УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ ЗА РАСХОДОМ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ В ЯДЕРНОМ РЕАКТОРЕ Российский патент 1997 года по МПК G21C17/22 

Изобретение относится к устройствам контроля за технологическими параметрами ядерных реакторов, в частности, за расходом теплоносителя в технологических каналах (ТК) с тепловыделяющими сборками (ТВС).

Известны устройства для контроля за расходом теплоносителя в ТК ядерных реакторов, содержащие системы расходомеров, каждый из которых выполнен в виде группы канальных частотно-импульсных датчиков расхода и соответствующего числа индивидуальных преобразователей с аналоговым выходом для подключения к общей информационно-вычислительной системе высшего уровня, обслуживающей энергоблок в целом [1]
Основным недостатком этих устройств является низкая эффективность их в обеспечении ядерной безопасности реакторов, что обусловлено:
большой интенсивностью отказов, приводящих к потере информации о расходе в ТК с ТВС;
отсутствием средств для автоматической идентификации причин снижения показаний (результат ли это отказа или действительного изменения расхода);
отсутствием средств для диагностики ресурса наименее доступных для ремонта элементов: датчиков расхода;
отсутствием средств для формирования сигналов на автоматическое включение средств аварийной защиты реактора при недопустимо большом снижении расхода теплоносителя в ТК с ТВС.

Наиболее близким к настоящему изобретению, его прототипом является устройство, выполненное с учетом современных требований к аппаратуре многоканального контроля. Оно содержит систему расходомеров, каждый из которых выполнен в виде группы канальных датчиков расхода, соединенных с измерительным блоком, выполненным в виде нормирующих преобразователей по числу канальных датчиков, соединенных через коммутатор с блоком предварительной обработки данных и соединен через магистраль связи с общим для всех расходомеров вычислительным комплексом, снабженным выходом к информационно-вычислительной системе высшего уровня [2]
Надежность устройства-прототипа в сравнении с аналогами существенно выше, а наличие средств для автоматической идентификации причин изменения показаний делает его более информативным. Тем не менее, интенсивность отказов, приводящих к потере контроля за расходом теплоносителя в ТК с ТВС, в том числе и из-за отсутствия средств диагностики ресурса датчиков расхода, в устройстве-прототипе остается все еще слишком высокой и не допускает возможности использования его для формирования сигналов аварийной защиты реактора по расходу без участия человека-оператора.

Задача изобретения повышение эффективности устройства для поканального контроля за расходом теплоносителя в обеспечении ядерной безопасности реактора.

Технический результат, достигаемый при использовании изобретения:
многократное снижение интенсивности отказов, приводящих к потере информации о расходе теплоносителя в ТК с ТВС, путем непрерывной диагностики ресурса датчиков расхода и резервирования как каждого из расходомеров, так и системы расходомеров в целом;
исключение субъективного фактора в принятии решений по показаниям устройства путем автоматического формирования сигналов на срабатывание средств аварийной защиты реактора по заранее апробированным алгоритмам.

Указанный технический результат достигается тем, что в устройство-прототип введена система радиационного контроля теплоносителя, содержащая позиционно-управляемые гамма-датчики, выполненные с возможностью перемещения вдоль рядов пароводяных коммуникаций технологических каналов и соединенные через блоки управления положением датчиков и аналого-цифровые преобразователи с вычислительно-управляющим блоком, при этом в каждый расходомер введены блоки гальванической развязки, осуществляющие связь каждого датчика с основным измерительным блоком и, по крайней мере, с двумя резервирующими его измерительными блоками, каждый из которых соединен через соответствующую дополнительную магистраль связи с основными и дополнительными по числу резервирующих измерительных блоков в каждом расходомере вычислительными комплексами, снабженными выходами к общей информационно-вычислительной системе и к средствам формирования сигналов аварийной защиты реактора по расходу, причем каждая из магистралей связи соединена с вычислительно-управляющим блоком и введенным блоком накопления и обработки данных для диагностики ресурса датчиков расхода.

Система рационального контроля теплоносителя ядерного реактора, содержащая позиционно-управляемые гамма-датчики, выполненные с возможностью перемещения вдоль рядов пароводяных коммуникаций технологических каналов и соединенные через блоки управления положением датчиков и аналого-цифровые преобразователи с вычислительно-управляющим блоком, известна [3] Однако данная система привлекалась для дополнительного контроля за расходом теплоносителя в случаях возникновения сомнений в достоверности показаний или при отказах расходомеров только по команде человека-оператора, что вело к задержке в получении информации о результатах такого контроля, субъективной оценки ситуации и, в конечном счете, к повышению, вероятности принятия несвоевременного (запоздалого) решения о необходимости запуска средств аварийной защиты реактора по расходу, к осложнению последствий аварии, если она произошла.

Введение в устройство системы радиационного контроля теплоносителя, автоматически включаемой в режим контроля за расходом при возникновении опасных отказов в постоянно действующей системе расходомеров, снимает указанные выше недостатки и, кроме того, совместно с резервированием электронной части расходомеров, многократно снижает поток отказов, влекущих за собой полную потерю информации о расходе в том или ином ТК с ТВС. Этому же способствует введение и использование блока накопления и обработки данных для диагностики ресурса датчиков расхода, наименее надежной (ввиду тяжелых эксплуатационных условий) и наименее доступной для ремонта части устройства. В результате, с учетом реальной интенсивности возникновения инцидентов, вызывающих недопустимо большое снижение расхода теплоносителя хотя бы в одном ТК с ТВС (а их в реакторе типа РБМК около полутора тысяч), а также с учетом реальных возможностей по досрочной выгрузке ТВС из ТК с отказавшими датчиками расхода, но без потери контроля за расходом, расчетное значение коэффициента неготовности предложенного устройства аварийной защиты реактора по расходу имеет величину порядка 1,0•10^-5, что соответствует требованиям к СУЗ реакторов по ГОСТ 26843-86 и не менее чем на два порядка лучше аналогичного показателя надежности, достигнутого в ныне действующих устройствах аналогичного назначения.

Изобретением поясним по представленной на чертеже блок-схеме устройства для контроля за расходом теплоносителя в технологических каналах ядерного реактора, где обозначено:
1 система расходомеров;
2 расходомеры;
3 поканальные датчики расхода;
4 блоки взаимной гальванической развязки электрических цепей датчиков расхода и подключенных к ним измерительных блоков 5 ( например разделительные трансформаторы);
5 измерительные блоки, каждый из которых преобразует аналоговые сигналы от соответствующей группы датчиков 3 в совокупность кодовых (цифровых) сигналов для "системной" обработки информации;
6 блоки нормирования сигналов датчиков расхода;
7 аналоговые коммутаторы;
8 аналого-цифровые преобразователи;
9 блоки предварительной обработки данных;
10 блоки синхронизации и управления блоками 7, 8, 9;
11 магистрали связи блоков 5 с вычислительными комплексами 12 системы расходомеров, а также комплексов 12 с системой 13, блоком 18 и информационно-вычислительной системой уровня, на чертеже не показанной;
12 вычислительные комплексы системы расходомеров;
13 система радиационного контроля теплоносителя;
14 гамма-датчик;
15 комплекс блоков для задания координат и обработки сигналов гамма-датчиков;
16 блоки управления положением гамма-датчиков относительно пароводяных коммуникаций технологических каналов и преобразования сигналов этих датчиков из аналоговой формы в цифровую;
17 вычислительно-управляющий блок комплекса 15, определяющий режим работы системы 13;
18 блок накопления и обработки данных для диагностики ресурса датчиков расхода;
19 линии передачи командных сигналов от комплексов 12 к средствам запуска системы аварийной защиты реактора по расходу, на чертеже не показаны.

В состав системы 1 входят расходомеры 2 и подключенные к ним через магистрали 11 три резервирующих друг друга вычислительных комплекса 12, в состав каждого расходомера группа датчиков 3, соответствующее количество блоков 4 и три резервирующих друг друга измерительных блока 5, в состав каждого измерительного блока блоки нормирования 6 (по числу датчиков в расходомере), коммутатор 7, преобразователь 8 и блоки 9, 10. В состав системы 13 входят несколько гамма-датчиков 14, соответствующее им количество блоков 16 и общий для них блок 17. Последний определяет и режим работы системы 13 путем выбора того или иного энергетического диапазона гамма-квантов, используемых для формирования информационных сигналов (так, продукты деления ядерного топлива испускают гамма-кванты с энергиями в основном до 3 МэВ, а наведенный в воде азот -16, используемый для контроля за расходом, выше 5 МэВ). Важной особенностью системы 13 является то, что каждый гамма-датчик рассчитан на обслуживание примерно 200 "своих" пароводяных коммуникаций (из общего числа их около полутора тысяч), что существенно ограничивает возможности выбора координат одновременно контролируемых ТК. Каждый из датчиков расхода представляет собой встроенный в тракт питания ТК закручивающий механизм, который приводит во вращение стальной шарик, взаимодействующий с магнитоиндукционным преобразователем; частота электрических импульсов на выходе последнего пропорциональна (с известными поправками) расходу теплоносителя; количество датчиков в расходомере определяется удобством компоновки его электронной части и может составить несколько десятков.

Устройство работает следующим образом. Импульсы напряжения от датчиков 3 через блоки 4 гальванической развязки передаются к блокам 6 нормирования каждого из измерительных блоков 5 расходомера. В зависимости от конкретно принятого в измерительном блоке 5 алгоритма обработки данных, блок 6 может представлять собой либо просто импульсный усилитель, либо усилитель с набором элементов для формирования напряжений-эквивалентов текущих значений амплитуды и периода импульсов. Далее сигналы датчиков расхода или эквивалентны их параметров передаются через обегающий коммутатор 7 и аналого-цифровой преобразователь 8 в блок 9 предварительной обработки данных, где с привязкой к номерам (координатам) i контролируемых ТК и номерам j очередных импульсов подготавливаются для передачи в вычислительные комплексы 12 в форме, например, мгновенных значений амплитуд A_ij, периодов T_ij и результатов их статистического усреднения за некий принятый временный интервал. В каждом из трех вычислительных комплексов 12 эта информация воспринимается первой группой портов ввода/вывода одновременно от трех разных групп резервирующих друг друга измерительных блоков 5 всех расходомеров, что позволяет осуществлять контроль исправности этих измерительных блоков. Действительно, если три резервирующих друг друга измерительных блока 5 с индексами B, C, D исправны и взаимно идентичны, то, поскольку все они получают входные сигналы синхронно от одних и тех же датчиков расхода, всегда должны выполняться равенства:

Реально, из-за некоторого разброса характеристик блоков 5, эти равенства могут выполняться с некоторым допуском П1 или П2, так что фактически должно проверяться выполнение неравенств:


Для идентификации неисправного блока 5 можно использовать такое решающее правило: блок 5 с тем или иным индексом исправен, если справедливо хотя бы одно из указанных неравенств для переменной с этим индексом, и неисправен, если не выполняются два таких неравенства. Исправность самого вычислительного комплекса 12 может быть установлена путем аналогичного сопоставления результатов расчета, получаемых данным комплексом и двумя другими, его резервирующими (с обменом информацией между комплексами 12 по тем же магистралям 11). Контроль неисправности блоков 15 и комплексов 12 осуществляется и путем из самодиагностики по алгоритмам, здесь не рассматриваемым. Отметим лишь, что средства отображения информации о состоянии системы 1 должны быть выполнены таким образом, чтобы расчетное время обнаружения и замены дефектных модулей не превышало заранее установленного предела (например четверти часа) и вероятность возникновения отказов одновременно в двух измерительных блоках 5 одного расходомера за время эксплуатации реактора от одного планово-предупредительного ремонта реактора до другого ("от ППР до ППР") оказалась не большей, чем вероятность отказа хотя бы одного датчика расхода того же расходомера.

Постоянно в режиме поканального контроля за расходом теплоносителя находится система 1 расходомеров. При этом, если отказ в ней затрагивает не более чем один измерительный блок из числа резервирующих друг друга или один вычислительный комплекс 12, а все датчики расхода исправны, система 13 рационального контроля работает в своем основном режиме: режиме идентификации ТВС с негерметичными оболочками тепловыделяющих элементов по наличию в теплоносителе продуктов деления ядерного топлива. В каждом из вычислительных комплексов 12 вырабатываются сигналы-эквиваленты значений в ТК, которые передаются через упомянутые выше порты ввода/вывода в каждую из магистралей 11 и далее в информационно-вычислительную систему высшего уровня; достоверность принимаемой там информации проверяется таким же образом, как это было описано для случая контроля исправности измерительных блоков 5 и комплексов 12.

Отказ хотя бы одного датчика расхода или одновременно двух и более измерительных блоков 5 одного расходомера по цепям передачи сигнала от одного и того же датчика приводит к потере информации о расходе в ТК и с этой точки зрения особенно, если речь идет о ТК с ТВС, является потенциально ядерноопасным. Внезапный отказ датчика расхода может быть выявлен, например, по результатам выполнения для одного и того же значения i сразу трех неравенств:
ABij

< П3, ACij < П3, ABij < П3
где П₃ минимально допустимое значение амплитуды импульсов, при котором возможна еще нормальная без сбоев работа измерительных блоков.

Отказ двух и более измерительных блоков одного расходомера по цепям передачи сигнала от одного и того же датчика фиксируется при невыполнении хотя бы двух неравенств из трех:

В любом случае, в каждом из вычислительных комплексов 12 формируется сигнал отказа расходомера с указанием координаты i ТК с ТВС, по которому потеряна или идет недостоверная информация о расходе. Этот сигнал передается через первую группу портов ввода/вывода в магистрали 11 и далее в блок 17 системы 13 радиационного контроля теплоносителя. Система 13 переводится в режим контроля за расходом в ТК с заданными координатами: в блоке 17 формируются сигналы на включение соответствующего блока 16 управления положением одного из гамма-датчиков 14 и этот датчик через некоторое время устанавливается на пароводяную коммуникацию, связанную с заданным ТК; сигнал гамма-датчика, зависящий от расхода в i_o-ом ТК с ТВС, передается через блоки 16, 17 магистрали 11 и далее в вычислительные комплексы 12 системы расходомеров, где проверяется выполнение неравенства: где П4 - значение , при котором расход в ТК с ТВС не ниже допустимого.

Выполнение неравенства свидетельствует о том, что за время , в течение которого информация о расходе в i_o-ом ТК с ТВС по показаниям системы 1 отсутствовала или была недостоверной, снижения расхода в этом ТК ниже допустимого не произошло (вероятность появления иного события за это время достаточно мала), но ситуация продолжает оставаться потенциально ядерноопасной, т.к. при отказе и системы 13 контроль за расходом в i_o-ом ТК с ТВС полностью теряется и ситуация переходит в ядерноопасную. Кроме того, если после отказа одного датчика расхода откажет еще и другой, система 13 из-за указанных ранее ограничений может не обеспечить необходимого контроля за расходом в этом новом ТК с отказавшим датчиком расхода даже при отсутствии в ней отказов. Стало быть, включение системы 13 в режим контроля за расходом в i_o-ом ТК с ТВС является практически сигналом к тому, чтобы персоналом АЭС были приняты меры либо по досрочной выгрузке соответствующей ТВС (если отказал датчик расхода), либо по ускорению восстановления работоспособности электронной части расходомера. При этом имеется в виду, что ситуация с потерей непрерывного контроля за расходом в ТК без ТВС не является ядерноопасной.

Возможен, однако и иной исход перехода системы 13 в режим контроля за расходом в i_o-ом ТК с ТВС: через время сигнал оказывается не удовлетворяющим неравенству , что может произойти либо из-за отказа системы 13, любо из-за снижения расхода в i_o-ом ТК ниже допустимого за время или за время контроля за расходом по показаниям системы 13 до выгрузки ТВС. В любом случае ситуация переходит в ядерноопасную, в каждом вычислительном комплексе 12 формируется и через вторую группу портов ввода/вывода по линиям 19 передается командный сигнал на срабатывание аварийной зашиты реактора по расходу; последняя срабатывает и реактор заглушается, если указанный сигнал воспринимается средствами запуска такой защиты по крайней мере от двух комплексов 12 из трех (логика "2 из 3-х").

Сигналы на срабатывание системы аварийной защиты реактора по расходу формируются без потерь времени на перевод системы 13 в режим контроля за расходом, т.е. немедленно, если комплексами 12 зафиксировано либо действительное снижение расхода по показаниям расходомеров 2 ниже предельно допустимого (уставки П5), либо отказ одновременно двух и более резервирующих друг друга блоков 5 или комплексов 12 по цепям обработки сигналов хотя бы одного датчика расхода в ТК с ТВС.

В каждом из вычислительных комплексов 12 системы расходомеров реализуется еще одна важная функция: формирование и передача по магистрали 11 в блок 18 информации, необходимой для диагностики ресурса датчиков расхода. Конечно, блок 18 в явном виде из блок-схемы можно было бы и исключить, а функции его передать каждому из вычислительных комплексов 12, что, однако, не имеет принципиального значения. Важна та роль, которую играет диагностика ресурса датчиков расхода в обеспечении безотказности их в периоды работы "от ППР до ППР" именно при автоматизированном накоплении необходимых данных. Что касается критериев оценки ресурса, то они связаны с оценкой степени износа дорожек закручивающих механизмов и вращающихся в них шариков, амплитудой вызванных этим износом флуктуаций в значениях A_ij, T_ij. Опыт эксплуатации датчиков расхода на реакторах типа РБМК показал, например, что справедливо следующее решающее правило: датчик пригоден к дальнейшей эксплуатации в течение еще одного интервала работы реактора на мощности "от ППР до ППР", если перед остановом реактора на очередной ППР выполняются неравенства:
1 ≥ (Aminij

/Amaxij) ≥ П6, 1 ≥ (Tminij/Tmaxij) ≥ П7
где индексы "min", "max" относятся к минимальным и максимальным значениям амплитуд и периодов импульсов, измеренных за некоторый интервал наблюдения (например равный 100 T_ij) при постоянном расходе в i-ом ТК;
П6 ≈0,6; П7 ≈ 0,8 эмпирически полученные пороговые значения указанных отношений;
в противном случае, т. е. если нарушается хотя бы одно из двух неравенств, соответствующий датчик в течение ближайшего ППР лучше заменить. Возможно эффективное использование для диагностики ресурса датчиков расхода и иных соотношений, связанных, например, с анализом поведения во времени среднеквадратических отклонений параметров A_ij, T_ij от средних и т.д. Так, изменение во времени средней амплитуды импульсов при определенном выборе параметров измерительной схемы блоков 5 позволяет оценить степень надежности контактных переходов и цепей магнито-индуктивных преобразователей датчиков расхода. Отметим еще, что окончательное решение по результатам диагностики ресурса датчиков ресурса принимается, как правило, группой специалистов с учетом множества иных факторов, связанных с режимом эксплуатации реактора. Автоматизация накопления и обработка данных для диагностики ресурса существенно облегчает принятие такого рода решений, делает их более обоснованными. Во всяком случае, сигнал, формируемый блоком 18 или комплексами 12 (при обмене информацией с блоком 18) при наступлении события типа
Aminij/Amaxij < П6 или Tminij/Tmaxij < П7,
может служить человеку-оператору серьезным поводом для принятия решения о досрочной выгрузке ТВС из соответствующего ТК и, тем самым, предотвращении возможности возникновения ядерноопасной ситуации, связанной с потерей контроля за расходом в этом ТК.

Сущность: устройство содержит систему радиационного контроля, автоматически включаемую в режим контроля за расходом в технологических каналах с тепловыделяющими сборками при отказах штатных датчиков расхода. В результате решается задача по многократному снижению интенсивности отказов, приводящих к потере информации о расходе в технологических каналах, и реализации возможности формирователя сигналов аварийной защиты реактора от недопустимо большого снижения расхода в каждом канале. 1 ил.

Устройство для контроля за расходом теплоносителя в технологических каналах ядерного реактора, содержащее систему расходомеров, каждый из которых выполнен в виде группы канальных датчиков расхода, соединенных с измерительным блоком, выполненным в виде нормирующих преобразователей по числу канальных датчиков, соединенных через коммутатор с блоком предварительной обработки данных, и соединен через основную магистраль связи с основным вычислительным комплексом, снабженным выходом к общей инфорационно-вычислительной системе, отличающееся тем, что в него введена система радиационного контроля теплоносителя, содержащая позиционно-управляемые гамма-датчики, выполненные с возможностью перемещения вдоль рядов пароводяных коммуникаций технологических каналов и соединенные через блоки управления положением датчиков и аналого-цифровые преобразователи с вычислительно-управляющим блоком, при этом в каждый расходомер введены блоки гальванической развязки, осуществляющие связь каждого датчика с основным измерительным блоком и по крайней мере с двумя резервирующими его измерительными блоками, каждый из которых соединен через соответствующую дополнительную магистраль связи с основным и дополнительными по числу резервирующих измерительных блоков в каждом расходомере вычислительными комплексами, снабженными выходами к общей инфорационно-вычислительной системе и к средствам формирования сигналов аварийной защиты реактора по расходу, причем каждая из магистралей связи соединена с вычислительно-управляющим блоком и введенным блоком накопления и обработки данных для диагностики ресурса датчиков расхода.