Способ предотвращения резонансного взаимодействия колебаний оборудования водо-водяных энергетических реакторов с акустически стоячими волнами и устройство для его реализации Российский патент 2023 года по МПК G21C9/00 

Изобретение относится к атомной энергетике и может быть использовано при эксплуатации АЭС с водо-водяными энергетическими реакторами в системах компенсации давления.

Известен способ шумовой диагностики реакторов с водой под давлением (патент RU 2331120, МПК G21C 17/00, опубл. 10.08.2008 г., бюл. №22), 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.

Недостатком известной системы является низкая надежность текущей оценки технического состояния объекта контроля.

Известна система для определения течи теплоносителя из трубопровода (патент RU 2451915, МПК G01M 13/00, опубл. 27.05.2012 г., бюл. №15), включающая источник питания, устройство для обработки данных и соединенные между собой контрольно-измерительные каналы, каждый из которых содержит датчик, соединенный с усилителем, и устройство для передачи данных. В качестве устройства для обработки данных использован микроконтроллер, который введен в каждый контрольно-измерительный канал и соединен с выходом усилителя. Устройство для передачи данных содержит упомянутый микроконтроллер и подключенный к его выходу трансивер. Соединение контрольно-измерительных каналов выполнено в виде радиосвязи, а источник питания выполнен локальным для каждого контрольно-измерительного канала и представляет собой термоэлектрический преобразователь, установленный на контролируемом трубопроводе.

Недостатком этого технического решения является также его низкая надёжность.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ виброшумовой диагностики реакторов с водой под давлением (патент RU 2124242, МПК G21C 17/00, опубл. 27.12.1998), заключающийся в совместном анализе флюктуаций сигналов датчиков пульсаций давления, относительного и абсолютного перемещения, внезонных ионизационных камер, 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. Также поставляют на реакторную установку стартовую библиотеку зафиксированных последовательностей вычислительных процедур, которая расширяется новыми сценариями в процессе эксплуатации без ее перепрограммирования. 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.

Недостатком этого способа является его низкая эффективность, связанная с отсутствием возможности подавлять определенные частоты колебаний давления теплоносителя в оборудовании АЭС.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является устройство, с помощью которого реализуется способ виброшумовой диагностики реакторов с водой под давлением (патент RU 2124242, МПК G21C 17/00, опубл. 27.12.1998), в которое входят датчики, аналоговые и цифровые устройства обработки сигналов, ЭВМ и программное обеспечение.

Недостатком этого устройства является ограниченные функциональные возможности, связанные с отсутствием функционала подавления определенных частот колебаний давления теплоносителя в оборудовании АЭС.

Задачей изобретения является повышение эффективности и расширения функциональных возможностей способа предотвращения резонансного взаимодействия колебаний оборудования водо-водяных энергетических реакторов с акустически стоячими волнами и устройства для его реализации.

Техническим результатом изобретения является расширение арсенала технических средств.

Технический результат достигается способом предотвращения резонансного взаимодействия колебаний оборудования водо-водяных энергетических реакторов с акустически стоячими волнами (АСВ), заключающемся в том, что измеряют сигналы пульсации давления и относительного и абсолютного перемещения, производят выбор необходимых сигналов и их многоканальную запись, на основании заранее выделенных диагностических признаков осуществляют зафиксированную последовательность вычислительных процедур, тем самым обеспечивают автоматическую постановку диагноза, согласно изобретению в качестве диагностического признака используют превышения заданного значения сигналов от датчиков давления, относительного и абсолютного перемещения, автоматическую постановку диагноза обеспечивают относительно того, какую резонансную частоту необходимо демпфировать, подают сигнал, соответствующий АСВ подавляемой резонансной частоты, демпфируют нежелательное значение частоты АСВ тем, что изменяют длину трубопровода, заполненного паром, до величины L_х, способной демпфировать нежелательное значение частоты АСВ, при этом величину L_х определяют по формуле:

,

где f_комб. - расчетная частота АСВ в компенсаторе давления с несколькими присоединенными трубопроводами,

a_ср.- скорость звука с учётом деформации труб и сжимаемости воды.

Технический результат достигается устройством для реализации способа предотвращения резонансного взаимодействия колебаний оборудования водо-водяных энергетических реакторов с акустически стоячими волнами, содержащим датчики пульсации давления, относительного перемещения, абсолютного перемещения, подключенные к системе шумовой диагностики, согласно изобретению снабженным импульсным предохранительным устройством (ИПУ), включающим в себя электромагнитный привод, смонтированный снаружи трубопровода, и установленный внутри трубопровода запорный клапан, которые соединены с системой шумовой диагностики, при этом запорный клапан выполнен с возможностью перемещения вдоль оси трубопровода между компенсатором давления и баком-барбатером.

Дополнительно устройство может содержать несколько ИПУ на соответствующем количестве включенных параллельно между компенсатором давления и баком-барбатером трубопроводах.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена схема устройства, реализующего способ предотвращения резонансного взаимодействия колебаний оборудования водо-водяных энергетических реакторов с акустически стоячими волнами и приняты следующие обозначения:

1. Датчики пульсации давления.

2. Датчики относительного перемещения.

3. Датчики абсолютного перемещения.

4. Система виброшумовой диагностики.

5. Сигнал, передаваемый системой виброшумовой диагностики 4.

6. Электромагнитный привод.

7. Направление перемещения (вверх - вниз).

8. Запорный клапан импульсного предохранительного устройства (ИПУ).

9. Пар.

10. Направление перемещения пара от компенсатора давления.

11. Направление перемещения запорного клапана 8 к баку-барботеру.

12. Трубопровод.

На фиг. 2 - схема распределения автоспектральной плотности мощности (АСПМ) пульсаций давления по контуру (реакторной установки) РУ серии В-320 при работе четырех главных циркуляционных насосов (ГЦН) на номинальных параметрах.

На фиг. 3 – график зависимости частот акустических стоячих волн (АСВ) в зависимости от длины трубопровода, заполненного паром, до ИПУ.

Способ предотвращения резонансного взаимодействия колебаний оборудования водо-водяных энергетических реакторов с акустически стоячими волнами реализуют следующим образом.

Диагностируют резонансное взаимодействие АСВ с вибрациями оборудования. Для этого измеряют сигналы пульсации давления и относительного и абсолютного перемещения.

Производят выбор необходимых сигналов и их многоканальную запись. На основании заранее выделенных диагностических признаков превышения заданного значения сигналов от датчиков давления и относительного и абсолютного перемещения осуществляют зафиксированную последовательность вычислительных процедур, тем самым обеспечивают автоматическую постановку диагноза относительно того, какую резонансную частоту требуется демпфировать. При этом заданные значения сигналов от датчиков давления, относительного и абсолютного перемещения, например, могут храниться в заранее созданной стартовой библиотеке.

Подают сигнал, соответствующий АСВ подавляемой резонансной частоты. Демпфируют нежелательное значение частоты АСВ тем, что изменяют длину трубопровода, заполненного паром, до величины L_х, способной демпфировать нежелательное значение частоты АСВ, при этом величину L_х определяют по формуле:

, (1),

где f_комб. - расчетная частота АСВ в компенсаторе давления с несколькими присоединенными трубопроводами,

a_ср.- скорость звука с учётом деформации труб и сжимаемости воды.

Устройство для реализации способа предотвращения резонансного взаимодействия колебаний оборудования водо-водяных энергетических реакторов с акустически стоячими волнами содержит датчики пульсации давления 1, относительного перемещения 2, абсолютного перемещения 3, подключенные к системе шумовой диагностики 4, которая в свою очередь соединена с электромагнитным приводом 6 запорного клапана 8 ИПУ. Запорный клапан 8 установлен внутри трубопровода 12. Электромагнитный привод смонтирован снаружи трубопровода 12. ИПУ включает в себя электромагнитный привод 6 и запорный клапан 8. Запорный клапан 8 выполнен с возможностью перемещения вдоль оси трубопровода 12 между компенсатором давления и баком-барбатером (см. фиг. 1).

Работа устройства основана на принципе действия цифровой акустической модели ядерного реактора, где ядерный реактор является автоколебательной системой, способной генерировать акустические волны с параметрами, не зависящими от начальных условий и определяемыми только свойствами самой акустической системы первого контура. Цифровая акустическая модель компенсатора давления, представленная в виде массы, висящей на двух соединенных пружинах, выступает в роли акустического фильтра, подавляющего колебания текучей среды в заданном диапазоне частот (см., например, статью Проскурякова К.Н. Создание цифровой акустической модели компенсатора давления атомной электрической станции с водо-водяным энергетическим реактором и её практическое применение // Вестник МЭИ. 2022. № 6. С. 126—127).

Компенсатор давления, представляет собой сосуд, подключенный к паропроводу ИПУ и рассматривается как резонатор Гельмгольца, способный гасить частоту АСВ, генерируемую реактором. Применение междисциплинарного подхода позволило доказать, что акустические свойства системы компенсации давления аналогичны свойствам системы, состоящей из нескольких одновременно функционирующих резонаторов Гельмгольца, каждый из которых генерирует одну АСВ. Эта частота зависит от температуры теплоносителя измеряемой с допустимой погрешностью, формирующей температурный диапазон истинных значений температуры теплоносителя в эксплуатационных режимах.

Частоты возникающих в реакторе АСВ соответствуют диапазону температур и давлений и также находятся в определенном диапазоне (см. фиг. 2).

Для подавления АСВ в определённом диапазоне частот с помощью электромагнитного привода 6 перемещают запорный клапан 8 для получения длины трубопровода, заполненного паром, L_х, необходимой для демпфирования заданной частоты АСВ (см. фиг.3). При этом изменяют объем пара внутри трубопровода и соответственно давление.

Устройство для реализации способа предотвращения резонансного взаимодействия колебаний оборудования водо-водяных энергетических реакторов с акустически стоячими волнами работает следующим образом.

Устройство подключают в первый контур ядерного реактора, например, ВВЭР-1000.

Измеряют сигналы пульсации давления и относительного и абсолютного перемещения для определения вибраций с помощью датчиков 1-3.

С помощью системы виброшумовой диагностики 4 производят выбор необходимых сигналов от датчиков пульсации давления 1, относительного перемещения 2 и абсолютного перемещения 3 и производят их многоканальную запись. На основании заранее выделенных диагностических признаков осуществляют зафиксированную последовательность вычислительных процедур. Обеспечивают автоматическую постановку диагноза относительно того, какую резонансную частоту требуется демпфировать (фиг. 3). Формируют сигнал на электромагнитный привод 6.

Исполнительным механизмом электромагнитного привода 6 запорного клапана 8 изменяют его положение для достижения длины трубопровода, заполненного паром, L_х, получая сигнал от системы виброшумовой диагностики 4.

При срабатывании ИПУ сброс пара (теплоносителя) осуществляется в бак-барботер по трубопроводу 12.

Устройство может содержать несколько ИПУ на соответствующем количестве включенных параллельно между компенсатором давления и баком-барбатером трубопроводах.

Использование изобретения позволяет повысить эффективность и расширить функциональные возможности способа предотвращения резонансного взаимодействия колебаний оборудования водо-водяных энергетических реакторов с акустически стоячими волнами и устройства для его реализации, расширяют арсенал технических средств.

Изобретение относится к средствам предотвращения резонансного взаимодействия колебаний оборудования водо-водяных энергетических реакторов с акустически стоячими волнами (АСВ). В способе измеряют сигналы пульсации давления и относительного и абсолютного перемещения, производят выбор необходимых сигналов и их многоканальную запись, обеспечивают автоматическую постановку диагноза относительно того, какую резонансную частоту необходимо демпфировать. Далее подают сигнал, соответствующий АСВ подавляемой резонансной частоты, демпфируют нежелательное значение частоты АСВ тем, что изменяют длину трубопровода, заполненного паром. Устройство содержит датчики пульсации давления, относительного перемещения, абсолютного перемещения, подключенные к системе шумовой диагностики, импульсное предохранительное устройство и установленный внутри трубопровода запорный клапан, соединенные с системой шумовой диагностики. Запорный клапан выполнен с возможностью перемещения вдоль оси трубопровода. Техническим результатом является повышение эффективности и надежности предотвращения резонансного взаимодействия колебаний оборудования водо-водяных энергетических реакторов с акустически стоячими волнами. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ предотвращения резонансного взаимодействия колебаний оборудования водо-водяных энергетических реакторов с акустически стоячими волнами (АСВ), заключающийся в том, что измеряют сигналы пульсации давления и относительного и абсолютного перемещения, производят выбор необходимых сигналов и их многоканальную запись, на основании заранее выделенных диагностических признаков осуществляют зафиксированную последовательность вычислительных процедур, тем самым обеспечивают автоматическую постановку диагноза, отличающийся тем, что в качестве диагностического признака используют превышения заданного значения сигналов от датчиков давления, относительного и абсолютного перемещения, автоматическую постановку диагноза обеспечивают относительно того, какую резонансную частоту необходимо демпфировать, подают сигнал, соответствующий АСВ подавляемой резонансной частоты, демпфируют нежелательное значение частоты АСВ тем, что изменяют длину трубопровода, заполненного паром, до величины L_х, способной демпфировать нежелательное значение частоты АСВ, при этом величину L_х определяют по формуле

,

где f_комб. - расчетная частота АСВ в компенсаторе давления с несколькими присоединенными трубопроводами,

a_ср. - скорость звука с учётом деформации труб и сжимаемости воды.

2. Устройство для реализации способа по п.1, содержащее датчики пульсации давления, относительного перемещения, абсолютного перемещения, подключенные к системе шумовой диагностики, отличающееся тем, что снабжено импульсным предохранительным устройством (ИПУ), включающим в себя электромагнитный привод, смонтированный снаружи трубопровода, и установленный внутри трубопровода запорный клапан, которые соединены с системой шумовой диагностики, при этом запорный клапан выполнен с возможностью перемещения вдоль оси трубопровода между компенсатором давления и баком-барбатером.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что может содержать несколько ИПУ на соответствующем количестве включенных параллельно между компенсатором давления и баком-барбатером трубопроводах.