DE69012604T2

DE69012604T2 - Gerät zur Messung von Kühlmitteldurchflussmengen und zur Kraftsteuerung in einem Siedewasserreactor.

Info

Publication number: DE69012604T2
Application number: DE69012604T
Authority: DE
Inventors: Takao Fujii
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1989-02-17
Filing date: 1990-02-16
Publication date: 1995-03-02
Anticipated expiration: 2010-02-17
Also published as: EP0383628B1; EP0383628A2; EP0383628A3; US5118461A; DE69012604D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gerät zur Messung von Kühlmitteldurchflußmengen und zur Kraftsteuerung in einem Siedewasserreaktor.
In einem Siedewasserreaktor wird mittels einer Vielzahl von Umwälzpumpen nach einem Reaktorkern ein Kühlmittel in dem Druckbehälter zirkuliert, wobei nach dem Kern eine laufende exakte Messung einer Durchflußrate und einer Durchflußverteilung des in Druckbehälter zirkulierten Kühlmittels und eine ständige Überwachung des Reaktorzustandes erforderlich sind.
Ein allgemeiner Aufbau eines herkömmlichen Siedewasserreaktors und Mittel zur Bestimmung einer Durchflußrate des Kühlmittels werden nachstehend unter Bezugnahme auf die Fig. 1 erläutert. Der Reaktor besteht aus einem Druckbehälter 1 mit einem darin angeordneten Kern 2. Der Kern 2 ist von einem Kernmantel 6 umgeben, wobei ein Dampfabscheider 3 über dem Kernmantel 6 angeordnet ist, um Wasser vom im Kern erzeugten Dampf zu trennen und diesen als getrockneten Dampf an eine Turbine etc. zu liefern. Das aus dem Dampf abgeschiedene Kühlmittel strömt mittels einer Vielzahl von Umwälzpumpen 10 durch einen Strömungpfad, der von der Außenseite des Kernmantels 6 und der Innenwand des Druckbehälters 1 begrenzt wird, nach unten in einem Raum unter dem Kern 2 und von diesem Raum unter dem Kern 2 in den Kern, den es nach dem Sieden am oberen Ende wieder verläßt. Danach beginnt der oben beschriebene Kreislauf des Kühlmittels erneut. Jede der Umwälzpumpen 10 wird über die jeweils zugehörige Antriebswelle 9 vom außerhalb des Druckbehälters befindlichen Motor 11 angetrieben.
Bei diesem Reaktortyp ist es erforderlich, die Durchflußrate des Kühlmittels in den Kern exakt zu messen und den Zustand des Reaktors zu überwachen. Ein herkömmliches Mittel zur Bestimmung der Durchflußrate des Kühlmittels ist wie nachstehand beschreiben angeordnet.
Öffnungen 25A, 25B von Rohren für eine Vielzahl von Gitterplatten- bzw. Kerneintritts-Differenzdruckfühlern 25 stehen mit dem Zuströmbereich 14 des Kerns 2 in Verbindung und sind an einer Kernträgerplatte oder an der Eintrittsöffnung einer Brennstabanordnung angebracht. Drucksignale entsprechend der an diesen Öffnungen anstehenden Drücke werden an einen Differenzdruck/Durchfluß-Meßwandler 26 übermittelt, so daß die Durchflußrate für das Kühlmittel bestimmt wird.
Weiter ist eine Vielzahl von Differenzdruckfühlern 23 für die Pumpen vorgesehen, um die Differenzdruckfühler 25 am Kerneintritt zu korrigieren und zu ergänzen. Öffnungen 23A, 23B von Rohren für die Differenzdruckfühler 23 am Pumpenabschnitt sind an der Saug- bzw. Druckseite der jeweiligen Umwälzpumpe 10 angeordnet. Ein Differenzdruck-Ausgangssignal vom Differenzdruckfühler 23 an der Pumpenbühne wird in eine Berechnungseinrichtung 24 für den Pumpenabschnitt eingespeist. Die Drehzahl des Motors 11 zum Antrieb der Umwälzpumpe 10 wird vom zugehörigen Drehzahlgeber 22 erfaßt, wobei der Drehzahlgeber 22 ein Drehzahlsignal an die Berechnungseinrichtung 24 für den Pumpenabschnitt übermittelt. Mit einem Differenzdruck zwischen Saug- und Druckstutzen und der Drehzahl der Pumpen als Parameter werden zunächst auf einem Prüfstand Zusammenhänge zwischen diesen Parametern und der Pumpenförderleistung der jeweiligen Pumpe 10 ermittelt und ebenfalls in die Berechnungseinrichtung 24 für den Pumpenabschnitt einprogrammiert. Die Durchflußrate des Kühlmittels durch die Pumpe 10 wird von der Berechnungseinrichtung 24 für den Pumpenabschnitt bestimmt, wobei das von der Berechnungseinrichtung 24 für den Pumpenabschnitt abgegebene Ausgangssignal für die Durchsatzrate der jeweiligen Pumpe in einen Rechner 27 eingegeben wird, der die gesamte Durchflußrate aller Umwälzpumpen bestimmt.
Ein Ausgangssignal für die Durchflußrate vom Rechner 27 und das Ausgangssignal vom Rechner bzw. Differenzdruck/Durchfluß-Meßwandler 26 werden über eine Korrekturaufschaltung 28 an eine Betriebsüberwachungseinrichtung 29 für den Reaktor übertragen. Durch die Umschaltfunktion der Korrekturaufschaltung 28 ist es möglich, eine Nachjustierung der Differenzdruckfühler 25 an den Gitterplatten durchzuführen und im Fall einer Fehlfunktion dieser Differenzdruckerfassung im Kern eine entsprechende Reservefunktion bereitzustellen.
Eine Verbindungsleitung vom obenerwähnten Differenzdruckfühler 23 an der Pumpenbühne zeigt im Fall eines vorübergehenden Stillstands oder eines Teilbetriebs der Umwälzpumpen 10 eine verringerte Genauigkeit. Die Ursache hierfür wird nachstehend unter Bezug auf die Fig. 2A und 2B erläutert.
Die Fig. 2A und 2B zeigen modifizierte Querschnitte des Druckbehälters 1 auf Höhe der Umwälzpumpen 10. Das Bezugszeichen 12 in den Fig. 2A und 2B bezeichnet einen zylindrischen Träger 12 für den Kernmantel mit den Durchlaßöffnungen 13 vor den jeweiligen Umwälzpumpen 10 und im Mittelbereich zwischen jeweils benachbarten Umwälzpumpen.
Die Fig. 2A illustriert einen Fall, bei dem alle Umwälzpumpen 10 mit der gleichen Drehzahl betrieben werden, wobei das Kühlmittel in Richtung der im Umriß dargestellten Pfeile in Fig. 2A strömt. In diesem Fall strömt ein Teil des Förderstroms der jeweiligen Umwälzpumpe 10 unmittelbar von der Durchlaßöffnung 13 vor der betreffenden Umwälzpumpe in ein unteres Plenum, während ein weiterer Teil des Förderstroms von der jeweiligen Umwälzpumpe 10 horizontal in Umfangsrichtung abströmt. Der letztgenannte Kühlmittelstrom sowie ein von der nächsten benachbarten Umwälzpumpe kommender Kühlmittelstrom treffen im Mittelbereich zwischen den beiden Pumpen aufeinander und treten durch die Durchlaßöffnung 13 zwischen den beiden Umwälzpumpen in das untere Plenum ein.
Die Fig. 2B illustriert einen Fall, bei dem eine Umwälzpumpe (z.B. die Umwälzpumpe 10B) außer Betrieb ist, während die anderen Umwälzpumpen 10A mit gleicher Drehzahl weiterarbeiten, wobei Kühlmittel in Richtung der schwarz ausgelegten Pfeile der Fig. 2B strömt. In diesem Fall gelangen die Förderströme der benachbarten Pumpen 10A auf beiden Seiten der leerlaufenden Pumpe 10B in Umfangsrichtung bis zum Austritt der leerlaufenden Pumpe 10B. Ein Teil des zur Austrittsseite gelangenden Kühlmittels strömt durch die Durchlaßöffnung 13 vor der leerlaufenden Pumpe 10B in das untere Plenum, während der andere Teil in Rückwärtsrichtung durch die leerlaufende Pumpe 10B abströmt. Selbst wenn in diesem Fall die Durchflußraten am Austritt der einzelnen in Betrieb befindlichen Pumpen aufsummiert werden, ist es nicht möglich, eine genaue Kühlmitteldurchflußrate durch den Kern zu berechnen.
Obwohl oben in Verbindung mit der Fig. 2B zum besseren Verständnis ein einfacherer Fall beschrieben wurde, können in der Praxis mehrere Umwälzpumpen außer Betrieb sein, oder es können eine Vielzahl von Pumpen mit unterschiedlichen Drehzahlen betrieben werden. In einem so kompliziert gelagerten Fall war es bisher schwierig, die Durchflußrate des Kühlmittels präzise zu bestimmen.
Das vorerwähnte Problem tritt bei der exakten Messung der Durchflußrate des Kühlmittels im Druckbehälter des Reaktors auf, wobei komplexe Verhältnisse hinsichtlich der Strömungsführungen bzw. der Strömungspfade und der Kreislaufleitungen innerhalb des Druckbehälters und durch die Durchlaßöffnungen vorliegen. Die exakte Messung der Strömungsverhältnisse im Druckbehälter unter anormalen Betriebsbedingungen ist schwierig, weshalb ein zunehmender Bedarffür ein Gerät zur genauen Messung der Durchflußrate unter komplexen Durchströmungsbedingungen besteht.
Zwar beschreibt die US-A-4 478 783 ein System zur Regelung des Speisewasserdurchsatzes in einem Kernkraftwerk, wobei Parameter wie die Durchflußwiderstände von Ventilen und Pumpen sowohl in stationären als auch in dynamischen mathematischen Modellen festgehalten werden, um die automatische Steuerung des Systems zu unterstützen. Diese Modelle berücksichtigen jedoch nicht die komplexen Strömungsverhältnisse in den Durchlaßöffnungen, z.B. in Verbindung mit Strömungsbehinderungen im Bereich sonst freier Öffnungen.
Dementsprechend stellt die Erfindung ein Gerät gemäß Anspruch 1 für einen Siedewasserreaktor bereit.
In einer bevorzugten Ausführungsform erfaßt eine Drehzahlerfassungseinrichtung bzw. ein Drehzahlgeber die Drehzahl eines Motors zum Antrieb einer Fluidumwälzeinrichtung bzw. Umwälzpumpe und liefert ein entsprechendes Drehzahlsignal an eine Rohrnetzmodell-Berechnungseinrichtung, in der ein vorprogrammiertes Rohrnetzmodell entsprechend einer realen Kühlmittelführung im Druckbehälter abgespeichert ist. Die Parameter für das Rohrnetzmodell sind entsprechend der Umwälzpumpe im Rohrnetzmodell auf einen Wert gesetzt, der der Drehzahl des Motors zum Antrieb der Umwälzpumpe entspricht, wobei das Gerät auf analytischem Weg eine Durchflußrate an jedem Punkt der Rohrnetzmodells bestimmt. Auf Basis dieses Ergebnisses ist es möglich, eine Durchflußrate des Kühlmittels an den entsprechenden Stellen des Druckbehälters abzuschätzen.
Da das Gerät eine Durchflußrate im Rohrnetz ableitet, wobei die Kühlmittelführung im Druckbehälter durch das Rohrnetzmodell ersetzt ist, ist die einfache und genaue Berechnung einer tatsächlichen Durchflußrate in jedem Teil der Kühlmittelführung im Druckbehälter möglich. Selbst dann, wenn die Kühlmittelführung im Druckbehälter kompliziert gestaltet ist oder wenn eine Vielzahl von Umwälzpumpen in die Kühlmittelführung einbezogen ist, kann die Durchflußrate in jedem Teil der Kühlmittelführung im Druckbehälter einfach und genau bestimmt werden.
Der Druckbehälter enthält einen Kern, einen Kernmantel, einen Kernmantelträger und anderes mehr, wodurch eine Kühlmittelführung verwirklicht wird, innerhalb der das Kühlmittel durch die Umwälzpumpen zirkuliert werden kann. Diese Kühlmittelführung ist nicht derart gestaltet, daß sie überall nur von Wänden begrenzt wird, so daß sich ein komplexes Strömungsmuster ergibt; die Zirkulation des Kühlmittels erfolgt durch eine Vielzahl von Umwälzpumpen. Diese Pumpen lassen nach einer teilweisen Stillsetzung eine Rückströmung zu, die zu einer sehr komplizierten Kühlmittelströmung innerhalb des Druckbehälters führt. Daher ist eine Messung des tatsächlichen Kühlmitteldurchflusses in den verschiedenen Teilen des Druckbehälters schwierig. Bei der erfindungsgemäßen Messung einer Durchflußrate innerhalb des Druckbehälters des Reaktors wird ein Rohrnetzmodell auf Basis der tatsächlichen Kühlmittelführung im Druckbehälter erstellt, wobei die Drehzahlen der jeweiligen Umwälzpumpen durch entsprechende Variable des Rohrnetzmodells ersetzt werden und wobei ein Kühlmitteldurchsatz auf Basis des Rohrnetzmodells berechnet wird, so daß eine einfache und genaue Abschätzung einer Kühlmitteldurchflußrate im Druckbehälter möglich ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird das Resultat der Messungen an eine Steuereinheit für die Umwälzpumpe im Reaktor zurückgeführt, wodurch es zusätzlich möglich ist, die Kühlmitteldurchflußrate automatisch auf einem festgelegten Wert zu halten. Mit dieser Form der Korrektur kann für den Fall, daß eine oder mehrere der Umwälzpumpen mit niedriger Drehzahl arbeiten oder stillgesetzt sind, ein Abfall der Kühlmitteldurchflußrate erkannt werden, so daß die Drehzahl der übrigen Umwalzpumpen automatisch entsprechend dem erhaltenen Ergebnis erhöht werden kann, um die Kühlmitteldurchflußrate durch den Kern auf einem festgelegten Normalwert zu halten. Damit kann die Zuverlässigkeit der Betriebs- und Überwachungsfunktionen der Reaktoranlage gesteigert werden.
Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachstehend unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen erläutert; es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Durchflußmeßeinrichtung zur Messung des Kühlmitteldurchflusses in einem herkömmlichen Siedewasserreaktor;
Fig. 2A einen horizontalen Teilschnitt auf einem Höhenniveau zur Wiedergabe der im Reaktor nach Fig. 1 angeordneten Umwälzpumpen, wobei die Strömungsbedingungen des Kühlmittels im Normalbetrieb der Umwälzpumpen durch Pfeile verdeutlicht sind;
Fig. 2B einen horizontalen Teilschnitt auf einem Höhenniveau zur Wiedergabe der im Reaktor nach Fig. 1 angeordneten Umwälzpumpen, wobei eine der Pumpen stillgesetzt ist und die Strömungsbedingungen des Kühlmittels durch Pfeile in Fig. 2B verdeutlicht sind;
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Siedewasserreaktors einschließlich einer Ausführungsform eines Durchflußmeßteils eines Geräts gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4 eine von innen betrachtete Seitenansicht eines Kernmantelträgers des Reaktors nach Fig. 1 und des Bereichs der Umwälzpumpen;
Fig. 5 eine Draufsicht zur schematischen Darstellung des Bereichs der Umwälzpumpen nach Fig. 4, durch den die Kühlmittelströmung bestimmt wird;
Fig. 6 eine Darstellung des Rohrnetzmodells entsprechend der Kühlmittelführung nach Fig. 5;
Fig. 7 eine Darstellung zur Verdeutlichung der Strömungsbedingungen im Rohrnetzmodell nach Fig. 6; und
Fig. 8 eine schematische Darstellung eines Geräts zur Messung von Durchflußmengen und zur Kraftsteuerung entsprechend einer erfindungsgemäßen Ausführung.
Die Ausführung des Durchflußmeßteils eines erfindungsgemäßen Geräts wird nachstehend unter Bezug auf die Fig. 3 bis 7 erläutert.
Die Fig. 3 ist eine schematische Darstellung eines Siedewasserreaktors mit dem Durchflußmeßteil eines Geräts gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Reaktor umfaßt einen Druckbehälter 1 mit einem darin angeordneten Kern 2. Der Kern 2 ist von einem Kernmantel 6 umgeben, wobei ein Dampfabscheider 3 über dem Kernmantel 6 angeordnet ist, um Wasser vom im Kern erzeugten Dampf zu trennen. Der Dampfabscheider trennt Wasser oder Kühlmittel vom im Kern 2 erzeugten Dampf und liefert getrockneten Dampf an eine Turbine (nicht dargestellt) etc. Das aus dem Dampf abgeschiedene Kühlmittel strömt durch einen Strömungpfad, der von der Außenseite des Kernmantels 6 und der Innenwand des Druckbehälters 1 begrenzt wird, nach unten und wird von einer Vielzahl von Umwälzpumpen 10 in einem Raum unter dem Kern 2 gefördert. Von diesem Raum unter dem Kern 2 strömt das Kühlmittel in den Kern 2, wo es zu Sieden beginnt. Es verläßt den Kern am oberen Ende. Auf diese Weise beginnt der oben beschriebene Kreislauf des Kühlmittels erneut. Jede der Umwälzpumpen 10 wird über eine jeweils zugehörige Antriebswelle 9 von einem außerhalb des Druckbehälters befindlichen Motor 11 angetrieben.
Im Reaktor ist ein Gerät zur Messung von Kühlmitteldurchflußmengen für eine genaue Bestimmung der Durchflußrate und der Durchflußverteilung des Kühlmittels nach dem Kern und für eine ständige Überwachung des Reaktorzustandes bereitgestellt.
Öffnungen 25A, 25B von Rohren für eine Vielzahl von Kerneintritts-Differenzdruckfühlern 25 stehen mit dem Zuströmbereich 14 des Reaktorkerns 2 in Verbindung. Diese Öffnungen der Rohre sind an einer Kernträgerplatte des Reaktorkerns 2 oder an der Eintrittsöffnung einer Brennstabanordnung angebracht. Drucksignale entsprechend der an diesen Öffnungen anstehenden Drücke werden an einen Differenzdruck/Durchfluß- Meßwandler 26 übermittelt, so daß die Durchflußrate für das Kühlmittel bestimmt werden kann. Obwohl in der Anordnung nach Fig. 3 der Kerneintritts-Differenzdruckfühler 25 als nur ein System dargestellt ist, wird im realen Reaktor eine Vielzahl von Systemen als Kerneintritts-Differenzdruckfühler bereitgestellt.
Weiter ist eine Vielzahl von Differenzdruckfühlern 23 für den Pumpenabschnitt vorgesehen, um die oben erwähnten Differenzdruckfühler 25 am Kerneintritt zu korrigieren und zu ergänzen. Die Differenzdruckfühler 23 am Pumpenabschnitt sind für jede Umwälzpumpe vorgesehen. Die vorliegende Erfindung betrifft die Systeme für die Differenzdruckfühler 23 am Pumpenabschnitt.
Die Öffnungen 23A, 23B der Rohre für jeden der Differenzdruckfühler am Pumpenabschnitt sind an der Saug- bzw. Druckseite der jeweiligen Umwälzpumpe 10 angeordnet. Ein Differenzdrucksignal vom Differenzdruckfühler 23 am Pumpenabschnitt wird in eine Berechnungseinrichtung 24 für den Pumpenabschnitt eingespeist. Die Drehzahl des Motors 11 zum Antrieb der Umwälzpumpe 10 wird vom Drehzahlgeber 22 erfaßt. Der Drehzahlgeber 22 gibt ein Drehzahlsignal an die Berechnungseinrichtung 24 für den Pumpenabschnitt aus. Mit einem Differenzdruck zwischen Saug- und Druckstutzen und der Drehzahl der Pumpe 10 als Parameter werden zunächst für jede Umwälzpumpe auf einem Prüfstand Zusammenhänge zwischen diesen Parametern und der Pumpenförderleistung der Pumpe ermittelt und ebenfalls in die Berechnungseinrichtung 24 für den Pumpenabschnitt einprogrammiert. Damit wird die Durchflußrate durch die jeweilige Umwälzpumpe 10 von der Berechnungseinrichtung 24 für den Pumpenabschnitt bestimmt. Die Berechnungseinrichtung 24 für den Pumpenabschnitt übergibt ein Durchflußsignal für die jeweilige Pumpe an einen Rechner 27, um die gesamte Durchflußrate aller Umwälzpumpen zu erhalten.
Ein Durchflußsignal vom Rechner 27 und das Ausgangssignal vom Differenzdruck/Durchfluß-Meßwandler 26 werden über eine Korrekturaufschaltung 28 an eine Betriebsüberwachungseinrichtung 29 für den Reaktor übertragen. Durch die Umschaltfunktion der Korrekturaufschaltung 28 ist es möglich, eine Nachjustierung und eine Reservefunktion für die Differenzdruckfühler 25 an den Gitterplatten im Fall einer Fehlfunktion dieser Gitterplatten-Differenzdruckerfassung bereitzustellen.
Der Drehzahlgeber 22 zur Erfassung der Drehzahl des Motors 11 zum Antrieb der Umwälzpumpe 10 liefert ein Drehzahlsignal an eine Rohrnetzmodell-Berechnungseinrichtung bzw. einen Rechner 30. Für den Fall, daß eine oder mehrere der Umwälzpumpen 10 stillgesetzt sind oder mit niedrigerer Drehzahl betrieben werden, bestimmt der Rechner 30 eine Gesamtdurchflußrate sämtlicher Umwälzpumpen 10.
Ein Rohrnetzmodell entsprechend den Kühlmittelströmen im Druckbehälter 1, z.B. den Kühlmittelströmen von den jeweiligen Umwälzpumpen 10 zu einem unteren Plenum, ist vorab im Rechner 30 einprogrammiert. Die Zusammenhänge zwischen dem Rohrnetzmodell und den vorerwähnten Durchströmungen werden nachstehend erläutert.
Die Fig. 4 zeigt eine Seitenansicht des Bereichs der Umwälzpumpen, während die Fig. 5 diesen Bereich schematisch als Draufsicht wiedergibt. Die Fig. 4 zeigt eine von innen betrachtete Seitenansicht des Bereichs der Kernmantelträger 12 unterhalb des Kernmantels 6. Unter einem Strömungskanal, der von der Außenseite des unteren Teils des Kernmantels 6 und der Innenwand des Druckbehälters 1 gebildet wird, ist eine ringförmige Pumpenbühne 15 so angeordnet, daß diese den Strömungskanal abschließt. Eine Vielzahl von Umwälzpumpen 10 ist in gleichen Abständen am Umfang angeordnet, wobei jede von diesen durch die Pumpenbühne 15 führt. An der Unterseite einer jeden Umwälzpumpe 10 ist ein Pumpenstutzen 9a angebracht, wobei Kühlmittel über einen Ansaugstutzen an der Oberseite der Umwälzpumpe 10 angesaugt und durch den Pumpenstutzen 9a gefördert wird. Das untere Ende des Kernmantels 6 wird von einem zylindrischen Kernmantelträger 12 aufgenommen. Im Kernmantelträger 12 sind die Durchlaßöffnungen 13a jeweils an einer Stelle unmittelbar gegenüber der Vorderseite einer Umwälzpumpe 10 angebracht, während die Durchlaßöffnungen 13b in der Mitte zwischen jeweils benachbarten Umwälzpumpen 10 angeordnet sind.
Die Fig. 4 und 5 zeigen die Strömungsverhältnisse des von den Umwälzpumpen 10 geförderten Kühlmittels. Ein durch den Pumpenstutzen 9a der Umwälzpumpe 10 geförderter Kühlmittelstrom f&sub1; wird in einen Teilstrom f&sub2; in Umfangsrichtung und einen Teilstrom f&sub3; in radialer Richtung geteilt. Der Kühlmittelteilstrom f&sub3; gelangt durch die Durchlaßöffnung 13a ins untere Plenum. Der Teilstrom f&sub2; und ein von der benachbarten Umwälzpumpe kommender Teilstrom f&sub2; treffen sich an einem Punkt g und bilden einen Teilstrom f&sub3; in radialer Richtung. Der radiale Teilstrom f&sub3; gelangt durch die Durchlaßöffnung 13b in das untere Plenum.
Die Fig. 6 zeigt ein Strömungsmuster in Form eines Rohrnetzmodells. In dem so aufbereiteten Modell entsprechen die Rohrleitungen den Strömen in den Fig. 4 und 5, wobei in der Fig. 6 Verzweigungspunkte durch identische Bezugszeichen und die Durchflußwiderstände der jeweiligen Rohrleitungen (Ströme) mit α&sub1;, α&sub2;, α&sub3; und α&sub4; bezeichnet sind.
Das auf diese Weise aufbereitete Modell ist vorab in die Rohrnetzmodell-Berechnungseinrichtung 30 einprogrammiert. Im Modell werden die jeweiligen Ströme auf analytischem Weg auf Basis der vom Drehzahlgeber 22 in den Modellrechner 30 eingegebenen Drehzahlsignale für die Pumpen berechnet, wobei das Resultat (Signal für die Durchflußrate) an die Korrekturaufschaltung 28 übergeben wird. Die Korrekturaufschaltung 28 schaltet je nach Erfordernis selektiv das Signal für die Durchflußrate vom Rechner 27 oder dasjenige vom Rechner 30 auf die Betriebsüberwachungseinrichtung 29 auf. Die Korrektur des Signals vom Rechner 27 und die System-Reservefunktion des Rechners 27 erfolgen mittels des Signals vom Modellrechner 30.
Die oben genannte analytische Berechnung wird nachfolgend unter Bezug auf die Fig. 7 detaillierter beschrieben.
In der Fig. 7 entsprechen Pi-1, Pi und Pi+1 den verschiedenen Umwälzpumpen 10 und repräsentieren die Q-H-Kennlinie (einschließlich Durchströmung in Rückwärtsrichtung) der jeweiligen Pumpe. Hierbei bezeichnen Q und H die Durchflußrate der Pumpe bzw. den Druckverlust (Verlust an Förderhöhe).
Die Größen α&sub1;, α&sub2;, α&sub3; und α&sub4; repräsentieren Rohrleitungswiderstände, wobei α&sub1; den Austrittsverlust der jeweiligen Pumpe (ein Verlust, der durch die Umlenkung des von den Pumpen nach unten geförderten Kühlmittels am Boden des Druckbehälters 1 bedingt ist), α&sub2; einen Druckverlust zwischen den verschiedenen Pumpen, α&sub3; einen Verlust am Kernmantelträger 12 und α&sub4; einen Druckverlust im Reaktor (verschiedene Verluste, die bei der Strömung des Kühlmittels durch den Kern 2 und zurück zu den Pumpen 10 auftreten, wobei diese sich mit der Zeit ändern können) bezeichnen.
X, Y und Z in der Fig. 7 repräsentieren die Durchsätze an den jeweiligen Punkten.
Die analytische Lösung der Formulierung einer mehrdimensionalen simultanen und nichtlinearen Gleichung unter (1) der Bedingung konsistenter Durchflußraten an den jeweiligen Knoten (Verzweigungspunkten) sowie unter (2) der Bedingung der Einhaltung eines gegebenen Zusammenhangs für den jeweiligen Rohrleitungsdruck auf Grundlage des Modells nach den Fig. 6 und 7 liefert die jeweiligen Durchflußraten X, Y und Z. Damit erfolgt auf Basis der Bedingungen
(1) der Gleichheit der dem betreffenden Knoten (Verzweigungspunkt) zuströmenden und der von diesem abströmenden Kühlmitteldurchflußraten:
wobei qi eine Durchflußrate für An- oder Abströmung durch die mit den jeweiligen Knoten verbundenen Rohrleitungabschnitte 1, 2, ... m angibt, und
(2) einer algebraischen Summe aller Druckverluste (Verluste an Förderhöhe) gleich Null, wobei für den durch hi repräsentierten Druckverlust des betreffenden Rohrleitungsabschnitts gilt: hi > 0 für Durchströmung im Uhrzeigersinn und hi < 0 für Durchströmung gegen den Uhrzeigersinn:
wobei m die Anzahl der Einheitsrohrabschnitte für ein Rohrleitungselement angibt, die Aufbereitung der nichtlinearen simultanen Gleichung für die einzelnen Knoten und die Bestimmung der Durchflußraten durch analytische Lösung dieser simultanen Gleichung.
Dies bedeutet, daß für die verschiedenen Betriebszustände der jeweiligen Umwälzpumpen (einschließlich einer Rückwärtsdurchströmung von stillgesetzten Pumpen) die entsprechenden Konstantenwerte (ein äquivalenter Rohrleitungswiderstand und die Pumpencharakteristik bei Rückwärtsdurchströmung) für das Rohrnetzmodell zunächst mit Hilfe des Differenzdruckfühlers 23 über dem Pumpenabschnitt bestimmt und im Modellrechner 30 abgespeichert werden. Wenn die jeweiligen Durchflußraten mittels dieser Konstantenwerte auf analytischem Weg gefunden sind und die Durchflußrate durch den Kern mittels des Differenzdruckfühlers am Kerneintritt korrigiert wird, kann die Genauigkeit, mit der das Kühlmittel durch den Kern zirkuliert wird, unabhängig von einem Betrieb der Umwälzpumpen 10 mit übereinstimmender oder nicht übereinstimmender Drehzahl deutlich erhöht werden. Selbst bei aus irgendwelchen Gründen auftretenden Problemen in der Messung der Durchflußrate mittels des Differenzdruckfühlers 25 am Kerneintritt ist es möglich, mit der Bestimmung der Durchsatzrate nur anhand des Modellrechners 30 eine erforderliche Meßgenauigkeit aufrechtzuerhalten.
Durch regelmäßig oder zu geeigneten Zeitpunkten im Rahmen der obigen Schritte erfolgende Optimierung (Nachabgleichung) der jeweiligen Modellkonstanten kann eine entsprechende Nachjustierung für den mit der Zeit veränderlichen Druckverlust im Kern, z.B. am Ende eines Brennstoffzyklus, vorgenommen werden, so daß eine hohe Meßgenauigkeit bei der Bestimmung der Durchflußrate aufrechterhalten werden kann.
Da die erforderliche Meßgenauigkeit aus der Bestimmung der Durchflußrate mittels des Modellrechners 30 resultiert, kann ein so erhaltenes System in einfacher Weise und mit geringen Kosten vereinfacht werden. Es ist ausschließlich erforderlich, die Drehzahldaten der jeweiligen Pumpe vom zugehörigen Drehzahlgeber 22 am Antriebsmotor 11 der betreffenden Umwälzpumpe 10 an den Modellrechner 30 zu übermitteln und anschließend die entsprechenden Durchflußraten aus den Drehzahlen der Pumpen (die verschiedene Durchflußraten aufweisen können) und den Q-H-Kennlinien für die jeweiligen Pumpen und den jeweiligen Konstanten für das Rohrnetzmodell, die wie oben beschrieben vorab ermittelt und abgespeichert wurden, zu bestimmen. Die so bestimmte Durchflußrate wird von der Betriebsüberwachungseinrichtung 29 angezeigt.
Es ist möglich, sowohl die Messung der Durchflußrate durch den Modellrechner 30 als auch die Messung der Durchflußrate entweder aus dem Differenzdruck am Kerneintritt oder aus dem Differenzdruck zwischen Eintritts- und Austrittsstutzen der Umwälzpumpe 10 heranzuziehen.
Da das erfindungsgemäße Gerät zur Messung von Kühlmitteldurchflußmengen als Durchflußmeßeinrichtung zur Messung der Kühlmitteldurchflußrate im Siedewasserreaktor eingesetzt wird, ist die einfache und genaue Steuerung des Reaktorbetriebs bei gleichzeitig hoher Zuverlässigkeit der Reaktorsteuerung möglich.
Die Fig. 8 zeigt ein Gerät zur Messung von Kühlmitteldurchflußmengen und zur Kraftsteuerung entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung. Diese Ausführungsform umfaßt eine Steuereinheit 31 mit einer einbezogenen Rohrnetzmodell- Berechnungseinrichtung 30. Ein Drehzahlgeber 22 erfaßt die Drehzahl der verschiedenen Umwälzpumpen und übermittelt diese an die Steuereinheit 31. Obwohl in der Fig. 8 nur zwei Drehzahlgeber wiedergegeben sind, ist tatsächlich jeder Motor zum Antrieb einer Umwälzpumpe mit einem Drehzahlgeber versehen. Die Steuereinheit 31 berechnet die Durchflußrate des Kühlmittels in gleicher Weise wie bei der vorherigen Ausführungsform und übermittelt ein Steuersignal an den jeweiligen Motor 11 der betreffenden Umwälzpumpe, wodurch die Arbeitsweise der Umwälzpumpe 10 und damit eine Kühlmittelzirkulation gesteuert wird. Es ist anzumerken, daß die Steuereinheit 31 ein Positionskontrollsignal eines Steuerstabs und weitere Signale zur Ausgabe bringt, so daß die Kernausgangsleistung und der Betrieb des gesamten Reaktors gesteuert werden können.

Claims

1. Gerät zur Messung von Kühlmitteldurchflußmengen und zur Kraftsteuerung in einem Siedewasserreaktor, welcher durch einen Druckbehälter (1) gebildet wird; der Druckbehälter enthält einen Kern (2), einen Kernmantel (6) und einen Kernmantelträger (12); die internen Pumpen (10) zur Umwälzung des Kühlmittels sind in einen Strömungspfad eingeschaltet, der von der Außenseite des Kernmantels (6) und des Kernmantelträgers (12) und der Innenwand des Druckbehälters (1) begrenzt wird; und der Kernmantelträger (12) weist eine Vielzahl von Durchlaßöffnungen (13a, 13b) auf, wobei das Gerät folgendes umfaßt:

eine Drehzahlerfassungseinrichtung bzw. einen Drehzahlgeber (22) zur Bestimmung der Drehzahl der internen Pumpen (10);

eine Steuerungseinrichtung (31) zur Steuerung mindestens eines Kühlmitteldurchflusses und einer Steuerstabposition zur Steuerung der Ausgangsleistung des Reaktors;

gekennzeichnet durch:

Rohrnetzmodell-Berechnungseinrichtungen (30, 31) zur Verarbeitung eines Drehzahlsignals vom Drehzahlgeber (22) und zur Berechnung einer Durchflußrate des Kühlmittels in jedem Teil des Strömungspfades auf Basis des Drehzahlsignals, wobei in dieser Modell-Berechnungseinrichtung (30, 31) zuvor Daten zur Darstellung eines Rohrnetzmodells entsprechend einer Strömung von einem Pumpenaustritt (9a) der internen Pumpe (10) zum Kern (2) gespeichert werden,

wobei

die Modellberechnungseinrichtung (30, 31) auf das Drehzahlsignal reagiert, um damit Parameter für das Modell einzustellen und auf analytischen Weg die Kühlmitteldurchflußrate in jedem benötigten Abschnitt des Modells zu ermitteln, und wobei die Steuerungseinrichtung (31) die Rohrnetzmodell-Berechnungseinrichtung (30, 31) enthält und die Ausgangsleistung des Reaktors auf Basis eines Dürchflußsignals von der Modellberechnungseinrichtüng (30, 31) steuert.

2. Gerät zur Messung von Kühlmitteldurchflußmengen und zur Kraftsteuerung nach Anspruch 1, wobei das Rohrnetzmodell einer Strömung von einem Pumpenaustritt (9a) der internen Pumpe (10) zu einer entsprechenden Durchlaßöffnung (13a) im Kernmantelträger, einer Strömung vom Pumpenaustritt (9a) der internen Pumpe (10) zu einem Mittelpunkt (9) in der Überströmung zwischen zwei benachbarten internen Pumpen (10) und einer Strömung vom Mittelpunkt (9) zu den Durchlaßöffnungen (13a) im Kernmantelträger entspricht.

3. Gerät zur Messung von Kühlmitteldurchflußmengen und zur Kraftsteuerung nach Anspruch 2, wobei das in der Rohrnetzmodell-Berechnungseinrichtung (30, 31) gespeicherte Rohrnetzmodell durch Einführung von α&sub1;, α&sub2;, α&sub3; und α&sub4; als Durchflußwiderstände des dem Modell entsprechenden geschlossenen Rohrnetzes und durch Berücksichtigung der Durchsatz/Druckverlust-Kennlinien einer Anzahl n interner Pumpen (10) als Differenzdruck Pn an den den Pumpen entsprechenden Stellen des Modells ergänzt ist; hierbei entsprechen:

α&sub1;: einem Austrittsverlust am Stutzen (9a) der internen Pumpe (10);

α&sub2;: einem Druckverlust zwischen Stutzenbereich und einem Mittelpunkt (9) in der Überströmung zwischen zwei internen Pumpen (10);

α&sub3;: einem Druckverlust in der Durchlaßöffnung (13a, 13b) im Kernmantelträger;

und

α&sub4;: einem Druckverlust im Kern (2) und im unteren Plenum.

4. Gerät zur Messung von Kühlmitteldurchflußmengen und zur Kraftsteuerung nach Anspruch 2, wobei die Rohrnetzmodell-Berechnungseinrichtung (30) folgendes umfaßt: eine Vielzahl von Differenzdruckfühlern (23) an der Pumpenbühne, die einen Differenzdruck zwischen Saug- und Druckseite der internen Pumpe (10) erfassen; einen Drehzahlgeber (22) zur Bestimmung der Drehzahl des jeweiligen Motors (11) für den Antrieb der internen Pumpe (10); eine Berechnungseinrichtung (24, 27) für den Pumpenabschnitt, die ein Differenzdruck-Ausgangssignal vom Differenzdruckfühler (23) am Pumpenabschnitt und ein Drehzahlsignal vom Drehzahlgeber (22) erhält, um damit anhand zuvor ermittelter Kennlinien der internen Pumpen eine Fördermenge einer jeden internen Pumpe (10) auf Basis der beiden Signale zu berechnen, und zur Berechnung einer Gesamtdurchflußrate des Kühlmittels durch Aufsummierung der Fördermengen der Pumpen (10); und eine zuvor programmierte Rohrnetzmodell-Berechnungseinrichtung (30), die ein Drehzahlsignal von jedem Drehzahlgeber (22) erhält, um eine Durchflußrate des Kühlmittels aus dem Drehzahlsignal zu berechnen, und um ein Resultat der Berechnung als Ausgangssignal zu liefern, das für den Abgleich und als Backup der Berechnungseinrichtung (24, 27) für den Pumpenabschnitt dient.