автореферат диссертации по энергетике, 05.14.03, диссертация на тему:Разработка методов и интерпретация данных применительно к системам шумовой диагностики реакторных установок Нововоронежской АЭС

Государственный Научный Центр Российской Федерации -Физико - энергетический институт имени академика А. И. Лейпунского

На правах рукописи УДК 621.039.587

Слепов Михаил Тимофеевич

Разработка методов и интерпретация данных применительно к системам шумовой диагностики реакторных установок Нововоронежской АЭС.

Специальность 05.14.03 - Ядерные энергетические установки Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научные руководители:

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Морозов С.Д.;

кандидат технических наук, доцент

Скоморохов А.О.

Обнинск-1999

Содержание.

Содержание 2

Список используемых сокращений 5

Введение. 6

1. Описание системы вибрационного мониторинга виз. 13

1.1. Архитектура системы вибрационного мониторинга вОЭ. 13

1.1.1. Измерительные каналы датчиков абсолютных перемещений. 14

1.1.2. Измерительные каналы датчиков относительных 18 перемещений.

1.1.3. Измерительные каналы датчиков пульсации давления. 19

1.1.4. Обработка сигналов и представление информации 22 пользователю. "'ч ,

1.2. Работа системы в штатном режиме. 24

1.3. Критика традиционной алгоритмии системы, формулировка 25 основных проблем.

1.3.1. Проблема переноса информации. 26

1.3.2. Проблема проверки информации, поступающей по 27 измерительным каналам, на достоверность.

1.3.3. Проблема автоматического выделения пиков в 28 вибрационных спектрах.

1.4. Основные выводы по содержанию главы 1. 29

2. Первичная обработка информации системы БОБ. 30

2.1. Выбор средств реализации. 30

2.1.1. Что такое АПЛ? 31

2.1.2. АПЛ - язык исследователя. 31

2.1.3. Представление вибрационных спектров в АПЛ. 33

2.2. Перекодировка исходных данных, хранящихся в файлах системы, 34 в формат, используемый в АПЛ.

2.2.1. Алгоритм перекодировки. 34

2.3. Основные выводы по содержанию главы 2. 38

3. Разработка алгоритмов автоматической отбраковки спектров. 39 3.1. Типичные спектры ДАП. 39

автор: Слепое Михаил Тимофеевич

Содержание.

3.1.1. Неисправность вида «Обрыв соединительных линий». 40

3.1.2. Неисправность вида «Повреждение подвески сейсмической 40

массы».

3.1.3. Неисправность вида «Нарушение положения сейсмической 43

массы при проведении измерения».

3.2. Типичные спектры ДОП. 43

3.2.1. Неисправность вида «Обрыв соединительных линий». 45

3.2.2. Неисправность вида «Неверная настройка канала ДОП». 48

3.2.3. Неисправность вида «Емкостное рассогласование плеч 49

измерительного моста».

3.3. Типичные спектры ДПД. 49

3.3.1. Неисправность вида «Обрыв измерительных линий». 49

3.3.2. Неисправность вида «Замыкание на землю одной из 51

обкладок пьезокристалла».

3.3.3. Неисправность вида «Наводки тока в канале ДПД». 51

3.4. Выбор критериев. 53

3.4.1. Критерий «Уникальные значения». 54

3.4.2. Критерий «Размах второй производной». 54

3.4.3. Критерий «Положение центра тяжести спектра». 56

3.4.4. Критерий «Усреднённая разность значений локальные 59

максимумы - фон».

3.4.5. Критерий «Порядковый номер пика оборотной частоты ГЦН». 61

3.4.6. Критерий «Положение максимального значения спектра». 61

3.4.7. Критерий «Количество пиков». 61

3.5.Автоматическая отбраковка спектров обучающей выборки на 63

основе разработанных критериев

3.6. Проверка работы алгоритма отбраковки на контрольной выборке 67

спектров.

3.7. Результаты, полученные при использовании программы 67

автоматической отбраковки спектров.

3.8. Основные выводы по содержанию главы 3. 69

4. Выделение пиков в вибрационных спектрах БОБ. 71

4.1. Локализация областей спектра с признаками пика 72

4.2. Идентификация при сравнении площади пика с площадью «фона» 76 (Метод 1).

4.3. Идентификация пика при использовании функции отображения 77 (Метод 2)

4.4. Идентификация пиков с помощью второй производной (Метод 3). 79

4.5. Разработка нового метода для выделения пиков в вибрационных 81 спектрах.

4.5.1. Выбор критериев для идентификации пиков. 84

4.5.2. Применение методов многомерного шкалирования (Метод 4). 86

4.5.3. Идентификация пиков на основе разработанного метода. 88

4.5.4. Основные выводы по содержанию главы 4 91 5. Анализ информации системы БОв на основе данных, полученных за 93

кампанию 1997 года.

5.1. Визуализация спектров. 93

5.1.1. Идентификация ошибочной коммутации ДОП ПГ к системе. 96

5.1.2. Идентификация режимов работы турбогенераторов 4 блока 97 Нововоронежской АЭС.

5.2. Диагностика состояния подшипниковых опор ГЦН 4 блока. 102

5.2.1. Особенности конструкции и обслуживания ГЦН. 102

5.2.2. Выбор информативных признаков в спектрах вибрации ГЦН 105 для диагностики состояния подшипников скольжения.

5.2.3. Анализ изменения амплитуды «масляного вихря». 106

5.3. Основные выводы по содержанию главы 5. 114 Выводы 115 Литература 117 Приложение 1 124 Приложение 2 137

автор: Слепое Михаил Тимофеевич

Список принятых сокращений.

АЭС - Атомная электостанция

АЦП - Аналого-цифровой преобразователь.

БПФ - Быстрое преобразование Фурье.

ГЦН - Главный циркуляционный насос

ГЭЗ - Глубоко эшелонированная защита

ДАП - Датчик абсолютных перемещений

ДОП - Датчик относительных перемещений.

ДПД - Датчик пульсации давления

ИС - Информационная система

ЛТД - Лаборатория технической диагностики

МНК - Метод наименьших квадратов

ОИАтЭ - Обнинский институт атомной энергетики

ОРО - Оператор реакторного отделения

ПГ - Парогенератор

ПО - Программное обеспечение

ППР - Планово - предупредительный ремонт

РУ - Реакторная установка

СВМ - Система вибрационного мониторинга

СМ - Сейсмическая масса

СПМ - Спектральная плотность мощности.

СПУ - Станция предварительного усиления

ТГ - Турбогенератор

ЦНК и Д - Центр неразрушающего контроля и диагностики

«ДИАПРОМ» «ДИАПРОМ»

Введение

«У любой проблемы всегда есть лёгкое решение - ясное, приемлемое и ... абсолютно неверное»

- X. Л. Менкен, «Хрестоматия Менкена».

Важнейшим показателем технического уровня отдельных стран и цивилизации в целом является развитие энергетики. На современном этапе долговременное обеспечение энергоресурсами является для всех стран основой технической политики и политики вообще и, в ряде случаев, основой международных конфликтов, а рачительное использование имеющихся и освоение новых энергоресурсов - основой устойчивого роста благосостояния и могущества государств. До 1986 года большое количество стран мира планировали наращивание энергетического потенциала за счёт АЭС, причём максимум строительства АЭС приходится на 1970 -1979 года, когда в США было введено 80 энергоблоков, в Западной Европе - 74 и в Японии -20 [13]. По прогнозам МАГАТЭ [13] в период с 2005 по 2030 производство электроэнергии в мире должно увеличиться в 1.7 раза, а доля АЭС в этом производстве возрасти до 23%. Но тяжёлая авария в 1979 году на АЭС «Three Mile Island» и авария с тяжелейшими последствиями на Чернобыльской АЭС в 1986 году вызвали такую дискуссию о приемлемости атомной энергетики вообще и такой негативный резонанс, который привёл к пересмотру энергетической политики в ряде стран. В частности, это привело в России к приостановке работ по проектированию и строительству АЭС. Крупные аварии на АЭС и других атомных объектах лишний раз подтверждают житейскую мудрость о том, что скупой платит дважды, ибо только в США введение моратория на эксплуатацию АЭС привело бы к потере 200 млрд. долларов капиталовложений [13], и поэтому затраты на предотвращение аварий значительно более эффективны, чем отказ от АЭС вообще. В настоящее время во всех странах, включая Россию, существует чётко сформулированная концепция «глубоко эшелонированной защиты» (ГЭЗ), которая предусматривает последовательный ряд барьеров на пути возможного распространения радиоактивных веществ и последовательный ряд технических

средств и методов эксплуатации АЭС, обеспечивающих эффективность барьеров и их защиту.

Для обеспечения ГЭЗ на этапе эксплуатации используются пять уровней защиты, а именно [26]:

1. Поддержание энергоблока АЭС в пределах (границах) нормальной эксплуатации;

2. Своевременное обнаружение отклонений от пределов и условий нормальной эксплуатации и предотвращение развития таких отклонений за допустимые эксплутационные пределы;

3. Преодоление аварийных ситуаций в пределах безопасной эксплуатации;

4. Сохранение эффективности уцелевших при аварии физических барьеров безопасности мерами и средствами по управлению авариями в проектных пределах;

5. Принятие мер по защите населения и окружающей среды в случае возникновения тяжёлых (запроектных аварий) путём реализации планов противоаварийных мероприятий по защите персонала и населения в районе размещения АЭС.

Ключевым звеном в данной структуре является 2-й уровень. Действительно, своевременное обнаружение отклонений позволит не допустить развивающуюся аварийную ситуацию. Но весь вопрос в том, какое отклонение и каких параметров следует считать предвестником надвигающейся аварии?

Конечно, существует целый ряд параметров, изменение которых непосредственно влияет на безопасное состояние АЭС (изменение реактивности, давления в первом контуре, активности теплоносителя и др.). Оперативный персонал АЭС в первую очередь ориентирован на восприятие именно этих «глобально» влияющих на безопасность АЭС параметров. На практике, в большинстве случаев, каждой аварии предшествует относительно длительный период незначительного отклонения параметров, напрямую не связанных с параметрами, влияющими на безопасность АЭС (изменения в вибрационных спектрах различных вращающихся машин, незначительное колебание температуры и др.).

Так, например [13]: авария на 1 блоке Южно-Украинской АЭС 20.04.83 (выход из строя ГЦН №4 из-за повреждения нижнего радиального подшипника вследствие его перегрева), авария на АЭС «GÖSSEN» (ФРГ) 06.05.85 (разрыв вала ГЦН), авария на АЭС «GINNA» (США) 25.01.82 (разрушение трубок ПГ из-за наличия постороннего предмета). Во всех этих случаях аварии можно было либо избежать, либо

существенно снизить её последствия при своевременном получении необходимой информации и правильной её оценке.

Поэтому сегодня актуален вопрос оснащения АЭС различными информационными системами (ИС), автоматизирующими процесс обработки информации и выдающими заключение о текущем состоянии АЭС. А наличие ИС на действующих блоках АЭС следует рассматривать как повышение 2 уровня защиты при обеспечении ГЭЗ на этапе эксплуатации.

Осознание этого факта привело к тому, что уже в 1988 г. затраты на эксплуатацию АЭС в США выросли по сравнению с 1987 г. на 24% и достигли 12 млрд. долларов. При этом указанные затраты связаны не только с продлением срока службы АЭС путём замены части оборудования, но и с вводом в эксплуатацию новых и существенной модернизацией старых ИС.

Этот подход также нашёл отражение в «Общих положениях обеспечения безопасности атомных станций» (ОПБ-88/97) [65], введённых в действие с 01.07.98, где в качестве одного из требований к системам нормальной эксплуатации зафиксировано: «...должны обеспечивать автоматическую и/или автоматизированную диагностику состояния и режимов эксплуатации». К сожалению, в бывшем СССР не уделялось должного внимания проблеме обработки технологической информации АЭС. Очень поучительна в этом отношении история становления и развития технической диагностики на Новоронежской АЭС. С 1970 по 1983 год на АЭС работала группа технической диагностики (ГТД) под руководством кандидата технических наук Константина Александровича Адаменкова. За это время были разработаны и опробованы методики определения некоторых видов неисправностей ГЦН [79], регулярно проводились записи вибрации, формировалась база данных (применительно к техническим средствам тех лет). Но, не смотря на успехи, в 1983 году это направление деятельности было закрыто с формулировкой « ...в связи с достаточной периодичностью контроля металла и повышением качества ремонта главного оборудования первого контура». Это привело к тому, что многолетний опыт ГТД не был востребован, и коллектив распался.

«Эффект» от смелого решения не заставил себя долго ждать - аварийный останов второго энергоблока Нововоронежской АЭС в 1986 году (сквозная трещина опорного фланца шахты реактора в 1Л общей длины) из-за несвоевременного обнаружения и идентификации дефекта.

В 1991 году на Нововоронежской АЭС заново создаётся лаборатория технической диагностики (ЛТД). Ввиду отсутствия готовых к поставке на АЭС отечественных систем технической диагностики (СТД) было принято решение об их покупке у фирмы «Siemens» (ФРГ). В 1992 году на 3 и 4 блоках Нововоронежской АЭС были смонтированы и введены в эксплуатацию 5 СТД, а именно: две системы контроля свободных и слабозакреплённых предметов KUS (по одной на каждый блок), две системы контроля течей средней величины ALUS (по одной на каждый блок) и система контроля вибрации основного оборудования 1 контура SUS (одна на два блока).

Активная эксплуатация выявила целый ряд недоработок как в программных, так и в технических средствах всех СТД, подробный анализ которых представлен [69, 70]. Для систем KOS и ALIIS, которые настраиваются на выявление какого-либо одного явления (событие ударного типа или увеличение мощности высокочастотного шума), удалось представить конечный результат в бинарном виде, т.е. есть эффект или нет. В случае с SUS такую зависимость получить просто невозможно. Поэтому основное содержание диссертации посвящено решению практических проблем, связанных с обработкой информации системы вибрационного мониторинга Структурно работа разбита на пять глав.

В первой главе изложены основные принципы построения системы вибрационного мониторинга. Кратко рассматриваются составные части, возможности штатного (т.е. поставляемого вместе с системой) программного обеспечения и порядок проведения измерений. Здесь же приводится критика традиционной алгоритмии построения систем данного класса.

Вторая глава посвящена проблемам первичной обработки информации. Это, прежде всего, выбор программных средств реализации. Кратко анализируются возможности языка сверхвысокого уровня АПЛ2 как идеального средства для решения задач макетирования и представления именно «спектральной» информации. Здесь же приведён алгоритм (программная реализация) перекодировки файлов, хранящихся в системе, в формат для работы в среде АПЛ. В документации на систему описание данного алгоритма отсутствует.

В третьей главе анализируются причины появления аномальных спектров. Для каждого типа используемого в системе датчика формулируются критерии, позволяющие судить о спектре как нормальном или аномальном. Здесь же

представлены результаты работы программы автоматической отбраковки спектров на обучающей и контрольной выборках.

Четвёртая глава посвящена решению такой важной проблемы, как выделение пиков в вибрационных спектрах. При всей важности поставленной задачи никто систематически ей не занимался. Исследуются три различных способа выделения пиков, используемых в практике гамма-спектрометрии. Приводятся результаты тестирования методов на обучающей выборке из 90 вибрационных спектров. В результате разработан новый метод, позволяющей выделять пики в вибрационных спектрах наилучшим образом.

В пятой главе представлены результаты эксплуатации системы в 1997 -1998 годах. Приводятся примеры нештатного, т.е. непредусмотренного программным обеспечением (ПО) системы, анализа. В одном случае автору удалось выявить неправильную коммутацию первичных преобразователей на парогенераторах (ПГ) 4 блока. В другом, за 6 месяцев до останова 4 блока Нововоронежской АЭС на ППР была получена важная информация о состоянии подшипниковых опор главного циркуляционного насоса (ГЦН).

Целью настоящей работы является разработка новых методов и алгоритмов для автоматизации процесса обработки информации для типичной системы вибрационного мониторинга, методик для выявления неисправностей различного вида, исследование изменений в вибрационном состоянии основного оборудования первого контура в течении кампании, а также анализ выявленных аномалий. Автор непосредственно участвовал в качестве исполнителя на всех этапах проведения исследований, включая постановку задачи и анализ литературы по проблемам, затронутым в работе, планирование исследований, получение исходных данных, разработку новых методов, обобщение и интерпретацию результатов.

Научная новизна представленной работы заключается в том, что впервые в условиях действующей АЭС:

1. Выбраны критерии, описывающих различные неисправности измерительных каналов системы вибрационного мониторинга (СВМ), на основе которых автором создан алгоритм для автоматической отбраковки вибрационных спектров.

2. Обоснованы преимущества использования языка сверхвысокого уровня АПЛ-2 для обработки вибрационных спектров.

3. Разработан принципиально новый метод для автоматического выделения пиков в спектрах, более эффективный, чем использующиеся в настоящее время в гамма-спектрометрии.

4. Обоснован�