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

Совершенствование систем диагностирования на основе опыта эксплуатации на РУ АЭС с ВВЭР

Совершенствование систем диагностирования на основе опыта эксплуатации на РУ АЭС с ВВЭР

Калинин А.Н., Павелко В.И., Матвеев А.В., Молявкин А.Н., Финкель Б.М.,
ЗАО «Научно-технический центр «Диапром», г. Москва

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

Введение

В современной концепции и методологии обеспечения достаточного и приемлемого уровня безопасности АЭС с РУ ВВЭР важное место занимают локальные системы оперативной диагностики (ЛСД). Каждая из локальных систем оперативной диагностики представляет собой функционально и структурно завершенный комплекс технических средств и программного обеспечения, выполняющий набор функций, обеспечивающих решение стоящих перед системой диагностических задач.

Системы диагностики РУ АЭС с ВВЭР участвуют в решении следующих задач «Концерна Росэнергоатом»:

  • продление назначенного срока эксплуатации блока;
  • увеличение мощности блока (свыше 100% проектных);
  • удлинение эксплуатационной кампании (до 18-ти мес.);

и выступают как инструмент, расширяющий наблюдаемость объекта контроля, позволяющий:

  • своевременно выявлять отклонения от режимов нормальной эксплуатации, скрытых дефектов оборудования;
  • выдавать рекомендации при обнаружении дефектов по ремонту оборудования в ППР и сокращать сроки ремонта.

Объектами контроля для поставляемых систем диагностирования, являются: реактор, парогенератор (ПГ), главные циркуляционные насосные агрегаты (ГЦНА), главный циркуляционный трубопровод (ГЦТ), паропроводы, трубопроводы САОЗ.

1. Основные результаты эксплуатации систем диагностирования на РУ АЭС с ВВЭР

Начиная с 2004 г., началась поставка и опытно-промышленная эксплуатация первого поколения отечественных локальных систем диагностирования СКВ, СОСП, СКТ на блоке 3 Калининской АЭС.

В таблице 1 приведены основные функции и режимы функционирования поставленных на РУ АЭС с ВВЭР с локальных систем диагностирования (ЛСД).

Таблица 1. Основные функции и режимы функционирования ЛСД РУ АЭС с ВВЭР
Системы. Блоки АЭСФункции и режимы
- э/б 3 Калининская АЭС (СКВ, СОСП);
- э/б 2 Калининская АЭС (СВНШД);
- э/б 2 Ростовская АЭС (СКВ, СОСП);
- э/б 1, 2 АЭС «Тяньвань» СВШД, СОСП:
- э/б 1, 2 АЭС «Куданкулам» (СКВ, СОСП);
- э/б 2, 4 Ровенская АЭС (СВШД, СОСП, СВДРУ, СКТ);
- э/б 2 Хмельницкая АЭС (СВШД, СОСП, СВДРУ, СКТ);
- э/б 5 Нововоронежская АЭС – СВК ГЦН
СКВ/СВШД/СВНЩД:
- контроль СКЗ виброперемещений периодически и тепловых перемещений (при разогреве-расхолаживании);
- диагностирование в отсроченном режиме (не мене одного раза в неделю);
СВДРУ:
- контроль виброперемещений РУ;
СОСП:
- обнаружение свободных, слабозакрепленных и посторонних предметов;
СКТ:
- обнаружение течи ТН по акустике и влажности
- э/б 3, 4 Ростовская АЭС (СКВ, СОСП, РМ СОД);
- э/б 4 Калининская АЭС (СКВ, СОСП, РМ СОД);
- э/б 3, 4 Нововоронежская АЭС-2 (СОТТВ);
- э/б 5 Нововоронежская АЭС (СВК ГЦН);
- э/б 1 Ленинградская АЭС-2 (СКВ, СОСП, РМ СОД);
- э/б 3, 4 Кольская АЭС (СВШД);
- э/б 1 Калининская АЭС (СКПТ)
СКД/РМ СОД:
- комплексный анализ данных от ЛСД;
СКВ/СВШД, СКТ:
- контроль СКЗ виброперемещений непрерывно и тепловых перемещений (при разогреве-расхолаживании);
- диагностирование в отсроченном режиме (не мене одного раза в неделю);
СОСП:
- обнаружение свободных, слабозакрепленных и посторонних предметов;
СОТТВ:
- обнаружение течи ТН на верхнем блоке и ГЦТ по влажности;
СКПТ:
- контроль тепловых перемещений непрерывно;
СКП:
- обнаружение течи ТН на верхнем блоке и ГЦТ по влажности;
СВК ГЦНА:
- виброконтроль ГЦН

Следует отметить особенности эксплуатации ЛСД РУ АЭС с ВВЭР, которые во многом повлияли на сроки их внедрения в промышленную эксплуатацию:

  • неисправности в работе ЛСД, выявляемые на стадии опытно-промышленной эксплуатации;
  • сложность, наукоёмкость, уникальность диагностических событий;
  • необходимость авторского сопровождения эксплуатации систем;
  • длительный срок адаптации ЛСД (наполнение знаниями).

Совокупность перечисленных проблем привела к тому, что процесс опытно-промышленной эксплуатации первого поколения ЛСД затянулся на длительное время.

Примеры неисправностей в работе систем:

  • размещение усилителей заряда в гермообъеме привело к выходу из строя большинства усилителей системы СОСП. В следующих проектах усилители были размещены за бетонной защитой в кольцевом коридоре, что защитило их от радиационного воздействия. В настоящих проектах усилители выведены за гермобъем;
  • выход из строя датчиков абсолютных перемещений из-за низкого сопротивления изоляции и высокой температуры 320 °С в месте установки на главном разъеме верхнего блока. Для исключения дефекта, датчик абсолютных перемещений ДАП-08П был перенесен на 4 м. верх на металлоконструкции верхнего блока, где температура 250 °С, и дефекты прекратились;
  • зависание ПО. Ошибка связана с большим объемом памяти занимаемой системой мониторинга шкафа, поставленной НИЦ «СНИИП». После разгрузки памяти зависание прекратилось.

Для обеспечения стабильной работы систем ежегодно проводятся работы по оказанию услуг по сопровождению эксплуатации ЛСД и выпускаются отчеты по результатам эксплуатации с рекомендациями по устранению замечаний.

Особенностью систем второго поколения, поставляемых в составе СКУД на вновь строящиеся блоки АЭС, является включение в состав СКУД - комплексной системы диагностирования СКД/РМ СОД, которая обеспечивает комплексный анализ данных ЛСД. Другой особенностью системы СКВ в составе СКУД является реализация функции непрерывного контроля СКЗ виброперемещений и тепловых перемещений. При этом диагностирование выполняется в отсроченном режиме.

Опыт эксплуатации ЛСД на АЭС показал, что не все проблемы эксплуатации решены полностью. В связи со старением первого поколения систем ЛСД, существуют проблемы с нестабильность каналов, связанные со старением элементов и отсутствием ЗИП. Необходима модернизация систем в части замены устаревших компонент, обусловленная средними сроками службы датчиков, не менее 4 лет и ПТК, не менее 10 лет и наблюдение за трендом характеристик параметров.

Дальнейшее развитие и совершенствование концепции ТПР потребует проведения расчетно-экспериментальных работ по обоснованию концепции ТПР для ВВЭР и внесения изменений в проекты вновь разрабатываемых и существующих систем контроля течей и, связанная с этим, задача сертификации системы контроля течи как измерительной системы.

Существуют проблемы с работами по диагностированию электроприводной арматуры на блоках АЭС. Отсутствует связь между организациями, выполняющими работы по контролю и диагностированию арматуры, что не обеспечивает координации работ для достижения результата, до настоящего времени не обеспечена постоянная передача информации от КСДЭА блока 3 в отраслевую систему диагностирования.

В этой связи большую роль в координации работ по диагностированию оборудования может иметь воссоздание экспертного совета при департаменте инженерной поддержки «Концерна Росэнероатом».

Важная роль в повышении эффективности диагностирования принадлежит отраслевой системе диагностирования, внедрение которой на АЭС с ВВЭР и РБМК движется медленными темпами.

Одной из нерешенных полностью задач является недостаточность нормативно-методического обеспечения по диагностированию оборудования – необходима разработка новых методик диагностирования.

Проблема обучения персонала, эксплуатирующего системы до настоящего времени не решена. Необходимо проведение централизованного обучения специалистов всех АЭС, где эксплуатируются и будут установлены системы диагностирования, для повышения квалификации персонала и высокого качества эксплуатации систем. Эффективность работы локальных систем диагностирования существенно зависит от квалификации персонала и от наличия экспертной поддержки эксплуатации.

Сложность современных систем диагностирования требует квалифицированного эксплуатационного персонала не только для обеспечения работоспособности, но и для интерпретации полученных результатов. Проблема увеличения штата персонала ЦТАИ и ОТД в связи с поставкой новых систем остается открытой. Необходима, на наш взгляд, передача опыта эксплуатации, например, с проведением семинаров на АЭС, где системы эксплуатируются давно и имеются высококвалифицированные кадры специалистов (КЛН АЭС, Кольская АЭС).

Большую роль играет и тесное взаимное сотрудничество персонала АЭС и поставщиков систем при оказании услуг по сопровождению эксплуатации.

Важную роль, в качественной эксплуатации систем имеет создание нормативных документов. Разработаны следующие нормативные документы:

  • Технические требования к системе контроля течи для реакторной установки ВВЭР-440/1000». ТТ1.5.4.01.002.0050-2011.
  • «Технические требования к системе виброшумовой диагностики реакторных установок атомных электростанций с ВВЭР». ТТ1.5.4.01.002.0052-2011.
  • «Технические требования к системе обнаружения свободных, слабозакрепленных и посторонних предметов в оборудовании и трубопроводах реакторных установок атомных электростанций с ВВЭР». ТТ1.5.4.01.002.0054-2011.
  • Методика виброшумовой диагностики оборудования и трубопроводов РУ АЭС с ВВЭР (2013). МТ1.2.1.15.0167-2013.

Необходимо также ввести в состав нормативных документов методику контроля тепловых перемещений и методику обнаружения свободных, слабозакрепленных и посторонних предметов.

За время эксплуатации ЛСД выявлены диагностические события, некоторые из которых перечислены в таблице 2.

Таблица 2. Примеры некоторых диагностических событий, обнаруженных ЛСД
АЭС Диагностическое событие Причина, выявленная ЛСД Компенсирующие мероприятия
Кольская АЭС, блок 2 Групповое повреждение рабочих кассет в кампании Резонансное возбуждение колебаний РК, приводящее к ударным силовым нагрузкам на них при неполном обжатии шахты в горизонте разделителя потока Уменьшение расхода ТН через ГЦК за счёт подрезки колёс ГЦН, ремонт шахты внутрикорпусной (разделителя потока)
Нововоронежская АЭС, блок 4 Нестабильность во времени теплогидравлических источников нейтронного шума, при стабильных вибрационных источниках Кипение теплоносителя в РК третьего и более лет эксплуатации из-за отложений примесей, возникших после промывки ПГ, на РК и ВКУ Модернизация дроссельных шайб на входе в активную зону с увеличением их диаметра
АЭС «Тяньвань» Удары по ГЦК Высвобождение в поток ТН ГЦК болта крепления обтекателя ГЦН Внедрение нового способа закрепления болта
АЭС «Тяньвань» Часто повторяющиеся однотипные акустические аномалии СОСП, совместно с аномальной низкочастотной прецессией ГЦН, зарегистрированной СВШД «Затирание» ротора ГЦН с последующим разрушением лопасти рабочего колеса ГЦН Замена выемной части ГЦН
Калининская АЭС, блок 3 После ППР-2011, начиная с «холодного» состояния, системой СОСП блока 3 было зарегистрировано несколько десятков тысяч событий имеющие крутой, передний фронт нарастания импульса В отчёте Калининской АЭС по данному диагностическому событию сделано заключение, что «при снижении давления 1-ого контура после гидроиспытаний (ГИ) произошёл внутренний динамический удар, который зафиксировала система СОСП Замена части компонент активной зоны
Рисунок 1. Зарегистрированные с 16 апреля по 9 апреля 2013 года события,
зафиксированные СОСП на оси времени

2. Совершенствование систем диагностирования

Задачи обеспечения безопасности оборудования РУ, продления срока службы требуют повышения качества технических и программных средств, методического и программного обеспечения систем включая:

  • создание технического паспорта каналов ЛСД для обеспечения их надежной работы на всех этапах жизненного цикла;
  • корректировку технических требований к системам контроля течей в связи с выпуском новой редакции документа «Течь перед разрушением»;
  • разработку руководящих документов» Методика контроля тепловых перемещений», «Методика обнаружения свободных, слабозакрепленных и посторонних предметов;
  • создание нового поколения систем диагностирования.

Под диагностическим паспортом понимается носитель информации, в котором собраны все технические характеристики каналов, начиная с проведения заводских испытаний и, продолжая в течение всего периода эксплуатации энергоблока.

При составлении паспорта в него вносится информация о работоспособности канала системы в бинарном виде (да /нет), а также информация о частичной потери его работоспособности.

Совокупность всех ПК представляет собой историю эксплуатации каналов системы за весь период эксплуатации.

Одним из важных направлений в работе систем диагностирования является определение начальных значений диагностических параметров вибродинамического состояния оборудования при вводе в эксплуатацию нового энергоблока на этапе пусконаладочных работ и блоков «старого» поколения при поставке систем на АЭС.

Такая работа запланирована на блоке №1 НВАЭС-2 и блоке №3 РСТ АЭС при проведении сравнительных измерений СПНИ и СКВ, СОСП СКУД специалистами ОКБ «Гидропресс и ЗАО «НТЦД».

На основе анализа информации, полученной в результате совместных измерений систем СПНИ и систем СКУД на энергоблоке, создается вибрационный портрет начального состояния оборудования РУ, используемый в дальнейшей эксплуатации для равнения с текущим состоянием.

Критериями оценки нормального (работоспособного), аномального состояния оборудования РУ являются условия, при которых значения контролируемых в процессе эксплуатации системы параметров и характеристик (измеряемых или расчетных) соответствуют начальному состоянию или отличается от него в допустимых пределах.

В СКВ для контроля тепловых перемещений разработаны и используются новые поколения систем контроля перемещений на основе датчиков перемещений ДОП-04.

Датчик относительного перемещения (ДОП) предназначен для измерения величины перемещения оборудования относительно строительных конструкций в режиме измерения тепловых перемещений (статическом) и режиме измерения виброперемещений (динамическом). Датчик ДОП-04 сертифицирован как средство измерения.

Таблица 3. Основные технические характеристики ДОП-04
НаименованиеПараметры ДОП-04
Диапазон частот, Гц0,5 … 55
Чувствительность в крайних положениях штока, мВ/В63±2%
Габариты (без кабеля), ммØ25×390
Длина встроенного кабеля, м5
Масса (без кабеля), кг≤0,5
Срок службы, лет10
Рисунок 2. Внешний вид датчика ДОП-04

Отличие датчика ДОП-04 от датчика ДОП-03 состоит в конструкции датчика. Если датчик ДОП-03 имеет подпружиненный плунжер и подшипник скольжения, обеспечивающий перемещение плунжера, то ДОП-04 с подпружиненным якорем без подшипника скольжения. Якорь закреплен на наконечнике, который с одной стороны прикреплен к объекту контроля тросом, а другой, растягиваемой наружной пружиной к узлу крепления корпуса ДОП к строительной конструкции.

Такая конструкция позволила отказаться от подшипников скольжения в конструкции датчика, и использовать натяг пружины при перемещении. Датчик отличается простотой конструкции и высокой надежностью.

Разработанный датчик наклона вибраций предназначен для синхронного измерение медленного наклона объекта относительно изначально установленной вертикали и его горизонтальных виброперемещений.

Таблица 4. Основные технические характеристики ДНВ
НаименованиеПараметры ДНВ
Диапазон измерений наклона±1%
Диапазон контроля горизониальных виброперемещений±0,2 мм
Частотный диапазон виброперемещенийот 1,6 до 50 Гц

Совершенствование методического обеспечения ЛСД также является приоритетной задачей, позволяющей расширить диапазон функций, реализуемых системами.

В 2014 году введена приказом «Концерна «Росэнергоатом» методика виброшумовой диагностики оборудования и трубопроводов реакторной установки АЭС с ВВЭР.

В методике заложены алгоритмы диагностирования (сценарии), которые по исходной многоканальной записи вычисляют диагностические признаки и сравнивают их с порогами, обеспечивая автоматическую постановку диагноза и выдачу стандартного отчета о вибрационном состоянии основного оборудования ГЦК.

Библиотека сценариев СКВ состоит из пяти основных сценариев [1]:

  • вибрации основного оборудования петель;
  • вибрации корпуса РУ;
  • вибрации ВКУ;
  • вибрации ТВС АкЗ;
  • вынуждающие вибрацию силы.

Созданное методическое обеспечение СВШД/СКВ обеспечило выявление дефектов в работе оборудования, перечисленное в таблице 2, на блоках РУ ВВЭР-440 Кольской и Нововоронежской АЭС и реализацию компенсирующих мероприятий по их устранению:

  • раскрепление шахты внутрикорпусной, как восстанавливающее изношенные узлы крепления мероприятие;
  • рассверловке дроссельных шайб на входе в активную зону для уменьшения перепада давления;
  • внедрению новых узлов крепления ВКУ;
  • подрезанию колёс ГЦН для уменьшения вибронагруженности ВКУ и РК.
Рисунок 3. Сигналы 24-х ДОП, полученные в процессе
разогрева блока 3 Калининской АЭС

Опыт эксплуатации существующего методического обеспечения подтвердил, что помимо вышеперечисленных задач, математический аппарат СВШД/СКВ позволяет реализовывать следующие функциональные возможности:

  • контроль энергонапряжённости ТВС;
  • локальный (через ТВС) и глобальный (через ГЦК) расход ТН;
  • контроль высотного распределения температуры ТН по АкЗ;
  • контроль мощности АкЗ;
  • контроль парогазовой парогазовая фазы (в том числе локальное кипение) в АкЗ;
  • контроль перетечки ТН между соседними ТВС;
  • контроль концентрации борной кислоты;
  • контроль газовой фазы (в том числе гремучей смеси) в коллекторах ПГ;
  • контроль акустических стоячих волн.

Опыт эксплуатации СВШД на блоках №1 и №2 АЭС «Тяньвань» подтвердил достаточность использования датчиков относительных перемещений и акселерометров для оценки вынуждающих вибрации сил вместо датчиков пульсаций давления и реализацию сценария «акустические стоячие волны».

В настоящее время задачи контроля тепловых перемещений становятся актуальными для контроля остаточного ресурса оборудования и трубопроводов. оборудования. В новом поколении СВШД/СКВ будет реализована функция непрерывного контроля тепловых перемещений в режиме on-line в течение всей эксплуатационной кампании одновременно с контролем виброперемещений. Это позволит циклическую вычислять повреждаемость по реальному нагружению оборудования, в том числе, в режимах «малой» динамики системами контроля остаточного ресурса [2].

Особенности перемещений, как функций времени (экстремумы, точки перегиба) характеризуют состояния подвижных опор основного оборудования, а также нагружения на трубопроводы и сварные соединения элементов ГЦК. При разогреве (расхолаживании) блока, выполнение персоналом штатных технологических операций, всегда приводит к немонотонному изменению температуры ТН.

На рисунке 3 представлены сигналы всех 24-х ДОП, полученные в процессе разогрева блока. Кривые сгруппировались в два класса по направлению чувствительного элемента ДОП: класс радиальных ДОП и класс тангенциальных ДОП [3].

Рисунок 4. Пример отчета по вибрациям ВКУРисунок 4. Пример отчета по вибрациям ВКУ

В СОСП, кроме реализации основных функций по обнаружению посторонних предметов в конуре циркуляции, используются следующие дополнительные функции:

  • регистрация быстропротекающих процессов в ГЦК, как штатные измерения СОСП;
  • регистрация гидравлических ударов;
  • детонация гремучей смеси;
  • выполнение тестовых ударов для акустического контроля ВКУ и ТВС;
  • контроль заневоливания коллекторов ПГ.

В настоящее время на блоках 1,2,3 Калиниской АЭС широко используется для обработки данных систем диагностирования отраслевая система диагностирования. Реализована функция прямого доступа к системам диагностирования блока 3 КЛН АЭС. Это позволило в короткие сроки обеспечить доступ к базам данных систем и проводить анализ, обработку данных и выдавать рекомендации персоналу АЭС в режиме on-line.

Простые графические формы отображения результатов диагностирования, предлагаются в качестве ежемесячных диагностических обобщённых отчётов. Пример такого отчета по вибрациям ВКУ приведен на рисунке 4.

3. Создание нового поколения систем диагностирования РУ АЭС с ВВЭР

Задачи повышения эффективности диагностирования требуют разработки новых принципов построения ЛСД и создания нового поколения систем диагностирования, ориентированных на реализацию этих принципов, включая:

  • общую для всех систем архитектуру построения систем, заключающуюся в построении распределенных систем, что обеспечивает;
  • увеличение количества каналов и расширение функций;
  • сокращение длин линий связи от датчика до устройства обработки данных;
  • регистрацию, оцифровку и обработку данных на нижнем уровне;
  • создание распределенной локальной сети;
  • синхронизацию локальных устройств межу собой;
  • возможность встраивания ТС ЛСД в шкафы систем АСУТП.

Такая распределенная система содержит:

  • унифицированные устройства обработки сигналов, архитектура которых одинакова для всех ЛСД;
  • локальную сеть;
  • коммутаторы локальной сети;
  • вычислительное устройство;
  • унифицированное программное обеспечение.

Примером уже разработанных распределенных систем являются система контроля течи по влажности СКТ, поставляемая на блоки 2 и 4 БЛК АЭС, и комплексная система диагностирования электроприводной арматуры, поставляемая на блок 1 НВАЭС-2, которая включает встроенные средства диагностирования электроприводной арматуры в шкафы КРУЗа.

Примеры такой распределенной системы СКТ и КСДЭА приведены на рисунках 5, 6.

Рисунок 5. Структурная схема распределенной системы СКТ
Рисунок 6. Структурная схема распределенной системы КСДЭА
разогрева блока 3 Калининской АЭС

Выводы

Опыт эксплуатации систем диагностирования РУ АЭС с ВВЭР подтвердил необходимость их дальнейшего совершенствования для повышения качества и эффективности диагностирования, увеличения функциональных возможностей для реализации поставленных задач.

Список литературы

[1] Г.В. Аркадов, В.И Павелко, Б.М Финкель. «Системы диагностирования ВВЭР», Энергоиздат, Москва, 2010 г.

[2] Калининская АЭС. Блок 3. Система контроля вибраций. Анализ виброшумовых архивов. Отчёт Д320.01.01.00.005ТД, Москва, 2010 г.

[3] Оказание услуг по сопровождению, технической поддержке эксплуатации систем диагностики АЭС. Техническая справка 72019531.011ТС, Москва, 2013 г.