автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Система контроля и автоматизации процесса подготовки отработавшего ядерного топлива к сухому хранению

Маликов Тимофей Борисович

СИСТЕМА КОНТРОЛЯ И АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОЦЕССА ПОДГОТОВКИ ОТРАБОТАВШЕГО ЯДЕРНОГО ТОПЛИВА К СУХОМУ ХРАНЕНИЮ

05.11.13 - приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

АВТОРЕФЕРАТ ДИССЕРТАЦИИ НА СОИСКАНИЕ УЧЕНОЙ СТЕПЕНИ

КАНДИДАТА ТЕХНИЧЕСКИХ НАУК \ 5 ДПР 2015

Сосновый Бор 2015

005567217

005567217

На правцх рукбписи

Маликов Тимофей Борисович

СИСТЕМА КОНТРОЛЯ И АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОЦЕССА ПОДГОТОВКИ ОТРАБОТАВШЕГО ЯДЕРНОГО ТОПЛИВА К СУХОМУ ХРАНЕНИЮ

05.11.13 - приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

АВТОРЕФЕРАТ ДИССЕРТАЦИИ НА СОИСКАНИЕ УЧЕНОЙ СТЕПЕНИ КАНДИДАТА ТЕХНИЧЕСКИХ НАУК

Сосновый Бор 2015

Официальные оппоненты:

Работа выполнена в федеральном государственном унитарном предприятии «Научно-

ГоГсетХиГЛ°ГИЧеСКИЙ ИНСППУТ ИМ£НИ АЛ'

Научный руководите тть- Василенко Вячеслав Андреевич

доктор технических наук, профессор, генеральный директор федерального государственного унитарного предприятия «Научно-исследовательский технологический институт имени А.П. Александрова»

Потапов Анатолий Иванович

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»

Карякин Юрий Евгеньевич

доктор физико-математических наук, профессор, научный руководитель учебно-научно технического центра «Техническая диагностика и надежность атомных и тепловых электрических станций» федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего образования «Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого»

ОАО «Научно-производственное объединение по исследованию и проектированию энергетического оборудования им. И.И. Ползунова» (ОАО «НПО ЦКТИ»), г. Санкт-Петербург

Защита состоится 26 мая 2015 г. в 15:30 на заседании совета по защите диссертаций на Г^ТаГ0: СТеП£НИ КаНДВДаТа НаУК" Н3 С0ИСКаНИе « степени доктора „а"

wrlfrl в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)» по адресу: 190013, Санкт-ПетербГг Московский пр., 26, ауд.кафедры ресурсосберегающих технологий. ™

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке СШГТИГт и на '^ организации по ссылке: http://technolog.edu.ru/ru/documents/file/2069-

dissertatsiya-na-soiskanie-uchenoj-stepeni-kandidata-tekhnicheskikh-nauki.html.

Замечания и отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять на имя ™,.СеКРйеТаРЯ П° ЗДРеСУ: 19°013' ^»-Петербург, Московский пI ¡6, " ГТетербургский государственный технологический институт (технический ^шверситет) Справки по тел, (8.2) 494-93-75; факс: (812) 7.2-77-91; e-mail: dLowet^technob^m ^

Ведущая организация:

Автореферат разослан З/С&с

2015 г.

Ученый секретарь совета по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук Д 212.230.06 кандидат физико-математических наук, доцент ( ^

Ю.Г. Чесноков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

В настоящее время хранение отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) является серьезной проблемой атомной энергетики многих стран мира, в том числе и России. Наиболее перспективным способом обращения с ОЯТ является его переработка и замыкание топливного цикла. Сегодня процесс переработки ОЯТ реализован только для топлива реакторов типа БН-600 и ВВЭР-440 на базе ПО «Маяк» и завода РТ-1. Для остальных типов реакторов преобладает «отложенное» решение, которое заключается в размещении топлива в хранилищах различного типа. Для решения проблемы обращения с отработавшим топливом Минатомом России была принята программа перевода ОЯТ атомных станций на длительное сухое хранение. В рамках этой программы предусматривается решение целого ряда задач, в числе которых -разработка металлобетонных контейнеров (МБК), предназначенных для хранения и транспортировки ОЯТ, а также создание необходимой технологической инфраструктуры для перевода топлива на сухое контейнерное хранение. В рамках этой программы в ОАО «КБСМ» разработан металлобетонный контейнер УКХ-109 для хранения и транспортировки ОЯТ РБМК-1000. '

Операции по осушению МБК с ОЯТ, контролю влагосодержания и ■ герметичности уплотнений контейнера, а также заполнению его внутреннего объема инертным газом объединены одним технологическим понятием — подготовка МБК к хранению. Качество проведения этого процесса во многом определяет срок безопасного хранения топлива. Указанные операции присутствуют в технологических процессах перевода ОЯТ на сухое хранение с использованием контейнеров различных типов, однако существенные отличия в конструкции и технологии подготовки к сухому хранению ОЯТ РБМК не позволяют целиком использовать мировой опыт в этой области. Наиболее проблемной, с этой точки зрения, является операция осушки и контроля остаточного влагосодержания. Поэтому задача выбора оптимальных режимов и технологии, а также создание необходимого оборудования для проведения этих операций была выделена в отдельное направление исследований и является актуальной задачей.

В качестве предмета исследования выступает технологический процесс подготовки контейнеров с отработавшим ядерным топливом к сухому хранению, методы контроля остаточного влагосодержания и их программно-аппаратная реализация.

Целью работы являются исследования на крупномасштабном стенде проектного технологического процесса, метода осушки и контроля МБК с ОЯТ РБМК-1000, экспериментальное подтверждение характеристик процесса, разработка программно-технического комплекса для автоматизации процессов подготовки и контроля, исследования технологического процесса при работе с ОЯТ. Для реализации поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

провести исследования проектного технологического процесса осушки и контроля МБК с точки зрения возможности достижения заданных параметров;

- на основе результатов исследования выработать предложения по изменению технологической системы и разработать методы вакуумного осушения и контроля применительно к использованию в автоматизированной системе управления;

разработать и внедрить автоматизированный программно-технический комплекс управления технологической системы подготовки и контроля МБК с ОЯТ РБМК-1000 к сухому хранению для Ленинградской АЭС;

- подтвердить характеристики разработанной технологической системы подготовки и контроля Ленинградской АЭС, работающей под управлением автоматизированного комплекса;

проанализировать работу автоматизированной системы подготовки и контроля МБК Ленинградской АЭС в процессе опытной эксплуатации с реальным ОЯТ. Научная новизна

1. Разработана и экспериментально обоснована методика осушки и контроля остаточного влагосодержания во внутренней полости контейнеров с ОЯТ РБМК-1000 с «сухим» способом загрузки и ампульной упаковкой топливных сборок. Показана независимость предложенного метода контроля от начального объема воды в контейнере и остаточного энерговыделения ОЯТ

2. Предложен метод поддержания давления в конденсаторе с использованием регулирующего клапана с частотным управлением асинхронным двигателем электромеханического привода.

3. Впервые в отечественной практике разработан и внедрен программно-технический комплекс автоматизированного управления процессом подготовки к «сухому» хранению и контроля контейнеров с ОЯТ РБМК-1000.

Практическая значимость: Результаты диссертационной работы реализованы при создании и внедрении автоматизированной системы подготовки СМ-647 и комплекса автоматизированного управления СМ-821, которые с 2011г. находятся в опытно-промышленной эксплуатации на Лейинградской АЭС, а также при создании аналогичных технических средств СМ-650А и СМ-821 для Смоленской АЭС.

Достоверность результатов: Достоверность результатов диссертационного исследования подтверждена соответствующим метрологическим обеспечением исследований, большим объемом экспериментальных данных. Состав и влажность газовой среды во внутренней полости контейнера контролировалась неоднократными измерениями с использованием аттестованных приборов службами ЛАЭС и ФГУП «ГХК» как в ходе экспериментальных исследований на стенде, в процессе функционирования автоматизированной технологической системы подготовки

на Ленинградской АЭС, так и после транспортировки контейнеров к месту хранения ОЯТ.

Личный вклад автора в полученные результаты: Автор диссертационной работы принимал непосредственное участие в постановке задач и проведении экспериментальных исследований на стенде СМ-Э322, оснащении его средствами измерений и автоматизации научных исследований, в разработке концепции автоматизированной системы управления СМ-821, а также в создании аппаратного, программного и алгоритмического обеспечения. Кроме этого, при непосредственном участии автора выполнялись работы по внедрению технологии подготовки УКХ-109 с ОЯТ РБМК-1000 Ленинградской АЭС.

На защиту выносятся:

1. Результаты экспериментального исследования и обоснования режимов осушки и контроля остаточного влагосодержания, выполненных на стенде СМ-Э332 с использованием полномасштабного электрообогреваемого контейнера, а также результаты оптимизации режимов поддержания параметров технологического процесса.

2. Автоматизированный программно-технический комплекс СМ-821 управления подготовкой УКХ-109 с ОЯТ РБМК-1000 к сухому хранению, реализующий разработанные в результате экспериментальных исследований методики подготовки и контроля.

3. Методика регулирования давления в конденсаторе при сверхмалых расходах.

4. Результаты опытно-промышленной эксплуатации системы подготовки УКХ-109 с ОЯТ РБМК-1000 на Ленинградской АЭС.

Апробация материалов диссертации:

Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на: IV Международном ядерном форуме (Санкт Петербург, 2009г.), международных научно-практических конференциях по атомной энергетике «Безопасность, эффективность, ресурс» (ПАЭ-10, 2010г и ПАЭ-11, 2011г., Севастополь, Украина), отраслевом научно-техническом семинаре "Проблемы перевода ОЯТ РБМК-1000 на сухое хранение" (Обнинск, 2009), 8-й международной научно-технической конференции «Безопасность, эффективность и экономика атомной энергетики» (Москва, 2012). Всего по результатам исследований опубликовано шесть печатных работ, включая статьи в журналах, рекомендованных ВАК (Автоматизация в промышленности, 2013г., Известия Санкт-Петербургского технологического университета, 2014г.). Получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников из 126 наименований. Диссертация содержит 158 страниц текста, в том числе 66 рисунков, 18 таблиц и 11 приложений.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана краткая характеристика современного состояния проблемы, обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы задачи исследования, отмечены научная новизна и практическая значимость полученных результатов и основные положения, выносимые на защиту.

В первой, обзорной главе представлено краткое описание технологии перевода ОЯТ на сухое хранение.

Наиболее современной и безопасной технологией хранения ОЯТ признан сухой способ с использованием контейнеров различной конструкции. Процесс перевода топлива на сухое контейнерное хранение состоит в перегрузке топлива из бассейнов выдержки в контейнеры, создание в них необходимых условий, а также в проведении необходимых контрольных операций. В настоящее время основным способом перегрузки ОЯТ в контейнер является загрузка под слоем воды. Такой способ реализован для контейнеров CASTOR-CONSTOR и Duke Engineering & Services, в том числе и на Игналинской АЭС с реакторами РБМК-1500.

Важнейшим условием безопасного длительного сухого хранения ОЯТ, кроме герметичности его уплотнения, является обеспечение нормативной влажности во внутренней полости контейнера. Так для российских контейнеров установлено предельное значение по содержанию воды в газовой среде контейнера менее 20г/м3. Для достижения такой влажности используются различные технологии осушки. В зависимости от конструкции контейнеров применяются такие методы, как сквозная продувка полости контейнера подогретым гелием с контролем влажности выходящего потока, циклическое вакуумирование с подогревом в сушильной камере. Однако наиболее распространенным способом является вакуумная сушка топлива непосредственно в контейнере. Принцип этого процесса состоит в испарении воды в полости контейнера за счет вакуумирования, выводе пара за пределы контейнера с последующей утилизацией воды в конденсаторе. При этом в полости контейнера создается давление в пределах 0,3... 1,5 кПа. После этого контролируют влагосодержание.

Задача вакуумной осушки решается при помощи различных схем вакуумирования. В одной схеме используется один конденсатор, который устанавливается после вакуумного насоса. Конденсатор в этом случае охлаждается проточной водой. В другой схеме используются два конденсатора, которые устанавливаются до и после вакуумного насоса. При этом принимаются специальные меры по исключению вскипания воды в установленном до насоса конденсаторе. Чаще всего для этого отключают приемный бак первого конденсатора при помощи клапана. Для охлаждения конденсаторов используется низкотемпературный теплоноситель. Контроль остаточного влагосодержания проводит оператор по абсолютному значению давления или приросту давления за определенный промежуток времени.

Как показал сравнительный анализ, несмотря на схожие технологические решения по методу загрузки топлива и конструкции контейнеров, в системах

различных производителей сильно различаются временные и параметрические критерии, которые используются в процессе сушки и при контроле остаточного влагосодержания.

Во второй главе рассмотрены особенности процесса перевода ОЯТ РБМК-1000 на сухое хранение с использованием контейнера УКХ-109. Конструкция российского контейнера УКХ-109 и предлагаемая к реализации технология загрузки и подготовки ОЯТ к сухому хранению существенно отличаются от зарубежных аналогов. Металлобетонный контейнер УКХ-109 (рисунок 1) предназначен для «сухой» загрузки ОЯТ и поэтому имеет только один канал для вывода газов из полости хранения ОЯТ в верхней части корпуса. Топливо в контейнере располагается в специальных закрытых ампулах, которые исключают образование критичных просыпей в случае разрушения отработавших тепловыделяющих сборок (ОТВС). Для газообмена крышки ампул имеют калиброванный зазор. В контейнер устанавливается 144 ампулы (соответствует 72 ОТВС реактора РБМК-1000). Корпус контейнера выполнен из специального бетона и облицован листами из нержавеющей стали. Контейнер имеет две крышки, герметичность которых обеспечивается за счет специальных прокладок. Процесс подготовки МБК включает в себя операции осушки внутренней полости, контроля остаточного влагосодержания, контроля герметичности уплотнений крышек МБК при помощи гелиевого течеискателя и заполнение полостей аргоном, контроль герметичности вспомогательных полостей. Внутри контейнера не предусмотрена установка каких-либо датчиков, отсутствуют каналы для сквозной продувки газа.

Учитывая большой объем накопленного ОЯТ РБМК-1000, для подготовки УКХ-109 к хранению предлагалось использовать стационарную технологическую систему, которая охватывала бы весь комплекс операций, включая осушку, заполнения газами и контроль остаточного влагосодержания и герметичности уплотнений. В отличие от иностранных аналогов в проекте системы подготовки УКХ-109 используется только один конденсатор, который был установлен перед вакуумным насосом и охлаждался низкотемпературным хладоагентом. Управление подготовкой осуществлял оперативных персонал при помощи ручных клапанов. В соответствии с проектной методикой вакуумная сушка должна проводиться путем вакуумирования полости УКХ-109 с ОЯТ до достижения давления 0,6 кПа. Осушка считалась завершенной, если прирост давления при отключенном насосе составлял не более 1,2 кПа в час.

Для оценки возможности использования для УКХ-109 технологий подготовки иностранных контейнеров был выполнен сравнительный анализ,

Рисунок 1 - Металлобетонный контейнер УКХ-109 в составе ТУК-109

который показал, что проектные методики осушки и критерии контроля остаточного влагосодержания в целом совпадают с наиболее близким аналогом - системой перевода на сухое хранение ОЯТ РБМК-1500 Игналинской АЭС. При этом загрузка ОЯТ в МБК СО№ТОЯ ЯВМК 1500 проводилась под слоем воды. Однако, в отличие от аналога, в конструкции контейнера УКХ-109 использована ампульная упаковка топлива, а загрузка ОЯТ проводится по сухой технологии в специальной камере. Результаты математического моделирования также показали значительные различия в прогреве стенок контейнеров на момент начала процесса подготовки, что говорит о различных условиях выхода воды из контейнеров при сухой загрузке и загрузке под слоем воды.

Поэтому методика осушки и критерии контроля остаточного влагосодержания, предлагаемые для системы подготовки УКХ-109, требуют проверки и обоснования. А учитывая большое влияние качества проведения данного процесса на безопасность длительного хранения ОЯТ, необходимо минимизировать влияние человеческого фактора на ход подготовки контейнера и проведения различных контрольных операций за счет использования современных автоматизированных программно-технических средств.

Третья глава посвящена экспериментальным исследованиям технологического процесса вакуумной осушки МБК и контроля остаточного

влагосодержания на

крупномасштабном стенде СМ-Э332.

Смысл технологического процесса осушки состоит в том, чтобы создать условия, при которых с одной стороны происходило бы испарение воды в контейнере, а с другой - конденсация паров в конденсаторе. При этом

------------...Л;':..^"1 процесс осушения реализуется

Рисунок 2-Экспериментальный стенд СМ-Э332 при пониженном давлении в контейнере. Процесс завершается процедурой контроля остаточного влагосодержания.

В качестве объекта исследования была выбрана физическая модель системы подготовки и контроля. Для этого, при непосредственном участии автора, был смонтирован экспериментальный стенд СМ-Э332 (рисунок 2). Стенд состоял из натурного металлобетонного контейнера с электрообогреваемым имитаторами ОЯТ, конденсатора, вакуумного насоса, системы электропитания и датчиков. Принципиальная схема стенда, предложенная проектной организацией, представлена на рисунке За.

Эксперименты осуществлялись по следующему методике. На дно контейнера и в ампулы заливалась вода, контейнер герметизировался, и включались нагреватели. Контейнер выдерживался в течении 24 часов, а затем

проводилось вакуумирование вакуумирования.

Прежде всего, были проверены проектные методики осушки. В ходе испытаний, выполненных по проектному сценарию, было установлено, что при достижении определенного давления происходит вскипание воды в конденсаторе и поступление ее в насосы. «Отравление» насосов водой делает невозможным снижение давления до требуемой величины и нарушает работу системы подготовки (рисунок 4). Причина подобного хода процесса состояла в отсутствии в системе регулирующей аппаратуры позволяющей поддерживать необходимое давление в конденсаторе. Проведенные эксперименты показали невозможность достижения заданных параметров в МБК при проектной конструкции стенда и предложенной методике проведения вакуумной осушки и контроля 100

Ход процесса определялся режимом

Давление в " МБК по

%

Исходя из результатов исследования, при участии

б) после модернизации

Рисунок 3 - Схема вакуумная принципиальная стенда СМ-Э332

были выработаны

4000

1 -р , , I | I I I I | I I I . | I I I I | и

1000 2500

Время, мин.

Рисунок 4 - Ход проектного режима осушки

автора

предложения по доработке стенда и методике осушки. Схема модернизированного стенда СМ-Э332 приведена на рисунке 36. Электрообогреваемый контейнер МБК через клапан К1 подключен к конденсатору КМ. Пар, поступающий в конденсатор, конденсируется и собирается в баке конденсатора, а воздух отводится к насосу Ж через клапан К Я, при помощи которого поддерживалось давление в конденсаторе, исключающее кипение. Конденсатор и приемный бак охлаждались водой с температурой 4...12 °С. Для анализа результатов экспериментов контейнер заполнялся сухим воздухом. После выдержки в течении 12 часов, воздух стравливался через термогигрометр ИВА-6Б, который измерял влагосодержание газа.

Основной задачей экспериментов было определение оптимального режима снижения давления в МБК и выработка критериев фиксации факта достижения требуемой влажности газа в полости МБК (<20г/м3). Для измерения параметров процессов, протекающих в ходе экспериментов в стенде, использовалось свыше 50 различных датчиков.

Регистрация такого объема информации и представление ее оператору осуществлялась при помощи измерительно-вычислительного комплекса «ИВК СМ-Э332», специально разработанного для этого стенда. ИВК состоял из распределенной системы сбора данных, и ПЭВМ с системой видеокадров (рисунок 5). Обновление измерительной

информации и расчетных параметров на мониторах осуществлялось с периодом 1с, а регистрация - 0.01... 1 Гц.

В ходе экспериментов была проверена методика подготовки контейнеров с ОЯТ, которая

Измерение мощности

Давление в МБК

\

\ /

о 10 20

Время, час

Рисунок 6 - Режим осушки по технологии ОЫВ

Рабочее место оператора

Рисунок 5 - Структура ИВК СМ-Э332

использовалась на Игналинской АЭС (рисунок 6). В результате эксперимента установлено, что вода из контейнера в этом случае выводится не полностью, о чем можно судить по балансу масс. Причиной такого явления стало

юо 4 __.. значительное охлаждение отдельных зон в

полости контейнера за счет вскипания воды 4 й при быстром снижении давления и, | соответственно, неравномерность

| температурного поля в металлоконструкции. 2 ° Наличие таких зон создает условия для | возникновения относительно стабильных по 1 времени равновесных процессов кипения-о конденсации воды в полости МБК и 30 препятствует выходу пара из контейнера в систему осушки. Причина возникновения такого явления кроется в слабом прогреве МБК при «сухом» способе загрузки ОЯТ. Полученные результаты исследований показали неприемлемость методов осушки Игналинской АЭС к контейнерам УКХ-109.

На основе выполненных исследований автором предложен двухэтапный сценарий проведения процесса осушки МБК с ОЯТ, который можно сформулировать следующим образом. В условиях слабого прогрева стенок контейнера надо создать такие условия, при которых пар, выходящий из контейнера, не должен охлаждать внутренние конструкции контейнера и создавать условия для возникновения равновесных процессов. Для этого необходимо искусственно поддерживать давление на выходе контейнера на более высоком уровне, пока основная масса воды не покинет МБК, а затем перейти к более низким значениям давления. Так как наиболее холодные элементы контейнера изначально имеют температуру окружающей среды, то для исключения дальнейшего охлаждения этих элементов промежуточное давление может быть определено как давление насыщения водяного пара при температуре окружающей среды.

Такой сценарий может быть проиллюстрирован на примере эксперимента, результаты которого представлены на рисунке 7.

О 10 20 30 40 50 60 70 80 90

Время, час

А - давление насыщения водяных паров, рассчитанное по температуре окружающей среды Б-давление парогазовой смеси в контейнере;

40

О §10

^ о

10 20 30 40 50 60 70 80 Уи Время, час

Л/_СОМЗ - масса конденсата в приемном баке; 1,11,111-фазы процесса.

Рисунок 7 - Характерные стадии технологического процесса вакуумного осушения УКХ

На первой стадии давление на выходе из контейнера должно быть выше давления насыщения водяных паров по температуре окружающей среды (температуре воздуха в помещении поста подготовки УКХ-109).

П-я стадия вакуумной осушки, которая реализуется при абсолютных давлениях в контейнере примерно меньше ЮкПа, характеризуется интенсивным парообразованием и конденсацией выходящего пара в теплообменнике. На этой стадии откачки дополнительно к требованиям по регулированию давления первой стадии необходимо уменьшить скорость откачки и поддерживать ее на минимально возможном уровне, чтобы давление в конденсаторе было выше давления насыщения по температуре в конденсаторе. Выполнение этого условия необходимо для надежной конденсации пара в теплообменнике.

Ш-я стадия откачки начинается после прекращения конденсации пара в конденсаторе (стабилизации уровня конденсата в приемном баке). На этой стадии в области давлений меньше 3 кПа осуществляется диагностика окончания процесса вакуумной осушки контейнера.

Единственным параметром, доступным для контроля во внутренней полости МБК, является давление газовой среды. Поэтому диагностика факта завершения процесса осушки осуществляется по величине прироста давления в

полости МБК. Для этого в контейнере необходимо создать условия, при которых вся жидкая фаза воды испарится, а паровая фаза окажется перегретой относительно температуры насыщения. Затем измерить общее давление парогазовой смеси в контейнере и определить, допуская равенство парциального давления пара измеренному, плотность пара на линии

массу в объеме контейнера в

Далее необходимо выполнить контроль отсутствия в контейнере жидкой фазы воды. Для этого откачку необходимо прекратить, магистраль откачки УКХ-109 при помощи клапана Г24 за датчиком PD3 перекрыть (см. рисунок 36) и контролировать давление в контейнере по датчику Р1. С учетом результатов экспериментального моделирования процессов

вакуумной осушки МБК на стенде СМ-Э332 контрольный процесс завершения осушки УКХ-109 выглядит следующим образом.

Если в течение 4 часов давление в контейнере повысится для ОЯТ 30-летней выдержки на величину менее 100 Па (для ОЯТ 10-летней выдержки - менее 200 Па) и при этом абсолютное давление в контейнере не превысит величину давления насыщения при температуре окружающей среды или предельную величину остаточного давления 2,72 кПа, что свидетельствует об отсутствии в контейнере жидкой фазы, то осушка закончена и величина остаточной влаги в контейнере не превышает 20 г/м3, так как плотность пара при давлении менее 2,72 кПа менее 20 г/м . Если эти условия не соблюдаются, то необходимо повторно открыть клапан К1 и повторить откачку. Предельная величина роста давления является эмпирической и определена на основе экспериментальных данных. Для учета колебаний температуры окружающей среды и температуры в конденсаторе автором предложена номограмма (рисунок 8), которая позволяет оперативно определять предельно допустимый рост давления в МБК в процессе контроля остаточного влагосодержания.

Для проверки предложенной методики было проведено свыше 20 экспериментальных режимов длительностью от 20 до 180 часов каждый, при этом варьировались следующие параметры: тепловыделение топлива, температурные условия на посту, условия предварительного прогрева топлива! Для проверки предложенных решений был проведен контрольный «слепой» эксперимент с неизвестным для экспериментаторов количеством воды залитой в МБК. Эти эксперименты подтвердили правильность предложенной методики и позволили сделать вывод о том, что процесс контроля влагосодержания

насыщения и, соответственно, его консервативном приближении.

область остаточного давления; 3 - область

ухудшенной конденсации пара в теплообменнике Рисунок 8 - Границы остаточного давления

парогазовой смеси в УКХ-109 при диагностике окончания вакуумной сушки

состоянии

- Давление в системе ■ Граничная уставка

- Давление нвсыщения no toc

может быть выполнен только при определенном тепловом контейнера, которое достигается в процессе осушки МБК.

Для использования данного метода в автоматизированном программно-

техническом комплексе СМ-821 автором были сформулированы следующие алгоритмические правила, которые иллюстрируют идеализированный

двухэтапный процесс осушки и контроля (рисунок 9). Ход процесса определяется правилами поддержания давления на выходе Рисунок 9 - Идеализированный ход из УКХ-109.

технологического процесса осушки Первый этап снижения давления

включает в себя интервалы времени с 1-й по 3-й и характеризуется тем, что предельное давление определяется по температуре окружающей среды 10Кр в районе установки МБК (рисунок 10). На втором этапе (на интервалах 4,5,6) давление определяется по температуре в конденсаторе гк. Отрезок времени 7 является контрольным.

На интервале 1 реализуется начальная стадия вакуумирования внутреннего объема МБК. Поступление влаги в конденсатор на этой стадии крайне мало, однако достаточно интенсивно идет прогрев внутренних элементов контейнера и трубопроводов, примыкающих к МБК. На этой стадии приходится принимать меры для снижения нагрузки на вакуумный насос 1ч(Ь за счет дросселирования линии при помощи регулирующего клапана КЯ:

Рисунок 10 - Эквивалентная схема системы осушки

р . ртах

гг rNL

(1)

где, Р3 - давление на входе в вакуумный насос, PNLmax - максимально допустимое давление на входе, для данного типа насоса. Основным критерием перехода к следующей стадии является начало выхода пара из контейнера и рост уровня воды в конденсаторе, регистрируемого датчиком Н.

На интервале 2 продолжается интенсивное кипение воды в контейнере и начинается поступление пара в конденсатор. Уровень воды в приемном баке начинает интенсивно расти. По мере падения давления необходимо ограничивать расход парогазовой среды через конденсатор за счет дросселирования линии после конденсатора при помощи регулирующего клапана ICR. Причем давление в конденсаторе Р2 не должно снизиться ниже P3i-Предельное значение давления P3j с учетом погрешности средств измерения может быть записано в виде:

Р, > Р„

где, Р2 давление в конденсаторе в конце 1 стадии, Т01ф — температура окружающей среды в помещении подготовки контейнеров, Дк - ширина зоны контроля.

Интервал 3 характеризуется тем, что процессы выхода влаги из полости МБК замедляются, и прекращается рост уровня воды в приемном баке, что свидетельствует о выходе основной массы воды из МБК. Этот интервал выделен в отдельный процесс как переходной. Критерием перехода к следующей стадии может служить прекращение роста уровня воды в конденсаторе измеряемого датчиком Н. Однако использовать данный критерий невозможно из-за особенностей конструкции приемного бака конденсатора и схемы измерения уровня в нем. Другим способом определения факта прекращения кипения в МБК является анализ роста давления во внутренней полости МБК за счет испарения воды и нагревания газа. Недостатком этого метода является необходимость прекращения вакуумирования на определенное время, однако при выборе достаточно малого интервала времени анализа, а также принудительно устанавливая время повторного контроля, это ограничение не существенно влияет на общее время процесса. Условием начала проверки по этому методу является падение давления на выходе конденсатора ниже определенного порога. Значение прироста давлений и контрольный порог определяются при настройке систем. Условие перехода на следующую фазу по этому методу можно записать в следующем виде:

\Р1<Р5{Т^)+ д

! (3)

где, Р] - давление в МБК, ЛР1 - прирост давления за заданный промежуток времени, Токр — температура окружающей среды, Рчтах — максимально допустимый прирост давления в МБК.

Переход процесса на второй этап (зона 4, 5, 6) характеризуется поддержанием в конденсаторе давления не ниже величины, определяемой по формуле:

Р2>Р*(Тк) (4)

где, Рг - давление в конденсаторе 2 фазы, Тк — температура хладоносителя на выходе из конденсатора.

Однако использование в качестве опорного параметра Тк - температуры хладоносителя достаточно сложно. Регулирование температуры хладоносителя в холодильных агрегатах осуществляется в режиме «охлаждение -естественный нагрев», что приводит к колебаниям температуры в пределах 2...6 °С, что соответствует колебаниям расчетного давления насыщения до 500 Па. Такая нестабильность может привести к ложным результатам при определении факта завершения осушки. Наиболее оптимальным в этом случае является предложение использовать в качестве опорного значения некую константу Рт, которая с одной стороны гарантированно обеспечивает необходимый температурный напор для надежной конденсации пара, а с другой - исключает возмущающие воздействия со стороны колебаний

температуры в линиях циркуляции хладоагента холодильного агрегата. При этом должно выполняться следующее неравенство:

Рт > Л(тах(Г,)) (5)

Оптимальным значением, как показали эксперименты, является Рт=1.02кПа, которое соответствует температуре Тк = 7°С, за счет чего обеспечиваются хорошие условия для конденсации пара в конденсаторе (при условии, что температура хладоносителя колеблется в диапазоне 1...4°С).

В интервале 4 происходят переходные процессы, которые обусловливаются сильным вскипанием оставшейся в МБК воды при понижении давления. В следующем интервале идет вывод остаточной влаги. Из-за малого количества остаточной влаги в МБК быстро создаются условия для перехода к фазе 6 по методике, аналогичной применяемой на интервале 3. Многократное повторение циклов контроля сильно увеличивает время осушки за счет прерывания процесса вакуумирования циклами измерения производных. В этих условиях, наиболее оптимальным решением является установка фиксированной длительности интервала 5.

На интервале 6 проводится контроль перехода, аналогичный интервалу 3. Однако, кроме определения производной роста давления, контролируется и предельный рост давления, который определяется по температуре окружающей среды. Условием завершения процесса осушки в этом случае становится выполнение следующего условия (6): |Рх <тш(Л(Г„„),2.9)-Д

(6)

где Р1 - давление в МБК в конце цикла контроля, ДР1 - прирост давления в МБК за время контроля, Т01ф - температура среды в помещении подготовки МБК, Ртах - величина предельно допустимого роста давления в МБК, Дк -ширина зоны контроля. Если условие не выполняется, то производится повторное вакуумирование с фиксированной длительностью.

Для контроля остаточного влагосодержания используется интервал 7. Процесс контроля заключается в анализе прироста давления в МБК за установленный промежуток времени. Если давление в МБК за фиксированный промежуток времени не вырастет на величину более заданной (7) с одной стороны, а абсолютное значение в полости МБК не превысит давление насыщения, рассчитанное по температуре окружающей среды с ограничением по температуре предельно допустимой плотности пара, то контейнер считается осушенным. Влажность среды при этом соответствует нормативным значениям <20г/м3.

¡Р, < тт(Р1(Г ),2.9) - Д ' ¡АР, с ^ (?)

Для компенсации погрешности введена поправка Д, которая определяется как сумма абсолютных погрешностей датчиков давления в полости МБК и конденсаторе, и окружающей среды, измерительных преобразователей, а также

погрешности вносимой функцией вычисления давления насыщения, с учетом погрешностей измерения температуры в конденсаторе. Временной интервал контроля определен по результатам экспериментов и составляет 4 часа. В случае если условие не выполняется, то операции 6 и 7 повторяют.

Результатом данного процесса контроля является качественное заключение о непревышении количества воды в контейнере над нормативными. Однако количественная оценка влажности газа в полости контейнера после заполнения газами может быть дана только в консервативном приближении на основе значений конечного давления в полости контейнера, с учетом последующего разбавления.

Предложенная методика содержит четкие критериальные количественные оценки и пригодна для реализации средствами автоматизированного программно-технического комплекса. lía основе проведённых на стенде экспериментов, были выработаны рекомендации по доработке проекта технологической системы с учетом внедрения автоматизированной системы управления подготовкой УКХ-109 к сухому хранению на Ленинградской АЭС.

Четвертая глава

посвящена разработке программно-технического

Автоматизированное рабочее место оператора

Автоматизированное рабочее место обработки информации

СМ-821,

методики контроля.

комплекса реализующего предложенные подготовки и Эксперименты, проведенные на стенде СМ-Э332, показали

необходимость автоматизации процесса осушки, контроля

остаточного влагосодержания, а операций. Для этого в проект

Шкаф

^ „ - радиоканал-управления 3

Шкаф Шкаф

управления 2 управления 1

С

Е

Датчик водорода

Датчики и исполнительные устройства

)

Рисунок 11 - Структура комплекса технических средств автоматизированной системы управления СМ-821

также вспомогательных контрольных технологической системы подготовки Ленинградской АЭС были введены необходимые датчики и исполнительные устройства.

Аппаратно-программный комплекс управления подготовкой (рисунок 11) состоит из основного автоматизированного рабочего места (АРМ) оператора, АРМ обработки информации и распределенной системы аппаратных средств, в которую входят шкафы управления технологическим оборудованием, приборы контроля герметичности, газоанализатор, гелиевый течеискатель, локальные пульты управления. Комплекс построен на аппаратно-программной платформе SIMATIC, включающей панельную ЭВМ РС677В, программируемые контроллеры SIMATIC S7-300, панели операторов SIMATIC ОР-73 и SIMATIC ОР277-6, распределенную периферию SIMATIC ET200S. Программное обеспечение разработано в среде WINCC, Step7, HiGraph и WinCCFlexible. Отдельные элементы комплекса объединены при помощи локальных сетей.

Разработанный комплекс позволяет проводить полный технологический процесс подготовки УКХ-109 при различных назначениях и исходных состояниях контейнера. В процессе подготовки осуществляется осушка УКХ-109, контроль остаточного влагосодержания, заполнение полости с ОЯТ и межкрышечного пространства рабочими газами, а также контроль герметичности уплотнений в автоматизированном режиме. Для проверки герметичности уплотнений используются приборы ПКГ и гелиевый течеискатель ТИ1-30. Системой управляет оператор при помощи системы видеокадров АРМ (рисунок 12). Для выпуска отчетов о результатах процесса подготовки используется АРМ обработки информации. В выходной протокол каждого контейнера, формируемом на данном рабочем месте, входит около 250 параметров описывающих весь процесс подготовки и контроля. Программное обеспечение АРМ построено на базе SCADA-системы Slj^TTC WjnCC.

Сбор информации от датчиков и управление исполнительными

устройствами осуществляется

контроллерами SIMATIC S7-300, которые расположены в шкафах управления технологическим

оборудованием. Для настройки и . проведения метрологических

проверок в шкафах управления используются локальные панели оператора. Метрологические

характеристики программно- — Рисунок {2 . видеокадр АРМ оператора

аппаратного комплекса

подтверждены независимой экспертизой - ВНИИМ им. Д.И. Менделеева. Так как в процессе подготовки присутствуют ручные операции, которые не могут быть автоматизированы, их синхронизация с работой автоматики производится при помощи локальных пультов управления.

Программное обеспечение комплекса имеет многоуровневую иерархическую логическую структуру на основе блоков логического управления, которые реализуют разработанные алгоритмы. Для реализации алгоритмов использовалась среда графового программирования HiGraph, которая позволила разработать и отладить процедуры осушки и контроля в минимальные сроки. Для разработки вспомогательных функций использовался язык структурированного текста STL по МЭК61131-3. Результаты процесса подготовки, а также состояние всех параметров технологической системы регистрируются в среде СУБД MS SQL Server, входящей в WINCC.

Для увеличения производительности системы использовано параллельное проведение процессов для чего используются два поста подготовки. Так как основная часть оборудования является общей для двух постов, в программное обеспечение введен логический диспетчер, который управляет распределением оборудования по постам.

Наиболее сложной задачей стало регулирование давления в конденсаторе в области малых расходов. Для исследования этого процесса было выполнено моделирование узла «конденсатор-регулирующий клапан-вакуумный насос» с учетом работы электромеханического привода регулирующего клапана и были отработаны различные пути оптимизации поддержания давления в конденсаторе. Было установлено, что основным фактором, влияющим на нестабильную работу данного регулятора, является выбег двигателя привода клапана.

Для оптимизации

работы привода клапана в области малых расходов автором была предложена схема управления (рисунок 12) приводом с

использованием частотного преобразователя, которая позволила обеспечить ПЧ ' частотный преобразователь, М - привод

требуемый режим работы Ш ~ ^кировка по моменту закрытия,

_ ^ ко -блокировка по положению открытия,

регулирующего клапана. ПЛК - контроллер управления.

В пятой главе Рисунок 12-Схемауправления приводом с

изложены результаты использованием частотного преобразователя

внедрения и опытно-промышленной эксплуатации технологической системы подготовки УКХ-109 с ОЯТ на Ленинградской АЭС, функционирующей в автоматическом режиме. Экспериментальные работы по подтверждению характеристик автоматизированной системы подготовки проводились на Ленинградской АЭС с использованием электрообогреваемого контейнера-имитатора из состава стенда СМ-Э332 (рисунок 13). В ходе каждого эксперимента выполнялся штатный технологический процесс подготовки МБК под управлением оперативного персонала ЛАЭС. Данные работы выполнялись в рамках программы ПНР комплекса перевода ОЯТ на сухое хранение

го с

5

10 -

_ Давление среды в трубопроводе

контейнера _ Давления насыщения водяных паров по температуре окружающей среды „ Давление насыщения водяных паров

;

- 1 1

£ 1 а

' | 1 1 1 | 1 II -||||и, 1,1 И, ггг] II. 1 1 1 1111 И 1 | 1 1 1 | 1 1 1 • и 1 11

Время, ч

Рисунок 13 - Экспериментальный режим с использованием контейнера-имитатора Ход процесс осушки контейнера УКХ-109 с ОЯТ РБМК-1000 выполненного автоматизированной системой (рисунок 14), полностью

соответствует предложенной методике, подтверждено контрольными прямыми замерами 10

конечное значение влагосодержания

Давление среды в трубопроводе откачки после контейнера по датчику РЭ7 Давление насыщения водяных паров по температуре в конденсаторе ТЗ Давление насыщения водяных паров по температуре окружающей среды Т8

40

50

30

Время, ч

Рисунок 14 - Ход процесса осушки УКХ-109 с ОЯТ РБМК-1000 ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе впервые решена актуальная научно-техническая задача создания автоматизированной технологии подготовки и контроля металлобетонных контейнеров с отработавшим ядерным топливом реакторов РБМК-1000 к сухому хранению в части удаления влаги, заполнения инертными газами и контроля герметичности с использованием современных средств автоматизации. При этом получены следующие основные результаты;

1. Создана экспериментальная установка по отработке процессов осушки и контроля остаточного влагосодержания в полости металлобетонного контейнера с ОЯТ;

2. Выполнен комплекс экспериментальных работ по обоснованию работоспособности проектной технологической системы осушки и контроля остаточного влагосодержания на основе чего получены рекомендации по доработке экспериментальной установки;

3. Предложена технология контроля остаточного влагосодержания в полости контейнера, основанная на двухэтапной методике снижения давления в контейнере. Выполнена ее адаптация для использования в автоматизированной системе управления. Сформулированы рекомендации по корректировке проекта технологической системы подготовки СМ-647 с учетом внедрения автоматизированной системы управления;

4. Проведена серия поверочных экспериментов с различными объемами воды, уровнем энерговыделения имитаторов ОЯТ, сценариями процесса осушки. Экспериментально подтверждена независимость предложенной технологии от энерговыделения ОЯТ и объёма воды в контейнере.

5. Разработана, изготовлена и внедрена на Ленинградской АЭС автоматизированная система СМ-821 контроля и управления технологической системой СМ-647 подготовки контейнеров с ОЯТ.

6. Предложен способ поддержания давления в конденсаторе при сверхнизких расходах, за счет оптимизации работы рейдирующего клапана и

использования частотного преобразователя в схеме управления электропривода регулятора;

7. Проведена серия экспериментальных работ по подтверждению характеристик штатной автоматизированной системы конвдя и

и~ГсМ^4547 Л—Й АЭС ' использованием Сейнер,

8. Выполнен анализ результатов промышленной эксплуатации автоматизированной системы СМ-821 на Ленинградской АЭС подтверждающей корректность принятых научно-технических решений. '

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Публикации в журналах, рекомендованных ВАК:

1. Создание автоматизированной системы подготовки МБК с ОЯТ на

сГонГв ДАЭС/ МаЛИК°В Т"Б" П°ТаПКИН СамУсь С-В' козуля В.М СИМОНОВ В.Н.// Автоматизация в промышленности - №2 - 2014 - с 18 24

о™^'ЭКСПеРИМеНТаЛЬН°е обоснование технологии вакуумной осушки отработанного ядерного топлива реактора РБМК-1000 / Ефимов В.К., Маликов

МИГР0В ЮЛ" Мамусь СВ., Черный О.Д. // Известия Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета) - № 24 (50) - 2014. - с. 67-72. °

Свидетельства о регистрации программ:

№20ШСбТСеЛ ПТВ° ° Г°СУдарСТВеНН0Й Ре™стРаЦии программ для ЭВМ №2013661969. Программный комплекс «Автоматизированная система

управления подготовкой упаковочного комплекта хранения (УКХ) к сухому

хранению» /Маликов Т. Б., Самусь С. В., Потапкин М О.

Другие публикации

1. Автоматизированная система управления подготовкой УКХ-109 к

сС7иХРЗН пГЬК°В В'Д" ДаВВДеНК0 НН- Зозуля В.М., Маликов Т.Б// соорник докладов IV международного ядерного форума. - 2009 - с 97-101

реактооЭагаХТоНпТН°е °б°СН0ВаНИе техноло™и вакуумной осушки ОЯТ реактора РБМКМ000 при переводе на сухое хранение/ Ефимов В.К., Маликов

^¡пГИГР0В Ю'А- И ДРУГИС// ЗШРШК На^К0ВИХ « Севастопольського -№36 - сН3О0Г-4ГШеРСИТе1У ЯДеРН°'1'СНерГГ1'Та ПР°мисловост!' ^аина. - 2010. .

3. Внедрение технологии вакуумной осушки МБК с ОЯТ РБМК-1000 на

мХГДТКЙ аТ°МН0Й СТЦИИ/ ЕФИМ°В В'К" 3о3Уля В"М- веников А.В., И ДРУ ЗШРНИК Наукових праць Севастопольського №42 с. 32 40ШВеРСИТеТУ ЯДеРН°'1' еН6РГГ1'Та пР°мисловост1. Украина. - 2011.

отпЯ^тЭКСПеРИМеНТаЛШОе обоснование технологии вакуумной осушки отработавшего ядерного топлива ОЯТ РБМК-1000 при переводе с «мокрого» на «сухое» хранение/ Маликов Т.Б., Мигров Ю.А., Ефимов В.К , Самусь С В^ Научно-технический сборник «Испытания и исследования ЯЭУ» ООО

«Литография» 2012-с. 147-155. м аааая и у», иии

Отпечатано с оригинал-макета. Формат 60x90'/16 Объем 1,0 печ.л. Тираж 100 экз. Зак. № 45.

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)»

190013, Санкт-Петербург, Московский пр., 26 Типография издательства СПбГТИ (ТУ), тел. 49-49-365