автореферат диссертации по энергетике, 05.14.03, диссертация на тему:Разработка, создание и применение на АЭС с РУ ВВЭР автоматизированной системы виброшумовой диагностики

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ УНИТАРНОЕ ДОЧЕРНЕЕ ПРЕДПРИЯТИЕ «ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ АТОМНЫХ

ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ» (ФГУДП ВНИИАЭС)

На правах рукописи УДК 621.039.58

Финкель Борис Моисеевич

РАЗРАБОТКА, СОЗДАНИЕ И ПРИМЕНЕНИЕ НА АЭС С РУ ВВЭР АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ ВИБРОШУМОВОЙ ДИАГНОСТИКИ

Специальность 05.14.03 «Ядерные энергетические установки, включая проектирование, эксплуатацию и вывод из эксплуатации»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва, 2003

Работа выполнена в Федеральном государственном унитарном дочернем предприятии «Всероссийский научно-исследовательский институт атомных Электростанций» (ФГУДП ВНИИАЭС)

I

Научный руководитель: кандидат технических наук

Г.В. Аркадов

Официальные оппоненты: доктор технических наук С.А.Морозов

кандидат технических наук М.Т. Слепов

Ведущая организация: Государственный научный центр Российской Федерации «Физико-энергетический институт» им. А.И. Лейпунского.

Защита состоится 25 ноября 2003 г. в 11 часов на заседании диссертационного совета К201.001.01 при Всероссийском научно-исследовательском институте атомных электростанций по адресу: г. Москва, ул.Ферганская, д. 25, к. 614.

С диссертацией можно ознакомиться в технической библиотеке ВНИИАЭС.

Автореферат разослан 24 октября 2003 г.

Ученый секретарь диссертационного совета___

канд. техн. наук, ст. научный сотрудник .Я. Березин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации.

Важной задачей обеспечения надежной и безопасной эксплуатации энергоблока АЭС является контроль механической целостности и жесткости крепления РУ, включая корпус реактора, ВКУ и TBC АкЗ, основное оборудование и трубопроводы ГЦК, который позволяет выявить узлы и компоненты, наиболее подверженные воздействию эксплуагационных нагружающих факторов для оценки выработки проектного ресурса оборудования и возможности продления срока службы энергоблоков сверх назначенного ресурса. В процессе эксплуатации оборудования РУ происходит старение и износ элементов оборудования, что приводит к появлению дефектов и снижению эксплуатационной надежности.

Исходя из вышеизложенного, разработка, создание и внедрение на АЭС системы виброшумовой диагностики, является актуальной задачей, направленной на обеспечение надежной и безопасной работы энергоблока, продление срока службы, переход к обслуживанию по фактическому состоянию. Данная работа посвящена решению этой задачи.

Цель и задачи работы.

Целью работы является разработка, создание и внедрение в практику эксплуатации АЭС с РУ ВВЭР автоматизированной системы виброшумовой диагностики нового поколения для раннего диагностирования технического состояния РУ, что обеспечит повышение безопасности и эксплуатационной надежности.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решена задача по проведению комплекса исследовательских и опытно-конструкторских работ по созданию новых технических решений и способов обработки входной информации под конкретные алгоритмы диагностирования, адаптированные к объекту контроля.

Новизна работы.

| Научная новизна работы заключается в том, что результаты работы по

экспериментальным исследованиям виброхарактеристик РУ с ВВЭР, по реализации новых принципов построения и новых технических решений, новых методов анализа реакторных шумов, положенных в основу алгоритмического и программного обеспечения, позволили провести разработку автоматизированной системы виброшумовой диагностики, в том числе:

номенклатура измерительных каналов: абсолютных и относительных перемещений, пульсаций давления, датчиков вне - и внутризонного нейтронного потока;

достичь спектрального разрешения соответствующего 81 ;жных

* не имеющие аналогов в мировой практике количество (до 80) и

* число точек одной временной реализации - 65000 шт., что позволяет

системах только 1024 точки);

* синхронная регистрация сигналов датчиков виброперемещений и пульсаций давления, сигналов ДПЗ и ИК и запись их в базу данных многоканальных временных реализаций;

* программное конфигурирование произвольного числа измерительных каналов для выбора соответствующего сценария;

* прием как переменных составляющих сигналов ДПЗ и ИК в аналоговом виде, так и их постоянных составляющих в цифровом виде;

* разработка измерительных каналов перемещений, пульсаций давления, регистрирующих как шумовую, так и постоянную составляющие сигналов датчиков;

* комплексирование широкого класса задач виброшумовой диагностики, в том числе: контроль вибрации TBC при переходе на новое топливо, контроль вибронагружениости ВКУ и TBC для оценки остаточного ресурса оборудования, оценка таких параметров АкЗ как барометрический и температурный коэффициенты реактивности, контроль тепловых перемещений оборудования и трубопроводов ГЦК;

* изменение нижней границы исследуемого частотного диапазона исследуемых шумовых сигналов до сотых долей Гц для оценки нейтронно-физических параметров с использованием метода компенсации постоянной составляющей сигналов ДПЗ.

Практическая ценность и реализация полученных автором результатов.

Работа имеет непосредственное практическое применение, так как обеспечивает комплексное диагностирование основного оборудования и трубопроводов ГЦК, ВКУ и TBC АкЗ для повышения безопасности энергоблоке АЭС.

Конкретное личное участие автора в получении научны» результатов.

В диссертации обобщены результаты экспериментальных и опытно-конструкторских разработок, выполненных автором самостоятельно, а также совместно с сотрудниками коллектива, возглавляемого автором.

При это автору принадлежат:

- постановка задачи при проведении экспериментальных исследований, непосредственное участие в проведении измерений виброхарактеристик РУ на блоке 1 Калининской. АЭС, блоке 3 Бапаковской АЭС;

- технические решения, примененные при разработке опытного образца аппаратуры виброшумовой диагностики и реализованные при создании ПТК СВШД;

- разработка новых принципов построения ПТК СВШД.

На защиту выносятся;

- методология проведения и результаты экспериментальных исследований виброхарактеристик АЭС с РУ ВВЭР на блоке 1 Калининской АЭС, блоке 3 Балаковской

АЭС с использованием опытного образца аппаратуры СВШД;

новые технические решения, примененные при создании опытного образца аппаратуры виброшумовой диагностики: цифровая компенсация постоянной составляющей сигналов датчиков прямого заряда для расширения нижней границы частотного диапазона, способы обработки низкоуровневых сигналов переменной составляющей ДПЗ;

- новые принципы построения ПТК СВШД на базе унифицированных программно-технических средств и универсальных измерительных каналов виброперемещений;

- программпо-техническоий комплекс системы виброшумовой диагностики АЭС с РУВВЭР.

Апробация работы.

Основные результаты работ были представлены па следующих семинарах и конференциях:

1. Вторая Международная научно-техническая конференция концерна «Росэнергоатом». "Безопасность, эффективность и экономика атомной энергетики", г. Москва, 22-24.02 2001 г.

2. Отраслевой семинар Минатома РФ «Методы и средства диагносгики ЯЭУ», г. Обнинск, 2-5.10.2001 г.

3. Вторая научно-техническая конференция «Обеспечение безопасности АЭС

с ВВЭР», г. Подольск, 19-23.10.2001 г.

4. Третья Международная научно-техническая конференция концерна «Росэнергоатом» "Безопасность, эффективность и экономика атомной энергетики", г. Москва, 18-19.04 2002 г.

5.14-ая ежегодная конференции ЯО России, г. Удомля, Тверская обл. 30.06- 04.07.2003 г.

6. Третья научно-техническая конференция «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР»- Подольск, 26-30.05. 2003 г.

Публикации.

Основное содержание диссертации опубликовано в 3-х статьях, 2-х научно-технических отчетах.

Структура и объем диссертации.

Диссертационная работа изложена на 136 стр. машинописного текста, состоит из содержания, введения, четырех глав и выводов и включает 11 таблиц, 40 рисунков, список литературы из 62 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе приведен обзор современных методов виброшумового контроля и диагностики АЭС с РУ ВВЭР и РУ PWR, реализованных в работах иностранных и отечественных исследователей, и технических характеристик зарубежных систем виброшумового контроля (СВШК) фирмы «Siemens» (Германия), «Westinghouse» (США), «Kard» фирмы (KFKI) (Венгрия). '

Рассмотрены общие методы виброшумовой диагностики оборудования АЭС с РУ ВВЭР, показана необходимость проведения цикла исследовательских работ по i

идентификации, интерпретации резоиансов спектральных характеристик шумовых сигналов без чего невозможно выйти на конкретный диагноз.

Изложены общие методы математического моделирования оборудования РУ. В результате моделирования можно получить динамические характеристики, спектры колебаний оборудования РУ как для штатного, так и для апомального состояний.

Приведены примеры инцидентов из-за аномально вибрирующих ВКУ и TBC. В 1973 году на АЭС с РУ PWR Stade (ФРГ) по повышенным пульсациям давления ТН на высоких частотах было обнаружено ослабление крепления днища шахты. Этот инцидент послужил толчком к разработке систем виброшумового контроля (СВШК), так как показал, что существует возможность обнаружения аномалий ВКУ в период эксплуатации по флюктуациям сигналов штатных датчиков нейтронного потока.

Из обзора существующих методов и технических характеристик систем виброшумового контроля зарубежных фирм следует, что в системе SUS отсутствуют наиболее информативные с точки выявления аномалий ВКУ и TBC и важные для защиты барьеров безопасности нейтронно-шумовые (вне- и внутризониые) каналы, в системе KARD они не качественны, в системе СВШК на АЭС «Темелин отсутствуют датчики пульсаций давления ТН и датчики виброперемещений на ПГ, ГЦН и корпусе реактора, что не обеспечивает должное качество диагностирования.

В главе 2 изложена методология проведения экспериментальных исследований виброхарактеристик РУ на АЭС с РУ ВВЭР-1000 и приведены результаты исследований.

Виброшумовые исследования в эксплуатационных условиях проводились с участием автора на Калининской.АЭС в 1995 г. и в 1998 г., на Балаковской АЭС в 2000 - 20002 гг.

На стационарном уровне мощности реактора в многоканальном режиме фиксировались сигналы четырех типов датчиков:

- ионизационных камеры -Зшт.(ИК7, ИК14, ИК21);

- датчики пульсаций давления (ДПД) - 3 шт, (Q4, S4, Q3);

- детекторы прямого заряда (ДПЗ) - до 14 шт. (доступны любые две сборки ДПЗ, но не более допустимых по Регламенту безопасной эксплуатации);

- термопары (ТП) на выходе каждой из TBC - 2шт. Расположение ИК представлено на рис. 1.

Рис. 1. Расположение ИК. Параметры регистрации сигналов приведены в таблице 1. Таблица 1 - Параметры регистрации сигналов

№№ Контролируемый параметр Значение

1 Диапазон частот 0,01-2 Гц 2-30 Гц

2 Коэффициент усиления 1,2,4.8,10.40,80,100,200, 400,800

3 Количество точек отсчета в временной реализации 8000,16000, 32000

4 Режим "настройка" программная

5 Режим "измерение" программна»

Измерения на Калининской АЭС в 1998 г. выполнялись в два этапа:

- измерения с набором измерительных каналов ИК, ДПД (этап 1);

- измерения сигналов сборок КНИ (этап 2).

В измерениях использовалась следующая аппаратура (рис.2, 3):

* измерительные каналы системы шумовой диагностики КАШ) Калининской. АЭС;

* предусилители сигналов ДПД (Зшт.);

* 4-х канальный усилитель тока ИК типа ИТ-4с ;

* 8-ми канальный усилитель тока ИК типа ИТ-8с;

* опытный образец аппаратуры виброшумовой диагностики.

Рис. 2 Схема измерения по этапу I Рис. 3 Схема измерения по этапу 2

В измерениях по этапу 1 постоянно записывались сигналы всех ИК, всех ДПД и сигналы ГЦН (то есть 8 каналов). В измерениях по этапу 2 записывались сигналы либо одной либо двух сборок ДПЗ (по семь детекторов в каждой сборке). Сборки ДПЗ выбирались с таким расчетом, чтобы иметь достаточную статистику по TBC разного срока эксплуатации (одно-, двух- и трехгодичные). Всего произведено порядка шестидесяти многоканальных записей, которые позволяют обследовать порядка сорока TBC. Таким образом, по объёму зарегистрированной информации и по канапьности измерений данный эксперимент является беспрецедентным шумовым экспериментом, не имеющим аналогов на российских АЭС.

В ходе измерения регистрируются временные реализации сигналов в двух диапазонах частот:

0,01 -2 Гц с частотой дискретизации 5 Гц;

2-30 Гц с частотой дискретизации 100 Гц.

Исходные 16-ти канальные временные реализации сигналов детекторов оцифровываются 1б-тиканальным регистратором в составе PC.

Были проведены следующие измерения для отработки алгоритмов диагностирования по определению:

- вибрационных эффектов TBC (регистрация сигналов ДПЗ TBC 1-ого, 2-ого и 3-его годов эксплуатации, ДПЗ из соседних TBC, ДПЗ из удаленных TBC);

- акустических стоячих волн (регистрация ДПД + ДПЗ по контурам 1, 2, 3, 4);

- пространственной зависимости источников внутризоиного нейтронного шума (регистрация сигналов ДПЗ из четырех соседних TBC).

А

С1

С

С2

--- О

->01

Рис.4 Расположение ДПЗ Экспериментальные примеры спектральных характеристик

В результате измерений определены значения собственных и вынужденных частот. В таблицу 2 сведены частоты резонансов, интерпретированные в экспериментах на 1-ом блоке Калининской АЭС в 1998 г. Эта таблица не исчерпывает всех резонансов, наблюдаемых в спектральных характеристиках различных сигналов, а только тех резонансов, которые имеют какое-либо отношение к проблеме мониторинга за вибрациями ВКУ.

Таблица 2 . Интерпретация резонансных особенностей (Гц) сигналов ДПЗ и ИК.

♦0.6 - 1.0 Резонансы, обусловленные КО ♦♦

♦1.20 Вторая гармоника КО **

*1.69, 1.96, 2.19,2.66 Собственные частоты первых мод коллективных вибраций TBC с двумя закрепленными концами

2.95 1\3 субгармоника АСВ-2 **

»4.0-5.0 1-ая мода балочных колебаний шахты A3 **

4.15 1\4 субгармоника Ргцн **

♦6.2 - 6.7 Основная мода АСВ-1 **

*7.60 Вторая мода коллективных вибраций TBC с двумя закреплёнными концами

8.30 1\2 субгармоника Ргцн **

♦8.2 - 9.0 Основная мода АСВ-2 **

12.48 3\4 субгармоника Ргцн **

♦12.8-13.6 2-ая гармоника АСВ-1 **

12.9 3\2 субгармоника АСВ-2 **

• *16.6 Ргцн **

*- основные частоты, порождающие ряды точных гармоник *« - частоты, па которых происходят вынужденные вибрации TBC

*

--- V s-- —

-------- a.ao а 3.71 • в 9,ввда * -8.31 О .3.001 S» >1 в от* в ш. ятоя - -Hi Н ВГП-в — в 1 . 4В г 1 вб.аа * -1 вв 37* --»-1.-1 ав

J,

ill/ UZj toi ЯМА***?

Рис. 5. Когерентности для соседних (TBC ffe 02-35 и TBC № 03-34)

Проведены исследования соседних и удаленных сборок ДПЗ. (рис.5). На характерных частотах, где наблюдаются коллективные вибрации TBC, когерентность сигналов удаленных ДПЗ не велика, а фаза очень близка к 180°. В то же время для рядом расположенных ДПЗ когерентность, в отличие от предыдущего случая, тем больше, чем больше амплитуда вибраций и соответствующие градиенты нейтронного поля: Таким образом, в функции когерентности сигналов ДПЗ-ДПЗ эффект коллективных вибраций TBC может проявляться как в виде резонанса (для удаленных ДПЗ), так и в виде локального минимума в точности на той же частоте (для соседних ДПЗ). Для кривых семейства АСПМ ИК (эксперимент на 1-ом блоке Клн. АЭС), полученных в разных временных интервалах, характерна высокая степень воспроизводимости во времени (повторяемостью). В АСПМ ИК, пусть даже иногда и в очень неконтрастном виде, отображаются главным образом глобальные эффекты.

На Балаковской АЭС впервые проведены исследования по контролю за вибросостоянием оборудования петель в эксплуатационных условиях на ВВЭР-1000. Отличительной особенностью вибраций оборудования РУ ВВЭР-1000 является практически полное отсутствие общеконтурных вибраций на собственных частотах в диапазоне

(О - 6) Гц: большинство когерентностей сигналов ДОП-ДОП, установленных в различных петлях практически нулевые. Таким образом, различные петли, как элементы совместных колебаний, «развязаны» по отношению друг к другу.

По результатам экспериментальных исследований с использованием опытного образца аппаратуры шумовой диагностики построены аналитические шумовые модели вибраций ВКУ, из которых получены параметры вибраций TBC и шахты A3, оборудования ГЦК, аналитически разработаны многодетекторные (для вне- и внутризонных нейтронных датчиков) методы выделения диагностических признаков вибраций ВКУ.

Для проведения измерений виброхарактеристик ВКУ и TBC АкЗ разработан опытный образец аппаратуры виброшумовой диагностики.

При создании опытного образца были реализованы технические решения и способы аналоговой обработки шумов датчиков вне и внутризонного нейтронного потока:

- для расширения полосы анализа в области низких частот разработало устройство цифровой компенсации постоянной составляющей сигналов ДПЗ, обеспечивающее нижнюю границу частотного диапазона с 0,01 Гц, так как выделение переменных составляющих сигналов ДПЗ, ТП с использованием разделительной емкости обеспечивает нижнюю границу частотного диапазона только с 0,1 Гц и снижает получение достоверной информации в информативной полосе из-за дополнительных шумов емкости большого номинала и фазовых искажений в одноименных каналах;

- для выделения из полного сигнала ДПЗ и аналоговой обработки низкоуровневых сигналов переменных составляющих сигналов ДПЗ (10"' -10"12) А были реализованы решения по параметрам стабильности измерительных каналов:

* применена гальваническая развязка по питанию и входным сигналам, что позволило повысить помехоустойчивость аппаратуры;

* повышено соотношение сигнал-шум в полосе за счет использования малошумящих операционных усилителей; минимизированы связи между компонентами и снижены значения паразитных емкостей за счет продуманной разводки печатной платы и экранировки входных каскадов;

* для анализа шумовых сигналов в исследуемом диапазоне частот применен ФНЧ (фильтр Баттерворта не ниже 4-го порядка). Другие типы фильтров, имеющие периодические неравномерности в полосе прозрачности например, фильтр Чебышева опасны тем, что могут привнести в спектральные характеристики паразитные особенности.

* использованы программно перестраиваемые усилители в каналах ДПЗ и ТП для усиления сигналов;

Общая схема компенсации постоянной составляющей одного канала приведена на рис.б.

Рис.6 .Блок-схема канала компенсации постоянной составляющей

В главе 3 изложены основные принципы построения СВШД и новые технические решения, которые обеспечили реализацию этих принципов. Предложен комплексный подход к разработке программно-технических средств СВШД на основе опыта, полученного при интерпретации обширного экспериментального материала при проведении измерений на АЭС с РУ ВВЭР-440, ВВЭР-1000, создании математических моделей и методик виброшумовой диагностики.

Основные принципы построения системы:

многофункциональность (контроль вибрации и тепловых перемещений оборудования, оценка нейтронно-физических параметров);

- многоканальность (каналы датчиков виброперемещений, пульсации давления и датчиков вне - и внутризонного нейтронного потока). В отличии от зарубежных СВШМ, например, KARD (Венгрия), в которой принимаются сигналы только 2-х из 6-ти выделенных сборок ДПЗ, в ПТК СВШД принимаются одновременно с сигналами датчиков виброперемещений, пульсаций давления, ИК, любые две сборки ДПЗ из общего количества сборок ДПЗ АкЗ, чем достигается полный виброконтроль TBC АкЗ РУ ;

автоматизация проведения измерений (программная настройка коэффициентов усиления измерительных каналов, балансировка, калибровка каналов виброперемещений), втоматическая постановка диагноза;

универсальность измерительных каналов виброперемещений и пульсаций давления (использование однотипных технических средств: индуктивных датчиков для измерения виброперемещений и тензометрических датчиков пульсаций давления, включенных по мостовой схеме, что позволило применить универсальный усилитель

несущей частоты в этих каналах, измерение переменной и постоянной составляющей сигналов датчиков ДОП, ДПД, ИК. ДПЗ);

- синхронная многоканальная до 80 входных сигналов регистрация входных сигналов (число точек одной временной реализации - 65000 шт., что позволяет достичь спектрального разрешения соответствующего 8196 точкам БПФ (в зарубежных системах только 1024 точки);

программное конфигурирование произвольного числа измерительных каналов для выбора соответствующего сценария;

автоматическая постановка диагноза.

Впервые разработаны унифицированные базовые программно-технические средства (рис.7), включающие:

- единый конструктив - базовый монтажный шкаф с крейтами, источником бесперебойного питания, блоком контроля шкафа, устройством контроля вентиляторов;

- главное вычислительное устройство на базе CompacPCi;

- системное программное обеспечение на базе ОС Linux.

На основе опыта создания системы виброшумовой диагностики представляется целесообразным создание унифицированных программно-технических средств систем оперативной диагностики нового поколения, содержащих: измерительные каналы различной физической природы, специализированное прикладное программное обеспечение.

Измерительные каналы, основанные на разных физических принципах (акустические, вибрации, нейтронные) в составе датчиков, предварительных усилителей, кабельных линий связи

Блоки

нормализации,

предварительной

обработки

5

<с

К пользователю системы

О

Системный блок

Блок

контроля

шкафа

Платы интерфейса

Блок источника бесперебойного питания

Рис.7 Структурная схема унифицированной системы диагностики

Создание унифицированных технических средств систем оперативной диагностики позволит обеспечить их тиражируемость, информационную открытость, совместимость, экономичность, технологичность изготовления и эксплуатации.

и

В программном обеспечении СВШД реализованы функции предварительной обработки входных процессов. Вычислительные процедуры спектрального анализа (БПФ) выполнены на программном уровне, что позволило отказаться от аппаратных средств реализации БПФ на основе Фурье процессоров, как это делается в блоке MOSIP системы SUS (Германия). При программной реализации выполняется также МАР-анапиз и различные процедуры декомпозиции, для которых необходимы не Фурье образы, а собственно процессы.

Алгоритмия СВШД построена но новых принципах анализа реакторных шумов.

Большинство существующих СВШК способны лишь следить за изменениями некоторых спектральных характеристик в эксплуатационных условиях, но не способны автоматически устанавливать диагнозы. Существенное отличие подхода к алгоритмам диагностирования, примененное в СВШД от алгоритмов, реализованных в зарубежных СВШК, например, в системе SUS фирмы Siemens, состоит в автоматическом выделении множества резонансов спектральных характеристик, принадлежащих определенному реакторному эффекту и постановке диагноза по каждому из типов контролируемого оборудования. Эта задача решена разработкой сценариев. Сценарий - макрооперация, для выявления диагностических признаков по конкретным реакторным эффектам.

Стартовая библиотека сценариев состоит пяти обобщенных сценариев и может пополняться в процессе эксплуатации СВШД:

вибрации основного оборудования ГЦК (ПГ, ГЦН, U-образный трубопровод);

вибрации корпуса РУ;

вибрации шахты активной зоны;

вынуждающие вибрации силы (АСВ, пульсации ТН);

вибрации TBC.

Сценарии составляются из следующих элементарных операций:

1) Чтение входных процессов и параметров измерений (Кд - коэффициент преобразования датчика, Ку- коэффициент усиления тракта, 1о - постоянная составляющая сигнала датчика, Fä - частота дискретизации (Гц), диапазон частот (F| - F2) (Гц), N - число точек в одном канале).

2) Предварительная обработка.

3) Центрирование, исключение линейного тренда, разреживание, линейные преобразования процесса, приведение к (0,1)-процессу (нулевое математическое ожидание и единичная -дисперсия).

4) Фильтрация (нч, вч, полосовая).

5) Оценка корреляционных функций (Авто КФ, Взаимная КФ).

6) Оценка автоспектральной плотности (квадратичная, линейная).

7) Оценка взаимных спектральных характеристик:

модуль взаимной спектральной плотности, фаза взаимной спектралыгой

плотности, когерентность, передаточная функция.

8) Операции с множеством частот экстремумов спектральных функций (далее с множествами маркеров):

выделение частот локальных максимумов или минимумов; объединение множеств маркеров; пересечение множеств маркеров; разность множеств маркеров;

выделение гармонических рядов из множества маркеров; выделение субгармонических рядов из множества маркеров; выделение маркеров, где заданная функция принимает заданное значение (например, где фаза принимает значение 0 или 180°);

9) Автоматическая декомпозиция типов колебаний корпуса по следующим стандартным типам: маятниковый однонаправленный, маятниковый стохастический, круговой, вертикальный.

10) Составление протоколов виброконтроля с графическими иллюстрациями таблиц.

Результаты работы сценариев в виде авто-, взаимных и многомерных вероятностных

характеристик шумов, а также в виде частот спектральных особенностей, соответствующих определенному реакторному эффекту, автоматически заносятся в базу данных диагностических признаков. Диагностические признаки - набор спектральных и корреляционных функций и выделенных в автоматическом режиме экстремумов, отмеченных семействами частотных маркеров. Диагностические признаки наиболее полно характеризуют вибрационное состояние объекта. Диагностические признаки, группируются по сценариям, с помощью которых они сгенерированы.

Сценарии являются входной информацией для ПО СВШД и поставляются в виде файлов по схеме «один сценарий - один файл». Файлы сценариев формируются с помощью специального программного обеспечения.

Пример реализации сценария «Акустические стоячие волны» приведен на рис. 8.

Акустические стоячие волны внутри корпуса реактора являются внешней возбуждающей вибрации силой. Это достаточно мощное воздействие и на весь первым контур: датчики вибраций, установленные на корпусе реактора, ПГ, ГЦН, трубопроводах также регистрируют АСВ. Кроме того, по частотам АСВ производится мониторинг недогретого кипения ТН. Выделение частот АСВ - самый простой сценарий, если достигнуто

высокое качество сигналов датчиков пульсаций давления (ДПД) и удачно выбраны места их установки (рис. 8). Для реализации сценария необходимы сигналы всего двух ДПД, установленных в горячей и холодной нитках одной петли.

. Выбор именно этих датчиков обеспечивает очень высокие корреляции на частотах АСВ. При считывании резонансов функции когерентности операцией "Я" достаточно задаться столь высоким порогом, чтобы отсечь все другие резонансы.

- A FO 1

ED—1 Fl Ч у J I_частоты АСВ

Ф12

Г12 — 1 R 1

P1, Р2 - сигналы датчиков пульсаций давления, установленных а горячей и холодной ниткам одной петли

Рис.8. Сценарий «АСВ»

В главе 4 изложены основные технические характеристики и принципы функционирования системы виброшумовой диагностики. Результаты работы по анализу экспериментальных виброхарактеристик РУ, полученных при измерениях на АЭС, по реализации новых принципов построения программно-технического комплекса, применению новых технических решений и новых методов анализа реакторных шумов, положенных в основу алгоритмического и программного обеспечения, позволили провести разработку автоматизированной системы виброшумовой диагностики, реализующую раннюю диагностику с автоматической постановкой диагноза, которая по своим техническим характеристикам превосходит зарубежные аналоги.

Основная функция СВШД - определение вибросостояния оборудования по медленно меняющимся за межремонтный период параметрам (по трендам, которые измеряются с достаточно большим временным шагом). Именно знание динамики развития позволяет оценивать и прогнозировать реальный виброресурс оборудования, знать реальное состояние оборудования подлежащее ремонту или замене.

Объектом диагностирования является РУ типа ВВЭР, включая: реактор с внутрикорпусными устройствами (ВКУ) и TBC, главные циркуляционные трубопроводы (ГЦТ), главные циркуляционные насосы (ГЦН), парогенераторы (111).

СВШД представляет собой автоматизированную локальную информационно-измерительную систему, состоящую из измерительных каналов и программно-технических средств.

Основные технические характеристики приведены в таблице 3.

Таблица 3 - Основные технические характеристики СВШД

Наименование Значение

Количество каналов контроля, до до 80

Многоканальная регистрация принимаемых сигналов Синхронная

Длина записываемой временной реализации до 65 тысяч точек

Частотный диапазон по уровню 3 дБ от 0,1 до 200 Гц

Управление калибровкой и балансировкой измерительных каналов перемещений автоматическое

Обработка, анализ результатов автоматическая

Выходная диагностическая информация -диагностическое сообщение; - диагноз; - отчет.

Комплекс технических средств СВШД включает измерительные каналы датчиков и

программно-технический комплекс на базе унифицированных программно-технических средств.

В состав измерительных каналов входят следующие типы датчиков:

датчики механических перемещений - датчики абсолютных перемещений (ДЛП) и относительных перемещений (ДОП);

датчики внезонного нейтронного потока - ионизационные камеры (ИК); датчики внутризонного нейтронного потока - датчики прямого заряда (Д113);

датчики пульсаций давления (ДПД). Состав ПТК СВШД приведен в таблице 4. Таблица 4-Состав ПТК СВШД

Наименование Количество шт.

Программно-технический комплекс, включая: 1

Базовые программно-технические средства БС-01 Р-04.01 и БС-01Р-03 2

Сигнальный процессор 1

Блок приема сигналов ДПЗ 1

Блок калибровки ДОП 1

Блок приема сигналов ИК 1

Измеритель абсолютных перемещений в составе датчика ДАП08П (4шт.) и электронного блока (ДАП08ЭБ) 1

Измеритель относительных перемещений в составе датчика 16ИП02 2

(24шт.) и усилителя несущей частоты (УНЧ) 16ИП-01

Измерительный канал пульсации давления в составе датчика ДПД-814 (12шт.) и УНЧ 16ИП-01 1

Структурная схема ПТК СВШД приведена на рис. 9.

Рис.9. Структурная схема ПТК СВШД

Основные технические характеристики измерительных каналов приведены в таблице 5.

Таблица 5. Технические характеристики ДАП, ДОП, ДПД.

ДАП ДОП ДПД

Диапазон амплитуд, мм ±0.8 Диапазон амплитуд, мм ±0,5; ±50 Коэффициент преобразования .СЖ/Я/Р 7-10" 4 ^ 9ЮЛ

Диапазон частот, Гц 1 - 200 Чувствительность мВ/В*мм 1,6±1 % Диапазон рабочих частот, Гц 0-250

Неравномерность АЧХ, % 12 Диапазон частот, Гц 0-200 Диапазон рабочего давления МПа 0-20

Нелинейность в диапазоне амплитуд, % не более 5 Нелинейность, % 0,4 Диапазон измеряемых пульсаций давления, МПа 0,0011,00

Рабочая температура, °С 20 + 320 Рабочая температура, °С 20...80 Приведенная погрешность, % ±1

Наличие дистанционной калибровки имеете я Наличие дистанционной калибровки имеется Диапазон рабочих температур ДПД, °С 20320

Основные характеристики блоков обработки информации

Основные характеристики блоков обработки информации приведены в таблицах б и 7.

Таблица 6- Функции управления блоками предварительной обработки

Тип входного блока Назначение Интерфейс Управляющие функции

ДАП-08 ЭБ Управление датчиками абсолютных перемещений 118-232 Калибровка, балансировка, управление усилением

16 ИП Управление датчиками относительных перемещений и пульсации давления яэ-гэг Балансировка, управление усилением

ПТ-14 Прием токовых сигналов ДПЗ от ПТКВРШД 118-485 Управление усилением, управление ФВЧ

Таблица 7 -Характеристики блоков обработки информации

Блок приема сигналов ДПЗ, ИК (ПТ-14) Сигнальный процессор СП-80 ГВУ

Количество каналов приема сигналов ИК 14 Количество каналов обработки 80 Тип компьютер а Сотрас РС1

Количество каналов приема сигналов ДПЗ 6 Тип сигнала напряжение Центральный процессор Сотрас РС1

Входной сигнал токовый Характер входа Дифференци альпый Оперативная память МЫ РепИит Ш/500 64 Мб

Частотные диапазоны 0,1-5-42 Гц Максимальный входной сигнал 6,3 В Жесткий диск 18 Гб

Уровень собственных шумов на выходе > бОдб Частотный диапазон (минус 3 дБ) 0,1-200 Гц

Уровень собственных шумов < 1мВ эф Динамический диапазон, дБ >80

Управление по интерфейсу 118-485 Тип управляющего интерфейса 118-232 или 118-485

Неравномерность АЧХ: £ 0,5 дБ Количество отсчётов во временной реализации до 65536 по каждому каналу

Программное обеспечение

ПО СВШД функционирует под управление ОС LINUX и реализует:

управление измерениями, в том числе калибровку и балансировку измерительных каналов ДАП, ДОП;

предварительную подготовку сигналов датчиков; регистрацию данных; хранение и архивацию данных; автоматический анализ измерений.

ППО представляет собой единый программный комплекс, скомпонованный из отдельных модулей. ПО СВШД написано на языке Object Pascal в интегрированной среде программирования Kylix.

Прикладное ПО СВШД реализовано в виде программного комплекса обеспечивающего измерение сигналов датчиков режиме on-line и обработку их в режиме отсроченного анализа.

Функциональная схема ПО СВШД состоит из:

ПО настройки измерительных трактов, мониторинга качества процессов, их записи и архивизации на долгосрочный носитель информации;

базы данных результатов измерений (многоканальных временных реализаций); ПО подготовки выполнения сценариев и их вычислительная реализация; БД вибродиагностических признаков; ПО визуализации результатов работы сценариев.

Входная шумовая информация в процессе измерения подвергается синхронному многоканальному аналого-цифровому преобразованию, в результате которого образуются временные реализации шумовых сигналов, сохраняемые в базе данных временных реализаций СВШД. Текущие значения технологических параметров, и значения постоянных составляющих сигналов ДПЗ и ИК, соответствующие моменту измерения, сохраняются в базе данных вместе с временными реализациями шумовых сигналов.

Методика проведения диагностирования

Процедуру проведения диагностирования вибрационного состояния РУ с использованием СВШД можно разделить на следующие этапы:

• Задание конфигурации технических средств системы.

• Проведение измерений.

• Диагностирование.

Специфика системы СВШД, осуществляющей мониторинг за медленными изменениями технического состояния объекта, определяет следующую периодичность выполнения процедуры контроля:

а) Проводятся измерения совместно с системой пуско-наладочных испытаний во время предпусковых испытаний с целью калибровки косвенных измерений прямыми измерениями СПНИ.

б) Проводится регистрация начального состояния РУ в начале топливного цикла и после всех капитальных ремонтов.

После достижения реактором стационарного состояния мощности, регистрируются все сигналы датчиков системы для текущего топливного цикла (нулевое состояние вибрации).

в) Два раза в месяц (или каждые 15 эффективных дней полной мощности) выполняется регистрация сигналов датчиков, проводится диагностирование, и тренды диагностических признаков сравниваются с порогами, назначаемыми экспертами.

г) В конце топливного цикла.

Выполняются те же действия, как и в пункте б) и проводится оценка вибрационного поведения РУ в течение топливного цикла.

Записанные в ходе измерений временные реализации используются для получения информации о реальном вибросостоянии РУ на момент начала эксплуатации.

Качество регистрируемых сигналов датчиков, используемых для диагностирования вибрационного состояния контролируемого оборудования, зависит от чувствигелыюсги используемых датчиков и настройки измерительных каналов.

Наряду с шумовыми измерениями и диагностикой вибрационного состояния объекта СВШД позволяет проводить контроль тепловых перемещений элементов первого контура во время разогрева или расхолаживания реактора. Эти измерения производятся л течение длительного периода времени (до десятков часов). Из всех измерительных каналов СВШД в измерениях участвуют только датчики относительных перемещений.

Выходной информацией СВ1ДЦ является:

♦ Диагностические сообщения - Обобщенные диагнозы вибрационного состояния

РУ.

♦ Диагнозы - Развернутые характеристики вибрационного состояния РУ.

* Отчеты- Источники формирования диагноза в виде графиков, таблиц.

* Трендовые характеристики.

Выявляемые СВШД дефекты:

- избыточная деформация трубчатых упругих элементов шахты с ослаблением ее прижатия со стороны крышки реактора;

- превышение проектных зазоров по разделителю потока;

- аномальные вибрации тепловыделяющих сборок (TBC) из-за их кривизны, а также смещения дистанцирующих решеток;

- износ контактных поверхностей виброгасителей в верхнем и нижнем узлах крепления шахты;

- всплытие TBC;

- аномальные изменения жесткостных характеристик опор ПГ, ГЦН, опорного бурта корпуса реактора, приводящие к недопустимым амплитудам и типам колебаний, перечисленных элементов ГЦК;

- непроектные температурные перемещения ПГ, ГЦН и трубопроводов. Диагнозы сохраняются в базе данных в виде текстовых сообщений с развернутым

комментарием:

- 2 - аномально низкая вибрация - аварийное предупреждение;

-1 - аномально низкая вибрация - предупредительное сообщение; О - вибрация в норме;

+1 - аномально высокая вибрация - предупредительное сообщение;

- 2 - аномально высокая вибрация - аварийное предупреждение.. Таблица 8 - Сравнительные характеристики СВШД и SUS.

Наименование СВШД (Сименс)

Программное и алгоритмическое обеспечение Вибромониторинг и диагностирование с выходом на конкретный диагноз в автоматическом режиме, -диагноз; -диагностическое сообщение; отчеты; трендовые характеристики Только вибромониторинг (слежение за отклонениями в резонансах спектральных характеристик от эталонных значений) в ручном режиме Выходная информация: отчеты; трендовые характеристики

Математическое обеспечение Расширенные возможности спектрально-корреляционного анализа Ограниченное количество возможностей спектрального преобразования

Сервис Автоматическое выделение резонансов в спектральных характеристиках, что не требует высокой квалификации персонала Требуется квалифицированный пользователь для ручного выделения резонансов

Технические средства Дополнительные внезопные (ИК) и внутризониые (ДПЗ) каналы ,что позволяет контролировать ВКУ и TBC реактора Отсутствуют внезонные и внутризониые каналы, что ограничивает возможности системы

Датчики абсолютных виброперемещени й Частотный диапазон 2 Гц.-200Гц. без дополнительного оборудования для подъема нижних частот Частотный диапазон 4 Гц -200 Гц с дополнительным оборудованием (корректирующий усилитель)

Количество каналов До 80 с возможностью наращивания до 160 в данных габаритах приборного шкафа 48 без возможности наращивания

Унификация Унифицированные технические средства в каналах перемещений и пульсаций давления. Каналы вибронеремещений и пульсаций давления не унифицированы.

Основные результаты и выводы

1. Разработана методология экспериментальных исследований и впервые в практике измерений вибраций на АЭС проведены комплексные измерения виброхарактеристик РУ на блоке 1 Калининской АЭС и на блоке 3 Балаковской АЭС, позволившие провести анализ вибросостояния РУ ВВЭР-1000 с использованием опытного образца аппаратуры виброшумовой диагностики.

Построены аналитические шумовые модели вибраций ВКУ, из которых получены параметры вибраций TBC и шахты A3 для производства вибромонигоринга в эксплуатационных условиях по косвенным измерениям нейтронного шума и пульсаций давления ТН.

Показано, что все элементы ГЦК совершают вынужденные совместные колебания на частотах АСВ. Как правило, амплитуда этих колебаний значительно превосходи г амплитуды вибраций на собственных частотах, что возводит акустические внутриконтурные эффекты в главные факторы виброизноса оборудования ГЦК.

На собственных частотах колебаний оборудование ГЦК «развязано» между собой по петлям и с корпусом РУ (то есть колебания независимы друг от дру1 а), о чем свидетельствуют нулевые когерентности сигналов ДОП разных петель и пар сигналов «ДОП-ДАП».

3. Разработаны новые принципы построения СВШД на базе унифицированного ряда программно- технических средств и применены новые технические решения при разработке ПТК СВИЩ, что позволило обеспечить требуемые технические характеристики.

Разработано алгоритмическое обеспечение на основе методов анализа реакторных шумов, реализованное в виде сценариев, что позволило проводить раннюю диагностику оборудования РУ с автоматической постановкой диагноза.

4. Результаты проведенных исследовательских и опытно-конструкторских работ позволили осуществить разработку автоматизированной системы виброшумовой диагностики, которая по своим техническим характеристикам превосходит существующие зарубежные системы виброшумового контроля. Было проведено изготовление опытного образца ПТК СВШД и проведен полный цикл приемочных испытаний с присвоением документации литеры 0|, изготовлены поставочные комплекты и проведены заводские приемо-сдаточные испытания ПТК СВШД.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах

1. Финкель Б.М, Овчаров О.В. Методика контроля ВКУ РУ ВВЭР-1000 по шумам нейтронного потока // Отчет ВНИИАЭС №ОЭ-3236/2001г.

2.Финкель Б.М и др. Предварительные результаты вибрации основного оборудования блока 3 Балаковской АЭС //Отчет ВНИИАЭС, инв. №3-3237/2001, Москва -2001г. З.О.В.Овчаров, В.И.Павелко, А.И. А.В.Воронков, В.Аркадов, Б.М. Финкель. Состояние и перспективы применения систем оперативной диагностики для поддержания безопасности энергоблоков с ВВЭР //Сборник докладов 2-ой научно-технической конференции «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР». - Подольск - 2001 г.- т.3.-с..255-260.

4. Аркадов Г.В., Усанов А.И. Финкель Б.М. Создание и внедрение систем диагностики на АЭС с ВВЭР. //Вторая международная научно-техническая конференция концерна «Росэнергоатом" «Безопасность, эффективность и экономика атомной энергетики». - 2001 г.. - с.22-23.

5. Аркадов Г.В., Павелко В.И. Матвеев В.П., Овчаров О.В., Б.М. Финкель и др Основные спектральные характеристики вибросостояния РУ ВВЭР-1000. //Вопросы атомной науки и техники.- вып.З,-2002г.- с. 46-52.

6. Аркадов Г.В., Павелко В.И. Матвеев В.П., Овчаров О.В., Б.М. Финкель и др. Программно-технический комплекс системы виброшумовой диагностики РУ ВВЭР. //Вопросы атомной науки и техники,- вып.З.- 2002г.- с.37-45.

7. Изотов C.B., Матвеев В.П., Финкель Б.М. Датчики систем оперативной диагностики. //Теплоэнергетика №6,1999г.- с.33-37.

8. Аркадов Г.В., Овчаров О.В., Финкель Б.М. Результаты применения системы виброшумовой диагностики по контролю вибрационного состояния оборудования РУ блока

3. Балаковской АЭС.//Третья международная научно-техническая конференция концерна «Росэнергоатом" «Безопасность, эффективность и экономика атомной энергетики». -2002г.-с.63-64.

9. Аркадов Г.В., Финкель.Б.М, Павелко, Усанов А.И.и др. Современные системы оперативной диагностики АЭС с РУ ВВЭР //14 ежегодная конференция ядерного общества России.-2003г.- г.Удомля Тверской обл.- с.ЮЗ.

10. Аркадов Г.В., Финкель Б.М.. Усанов А.И. Создание программно-технических комплексов диагностирования оборудования сооружаемых энергоблоков с ВВЭР-1000. // 3-я научно-техническая конференция «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР».- 2003 г. -

с.66-67. Подольск.

ВНИИАЭС, тираж 70 экз.

L

2oo j-(4

TjlW

Р17 6 4 4

1. ОБЗОР МЕТОДОВ И ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ

ВИБРОДИАГНОСТИРОВАНИЯ ОБОРУДОВАНИЯ АЭС РУ С ВВЭР.

V) 1.1 Предпосылки разработки методов и технических средств виброшумовой диагностики.

1.2 Методы виброшумовой диагностики оборудования РУ с ВВЭР.

1.3 Инциденты из-за аномально вибрирующих ВКУ и ТВС.

1.4 Методы диагностирования, реализованные в импортных системах виброшумового контроля.

1.5 Программно-технические комплексы зарубежных СВШК.

1.6 Первый международный стандарт по вибрациям ВКУ.

2. МЕТОДОЛОГИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ ПРОВЕДЕНИЯ

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ВИБРОХАРАКТЕРИСТИК РУ С ВВЭР-1000 С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ОПЫТНОГО ОБРАЗЦА АППАРАТУРЫ ВИБРОШУМОВОЙ ДИАГНОСТИКИ.

2.1 Постановка задачи.

2.2 Методика проведения измерений.

2.3 Экспериментальные примеры спектральных характеристик.

2.4 Технические решения, примененные при разработке опытного образца аппаратуры виброшумовой диагностики для исследования виброхарактеристик ВКУ и ТВС.

2.5 Состав и краткое описание опытного образца аппаратуры СВШД.

3. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ПРОГРАММНО-ТЕХНИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА СВШД.

3.1. Анализ существующих СВШК и особенности построения ПТК СВШД

3.2 Особенности создания измерительных каналов ПТК СВШД.

3.3 Особенности создания измерительных каналов датчиков вне - и внутри зонного нейтронного потока.

3.4 Особенности создания программно-технических средств обработки и анализа.

3.5 Особенности создания методического и алгоритмического обеспечения 67 4 ПРОГРАММНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС СВШД АЭС С РУ ВВЭР.

4.1 Общие положения.

4.1 Технические характеристики и состав СВШД.

4.2 Комплекс технических средств СВШД.

4.3 Информационное обеспечение СВШД.

4.4. Алгоритмическое обеспечение.

4.5 Программное обеспечение СВШД.

4.6 Методика проведения диагностирования на АЭС.

Актуальность работы

Обеспечение надежной и безопасной эксплуатации энергоблоков АЭС является одной из важнейших задач ядерной энергетики.

Одним из мероприятий по обеспечению надежной и безопасной эксплуатации является эксплуатационный контроль показателей целостности и долговечности оборудования реакторных установок. Такой контроль, реализуемый через системы оперативной диагностики, дополняет традиционные виды освидетельствования технического состояния оборудования: входной и предэксплуатационный контроль, пусконаладочные испытания и измерения, неразрушающий контроль металла при ежегодных ревизиях оборудования, контроль за состоянием оборудования в ходе эксплуатации по технологическим j параметрам. Стратегия раннего обнаружения аномалий находится в соответствии с общим подходом к обеспечению безопасности АЭС, так как позволяет снизить вероятность исходных событий аварии. Оперативная диагностика оборудования РУ выступает в качестве информационной составляющей автоматизированной системы контроля и управления энергоблоком, что повышает оперативность получения информации о причинах появления неисправности путем: обнаружения и локализации дефектов; анализа причин отказов; прогнозирования технического состояния оборудования.

В процессе эксплуатации оборудования РУ происходит старение и износ элементов оборудования, что приводит к появлению дефектов и снижению эксплуатационной надежности. Поэтому возникает необходимость контроля механической целостности и жесткости крепления основного оборудования и трубопроводов, который позволяет выявить узлы и компоненты, наиболее подверженные воздействию эксплуатационных нагружающих факторов для оценки выработки проектного ресурса оборудования и возможности продления срока службы энергоблоков сверх назначенного ресурса.

На основе разработанных методов выделения диагностической 1 информации из различных шумовых сигналов возможно диагностирование оборудования РУ для выявления на ранней стадии механических дефектов или аномальных изменений условий его закрепления с выходом на причину той или иной аномалии, а также оптимизация объема ремонтных работ для определения фактического вибросостояния оборудования.

Исходя из вышеизложенного, разработка, создание и внедрение на АЭС системы виброшумовой диагностики, является актуальной задачей, « направленной на обеспечение надежной и безопасной работы энергоблока, продление срока службы, переход к обслуживанию по фактическому состоянию. Данная работа посвящена решению этой задачи.

Цель и задачи исследования

Целью работы является создание и внедрение в практику эксплуатации АЭС с РУ ВВЭР отечественной системы виброшумовой диагностики (СВШД) нового поколения для раннего диагностирования вибрационного состояния РУ, что обеспечит повышение безопасности и эксплуатационной надежности.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решена задача по проведению комплекса исследовательских и проектно-конструкторских работ, по разработке новых технических решений и методов обработки шумовых сигналов, адаптированных к объекту контроля и реализованных в созданной системе виброшумовой диагностики.

Научная новизна работы

Научная новизна работы заключается в том, что в ней разработаны и внедрены новые принципы построения и технические решения комплекса программно-технических средств, новые : методы анализа реакторных шумов, что позволило создать автоматизированную систему виброшумовой диагностики, реализующую раннюю диагностику с автоматической постановкой диагноза, которая по своим техническим характеристикам превосходит зарубежные аналоги, в том числе: не имеющие аналогов в мировой практике количество (до 80) и номенклатура измерительных каналов: абсолютных и относительных перемещений, пульсаций давления, вне - и внутризонных датчиков нейтронного потока; число точек одной временной реализации - 65000 шт., что позволяет достичь спектрального разрешения соответствующего 8196 точкам БПФ (в зарубежных системах только 1024 точки); синхронная регистрация сигналов датчиков виброперемещений, пульсаций давления, сигналов ДПЗ и ИК, и запись их в базу данных многоканальных временных реализаций; программное конфигурирование произвольного числа измерительных каналов для выбора соответствующего сценария; прием как переменных составляющих сигналов ДПЗ и ИК в аналоговом виде, так и их постоянных составляющих в цифровом виде; создание новых измерительных каналов перемещений, пульсаций давления, регистрирующих как шумовую, так и постоянную составляющие сигналов для контроля тепловых перемещений и перепадов давления на ГЦН; комплексирование широкого класса задач виброшумовой диагностики и контроля тепловых перемещений оборудования и трубопроводов ГЦК, в том числе: контроль вибрации ТВС при переходе на новое топливо, контроль вибронагруженности ВКУ и ТВС для оценки остаточного ресурса оборудования, оценки таких параметров АкЗ как барометрический и температурный коэффициенты реактивности; изменение нижней границы исследуемого частотного диапазона исследуемых шумовых сигналов до сотых долей Гц для оценки нейтронно-физических параметров с использованием метода компенсации постоянной составляющей сигналов ДПЗ.

Практическая ценность и реализация полученных автором результатов

Работа имеет непосредственное практическое применение, так как обеспечивает раннее диагностирование основного оборудования и трубопроводов ГЦК, ВКУ и ТВС АкЗ.

В настоящее время на АЭС с РУ ВВЭР находятся в промышленной эксплуатации следующие компоненты и программно-технические комплексы, в которых были использованы полученные результаты:

- модернизированная система виброшумовой диагностики РУ ВВЭР-1000 (проект В-320) на блоке 3 Балаковской АЭС;

- модернизированная система контроля вибрации РУ ВВЭР-440 (проект (В-179) на блоках 3,4 Нововоронежской АЭС);

- датчики относительных перемещений на блоке 3 Балаковской АЭС, блоках 3 и 4 НВАЭС, 1 и 2 Кольской АЭС;

- датчики абсолютных перемещений на блоке 3 Балаковской АЭС.

В 2003-2004гг. поставляются на отечественные и зарубежные АЭС системы виброшумовой диагностики:

- контроля вибрации (блок 1 РУ В-446 АЭС «Бушер»);

- виброшумовой диагностики (блоки 1и 2 РУ В-428 АЭС Тяньвань);

- контроля вибрации (блоки 2 и 3 РУ В-320 Калининская АЭС).

Конкретное личное участие автора в получении научных результатов.

Автор является руководителем создания ПТК СВШД. В диссертации обобщены результаты экспериментальных и опытно-конструкторских разработок, выполненных автором самостоятельно, а также совместно с сотрудниками коллектива, возглавляемого автором.

При это автору принадлежат:

- постановка задачи при проведении экспериментальных исследований, непосредственное участие в проведении измерений виброхарактеристик РУ на блоке 1 Калининской, АЭС, блоке 3 Балаковской АЭС;

- технические решения, примененные при создании опытного образца аппаратуры виброшумовой диагностики;

- разработка новых принципов построения ПТК СВШД и новых технических решений, реализованных при создании ПТК СВШД.

На защиту выносятся: методология проведения и результаты экспериментальных исследований виброхарактеристик АЭС с РУ ВВЭР на блоке 1 Калининской АЭС, блоке 3 Балаковской АЭС с использованием опытного образца СВШД для вибромониторинга ВКУ и ТВС; новые технические решения, примененные при создании опытного образца аппаратуры виброшумовой диагностики: цифровая компенсация постоянной составляющей сигналов датчиков прямого заряда для расширения нижней границы частотного диапазона, способы обработки низкоуровневых сигналов переменной составляющей ДПЗ; новые принципы построения ПТК СВШД на базе унифицированных программно-технических средств; программно-технический комплекс системы виброшумовой диагностики АЭС с РУ ВВЭР.

Апробация работы

Основные результаты работ были представлены на следующих семинарах и конференциях: вторая Международная научно-техническая конференция концерна «Росэнергоатом» "Безопасность, эффективность и экономика атомной энергетики", г.Москва, 22-24.02 2001 г, вторая научно-техническая конференция «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР», г. Подольск, 19-23 ноября 2001г., отраслевой семинар Минатома РФ «Методы и средства диагностики ЯЭУ», г.Обнинск, 2-5.10.2001г., третья Международная научно-техническая конференция концерна «Росэнергоатом» "Безопасность, эффективность и экономика атомной энергетики", г.Москва, <18-19.04 2002г. 14 ежегодная конференции ЯО России, г. Удомля, Тверская обл. 30.06-4.07.2003г., третья научно-техническая конференция «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР»-Подольск, 26-30.05. 2003 г.

Публикации

Основное содержание диссертации опубликовано в 3-х статьях, 2-х научно-технических отчетах, 5-ти докладах [53-62].

Структура и объем работы

Работа изложена на 136 стр. машинописного текста, состоит из содержания, введения, четырех глав и выводов и включает 11 таблиц, 42 рисунка, список литературы из 62 наименований.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Проведенный обзор существующих методов виброшумового анализа реакторных шумов для мониторинга оборудования РУ показывает, что эти методы широко внедряются зарубежными и отечественными исследователями в практику эксплуатации, проводятся исследования для создания новых методов ранней шумовой диагностики и систем виброшумового контроля на их базе. В то же время следует отметить, что зарубежные системы виброшумового контроля, установленные на российских АЭС, не в полной мере решают задачи ранней диагностики, так как недостаточно разработаны алгоритмы диагностирования, адаптированные к конкретной АЭС, и не в полном объеме используются сигналы различных типов датчиков, что ограничивает возможности систем по ранней диагностике.

2. Разработана методология измерений и впервые в практике измерений вибраций на АЭС проведены комплексные экспериментальные исследования виброхарактеристик ВКУ и ТВС на блоке 1 Калининской АЭС и виброхарактеристик оборудования ГЦК на блоке 3 Балаковской АЭС, позволившие провести анализ вибросостояния РУ ВВЭР-1000.

Построены аналитические шумовые модели вибраций ВКУ, из которых получены параметры вибраций ТВС и шахты A3 для производства вибромониторинга в эксплуатационных условиях по косвенным измерениям нейтронного шума и пульсаций давления ТН.

Показано, что все элементы ГЦК совершают вынужденные совместные колебания на частотах АСВ. Как правило, амплитуда этих колебаний значительно превосходит амплитуды вибраций на собственных частотах, что возводит акустические внутриконтурные эффекты в главные факторы виброизноса оборудования ГЦК.

На собственных частотах колебаний оборудование ГЦК «развязано» между собой по петлям и с корпусом РУ (то есть колебания независимы друг от друга), о чем свидетельствуют нулевые когерентности сигналов ДОП разных петель и пар сигналов «ДОП-ДАП».

Амплитуды вынужденных колебаний оборудования петель ГЦК, корпуса РУ на частотах АСВ, как правило, превосходят амплитуды вибраций на собственных частотах, что возводит акустические внутриконтурные эффекты в главные факторы виброизноса оборудования.

Создание опытного образца аппаратуры виброшумовой диагностики, позволило провести как многоканальные измерения виброхарактеристик активной зоны АЭС с РУ ВВЭР, так и опробовать новые технические решения по обработке низкоуровневых сигналов переменной составляющей ДПЗ и по расширению нижней границы частотного диапазона, которые были использованы при разработке ПТК СВШД.

3. Применены новые технические решения при разработке ПТК СВШД, что позволило обеспечить требуемые технические характеристики.

Разработаны новые принципы построения СВШД на базе унифицированного ряда программно- технических средств, которые найдут применение в составе систем шумовой диагностики, как на действующих, так и на строящихся АЭС.

Разработано уникальное алгоритмическое обеспечение на основе методов анализа реакторных шумов, реализованное в виде сценариев, что позволило проводить раннюю диагностику оборудования РУ с постановкой автоматического диагноза.

4. Результаты проведенных исследовательских и опытно-конструкторски работ позволили осуществить разработку автоматизированной системы виброшумовой диагностики, которая по своим техническим характеристикам превосходит существующие зарубежные системы виброшумового контроля.

5.При создании СВШД был проведен полный цикл НИОКР в соответствии с требованиями ЕСКД и требованиями поставки аппаратуры для АЭС.

1. Thie J. Reactor noise. New York, 1963r.

2. Уриг P. Статистические методы в физике ядерных реакторов: Перевод с английского / Под ред. Могильнера А.И. М.: Атомиздат, 1974г.

3. Десятилетний опыт эксплуатации Нововоронежской АЭС. Сентябрь 1974, Материалы научно-технической конференции, г. Нововоронеж.

4. Гуцев Д.Ф., Павелко В.И. Новые методы шумовой диагностики ВВЭР. Атомная энергия, 1997г., т.82, вып.4, с. 264-271.

5. Аникин Г.Г., Гуцев Д.Ф., Павелко В.И. Физическая интерпретация нейтронно-шумовых образов ВВЭР. Атомная энергия, 1997г., т.82, вып.4, с. 271-277.

6. Булавин В.В., Гуцев Д.Ф., Павелко В.И. Исследования характеристик вибродиагностики ВВЭР-1000 в эксплуатационных условиях. Атомная энергия 1995г.- т.79, вып. 5.- с. 343-349.

7. Bulavin V.V., Gutsev D.F., Pavelko V.I. Results of the signals noises analysis of the pressures sensors, the in-core and ex-core neutron detectors. Progress in Nuclear Energy 1995r., v.29,N 3/4, p. 153-170.

8. Аникин Г.Г., Павелко В.И. Опыт внедрения систем вибромониторинга на АЭС с реакторными установками типа ВВЭР-440. Теплотехника 1999, №6.- с.12

9. Мочалов А. И., Павелко В.И."WING" Программная система комплексного анализа временных рядов. Отчет ИАЭ, 1990 г.

10. Федорович Е.Д, Фокин Б.С., Аксельрод А.Ф., Гольдберг Е.Н. Вибрации элементов оборудования ЯЭУ. М. Энергоатомиздат, 1989г.

11. Grabner A., Grunwald G., P.Liewers Р, W.Schmitt, W. Schumann, F.-P.Weis. Use of Noise Diagnostics for WWER-440: Отчет // Институт Ядерных Исследований. Германия, Розендорф, 1998г.

12. Fgy N.D., Kryter R.C., Robinson J.C. Analysis of Neutron density Oscillations resulting from core barrel Motion of the Palizades Nuclear Power Plant Report ORNL-TM-4570, Oak Ridge, Tennessee, 1974r.

13. Trenty A. Operational feedback on internal structure vibration in 54 French PWRs during 300 fuel cycles. Progress in Nuclear Energy, 1995r., v.29, No.3/4, p.347-356

14. Bernard P. Monitoring, Diagnostic tools and Organisation for Machines at EDF. Operational Monitoring of Primary Circuit Components. Regional Workshop IAEA, 28-31 января 2003г, г. Удомля.

15. Wach D. The analysis at-power neutron flux noise in the frequency range of vibrating reactor structures. Annals in Nuclear Energy, 1975r., v.2, p.353.

16. Wach D., Sunder R. Improved PWR neutron noise interpretation on detailed vibration analysis. Progress in Nuclear Energy, 1977r., v.l, p.309. SMORN2.

17. Bastl W., Sunder R. and Wach D. On-line vibration monitoring of PWR internals. ANS/ENS Topical Meeting on Thermal Reactors Safety, 1980, Knoxville.

18. Bastle W., Sunder R., Wach D. Experiences and results with COMOC an on-line vibration analysis and monitoring system. Progress in Nuclear Energy, 1985r., v.15, SMORN-4.

19. Wehling H.-J., Kingler K., Stolben H. Vibration monitoring of KWU pressurized water reactor review, present status and further development. - Nuclear Technology, 1988r., v.80.

20. Kolbasseff A., Sunder R. Lessons learned with vibration monitoring systems in German nuclear power plants. Progress in Nuclear Energy, 2003r., v.43, N1-4, p. 159165 SMORN-8.

21. Robinson J.C., Sharokhi F. Determination of core barrel motion from the neutron noise spectral density data-scale factor. Trans. Am. Nucl. Sos., 1976, v.23, p.458 -462.

22. Robinson J.C., Hardy J.W., Shamblin G.R. Monitoring of Core Support Barrel Motion in PWR's Using Ex-Core Detector. Progress in Nuclear Energy. 1977r., v. 1, p. 369- 372.

23. Thompson J.P., Mc Coy G.R., Lubin C.T. Experimental value of percent variation in root-mean-square ex-core detector signal to the core barrel amplitude scale factor. -Nuclear Technology, 1980r., v.48, p. 122-127.

24. PWR & BWR structures, v. 1, p.17 20.

25. Fry D.N., Home G.P., Mayo C.W. Report of the first United States conference on utility experience with neutron noise analysis. Progress in Nuclear Energy, 1985r., v.15, p.503-511.

26. Saito K. A Noise Pattern Library Effort in Japan. Prog. Nucl. En. v. 1, pp. 713, 1977r.

27. F. Murata, K.Kato, F. Tomizama. Development of diagnosis system for a boiling water reactor. Nucl Tech. vol. 44, Vine 1979r, p. 104-117.

28. Takahiko Ito, Katsumi Kawai, Yuri Hashimato. BWR plan diagnosis system development. Trans. Am. Nucl. Sos., 1981 г., v.39, p.641.

29. Fujita Y., Oraki H. Neutron noise monitoring of reactor core PWR internal vibrations at PWR's in Japan. Progress in Nuclear Energy, 1982r., v.9, p.531.

30. Dragt J.B., Turkan E. Borssele PWR noise measurements, analysis and interpretation. Progress in Nuclear Energy, 1977r, v.l, p.293 - 296, SMORN 2.

31. Turkcan E. Review of Borssele PWR noise experiments analysis and instrumentation. Progress in Nuclear Energy, 1982r, v.9, p.437, SMORN 3.

32. Turkcan E. On-line Monitoring of a PWR for Plant Survaillance by Noise Analysis, Progress in Nuclear Energy 15, 365,1985r, SMORN 4.

33. Turkcan E., Winkelman A., Brevoord J., Stok P. Trend Monitoring and Noise Signal Processing System for Borssele NPP, Annual Meeting on Nuclear Technology, Dresden ,May, paper 606, 200 lr.

34. Barutcu В., Turkcan E. Real time reactor noise diagnostics for the Borssele (PWR) nuclear power plant. Progress in Nuclear Energy, 2003r., v.43, N1-4, p.137-143, SMORN-8.

35. Kunze U., Meyer K. In-core reactor noise measurements at PWRs of WWER type and their interpretation. Progress in Nuclear Energy, 1985r., v. 15, p.351 - 358.

36. Geilhausen R., Reznik V., Titov S., Wehling H.-J. PC-based vibration monitoring in KOLA nuclear power plant system and commissioning results. In: Proceedings of 24th informal meeting on reactor noise. June 23-25, 1993r., Oybin.

37. Kunze U., Bechold В. New generation of monitoring systems with on-line diagnostics. Progress in Nuclear Energy, 1995r., v.29, No.3/4, p.215-227

38. Рог G, L. P. Kantor, L. Sokolov: Experiences with a Reactor Noise Diagnostics system for VVER-1000 MWe Type Russian Reactors. SMORN VII Avignon (France) Vol.1. 19-23 June, 1995r.

39. Czibok Т., Kiss G. Regular neutron noise diagnostics measurements at the Hungarian Paks NPP. Progress in Nuclear Energy, 2003r., v.43, N1-4, p.67- 74, SMORN-8.

40. Miroslav Jakes. Monitoring and Diagnostic system of NPP TEMELIN Operational Monitoring of Primary Circuit Components. Regional Workshop IAEA, 28-31 января 2003,г. Удомля.

41. Kozlosky Т., Lowenfeld S., Bauman D. Advanced Plant Information Systems Using Intelligent Monitoring and Diagnostics and the ALLY. Plant Monitoring and Diagnostics System, SMIRT Conference Post Conference Siminar, 1993r., Konstanz, Germany.

42. Nuclear power plant. PWR. Vibration monitoring of internal structures. Norme International Standard. CEIIEC 61502, 1999r.

43. Кантор П.А., Соколов JI.А., Телегин О.А.// Отчёт по 1-ому этапу опытно-промышленной эксплуатации системы шумовой диагностики (KAZMER). Система реакторной шумовой диагностики (KARD), инв. N 902/6. 1992 г.-с.22.

44. Морозов С.А., Соколов JI.A., Швецов Д.М. и др. Расчетно-эксперименталь-ные исследования спектральных характеристик нейтронных шумов реактора ВВЭР-1000. Отчет ФЭИ, инв.№8541,1993г.

45. Финкель Б.М, Овчаров О.В. Методика контроля ВКУ РУ ВВЭР-1000 по шумам нейтронного потока // Отчет ВНИИАЭС №03-3236/2001r.

46. Финкель Б.М и др. Предварительные результаты вибрации основного оборудования 3 блока Балаковской АЭС //Отчет ВНИИАЭС, инв. №3-3237/2001.-Москва.-2001г.

47. Аркадов Г.В., Павелко В.И. Матвеев В.П., Овчаров О.В., Б.М. Финкель и др Основные спектральные характеристики вибросостояния РУ ВВЭР-1000. // Вопросы атомной науки и техники.- вып.З.-2002г.- с.46-52.

48. Аркадов Г.В., Павелко В.И. Матвеев В.П., Овчаров О.В., Б.М. Финкель и др. Программно-технический комплекс системы виброшумовой диагностики РУ ВВЭР. //Вопросы атомной науки и техники.- вып.З.- 2002г.- с.37-45.

49. Изотов С.В., Матвеев В.П., Финкель Б.М. Датчики систем оперативной диагностики. //Теплоэнергетика №6,1999г.- с.33-37.

50. Аркадов Г.В., Финкель.Б.М, Павелко В.И., Усанов А.И.и др. Современные системы оперативной диагностики АЭС с РУ ВВЭР //14 ежегодная конференция ядерного общества России.- 2003г.- Удомля. Калининской обл.- с. 103.136