Система определения протечек главного циркуляционного контура АЭС

Особое место в обеспечении безопасности энергетических установок на базе ВВЭР занимают вопросы обеспечения безопасности главных циркуляционных трубопроводов (ГЦТ) и трубопроводов подключения к ним вспомогательных систем, на долю которых приходится, по статистике, 59% отказов, потенциально ведущих к разрушению активной зоны реактора [1].

Главный циркуляционный контур (ГЦК) представляет собой систему трубопроводов (ГЦТ и трубопроводов подключения к ним вспомогательных систем), мощных циркуляционных насосов (ГЦН), теплообменников, запорной и регулирующей арматуры. Именно насосами этого контура относительно холодная вода (в среднем 285 °С) подается под давлением в 16 МПа в атомный реактор, где нагревается до температур 315 °С. Теплоноситель ГЦТ, проходя через теплообменники, нагревает воду второго контура до парообразного состояния; полученный пар приводит во вращение турбогенератор.

Указанные напряженные режимы по температуре и давлению в циркуляционном контуре могут быть причиной появления протечек радиоактивной воды из контура в помещения станции. Поскольку факторов, ведущих к протечкам очень много (ослабление фланцевых соединений, потеря упругости прокладками, развитие скрытых дефектов в металле и сварочных швах и т.д.), то важным элементом защиты циркуляционного контура является обнаружение протечек на ранней стадии их появления.

Опасность представляют уже относительно небольшие течи теплоносителя из ГЦК, поскольку вытекающий теплоноситель приводит к потере теплоносителя в циркуляционном контуре и к появлению и последующему снижению уровня воды в ядерном реакторе, что может привести к осушению активной зоны реактора и её разрушению. Кроме того, появляется опасность мгновенного разрушения повреждённого элемента с теми же последствиями. Из сказанного становится понятно то внимание, которое уделяется системам контроля утечек в ГЦК.

На рисунке 1 показаны места размещения датчиков системы контроля протечек (условно обозначены черными точками) [3].

В настоящее время атомные станции оснащаются системами контроля двух типов: микрофонными системами контроля утечек воды, которые анализируют изменение шумов в контролируемых помещениях. Недостаток подобных систем - низкая чувствительность; реально работающие системы уверенно обнаруживают утечки при расходе воды их контура в 1000 кг/час [4]. Более чувствительными являются системы на основе гигрометров, измеряющих влажность воздуха в помещениях. Однако подобные системы общепромышленного назначения («Волна», «Роса» и т.д.) также не удовлетворяют требованиям АЭС. Дело в том, что общепромышленные гигрометры предполагают ежеквартальный демонтаж датчиков и перекалибровку систем по газовым смесям с образцовым влагосодержанием.

Все попытки введения автоматической калибровки гигрометров сводятся к калибровке электронной части каналов измерения (см., например, [5], [6]), очень слабо влияющей на общую погрешность измерительных каналов, поскольку главный источник погрешности - сенсор влажности - остается вне калибровочных процедур.

Предлагаемое решение проблемы ранней диагностики протечек заключается во введении в измерительный канал гигрометра блока автокалибровки, охватывающего весь измерительный канал, включая сенсор влажности [7]. Автокалибровка выполняется по такому алгоритму, что снижает погрешности измерения влажности на порядок и исключает долговременную нестабильность показаний гигрометра.

Согласно патенту [7], структурная схема имеет следующий вид (рисунок 2): гигрометр содержит микрокомпрессор 1, подающий газ из исследуемого помещения через проточный микрохолодильник 2 в измерительную камеру гигрометра 4. Температура газа на выходе микрохолодильника измеряется каналом измерения, на базе термометра сопротивления 3. В измерительной камере 4 установлены сенсор влажности и второй термометр сопротивления, информация которых обрабатывается микроконтроллером 5 и выдается потребителю результатов измерения. Микроконтроллер 5 связан с автоматическим регулятором температуры 6, обеспечивающим управление работой холодильного элемента 8 (элемент Пельтье) через усилитель мощности 7.

Канал измерения имеет два режима функционирования: режим измерения и режим калибровки.

В режиме измерения микрохолодильник не работает и протекающий сквозь него газ не изменяет своей температуры и влажности. Данные сенсора влажности и температуры по стандартным методикам преобразуются в микроконтроллере 5 во влагосодержание G_ij с размерностью °С по точке росы (°С_т.р.); i - номер измерения в j - том цикле калибровки. Далее к результату преобразования G_ij алгебраически добавляется из памяти поправка ΔG_j (появление поправки объясняется ниже). Из окончательного результата измерений G_i = G_ij + ΔG_i исключено 90% погрешности всего измерительного канала гигрометра.

В режиме калибровки определяется значение поправки ΔG_j. С указанной целью периодически (раз в неделю или в сутки), останавливается режим измерения и включается система автоматического регулирования, которая выполняет следующие процедуры: из последнего перед калибровкой результата измерений влажности газа G(t) вычитает паспортное значение погрешности гигрометра δ: G_к = G(t) - δ. Значение G_к, выраженное в любых единицах влажности, отличных от температуры точки росы, преобразуется (по гигрометрическим таблицам или формуле Магнуса) в значение G_тр с размерностью °С _т.р. и оно является задатчиком для системы регулирования температуры микрохолодильника, поступающее на один вход регулятора 6. На второй вход регулятора 6 подается сигнал с датчика температуры 3 газа Т_Г, прокачиваемого через микрохолодильник 2.

В регуляторе 6 вычисляется текущая ошибка регулирования ΔТ из выражения: ΔТ = Т_Г - G_mp, которая охлаждением газа сводится к нулю. В итоге на выходе холодильника 2 получается газ с известным значением влажности (погрешность не превышает погрешности контура регулирования температуры, которая, при правильно спроектированной системе регулирования, не превышает 0,2 °С).

При достижения условия ΔТ = 0 с платы регулятора 6 в микроконтроллер 5 поступает сигнал на выполнение калибровочных измерений. При этих измерениях получается ряд значений влажности (для статистического усреднения; впрочем, тот же алгоритм реализуется при получении одного измерения - просто будет несколько большая погрешность поправки). В итоге в микроконтроллере оказывается значение калибровочной влажности G_Kj в j - том цикле калибровки. Разность калибровочной влажности G_Kj и задатчика G_mp определит значение поправки ΔG_j = G_Kj - G_mp, вносимой в результаты прямых измерений до следующего цикла калибровки.

После получения значения поправки ΔG_j по команде микроконтроллера 5 регулятор 6 и микрохолодильник отключаются, гигрометр переходит в режим измерений, описанный ранее.

Отличительная особенность метода калибровки (кроме того, что в нее входят все измерительные преобразователи гигрометра), заключается в его селективности - поправка вносится в ту область градуировочной характеристики измерительного канала, в которой выполняются измерения. В следующем цикле калибровки измеряемое значение влажности может принять другое значение, тогда и поправка, соответственно, будет получена для нового участка градуировочной характеристики. Следовательно, частота выполнения калибровочных процедур будет определяться динамикой процессов диффузии влаги и конвекции в измеряемом помещении; обычно это довольно медленные процессы на начальной стадии появления протечек.

Последнее существенное обстоятельство, на которое целесообразно указать, это совмещение процедур автокалибровки с процедурами диагностики работоспособности измерительного канала.

Предлагаемый гигрометр позволяет выявлять с высокой достоверностью протечки воды (или пара) на начальных стадиях их появления в помещениях с радиационной ионизацией воздуха.

Рассмотрим в виде примера следующую ситуацию. В помещении объемом 75 м³ расположена часть трубопровода с арматурой главного циркуляционного контура. Исходная влажность воздуха составляет 15°С т.р., что при заданном объеме, согласно гигрометрическим таблицам, соответствует наличию в помещении водяных паров массой 0,96 кг. В течение одного часа влажность изменилась на 1°С, т.е. стала 16°С по точке росы. Указанное изменение влажности гигрометр фиксирует с высокой степенью достоверности. Это означает, что изменение влажности не может быть вызвано и, соответственно интерпретировано, как случайная погрешность измерения или как результат долговременного дрейфа погрешности гигрометра, поскольку автокалибровка гигрометра и применение статистических методов (например, робастных) обработки результатов измерения исключает подобные события.

Следовательно, за час увеличение влажности было вызвано увеличением массы пара в объеме от 0,96 кг до 1,02 кг. Это означает, что гигрометр обнаружил протечку с расходом 0,06 кг/час.

Если объем помещения в 10 раз больше и датчик гигрометра один на все помещение, то протечка будет установлена при расходе 0,6 кг/час. В любом случае полученные величины не сопоставимы с акустическими методами, упомянутыми выше [4], достоверно срабатывающие при появлении протечек с расходом 1000 кг/час.

Приведенный расчет чувствительности, конечно, оценочный. Реальные характеристики предлагаемой системы измерения влажности будут известны после окончания работ по оценке метрологических характеристик с учётом динамики климатических свойств помещений ГЦК и динамики развития повреждений ГЦТ.

Поскольку в системе использован серийный датчик влажности, включающий сенсор влажности и термометр сопротивления, то все усилия в процессе работы над макетным образцом системы были направлены на разработку конструкции микрохолодильника и контура автоматического регулирования влажности газа. Результаты выполненных работ подтвердили достижимость заявленных характеристик гигрометра.