СПОСОБ ШУМОВОЙ ДИАГНОСТИКИ РЕАКТОРОВ С ВОДОЙ ПОД ДАВЛЕНИЕМ Российский патент 2008 года по МПК G21C17/00 

Изобретение относится к области ядерной энергетики, а именно к шумовым методам диагностики реакторов с водой под давлением типа ВВЭР, и предназначено для контроля в режиме реального времени пульсаций технологических параметров, например для контроля и выявления аномальных пульсаций расхода теплоносителя, в том числе опасных для его нормальной эксплуатации.

Известны способы шумовой диагностики реакторов с водой под давлением типа ВВЭР для контроля вибраций элементов реакторного оборудования, примененные в отечественных и зарубежных системах виброшумового контроля и диагностики ВВЭР с использованием виброшумовых образцов реакторов ВВЭР-440, -1000 [Г.В.Аркадов, В.И.Павелко, А.И.Усанов, «Виброшумовая диагностика ВВЭР», М.: Энергоатомиздат, 2004, с.343].

В этой работе описаны следующие способы шумовой диагностики реакторов, которые были применены для:

- измерения поканальной скорости теплоносителя по флюктуациям сигналов датчиков прямого заряда на втором блоке АЭС «Богунице» (Словакия): на 100%-ном уровне мощности реактора были проведены синхронные записи шумовых сигналов нескольких сборок датчиков прямого заряда, к которым были применены спектральные методы (с.300);

- оценки траектории движения шахты активной зоны ВВЭР-440 при ее вибрации (с.305);

- виброшумовых исследований ВВЭР-1000 поискового плана в эксплуатационных условиях Калининской, Балаковской, Нововоронежской, Запорожской и Хмельницкой АЭС с использованием штатного детекторного оснащения ионизационными камерами, датчиками прямого заряда, датчиками пульсаций давления с целью оценки величины вибраций внутрикорпусных устройств и тепловыделяющих сборок (с.232-278).

Во всех описанных способах шумового контроля использовались записи сигналов датчиков (т.е. режим постобработки). Периодические оценки величин флюктуации осуществлялись для нейтронного потока внутри и вне активной зоны реактора, флюктуации давления совместно с виброперемещениями элементов конструкции реактора, или совместно флюктуации температуры теплоносителя и вне- и внутризонных акустических и гамма-полей. Для интерпретации записей обрабатывались резонансы спектральных характеристик АСПМ (автоспектральная плотность мощности), линейные участки фазы ВСПМ (взаимная спектральная плотность мощности), абсцисса экстремума ВКФ (взаимная корреляционная функция), частотные диапазоны высокой когерентности сигналов датчиков. Применяли также методы многомерного авторегрессионного анализа (МАР-модели) и методы частной и множественной когерентности.

Недостатком всех описанных шумовых способов диагностирования является их инструментальная и методическая сложность, предполагающая обязательное наличие записей сигналов (как образцовых, так и эксплуатационных), высокоинтеллектульной системы статистической постобработки сигналов датчиков и системы принятия диагностических решений, а также уникальную специализацию в применении только для исследуемого объекта (использование т.н. «шумового образа» реактора), включая специальную подготовку персонала.

Сложность описанных шумовых способов препятствует их распространению в отечественной атомной энергетике, хотя положительный результат от их использования - контроль эффектов, опасных для эксплуатации реактора, - ни у кого не вызывает сомнений и является актуальным.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ виброшумовой диагностики реакторов с водой под давлением [патент RU 2124242, 27.12.1997].

Суть способа-прототипа заключается в совместном анализе флюктуации сигналов датчиков пульсаций давления, относительного и абсолютного перемещения, внезонных ионизационных камер, внутризонных датчиков прямого заряда и термопар, путем выбора на программном уровне необходимых для постановки конкретного диагноза сигналов низкочастотного или высокочастотного диапазона; в выполнении многоканальной записи и в осуществлении зафиксированной последовательности вычислительных процедур на основании заранее выделенных диагностических признаков по каждому реакторному эффекту, что обеспечивает автоматическую постановку диагноза.

Недостатками способа-прототипа являются:

- сложное конструктивное исполнение, включающее (кроме датчиков, ЭВМ и программного обеспечения) аналоговые и цифровые устройства обработки сигналов (высоко- и низкочастотный полосовые фильтры и другое электронное оборудование), коммутаторы датчиков,

- обязательность многоканальной записи сигналов низкочастотного или высокочастотного диапазона, а затем последующая сложная статистическая обработка сигналов датчиков в отсроченном режиме с применением быстрого преобразования Фурье;

- составление алгоритмов выделения различных реакторных эффектов группой экспертов по реакторным шумам;

- составление сценариев - последовательности действий над множеством зарегистрированных процессов с датчиков системы виброшумового диагностики (СВШД);

- необходимость перекоммутации датчиков при измерении сигналов, а также перекоммутации их сигналов при обработке по заранее составленному списку сценариев диагностики;

- периодичность и отсроченность виброконтроля реакторной установки;

- СВШД оперирует только со стационарными процессами и не может работать в переходных режимах работы реактора.

Задачей настоящего изобретения является создание способа шумовой диагностики реакторов с водой под давлением, позволяющего обеспечить непрерывный контроль и выявление пульсаций технологических параметров, опасных для нормальной эксплуатации элементов оборудования реакторной установки в переходных и стационарных режимах ее работы, в режиме реального времени, т.е. одновременно с регистрацией параметров реактора и тем самым повысить безопасность работы реакторной установки.

Задача решена путем создания способа шумовой диагностики реакторов с водой под давлением, включающего регистрацию сигналов вне- и внутризонных датчиков различного типа, совместную обработку флюктуации сигналов датчиков, отличием которого согласно изобретению является то, что регистрацию и обработку сигналов датчиков ведут одновременно и непрерывно, причем в процессе обработки выделяют переменную составляющую среднего сигнала по каждому из датчиков, на программном уровне определяют обобщенный шумовой показатель сигнала в виде средних амплитуд пульсаций и/или декрементов затухания сигнала для каждого датчика, формируют диагностический признак для каждого датчика, а затем формируют общий диагностический признак по всем датчикам путем суммирования диагностических признаков каждого датчика с учетом заранее заданных весов этих датчиков, сравнивают его с заранее заданными предельными значениями, соответствующими уровням нормальной эксплуатации реактора и уровням предупредительной или аварийной сигнализации, после чего с учетом заранее заданного допустимого времени превышения предельных значений вырабатывают диагностический сигнал.

Отличительные особенности предлагаемого способа:

1. Вычисляется обобщенный шумовой показатель (А и/или L) сигналов датчиков и формируется на его основе диагностический признак, по величине соответствующий нормальным условиям эксплуатации или уровням порогов предупредительной или аварийной сигнализации. При этом не применяется быстрое преобразование Фурье, а используется оригинальная вычислительная процедура, позволяющая выявить гармонические составляющие сигнала датчиков с высоким быстродействием и на сравнительно небольшой выборке зарегистрированных в реальном времени сигналов.

Средняя амплитуда пульсаций А сигнала отдельного датчика вычисляется по формуле:

δJ - переменная часть сигнала, оставшаяся после предварительной фильтрации;

λ_а - постоянная фильтра, определяющая период осреднения сигнала;

t - текущее время;

t' - время интегрирования.

Декремент затухания L сигнала отдельного датчика вычисляется на основе параметров В и С авторегрессионой модели:

Параметры В и С определяются методом наименьших квадратов с осреднением, аналогичным для А. Условием наличия в δJ гармонических составляющих является неравенство В²/4-С<0. Величина L в этом случае определяется из соотношения:

При условии B²/4-С<0 величина L отрицательна и стремится к нулю для чисто гармонического сигнала.

При условии B²/4-С≥0 в изучаемом процессе присутствуют только негармонические составляющие. В этом случае L определяется по формуле:

В общем случае декремент затухания L растет, если в спектре сигнала начинает доминировать одна из частот.

Параметр L может использоваться для разделения стохастических и гармонических шумов.

2. Формирование диагностического признака производится принципиально иначе - путем сравнения вычисленного суммарного шумового показателя (амплитуды пульсаций и/или декремента затухания сигнала для всех групп датчиков) с допустимыми значениями показателей. Допустимые значения являются константами, которые различаются по величине для нормальной эксплуатации и при отклонениях от нормальной эксплуатации реактора.

Суммарный диагностический параметр от всех датчиков равен:

I^j - значение диагностического признака для j-го датчика (0 - нет признаков, 1 - есть признаки);

w_j - вес (значимость) j-го датчика.

3. Сигналы датчиков, используемые в предлагаемом способе диагностики, группируются по типу датчика с определенным весом и в их перекоммутации нет необходимости.

4. Обработка сигналов датчиков в реальном времени производится исключительно программными средствами без применения сложного специального оборудования.

Способ осуществляется условно в четыре стадии.

На первой стадии выделяется переменная часть сигнала в диапазоне частот, несущих контролируемые признаки (например, для пульсаций теплоносителя в диапазоне 0.2-2 Гц), с использованием каскада из 6 цифровых фильтров (один - для низких частот и пять - для высоких частот). В данной работе использовано λ_а=0.3 сек^-1 для фильтра высоких частот и λ_а=0.03 сек^-1 для фильтра низких частот.

На второй стадии вычисляется обобщенный шумовой показатель сигнала (А и/или L) по формулам (1)-(4).

На третьей стадии выявляются диагностические признаки по уровню шумового показателя каждого датчика отдельно.

Для этого каждому шумовому показателю (А и/или L) сигнала датчика сопоставляются три уровня значимости по величине сигнала - U₁ (предупредительный), U₂ (аварийный) и U₃ (нормальный) и два уровня значимости по продолжительности превышения этих уровней (переменные времени превышения Т_u1, Т_u2) - Т_sp (предупредительный временной порог), T_sa (аварийный временной порог). Далее выполняется автоматический анализ по следующим условиям.

Условие 1: Если величина (А и/или L) превышает уровень U₁, то включается счетчик времени превышения указанного уровня T_u1.

Условие 2: Если продолжительность выполнения условия 1 T_u1 превышает заданный порог по времени T_sp (предупредительный временной порог), то принимается, что диагностический признак (предупредительный) по показателю (А и/или L) выполнился.

Условие 3: Действие системы по времени превышения уровня U₂ аналогично действию при превышении уровня U₁, но с другим порогом по времени T_sa (аварийный временной порог). Если, как предельный случай, Т_u2 задать равным нулю, то диагностический признак (аварийный) по показателю (А и/или L) выполнится немедленно, без временной задержки.

Условие 4: Диагностический признак снимается (обнуляется) после того, как величина (А и/или L) становится ниже уровня U₃.

На четвертой стадии вырабатывается диагностический сигнал.

Диагностический сигнал считается сформированным, если его выработала хотя бы одна группа датчиков. Если разные группы датчиков выработали разные диагностические сигналы, то принимается более высокий по приоритету сигнал (в порядке убывания - аварийный, предупредительный, нормальная эксплуатация, или процесс не контролируется - процедура обработки находится в нерабочем состоянии).

Суммарный диагностический параметр S от всех датчиков вычисляется по формуле (5). Если S>Usa (порог для аварийной сигнализации) в течение установленного периода времени T_sa, то вырабатывается аварийный сигнал. Если S>Usp (порог для предупредительной сигнализации) в течение установленного периода времени T_sp, то вырабатывается предупредительный сигнал. Если S<Usp, то вырабатывается сигнал «нормальная работа».

Если на предыдущем шаге был выработан сигнал аварийной или предупредительной сигнализации, то он отключается после снижения S до уровня U_sa или U_sp соответственно и нахождения в таком состоянии в течение заданного времени.

Если взять все значения w_j=1/m, то использованный метод будет эквивалентен выработке сигнала по принципу «m» из «n».

При апробации получены следующие значения порогов диагностических параметров S для пульсаций теплоносителя: порог для предупредительной сигнализации U_sp=0.7, порог для аварийной сигнализации U_sa=1.0.

Описанный способ шумового контроля не содержит особенностей, жестко привязанных к специфике какого-либо конкретного процесса, и поэтому позволяет диагностировать развитие нежелательных процессов, близких к гармоническим колебаниям, либо негармонических, стохастических процессов в реакторе с амплитудой, опасной для его эксплуатации.

Для осуществления предлагаемого способа необходимы следующие компоненты:

- система внутриреакторного контроля, включающая комплекс внутри- и внезонных датчиков и позволяющая вести цифровую регистрацию сигналов датчиков с частотой не менее 10 Гц (при этом частота регистрации сигналов 10 Гц одинакова для всех датчиков и является достаточной для диагностики);

- персональный компьютер, соединенный высокоскоростной линией связи с системой внутриреакторного контроля;

- специальная программа обработки сигналов датчиков и графического представления вычисляемого диагностического признака на экране персонального компьютера.

Изобретение относится к области ядерной энергетики, а именно к шумовым методам диагностики реакторов с водой под давлением типа ВВЭР, и предназначено для контроля в режиме реального времени пульсаций технологических параметров, например для контроля и выявления аномальных пульсаций расхода теплоносителя, в том числе опасных для его нормальной эксплуатации. Способ шумовой диагностики реакторов с водой под давлением включает регистрацию сигналов вне- и внутризонных датчиков различного типа, совместную обработку флюктуации сигналов датчиков, причем регистрацию и обработку сигналов датчиков ведут одновременно и непрерывно. По результатам обработки сигналов датчиков вырабатывают диагностический сигнал. Техническим результатом изобретения является повышение безопасности работы реакторной установки. 1 з.п. ф-лы.

1. Способ шумовой диагностики реакторов с водой под давлением, включающий регистрацию сигналов вне- и внутризонных датчиков различного типа, совместную обработку флюктуации сигналов, отличающийся тем, что регистрацию и обработку сигналов датчиков ведут одновременно и непрерывно, причем в процессе обработки выделяют переменную составляющую среднего сигнала по каждому из датчиков, на программном уровне определяют обобщенный шумовой показатель сигнала в виде средних амплитуд пульсаций и/или декрементов затухания сигнала для каждого датчика, формируют диагностический признак для каждого датчика, а затем формируют общий диагностический признак по всем датчикам, сравнивают его с заранее заданными предельными значениями, соответствующими уровням нормальной эксплуатации реактора и уровням предупредительной или аварийной сигнализации, после чего с учетом заранее заданного допустимого времени превышения предельных значений вырабатывают диагностический сигнал.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что общий диагностический признак по всем датчикам формируют путем суммирования диагностических признаков каждого датчика с учетом заранее заданных весов этих датчиков.