antriebsmäßig mit der Kupplungseinrichtung verbunden ist, daß ein Wechselstromgenerator von der Kupplungseinrichtung angetrieben wird, daß der Antriebsmotor der Pumpe durch das Ausgangssignal des Wechselstromgenerators gesteuert wird, und daß die Pumpe über eine Kühlmittel leitung mit dem Reaktor verbunden ist, um das Kühlmittel durch den Reaktorkern umzuwälzen.
4, Steuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Einrichtung eine Nachweiseinrichtung für Belastungsänderungen aufweist, daß eine _Λ erste Summiereinrichtung Signale entsprechend Belastungsänderungen mit einem Bezugssignal vergleicht, und daß eine zweite Summiereinrichtung das Vergleichssignal der ersten Summiereinrichtung mit einem Belastungseinstellsignal vergleicht und ein Belastungsanforderungssignal erzeugt.
5. Steuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckregeleinrichtung eins Drucksummiereinrichtung aufweist, welche Signale von der Dampfdruckeinstelleinrichtung in dem Reaktor, einem Drucksollwertsignal und einer zeitweilig wirksamen Drucksollwert-Einstelleinrichtung vergleicht, welche den Sollwert des Reaktors erniedrigt, wenn das Belastungsanforderungtsignal das Ausgangssignal der Drucksummiereinrichtung beträchtlich überschreitet.

009836/U09

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