2015-01-07
5094
Разработка СКУД выполнена с целью оснащения реакторов ВВЭР-1000 повышенной безопасности (В-392), строящихся в России и за рубежом, а также для оснащения действующих ВВЭР-1000 (В-320, В-302) в процессе поэтапной модернизации.
СКУД является комплексной объектно-ориентированной автоматизированной системой, входящей в состав реакторной установки (РУ) и предназначенной для работы в составе системы контроля и управления (СКУ) энергоблока в режимах нормальной эксплуатации, с нарушениями нормальной эксплуатации и проектных авариях.
СКУД выполняет следующие основные задачи:
· контроль нейтронно-физических и теплогидравлических характеристик активной зоны реактора и режимов эксплуатации РУ при работе энергоблока в базовом и маневренном режимах;
· формирование сигналов защиты по локальным параметрам активной зоны реактора (линейное энерговыделение ТВЭЛ, запас до кризиса теплообмена) в диапазоне мощности реактора от 35 до 110% от номинальной;
· сигнализация об отклонении параметров, определяющих пределы безопасной эксплуатации РУ, за допустимые значения;
· диагностика в процессе эксплуатации основного технологического оборудования РУ в части контроля изменения вибронагрузки элементов ВКУ и ГЦК, обнаружения течи теплоносителя, обнаружения свободных и слабозакрепленных предметов и оценки остаточного ресурса;
· комплексный анализ текущего состояния и прогнозирование развития процессов в активной зоне реактора и РУ в целом с обеспечением информационной поддержки эксплуатационного персонала по оптимальному ведению режимов РУ и эксплуатации основного оборудования РУ;
· формирование задания на изменение положения ОР СУЗ для управления полем энерговыделения при работе энергоблока в маневренном режиме в диапазоне мощности реактора от 35 до 110% от номинальной.
СКУД представляет собой децентрализованную систему, состоящую из автономных подсистем, объединяемых общей задачей контроля и диагностики РУ.
В состав СКУД входят следующие подсистемы:
- подсистема внутриреакторного контроля (СВРК);
- подсистема обнаружения течей теплоносителя (СОТТ);
- подсистема виброшумовой диагностики РУ (СВШД);
- подсистема обнаружения свободных и слабозакрепленных предметов в ГЦК (СОСП);
- подсистема комплексного анализа (СКА).
Также в состав СКУД входят локальная сеть СВРК с сетевыми устройствами (коммутаторы СВРК) и локальная сеть СКУД с сетевыми устройствами (коммутаторы СКУД). Подсистема СВРКпредназначена для оперативного контроля состояния активной зоны реактора, включая контроль за распределением энерговыделения в объеме активной зоны реактора, формирования сигналов предупредительной и аварийной защиты при превышении допустимых значений параметрами, непосредственно определяющими безопасность эксплуатации активной зоны, формирование сигналов для управления полем энерговыделения, а также выдачи рекомендаций по управлению полем энерговыделения.
В состав СВРК помимо датчиков и линий связи входят следующие программно-технические комплексы:
· ПТК, вырабатывающие сигналы превышения параметрами, важными для безопасности, заданных пределов (ПТК-З);
· ПТК, выполняющие информационные и управляющие функции (ПТК-ИУ);
· ПТК внутриреакторной шумовой диагностики (ПТК-ВРШД);
· Вычислительный комплекс (ВК ВУ).
ПТК-З, включающий датчики, кабельные трассы, измерительную аппаратуру и вычислительную технику, осуществляющую обработку измеряемых сигналов и формирование сигналов защиты, в зависимости от проекта РУ, структурно разделяется на 4 или 6 каналов безопасности. Каждый канал находится в отдельном системном помещении, что обеспечивает реализацию принципа резервирования при выполнении защитных функций.
ПТК-З обеспечивает выработку сигнала типа «сухой контакт» в диапазоне мощности 40 – 102 % от номинальной при превышении допустимых значений следующих параметров:
· общая тепловая мощность;
· запас до кризиса теплообмена заданных значений;
· максимальная линейная нагрузка на тепловыделяющий элемент.
Время запаздывания при выдаче этих сигналов – не более 0,3 с.
ПТК-ИУ, предназначенный для выполнения управляющих и информационных функций, размещается в помещении вместе с другими информационными системами.
ПТК-ВРШД предназначен для выявления локального кипения теплоносителя и анализа состояния активной зоны по шумовой составляющей датчиков внутриреакторного контроля.
ПТК-ВУ представляет собой резервированную структуру и обеспечивает выполнение следующих функций:
· формирование по команде оператора сигналов управления полем энерговыделения в маневренных режимах;
· представление на экранах мониторов фрагментов инструкций по управлению полем энерговыделения, однозначно определяющих действия оператора в соответствующей конкретной обстановке;
· представление по запросу оператора рекомендаций по управлению тепловой мощностью и полем энерговыделения для выбора оптимальных управляющих воздействий;
· оперативное восстановление поля энерговыделения (в режиме «on-line») в объеме активной зоны, анализ состояния объемных полей (текущих) с выдачей оператору по его запросу данных об отклонении от симметрии различных полей;
· выявление наиболее энергонапряженных участков тепловыделяющих сборок;
· расчет коэффициентов реактивности;
· расчет характеристик микрополей в наиболее энергонапряженных участках тепловыделяющих сборок, включая выявление тепловыделяющих элементов с максимальным линейным энерговыделением;
· выполнение нейтронно-физических и теплогидравлических расчетов;
· корректировка коэффициентов связи линейных энерговыделений с токами датчиков прямой зарядки;
· технологическая сигнализация об отклонении за установленные пределы контролируемых параметров, а также о нарушениях в работе контролируемого оборудования;
· формирование по команде оператора сигналов управления полем энерговыделение в маневренных режимах;
· выдача информации о текущем состоянии активной зоны реактора и РУ в систему комплексного анализа;
· хранение (архивация) информации об истории работы РУ и СВРК;
· корректировка базы данных с учетом перегрузки топлива, замены датчиков и т.д.;
· контроль и диагностика состояния измерительных каналов СВРК;
· регуляция перекалибровок ПТК-З в соответствии с регламентом.
ПТК верхнего уровня состоит из двух ВК ВУ и двух РМОТ (именуемых ВК ОТ и расположенных на БЩУ).
В состав СВРК также входят:
· сервисная станция дежурного инженера (ССДИ), предназначенная для обеспечения сервисных функций ПТК-НУ и ВК ВУ и долговременной архивизации данных эксплуатации, поступающих в СВРК;
· ВК внутриреакторной шумовой диагностики (ВК ВРШД), предназначенный для обработки данных от ПТК-ВРШД и ВК ВУ с целью контроля локального объемного кипения в активной зоне;
· локальная сеть СВРК, предназначенная для обмена информацией между ПТК СВРК (за исключением технических средств ВРШД и ССДИ), а также ПТК СОТТ и состоящая из кабелей и двух коммутаторов СВРК, размещенных в стойках ВК ВУ.
Подсистема СВШД обеспечивает комплексную вибродиагностику основного оборудования РУ (главный циркуляционный трубопровод, парогенератор, реакторную установку, включая внутрикорпусные устройства) с ранним выявлением аномальных вибрационных состояний оборудования, вызванных изменением условий закрепления, жесткостных характеристик оборудования или возрастанием гидродинамических нагрузок со стороны теплоносителя.
В качестве входных сигналов в СВШД используются:
· переменные составляющие сигналов внереакторных ионизационных камер и внутриреакторных детекторов прямой зарядки;
· сигналы низкочастотных датчиков вибрационных и тепловых перемещений, устанавливаемых на оборудовании главного циркуляционного контура;
· переменные составляющие сигналов датчиков давления, устанавливаемых в главном циркуляционном контуре.
Система по локальной сети СКУД имеет возможность использования оцифрованных сигналов и информации от других систем, входящих в СКУД, и систем технологического контроля, входящих в СКУ энергоблока.
Подсистема обнаружения течи теплоносителяСОТТ, входящая в состав СКУД, предназначена для обеспечения выполнения требований принятой концепции «течь перед разрушением».
Основными задачами СОТТ являются контроль герметичности оборудования РУ по I контуру, трубопроводов питательной воды и паропроводов свежего пара от парогенераторов (в пределах гермооболочки) со своевременным обнаружением течи теплоносителя при работе энергоблока на различных уровнях мощности в режимах нормальной эксплуатации и с нарушениями нормальной эксплуатации.
Комплексная система обнаружения течи состоит из двух подсистем, предусматривающих использование двух различных физических методов и принципов обнаружения течи теплоносителя:
- акустический контроль течи (САКТ);
- контроль влажности (СКТВ).
Подсистема обнаружения случайных предметов (СОСП) предназначена для обнаружения по сигналам акустических датчиков наличия случайных предметов в первом контуре и своевременной сигнализации эксплуатационному персоналу с целью предотвращения повреждения элементов активной зоны и первого контура.
В режиме нормальных условий эксплуатации СКУД функционирует следующим образом. ПТК-З и ПТК-ИУ СВРК осуществляют сбор и обработку информации от датчиков и систем энергоблока. При этом в диапазоне мощности реактора от 35 до 110% от номинальной ПТК-З обеспечивает автоматическое формирование и передачу в систему АЗ-ПЗ сигналов аварийной и предупредительной защиты активной зоны по внутриреакторным локальным параметрам (шунтирование защиты в ПТК-З до 35% Nном осуществляется по мощности, определяемой с помощью программного обеспечения ПТК-З), а ПТК-ИУ в маневренных режимах эксплуатации РУ в диапазоне мощности реактора от 30 до 100 % от номинальной передает в СГИУ сигналы на управление полем энерговыделения. Связь между отдельными каналами ПТК-З обеспечивается по ЛС НУ (измеренные токи ДПЗ в каждом из каналов безопасности и другая информация, необходимая для надежного и метрологически обоснованного функционирования ПТК-З).
Полученная в ПТК-З и ПТК-ИУ информация, а также информация о состоянии технических средств ПТК-З и ПТК-ИУ поступает по сети СВРК в ВК ВУ, где выполняются необходимые информационные и вспомогательные функции, формируются пакеты, которые по сети СВРК передаются в ВК ОТ для дальнейшего их отображения оперативному персоналу. В маневренных режимах эксплуатации РУ в диапазоне мощности реактора от 30 до 100 % от номинальной по команде оперативного персонала ВК ВУ формирует и передает в ПТК-ИУ информацию по изменению положения ОР СУЗ для управления полем энерговыделения в активной зоне. ВК ВУ в процессе перекалибровки по команде и под контролем оперативного персонала передает в ПТК-З необходимую настроечную информацию. В состав ПТК-ВУ входят два ВК ВУ, один из которых при эксплуатации СКУД находится в «горячем резерве», т. е. полностью повторяет работу другого ВК ВУ. Для обеспечения сервисных функций ПТК-НУ и ВК ВУ и долговременной архивизации параметров СВРК предусмотрена сервисная станция дежурного инженера (ССДИ).
ПТК-ВРШД получает переменные составляющие сигналов ДПЗ, проводит их предварительную обработку и передает дальше в ВК ВРШД для проведения окончательной обработки. Также из ПТК-ВРШД одновременно передаются (в аналоговой форме) в ПТК СВШД переменные составляющие сигналов 14 ДПЗ, выбираемых по команде ПТК СВШД. Информация по выбранным ПТК СВШД детекторам поступает в ПТК-ВРШД.
ВК ВРШД получает информацию от ПТК-ВРШД и от ВК ВУ. Результаты работы ВК ВРШД отображаются на его собственном мониторе. Кроме того, обобщенная информация (информация о возможном появлении локального кипения и о неисправностях в технических средствах по результатам самодиагностирования) от ВК ВРШД поступает в ВК ОТ на БЩУ, а также в СКА для ее учета при проведении комплексного анализа и для отображения на РМ физика и на РМ в центре технической поддержки.
ПТК СОТТ получают информацию от собственных датчиков, а также от ВК ВУ СВРК и, при необходимости, от СВБУ, обрабатывают ее и после окончания обработки представляют на собственные мониторы. Кроме того, обобщенная информация (информация о выявленных неисправностях в оборудовании РУ и в самой подсистеме по результатам самодиагностирования) от этих ПТК поступает в ВК ОТ СВРК на БЩУ, а также в СКА для ее учета при проведении комплексного анализа и для отображения на РМ физика и на РМ в центре технической поддержки.
Аналогично работают ПТК СВШД и СОСП.
СКА получает через коммутаторы СКУД информацию от всех подсистем СКУД, а также от СВБУ и системы радиационно-технологического контроля. Результаты работы СКА отображаются на РМ физика и на РМ в центре технической поддержки. При необходимости оперативный персонал может получить информацию от СКА на один из ВК ОТ СВРК, расположенный на БЩУ.
Обмен информацией в системе происходит с периодичностью 1 с.
СКУД функционирует непрерывно, за исключением ПТК СВШД и СКА, которые проводят анализ периодически или по команде эксплуатационного персонала.
В режимах нарушения нормальных условий эксплуатации и некоторых проектных авариях, вызванных неисправностями в РУ, СКУД функционирует аналогично описанному выше.
Основу внутриреакторного контроля с помощью СВРК составляют распределенные по сечению и высоте активной зоны нейтронные детекторы типа ДПЗ в количестве 64х7, а также температурные детекторы, расположенные на входе и выходе из ТВС. Кроме того, СВРК сканирует и обрабатывает датчики расхода, давления, положения ОР СУЗ, концентрацию бора, теплового баланса между первым и вторым контуром и т.д.
Основной структурной единицей ПТК-НУ СВРК является устройство информационно-измерительное УИ-174Р - представитель типоразмерного ряда аппаратуры СВРК для АЭС с РУ типа ВВЭР (Гиндукуш-М). Данная аппаратура является развитием технических решений, проверенных большим опытом эксплуатации СВРК на АЭС, успешно прошла в соответствии с российскими нормативными документами процедуру межведомственных испытаний на соответствие российским правилам и нормам в области использования атомной энергии и рекомендована для применения на АЭС.
Сбор данных в ПТК-З на базе УИ-174Р осуществляется циклически. В каждом цикле обеспечивается измерение сигналов датчиков, формирование массивов полученной информации, проверка их на достоверность, передача массивов информации в ВК ВУ, обмен массивами информации с другими каналами (шкафами) ПТК-З на базе УИ-174Р, вычисления по алгоритмам формирования сигналов защиты по внутриреакторным локальным параметрам. Каждый канал ПТК-З на базе УИ-174Р формирует и выдает в соответствующий канал системы АЗ-ПЗ бинарный сигнал при превышении допустимых пределов линейным энерговыделением ТВЭЛ и уменьшении ниже допустимого значения величины запаса до кризиса теплообмена.
УИ-174Р обеспечивает периодический контроль исправности собственного оборудования с использованием аппаратных диагностических средств, заложенных в функциональные модули, а также с помощью программных тестов. При наличии неисправностей одновременно с измеренной информацией в ВК ВУ и ССДИ передается текст диагностической информации. Каналы передачи информации от УИ-174Р в ВК ВУ и ССДИ дублированы.
ПТК-ИУ также построен на базе УИ-174Р и повторяет основные решения и функционирование ПТК-З за исключением функций приема и обработки сигналов ДПЗ, обмена между ПТК и формирования сигналов защиты по локальным параметрам.
ПТК-ВУ представляет собой распределенную компьютерную подсистему, построенную на базе программно-технических средств и комплексов типа «Памир» и состоящую из двух ВК ВУ и двух ВК ОТ. Ключевые черты технической платформы ПТК-ВУ заключаются в следующем:
а) проработанная архитектура открытых систем, что дает возможность создания современных и перспективных решений на базе широко используемых стандартов (стандарты для прикладного ПО - POSIX 1, 1.b, 1.c и др., операционная система - Linux(-RT), процессор PowerPC или Intel или др.);
б) наиболее технологичные промышленные конструктивы (надежность, ремонтопригодность, спектр решений по компоновке) – CompactPCI;
в) высокая производительность - процессорные модули на базе PowerPC или Intel с быстродействием, достаточным для анализа состояния реакторной установки, включая моделирование нейтронно-физических и теплогидравлических процессов в активной зоне в реальном времени;
г) системная надежность с применением новых структурных решений, включая контроль и управление отдельных компонент, а так же поддержка кластерных технологий для полного использования вычислительного ресурса вместе с автоматической реконфигурацией ресурсов в случае отказов компонент или модулей.
Каждый ВК ВУ циклически принимает от каждого ПТК-З и ПТК-ИУ информацию, при необходимости передает информацию в ПТК-З и ПТК-ИУ, производит необходимые оперативные расчеты, контроль измерений и отклонений технологических величин, корректировку базы данных с учетом перегрузки топлива, замены датчиков и т. д., обеспечивает рестарт системы, оперативную архивизацию и передает информацию в ВК ОТ и сеть СКУД.
Каждый ВК ОТ циклически принимает от каждого ВК ВУ и из сети СКУД информацию и представляет ее оператору-технологу на БЩУ. При возникновении неисправностей одного из ВК ВУ обеспечивается переключение ВК ОТ на получение информации от другого ВК ВУ.
Для диагностики и обслуживания технических средств ПТК-НУ и ВК ВУ, а также для долговременной архивизации параметров, контролируемых СВРК, предусмотрена сервисная станция дежурного инженера (ССДИ).
Программное обеспечение ( ПО) СКУД состоит из системного (СПО) и прикладного (ППО) ПО.
В качестве СПО ПТК-НУ СВРК, реализующего задачи управления процессами, межпроцессного и сетевого взаимодействия, применена специально разработанная программа, работающая в режиме реального времени. СПО остальных ПТК СВРК, а также ПТК других подсистем СКУД реализовано на базе двух вариантов UNIX: «Red Hat- Linux» и «SUN-Solaris».
В основе ППО ПТК СКУД лежит соответствующее алгоритмическое обеспечение, имеющее большой опыт эксплуатации на АЭС или проверенное в ходе эксплуатации в составе прототипов подсистем или созданное на базе аттестованных программных комплексов. Так как СКУД является сложной интеллектуальной системой, то подробное описание алгоритмов СКУД представляет собой большой объем, поэтому остановимся только на кратком описании некоторых из них.
Алгоритм восстановления поля энерговыделения в объеме активной зоны реализован в составе ППО «Хортица-М» в ВК ВУ СВРК.
Алгоритм основан на совместном решении уравнений связи результатов измерений с искомым полем и уравнения диффузии нейтронов в трехмерном пространстве в конечно-разностном приближении. Для решения уравнения диффузии и определения параметров нейтронно-физической модели используется итерационная схема Зейделя. Все параметры вычисляются как с учетом наличия поглотителя, так и без него. Эволюция нуклидного состава рассчитывается в реальном времени на основе дифференциальных уравнений. Для уменьшения расхождения между нейтронно-физической моделью и показаниями датчиков проводят адаптацию материального параметра и сечения деления на основании результатов измерений.
Для исключения ошибки по общей причине линейное энерговыделение в шести ближайших к ДПЗ ТВЭЛах в местах размещения ДПЗ (64х7=448 точек) определяется по текущему току ДПЗ и коэффициенту перехода от токов к линейному энерговыделению по формулам, содержащимся в базе данных и учитывающих текущие параметры, такие как выгорание ДПЗ, изменение изотопного состава в ближайших ТВЭЛах, температура урана и теплоносителя, давление, концентрация бора в теплоносителе, удельная мощность и т.д., независимо от результатов текущих расчетов параметров нейтронно-физической модели.
Описанный алгоритм применяется в ВМПО «Хортица» на всех реакторах с ВВЭР-1000 и имеет успешный опыт эксплуатации более 100 реакторо-лет на ЭВМ СМ-2М.
Для решения задачи защиты по локальным параметрам с целью обеспечения повышенной точности определения и передачи тарировочных данных в ПТК-З были внесены соответствующие изменения в подготовку данных, а также в содержание и объем оперативных расчетов, проводимых ППО «Хортица-М» в ВК ВУ СВРК.
- Учитывая возможность использования сигналов родиевых ДПЗ для контроля быстрых процессов в активной зоне, введена соответствующая процедура их обработки.
В обслуживание ПТК-З входит помимо традиционных функций регулярная (в зависимости от числа эффективных суток, но не реже одного раза в неделю) перекалибровка, проводимая по специальной инструкции с использованием расчетов в ВК ВУ. Процедура максимально автоматизирована и обычно занимает время не более 10 минут.
Алгоритм САКТ базируется на использовании метода затухания. Алгоритм заключается в сравнении амплитуд акустических сигналов, принимаемых в различных точках поверхности объекта контроля, и определении координат источника течи по известному затуханию акустических колебаний в выбранном диапазоне частот.
Алгоритмия СВШД построена на принципах сигнатурной диагностики. Она сводится к следующему:
- шумовой образ является эталоном (сигнатурой) исправного состояния (нормы), который всякий раз воспроизводится при достижении данного стационарного состояния, определяемого фиксированным множеством режимных параметров реактора (мощность, расход, давление и т. д.);
- воспроизводство шумовых образов во времени свидетельствует об исправном состоянии реактора;
- несовпадение какого-либо текущего шумового образа с заранее оцененным шумовым эталоном свидетельствует о наличии неисправности;
- изменение шумового образа из-за появления и развития неисправности происходит много раньше, чем изменение детерминированных режимных параметров.
Программное обеспечение ПТК-З и ПТК-ИУ СВРК разрабатывается в соответствии с рекомендациями МЭК-880 «Программное обеспечение компьютеров систем безопасности АЭС» с использованием проверенного транслятора машинно-ориентированного языка программирования Ассемблер для однокристальных микроконтроллеров Intel MCS-51.
Программное обеспечение ВК ВУ разрабатывается с учетом рекомендаций МЭК-880, к ПО систем класса безопасности В (МЭК 1226).
Программное обеспечение ПТК-ВРШД разрабатывается с использованием интегрированного пакета MATLAB.
ПО остальных ПТК СКУД разрабатывается с использованием методик структурного программирования и опирается на стандартные для операционных систем типа UNIX методы межпроцессного взаимодействия (Interprocess communication, IPC), которые позволяют строить высокоэффективное ПО структуры «клиент-сервер». Методы IPC определены в стандарте POSIX.1b на переносимую операционную систему реального времени.
Защита программного обеспечения СКУД от несанкционированного доступа организована на уровне операционной системы.
Программное обеспечение подсистем (ПТК) СКУД 2 и 3 класса безопасности (соответственно 1Е и SR по GB/T 15474-1995) в соответствии с российскими нормативными документами проходит процедуру сертификации в составе программно-технических средств соответствующих подсистем (ПТК). Для трансляторов и отладчиков, используемых при разработке программного обеспечения ПТК СВРК 2 и 3 класса безопасности (соответственно 1Е и SR по GB/T 15474-1995), проводится проверка на соответствие (для ПТК-З и ПТК-ИУ) или с учетом (для ВК ВУ) рекомендаций МЭК-880. Программное обеспечение подсистем (ПТК) 4 класса безопасности (NC по GB/T 15474-1995) в соответствии с российскими нормативными документами не аттестовывается и не сертифицируется.
Предполагается внедрение СКУД на АЭС в Китае, Иране и Калининской АЭС (Россия).
