Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Betätigung eines pneumatisch zu öffnenden Frischdampf-Absperrventils in einem Kernreaktor.
Dabei wird von der Verwendung eines Solenoid-Ventils als Pilotventil zur Absperrventil-Betätigung und insbesondere eines Dreiweg-Solenoid-Ventils ausgegangen, das ausfallsicher arbeitet.
In einem typischen Siedewasserreaktor strömt getrennter und getrockneter Dampf durch eine oder mehrere, typischerweise vier Düsen, an die jeweils Dampfleitungen aus Kohlenstoffstahl geschweisst sind. Mehrere Ventile werden in Verbindung mit den Leitungen für verschiedene Sicherheitsfunktionen verwendet. Der Haupttyp von sicherheitsbezogenen Dampfleitungsventilen sind Absperr- und Sicherheits/Entlastungsventile.
Typischerweise werden zwei Absperrarmaturen an jeder Dampfleitung montiert, und zwar jeweils eine inner- und eine ausserhalb der Sicherheitshülle. Die Sicherheitsventile sind luftbetätigte, federbelastete, pneumatisch kolbenbetätigte Kugelventile, die von einem dreistufigen Betätigungsmechanismus gesteuert werden, der nachfolgend detailliert beschrieben wird. Der Hauptbetätiger für das Frischdampf-Absperrventil schliesst es mit einer Kraft von etwa 9000 kp. Dieser Betätiger wird von einem pneumatischen Steuersystem mit einer Kraft von etwa 45 kp bedient, das seinerseits von einem Solenoid-Pilotventil mit einer Schliesskraft von etwa 1 kp betätigt wird. Jedes Frischdampf-Absperrventil ist dazu vorgesehen, bei einem Ausfall, wie einem pneumatischen Druckabfall oder Leistungsverlust zum Pilotventil, zu schliessen.
Die Sicherheitsfunktion des Frischdampf-Absperrventil-Betätigers ist eine Schliessfunktion, d.h., dass er dazu bestimmt ist, das Absperr- oder MSIV-Ventil unter bestimmten Bedingungen, wie niederer Wasserpegel im Reaktorbehälter, hohe Strahlung von der Dampfleitung, hohe Strömungsgeschwindigkeit in der Hauptdampfleitung, niederer Druck in der Turbine usw., zu schliessen. Zwei Pilotventile sind für das Schliessen vorhanden. Das Schliesssignal kommt von zwei unabhängigen Kanälen, die jeweils zwei unabhängige Abschaltsensoren für jede gemessene Variable haben. Wenn eine Isolation ausgelöst wird, geht der Schliessvorgang weiter und kann nur manuell in einen \ffnungsvorgang umgewandelt werden. Die Ventile können ferner durch unabhängige, manuell fernbediente Schalter im Überwachungsraum betätigt werden.
Die Sicherheits- oder Entlastungsventile sind Doppelfunktionsventile. Die Sicherheitsfunktion umfasst Schutz gegen Überdruck des Primär- oder Hauptsystems des Reaktors. Die Entlastungsfunktion umfasst ein servobetätigtes \ffnen zur Druckentlastung des Primärsystems des Reaktors. Die Sicherheitsentlastung ist in ihren beiden Funktionen im Vergleich zum Frischdampf-Absperrventil entgegengesetzt, dessen Funktion das \ffnen ist, wogegen die Sicherheitsfunktion dieses Absperrventils das Schliessen ist.
Bisherige Pilotventile wurden auf Grund einer Anzahl von Überlegungen konstruiert. Andere Faktoren der vorangehenden Pilotventile wurden zur Minimalisierung des Leistungsverbrauches mindestens teilweise deshalb so ausgelegt, weil die hohe Leistung verbrauchenden Solenoid-Ventile typischerweise eine kürzere Lebensdauer haben und öfter ersetzt werden müssen. Ferner wurden herkömmliche Pilotventile zur Herabsetzung der Kosten, in Übereinstimmung mit der erreichten Sicherheit sowie anderen Anforderungen ausgelegt. Wie bereits oben erwähnt, sind die Pilotventile zum Schliessen bei Ausfällen, beispielsweise beim Verlust des pneumatischen Druckes zu den Pilotventilen, ausgelegt. Es wurde aber festgestellt, dass die bisherigen Pilotventile eigentlich nicht bei Ausfällen oder Klemmen der Schliessfeder schliessen.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens, das die Nachteile der bisherigen Ausführungen nicht aufweist.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäss durch die Merkmale im Kennzeichnungsteil des ersten Patentanspruches gelöst.
Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen umschrieben.
Bei der vorliegenden Ausführung als MSIV- oder Frischdampf-Absperrventil wird ein Ventil verwendet, das bei einem Ausfall der Schliessfeder nicht öffnet. Ferner wird als MSIV-Pilotventil ein Ventil benutzt, in dem die pneumatischen Kräften das Schliessen statt \ffnen begünstigen, so dass die pneumatischen Kräfte im Falle eines Federeffektes zum Schliessen neigen, wobei Schwierigkeiten beim Schliessen infolge von Federausfällen abgeholfen werden. Die offenbarte Konstruktion erfordert typischerweise ein Solenoid mit einem höheren Leistungsverbrauch als derjenige von bestehenden Pilotventilen, und ein Ventil, das in vielen Fällen teurer ist als herkömmliche Ausführungen.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele des Gegenstandes der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Draufsicht eines MSIV-Ventils bzw. Frischdampf-Absperrventils, teilweise im Schnitt zur Darstellung des Ventilsitzes,
Fig. 2a ein Wirkschaltbild der pneumatischen Logik zur Betätigung des MSIV-Ventils, das offen dargestellt ist,
Fig. 2b wie Fig. 2a, jedoch mit entregten ersten und zweiten Pilotventilen zum Schliessen des MSIV-Ventils,
Fig. 3a ein Schaltbild eines herkömmlichen Pilotventils in offener oder erregter Auslegung,
Fig. 3b wie Fig. 3a, jedoch in geschlossener oder entregter Auslegung,
Fig. 4a ein Schaltbild eines Solenoid-Ventils zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung in einer offenen oder erregten Auslegung und
Fig. 4b wie Fig. 4a, jedoch mit dem Pilotventil in geschlossener oder entregter Auslegung.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Betätigung oder Steuerung eines MSIV-Ventils oder Frischdampf-Absperrventils in einer Dampfleitung eines Kernkraftwerkes, so dass ein Ausfall einer Solenoid-Rückstossfeder in einem Pilotventil nicht das Schliessen des MSIV-Ventils verhindert und nicht zu einem spontanen \ffnen eines geschlossenen MSIV's führt.
Die vorliegende Erfindung wird durch Bezugnahme auf das Frischdampf-Absperrventil bzw. das MSIV-Ventil und das vorliegende Betätigungsverfahren beschrieben. Gemäss Fig. 2 ist das MSIV-Ventil 10 in einem Sternmuster mit der Hauptdampf-Leitung 12 verbunden. In der Darstellung nach Fig. 1 fliesst der Dampf von oben rechts nach unten links. Das MSIV hat einen Ventilkörper 14 und einen Ventilsitz 16. Im Normalbetrieb wird das MSIV in der offenen Position von einem elektromagnetischen Betätiger mit einer ersten und einer zweiten Stufe gehalten. In der offenen Position ist das MSIV zum Durchlassen von Dampf vom Reaktorbehälter zur Dampfturbine wirksam. In Fig. 1 befindet sich der Ventilkörper 14 im MSIV-Ventil in der geschlossenen Position.
Die Position des Ventilkörpers 14, d.h. entweder die vollständig offene oder geschlossene Position, wird vom Gleichgewicht zwischen einem zylinderartigen, pneumatischen Betätiger 18 und vier Federn gesteuert, von welchen zwei 20a und 20b, in Fig. 1 sichtbar sind. Die zwei anderen, nicht gezeigten Federn befinden sich direkt hinter den gezeigten ersten Federn 20a, 20b in der Ansicht nach Fig. 1. Die Federn 20a, 20b üben eine Kraft zum Halten des Ventilkörpers 14 in der Sitzstellung aus. Die Neigungen der Feder können von einem pneumatischen Zylinder 18 behoben werden, der bei Betätigung den Ventilkörper 14 von seinem Sitz abheben kann. Ein Hydraulikverteiler 22 ist als Dämpfungsglied zur Reduktion der Schliessgeschwindigkeit des MSIV-Ventils innerhalb von Normen vorgesehen.
In Fig. 2a wird der Pneumatikzylinder 18 in seiner offenen Position mittels eines positiven Druckes an einem unteren Durchlass 24, verglichen mit dem Druck an einem oberen Durchlass 26, gehalten, der in der offenen Auslegung mit einer Abluftleitung 28 verbunden ist. Wenn das MSIV-Ventil geschlossen ist, wie dies in Fig. 2b gezeigt ist, wird der untere Durchlass 24 mit einer Abluftleitung 30 und der obere Durchlass 26 mit einer Hochdruck-Luftleitung 32 verbunden. Der Aktivierungszustand des Pneumatikzylinders 18 wird von einem Satz von Primärventilen 34 gesteuert, die ihrerseits von Pilotventilen 42 und 44 gesteuert werden. Ein drittes Ventil 46 ist ferner zur Verwendung in Prüfbetrieb vorgesehen.
Die Pilotventile 36 sind wunschgemäss insofern ausfallsicher, als eine MSIV-Schliessung nicht nur von der Ermittlung eines anormalen Zustandes, wie oben beschrieben, sondern auch vom Verlust der elektrischen Leistung oder des pneumatischen Druckes abhängt. Die Reaktion auf den Verlust der elektrischen Leistung oder des Pneumatikdruckes wird anhand von den Fig. 2a und 2b näher erläutert. In Fig. 2a sind die beiden Pilotventile 42 und 44 im erregten Zustand dargestellt. In diesem Zustand sind die Solenoide 48, 50 erregt, damit die Ventile in einer solchen Form angeordnet werden, dass Druck von einer Niederdruck-Luftleitung 52 über eine Leitung 54 zum Primärbetätiger 34 sowie zu einem Ventil 56 über Leitung 55 abgegeben wird, dessen Funktion nachfolgend erläutert wird.
Der Druck in der Leitung 54 betätigt das erste Primärbetätigungsventil 40 und infolgedessen das zweite Primärbetätigungsventil 38 derart, dass der höhere Luftdruck von der Druckleitung 32 durch das Testventil 58 dem unteren Durchlass 24 des Pneumatikzylinders 18 zugeführt wird. In dieser Position der Primär-Betätigungsventile 38, 40 wird der obere Durchlass 26 mit einer Abluftleitung 28 verbunden, wie dies oben beschrieben ist.
Die Wirkung der Entregung des ersten und des zweiten Pilotventils 42, 44 ist in Fig. 2b gezeigt. Das Schliessen des MSIV-Ventils wird von der Entregung der beiden Pilotventile 42, 44 verursacht. Die Entregung der Pilotventile 42, 44 kann von der Ermittlung eines MSIV-Schliesszustandes mittels eines Sensors, wie vorangehend beschrieben, oder vom allgemeinen Verlust der elektrischen Leistung zum Pilotventilsystem 36 herrühren. In beiden Fällen wird ein Eingang von der Niederdruck-Luftleitung 52 verhindert, und stattdessen werden die Leitungen 54 und 55 mit einer Abluftleitung 60 verbunden. Die Verbindung der Leitung 54 mit der Abluftleitung 60 bewirkt eine Bewegung des zweiten Primärbetätigungsventils 40 zur Position, die in Fig. 2b gezeigt ist, in welcher der Eingang von der Hochdruck-Luftleitung 32 dem Desaktivierungs-Durchlass 62 des zweiten Primärbetätigungsventils 38 zugeführt wird.
Dies bewegt das zweite Primärbetätigungsventil 38 zur Position nach Fig. 2b, in welcher der untere Durchlass 24 des Pneumatikzylinders 18 durch das Testventil 56 und das Ventil 58 jeweils mit den Abluft-Durchlässen 30, 64 verbunden ist. In dieser Weise führt eine Entregung des Pilotventilsystems 36 bei der Ermittlung eines Reaktorzustandes oder bei Verlust der elektrischen Leistung zum Schliessen des MSIV-Ventils. In ähnlicher Weise führt der Verlust des Luftdruckes an der Leitung 52 zu einem Druckverlust an der Primärbetätigungsleitung 54, was wiederum zum Schliessen des MSIV-Ventils führt.
Obschon das in Fig. 2a und 2b gezeigte System zur MSIV-Schliessung führt, wenn ein Verlust an Leistung oder pneumatischem Druck zum Pilotventil 42, 44 besteht, wurde festgestellt, dass herkömmliche Pilotventile zu einer Art von Ausfällen neigen, die nicht notwendigerweise zum Schliessen des MSIV's führt, was wünschenswert ist.
In Fig. 3a ist ein herkömmliches Solenoid-Pilotventil mit dem Solenoid 42 im aktivierten oder erregten Zustand gezeigt. In diesem Zustand wirkt der Reaktorkern 68 in der oberen Position gemäss Fig. 3a gegen den Druck der Rückstossfeder 70. Am Reaktorkern 68 ist eine Zylinder-Einlassdichtung 70 vorgesehen, die vom entsprechenden Ventilsitz 74 weggehalten wird, damit eine Fluidverbindung zwischen dem Zylinderdurchlass 76 und dem Einlass 78 ermöglicht wird. Mittels eines Abstimmkolbens 80 ist ein zweiter Ventilsitz 82 befestigt, der gemäss der Ausführung in Fig. 3a gegen einen Zylinder/Abluftventilsitz 84 anliegt, um den Zylinderdurchlass 76 von der Fluidverbindung mit dem Abluftdurchlass 86 abzudichten. Der Druckunterschied über der Dichtung 82 dient als Hilfe für den Sitz. Eine zweite Feder 88, die schwächer ist als die Rückstossfeder, dient als Hilfe beim Aufsetzen.
Fig. 3b zeigt die Ausführung eines herkömmlichen Pilotventils in einem Zustand, in dem das Solenoid 42 entregt ist. In dieser Ausführung wird der mechanische Widerstand gegen den Druck der Rückstossfeder 70 von der schwächeren Sekundärfeder 88 geleistet. Beim entregten Betrieb, wie vorgesehen, wird der Kern 88 von der Rückstossfeder 70 in seine Abwärtsstellung gezwungen, wie dies in Fig. 3b gezeigt ist, damit die Zylinder-Einlassdichtung 72 gegen den Zylinder-Einlasssitz 74 anliegt, und die Zylinder-Einlassdichtung 82 wird vom Zylinder-Abluftsitz 84 wegbewegt, um die Fluidverbindung zwischen dem Zylinderdurchlass 76 und dem Abluftdurchlass 86 herzustellen. Der Druckunterschied über die Dichtung 72 schafft eine zusätzliche \ffnungskraft, die der Rückstossfeder 70 entgegengerichtet ist.
Es wurde festgestellt, dass die herkömmlichen Pilotventile nach Fig. 3a und 3b zu Ausfällen neigen. Falls die Rückstossfeder 70 ausfällt, ist keine Kraft vorhanden, welche die Zylinder-Einlassfeder 72 gegen den entsprechenden Sitz 74, gegen die oben beschriebenen \ffnungskräfte, hält. Falls der Kern 68 oder andere gleitende Teile, wie der Abstimmkolben 80, beispielsweise infolge eines Fremdkörpers im Pilotventil klebt, das die Rückstossfeder 70 nicht aus eigener Stärke beheben kann, ist es möglich, dass wieder ein Ausfall des Zylinder-Einlassventils 72 beim Anlegen gegen den Zylinder-Einlasssitz 74 auftreten kann.
Somit neigt das herkömmliche Ventil zu mindestens zwei Ausfallarten (Ausfall der Rückstossfeder oder Kleben der beweglichen Teile), wobei das Resultat des Ausfalles nicht das Schliessen des MSIV-Ventils bedeutet, sondern dass es von einem geschlossenen Zustand aus offen oder geschlossen bleibt. Ein derartiger Zustand widerspricht ausfallfreien Resultaten, die in einem Isolierventil gesucht werden.
Fig. 4a und 4b zeigen ein Pilotventil für einen ausfallsicheren Betrieb bei einem Rückstossfeder-Ausfall. In dieser Ausführung neigt der von der Verbindung des Einlasses 178 mit dem Zylinderdurchlass herrührende pneumatische Druck dazu, der \ffnungskraft zu widerstehen, die vom Solenoid 142 in Übereinstimmung mit der Kraft von der Rückstossfeder 170 entwickelt wurde. Insbesondere die Wirkung des höheren Druckes auf den ausgesetzten Flächenbereich 190 benachbart zur Zylinder-Abluftdichtung 182, verglichen mit dem Druck auf die untere Fläche 191, verursacht eine Nettokraft auf den Abstimmkolben 180 in der Schliessrichtung.
Aus diesem Grunde muss das Solenoid 142, das sowohl die Rückstossfeder 170 als auch die pneumatische Kraft übersteigen muss, eine grössere Kraft als diejenige leisten, welche in herkömmlichen Pilotventilen vorhanden ist, und somit einen grösseren Leistungs bedarf haben als herkömmliche Solenoide.
Wenn das Solenoid 142 in Fig. 4b entregt ist, neigen sowohl die Kraft der Rückstossfeder 170 als auch die pneumatische Kraft von der Zylinder-Abluftströmung zum Halten des Pilotventils in der geschlossenen Lage, wie dies in Fig. 4b gezeigt ist, und infolgedessen zur Halterung des MSIV-Ventils in der geschlossenen Stellung.
Das Pilotventil zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung kann ein beliebiges Dreiweg-Solenoidventil sein, in dem der pneumatische Druck zur Halterung des Solenoidventils in der geschlossenen Stellung neigt. In einer bevorzugten Ausführungsform wird ein Ventil vom Modell 1/2SMS-S-02 verwendet, das von der Target Rock Co von E. Farmingdale, New York, geliefert wird, wobei dieses Modell an einem Sicherheits-Entlastungsventil verwendet wird. Es wurde festgestellt, dass, obschon die endgültige Sicherheitsfunktion des MSIV-Ventils (d.h. das Schliessen des Ventils) im Gegensatz zum Sicherheits-Entspannungsventil (d.h. das \ffnen des Ventils) steht, ein derartiges Ventil zur Lieferung der erwünschten ausfallsicheren Funktion in einem MSIV-Ventil nützlich sein kann.
Mehrere Variationen und Abänderungen der vorliegenden Erfindung sind möglich. Die Erfindung ist auch für nichtnukleare Zwecke und insbesondere für einen ausfallsicheren Betrieb verwendbar.