2. Системы контроля, управления и диагностики (скуд) в реакторах типа ввэр-1000

Разработка СКУД выполнена с целью оснащения реакторов ВВЭР-1000 повышенной безопасности (В-392), строящихся в России и за рубежом, а также для оснащения действующих ВВЭР-1000 (В-320, В-302) в процессе поэтапной модернизации с учетом опыта создания и внедрения СВРК.

СКУД - комплексная объектно-ориентированная автоматизированная система, входящая в состав РУ и предназначенная для работы в составе системы контроля и управления (СКУ) энергоблока в режимах нормальной эксплуатации, с нарушениями нормальной эксплуатации и проектных авариях.

СКУД представляет собой децентрализованную систему, состоящую из автономных подсистем, объединяемых общей задачей контроля и диагностики РУ.

СКУД выполняет следующие основные задачи:

• контроль нейтронно-физических и теплогидравлических характеристик активной зоны реактора и режимов эксплуатации РУ при работе энергоблока в базовом и маневренном режимах;

• формирование сигналов защиты по локальным параметрам активной зоны реактора (линейное энерговыделение ТВЭЛа, запас до кризиса теплообмена) в диапазоне мощности реактора 35 - 110 % от Nном;

• сигнализацию об отклонении параметров, определяющих пределы безопасной эксплуатации РУ, от допустимых значений;

• диагностику в процессе эксплуатации основного технологического оборудования РУ для контроля изменения вибронагрузки элементов ВКУ и ГЦК, обнаружения течи теплоносителя, обнаружения свободных и слабозакрепленных предметов и оценки остаточного ресурса;

• комплексный анализ текущего состояния и прогнозирование развития процессов в активной зоне реактора и РУ в целом с обеспечением информационной поддержки эксплуата­ционного персонала по оптимальному ведению режимов РУ и эксплуатации основного оборудования РУ;

• формирование задания на изменение положения ОР СУЗ для управления полем энерговыделения при работе энергоблока в маневренном режиме в диапазоне мощности реактора 35 - 110 % от Nном.

В состав СКУД входят следующие подсистемы (рис. 4.);

• внутриреакторного контроля (СВРК);

• обнаружения течей теплоносителя (СОТТ);

• виброшумовой диагностики РУ (СВШД);

• обнаружения свободных и слабозакрепленных предметов в ГЦК (СОСП);

• комплексного анализа (СКА).

• Также в состав СКУД входят локальная сеть СВРК с сетевыми устройствами (коммутаторы СВРК) и локальная сеть СКУД с сетевыми устройствами (коммутаторы СКУД).

Подсистема СВРК предназначена для оперативного контроля состояния активной зоны реактора, включая контроль за распределением энерговыделения в объеме активной зоны реактора, формирования сигналов предупредительной и аварийной защиты при превышении допустимых значений параметрами, непосредственно определяющими безопасность эксплуатации активной зоны, формирование сигналов для управления полем энерговыделения, а также выдачи рекомендаций по управлению полем энерговыделения.

Рис. 4 Состав СКУД:

СКА - система комплексного анализа; СОСП - система обнаружения случайных предметов;

СВШД - система виброшумовой диагностики;

СОТТ- система обнаружения течи теплоносителя;

СВРК - система внутриреакторного контроля;

ПТК-3- программно-технический комплекс защиты;

ПТК-ИУ - программно-технический комплекс информационно-управляющий;

ПТК-ВУ - программно-технический комплекс верхнего уровня;

ПТК-ВРШД - программно-технический комплекс внутриреакторной шумовой диагностики

В состав СВРК помимо датчиков и линий связи входят следующие программно-технические комплексы (ПТК):

• вырабатывающие сигналы превышения параметрами, важными для безопасности, заданных пределов (ПТК-3):

• выполняющие информационные и управляющие функции (ПТК-ИУ);

• внутриреакторной шумовой диагностики (ПТК-ВРШД);

• верхнего уровня (ПТК-ВУ).

ПТК-3, включающий датчики, кабельные трассы, измерительную аппаратуру и вычислительную технику, осуществляющую обработку измеряемых сигналов и формирование сигналов защиты, в зависимости от проекта РУ структурно разделяется на четыре (рис. 5) или шесть (рис. 6) каналов безопасности. Каждый канал находится в отдельном помещении, что обеспечивает реализацию принципов резервирования и независимости при выполнении защитных функций.

ПТК-3 обеспечивает выработку сигнала типа "сухой контакт" в диапазоне мощности, равном 40 ÷ 102 % от Nном. при превышении допустимых значений следующими параметрами:

• общей тепловой мощностью;

• запасом до кризиса теплообмена;

• максимальной линейной нагрузкой на ТВЭЛ.

Время запаздывания при выдаче этих сигналов защиты по факту обнаружения превышения локальными параметрами допустимых пределов - не более 2 с.

Рис. 5. Структурная схема СВРК для четырехканальной системы безопасности:

1 -4 - кабельная часть каналов информации;

ВП-1, ВП-2, ВП-3, ВП-4 - выходные процессоры каналов информации;

ИА-1, ИА-2, ИА-3, ИА-4 - измерительная аппаратура каналов информации;

САN- сеть для взаимного обмена информацией о принимаемых сигналах ДПЗ между

выходными процессорами каналов информации

Рис. 6. Структурная схема СВРК для шестиканальной системы безопасности

(обозначения - см. рис..5):

1-6- кабельная часть каналов информации;

ВП-1-ВП-6- выходные процессоры каналов информации;

ИА-1 - ИА-6 - измерительная аппаратура каналов информации;

САN- сеть для взаимного обмена информацией о принимаемых сигналах между

выходными процессорами каналов информации

ПТК-ИУ предназначен для выполнения управляющих и информационных функций и размещается в помещении вместе с другими информационными системами.

ПТК-ВРШД предназначен для выявления локального кипения теплоносителя и анализа состояния активной зоны по шумовой составляющей датчиков внутриреакторного контроля

ПТК-ВУ представляет собой резервированную структуру и выполняет следующие функции:

• формирование по команде оператора сигналов управления полем энерговыделения в маневренных режимах;

• представление на экранах мониторов фрагментов инструкций по управлению полем энерговыделения, однозначно определяющих действия оператора в соответствующей конкретной обстановке;

• представление по запросу оператора рекомендаций по управлению тепловой мощностью и полем энерговыделения для выбора оптимальных управляющих воздействий;

• оперативное восстановление поля энерговыделения (в режиме "on-line") в объеме активной зоны, анализ состояния объемных полей (текущих) с выдачей оператору по его запросу данных об отклонении от симметрии различных полей;

• выявление наиболее энерго напряженных участков тепловыделяющих сборок;

• расчет коэффициентов реактивности;

• расчет характеристик микрополей в наиболее энерго напряженных участках тепловыделяющих сборок, включая выявление ТВЭЛов с максимальным линейным энерговыделением;

• нейтронно-физическне и теплогидравлические расчеты;

• корректировку коэффициентов связи линейных энерговыделений с токами датчиков прямой зарядки;

• сигнализацию об отклонении за установленные пределы контролируемых параметров, а также о нарушениях в работе контролируемого оборудования;

• формирование по команде оператора сигналов управления полем энерговыделения в маневренных режимах;

• выдачу информации о текущем состоянии активной зоны реактора в систему комплексного анализа;

• хранение (архивацию) информации об истории работы РУ и СВРК;

• корректировку базы данных с учетом перегрузки топлива, замены датчиков и т.д.;

• контроль и диагностику состояния измерительных каналов СВРК;

• регулирование перекалибровок ПТК-3 в соответствии с регламентом.

ПТК-ВУ состоит из двух вычислительных комплексов (ВК) верхнего уровня (ВУ) и двух рабочих мест оператора-технолога (РМОТ), реализованных на базе ВК оператора-технолога (ОТ).

В состав СВРК также входят:

• сервисная станция дежурного инженера (ССДИ), предназначенная для обеспечения сервисных функций ПТК-ИУ и ВК ВУ и долговременной архивизации данных эксплуатации, поступающих в СВРК;

• ВК внутриреакторной шумовой диагностики (ВК ВРШД), предназначенный для обработки данных от ПТК-ВРШД и ВК ВУ с целью контроля локального кипения в активной зоне;

• локальная сеть СВРК. предназначенная для обмена информацией между ПТК СВРК (за исключением технических средств ВРШД и ССДИ), а также ПТК СОТТ и состоящая из кабелей и двух коммутаторов СВРК, размещенных в стойках ВК ВУ.

Подсистема СВШД обеспечивает комплексную вибродиагностику основного оборудования РУ (главный циркуляционный трубопровод, парогенератор, реактор, включая внутрикорпусные устройства). Предназначен для выявления на ранних этапах аномальных вибрационных состояний оборудования, вызванных изменением условий закрепления, жесткостных характеристик оборудования или возрастанием гидродинамических нагрузок со стороны теплоносителя.

В качестве входных сигналов в СВШД используются:

• переменные составляющие сигналов вне реакторных ионизационных камер и внутриреакторных детекторов прямой зарядки;

• сигналы низкочастотных датчиков вибрационных и тепловых перемещений, устанавливаемых на оборудовании главного циркуляционного контура;

• переменные составляющие сигналов датчиков давления, устанавливаемых в главном циркуляционном контуре.

В системе по локальной сети СКУД предусмотрено использование оцифрованных сигналов и информации от других систем, входящих в СКУД, и систем технологического контроля, входящих в СКУ энергоблока.

\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\

20.02.2016

01.03

.16

Подсистема обнаружения течи теплоносителя СОТТ, входящая в состав СКУД, предназначена для обеспечения выполнения требований принятой концепции "течь перед разрушением".

Основными задачами СОТТ являются:

- контроль герметичности оборудования РУ по 1-му контуру, трубопроводов питательной воды и паропроводов свежего пара от парогенераторов (в пределах герметичной оболочки) со своевременным обнаружением течи теплоносителя при работе энергоблока на различных уровнях мощности в режимах нормальной эксплуатации и с нарушениями нормальной эксплуатации.

Комплексная система обнаружения течи состоит из двух подсистем, предусматривающих использование двух различных физических методов и принципов обнаружения течи теплоносителя: - акустический контроль течи и контроль влажности.

Подсистема обнаружения случайных предметов предназначена для обнаружения по сигналам акустических датчиков о наличии случайных предметов в первом контуре и своевременной сигнализации об этом эксплуатационному персоналу с целью предотвращения повреждения элементов активной зоны и первого контура.

В нормальных условиях эксплуатации СКУД функционирует следующим образом:

ПТК-3 и ПТК-ИУ СВРК осуществляют сбор и обработку информации от датчиков и систем энергоблока. При этом в диапазоне мощности реактора, равном 35 ÷ 110 % от Nном. ПТК-3 обеспечивает автоматическое формирование и передачу в систему АЗ - ПЗ сигналов аварийной и предупредительной защиты активной зоны по внутриреакторным локальным параметрам (шунтирование защиты в ПТК-3 до 35 % Nном. осуществляется по мощности, определяемой с помощью программного обеспечения ПТК-3), а ПТК-ИУ в маневренных режимах эксплуатации РУ в диапазоне мощности реактора, равном 30 ÷ 100 % от Nном., передает в систему группового и индивидуального управления (СГИУ) сигналы, управляющие энерговыделением. Связь между отдельными каналами ПТК-3 обеспечивается по локальной сети верхнего уровня с целью обмена информацией о токах детекторов прямой зарядки между каналами безопасности и другой информацией, необходимой для надежного и метрологически обоснованного функционирования ПТК-3.

Полученная в ПТК-3 и ПТК-ИУ информация, а также информация о состоянии технических средств ПТК-3 и ПТК-ИУ поступает по сети СВРК в ВК ВУ, где выполняются необходимые информационные и вспомогательные функции, формируются пакеты, которые по сети СВРК передаются в ВК ОТ для дальнейшего их отображения оперативному персоналу. В маневренных режимах эксплуатации РУ в диапазоне мощности реактора, равном 30 -100 % от Nном., по команде оперативного персонала ВК ВУ формирует и передает в ПТК-ИУ информацию по изменению положения ОР СУЗ для управления полем энерговыделения в активной зоне. ВК ВУ в процессе перекалибровки по команде и под контролем оперативного персонала передает в ПТК-3 необходимую настроечную информацию.

В состав ПТК-ВУ входят два ВК ВУ, один из которых при эксплуатации СКУД находится в "горячем резерве", т.е. полностью повторяет работу другого ВК ВУ. Для обеспечения сервисных функций ПТК-ИУ и ВК ВУ и долговременной архивизации параметров СВРК предусмотрена сервисная станция дежурного инженера (ССДИ).

ПТК-ВРШД получает переменные составляющие сигналов детекторов прямой зарядки (ДПЗ), выполняет их предварительную обработку и передает в ВК ВРШД для окончательной обработки. Также из ПТК-ВРШД одновременно передаются (в аналоговой форме) в ПТК СВШД переменные составляющие сигналов 14 ДПЗ, выбираемых по команде ПТК СВШД. Информация по выбранным ПТК СВШД детекторам поступает в ПТК-ВРШД.

ВК ВРШД получает информацию от ПТК-ВРШД и от ВК ВУ. Результаты работы ВК ВРШД отображаются на его собственном мониторе. Кроме того, обобщенная информация (информация о возможном появлении локального кипения и о неисправностях в технических средствах по результатам самодиагностирования) от ВК ВРШД поступает в ВК ОТ и на БЩУ, а также в систему комплексного анализа (СКА) для ее учета при проведении ком­плексного анализа и для отображения на рабочем месте (РМ) физика и в центре технической поддержки.

ПТК СОТТ получают информацию от собственных датчиков, а также от ВК ВУ СВРК и, при необходимости, от системы верхнего блочного уровня (СВБУ), обрабатывают ее и после окончания обработки представляют на собственные мониторы. Кроме того, обобщенная информация (информация о выявленных неисправностях в оборудовании РУ и в самой подсистеме по результатам самодиагностирования) от этих ПТК поступает в ВК ОТ СВРК на БЩУ. а также в СКА для ее учета при проведении комплексного анализа и для отображения на РМ физика и в центре технической поддержки.

Аналогично работают ПТК СВШД и системы обнаружения случайных предметов (СОСП).

Система комплексного анализа (СКА) получает через коммутаторы СКУД информацию от всех подсистем СКУД, а также от системы верхнего блочного уровня (СВБУ) и системы радиационно-технологического контроля. Результаты работы СКА отображаются на РМ физика и в центре технической поддержки. При необходимости оперативный персонал может получить информацию от СКА на один из ВК ОТ СВРК, расположенный на БЩУ.

Обмен информацией в системе происходит с периодичностью 1 с.

СКУД функционирует непрерывно, за исключением ПТК СВШД и СКА, которые проводят анализ периодически или по команде эксплуатационного персонала.

В режимах нарушения нормальных условий эксплуатации и некоторых проектных авариях, вызванных неисправностями в РУ, СКУД функционирует аналогично описанному выше функционированию в нормальных условиях эксплуатации.

Основу внутриреакторного контроля с помощью СВРК составляют распределенные по сечению и высоте активной зоны нейтронные ДПЗ в количестве 64 х 7 шт., а также температурные детекторы, расположенные на входе и выходе из ТВС. Кроме того, СВРК сканирует и обрабатывает датчики расхода, давления, положения ОР СУЗ, концентрации бора, теплового баланса между 1-м и 2-м контурами и т.д.

Основной структурной единицей ПТК-ИУ СВРК является информационно-измерительное устройство УИ-174Р - представитель типоразмерного ряда аппаратуры СВРК. Для АЭС с РУ типа ВВЭР ("Гиндукуш-М"). Данная аппаратура является развитием технических решений, проверенных большим опытом эксплуатации СВРК на АЭС, успешно прошла в соответствии с российскими нормативными документами процедуру межведомственных испытаний на соответствие российским правилам и нормам в области использования томной энергии и рекомендована для применения на АЭС.

Сбор данных в ПТК-3 на базе УИ-174Р осуществляется циклически. В каждом цикле обеспечиваются:

• измерение сигналов датчиков;

• формирование массивов полученной информации и проверка их на достоверность;

• передача массивов информации в ВК ВУ;

• обмен массивами информации с другими каналами (шкафами) ПТК-3 на базе УИ-174Р;

• вычисление по алгоритмам и формирование сигналов защиты по внутриреакторным локальным параметрам.

Каждый канал ПТК-3 на базе УИ-174Р формирует и выдает в соответствующий канал системы АЗ-ПЗ бинарный сигнал при превышении допустимых пределов линейным энерговыделением ТВЭЛа и уменьшении ниже допустимого значения запаса до кризиса теплообмена.

УИ-174Р обеспечивает периодический контроль исправности собственного оборудования с использованием аппаратных диагностических средств, встроенных в функциональные модули, а также с помощью программных тестов. При наличии неисправностей одновременно с измеренной информацией в ВК ВУ и ССДИ передается текст диагностической информации. Каналы передачи информации от УИ-174Р в ВК ВУ и ССДИ дублированы.

ПТК-ИУ также построен на базе УИ-174Р и функционирует аналогично ПТК-3 за исключением приема и обработки сигналов ДПЗ, обмена между ПТК и формирования сигналов защиты по локальным параметрам.

ПТК-ВУ представляет собой распределенную компьютерную подсистему, построенную на базе программно-технических средств и комплексов типа "Памир" и состоящую из двух ВК ВУ и двух ВК ОТ. Особенности ПТК-ВУ следующие:

• проработанная архитектура открытых систем, что дает возможность создания современных и перспективных решений на базе широко используемых стандартов (стандарты для прикладного ПО - РOSIХ версий 1, 1.b, 1.с и др., операционная система – Linux (-RКТ), процессор РоwегРС или Intel, или др.);

• наиболее технологичные промышленные конструктивы (надежность, ремонтопригодность, спектр решений по компоновке) – СоmрасtРСI;

• высокая производительность - процессорные модули на базе РоwегРС или Intel с быстродействием, достаточным для анализа состояния реакторной установки, включая моделирование нейтронно-физических и тепло-гидравлических процессов в активной зоне в реальном времени;

• системная надежность с применением новых структурных решений, включая контроль и управление отдельных компонент, а также поддержка кластерных технологий для полного использования вычислительного ресурса вместе с автоматической реконфигурацией ресурсов в случае отказов компонент или модулей.

Каждый ВК ВУ циклически принимает от каждого ПТК-3 и ПТК-ИУ информацию, при необходимости передает информацию в ПТК-3 и ПТК-ИУ, проводит необходимые оперативные расчеты, контроль измерений и отклоне­ний технологических величин, корректировку базы данных с учетом перегрузки топлива, замены датчиков и т.д., обеспечивает рестарт системы, оперативную архивизацию и передает информацию в ВК ОТ и сеть СКУД.

Каждый ВК ОТ циклически принимает от каждого ВК ВУ и из сети СКУД информацию и представляет ее оператору-технологу на БТ.ЦУ. При возникновении неисправностей одного из ВК ВУ обеспечивается переключение ВК ОТ на получение информации от другого ВК ВУ.

Программное обеспечение (ПО) СКУД состоит из системного (СПО) и прикладного (ППО) ПО.

В качестве СПО ПТК-НУ СВРК, реализующего задачи управления процессами, межпроцессорного и сетевого взаимодействия, применена специально разработанная программа, работающая в режиме реального времени. СПО остальных ПТК СВРК, а также ПТК других подсистем СКУД реализовано на базе двух вариантов UNIХ: "Rеd Наt-Linux" и "SUN-Solaris".

В основе ППО ПТК СКУД лежит соответствующее алгоритмическое обеспечение, имеющее большой опыт эксплуатации на АЭС или проверенное в ходе эксплуатации в составе прототипов подсистем или созданное на базе аттестованных программных комплексов. Так как СКУД является сложной интеллектуальной системой, то подробное описание алгоритмов СКУД представляет собой большой объем, поэтому остановимся только на кратком опи­сании некоторых из них.

Алгоритм восстановления поля энерговыделения в объеме активной зоны реализован в составе ППО "Хортица-М" в ВК ВУ СВРК. Алгоритм основан на совместном решении уравнений связи результатов измерений с искомым полем и уравнения диффузии нейтронов в трехмерном пространстве в конечно-разностном приближении. Для решения уравнения диффузии и определения параметров нейтронно-физической модели используется итерационная схема Зейделя.

Все параметры вычисляются как с учетом наличия поглотителя, так и без него. Эволюция нуклидного состава рассчитывается в реальном времени на основе дифференциальных уравнений.

Для уменьшения расхождения между нейтронно-физической моделью и показаниями датчиков проводят адаптацию материального параметра и сечения деления на основании результатов измерений.

Для исключения ошибки по обшей причине линейное энерговыделение в шести ближайших к ДПЗ ТВЭЛах в местах размещения ДПЗ (64 х 7 = 448 точек) определяется по текущему току ДПЗ и коэффициенту перехода от токов к линейному энерговыделению по формулам, содержащимся в базе данных и учитывающих текущие параметры: - выгорание ДПЗ, изменение изотопного состава в ближайших ТВЭЛах, температуру урана и теплоносителя, давление, концентрацию бора в теплоносителе, удельную мощность и т.д. - независимо от результатов текущих расчетов параметров нейтронно-физической модели.

Описанный алгоритм применяется в ППО "Хортица" на всех реакторах с ВВЭР-1000 и имеет успешный опыт эксплуатации более 100 реакторо-лет на ЭВМ СМ-2М.

Для решения задачи защиты по локальным параметрам с целью обеспечения повышенной точности определения и передачи тарировочных данных в ПТК-3 были внесены соответствующие изменения в подготовку данных, а также в содержание и объем оперативных расчетов, проводимых ППО "Хортица-М" в ВК ВУ СВРК.

Учитывая возможность использования сигналов родиевых ДПЗ для контроля быстрых процессов в активной зоне, введена соответствующая процедура их обработки.

В обслуживание ПТК-3 входит помимо традиционных функций регулярная (в зависимости от числа эффективных суток, но не реже одного раза в неделю) перекалибровка, проводимая по специальной инструкции с использованием расчетов в ВК ВУ. Процедура максимально автоматизирована и обычно занимает не более 10 мин.

Алгоритм системы акустического контроля течи (САКТ) базируется на использовании метода затухания. Алгоритм заключается в сравнении амплитуд акустических сигналов, принимаемых в различных точках поверхности объекта контроля, и определении координаты источника течи по известному затуханию акустических колебаний в выбранном диапазоне частот.