Innovative und verlässliche Lösungen für die Elektro- und Leittechnik in KernkraftwerkenPatrick Weber, Heinz-Josef Prehler und Ulrich Tödter
Autoren
Dr. Patrick Weber
Leiter des Geschäftszweiges Elektro- und Leittechnik,
Dipl.-Ing. Heinz-Josef Prehler
Leiter Vertrieb Elektro- und Leittechnik – Internationaler Markt,
Dipl.-Ing. Ulrich Tödter
Leiter Vertrieb Elektro- und Leittechnik – Deutscher Markt,
AREVA NP GmbH Erlangen und Offenbach/Deutschland
Abstract
Innovative and Reliable Solutions for Electrical and I&C Systems
in Nuclear Power Plants
The electrical and instrumentation and control (I&C) systems installed have a major impact on the safety and availability of nuclear power plants. This is true both of new-build and up-grade projects. AREVA NP meets market re-quirements for a partner with long-standing qualification for the complex needs of electri-cal and I&C systems thanks to its broad expe-rience base, resources, technology and com-petence networks.
Services and products are offered for electri-cal and I&C systems for a whole spectrum of reactor types. The increasing demand for qualified staff for electrical and I&C equipment, fueled by the renaissance of nuclear power, is met by targeted expansion of personnel and know-how capacity.
High-performance, qualified products such as the TELEPERM XS safety I&C system are now state-of-the-art-products, with the second generation already implemented in plants. TELEPERM XS is currently in use or on order for 49 power plant units located in 12 different countries around the world. These feature pressurized water and boiling water reactors from nine different vendors. Examples of up-grade projects implemented in the immediate past are retrofitting of electrical and I&C sys-tems in Oskarshamn 2 boiling water reactor unit in Sweden, upgrading of reactor protec-tion system with digital I&C in Qinshan 1 in China and replacement of the reactor limita-tion and control systems in Philippsburg 2 pressurized water reactor unit in Germany.
Modernisierung von Kernkraftwerken
Die Möglichkeiten, die Nutzungsdauer, Leis-tung und Sicherheit von Reaktoren zu erhö-hen, sind vielfältig geworden. Ertüchtigungen der Elektro- und Leittechnik werden weltweit angeboten und in allen gängigen Reaktorty-pen durchgeführt. Für die unterschiedlichen Lösungen – von kleinen bis hin zu äußerst komplexen und umfangreichen Umrüstungen – werden Mitarbeiter mit Erfahrung und Tech-nologiekompetenz benötigt. Mittlerweile wur-de das Sicherheitsleittechniksystem TELE-PERM XS von AREVA NP in 49 Kernkraft-werksblöcken in zwölf Ländern weltweit ein-gesetzt oder ist derzeit in Abwicklung. Und dies in Druckwasser- und Siedewasserreakto-ren von neun unterschiedlichen Anlagenher-stellern.
Beispiele für Modernisierungsvorhaben in jüngster Zeit sind:
der Retrofit der Elektro- und Leittechnik in –der Siedewasserreaktor-Anlage Oskars-hamn 2, Schweden,
die Erneuerung des Reaktorschutzsystems –mit moderner Leittechnik in der chinesi-schen Anlage Qinshan 1,
die Erneuerung der Leittechnik der Reak- –torbegrenzung und -regelung im deutschen Druckwasserreaktor Philippsburg 2.
Laufzeitverlängerung für Oskarshamn 2 (Schweden)
Beim Modernisierungsvorhaben PLEX (Plant Life Extension) in dem von ABB Atom er-richteten Siedewasserreaktor Oskarshamn 2 wird 2009 der erste Meilenstein gesetzt: Die beiden neuen Schaltanlagengebäude, die die gesamte Sicherheitsleittechnik sowie die Elektro- und Betriebsleittechnik beherbergen, sollen bis dahin stehen. Ein zweiter Schwer-punkt ist die Installation neuer Notstromdie-sel. Auch die Planungsarbeiten für die Nach-rüstung eines viersträngigen Kabelwegenetzes für die Reaktorschutzbelange in den vorhan-denen Anlagenteilen stellen eine Herausfor-derung dar.
Aufgrund seiner Komplexität ist das Gesamt-vorhaben eines der derzeit anspruchsvollsten Projekte. In den nächsten vier Jahren wird ein
bedeutender Teil des Kraftwerks umgebaut. Arbeiten, die nur bei Anlagenstillstand durch-geführt werden können, müssen im Jahr 2011 in knapp 60 Tagen umgesetzt werden.
Bereits der vermeintlich einfache Austausch spezifischer Hardware erfordert oft ein erheb-liches Engineering, damit die Sicherheit des Gesamtsystems unbeeinträchtigt bleibt. Vor diesem Hintergrund empfiehlt es sich, das Leistungsportfolio der Elektro- und Leittech-nik detailliert zu kennen. Dieses stützt sich auf zwei Säulen: umfassendes elektrotechni-sches und leittechnisches Engineering und die Lieferung aller Systeme, Geräte sowie Kom-ponenten.
Die Modernisierung der Elektro- und Leit-technik in Oskarshamn 2 muss bezüglich Re-dundanz, Diversität, räumlicher Trennung und Erdbebenauslegung den aktuell geforderten Sicherheitsanforderungen gerecht werden ( B i l d e r 1 bis 3 ). Sie umfasst folgende Maßnahmen:
Austausch der Notstromsysteme (Schaltan- –lagen, Notstromdiesel) und der unterbre-chungslosen Stromversorgung und deren Aufbau in vier Redundanzen,
Austausch des Reaktorschutzsystems mit –dem Sicherheitsleittechniksystem TELE-PERM XS einschließlich eines konventio-nellen Backup-Systems,
Teilaustausch der betrieblichen Leittech- –nik,
Neustrukturierung und Modernisierung der –Warte und Aufbau einer neuen Notstands-warte,
Trennung der Verkabelung in den bestehen- –den Gebäuden,
1E/2E-Trennung von sicherheitsrelevanten –Steuerungssystemen mittels Relaissteue-rung,
Anpassung des Trainingssimulators. –
Das Vorhaben beinhaltet zudem die Errich-tung zweier neuer Schaltanlagen-/Dieselge-bäude. Alle diese Maßnahmen sind, neben di-versen verfahrenstechnischen Ertüchtigungen, ein wesentlicher Bestandteil für die Verlän-gerung der Laufzeit von Oskarshamn 2 auf 60 Jahre. Zudem ist bis 2011eine Erhöhung der elektrischen Leistung des Blocks auf dann 845 MW geplant.
Im Projekt PLEX kommt erstmalig das Laser-scannen – zur maßgenauen Aufnahme der
existierenden Räume – umfassend in einem Kernkraftwerk zur Anwendung (B i l d 4 ). Dieses Verfahren ermöglicht erhebliche Zeit-einsparungen und auch Qualitätsverbesserun-gen für die Einplanung des Kabelwegenetzes und der Komponenten.
Am PLEX-Projekt in Oskarshamn 2 wird nun vier Jahre kontinuierlich gearbeitet. Eine ein-malige Gelegenheit, die genutzt wird, um das langjährige Know-how der Erfahrungsträger an Jungingenieure weiterzugeben.
Neues Reaktorschutzsystem für Qinshan 1 (China)
In der Anlage Qinshan 1, dem ersten von den Chinesen in Eigenregie errichteten Kernkraft-werk mit einer elektrischen Leistung von 300 MW, wurde 2007 das Reaktorschutzsystem ausgetauscht. Diese Maßnahme ist Teil eines umfangreichen Modernisierungsprogramms mit dem Ziel einer Laufzeitverlängerung der Anlage. Beim Reaktorschutzsystem, das auch
die sensible Überwachung der Kernaußenin-strumentierung beinhaltet, kamen – erstmalig in China – Baugruppen der zweiten Generati-on des Sicherheitsleittechniksystems TELE-PERM XS zum Einsatz. Nach Erfüllung aller Anforderungen der nationalen Genehmi-gungsbehörde wurde das System während des zehnten Brennelementwechsels erfolgreich in Betrieb gesetzt. Seit dem 12. Januar 2008 ist Qinshan 1 wieder am Netz, seitdem arbeitet das Reaktorschutzsystem störungsfrei. Das Projekt wurde in enger Zusammenarbeit mit dem Betreiber Qinshan Nuclear Power Corpo-ration (QNPC) und zu dessen vollen Zufrie-denheit abgewickelt.
Diese schnelle und unproblematische Imple-mentierung von TELEPERM XS in eine An-lage ist nur möglich, weil jedes geplante Sys-tem mit allen Baugruppen, Funktionen und Ein-/Ausgangssignalen einer hundertprozen-tigen Überprüfung im Prüffeld unterzogen wird. Zu diesem Zweck hat AREVA NP am deutschen Standort Erlangen eines der welt-weit größten Prüffelder für Leittechnikschrän-
ke, das „TELEPERM XS Integration Center“, eingerichtet. Über 200 Leittechnikschränke können dort gleichzeitig geprüft werden. Dem Prüffeld angegliedert ist das Forum „I&C and Electrical Systems“. Hier präsentiert das Un-ternehmen interessierten Kunden und Partner-firmen – wirklichkeitsgetreu und in Verbin-dung mit einem Steuerstabmodell – Lösungen für die Elektro- und Leittechnik in Kernkraft-werken auf der Basis von TELEPERM XS und RodPilot, einem effizienten und innovati-ven Steuerungssystem für Steuerstäbe in Druckwasserreaktoren.
Modernisierung der Reaktorbegrenzung und -regelung
in Philippsburg 2 (Deutschland)
Im Jahre 2000 wurde AREVA NP vom Kern-kraftwerk Philippsburg 2 beauftragt, eine Machbarkeitsstudie für die Modernisierung und Optimierung der Reaktorleittechnik (Re-aktorbegrenzung und -regelung) zu erstellen.
661
G
692
0,4 kV 693
0,4 kV
CRDMMotors
220 V DC
110 V DC
110 V DC 695
2 out of 3SCRAM
6940,4 kV
2E/3E S7Ventilation
OM690
S7 CRDMControl
Firedetec.Emerg.Light 110 V Contr.
VoltageRPS DPS DG Start M
SafetyPanel
MCR/ECR
SafetyPanel
MCR/ECR
Power supply concept for I&C andcontrol voltage with seperate 110 V battery
Bild 1. Neues Stromversorgungskonzept im Kernkraftwerk Oskarshamn 2. Dargestellt ist eine Redundanz der Versorgungssysteme (die drei an- deren Redundanzen der Notstromversorgungssysteme sind vergleichbar aufgebaut und voneinander räumlich getrennt untergebracht).
Bild 2. Neues Schaltanlagengebäude Nord im Kernkraftwerk Oskars-hamn 2. Es beinhaltet zwei Redundanzen der Notstrom- versorgungssysteme; die beiden anderen Redundanzen sind im Schaltanlagengebäude Süd untergebracht.
Main Control RoomOT
OT HMI OT HMI Emergency Control RoomComputer Room
Service Unit ET OT
TXSMI
TXSMI
S7HMI
TXPES
TXPDS
TXPPU
TXPSU
GW
TXSNFM531
TXSRPS
System516
TXSMSI
TXS1E Controls
System518
S7RCS/RPIS532/533/
211
TXSDPS
S7or
TXSDiesel
Controls
S7Venti-lation
TXPAP
TXPAP
TXPAP
FUM FUM FUM FUM FUM FUM
PAC
SG
M
SC
PAC
SG
SC
M
SC SC
SG
SC
SG
M MM
M M
5
7
12
b nm 7 b
1
34
8
9
5 2 3 4
DS: Diagnostic SystemAP: Automation ProcessorFUM: Function ModuleNFM: Neutron Flux Measurement
TXS: TELEPERM XSTXP: TELEPERM XPSC: Signal ConditioningMSI: Message-, Service InterfaceMI: Message Interface
RCS: Rod Control SystemRPIS: Rod Position Indication SystemDPS: Diverse Protection SystemHMI: Human Machine InterfaceOT: Operating Terminal
PU: Processing UnitSU: Server UnitET: Engeneering TerminalDT: Diagnostic TerminalES: Engeneering System TXP
Bild 3. Übersichtsbild der neuen Leittechnikstruktur im Kernkraftwerk Oskarshamn 2 mit den neuen Leittechniksystemen TELEPERM XS und SPPA-T2000 (Betriebsleittechniksystem von Siemens) sowie der Erweiterung der Bedien- und Überwachungseinrichtungen in der Haupt- und der Notstandswarte.
Bild 4. Mit Hilfe des Laserscannens erhaltene photorealistische Raum- ansicht im Kernkraftwerk Oskarshamn 2. Bei diesem Verfahren werden Räume maßgenau für die spätere Bearbeitung der Än-derungsmaßnahmen aufgenommen.
Anschließend wurden in einer Konzeptphase die Leittechnik- und Ab-wicklungskonzepte sowie Transientenanalysen erstellt.
Ab Ende 2004 startete dann die eigentliche Detailplanung mit Einrei-chung des Genehmigungsantrages. Anschließend wurde die Umset-zung mit TELEPERM XS SIVAT (SIVAT = Simulation Based Valida-tion Tool) sowie von September 2006 bis Oktober 2007 am Kraft-
werkssimulator validiert. Parallel dazu erfolg-ten die detaillierte Nahtstellenplanung in der Anlage und die Hardware-Ausführungspla-nung sowie die Fertigung des Systems. Unter Berücksichtigung der Erkenntnisse des Vali-dierungsprozesses fand dann der hundertpro-zentige „Factory Acceptance Test“ im Prüffeld in Erlangen statt. Die Montage der TELE-PERM XS-Schränke und die „kalte“ Inbe-triebsetzung dauerten bis März 2008. Der scharfe Umschluss von alter auf neuer Leit-technik wird während der Revision 2008 vor-genommen werden, gefolgt von einer Phase der Systembeobachtung und -optimierung während des anschließenden Anlagenbe-triebs.
Gründe des Kunden für die Ertüchtigung der Reaktorleittechnik waren die zunehmende Unverfügbarkeit von Ersatzteilen für das Alt-system, die geänderten Anforderungen an die Reaktorleittechnik aufgrund der Betriebs-erfahrungen sowie die reduzierten Wartungs- und Instandhaltungskosten bei Einsatz des digitalen Leittechniksystems TELEPERM XS.
In 30 TELEPERM XS-Schränken wurden
die Reaktorleistungsbegrenzung RELEB, –
die Stabfahrbegrenzung STAFAB, –
die Massen-Druck-Temperatur-Begrenzung –MADTEB,
die Leistungsverteilungsüberwachung –LVÜ,
die Reaktorleistungsregelung (KMT, Phi, –LV, L-Bank, D-BARE usw.)
sowie die Primärkreisregelungen (KMD, –VAFÜ, DHF-HD/ND)
entsprechend der in B i l d 5 gezeigten Funk-tionsdarstellung aufgebaut.
Um eine hohe Sicherheit und Verfügbarkeit sicherzustellen, waren bei der Ertüchtigung der Reaktorleittechnik außerdem die folgen-den zusätzlichen Maßnahmen notwendig:
Ertüchtigung der Stromversorgung (Batte- –rien),verfahrenstechnische Änderungen und um- –fangreiche Transientenanalysen,Standfestigkeitsnachweise für die Leittech- –nikschränke,Einsatz von Lichtwellenleiter-Kabeln zur –Reduzierung der Kabelanzahl (Brandlast),Anbindung des Notspeisegebäudes über –Lichtwellenleiter (Entkopplung),Anpassung des Anlagensimulators, –Anbindung des Prozessrechners über Gate- –way,Anpassung des Datenmodells, von Prozess- –bildern und Hilfsprogrammen am Prozess-rechner,Anpassung des Nuklearrechners –POWERTRAX,Umbaumaßnahmen in der Warte und Not- –steuerstelle,Zuverlässigkeitsanalyse, –Umfangreiche Analysen zur IT-Sicherheit, –Planung der Tätigkeiten während der Revi- –sion,Überarbeitung von Betriebshandbüchern –und Konzeptberichten,
Prozessvariablen
Erfassung/Verarbeitung
Voter
Be-grenzungen
Erfassung/Verarbeitung
Be-grenzungen
Voter Voter
LVD-Messystem
SchaltanlagengebäudeNotspeise-gebäude
MSI MSI
SINECL2FO
SINECH1FO
KMA
Regelungen
MSI MSI
Antriebe Steuerstäbe Antriebe
Servicegerät
ClientsMSI
Gateway 1
Gateway 2
PRA
Warte
Mon
itorin
g &
Ser
vice
Inte
rfac
e
Antriebe
Bild 5. Funktionsdarstellung der READIG-Leittechnik mit dem Leittechniksystem TELEPERM XS und Einbindung in die Bedien- und Überwachungseinrichtungen.
Automatisieren von mehr als 200 Prüf- und –Kalibrieranweisungen durch den „Graphi-schen Service Monitor“ (GSM) von TELE-PERM XS.
Ausblick
Durch die weltweite Renaissance der Kern-energie steigt die Nachfrage nach Ingenieur-leistungen für die Elektro- und Leittechnik enorm an: für Neubauvorhaben, aber auch – als Folge der Laufzeitverlängerungen in ver-schiedenen Ländern – für die Modernisie-rung laufender Anlagen. Die Elektro- und Leittechniksparte von AREVA NP stellt sich dieser Anforderung durch eine konsequente qualitative und quantitative Personalplanung und -entwicklung. So wurden in den letzten Jahren mehr als 300 Jungingenieure an den Engineering-Standorten in Deutschland, Frankreich, China und den USA eingestellt. Auch in den kommenden Jahren muss der Personalstand noch einmal erheblich erhöht werden, um die anstehenden Aufgaben ter-mingerecht und mit hoher Qualität erledigen zu können. Ein besonderes Augenmerk liegt auf der gezielten Ausbildung der neuen Mit-arbeiter und dem Wissenstransfer von erfah-renen Mitarbeitern auf junge Kolleginnen und Kollegen. Die Elektro- und Leittechnik-sparte von AREVA NP ist somit bestens ge-rüstet für die Abwicklung der zukünftigen weltweit anstehenden Neubau- und Moderni-sierungsvorhaben. u
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International Edition
Topic:Hydro-power
Neue Wege in derProzessleit- undInformationstechnik
Development of theOxidation Layer on aSteam Turbine Vane
Live-cycle Monitoring/Condition Evaluation
Hg-Rückhaltung imSCR-Katalysatorbett
International Journalfor Electricity and Heat Generation
Publication ofVGB PowerTech e.V.www.vgb.org
4/2003Num
ber
4/2
003
VG
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Volume 85/2005 · ISSN 1435-3199
K 43600
International Edition
Schwerpunktthema:
Kernenergie
2004: Operating Results
of Nuclear Power Plants
European Power Plant
Technology forthe Global Market
Water Treatmentin Power PlantApplications
Distributed Generation
and System Operation
International Journal
for Electricity and Heat Generation
Publication of
VGB PowerTech e.V.
www.vgb.org
5/2005
Num
ber
5/2
005
VG
B P
ow
erTe
ch
Volume 85/2005 · ISSN 1435-3199
K 43600
International Edition
Schwerpunktthema:Instandhaltungin KraftwerkenFurther Developments inCoal-Fired Power PlantTechnology
Hydro Power in aCompetitive MarketThermal Utilisation ofWaste in a Power Plant
Material Developments for High Capacity Power Plants
International Journalfor Electricity and Heat GenerationPublication ofVGB PowerTech e.V.www.vgb.org
4/2005Num
ber
4/2
005
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ow
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ch
Volume 87/2007 · ISSN 1435-3199
K 43600
International Edition
Focus: Furnaces,
Steam Generators and
Steam Turbines
Optimisation of
Operating Cost
through CDM and JI
Performance of a
900 MW Supercritical
Steam Turbine
Developments of
Fluidised BedGasification
Explosion Protection in
the Case of Hard-coal
International Journal
for Electricity and Heat Generation
Publication of
VGB PowerTech e.V.
www.vgb.org
Num
ber
7/2
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VG
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7/2007
Volume 85/2005 · ISSN 1435-3199
K 43600
International Edition
Schwerpunktthema:
Erneuerbare Energien
Hydrogen Pathways
and Scenarios
Kopswerk II –
Prevailing Conditions
and Design
Arklow Bank
Offshore Wind Park
The EU-Water
Framework Directive
International Journal
for Electricity and Heat Generation
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8/2005
Num
ber
8/20
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Focus: Safety at Work
Clean Coal Tech-
nologies – Inter-
national Activities
Biomass-fired Power
Plant with Circulating
Fluidised Bed
Operation
Experiences from
Offshore Wind Farms
Damage Analysis of
Evaporator Tubes
International Journal
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Topics: development, planning, construction and operation of power plants under
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