Введение к работе
Актуальность
Развитие экономики России, выход промышленного производства на новые рубежи требуют развития энергетического комплекса опережающими темпами. В этой связи Правительством РФ принят ряд программ развития ядерной энергетики РФ, как наиболее прогрессивной в энергетической отрасли.
Производство тепловой и электрической энергии из ядерного топлива на атомных станциях (далее - АС) является наиболее высокотехнологичным, эффективным и экологически чистым из существующих в настоящее время технологий, позволяющих осуществлять генерацию электроэнергии в промышленных масштабах, несмотря на то обстоятельство, что по ряду признаков часть объектов АС является опасными производственными объектами, а производство - потенциально опасным.
Приоритетом эксплуатирующей АС организации является эффективное ведение технологического процесса при безусловном соблюдении критериев и принципов безопасности, что возможно достичь контролем и управлением техпроцессом только на основании достоверной измерительной информации об его параметрах и состоянии оборудования ядерной энергетической установки (далее - ЯЭУ) и энергоблока в целом. Контролируемых параметров и измеряемых величин - тысячи, точек отбора измерительной информации и средств измерений (в т.ч. измерительных каналов измерительных и информационных систем) - десятки тысяч на энергоблок АС. Для обеспечения эффективности и безопасности контроль и управление техпроцессом постоянно совершенствуются в соответствии с развитием науки и техники. Модернизируется штатное оборудование и вводятся новые точки контроля - измеряются новые параметры техпроцесса, недоступные для контроля ранее. Достоверность результатов измерений, необходимая для создания условий безопасной эксплуатации, обеспечивается в том числе дублированием (а порой и троированием) измерительной информации, ее избыточностью и замещением, использованием для контроля определенного параметра техпроцесса или состояния оборудования одновременно нескольких физических методов измерения, применением косвенных и совокупных методов измерений.
Для контроля течи теплоносителя ЯЭУ разработаны и введены в эксплуатацию автоматизированные системы с распределенными функциями измерений физических величин, совокупность которых характеризует своим поведением отсутствие/наличие течи и ее параметры. На энергоблоках АС с ЯЭУ - реакторными установками типа ВВЭР-1000 и 440 эксплуатируются системы контроля протечки теплоносителя первого контура (СКТТ), с РБМК-1000 - автоматизированные системы обнаружения течи теплоносителя (АСОТТ), которые контролируют наличие или отсутствие течи, а также производят оценку расхода теплоносителя через течь и координат места ее расположения. Учитывая важность этой проблемы, исследования и разработка автоматизированных систем обнаружения и контроля течи теплоносителя ЯЭУ ведутся во всех странах, обладающих ядерными производствами. В области разработки систем контроля и диагностики оборудования АС России (а также Украины, Литвы, Болгарии, Чехии, Словаки, Финляндии, Индии, Китая) большой вклад внесли А.А. Абагян, Е.П. Велихов, В.В. Клюев, В.А. Легасов, А.С. Штань, Б.В. Антонов, А.Ф. Гетман, Н.Н. Давиденко, Л.К. Исаев, Ю.Н. Козин, Н.Г. Рощин, Б.П. Стрелков, Б.М. Финкель, В.Г. Фирстов, В.М. Шевченко. Также хорошо известны работы G. Bartholome, R. Keskinen, R. Olson, S. Rahman, J. Zdarek.
Повышение эффективности способов обработки измерительной информации о текущих значениях физических величин, получаемой от первичных измерительных преобразователей по измерительным каналам систем диагностики, описания физическими и математическими моделями течи теплоносителя, ее возможного наличия и оцененных значений параметров, представляет актуальную составляющую проблемы обеспечения безопасной эксплуатации АС.
Государственная значимость этой проблемы установлена Федеральными законами
от 21 ноября 1995 года № 170-ФЗ «Об использовании атомной энергии», от 9 января 1996 года № 3-ФЗ «О радиационной безопасности населения», Федеральной целевой программой «Развитие атомного энергопромышленного комплекса России на 2007 - 2010 годы и на перспективу до 2015 года», подпрограммами по безопасности и развитию атомной энергетики, энергетической стратегией России на период до 2020 года. Цель и задачи
Целью диссертационной работы является повышение надежности и безопасности эксплуатации атомных станций за счет повышения эффективности оценки температурных полей в контролируемых помещениях энергоблока АС при обнаружении и контроле течи теплоносителя.
Достижение поставленной в диссертационной работе цели обеспечивается решением следующих задач:
проведение системного анализа состояния методов и средств контроля течи теплоносителя энергоблоков АС;
построение и исследование распределения, обобщающего нормальное и экспоненциальное, и обоснование возможности его использования при контроле течи теплоносителя;
разработка методов применения экспоненциально-нормального распределения для оценки параметров распределений данных температурного контроля при обнаружении и контроле течи теплоносителя;
исследование температурного режима и распределений результатов температурных измерений в контролируемых помещениях энергоблока с реакторной установкой РБМК-1000;
проведение мониторинга системы метрологического обеспечения неразрушающего контроля и диагностики АС и разработка комплекса нормативной, технической и методической документации в данной области.
Научная новизна:
предложен новый метод функциональной обработки данных стохастических процессов работающего энергоблока, основанный на экспоненциально-нормальном распределении, и разработан математический аппарат его применения для оценки параметров, контролируемых системами обнаружения течи теплоносителя;
впервые обоснована возможность и показана эффективность применения экспоненциально-нормального распределения в полномасштабных системах обнаружения и контроля течи теплоносителя;
на основе экспоненциально-нормального распределения разработана математическая модель составляющих температурного состояния с учётом динамики и переходных состояний в контролируемых помещениях при различных режимах работы основного оборудования энергоблока;
разработан и обоснован метод анализа сложных, многофакторных процессов, характеризующих температурный режим в контролируемых помещениях энергоблока АС, основанный на представлении их смесью экспоненциально-нормальных функций распределения. Практическая значимость работы:
проведена разработка и апробация методов экспоненциально-нормального распределения в системах обнаружения и контроля течи теплоносителя;
предложены методы практического применения экспоненциально-нормального распределения при контроле течи теплоносителя: графический метод построения и оценки параметров и метод аппроксимации с сохранением математического ожидания, дисперсии и асимметрии распределения данных;
предложен и апробирован способ ранней идентификации события в подсистемах контроля температуры и влажности;
разработана и введена в действие на АС комплексная система метрологического обеспечения неразрушающего контроля и диагностики АС;
разработана и введена в действие впервые на АС система первичной калибровки средств неразрушающего контроля и измерительных каналов систем диагностики.
Практическая значимость разработанной системы метрологического обеспечения отмечена в 2010 году золотой медалью Федерального агентства по техническому регулирования и метрологии «За большой вклад в работы по метрологическому обеспечению безопасности эксплуатации атомных станций». Методы исследования
В диссертационной работе использованы: термодинамика, термометрия, методы математического анализа, математическое моделирование, специальные функции, теория вероятностей и математическая статистика, включая параметрические методы и теорию случайных процессов, теоретическая и законодательная метрология. Достоверность результатов работы Достоверность результатов работы подтверждена:
соответствием результатов проведенных исследований фактическим данным контроля и обнаружения течи теплоносителя, полученным в условиях работающего энергоблока, и результатам моделирования, известным из литературных источников;
результатами применения разработанных методов экспоненциально-нормального распределения к данным температурного контроля разных подсистем при обнаружении и контроле течи теплоносителя различных энергоблоков;
результатами проверки методов, разработанных для температурного контроля АС с реакторной установкой РБМК-1000, применением к данным контроля влажности АС с реакторной установкой ВВЭР-1000.
Реализация и внедрение результатов работы
Результаты диссертационной работы реализованы в системах обнаружения и контроля течи теплоносителя, эксплуатируемых на энергоблоках КуАЭС, ЛАЭС и НВАЭС и внедрены на всех АС РФ в системе метрологического обеспечения неразрушающего контроля и диагностики. Основные положения, выносимые на защиту:
- результаты исследования распределений составляющих температурного состояния с
учётом динамики и переходных состояний в контролируемых помещениях при различных
режимах работы основного оборудования энергоблока и математическая модель темпера
турных состояний, основанная на экспоненциально-нормальном распределении;
методы обработки результатов измерений и описания флуктуирующих и многофакторных состояний с использованием экспоненциально-нормального распределения и обоснование эффективности их применения при обработке данных температурного контроля для обнаружения и контроля течи теплоносителя в условиях работающего энергоблока;
метод анализа сложных, многофакторных процессов, характеризующих температурный режим в контролируемых помещениях энергоблока АС, представлением их смесью экспоненциально-нормальных функций распределения;
графический метод построения и оценки параметров экспоненциально-нормального распределения и метод аппроксимации экспоненциально-нормальным распределением с сохранением математического ожидания, дисперсии и асимметрии распределения для контроля течи теплоносителя;
комплексная система метрологического обеспечения неразрушающего контроля и диагностики АС.
Апробация
Основные результаты работы доложены и обсуждены на XV Российской научно-технической конференции «Неразрушающий контроль и диагностика» (Москва, 1999), II Международной конференции «Безопасность, эффективность и экономика атомной энергетики» (Москва, 2001), III Международной конференции «Диагностика трубопроводов» (Москва, 2001), VI Международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики, экономики и права» (Москва, 2003), III международной специализированной выставке-конференции приборов и оборудования для промышленного неразрушающего контроля и технической диагностики
«Промышленный неразрушающий контроль NDT» (Москва, 2004), II Московском международном симпозиуме метрологов (Москва, 2010), отраслевых и подотраслевых, в т.ч. с международным участием, конференциях и совещаниях по измерениям, контролю и диагностике, метрологическому обеспечению в системе Росатома (1998-2010). Личный вклад автора
Исследование экспериментальных данных и их обработка, разработка математического аппарата экспоненциально-нормального распределения и обоснование его применения для повышения эффективности контроля течи теплоносителя, а также методических документов по первичной калибровке систем диагностики выполнены автором самостоятельно. Автор принимал непосредственное участие в разработке приложений экспоненциально-нормального распределения, испытаниях и первичной калибровке (метрологической аттестации) измерительных каналов подсистем влажности, акустического, температурного и аэрозольного контроля полномасштабных систем обнаружения и контроля течи теплоносителя, а также разработке комплексной системы метрологического обеспечении неразрушающего контроля и диагностики АС, подсистемы калибровки для АС, процедуры первичной калибровки и методического обеспечения систем оперативной диагностики. Публикации
Всего по теме диссертации опубликовано 15 печатных работ, из которых: в журналах, рекомендованных ВАК - 7, в зарубежных научных изданиях - 3; выпущено 15 нормативных и методических документов. Список опубликованных работ приведен в приложении. Структура и объем диссертации
