Способ виброшумовой диагностики реакторов с водой под давлением

 

Способ относится к методам шумовой диагностики реакторов с водой под давлением, например типа ВВЭР, и может использоваться для определения технического состояния элементов оборудования реакторной установки в процессе ее эксплуатации. Способ диагностики предусматривает совместный анализ флюктуаций сигналов датчиков пульсаций давления, относительного и абсолютного перемещения, внезапных ионизационных камер, внезонных ионизационных камер, внутризонных датчиков прямого заряда и термопар. На программном уровне производят выбор необходимых для постановки диапазона сигналов низкочастотного или высокочастотного диапазона и производят многоканальную запись. На основании заранее выделенных диагностических признаков по каждому реакторному эффекту осуществляют зафиксированную последовательность вычислительных процедур, что обеспечивает автоматическую постановку диагноза. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Предлагаемый способ относится к методам шумовой диагностики реакторов с водой под давлением, например, типа ВВЭР, реализуется системой виброшумовой диагностики (СВШД) и может использоваться для определения технического состояния элементов оборудования реакторной установки (РУ) в процессе ее эксплуатации.

Известны способы виброшумовой диагностики, реализованные системами "SUS" (производство фирмы "Siemens", см. стандарты ФРГ DIN 25475, ч. 2 и KTA 3204) и "KARD" (производство Венгрии, см. "KAZMER" A COMPLEX NOISE DIAGNOSTIC SYSTEM FOR 1000 MWE PWR WWER TYPE NUCLEAR POWER UNITS G.Por, L.A. Sokolov "Paper presented at IAEA Technical Committee Meeting on "Utilization of Condition Monitoring and Degradation Diagnostic System to Improve Nuclear Safety" Vienna, 7-9 October 1991).

Стандартный набор датчиков системы вибродиагностики разработки фирмы "Siemens", поставляемой на Российские реакторы типа ВВЭР-440, состоит из датчиков абсолютного перемещения (ДАП) - 4 шт., датчиков относительного перемещения (ДОП) - 24 шт., датчиков пульсаций давления (ДПД) - 4 шт.

Та же фирма осуществляет поставку аналогичной системы на реакторы типа ВВЭР-1000, причем к уже упомянутым выше датчикам добавлен еще один тип датчиков: датчики прямого заряда (ДП).

Недостатками способа, реализованного системой "SUS", являются: 1) высокие требования к квалификации эксплуатирующего персонала в части задания исходных данных для спектрального оценивания, 2) необходимость привлечения опытных экспертов для физической интерпретации авто- и взаимных спектральных характеристик зарегистрированных шумов, 3) стандартный набор спектральных оценок, недоведенный до конкретных диагнозов, немодифицируемый при поставке на конкретную РУ, 4) необходимость зафиксировать заранее, вручную некоторое множество резонансов спектральных функций (то есть от пользователя системы требуются знания по физической интерпретации диагностической ценности каждого из выбранных им резонансов), 5) заранее фиксированное число взаимных характеристик (не более 20 шт.), подлежащих оцениванию и архивированию в базе данных (БД) при том, что общее число возможных пар сигналов для производства взаимных спектральных характеристик - более тысячи, 6) Фурье-преобразование реализаций шумов сразу после оцифровывания уже на входе в систему вибродиагностики, что исключает возможность применения иных методов анализа, например многомерного авторегрессионного анализа (МАР-анализа),
7) архивирование спектральных оценок без архивирования исходных процессов достаточной длины,
8) невозможность внедрения иных шумовых, невибродиагностических алгоритмов в SUS, не изменяя ее программного обеспечения.

Стандартный набор датчиков системы "KARD", поставленной на российский реактор типа ВВЭР-1000, включает в себя ДПЗ, ИК, ДПД и термопар (ТП). Недостатки, описанные в пунктах 1) - 4), распространяются и на систему "KARD" и, кроме того, имеются следующие собственные недостатки:
отсутствие датчиков вибраций, что резко сужает возможности вибродиагностики,
неадаптированность алгоритмов диагностики к реакторам типа ВВЭР.

Особенностями предлагаемого способа являются
автоматическая постановка диагноза за счет формализации экспертных знаний о каждой диагностируемой ситуации в виде сценария - зафиксированной последовательности вычислительных процедур, адаптированных к конкретной РУ, который работает с заранее выбранным набором сигналов, частотными диапазонами и параметрами оценивания спектральных характеристик, в результате чего для исполнения сценария не требуется высокой квалификации эксплуатирующего персонала,
возможность реализации на программном уровне любого алгоритма виброшумовой диагностики за счет разработанного программного инструментария в виде набора элементарных операций, что, в частности, дает возможность решить в одной системе и задачи вибродиагностики, и задачи нейтронно-теплогидравлического шумового контроля состояния активной зоны,
поставка на РУ стартовой библиотеки сценариев, которая расширяется новыми сценариями в процессе эксплуатации системы без ее перепрограммирования,
выявление аномалий на ранней стадии, когда ручной способ выделения диагностических признаков неэффективен из-за маскирования их большим числом иных спектральных эффектов.

На фиг. 1 показана общая схема реализации предлагаемого способа, в которую входят датчики, аналоговые и цифровые устройства обработки сигналов, ЭВМ и программное обеспечение. В системе применяются шесть типов датчиков: ДПЗ (1), ИК (2), ДПД (3), ТП (4), ДАП (5), ДОП (6). Помимо функций вибромониторинга система с помощью первых четырех типов датчиков осуществляет и нейтронно-теплофизический контроль активной зоны.

В целях минимизации числа аналоговых трактов по сигналам ДПЗ и ТП предусматриваются следующие коммутации:
коммутатор ДПЗ (7) из 64-х тепловыделяющих сборок (ТВС), в каждой из которых установлены по 7 ДПЗ, выбирает любые 14 ДПЗ или как вариант 7 ДПЗ одной ТВС и 7 ДПЗ другой ТВС. То есть для ДПЗ необходимы 14 аналоговых трактов;
коммутатор ТП (8) из 64-х ТП, установленных на выходах каждой из ТВС, выбирает любые 4 ТП.

С помощью коммутатора (9) непосредственно перед регистрацией сигналов все электронные тракты калибруются генератором стандартных сигналов (10), на выходе которого - либо "белый" шум в исследуемых полосах частот известной интенсивности, либо - синусоида заданной амплитуды и частоты. В режиме калибровки программное обеспечение СВШД оценивает передаточные функции сразу для всех измерительных каналов. Тем самым осуществляются их метрологическая поверка и периодическое регламентное обслуживание.

В аналоговых трактах ДПЗ, ИК и ТП имеются гальванически развязанные блоки предварительного усиления (11), на которых осуществляется разделение сигнала на постоянный (=) и флюктуирующий компоненты (≈). Выделенные постоянные составляющие используются далее для абсолютных измерений перечисленных выше сигналов и последующего нормирования флюктуирующих компонент к безразмерному виду.

Формирование сигналов датчиков вибраций (ДАП и ДОП) производится в блоке 11a известным способом (см. "Датчик относительного перемещения ДП-100. Технические условия" и "Датчики абсолютных вертикальных вибросмещений ДАП-08. Технические условия". ДАП08.00.000.ТУ).

Диапазон частот, в котором производится виброшумовая диагностика реакторов с водой под давлением покрывается интервалом частот (0,01 - 100) Гц. Низкочастотный (12a) и высокочастотный (12b) полосовые фильтры обеспечивают функционирование СВШД в двух частотных диапазонах, по три декады каждый: либо в низкочастотном (НЧ) диапазоне (0.01 - 1+e) Гц, либо в высокочастотном (ВЧ) диапазоне [(1-e) - 100] Гц. То есть вместо одного процесса в широком диапазоне частот анализируются два процесса в двух частотных поддипазонах. Чтобы в дальнейшем "сшить" спектральные характеристики по оси частот в один диапазон [0.01 - 100] Гц, введено перекрытие поддиапазонов величиною "2e". Величину ε несложно подобрать, если учесть, что быстрое преобразование Фурье (БПФ) исполняется по числу точек, равному некоторой степени двойки (на практике это, как правило, числа 1024, 2048, 4096, 8192). Чтобы разрешающая способность НЧ-спектрального анализа (шаг по частоте) была "круглым" числом, достаточно выбрать ε = 0.024 Гц.

При оцифровывании процессов из двух обозначенных выше частотных поддиапазонов достаточен аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) разрядностью не более 14. НЧ-диапазон будет оцифровываться с частотой 2(1+ε) Гц, а длина реализации должна быть не менее двух часов. ВЧ-диапазон будет оцифровываться с частотой 200 Гц, а длина реализации - порядка 5 минут. Таким образом, снижение объема информации, подлежащей анализу и хранению, без потери диагностической ценности составляет несколько порядков по сравнению с прямым решением задачи оцифровывания диапазона [0.01 - 100] Гц 16-разрядным АЦП.

Коммутация "НЧ-ВЧ" (13) осуществляется сразу для всех каналов СВШД, то есть СВШД не может работать частью своих каналов в НЧ-диапазоне, а другой частью каналов в ВЧ-диапазоне.

После фильтрации производится усиление (14) флюктуирующей части сигнала до величины стандартного нормализованного сигнала. Под управлением ЭВМ1 (25) при посредстве цифроаналогового преобразователя (15) и линии обратной связи (24) в блоке 14 осуществляется автоматический выбор коэффициента усиления.

Последняя операция с аналоговыми сигналами - их коммутация (16) по заранее составленному списку сценариев виброшумовой диагностики. В результате этой коммутации из всего ряда аналоговых сигналов выбирается не более 32-х сигналов. Таким образом, последующая цифровая часть СВШД - 32-х канальная.

Перечисленные выше коммутации:
коммутация сигналов ДПЗ, ТП на нижнем уровне,
"ВЧ-НЧ" - коммутация,
коммутация нормализованных аналоговых сигналов в соответствии с выполняемым сценарием,
коммутирование генератора стандартных сигналов для производства калибровки,
осуществляются на программном уровне.

Так как СВШД оперирует только стационарными случайными процессами и не должна работать в переходных режимах реактора, в системе предусмотрена блокировка (17) каналов ДПЗ, ИК, ТП, ДПД при изменении состояния органов управления активной зоной.

Тридцатидвухканальная цифровая часть (18) СВШД построена по традиционной схеме: мультиплексор, 14-разрядный АЦП, устройство ввода информации в ЭВМ1.

Программное обеспечение для ЭВМ СВШД состоит из четырех частей:
первая осуществляет служебные функции (настройка трактов в режиме автоматического выбора коэффициентов усиления, производство программных коммутаций (конфигурирование системы), диагностика отдельных узлов СВШД, калибровка),
вторая производит регистрацию в базу данных (19) многоканальных реализаций в соответствии с выбранной последовательностью сценариев,
третья - самая наукоемкая - программная система библиотеки сценариев (20), которая работает в отсроченном режиме с многоканальными реализациями сигналов из базы данных,
четвертая - программное обеспечение реального времени (21), для реализации которого предусмотрены АЦП (22), процессор быстрого преобразование Фурье (23) и ЭВМ2 (26).

При выполнении спектрального анализа основные вычислительные ресурсы тратятся на выполнение БПФ. Поэтому до недавнего времени эту операцию переносили на аппаратный уровень (уровень hardware) и выполняли ее на так называемых Фурье-процессорах (БПФ-процессорах). Таким образом, программная часть начиналась с уровня коэффициентов Фурье, из которых получались различные авто- и взаимные спектральные характеристики. Но существенный недостаток такого построения СВШД заключается в невозможности реализовать МАР-анализ и различные процедуры декомпозиции, для которых необходимы собственно процессы, а не их Фурье-образы.

Если учесть, что основная доля диагностической информации в СВШД извлекается отсроченным анализом, а современные ЭВМ способны совершать БПФ на программном уровне достаточно быстро, то для отсроченного анализа целесообразно отказаться от БПФ на аппаратном уровне, а оставить его только для реализации функций реального времени. В реальном времени должен выполняться мониторинг вибраций наиболее важных с точки зрения обеспечения безопасной эксплуатации узлов РУ, таких как шахта активной зоны (A3) и основные элементы главного циркуляционного контура (ГЦК) (корпус, главные циркуляционные насосы (ГЦН), парогенераторы (ПГ)).

Сценарий - макрооперация, составленная группой экспертов, для выявления диагностических признаков по конкретному реакторному эффекту. Сценарий - неуправляемая со стороны эксплуатации АЭС макрооперация. Число сценариев не ограничивается и может непрерывно пополняться. Существенное отличие данного способа состоит в том, что не пользователь по своему разумению фиксирует резонансы, а сама система (СВШД) выделяет их. Причем выдается не одно множество резонансов, а несколько, каждое из которых принадлежит определенному реакторному эффекту. Такой подход реализуется следующей последовательностью действий.

1. Эксперты по реакторным шумам, исследовав на данной конфигурации датчиков СВШД данного реактора реализации случайных процессов, составляют алгоритмы выделения различных реакторных эффектов.

2. Эти алгоритмы экспертами по спектральным оценкам реализуются в виде сценариев - последовательности действий над множеством зарегистрированных процессов с датчиков СВШД.

3. Сценарии, являясь частью СВШД, применяются всякий раз к каждой новой многоканальной записи процессов, полученной в результате периодического виброконтроля РУ.

Таким образом, эксплуатирующему персоналу СВШД не надо задумываться ни о параметрах оценок вычислительных процедур, ни о фиксировании пар сигналов, ни о выделении некоторого множества резонансов. Вся эта интеллектуальная работа уже однажды сделана экспертами по оцениванию спектральных характеристик. Запустить какой-либо сценарий - нажатие одной клавиши ЭВМ. Все параметры оценок, какие бы сложные вычислительные процедуры не были бы, фиксированы для данной РУ, для данной СВШД. В результате таких периодических обследований по каждому реакторному эффекту будут накапливаться множества резонансов. Априорная классификация множеств резонансов по реакторным эффектам - та интеллектуальная работа, которая уже совершена экспертами по реакторным шумам. Преимущество автоматического выделения резонансов состоит и в том, что выявляются аномалии на ранней стадии, когда они еще не заметны "на глаз".

Пример реализации способа для реактора типа ВВЭР-1000
Число датчиков и число каналов СВШД совпадают только в идеальном случае. При таком построении следует лишь предусмотреть многоканальную запись всех процессов и любой существующий сценарий диагностирования, а также любой сценарий, который появится в будущем, будут легко реализуемы. То есть технические средства (hardware) никак не будут ограничивать развитие программного обеспечения (software). Однако это очень расточительное решение. Например, для мониторинга вибраций ТВС может потребоваться любой сигнал ДПЗ, а их в активной зоне (A3) ВВЭР-1000 - 64 · 7 = 448 штук. В то же время конкретные, практически реализуемые сценарии диагностики оперируют не более чем 30 сигналами. Таким образом, эксперту необходимо предоставить выбор из нескольких сотен сигналов с тем, чтобы он зафиксировал не более тридцати сигналов при конструировании конкретного сценария. В предлагаемом способе это достигается развитыми средствами коммутации сигналов, о которых упомянуто выше.

Современные СВШД должны формировать диагностические признаки по следующим эффектам:
вибрации шахты активной зоны и корпуса реактора,
колебания главного циркуляционного контура и колебания основного оборудования (ПГ, ГЦН),
вибрации ГЦН на оборотной частоте, ее гармониках и субгармониках,
коллективные вибрации тепловыделяющих сборок,
вибрации внутрикорпусных устройств (ВКУ), возникающие из-за акустических стоячих волн давления теплоносителя,
соударения ВКУ,
кипение теплоносителя,
а также производить оценки:
температурного и барометрического коэффициентов реактивности,
локальной и глобальной аксиальной неравномерности поля энерговыделения активной зоны,
величин поканальных расходов теплоносителя,
постоянных времени датчиков, эффективностей ДПЗ и ИК.

Совокупность перечисленных вычислительных процедур (библиотека сценариев) реализуются следующим набором датчиков:
не менее 2-х ДОП (радиальный и тангенциальный) на каждый ГЦН и каждый ПГ, то есть 16 ДОП для ВВЭР-1000,
не менее 4-х ДПД,
все ДПЗ,
восемь ИК,
четыре ДАП на крышке корпуса реактора,
четыре термопары на выходах ТВС.

Для осуществления полного цикла диагностирования по всему списку библиотеки сценариев необходимо совершать несколько последовательных во времени многоканальных записей реакторных шумов, всякий раз перекоммутируя сигналы. В одной такой записи можно осуществить более одного сценария.

В качестве примера на фиг. 2 представлена схема сценария мониторинга коллективных вибраций ТВС. Он состоит из двух частей. В первой - выявляются частоты коллективных вибраций ТВС, во второй - производится оценка автоспектральной плотности мощности (АСПМ) для семи ДПЗ одной сборки и подставляются найденные в первой части частоты.

Среди большого числа признаков, по которым выделяется этот тип колебаний (см. Булавин В.В., Гуцев Д.Ф., Павелко В.И. "Исследования по вибродиагностике ВВЭР-1000 в эксплуатационных условиях", Атомная энергия, вып. 5, ноябрь, 1995), выбраны наиболее надежные, носящие общереакторный характер. Среди множества сигналов, в которых отображается этот тип колебаний (все ИК, все ДПЗ, все ДАП, все ДПД), были выбраны всего четыре наиболее чувствительные.

Коллективные вибрации ТВС представляют собой мощное явление внутрикорпусных вибраций, "раскачивающих" не только шахту A3, но и сам корпус реактора. Поэтому они обязательно проявятся в паре сигналов ДПЗ-ДАП. Фазовые соотношения здесь непредсказуемые, поэтому никакой фазовой селекции не производится. Следующие пары сигналов построены на основе фазовых признаков. Для двух удаленных друг от друга (диаметрально разнесенных по A3) ДПЗ (ДПЗ1 - ДПЗ3), находящихся в разнознаковых градиентах нейтронного поля, должна наблюдаться противофазность. В точности такой же признак работает для пары ДПЗ-удаленная ИК. Для двух ДПЗ, находящихся в одном канале (ДПЗ1 - ДПЗ2), очевидно, должна быть синфазность на первой моде коллективных вибраций ТВС.

На первом шаге оцениваются традиционные спектральные характеристики: всевозможные АСПМ (А), когерентности (Г) и фазы (ϕ_xy(f)). Далее у всех функций когерентности отыскиваются частоты всех резонансов (R). Частоты, найденные по всем этим парам сигналов, пересекаются, в результате чего выделяются только частоты коллективных вибраций ТВС - Ω. Амплитудные распределения, соответствующие колебаниям ТВС, могут искажаться по мере ослабления усилий пружинного блока или деформаций ТВС по мере выгорания топлива. Для этого и оцениваются далее семь АСПМ сигналов ДПЗ одной сборки. Число таких сборок должно быть не менее трех: одно-, двух- и трехгодичной эксплуатации, а для полного мониторинга вибраций ТВС, следует исследовать все ТВС, в которых установлены ДПЗ.

Формула изобретения

1. Способ виброшумовой диагностики реакторов с водой под давлением, заключающийся в совместном анализе флюктуаций сигналов датчиков пульсаций давления, относительного и абсолютного перемещения, внезонных ионизационных камер, отличающийся тем, что дополнительно анализируют сигналы внутризонных датчиков прямого заряда и термопар, на программном уровне производят выбор необходимых для постановки конкретного диагноза сигналов низкочастотного или высокочастотного диапазона, производят многоканальную запись и осуществляют зафиксированную последовательность вычислительных процедур на основании заранее выделенных диагностических признаков по каждому реакторному эффекту, что обеспечивает автоматическую постановку диагноза.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что поставляют на реакторную установку стартовую библиотеку зафиксированных последовательностей вычислительных процедур, которая расширяется новыми сценариями в процессе эксплуатации без ее перепрограммирования.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что стартовая библиотека последовательностей вычислительных процедур формирует диагностические признаки по следующим эффектам: вибрации шахты активной зоны и корпуса реактора, вибрации главного циркуляционного контура и колебания основного оборудования, вибрации главных циркуляционных насосов на оборотной частоте, ее гармониках и субгармониках, коллективные вибрации тепловыделяющих сборок, вибрации внутрикорпусных устройств, возникающие из-за акустических стоячих волн давления теплоносителя, соударения внутрикорпусных устройств, кипение теплоносителя, а также производит оценки температурного и барометрического коэффициентов реактивности, локальной и глобальной аксиальной неравномерности поля энерговыделения активной зоны, величин поканальных расходов теплоносителя, постоянных времени и эффективностей датчиков.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2