Frischdampf- Schnellschlußventile in. Kernkraftwerken mit. Druckwasserreaktor

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1 Frischdampf- Schnellschlußventile in Kernkraftwerken mit Druckwasserreaktor FD2 1 D 02/2000 1

2 Einleitung Als Abschlußarmatur in der Frischdampfleitung von Kernkraftwerken sind verschiedene Konstruktionen bekannt. Neben den Antriebsarten hydraulisch, federunterstützt oder eigenmediumgesteuert liegt ein wesentlicher Unterschied in der Wahl der Armatur. Der Planer muß sich zwischen einem Schieber mit geringem Druckverlust und einem Ventil (als Eck- oder Schrägsitzventil ausgeführt) entscheiden. Das Ventil mit Eigenmediumsteuerung ist einfach und funktionssicherer, hat aber den Nachteil des höheren Druckverlustes. Darüber hinaus entscheiden selbstverständlich auch Zugänglichkeit, Servicefreundlichkeit und Wirtschaftlichkeit über die Wahl einer Schnellschlußarmatur für den Rohrbruch. In Schweden und Deutschland, z. B. ist bereits in den 70er und 80er Jahren eine Entscheidung zu Gunsten von Ventilen mit Eigenmediumsteuerung gefallen. Konstruktion In Bild 1 ist ein Frischdampf-Schnellschlußventil Sempell-Typ EBS32 dargestellt. Die gezeigte Ausführung ist eine moderne Konstruktion, die in vielen Reaktoren zum Einsatz gelangt ist. Es handelt sich um eine Weiterentwicklung der nach Schweden gelieferten Frischdampf-Schnellschlußventile. Das Gehäuse (1) und der Deckel (2) sind geschmiedet und über die Dehnschrauben (8) miteinander verbunden. Eine zwischen Deckel (2) und Gehäuse (1) eingekammerte Spiraldichtung (7) dichtet zur Atmosphäre hin ab. Der Zylinder (5), in dem der Kolben (4) geführt ist, ist mit Schrauben und Muttern (9), (10) am Deckel (2) befestigt. Alle Führungs- und Dichtflächen sind gepanzert. Kolbenringe (11) dichten obere und untere Betätigungsräume gegeneinander ab. Über ein mit Spiel geschnittenes Trapezgewinde ist der Kegel (3) beweglich am Kolben (4) befestigt. Eine Verzahnung dient als Drehsicherung zwischen Kegel (3) und Kolben (4). Auf den Deckel (2) des Ventils ist ein Pneumatikantrieb aufgesetzt, mit dem die bewegten Teile - Kegel (3) und Kolben (4) - über die Stange (6) verbunden sind. Dieser Antrieb dient dazu, das Ventil auch bei druckloser Anlage betätigen zu können und während des Betriebes aufzuhalten. Über die Rückschlagventil Auswahlschaltungen X und Y steht der Raum oberhalb des Kolbens mit der Austritts- bzw. Eintrittsseite des Ventils in Verbindung und stellen somit die für die Funktion wichtige Auffüllung des Kolbenoberraumes stets sicher, gleich, ob der Rohrbruch vor oder hinter dem Ventil eintritt. FD2 2 D 02/2000 2

3 Die im Bild gezeigte Konstruktion enthält als Sonderausstattung eine Stellungsanzeige, die auf dem Pneumatikantrieb montiert ist. Im Hinblick auf möglichst niedrigen Druckverlust ist die Ausführung eines Frischdampf-Schnellschlußventils in Eckform vorteilhaft (Bild 1). Durch Optimieren der Gehäuseinnenkontur im Strömungslabor Sempell wurden Druckverlustbeiwerte c 1 erreicht. Die Form des Gehäuses ist für die grundsätzliche Wirkungsweise der Armatur bedeutungslos. Wie verschiedene Ausführungsbeispiele im Bild 2 zeigen, können ebensogut Gehäuse in Durchgangsform, als Formstück oder in Schrägsitzform ausgebildet sein. Funktion Während des normalen Betriebes wird das Frischdampf-Schnellschlußventil EBS32 mit dem Pneumatikantrieb offen gehalten (Bild 3). Die beiden parallel redundant an der Steuerbohrung "S" angeschlossenen Steuerarmaturen sind geschlossen. Das Ventil wird von "A" nach "B" durchströmt. Über Auffüllbohrungen und -spalte stehen alle Innenräume der Armatur unter Druck und Temperatur. Tritt in der Frischdampfleitung auf der Eintrittsseite "A" oder Austrittsseite "B" des Ventils ein Leck auf oder bricht die Frischdampfleitung, so werden die an Bohrung "S" angeschlossenen Steuerventile geöffnet (im Bild 4 sind die Verhältnisse für eine Leckage auf Seite "B" dargestellt). Der Druck in den Räumen C und D (der über den Bypass F mit C in Verbindung steht) wird abgebaut. Gleichzeitig wird auch der Pneumatikantrieb druckentlastet. Der Raum "E" oberhalb des Kolbens wird über die geöffneten Rückschlagventile DN 15 (Auswahlschaltung B) nachgefüllt, die Verbindung zwischen "E" und "B" ist durch die Rückschlagventile DN 30 gesperrt (Auswahlschaltung B). Infolge der Druckdifferenz oberhalb und unterhalb des Kolbens schließt das Ventil. Nach einem Teilhub taucht die Bypassbohrung "F" in den unteren Zylinderabschnitt ein, der Verbindungsquerschnitt zwischen "C" und "D" wird gedrosselt. Das im Raum "D" eingeschlossene Dampfvolumen muß über kleinere Querschnitte entlastet werden, die Schließgeschwindigkeit der Armatur wird verzögert. Über die Zwischenabsaugung "C" zwischen den oberen Kolbenringen ist aber sichergestellt, daß auch im unteren Hubbereich die volle Stellkraftreserve verfügbar ist. Wegen der Druckdifferenz oberhalb und unterhalb des Kegels bleibt die Armatur geschlossen, auch wenn die Steuerventile an der Entlastungsbohrung "S" wieder geschlossen werden. Erst wenn annähernd Druckausgleich zwischen Ventileintritt und -austritt hergestellt ist, kann die Armatur mit dem Pneumatikantrieb wieder geöffnet werden. Bei einer Leckage auf der Eintrittsseite "A" ist die Schließfunktion der Armatur grundsätzlich gleich. In Bild 5 ist dargestellt, daß in diesem Fall die Rückschlagventile FD2 3 D 02/2000 3

4 DN 30 geöffnet sind, während die Rückschlagventile DN 15 die Verbindung zwischen Raum "E" und Seite "A" absperren. Weiterhin müssen die Steuerventile an der Steuerbohrung "S" geöffnet bleiben, solange das Frischdampf-Schnellschlußventil gegen den Druck geschlossen bleiben soll. In Bild 6 ist das Schließverhalten des Frischdampf-Schnellschlußventils Sempell-Typ EBS32 bei einem Rohrbruch auf der Turbinenseite B dargestellt. Es handelt sich um die Ergebnisse eines Versuches im Maßstab 1 : 1, bei dem der Guillotine-Rohrbruch einer Frischdampfleitung im Maßstab 1 : 1 auf einem Großarmaturenprüfstand simuliert wurde. Vergleichsweise sind im Diagramm auch Ergebnisse einer Vorausrechnung mit einem Rechenprogramm der Firma Sempell eingetragen. Vorab kann man feststellen, daß Rechnung und Messung gut übereinstimmen. Vom Zeitpunkt 0 an (Rohrbruch) vergehen 2,5 Sekunden, bis die Armatur völlig geschlossen hat. Während der ersten 0,6 Sekunden schließt die Armatur verhältnismäßig langsam, beschleunigt anschließend bis zu einem Resthub von etwa 100 mm und schließt dann verzögert zum Hubende hin mit einer Geschwindigkeit von etwa 0,07 m/s. Diese verzögerte Schließbewegung ist auf die Dämpfungswirkung zurückzuführen, wenn die Bypassbohrung "F" in den unteren Zylinderabschnitt eintaucht. Die Auswertung der Meßprotokolle ergibt, daß während der ersten 0,6 Sekunden alle Steuerventile noch geschlossen sind, dennoch beginnt die Armatur zu schließen. Es wurde festgestellt, daß das Sempell-Schnellschlußventil noch bei einem Massendurchsatz von 150 % des Nenndurchsatzes schließt, auch wenn sämtliche Steuerventile ausfallen sollten (der Massendurchsatz bei vollständigem Rohrbruch würde 400 % des Nenndurchsatzes betragen). Steuerung Zur Steuerung des Frischdampf-Schnellschlußarmaturen mit der vorgestellten Eigenmediumsteuerung nach dem Entlastungsprinzip bieten sich im Aufbau unterschiedliche Steuerventile an. Magnetsteuerventile werden üblicherweise nach dem Arbeitsstromprinzip ausgewählt. Es bieten sich Einzel- (Bild 7) oder Doppelmagnetventile (Bild 8) an. Die gezeigten Konstruktionen sind mit Vorsteuerung ausgeführt, d.h. daß ein Vorsteuerventil den eigentlichen Entlastungskegel öffnet. Diese Prinzip macht es möglich, den Magneten mit hohen Kräften kompakt und mit reduzierter Leistungsaufnahme zu bauen. Derartige Magnetventile wurden nach dem IEEE-Standard qualifiziert. Als Alternative stehen auch Eck-Absperrventile mit elektrischen Stellantrieb - sofern eine gesicherte Stromschiene vorhanden ist (Bild 9) - oder mit pneumatischen Antrieb nach dem failsafe-open Prinzip (Bild 10) zur Verfügung. FD2 4 D 02/2000 4

5 Abschließend wird in Bild 10 eine Armaturenstation mit insgesamt vier eigenmediumgesteuerten Hauptventilen gezeigt, bei der das Frischdampf- Sicherheitsventil VS99 K und das Schnellschlußventil EBS32 die wichtigsten Armaturen sind. Die in Bild 10 gezeigte Armaturenstation ist unmittelbar an der Durchdringung der Frischdampfleitung durch die Sicherheitshülle in das Rohrleitungssystem eingebunden. Man sieht nacheinander von links nach rechts das Frischdampf-Schnellschlußventil EBS32 das Frischdampf-Absperrventil TBS34, das dem Abblaseregelventil vorgeschaltet ist das Frischdampf-Absperrventil VBS34 das Frischdampf-Sicherheitsventil VS99 K. Diese Armaturenstation stellt den vorläufigen Abschluß in der Entwicklung eigenmediumgesteuerter Armaturen unseres Hauses dar. Wir haben derartige Armaturenstationen bisher für 12 Kernkraftwerke geliefert bzw. zur Zeit in Auftrag. Deutlich im Bild erkennbar sind die geschmiedeten Gehäuse als Formstücke ausgeführt und direkt miteinander verschweißt. Unmittelbar an die Gehäuse sind über ein Zwischenstück Doppelmagnetventile Typ DMS angeschlossen. Statt der Zwischenstücke werden in den meisten Anlagen, die mit dieser Station ausgerüstet werden, verriegelbare Absperrschieber eingesetzt (DN 32), so daß für Service- und Reparaturarbeiten einzelne Steuerstränge absperrbar sind. Auf den ersten drei Armaturen ist der Pneumatikantrieb und auf dem Sicherheitsventil die berührungslose Stellungsanzeige gut zu sehen. Es ist hervorzuheben, daß verschiedene Anlagen, die ursprünglich mit Schiebern ausgerüstet waren, mit den beschriebenen eigenmediumbetätigten Ventilen umgerüstet wurden. FD2 5 D 02/2000 5

6 Frischdampf Schnellschlußarmatur EBS32 Einzelheit X Einzelheit Y Y X FD2 6 D 02/2000 Bild 1 6

7 Verschiedene Gehäuseformen von Frischdampf - Schnellschlußarmaturen FD2 7 D 02/2000 Bild 2 7

8 Frischdampf Schnellschlußarmatur EBS32 KWU Typ / Anlagenkennzeichen Ventilstellung Typ EBS32 Geöffnet Betriebsstellung Rückschlagventilk. DN 30 Geschlossen Rückschlagventilk. DN 15 Geschlossen Anschluß-Pneumatik Druck unter Pn. Kolben Typ 2207 Geöffnet Typ 161 Arbietsstromprinzip Geschlossen, Magnet stromlos FD2 8 D 02/2000 Bild 3 8

9 Frischdampf Schnellschlußarmatur EBS32 FD2 9 D 02/2000 Bild 4 9

10 Frischdampf Schnellschlußarmatur EBS32 Lineare Stellungsanzeige Grenztaster 1 x Auf 1 x Zu Zusätzliches Totvolumen Anschluß-Pneumatik KWU Typ / Anlagenkennzeichen Ventilstellung Typ EBS 32 Leck dampferzeugerseitig Beginn der Betätigung schließen Rückschlagventilk. DN 30 Geöffnet Rückschlagventilk. DN 15 Geschlossen Anschluß Pneumatik Ohne Druck unter Pn. Kolben Offen zu Atmosphäre Typ 2207 Geöffnet Typ 161 Arbeitsstromprinzip Geöffnet, Magnet bestromt FD2 10 D 02/2000 Bild 5 10

11 Frischdampf Schnellschlußarmatur EBS32 2 Steuerventile Schließen bei 1F Bruch turbinenseitig Vergleich Versuch und Berechnung FD2 11 D 02/2000 Bild 6 11

12 Doppel - Magnetvorsteuerventil DMS5. DMS6 FD2 12 D 02/2000 Bild 7 12

13 Magnetvorsteuerventil EMS FD2 13 D 02/2000 Bild 8 13

14 Motorbetätigtes Absperrventil Elektromotorischer Stellantrieb FD2 14 D 02/2000 Bild 9 14

15 Hochdruck- Absperrventil VA500 mit pneumatischem Antrieb Typ PC 420 FD2 15 E 02/2000 Bild 10 15

16 FSA - Armaturen EBS 32 Frischdampf- Schnellschlußarmatur TBS 34 FD-Abblaseabsperrventil VBS 34 Absperrarmatur vor dem FS-Sicherheitsventil Pendelstütze VS99K Frischdampf- Sicherheitsventil Magnetvorsteuerventil (Doppelblock) FD2 16 D 02/2000 Bild 11 16