АО «НТЦД»

Центр диагностики
URL: http://diaprom.com/
E-mail:
Адрес: 109518, г. Москва, ул. Газгольдерная, д. 14, оф. 329
Телефон/Факс: (495) 690-9195

Комплексное диагностирование ВВЭР

Комплексное диагностирование ВВЭР

Калинушкин А.Е., Семченков Ю.М., НИЦ «Курчатовский Институт», г. Москва,

Павелко В.И., Финкель Б.М., АО «Научно-технический центр «Диапром», г. Москва

Доклад на десятой международной научно-технической конференции
«Безопасность, эффективность и экономика атомной энергетики»

Широко используемое, но трактуемое по разному понятие «система оперативного диагностирования» (СОД), в 2015 году получило следующее определение в руководящем документе (РД) Концерна РЭА [1]: «СОД представляет собой совокупность системы комплексного диагностирования (СКД), локальных систем диагностирования (ЛСД) и локальной вычислительной сети (ЛВС)». Минимально достаточный перечень систем там определён следующим списком [2-5]:

Концепция СОД ВВЭР распространяется и на действующие, и на вновь вводимые энергоблоки с ВВЭР. СОД ВВЭР, как иерархичный, распределённый элемент интегрируется в систему контроля, управления и диагностики (СКУД), и в качестве источников измерительной информации использует не только ЛСД, но и штатные сигналы автоматизированной системы управления технологическим процессом (АСУ ТП), информацию, полученную переносными программно-технических средствами, а также результаты неразрушающего контроля, полученные в период проведения планово-предупредительных ремонтов (ППР). Центральным элементом СОД, объединяющим перечисленные выше информационные потоки, является СКД, как система вернего уровня, не имеющая собственных измерительных каналов, стоящая над ЛСД, и, строго говоря, ЛСД не являющейся.

СОД, осуществляя комплексный анализ разнородных диагностических потоков, должна на ранней стадии обнаруживать неисправность оборудования РУ, выявлять её причину, локализацию и прогнозировать развитие. Как и ранее, каждая ЛСД представляет собой функционально законченную систему, ориентированную на узкий класс диагностических признаков (контроль течей, контроль вибраций, контроль ударных воздействий и т.д.). Ранее диагностическая информация, генерируемая каждой ЛСД, доставлялась непосредственно своему потребителю без совместного анализа информации других смежных ЛСД. Теперь их возможности усиливаются комплексным многомерным анализом средствами СКД. Ранее основной функцией СКД являлся комплексный анализ информации, поступающей только от систем контроля течей теплоносителя (ТН), в соответствии с концепцией "течь перед разрушением" (ТПР) [6]. По-существу, комплексный анализ сводился к фильтрации потока ложных срабатываний каждой из СКТ, а по факту совпадения их диагнозов во времени исключались ложные тревоги при обнаружении протечек ТН.

Разные ЛСД с измерительными каналами разных частотных диапазонов могут одномоментно среагировать на одно и то же физическое явление. Например, ударное воздействие на главный циркулляционный контур (ГЦК) посторонним предметом может вызвать ложные тревоги и в акустической СКТ, и в СВШД, и в СТД ГЦН. Или другой пример: в случае правильно выявленной неисправности ГЦН средствами СТД ГЦН, последующие тревоги, сгенерированные СВШД и СКТП, должны рассматриваться в причинно-следственной логической связи. То есть весьма вероятно, что аномальные вибрации оборудования РУ, как и аномальные их тепловые перемещения, явились следствием неисправности ГЦН. Если диагностические признаки, основанные на разных физических полях, синхронно обнаружили тренды к своим диагностическим порогам, но ещё не пересекли их, то можно с большой вероятностью утверждать об общей причине их изменения.

По скорости поступления измерительной информации ЛСД делятся на три больших класса:

  • «медленные» – с частотой дискретизации не более одного Гц;
  • вибрационные – до 10 кГц;
  • быстродействующие – до 100 кГц.

Обработка измерительной информации в ЛСД может привести к разным скоростям постановки диагноза. Например, течевые системы (СКТ) по измерительным каналам могут относиться к быстродействующим (акустические СКТ), а по скорости выдачи диагностического сообщения – к «медленным» из-за комплексного анализа иной диагностической информации. СОСП, способная зарегистрировать такие быстропротекающие процессы, как детонация гремучей смеси или гидроудар в ГЦК, потребует множество дополнительных измерений АСУ ТП и ЛСД для того, что прийти к достоверному диагнозу.

Алгоритмия СКД в идеале должна строиться на математических моделях, требующих разнородной измерительной информации [7, 8]:

  • логические модели, анализирующие штатные сигналы АСУ ТП и тревоги ЛСД и представляющий собой, так называемые, древовидные структуры временных последовательностей диагностических событий, построенных на знаниях экспертов;
  • шумовые модели для анализа теплогидравлических и нейтронно-физических параметров активной зоны (поканальные, межканальные и общеконтурные расходы ТН, параметры недогретого кипения ТН, энергонапряжённость ТВС, концентрация борной кислоты, температурный и барометрический коэффициенты реактивности);
  • вибрационные модели оборудования первого контура, внутрикорпусных устройств и топливных сборок;
  • гидравлические модели, оперирующие напорными характеристиками ГЦН и гидравлическими сопротивлениями элементов ГЦК;
  • модели акустики стоячих волн (АСВ) давления в ГЦК;
  • модели исчерпания ресурса оборудования, учитывающие реальные эксплуатационные факторы термомеханического нагружения (тепловое перемещение оборудования, гидроопрессовки контуров, вибрационный фактор, гидроудары, нарушения регламентных ограничений эксплуатирующим персоналом и т.д.).

Комплексное диагностирование оборудования производится в автоматическом и автоматизированном режиме, в реальном мсштабе времени и в режиме отсроченного анализа. Например, исчерпание ресурса оборудования по усталостному механизму, как диагностическая функция СКД, требует набора статистики эксплуатационных циклов и, по-определению, не может быть реализована, как оперативная задача реального времени. Оценивание циклического ресурса производится системой САКОР периодически с большим временным шагом, соизмеримым с топливной кампанией, и не столь актуально для новых блоков. Повреждаемость, как усталостный диагностический параметр, слабо увеличивается при проектном нагружении оборудования и такое его изменение не влечёт за собой ни увеличения объёма ремонтных работ на ППР, ни изменения условий эксплуатации оборудования. Далее, по мере старения блока, частота применения ресурсного диагностирования должна увеличиваться.

Напротив, единичные непроектные события, такие как, протечки теплоносителя, наличие посторонних и слабозакреплённых предметов в контуре циркуляции, заклинивание подвижных опор оборудования, детонация гремучей смеси и гидроудары, наносят ущерб ресурсу не по усталостному механизму. В каждом конкретном случае такие редкие события должны быть обнаружены и учтены в индивидуальном порядке. Соответствующие системы диагностирования являются системами обнаружения в реальном масштабе времени.

Непроектное состояние систем авторегулирования блока, как и нарушения эксплуатирующим персоналом установленного регламента эксплуатации, приводящие к ускоренному исчерпанию ресурса, должно обнаруживаться по штатным сигналам датчиков АСУ ТП и средствами ЛСД. Они могут быть раширены термопарами наружной термометрии узлов РУ с максимальной термической нагруженностью (линии питания и продувки ПГ, сварные соединения коллекторов ПГ, трубопроводы системы компенсации давления, линии подпитки-продувки первого контура), с целью недопущения температурных ударов и оптимизации условий их термической нагруженности. Ускоренное исчерпание ресурса лучше обнаруживать не по «медленному» диагностическому признаку, каковым является усталостная повреждаемость, а непосредственно по сигналам АСУ ТП.

Обратная картина наблюдается с использованием шумовой диагностической информации. Развитие многомерного нейтронно-шумового анализа достигло такого уровня, что его сложные алгоритмы дают надёжные, с достаточной точностью шумовые оценки, которые могут быть переведены в режим реального времени и предоставляться оператору РУ. То есть шумовой анализ сигналов многочисленных штатных нейтронных детекторов - ионизационных камер (ИК) и детекторов прямого заряда (ДПЗ) - будет использоваться не только в отсроченном режиме, но и при оперативном управлении блоком ВВЭР [9].

Огромный поток разноскоростной диагностической информации, поступающий в СКД, требует, с одной стороны, сжатие его до бинарной альтернативы типа «есть-нет» диагностическое событие. С другой стороны, выход на диагноз требует анализа глубокой предыстории. Каждая из ЛСД генерирует “on-line” и “off-line”- информацию. К “on-line” – информации относится:

  • поток дискретных сигналов, вообще говоря, случайный, под названием «тревоги», возникающий, как результат сравнения диагностических признаков со своими диагностическими порогами (диагностические признаки являются функциональными преобразованиями над измерениям и, в частности, могут совпадать с измерениями);
  • поток собственно многоканальных измерений.

Общая черта “off-line”–информации – предварительное её архивирование на собственных накопителях конкретной ЛСД. “Оff-line”–информация – источник «медленных» диагностических признаков. Контроль трендов диагностических признаков необходим для выявления ресурсных изменений объекта диагностирования.

Если переработка «медленной» информации в СКД производится со скоростью не меньшей скорости её поступления, то можно говорить о так называемом режиме «почти реальное время». Например, к информации, накопленной ЛСД в течение суток, периодически применяется одна и таже вычислительная процедура. Это, так называемый метод обработки с помощью сценариев - сложных, заранее фиксированных вычислительных процедур. Стартовая библиотека сценариев неизменна для каждого блока ВВЭР, но наполнение каждого сценария индивидуально. Каждый блок ВВЭР уникален и требует настройки не только индивидуальных диагностических порогов, но и индивидуальных параметров сценариев диагностирования. После выполнения сценария автоматически выдается отчёт - диагностическая информация в графическом и табличном виде. Отчёты должны быть достаточно полными и доказательными, чтобы являться исходной информацией для интерпретации диагностического события экспертами.

СКД находится в непрерывном поиске нового поступления измерений. Как только они вводятся в СКД, автоматически запускается пакетная обработка по всем сценариям. Эта громоздкая многочасовая вычислительная процедура может быть переведена оператором СКД в ночное время. Обобщенным результатом является отображение в виде индикаторов по всем автоматически проведенным обработкам архивов.

В полномасштабном виде перечисленные выше математические модели чаще всего представляют собой сложные системы дифференциальных уравнений (например, так называемая 3D – нейтронно-физическая, теплогидравлическая динамика). Некоторое время считалось, что продвижение комплексного диагностирования тесно связано с развитием полномасштабного тренажёростроения настолько, что реально функционирующая РУ в любой момент времени адекватно представляется многомерной динамической моделью РУ. Сравнение текущего состояния РУ с этим вычислительным эталоном и должно выявлять отклонения от нормы, тем самым решая первую задачу диагностирования: обнаружение неисправности. Модели реального времени должны быть упрощены от систем дифференциальных уравнений до простых алгебраических уравнений, справедливых в стационарных режимах функционирования блока. Тогда смыкаются требования к экспертным знаниям на качественном уровне и к закономерностям аналитического (неэмпирического) происхождения. Возрастает роль обобщённых параметров работоспособности отдельных узлов объекта диагностирования (в том числе и безразмерных нормированных в диапазон (0-100%) диагностических признаков), построенных формальным способом [8] по типу функций безопасности (рис. 1).

Эмпирически полученные регрессионные закономерности между измеряемыми параметрами – также эффективные диагностические признаки (рис. 2, таблица 1). В динамическом режиме горячего останова с последующим возвратом на номинальный уровень мощности регрессионные зависимости основных параметров РУ от мощности близки к линейным зависимостям (см. таблицу 1). Только в первой строке таблицы приведены функции времени – Тг(t), Тх(t), а в последующих – параметрические зависимости, в которых время исключено. Левый вертикальный столбец таблицы соответствует разгрузке блока до МКУ, правый – увеличению мощности от МКУ до номинала. Уровень ТН в КД в зависимости от мощности (вторая строка) и в ту, и в другую сторону практически совпадают друг с другом. Значительное уклонение от линейной зависимости происходит, начиная от мощности 80% и выше. Здесь она близка к константе. Табулированная зависимость уровня КД от мощности может служить диагностическим признаком для контроля течей ТН. Конечно, это будет очень грубый инструмент, подходящий не для раннего обнаружения течей, как СКТ, а для течей с большим расходом ТН. С увеличением мощности РУ возрастает средняя температура ТН в ГЦК, а значит, падает плотность ТН, а значит, падает перепад давления на ГЦН (третья строка таблицы). Зависимость также линейная, но с большой вариабельностью. Она пригодна для грубого диагностирования ГЦН. В последней строке таблицы - диагностические признаки подвижных опор ПГ.

Таким образом, некоторый измеряемый параметр, как функция времени, представляется регрессией на другой измеряемый параметр. Получаемая многозначная стохастическая зависимость одного измерения от другого измерения, где время присутствует в неявном виде, приобретает новое качество диагностического признака. Яркий пример – зависимость перемещения оборудования от температуры ТН, которая является практически линейной функцией для большинства точек ГЦК (рис. 3).

Рисунок 1. Упрощения аналитической модели до уровня эмпирических
индикаторов работоспособности ПГ, определяемых по штатным
сигналам АСУ ТП
Компенсатор давления, как объект диагностирования, охваченный обратной связью, и диагностируемый по эмпирическим регрессиям штатных сигналов АСУ ТПРисунок 2. Компенсатор давления, как объект диагностирования,
охваченный обратной связью, и диагностируемый по эмпирическим
регрессиям штатных сигналов АСУ ТП
Таблица 1. Эмпирические зависимости штатных сигналов АСУ ТП при уменьшении (левый столбец) и увеличении мощности блока
Разгрузка блока до МКУНабор мощности
Тг, Тх от времени (по оси времени – часы)
Уровень в КД, как функция мощности [%] РУ
Перепад давления на ГЦН, как функция мощности [%] РУ
Перемещение ПГ1 в радиальном направлении, как функция Тх1
Температура ТН [град.]
Перемещения ПГ, ГЦН и U-образного трубопровода по сигналам СКТП в зависимости от измерений температуры ТН средствами АСУ ТП при изменении мощности РУРисунок 3. Перемещения ПГ, ГЦН и U-образного трубопровода по сигналам
СКТП в зависимости от измерений температуры ТН средствами АСУ ТП
при изменении мощности РУ

Контроль наклона этой характеристики, то есть скорости перемещения в единицах [мм/град], представляет собой диагностическую процедуру реального времени. Таких измерений только в системе контроля перемещений – несколько десятков. По каналам штатных измерений АСУ ТП количество парных регрессий, значимо неслучайных – непредсказуемо много. Их отбор должен совершаться эмпирически, а логические построения (логические предложения) над ними типа: «если скорость изменения напора ГЦН от температуры ТН находится в пределах (…), а зависимость уровня в КД от значения мощности РУ превосходит величину (…), и т.д. то «диагноз:…». СКД должна иметь функции построения любых эмпирических регрессионных зависимостей штатных сигналов один от другого, а также сигналов ЛСД от сигналов АСУ ТП.

Такие вновь полученные диагностические признаки, наравне с измеряемыми сигналами АСУ ТП, необходимо выстраивать в древовидные логические последовательности произвольной длины.

Диагностирование по мгновенным значениям множества сигналов АСУ ТП и ЛСД, как одномоментный диагностический акт, не всегда приводит к качественному результату. Обработка медленно развивающихся аномалий превращается в длительный процесс выявления и анализа трендов диагностических признаков, то есть набора статистики во времени, а наличие однотипного оборудования на блоке (ПГ, ГЦН, симметричные фрагменты различных петель ГЦК) даёт дополнительную диагностическую информацию (так называемая статистика «по ансамблю»). И в том, и в другом случае необходимо накопление архивов сигналов АСУ ТП и различных ЛСД. На рис. 4 продемонстрирована деградация измерительного канала в течение полутора месяцев. По единственному спектру сделать вывод о его неисправности затруднительно. Обратный пример: при неизменной форме вибрационного спектра аномалия проявляется в росте СКЗ этого сигнала за кампанию (рис. 5).

Современные технические средства позволяют накапливать такие архивы непрерывно в течение всего срока эксплуатации блока. Если раньше виброизмерения сжимались и накапливались в виде одноканальных спектров, то теперь архивы в виде многоканальных временных реализаций позволяют получать любые многомерные оценки (в том числе, любые взаимные спектральные характеристики) в любой момент времени. Над архивами всех ЛСД необходимо строить алгоритмы и программные системы отсроченного анализа. Для шумовых систем – это алгоритмы авто-, взаимного и многомерного спектрального оценивания случайных процессов.

Многократные измерения спектра вибраций при деградации измерительного каналаРисунок 4. Многократные измерения спектра вибраций при
деградации измерительного канала
Тренд СКЗ вибросигнала за кампанию при неизменной форме спектра
Рисунок 5. Тренд СКЗ вибросигнала за кампанию при неизменной форме спектра

Комплексный анализ сигналов различной физической природы приводит к так называемой детекторной избыточности, которая может быть употреблена для диагностирования измерительных каналов. Например, акустическая стоячая волна модулирует и пульсации давления ТН, и нейтронный поток в активной зоне, и вибрации основного оборудования. АСВ связывает перечисленные сигналы на собственной частоте (для ВВЭР-1000 – на частоте порядка 9-ти Гц), поэтому все пары когерентностей имеют резонанс на этой частоте (рис. 6). Отсутствие такого резонанса (нулевая когерентность) во всех парах с неисправным измерительным каналом по схеме «И» является необходимым признаком такой неисправности. На рис. 6 продемонстрированы результаты шумового самодиагностирования ДПЗ.

Рисунок 6. Шумовая самодиагностика датчиков (ДПЗ, как пример)

Разнородный поток входной измерительной информации преобразуется СКД в диагностические тревоги и диагностические сообщения также весьма разнородные. Их можно различать по двум конечным потребителям этой информасции: оператор РУ, понимаемый обобщённо, и диагностический персонал. Первый – производит управление объектом диагностирования, второй – пребывает в непрерывном процессе получения диагностической информации. Если оператору, и без того информационно нагруженному элементу контура управления РУ, предпочтительно выдавать диагнозы в автоматическом режиме, то диагностический персонал может получать информацию и в автоматизированном виде или даже в результате ручной обработки информации.

К СКД предъявляются, казалось бы, противоречивые требования: с одной стороны, СКД - автомат, выдающий надёжные диагнозы оператору при управлении блоком, с другой стороны, это программный инструментарий, включающий динамические модели широкого назначения, который помогает диагносту получить достоверную информацию о техническом состоянии того или иного диагностируемого узла. С одной стороны, СКД выдаёт сигналы, требующие немедленного реагирования, с другой стороны - требующие учёта в удалённой перспективе. Диагнозы в СКД производятся автоматически по факту возникновения диагностического события, автоматизированно при работе в интерактивном режиме по запросу оператора СКД, периодически перед ППР и после ППР.

Таким образом, помимо традиционных задач отображения, архивизации, документирования и оповещения СКД решает специфические диагностические задачи:

  • повышение эффективности установленных на АЭС систем диагностирования;
  • выявление взаимной диагностической информации, распределенной по разным ЛСД и штатным системам контроля, с целью повышения качества диагностирования;
  • ведение единой базы данных диагностической информации;
  • применение унифицированных вычислительных процедур к накопленным в ЛСД и СКД архивам;
  • централизация потоков диагностической информации различных систем для их совместной обработки универсальными методами диагностики.

Список литературы

[1] Система оперативной диагностики реакторной установки ВВЭР. Типовые технические требования ТТ 1.1.8.16.1064-2015

[2] РД ЭО 0303-01 Системы оперативной диагностики оборудования и трубопроводов реакторных установок с ВВЭР. Основные положения

[3] ТТ 1.5.4.01.002.0050-2011 Система контроля течи для реакторной установки ВВЭР-440/1000. Технические требования

[4] ТТ 1.5.4.01.002.0052-2011 Система виброшумовой диагностики реакторных установок атомных электростанций с ВВЭР. Технические требования

[5] ТТ 1.5.4.01.002.0054-2011 Система обнаружения свободных, слабозакрепленных и посторонних предметов в оборудовании и трубопроводах реакторных установок атомных электростанций с ВВЭР. Технические требования

[6] РД ЭО 1.1.2.05.0939-2013 Руководство по применению концепции безопасности "течь перед разрушением" к трубопроводам действующих АЭУ

[7] Г.В. Аркадов, В.И. Павелко, А.И. Усанов. Виброшумовая диагностика ВВЭР / Под ред. А.А. Абагяна. – М.: Энергоатомиздат, 2004. – 344 с.

[8] Г.В. Аркадов, В.И. Павелко, Б.М. Финкель. Системы диагностирования ВВЭР. – М.: Энергоатомиздат, 2010. – 391 с.

[9] В.И. Павелко, П.Ю. Свежинцева, Б.М. Финкель. Новые диагностические признаки в отраслевой системе диагностирования Концерна Росэнергоатом. Труды Международной научно-технической конференции МНТК 2014, Москва, 2014.