SE426756B - Syrsystem for matarvattnet vid ett kernkraftverk - Google Patents

Description

18971 3615-'3 40 2 och ledes genom en proportional-integral-(PI)-regulator, som har till uppgift att eliminera stationära nivåfel. Dessutom finnes det en matarvattenflödes-ångflödes-missanpassningskanal, som har till upp- gift att anticipera ett begynnande nivåfel. De summerade signalerna för vattennivån och flödesmissanpassningen passerar därefter genom en annan proportional-integral-regulator, som eliminerar stationära fel i matarvattenflödet.

Denna tidigare använda typ av styrning och reglering fungerar tillfredsställande vid måttliga eller högre belastningsnivåer men ej % vid låga belastningsnivåer, exempelvis under 15 av den normala märklasten. Det är i själva verket på grund av denna brist som en automatisk reglering av matarvattnet ej varit möjlig. Såvida inte matarvattnet är korrekt reglerat eller styrt vid låga belastnings- nivåer, uppträder "puttring" under uppstartning. Detta tillstånd kan beskrivas som ett kraftigt svängningstillstånd ("hunting"), som för- orsakas av flödet av ett överskott av kallt matarvatten in i ång- generatorn, medan denna försöker att generera ånga som svar på ordern om uppstartning av kraftverket.

Det väsentliga ändamålet med föreliggande uppfinning är att åstadkomma ett förbättrat matarvattenstyrsystem för ett kärnkraftverk av det inledningsvis angivna slaget, vilket styrsystem kan styra matarvattenflödet vid låga effektnivåer på ett tillförlitligt, effektivt och noggrant sätt.

Det i första hand speciellt utmärkande för styrsystemet enligt uppfinningen framgår av det bifogade patentkravet.l.

Fördelaktiga vidareutvecklingar och utföringsformer av styr- systemet enligt uppfinningen har de i patentkraven 2-4 angivna kännetecknen. I Uppfinningen baserar sig på upptäckten, att vid låga belast- ningsnivåer är en acceptabel reglering av matarvattenflödet ej möj- lig, eftersom vid dessa låga belastningsnivåer en ångflödesmätning med den för en tillförlitlig reglering av matarvattenflödet erforder- liga noggrannheten ej är tillgänglig. Ångflödesmätningen âstadkommes genom en differentialtrycksmätning i ångledningen och vid låga ång- flöden är šdllnadstrycket alltför litet för att ge en mätsignal med tillräcklig noggrannhet. Ändring i ångflödet vid ändring av be- lastningsnivån uppträder också efter det att den effektalstrande apparaten svarar på ordern om ändrad effekt och är ej helt till- fredsställande som ett börvärde för matarvattenventilen.

Enligt föreliggande uppfinning styres matarvattenflödet genom 40 7801365-3 3 kombinering av en nivåmätningskomponent och en nukleär-effekt- mätningskomponent. Nivåmätningskomponenten erhålles på samma sätt som enligt den kända tekniken. Summan av ångtrycket och vattentrycket i ânggeneratorns fallspalt mätes med referens till en vattenpelare och denna storlek jämföres med bör-vattennivån, så att ett nivåfel erhålles, som matas in i regulatorn. Mätvärdet för den nukleära effekten erhålles genom mätning av neutronflödet hos reaktorn, i det typiska fallet medelst en utanför reaktorhärden placerad detektor.

Det första svaret på ordern om ändring av uteffekten är en utdragning eller inskjutning av reaktorns styrstavar. Det omedelbara svaret på denna ändring är en motsvarande variation av neutronflödet. Mätvärdet för det nya neutronflödet ger en tidig signal om ändringen i effekt- nivån.

' På grund av den värmebalans som existerar under stationärt tillstånd, är den nukleära effekten proportionell mot ângflödet (kraftverkets belastning) och kan därför användas till att ge den stationära bör-komponenten för matarvattenreglerventilen. Den upp- mätta nukleära effekten svarar snabbt på belastningsändringar och ger snabbt det nya bör-värdet för ventilen, som balanserar det nya ångflödet. Nivåtrimkanalen enligt den kända tekniken bibehålles för att det stationära nivâfelet fortfarande skall hållas på noll.

Dessutom beaktar nivåtrimkanalen de små avvikelserna mellan den uppmätta nukleära effekten och den verkliga nukleära effekten, inklusive sönderfallsvärme, vid varm nolleffekt.

För matarvattenreglering vid låg effekt arbetar styrsystemet enligt uppfinningen via en mindre reglerventil (i shuntledningen) än den som användes vid full effekt, så att ventilen arbetar inom den lineära delen av sin öppnings-flödes-karakteristika. Alternativt kan den önskade lineära funktionen erhållas genom användning av matar- vattenpumpar med variabel hastighet.

Medan den föreliggande uppfinningen har unika fördelar jämfört med den kända tekniken vid låg belastning, uppvisar den även totalt sett, vid såväl låga som högre belastningar, fördelar gentemot den kända tekniken. Den kräver en âterkopplingsvariabel mindre och kräver ej en andra proportional-integral-regulator för tillfredsställande funktion.

I det följande skall uppfinningen närmare beskrivas i anslut- ning till bifogad ritning, vilken såsom exempel illustrerar en ut- föringsform av uppfinningen, varvid fig. l visar ett blockschema över ett styrsystem utformat 7%0.1.5»65- 3 enligt uppfinningen; fig. 2 är en schematisk delvy i större skala av den del av systemet i fig. l som är visad inom cirkeln II i fig. l; fig. 3 är ett flödesschema, som visar det inbördes sambandet mellan de styrkomponenter, som samverkar vid genomförande av upp- finningen; 7 fig. 4 är ett diagram, som visar effekterna av olika inställ- ningar, erhållna genom analog simulering,för matarvattenstyrsystemet % enligt uppfinningen med antagande av en 5 belastningsändring; fig. 5 är ett motsvarande diagram erhållet genom digital simulering i en LOFTRAN-dator; fig. 6a, b, c, d och e är diagram, som visar ändringarna i de olika parametrarna hos matarvattenstyrsystemet enligt uppfinningen , och för en språngvis belastningsminskning om 5 %- fig. 7a, b, c, d och e är motsvarande diagram för en språng- artad belastningsökning.

Pig. l och 2 visar schematiskt och såsom exempel ett kärnkraft- verk, som innefattar en kärnreaktor ll, som är termiskt kopplad till ett flertal ånggeneratorer 13 och 15. En primär krets 17 respektive 19, som innehåller en pump 18 resp. 20, förbinder reaktorn ll ter- miskt med var och en av ånggeneratorerna 13 och 15. Kylmedel, i det typiska fallet under tryck stående vatten, strömmar genom den ej visade reaktorhärden i reaktorn ll och genom var och en av genera- torerna 13 och 15. Det värme som av var och en av de primära kyl- kretsarna 17 och 19 tages ut från reaktorhärden, användes i ånggene- ratorerna 13 och 15 till förångning av vatten.

Var och en av ånggeneratorerna 13 resp. 15 är förbunden med en sekundär krets 21 resp. 23.

Ehuru uppfinningen är speciellt lämplig för ångdrivna effekt- alstrande apparater, är refererandet till "vatten" och "ånga" i den föreliggande beskrivningen ej avsett att begränsa uppfinningen. Upp- finningen kan sålunda även tillämpas i samband med effektalstrare som drives av andra fluider än vatten, varför de för enkelhetens och bekvämlighetens skull använda uttrycken "vatten" och "ånga" är avsedda att inbegripa även sådana andra fluider.

Det i fig. 1 och 2 schematiskt illustrerade kärnkraftverket innefattar vidare en turbin 25 och en elektriskt generator 27, som drives av turbinen. Var och en av de sekundära kretsarna 21 och 23 innefattar en första gren 29 för církulering av ånga från varie ång- generator 13 och 15 till turbinen 25 för drivning av denna och en ' 10 40 7801365- 3 andra gren 31 för cirkulering av matarvatten från turbinen 25 till den motsvarande ånggeneratorn 13 resp. 15. Grenarna 31 har en gemen- sam kondensor 33 för kondensering av drivfluidumet från turbinen 25, en kondensatpump 35 och ett flertal matarvattenvärmare 37. Var och en av matarvattengrenarna 31 innefattar också en matarvattenpump 39, en matarvattenvärmare 41 och en ventilenhet 43 (se fig. 2). Var och en av dessa ventilenheter 43 innefattar en huvudventil 45 i huvudled- ningen. Förbi denna ventil 45 finnes det en shuntledning 47, i vilken det finns en shuntventil 49. Varje sådan shuntventil 49 har en kapa- citet av ca 20 % av huvudventilens 45 kapacitet och har till uppgift att reglera matarvattenflödet vid låga belastningsnivåer.

Kärnreaktorn 11 är försedd med konventionella anordningar 51 för alstring av en signal från neutronflödet i reaktorhärden, som är beroende av reaktorns effekt. Varje ånggenerator 13 och 15 är vidare försedd med konventionella organ 53 resp. 54 för alstring av signaler beroende av vattennivåns avvikelse från den önskade vatten- nivån, dvs. signaler beroende av vattennivåfelet. Då matarvattnet regleras både vid låga belastningsnivåer och högre belastningsnivåer i enlighet med den föreliggande uppfinningen, erfordras endast en vattennivåfelsignal från varje ånggenerator 13 resp. 15. Om matar- vattenflödet vid högre belastningsnivåer däremot regleras i enlighet med den tidigare kända tekniken och endast vid låga belastningsnivåer i enlighet med den föreliggande uppfinningen, såsom exempelvis då matarvattenregleringen enligt den föreliggande uppfinningen fogas till en redan existerande anläggning, ger anordningarna 53 och 55 ångflödessignaler och matarvattenflödessignaler. Signalerna från organen 51 och 53 och 55 är elektriska signaler och tillföres ven- tilstyrningarna 57 resp. 59 för behandling. Ventilstyrningarna eller ventilregulatorerna 57 och 59 styr ventilerna 45 och 49 i respektive ventilenheter 43. I fig. 2 visas, att ventilen 45 styres från den tidigare kända tre-komponentstyrningen genom signalsummeraren 61, medan ventilen 49 styres i enlighet med den föreliggande uppfinningen via signalsummeraren 63.

Såsom fig. 3 visar, matas den elektriska är-nivå-signalen från varje ånggenerator 13 och 15 till ett filter 71, som filtrerar bort signalbruset. I den angivna överföringsfunktionen för detta filter 71 är S LaPlace-operatorn och Tl filtrets 71 tidskonstant. Den önskade vattennivån för varje ånggenerator 13 och 15 erhålles från en funktionsgenerator 73, då denna aktiveras av en order (turbin- impulsstegtrycket) för ökning eller minskning av uteffekten från an- l0 moewsss-s i 6 läggningen. Den genererade funktionen är grafiskt visad i schema- blocket 73. I detta diagram är bör-effekten avsatt horisontellt och ångtrycket avsatt vertikalt. Kurvan ger den önskade vattennivån. Bör- vattennivåsignalen för den önskade vattennivån ledes genom ett signal- brusfilter 75, vars tidskonstant är T2. Nivåfelsignalen erhålles från 7l och 75. Signalsummeraren 77 ger en utgångssignal som motsvarar skillnaden en signalsummerare 77, som tillföres signalerna från filtren mellan de båda ingångssignalerna. Nivâfelsignalen tillföres huvud- ventilen 45 genom en ej visad proportional-integral-regulator och tillföres styrning 81. I PI-styrningen 81 är K3 förstärkningen och T3 tidskon- även en signalsummerare 63 genom en proportional-integral- stanten, varvid K3 = % ventilomställning/ % nivåfel.

Signalen för den nukleära effekten tillföres signalsummeraren 63 genom ett filter 83, i vars överföringsfunktion K4 är förstärkningen och T är tidskonstanten. Dessa parametrar är justerbara. 4 _ % ventilomställning u 0 . N K4 - % nukleär effekt for 100 6 nominellt flode genom shuntled- ningen 47. Den algebraiska summan av nivåfelsignalen och nukleär- effekt-signalen avges till en-automatisk-manuell-reglerstation 78, som avger de erforderliga styrsignalerna till shuntventilen 49.

Komponenterna i-de i fig. 3 visade blocken, såsom filtren 71, 75, 83 och PI-enheten 8l, utgöres av elektroniska halvledarkomponen- ter, vilka är avri och för sig konventionellt slag.

De i fig. 3 angivna integralerna tages över den tid under vil- ken regleringen utföres. Nivån regleras i en sluten slinga, i vilken återkopplinqssignalon utgöres av signalen för den verkliga nivån i en ånggenerator i varje ögonblock. Nukleär-effekt-signalen matas in i en öppen krets.

Fig. 4 visar de effekter, härledda genom analog analys, som uppträder vid variering av parametrarna K3 och T3. I diagrammet är K3 avsatt vertikalt och T3 avsatt horisontellt i sekunder. Kordina- tor är visade med referens till 100 % flöde genom shuntventilen 49 a\° (vänster) och med referens till 100 flöde genom huvudventilen 45 (höger). Ovanför den övre kurvan 91 oscillerar eller svänger syste- met. Under den nästföljande kurvan 93 och ovanför kurvan 95 är in- ställnings- eller insvängningstiden för systemet mindre än l0 minuter.

Under den nästa kurvan 99 och ovanför den nedersta kurvan 97 är den. maximala avvikelsen från den önskade nivån mindre än 15 %. Det sned- streckade området l00 är det önskade operationsområdet.

Fig. 5 är ett diagram liknande det i fig. 4 men härlett medelst 7301365-3 7 digital analys (LOFTRAN} Kurvorna l0l, 103, 105, 107 och l09 samt det snedstreckade området lll svarar mot kurvorna 91, 93, 95, 99 resp. 97 och det snedstreckade området 100 i fig. 4.

I diagrammet i fig. 6 visar kurvorna a-e de effekter som en språngartad minskning av belastningsnivån med 5 % har på de olika driftsparametrarna vid ett system enligt den föreliggande uppfin- ningen. Dessa kurvor är erhållna genom digital datoranalys. För samt- liga kurvor är tiden avsatt horisontellt i sekunder. Punkter på samma vertikala linje genom samtliga kurvor svarar mot samma tidpunkt.

I kurvorna a och c-e är procentuell ändring avsatt vertikalt medan i kurvan b temperaturen i Fo är avsatt vertikalt. Kurvan c visar den sprângvisa ändringen med 5 % i ångflödet. Kurvan d visar att den maximala vattennivåändringen endast är 10 % och att vatten- nivåändringen blir noll inom ca 300 sekunder. Kurvan e visar att matarvattenflödet svänger in till ett stationärt tillstånd på endast ca 300 sekunder.

Såsom fig. 6 visar, medför en minskning i ångflödet en primär- sekundär-effektmissanpassning, som leder till en ökning i det primära kylmedlets temperatur. Styrstavarna drives in i reaktorhärden och reducerar den nukleära effekten till den nya belastningsnivån. Vid en belastningsminskning har vattennivån i ånggeneratorerna en tendens attndnmaisanfölji av både reduktionen i ångalstring och ökning i ångtrycket, vilket ökar fallspaltsvattnets densitet och reducerar voidhalten i vattnet. Matarvattenflödet är sammansatt av en nivå- kanalkomponent plus en nukleär-effekt-komponent. Det skall observeras, att nukleär-effekt-komponenten tenderar att snabbt driva matar- flödet till dess nya stationära värde. Nivåtrimkanalen strävar emellertid, som en följd av nivåsänkningen, att öka flödet under den period då nivån är lägre än bör-värdet för nivån. Nettoeffekten blir en rampliknande minskning i matarvattenflödet till dess nya statio- nära värde, vilket minimerar nivåfeltransienten.

Fig. 7 är ett diagram av samma slag som diagrammet i fig. 6 men visar effekten av en språngartad belastningsökning med 5 %, exempelvis av det slag som skulle kunna uppstå under uppstartning.

I detta fall ändras vattennivån endast med 15 % och svänger in till noll inom ca 300 sekunder. Matarvattenflödet stabiliseras inom ca 400 sekunder.

Claims (4)

;eo1s¿s-3 8 Patentkrav
1. l. Styrsystem för matarvattnet vid ett kärnkraftverk, som inne- fattar en kärnreaktor (ll), en turbin (25) anordnad att drivas från reaktorn, en ånggenerator (13, l5) kopplad till reaktorn (ll) till att erhålla termisk energi från densamma, och ett fluidumcirkula- tionssystenysom förbinder turbinen (25) med ânggeneratorn (13, l5) och som innefattar en första gren (29) för cirkulering av ånga från ånggeneratorn till turbinen för drivning av denna och en andra gren (31) för cirkulering av matarvatten från turbinen till ånggeneratorn, i vilken matarvattnet omvandlas till ånga med utnyttjande av den från reaktorn till ånggeneratorn avgivna termiska energin, varvid styr- systemet för matarvattnet innefattar ventilorgan (43) anordnade i nämnda andra gren (31) för styrning av matarvattenflödet till ång- generatorn (13, 15), k ä n n e t e C k n a t av att vid låga be- lastningar styres nämnda ventilorgan (43) i beroende av storleken av den av kärnreaktorn (ll) avgivna effekten och vattennivån i ång- generatorn (13, l5).
2. 2. Styrsystem enligt krav l, k ä n n e t e c k n a t av att nämnda andra gren (31) innehåller en huvudledning med en huvudventil (45) för reglering av matarvattenflödet vid hög belastning och en parallellt med nämnda huvudledning anordnad shuntledning (47) inne- hållande en shuntventil (49) för reglering av matarvattenflödet vid låg belastning, vilken shuntventil styres i beroende av storleken av den av kärnreaktorn avgivna effekten och vattennivån i ånggene- ratorn.
3. 3. Styrsystem enligt krav 2, k ä n n e t e c k n a t av att shuntledningen (47) har en maximal kapacitet om ca 20 % av huvudled- ningens nominella kapacitet.
4. 4. Styrsystem enligt något av kraven l - 3, k ä n n e t e c k - n a t av att storleken av den av kärnreaktorn avgivna effekten här- ledes i beroende av neutronflödet i reaktorns reaktorhärd. ÅNFURDÅ PUBLIKATIONER: