Оптимизация структуры информационно-измерительной системы при модернизации системы централизованного контроля «СКАЛА» на энергоблоках второй очереди Ленинградской АЭС

В Советском Союзе начиная с 1960 года было введено более 40 энергоблоков АЭС с реакторными установками в основном двух типовРБМК (реактор большой мощности канальный) и ВВЭР (водо-водяной энергетический реактор). Реакторы РБМК с момента своего появления имели мощность 1000 МВт, за исключением двух энергоблоков на Игналинской АЭС с электрической мощностью 1500 МВт. Реакторы типа ВВЭР до 1980 года имели мощность 440 МВт, и только начиная с 1980 года достигли производительности РБМК.

Все реакторные установки, построенные в те годы, имели назначенный срок службы 30 лет. Однако по мере истечения этого срока при проведении обследований выяснилось, что незаменяемые элементы своего ресурса не исчерпали, а напротив, сохраняют его еще как минимум на 15−20 лет. Это позволяет после выполнения ряда мероприятий, направленных на приведение в соответствие уровня безопасности энергоблоков требованиям современной нормативной базы, продлевать срок их эксплуатации. Таким образом, в Российской Федерации уже был продлен срок службы трех энергоблоков с реактором типа РБМК и четырех энергоблоков с реактором типа ВВЭР.

Продление сроков службы действующих энергоблоков, с учетом их реального состояния, является одним из важнейших мероприятий, направленных на обеспечение энергетической безопасности Российской Федерации. Не секрет, что после аварии в Чернобыле темпы ввода новых блоков в Советском Союзе существенно снизились, примерно до 2 блоков за два года (причем сейчас их подавляющее большинство оказалось с ближнем зарубежье, т. е. для России этот показатель составляет 1 блок за два года), против 3−4, вводимых за такой же срок в период с 1980 по 1986 годы, а после 1991 года строительство по сути дела прекратилось. Поэтому, если срок службы действующих блоков не продлевать, к 2015 году Российская.

Федерация останется без атомной энергетики и лишится 15% от общего объема производимой электроэнергии. Принимая во внимание, что потребности человечества в электричестве неуклонно возрастают, потеря такого объема мощностей является катастрофой. Кроме того, эти мощности расположены, как правило, в районах, где нет достаточных запасов органического топлива, т. е. нет альтернативных источников энергии. В случае с реакторами РБМК зачастую отсутствуют и водные ресурсы, пригодные для сооружения мощных гидроэлектростанций. Таким образом, мероприятия по продлению службы действующих энергоблоков АЭС являются одним из элементов, обеспечивающих стабильность экономического развития России.

Особое значение эти мероприятия имеют на энергоблоках АЭС с реакторной установкой типа РБМК-1000[1]. Эти реакторы как объекты управления имеют одну отрицательную особенность — положительную обратную связь по плотности теплоносителя (или, с точки зрения физиков, положительный паровой коэффициент реактивности), т. е. при повышении мощности реактора повышается паросодержание, вносится положительная реактивность, и цепная реакция в реакторе при отсутствии каких-либо других воздействий будет нарастать, что приведет к дальнейшему повышению мощности реактора. При неконтролируемом повышении мощности происходит интенсивное тепловыделение, которое в конечном итоге может привести к разрушению технологических каналов реактора и выбросу радиоактивных веществ в окружающую среду. Поэтому в реакторе РБМК очень важна роль защитных систем, которые осуществляют регулирование уровня мощности, аварийный останов реактора, а также аварийное охлаждение остановленного реактора в аварийных режимах.

При этом не все параметры, характеризующие пределы безопасной эксплуатации, доступны к измерениям. Поэтому на РБМК очень большое значение имеют расчетные параметры, такие как мощность каждого технологического канала, коэффициент запаса до предельно-допустимой мощности по кризису теплообмена каждого технологического канала, температура графитовой кладки, тепловая мощность реактора, оперативный запас реактивности настержнях СУЗ. В связи с этим на всех энергоблоках с реакторной установкой типа РБМК всегда эксплуатировалась система СКАЛА, выполнявшая, помимо, прочих и задачу, связанную с вычислением указанных выше параметров.

Актуальность проблемы. Опыт эксплуатации АЭС, накопленный в 70−80-ые годы, и последовавшее за этим ужесточение требований в нормативной базе поставили новые задачи, связанные с повышением оперативности и качества контроля за состоянием реактора и представления информации оперативному персоналу, управляющему энергоблоком, с использованием достаточно сложных алгоритмов вычислений, включая оперативные нейтронно-физические расчеты. Мощностей системы СКАЛА, эксплуатировавшейся в то время на АЭС с реактором типа РБМК-1000, для этого было недостаточно, поэтому ее глубокая модернизация вошла в число мероприятий, выполняемых для повышения безопасности энергоблоков АЭС с реактором типа РБМК-1000 [2].

Кроме того, модернизация СЦК СКАЛА является обязательным мероприятием для продления срока службы действующих блоков с РБМК, а само продление обеспечивает устойчивость энергетического комплекса Российской Федерации в ближайшие 15−20 лет [5].

Идея работы. Применив положительный опыт, накопленный при модернизации СЦК СКАЛА на блоках первого поколения и для снижения общей стоимости работ по модернизации, максимально использовать уже имеющееся на ЛАЭС оборудование фирмы «Вестингауз».

Целью работы является:

• внедрение системы «Скала-микро (МЕ)>> для повышения уровня безопасности энергоблоков второй очереди Ленинградской АЭС;

• сравнительный анализ функциональных характеристик различных вариантов модернизации СЦК СКАЛА на блоках второй очереди.

Ленинградской АЭС;

• анализ проектных и структурных решений, примененных при модернизации СЦК СКАЛА на блоках первого поколения с реактором типа РБМК-1000, для оптимизации структуры системы на блоках второго поколения Ленинградской АЭС.

Научная новизна. Научная новизна работы состоит в том, что:

• Впервые выполнена адаптация программно-технических средств корпорации «Вестингауз» для их применения при модернизации СЦК СКАЛА;

• Впервые выполнен сравнительный анализ вариантов модернизации СЦК СКАЛА на основе систем «Скала-микро» и «Скала-МЕ», учитывающий опыт эксплуатации системы «Скала-микро» в 20 022 006 годах;

• Впервые выполнено исследование структурных и проектных решений, использованных в системе «Скала-микро» при ее внедрении на энергоблоках первого поколения с реактором типа РБМК-1000, и на основе I этого анализа разработаны решения, которые позволили оптимизировать г структуру системы «Скала-микро (МЕ)>> без потери функциональности.

Практическая значимость. Практическая значимость работы состоит I.

1 в следующем:

• Внедрение системы «Скала-микро (МЕ)» на блоках второго поколения Ленинградской АС является необходимым мероприятием,.

I позволяющим привести уровень безопасности энергоблоков в соответствие современным нормам и правилам и обеспечивающим возможность продления срока службы блоков сверх 30 лет;

• Применение программно-технических средств корпорации «Вестингауз» позволило уменьшить стоимость работ по реконструкции СЦК СКАЛА как минимум в полтора раза;

• Структурные и проектные решения, полученные при выполнении работы, в основном будут использованы при модернизации СЦК СКАЛА на блоках второго поколения Курской АЭС и на Смоленской АЭС.

Внедрение результатов.

• Система «Скала-микро (МЕ)» внедрена и находится в эксплуатации на блоке № 3 Ленинградской АЭС;

• По планам концерна «Росэнергоатом», модернизация СЦК СКАЛА на блоке № 4 Ленинградской АЭС должна быть завершена в декабре 2009 года.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Структура комплекса ввода сигналов объекта системы «Скала-микро (МЕ)», реализованная на базе программно-технических средств корпорации «Вестингауз».

2. Структура подсистемы контроля расхода воды, реализованная с применением модернизированных технических средств, что позволило сократить практически вдвое состав применяемого оборудования.

3. Структура подсистемы. технологической сигнализации, обеспечивающая повышенную надежность представления на БЩУ информации об отклонениях по расчетным параметрам и по параметрам, контролируемым КСКУЗ, по сравнению с базовым проектом.

4. Структура локальной сети верхнего уровня, состав которой оптимизирован исходя из задач, решаемых отдельными устройствами.

Апробация результатов. Основные результаты работы докладывались и обсуждались в двух выступлениях на 5-ой международной научно-технической конференции «Безопасность, эффективность и экономика атомной энергетики», на производственном совещании в Кризисном центре концерна «Росэнергоатом» и на двух заседаниях НТС ФГУП «НПП ВНИИЭМ».

По результатам диссертационной работы опубликовано 8 научных трудов, в том числе 5 статей, 2 технических отчета, одно техническое задание.

Личный вклад автора.

Автор лично разрабатывал основные решения по.

• структуре локальной сети верхнего уровня в составе системы «Скала-микро (МЕ)»;

• организации сигнализации отклонений по расчетным параметрам и по параметрам, контролируемым КСКУЗ.

Кроме того, автор принимал участие в разработке Технического задания на систему «Скала-микро (МЕ)» и ее составные части.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, трех глав основного текста с выводами по каждой из них, заключения, списка сокращений, приложения, списка использованной литературы, списка рисунков и списка таблиц. Работа содержит 160 листов, 6 рисунков, 10 таблиц.

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 3.

В результате работы по анализу проектных и структурных решений, имевших место при модернизации СЦК СКАЛА на блоках первого поколения, был предложен ряд мероприятий, направленных, на оптимизацию структуры системы, предназначенной для модернизации СЦК СКАЛА на блоках второй очереди Ленинградской АЭС.

К их числу относятся:

• Применение в составе системы для сбора и первичной обработки информации программно-технических средств корпорации «Вестингауз», что позволило обеспечить автоматический ввод резерва при отказе отдельного узла и устранить недостатки, связанные с приемом температурных параметров в составе системы «Скала-микро». Применение программно-технических средств WDPF обеспечивает дублированный ввод всех параметров с циклом не более 1с (в «Скале-микро» для температурных параметров цикл обработки температурных параметров составляет не менее 2 с). Общее число печатных узлов при этом составляет 729 против 1880, применяемых для приема такого объема информации в «Скале-микро».

• Переход на прием сигналов отклонений от КСКУЗ и сигналов отклонений по расчетным параметрам в комплекс КИС по цифровым каналам связи. Это позволило, во-первых, повысить надежность выполнения функции сигнализации от КСКУЗ за счет улучшения диагностируемости каналов связи, и во-вторых, повысить защищенность от отказа по общей причине функции сигнализации отклонений по расчетным параметрам.

• Доработка модуля контроля расхода с увеличением его канальности с 8 до 11 позволило существенно уменьшить состав оборудования, применяемого в системе КРВ — с 48 до 28 на один шкаф при сохранении общего числа шкафов.

• Перераспределение задач между отдельными рабочими станциями в составе ЛСВУ позволило сократить число рабочих станций с 18 до 12.

— 147.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Настоящая работа показала, что проектные и технические решения, примененные при модернизации СЦК СКАЛА на блоках второго поколения Ленинградской АЭС, не просто отвечают требованиям, выдвинутым концерном «Росэнергоатом» к исполнителям работ на этих объектах, но и являются дальнейшим развитием работ по модернизации СЦК СКАЛА на всех блоках АЭС с реакторной установкой типа РБМК-1000.

Система «Скала-микро (МЕ) имеет все отличительные признаки и свойства, характерные для современных информационных систем для АЭС, а именно:

• Классификационное обозначение ЗН по ОПБ-88/97 и ЗНКЗ по НП-026−04. Система реализована в виде распределенной вычислительной сети. Устройства, осуществляющие сбор и первичную обработку информации, выполнены на программно-технических средствах VDPF, с применением собственных протоколов обмена по цифровым каналам связи. Устройства, осуществляющие расчет и представление информации, выполнены с использованием персональных ЭВМ в промышленном исполнении и используют стандартные протоколы обмена.

• Устройства внутри системы работают в едином времени.

• Для проектирования системы на всех уровнях использован САПР.

• Система имеет развитую самодиагностику, время обнаружения неисправности и перехода на резервный канал минимально.

• Для отображения информации на БЩУ используются двухмониторные рабочие станции, с возможностью индивидуальной настройки каждого рабочего места.

Система «Скала-микро (МЕ)» по своим функциональным свойствам превосходит систему «Скала-микро», внедренную на блоках первого поколения в 2002;2006 годах, таким образом обеспечивая выполнение современных требований к показателям функционирования информационноизмерительной системы на энергоблоке АЭС с реакторной установкой типа РБМК-1000- направленных на обеспечение безопаснойэксплуатации энергоблока.

К числу основных функций, выполняемых системой «Скала-микро (МЕ)>>- относятся:

• прием? информации о ходе: технологического процесса от внешних: систем с выдачей сигнализации на базовую информационную? модель энергоблока;

• оперативные и неоперативные расчеты параметров" реакторной: установки;

• периодическая регистрация предыстории и развития аварийных ситуаций- • контроль канальных параметров (расход воды, температура газа, мощность ТК, температура графита и т. д.) с представлением информации намнемотабло-. запись уставок сигнализации- •.

• контроль оперативного запаса! реактивности: на стержнях СУЗ • с выдачей на индивидуальное табло, самописец и цифровой прибор;

• представление информации на* мониторах, рабочих станций отображения;

• передача данных в общестанционную сеть.

В результате внедрения системы «Скала-микро (МЕ)>> существенно повышены эксплуатационная надежность и качество контроля энергоблока, в том числе:

• > обеспечена* толерантность системы к одиночнымотказам, включая потерю одного из вводов энергопитания;

• сохранены существующие кабельные присоединения: при замене устройств нижнего у ровня;

• обеспечен оперативный обмен информации с: новой системой управления и защиты реактора (двухкомплектной" КСКУЗ) по цифровому каналу связи;

• обеспечен прием информации непосредственно от датчиков расхода воды в каналах реактора с исключением промежуточных преобразователей;

• существенно повышена оперативность контроля измеряемых параметров — период контроля поканальных расходов воды снижен до 2 с (вместо 60), температурных параметров до 1 с (вместо 60), индивидуальных аналоговых параметров до 1 с (вместо 10) и дискретных параметров до 0.5с (вместо 10);

• реализован оперативный контроль трехмерного энергораспределения реактора с циклом 5 с (ранее цикл контроля двумерного энергораспределения составлял 5 мин);

1 о реализована развитая система информационной поддержки операторов энергоблока с применением индивидуальных (двухэкранные рабочие станции отображения) и коллективных (экран коллективного пользования) средств представления информации;

• расширен объем и увеличена разрешающая способность системы диагностической регистрации (количество контролируемых параметров увеличено в 2−3 раза, существенно возросла глубина архивирования).

В работе показаны основные особенности системы «Скала-микро (МЕ)», отличающие ее от базового варианта, внедрявшегося на блоках первого поколения. К их числу относятся:

• Использование для сбора данных программно-технических средств корпорации «Вестингауз». Это позволило уйти от двух недостатков, которые имеет система «Скала-микро» — наличие зоны нечувствительности при приеме температурных параметров и отсутствие автоматического ввода резерва при отказе основного канала. Кроме того, схема дублирования на уровне процессорных модулей позволила серьезно сократить количество устройств сопряжения, использованных в системе и вместе с тем отказаться от логического дублирования ввода температурных параметров, в отличии от «Скалы-микро».

• Оптимизация подсистемы контроля расхода воды. В основу оптимизации, по сути, положен новых модуль, принимающий сигналы от расходомеров, позволяющий принимать вместо 8 каналов 11. С учетом того, что один раздаточно-групповой коллектор обеспечивает охлаждение 22 каналов, автор показал, что количество модулей в подсистеме практически уменьшилось наполовину.

• Переход на прием отклонений от КСКУЗ для выдачи на световую сигнализацию по цифровому каналу. Тем самым уменьшилось количество оборудования в КСКУЗ, т.к. исключены преобразования из цифрового вида в двухпозиционный сигнал и обратно, и повышена надежность этой функции, т.к. отказ любого элемента при наличии цифрового канала связи практически сразу обнаруживается либо «Скалой-микро (МЕ)», либо КСКУЗ. Таким образом, время обнаружения неисправности сведено к 1−2 секундам.

• Изменение структуры локальной сети верхнего уровня за счет отказа от автономного регистратора и изменения структуры приема информации от подсистемы контроля расхода воды, что позволило уменьшить число рабочих станций в полтора раза при сохранении функциональности.

Таким образом, вариант «Скала-микро (МЕ)>>, реализованный на блоках второго поколения Ленинградской АЭС, позволил применить все лучшее, что было реализовано на других энергоблоках АЭС с реакторной установкой типа РБМК-1000 в 2002;2006 годах. Большая часть результатов, полученных в результате работы, будет использована при реконструкции блоков второго поколения Курской АЭС, а также на Смоленской АЭС.

Структурные решения, приведенные в настоящей работы, успешно прошли приемочные испытания, подтвердившие их соответствие требованиям к информационно-измерительным системам, при сдаче в эксплуатацию блока № 3 Ленинградской АЭС в мае 2008 года, на конец 2009 года внедрение подобной системы запланировано на блоке № 4 Ленинградской АЭС. Срок службы обоих блоков будет продлен на 20 лет, что является серьезным вкладом в обеспечение энергетической безопасности Российской Федерации.