Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Особенности измерений уровня гидростатическим способом 19
1.1 Общие особенности организации измерений уровня гидростатическим способом на АЭС 19
1.2 Исследование влияния смещений шкал измерений по отношению друг к другу и к фактической базе уровнемера 25
1.3 Исследование влияния неизмеряемых теплофизических характеристик среды на систематическую погрешность измерений 31
ГЛАВА 2. Алгоритм обработки измерительных сигналов гидростатических уровнемеров для решения задач корректировки показаний 37
2.1 Задача корректировки показаний 37
2.2 Выполнение корректировки показаний на фактическую базу ИК уровня по «холодной» шкале 39
2.3 Вывод математических зависимостей для расчета поправочных коэффициентов на «горячую» шкалу 40
2.4 Выполнение корректировки показаний за счет введения поправочных коэффициентов на «горячую» шкалу 45
ГЛАВА 3. Термоинерционный датчик для повышения точности расчетов поправочных коэффициентов гидростатических уровнемеров 51
3.1 Метод определения поправочных коэффициентов для показаний
гидростатических уровнемеров по результатам дискретных измерений уровня 51
3.2 Альтернативные способы измерения уровня жидких сред 53
3.3 Проблематика приборостроения в части термоинерционных уровнемеров 55
3.4 Принцип работы предлагаемого термоинерционного уровнемера 59
3.5 Математическая модель тепломассопереноса для оценки минимального размера шага дифференциальных термопар 63
3.6 Верификация 66
3.7 Моделирование нестационарного теплового поля в условиях поставленной задачи 67
3.8 Оценка области применения датчика 69
3.9 Схемотехнические исполнения термоинерционного уровнемера 69
3.10 Конструктивные исполнения погружного зонда датчика 77
3.11 Применение термоинерционного датчика в задачах повышения точности коррекции показаний гидростатических уровнемеров 84
ГЛАВА 4. Применение алгоритма обработки измерительных сигналов в задачах метрологической диагностики 88
4.1 Задача метрологической диагностики/on-line мониторинга 88
4.2 Математическая модель виртуального датчика уровня
4.3 On-line диагностика на основе моделирования показаний виртуального датчика 96
4.4 Статистический метод on-line диагностики, основанный на составлении градуировочных характеристик с учетом влияющих факторов 99
4.5 Проверка статистического метода on-line диагностики на тестовых примерах 106
4.6 Практический эффект от реализации методов on-line диагностики на АЭС 111
Заключение 114
Список сокращений и условных обозначений 117
Словарь терминов 119
Список литературы 122
- Исследование влияния смещений шкал измерений по отношению друг к другу и к фактической базе уровнемера
- Выполнение корректировки показаний на фактическую базу ИК уровня по «холодной» шкале
- Проблематика приборостроения в части термоинерционных уровнемеров
- On-line диагностика на основе моделирования показаний виртуального датчика
Введение к работе
Актуальность тематики. Целесообразность исследования вызвана
тем, что до настоящего времени в области коррекции показаний
гидростатических уровнемеров использовались методы, которые
обеспечивали достоверность измерений уровня преимущественно только для номинальных значений характеристик рабочей среды. В то же время с учетом международных проектов МАГАТЭ: SPU, EPU и MUR, – в России получила развитие отраслевая программа по увеличению мощности АЭС с ВВЭР до 108 % от номинального значения и переводу энергоблоков на 18-ти месячный топливно-ядерный цикл. Программа предусматривает повышенные требования по безопасной эксплуатации АЭС, точности теплотехнических измерений, точности автоматического регулирования и расчетов технико-экономических показателей во всех режимах, включая переходные процессы с мгновенными изменениями теплофизических параметров рабочей среды.
В результате проблема повышения метрологической достоверности контроля уровня жидких сред на энергоблоках АЭС приобрела особую актуальность. Решение проблемы обеспечивает повышение надежности и безопасности эксплуатации и содействует выполнению указанной программы.
Степень разработанности тематики. В области развития измерений уровня гидростатическим методом, являющимся основным методом, применяемым на АЭС, можно выделить два технических аспекта: 1) создание процедур корректировки показаний; 2) разработка методов метрологической диагностики измерительных каналов (ИК).
До настоящего времени применялись методы однорежимной коррекции показаний ИК уровня, изложенные в трудах А.И. Емельянова и В.П. Преображенского. В части метрологической диагностики ИК прослеживается целый ряд исследований, направленных на проведение бездемонтажной поверки средств измерений и диагностирования неисправностей ИК на основе нейро-сетевого программирования, корреляционного и регрессионного анализа и балансовых методов, изложенные в трудах А.И. Репина, Е.Н. Бельчанской, H.M. Hashemian, K. Nabeshima, M. Subekti и других ученых.
Приведено обоснование, что указанные методы не обеспечивают необходимой точности измерений на всех режимах и не позволяют диагностировать все типы неисправностей ИК уровня.
Цели и задачи. Основной целью диссертационной работы является разработка методов и средств по повышению метрологической достоверности контроля уровня жидких сред, область применения которых охватывает весь жизненный цикл измерительных каналов,
включая этап проектирования, пусконаладочные работы и последующее техническое обслуживание и эксплуатацию.
Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие задачи:
-
Выполнить исследование применяемых на АЭС принципов по организации измерений уровня гидростатическим способом и разработать такой алгоритм обработки измерительных сигналов первично-измерительных преобразователей, который позволяет: а) оптимизировать настройки ИК и повысить точность измерений уровня в технологических емкостях под давлением; б) обеспечить выполнение независимой экспертной оценки метрологической исправности ИК в условиях непрерывного технологического процесса.
-
Исследовать возможности применения разработанного алгоритма обработки измерительных сигналов и предложить методы и принципы автоматической коррекции показаний гидростатических уровнемеров для различных режимов работы технологического оборудования и любых технических характеристик ИК.
-
Исследовать причины возникновения систематической погрешности при измерении уровня гидростатическим способом и разработать научные основы для ее количественной оценки.
Разработать методы и принципы выполнения on-line диагностики, которые позволяют выявить не только явные, но и скрытые дефекты ИК, приводящие к систематической погрешности результатов измерений.
4. Разработать метод, который оптимизирует алгоритм обработки
измерительных сигналов и дополнительно повышает точность коррекции
показаний гидростатических уровнемеров для условий
отсутствия/неточности измерений давления и температуры рабочей среды.
Для реализации данного метода разработать датчик уровня, измерения
которого инвариантны к плотности, давлению и температуре рабочей
среды.
Методология и методы исследования. Предусмотрен следующий порядок выполнения исследования от практики к научным изысканиям: 1) обзор и анализ применяемых методов; 2) постановка задач и поиск решений; 3) исследование и апробация предлагаемых методов.
Для решения задач применялись методы математического
моделирования в области гидростатики и термодинамики, методы прикладной статистики и корреляционного анализа, теоретические и прикладные методы метрологии по оценке погрешности, использовались подходы и принципы из электроники и приборостроения.
Научная новизна. Предложены методы повышения метрологической достоверности измерений уровня жидких сред во всех режимах работы технологического оборудования АЭС, включая мгновенные переходные процессы.
Разработан универсальный алгоритм обработки измерительных сигналов гидростатических уровнемеров для задач коррекции показаний и метрологической диагностики ИК.
Предложен метод повышения точности коррекции показаний ИК и упрощения алгоритма обработки измерительного сигнала по результатам дискретных измерений уровня инвариантных к давлению, температуре и плотности рабочей среды. Для реализации данного метода разработан термоинерционный датчик уровня.
Разработаны методы on-line диагностики, основанные на
математическом моделировании виртуального датчика уровня и составлении многомерных градуировочных характеристик с учетом приращений функций уровня и расхода, с целью идентификации не только явных, но и скрытых дефектов ИК.
Теоретическая и практическая значимость. Математически выведена функция коррекции показаний гидростатических уровнемеров для различных режимов работы технологического оборудования и любых технических характеристик ИК. При переходных режимах максимально возможная приведенная погрешность была снижена с 40 % до 3 % от базы ИК уровня. Достигнутые результаты исследования в области коррекции позволили пересмотреть применяемые методы и составили научные основы для разработки отраслевой документации ПМ.АТЭ.813.0191–2013 «Методы корректировки показаний измерительных каналов давления, уровня и расхода на АЭС с реактором типа ВВЭР», которая стала использоваться в оперативной работе более чем 20 предприятий ГК «Росатом» и Минэнерго Республики Беларусь.
Установлены закономерности изменения систематической
погрешности измерений уровня от различных вариаций настроечных параметров ИК и теплофизических характеристик рабочей среды. Построены высокоточные номограммы и разработан справочник для промышленных расчетов поправочных коэффициентов и оценки погрешности гидростатических уровнемеров [8].
Разработана математическая модель виртуального датчика уровня для on-line диагностики ИК. Применение данной модели при вводе в эксплуатацию одного из энергоблоков АЭС позволило своевременно выявить и исключить скрытый дефект ИК уровня в сепараторах-пароперегревателях.
Предложен принцип построения диверсной системы высокоточного контроля уровня в условиях отсутствия/неточности измерений давления и температуры рабочей среды. Диверситет системы обеспечивается разработанным термоинерционным уровнемером (пат. РФ на изобретение [7]), для конструирования которого построена термодинамическая модель, определяющая распределение температурного поля от точечного источника (термопары) в погружном зонде.
Достигнутые результаты исследования получили отраслевое
внедрение и используются на семи энергоблоках, позволили повысить безопасность эксплуатации, точность расчетов технико-экономических показателей и конкурентоспособность АЭС российского дизайна.
Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность разработанных моделей и установленных закономерностей в настоящем исследовании обеспечивается строгостью выводов в части применяемого математического аппарата.
Основные результаты настоящего исследования, вошедшие в
документацию ПМ.АТЭ.813.0191–2013, в ходе ее согласования проходили
экспертную оценку в 13-ти ведущих предприятиях атомной отрасли РФ,
включая проектные и научно-исследовательские институты:
АО «НИАЭП», ФГУП «ВНИИА», АО «ВНИИАЭС», ОКБ «Гидропресс»,
АО «Концерн Росэнергоатом», АО «Атомтехэнерго», АО «Атомпроект»,
АО «Атомэнергопроект», Московский филиал «Центратомтехэнерго» АО
«Атомтехэнерго», Филиал АО «Концерн Росэнергоатом «Ростовская
атомная станция», Филиал АО «Концерн Росэнергоатом
«Нововоронежская атомная станция», Филиал АО «Концерн
Росэнергоатом «Калининская атомная станция», Филиал АО «Концерн Росэнергоатом «Дирекция строящейся Ленинградской АЭС-2».
Методы, разработанные в диссертации, были апробированы и внедрены в атомной отрасли РФ и получили положительные отзывы со стороны персонала строящихся и действующих АЭС, филиалов АО «Атомтехэнерго» и проектных институтов Госкорпорации «Росатом» (приложение А диссертации).
Результаты диссертационного исследования докладывались и рассматривались на международных научных конференциях и совещаниях в странах Европы и СНГ [9 – 14]. Работа получила положительные отзывы от российских и зарубежных ученых, внесших значительный вклад в развитие атомной энергетики, в том числе от Вице-президента АО «НИАЭП» В.О. Полянина, Президента Корпорации «Аnalysis and Measurement Serviсes Corporation» д.т.н. H.M. Hashemian.
Положения, выносимые на защиту:
Для действующих и строящихся АЭС повышение метрологической
достоверности контроля уровня достигается модернизацией способов
коррекции показаний и выполнением on-line диагностики
метрологической исправности ИК.
Разработанный универсальный алгоритм обработки сигналов с датчиков является эффективным инструментом повышения точности контроля уровня.
Диверсный принцип построения системы контроля уровня совместно с универсальным алгоритмом обработки сигналов позволяет существенно повысить точность измерений уровня и является востребованным для
применения на оборудовании систем безопасности: для реализации этого принципа разработан дискретный термоинерционный уровнемер.
Разработанные методы on-line диагностики, базирующиеся в простейших случаях на основе моделирования виртуального датчика уровня, в сложных – на основе формирования градуировочных характеристик с учетом влияющих величин и последующих оценок статистических параметров, позволяют диагностировать множество дефектов ИК, включая те, которые не обнаруживаются в ходе проведения процедур регламентного технического обслуживания и/или посредством штатных средств самодиагностики АСУТП.
Личный вклад соискателя. Все исследования, представленные в
диссертации, выполнены лично соискателем в процессе научно-
исследовательской деятельности. Личное авторство всех идей и
положений диссертационного исследования подтверждается
публикациями и патентом.
Публикации. Основные результаты диссертационного исследования опубликованы в четырнадцати печатных трудах, из них шесть работ в журналах по перечню ВАК Минобразования и науки РФ [1 – 6], один патент РФ на изобретение [7], один справочник [8], остальные – в виде докладов в трудах международных научных конференций [9 – 14]. Девять из печатных трудов включены в базу РИНЦ [1 – 6, 12 – 14].
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка принятых сокращений, списка терминов, списка литературы и четырех приложений. Работа представлена на 161 листе и включает 14 таблиц, 41 иллюстрацию. Оформлена «на правах рукописи» в соответствии с требованиями ГОСТ Р 7.0.11-2011.
Исследование влияния смещений шкал измерений по отношению друг к другу и к фактической базе уровнемера
Теоретическая и практическая значимость
Математически выведена функция коррекции показаний гидростатических уровнемеров для различных режимов работы технологического оборудования и любых технических характеристик ИК. При переходных режимах максимально возможная приведенная погрешность была снижена с 40 % до 3 % от базы ИК уровня. Достигнутые результаты исследования в области коррекции позволили пересмотреть применяемые методы и составили научные основы для разработки отраслевой документации ПМ.АТЭ.813.0191–2013 «Методы корректировки показаний измерительных каналов давления, уровня и расхода на АЭС с реактором типа ВВЭР» [11], которая стала использоваться в оперативной работе более чем 20 предприятий ГК «Росатом» и Минэнерго Республики Беларусь.
Установлены закономерности изменения систематической погрешности измерений уровня от различных вариаций настроечных параметров ИК и теплофизических характеристик рабочей среды. Построены высокоточные номограммы и разработан справочник для промышленных расчетов поправочных коэффициентов и оценки погрешности гидростатических уровнемеров [50].
Разработана математическая модель виртуального датчика уровня для online диагностики ИК. Применение данной модели при вводе в эксплуатацию одного из энергоблоков АЭС позволило своевременно выявить и исключить скрытый дефект ИК уровня в сепараторах-пароперегревателях.
Предложены принципы on-line диагностики, базирующиеся на составлении градуировочных характеристик с учетом приращений функций расхода и уровня и позволяющих расширить класс диагностируемых неисправностей в условиях отсутствия дублирования ИК уровня.
Предложен принцип построения диверсной системы высокоточного контроля уровня в условиях отсутствия/неточности измерений давления и температуры рабочей среды. Диверситет системы обеспечивается разработанным термоинерционным уровнемером (пат. РФ на изобретение [51]), для конструирования которого построена термодинамическая модель, определяющая распределение температурного поля от точечного источника (термопары) в погружном зонде.
Достигнутые результаты исследования получили отраслевое внедрение и используются на семи энергоблоках, позволили повысить безопасность эксплуатации, точность расчетов технико-экономических показателей и конкурентоспособность АЭС российского дизайна.
Степень достоверности и апробация результатов Достоверность разработанных моделей и установленных закономерностей в настоящем исследовании обеспечивается строгостью выводов в части применяемого математического аппарата. Основные результаты настоящего исследования, вошедшие в документацию ПМ.АТЭ.813.0191–2013 [11], в ходе ее согласования проходили экспертную оценку в 13-ти ведущих предприятиях атомной энергетики Российской Федерации, включая проектные и исследовательские институты: АО «Концерн Росэнергоатом», ОКБ «Гидропресс», ФГУП «ВНИИА», АО «Атомтехэнерго», АО «ВНИИАЭС», АО «Атомэнергопроект», АО «НИАЭП», АО «Атомпроект», Московский филиал «Центратомтехэнерго» АО «Атомтехэнерго», Филиал АО «Концерн Росэнергоатом «Ростовская атомная станция», Филиал АО «Концерн Росэнергоатом «Нововоронежская атомная станция», Филиал АО «Концерн Росэнергоатом «Калининская атомная станция», Филиал АО «Концерн Росэнергоатом «Дирекция строящейся Ленинградской АЭС-2».
Методы, разработанные в диссертации, были апробированы и внедрены в атомной отрасли РФ и получили положительные отзывы со стороны персонала строящихся и действующих АЭС, филиалов АО «Атомтехэнерго», проектных и научно-исследовательских институтов Госкорпорации «Росатом».
Результаты диссертационного исследования докладывались и рассматривались на международных научных конференциях и совещаниях в странах Европы и СНГ: Международное совещание корпорации «Industrie CBI» по теме: «Вентиляция, трубопроводная арматура (ТПА), измерительные каналы (ИК) и другое оборудование АЭС. Техническое обслуживание и ремонт (ТОиР). Обращение с РАО и ОЯТ» (Милан, 2012 г.); V Международная научно-техническая конференция «Информационные и управляющие системы АЭС: аспекты безопасности (Харьков, 2013 г.); IX Отраслевой семинар «Современные программно-технические средства и технологии в АСУТП» (Обнинск, 2014 г.); XI Международная молодежная научно-практическая конференция «Научные исследования и разработки молодых ученых» (Новосибирск, 2016 г.); Международная научная конференция «Наука. Исследования. Практика» (Санкт-Петербург, 2016 г.), Международная научная конференция «Естественные и технические науки» (Санкт-Петербург, 2016 г.).
Работа получила положительные отзывы от российских и зарубежных ученых, внесших значительный вклад в развитие атомной энергетики, в том числе от Вице-президента АО «НИАЭП» В.О. Полянина, Президента Корпорации «Аnalysis and Measurement Serviсes Corporation» д.т.н. H.M. Hashemian. Положения, выносимые на защиту Для действующих и строящихся АЭС повышение метрологической достоверности контроля уровня достигается модернизацией способов коррекции показаний и выполнением on-line диагностики метрологической исправности ИК.
Разработанный универсальный алгоритм обработки сигналов с датчиков является эффективным инструментом повышения точности контроля уровня.
Диверсный принцип построения системы контроля уровня совместно с универсальным алгоритмом обработки сигналов позволяет существенно повысить точность измерений уровня и является безальтернативным вариантом для применения на оборудовании систем безопасности: для реализации этого принципа разработан дискретный термоинерционный уровнемер.
Выполнение корректировки показаний на фактическую базу ИК уровня по «холодной» шкале
Задача выполнения корректировок показаний измерительных каналов (ИК) уровня с датчиками разности давлений входит в состав пуско-наладочных работ, выполняемых на этапах ввода в эксплуатацию объектов атомной энергетики. Как отмечалось ранее, необходимость ее решения вызвана тем, что изначальные проектные настройки ИК уровня с датчиками разности давлений, в том числе шкалы измерений, требуют уточнений с учетом фактических номинальных значений характеристик рабочей среды и результатов геодезических измерений повысотного расположения уравнительных сосудов [72].
Так, например, когда рабочей средой является вода, традиционные изначальные проектные настройки ИК соответствуют ее плотности 1000 кг/м3, по факту плотность воды в технологических емкостях АЭС может составлять менее 590 кг/м3 при наличии пара с плотностью более 100 кг/м3 (при температуре 346 С). В этом случае при отсутствии корректировок показаний приведенная погрешность измерений может достигать 41,5 % от базы ИК уровня [50, с. 43], что является неприемлемым для выполнения контроля и автоматического регулирования теплофизических параметров. Для сравнения, при поверке современных датчиков разности давлений (ДД) идет речь о допустимых пределах приведенной погрешности измерений порядка 0,25 1,5 % [56 – 58]. Таким образом, задача выполнения корректировки и последующей диагностики показаний ИК уровня имеет первостепенную значимость и является одной из ключевых при выполнении комплекса пусконаладочных работ АСУТП АЭС.
В своем большинстве используемые в ходе пусконаладочных работ методики корректировок показаний ИК уровня на АЭС и соответствующая техническая/нормативно-техническая база основываются на способах «переразгонки» (индивидуальной настройки) шкалы измерений первично-измерительных преобразователей, разработанных на рубеже 70-х годов XX века [20, 53, 73].
Достоинством советских методик является достигнутый уровень надежности/безотказности измерительных каналов АЭС. Основной недостаток заключается в том, что достоверность показаний обеспечивается только для одного режима работы технологического оборудования - при номинальных значениях характеристик рабочей среды (по «горячей» шкале). Поэтому при переходных и статических режимах работы, которые не учитываются данной коррекцией, неизбежно появление ранее описанной погрешности. Здесь, с уменьшением характеристик рабочей среды от своих номинальных значений, приведенная погрешность измерений может также достигать 41,5 % от базы ИК уровня. Другие недостатки такой коррекции обусловлены техническими особенностями:
- при каких-либо изменениях номинальных характеристик рабочей среды требуется повторная перенастройка первично-измерительного преобразователя;
- индивидуальная настройка шкалы измерений ввиду «смещения нуля» не совпадает со значениями из стандартного ряда согласно ГОСТ 22520-85 [55], что затрудняет процедуры технического обслуживания.
В связи с указанными недостатками возникает практическая потребность в таком решении задачи корректировки показаний, которое, с одной стороны, упростит организацию измерений уровня гидростатическим способом, а с другой - обеспечит достоверность результатов измерений уровня при любых режимах работы технологического оборудования. Для этого в диссертационном исследовании предлагается алгоритм обработки измерительных сигналов гидростатических уровнемеров, который предполагает реализацию коррекции показаний в два этапа: - выполнение корректировки показаний на фактическую базу ИК уровня по «холодной» шкале в соответствии со стандартным рядом измерений, - выполнение корректировки показаний на «горячую» шкалу за счет введения поправочных коэффициентов в цифровые программно-технические комплексы, входящие в состав современных АСУТП АЭС.
Для устранения вероятных смещений шкал измерений ИК уровня, как по отношению друг к другу, так и по отношению к фактической базе Я (подробно описанных в п.п. 1.2), шкалу измерений датчика разности давлений предлагается настраивать в соответствии со значениями из стандартного ряда: [Р = 0; Рст], (14) где значение Рст pхшgH и совпадает со значением из ГОСТ 22520-85, например: 10 кПа, 16 кПа, 25 кПа; значение Я измеряется в ходе выполнения соответствующих геодезических работ, значение местного ускорения свободного падения g выдается по результатам соответствующих изыскательских работ на площадке АЭС, значение / хш определяется по справочным данным [63] для температуры воздуха 25- 30 С.
Из рисунка 9 видно, что в случае реализации предлагаемого способа обработки измерительного сигнала шкала измерений на СВБУ полностью соответствует фактической базе H, и диапазон измерений первично-измерительного преобразователя совпадает со значением из стандартного ряда. Вследствие этого обеспечивается удобство эксплуатации как со стороны персонала технологических цехов, так и персонала цеха тепловой автоматики и измерений и отдела метрологии. В частности, особенно важным является то, что предлагаемый способ позволяет предупредить ошибки при выполнении ТО и наладочных работ и исключить их последствия. Так, например, ввиду дискретности значений стандартного ряда неверная установка шкалы измерений на датчике приведет к мгновенному увеличению/занижению показаний как минимум в 1,5 раза, что сразу позволит ее выявить и устранить.
Корректировку показаний ИК уровня на «горячую» шкалу предлагается осуществлять за счет введения поправочных коэффициентов в программно-технический комплекс, входящий в состав ИК уровня на АЭС. Причем из линейного характера изменения систематической погрешности, показанного в первой главе диссертации (рисунок 7), следует вывод, что для осуществления данного вида коррекции достаточно всего два поправочных коэффициента, характеризующих тангенс угла наклона и смещение графика погрешности по оси ординат.
С целью вывода зависимостей для расчета данных поправочных коэффициентов учтем, что перепад давлений на датчике зависит не только от условий двухфазной рабочей среды в технологической емкости (5), но и от теплофизических характеристик среды в импульсных линиях.
Зачастую, на практике плотность среды в плюсовой ИЛ считают одинаковой на протяжении всей ее высоты, и значения плотности среды в минусовой и плюсовой линиях принимают одинаковыми. Однако ввиду удаленности ИЛ друг от друга, значения температуры и плотности среды в них могут отличаться, что приводит к дополнительной погрешности измерений. Кроме того, результаты инженерных и научных работ подтверждают, что распределение температурного поля по высоте ИЛ на оборудовании АЭС является именно неравномерным. Так, например, неравномерность теплового поля в парогенераторе и его обвязке импульсных линий описывается в монографии Н.Б. Трунова, С.А. Логвинова, Ю.Г. Драгунова [74].
Вследствие этого плотность среды в ИЛ к датчикам разности давлений на АЭС некорректно принимать одинаковой без проведения соответствующей пирометрии. Причем, даже зная результаты пирометрии, вывод непрерывной функции распределения плотности по высоте ИЛ в каждом конкретном случае является нетривиальной задачей.
Для унификации и упрощения процедур расчета плотности среды выделим участки по высоте ИЛ, на протяжении каждого из которых теплофизические характеристики допустимо считать одинаковыми (рисунок 10).
Проблематика приборостроения в части термоинерционных уровнемеров
По результатам данного моделирования установлено, что при начальном нагреве термопары на T0 = 20 С, при исполнении корпуса датчика из нержавеющей стали распространенных марок: 03Х16Н15М3, 03ХН28МДТ, 03Х22Н6М2, 06ХН28МДТ, Н70МФ, AISI 904L, 09Х15Н8Ю, 09Х16Н4Б, 09Х17Н7Ю1, 12Х17Г9АН4, 20Х13Н4Г9, 30Х10Г10, AISI 202, 25Х13Н2, – распределение теплоты по высоте корпуса становится не существенным (уменьшается на 97 98 %) на расстоянии 3 4 толщины корпуса равной 3 мм. При начальном нагреве термопары на T0 = 5 С распределение теплоты в становится несущественным на расстоянии 2 2,5 толщины корпуса.
С учетом полученных результатов моделирования для исключения взаимовлияния нагрева термопар в дифференциальном включении минимальный размер их шага целесообразно выбирать равным 9 10 размерам толщины корпуса. Например, приемлемо сочетание: толщина стального корпуса - 3 мм; шаг дифференциальных термопар - 30 мм.
Основной характеристикой, определяющей область применения датчика и скорость теплопередачи «корпус - среда», является теплопроводность рабочей среды, в частности, теплопроводность воды и пара. Согласно справочным данным [63] в разных диапазонах температур отношение теплопроводности воды к теплопроводности пара является различным: - в диапазоне температур 0 100 С отношение варьируется в интервале 27,04 32,95; - в диапазоне температур 110 200 С - отношение 16,5 26; - в диапазоне 210 300 С - отношение 7,8 15,6; - в диапазоне 310 360 С - отношение 2,34 6,97; - при температурах 370 374 С - отношение 0,72 1,22. Исходя из этого, область применения датчика ограничивается диапазоном температур 0 360 С, при температуре среды 370 374 С применение термоинерционного принципа измерения уровня является затруднительным. Несмотря на данное ограничение, обозначенная область применения полностью удовлетворяет рабочим характеристикам воды и водяного пара на АЭС с реакторами различных типов: ВВЭР, УГР, РБМК, БН, BWR, PWR, LMFBR, AGR [114 - 116]. Как следствие, на основании данной оценки области применения подтверждается возможность внедрения предлагаемого датчика в атомной отрасли.
В отличие от всех известных аналогов применение импульсного токового нагрева вместо дополнительных нагревательных элементов позволяет обеспечить равномерность и точность нагрева термопар, уменьшить инерционность измерений. Подбор характеристик токового импульса нагрева зависит от типа термопар. При этом величину температурного нагрева для каждого из термоэлектродов можно оценить по формуле: АТ=иН/ (Ортгг21), (49) где / - ток импульса нагрева; U - напряжение нагрева; t - длительность импульса нагрева; С - удельная теплоемкость термоэлектрода; р - плотность термоэлектрода; ж г2/ - объем нагреваемой части термоэлектрода; T - температура нагрева. Так, например, с учетом справочных данных [117] по плотности и удельной теплоемкости термоэлектродов хромель-алюмель при их диаметре 0,2 мм, длительности импульса 50 миллисекунд и подключении токопроводящих проводников на расстоянии 1 см от нагреваемого спая при подводимой мощности в 1 Вт (2 В, 0,5 А) расчётный перегрев получается примерно 20 С, что в свою очередь, является достаточным для проведения измерений.
Пауза между импульсами нагрева должна быть выбрана до полного выравнивания температуры термопар. Для быстродействующих термопар показатель тепловой инерции составляет 1 секунду, возврат к исходной температуре (до нагрева) происходит за 4 - 5 таких интервалов [118]. В связи с этим пауза между импульсами нагрева должна составлять приблизительно 5 секунд.
Пример разработанной функциональной схемы термоинерционного уровнемера с регулируемым токовым нагревом термопар, которая позволяет обеспечить вышеуказанные характеристики, представлен на рисунке 23. Тактируемый ключ
Представленная схема достаточно проста: включается задающий генератор управляющих импульсов, на выходе каждого стабилизатора напряжения формируются нормированные импульсы, выдаваемые на два узла регулировки и стабилизации тока, каждый из которых обеспечивает индивидуальный токовый нагрев одного из плеч дифференциально включенных термопар. Выходные сигналы от дифференциально включенных термопар поступают на компараторы.
Измерение уровня осуществляется при остывании или нагреве термопар: при наличии уровня в пределах определенной дифференциальной термопары выход от соответствующего компаратора будет отличным от нуля – формируется информационный сигнал.
При нахождении уровня в области перекрытия дифференциальных термопар будет сформировано два информационных сигнала от соответствующих компараторов. Для того чтобы обеспечить в этом случае только один информационный сигнал, достаточно включить в измерительную часть схему на базе логических элементов «2И-НЕ».
Логическая часть исключает двойное срабатывание и позволяет получить однозначный сигнал, соответствующий истинному расположению уровня. Это обеспечивается следующей работой схемы: когда с двух соседних компараторов выдаются единичные сигналы, на выходе первого логического элемента будет «ноль», выход логического элемента будет совпадать с минусом схемы (землёй). Поэтому выходные сигналы с компараторов через токоограничительные резисторы R4 «стекут на землю», светодиоды в выходных цепях компараторов будут отключены (способствуют этому запирающие резисторы R5). Второй логический элемент, включенный по схеме инвертора, при «нуле» на входе выдаст «единицу». Таким образом, будет светиться только один светодиод между цепями компараторов. В случае, когда уровень раздела сред не в зоне перекрытия, «единичный» сигнал будет только на выходе одного компаратора. На выходе остальных компараторов «ноль». Поэтому все первые логические элементы в соответствии со своей таблицей истинности на своих выходах выдадут «единицу», что не позволит шунтировать выходные сигналы компараторов. Диоды при этом будут «размыкать» прохождение сигналов с выходов логических элементов на светодиоды в цепях компараторов.
Немаловажной особенностью предлагаемой измерительной части, является и то, что применяемые компараторы в отличие от операционных усилителей обеспечивают максимальный уровень выходного сигнала, что обеспечивает корректную и однозначную работу схем автоматики. Наличие входных резисторов перед компараторами повышает помехоустойчивость схемы. В совокупности все вышеперечисленные особенности и, самое главное, простота работы измерительной схемы, позволяют обеспечить достоверную и надежную регистрацию измеряемого уровня при любых практических условиях.
В случае расположения дифференциальных термопар с интервалом/зазором для идентификации уровня между ними в измерительной части применяются дополнительные компараторы, как показано на рисунке 25.
On-line диагностика на основе моделирования показаний виртуального датчика
На основе тестовых примеров подтверждается, что предлагаемый метод позволяет идентифицировать и постоянные/линейно-изменяющиеся, и гармонические отклонения показаний ИК. Положительные результаты проверки позволяют рекомендовать разработанный метод для решения практических задач on-line диагностики ИК уровня в составе АСУТП АЭС.
Реализация подходов и методов on-line диагностики, описанных в настоящей главе, предполагает выполнение следующих процедур и организационно-технических мероприятий: - осуществление геодезического контроля средств КИПиА; - выполнение пирометрии импульсных линий; - обработку исходных данных для осуществления расчетов, включая анализ смежных параметров теплотехнического контроля с учетом индивидуальных технологических особенностей в каждом конкретном случае; - выполнение процедур расчетов, предусмотренных разработанными методами диагностики.
В совокупности перечисленные процедуры и мероприятия обеспечивают реализацию разработанных методов on-line диагностики ИК уровня без какого-либо вмешательства в работу штатных средств АСУТП АЭС и, следовательно, не снижают эксплуатационные пределы безопасной эксплуатации АСУТП как в периоды остановов, так и в периоды работы энергоблока на мощности. В то же время осуществление таким образом on-line диагностики позволяет значительно расширить класс диагностируемых дефектов/отказов ИК по отношению к встроенной подсистеме самодиагностики АСУТП АЭС, а именно:
1) при наличии дублирования ИК за счет метода моделирования показаний виртуального датчика диагностируются следующие неявные дефекты: - несоответствие настроек ИК уровня и выполненных корректировок показаний значению фактической базы; - несоответствие настроек ИК уровня и выполненных корректировок показаний фактическим номинальным характеристикам рабочей среды в технологической емкости и импульсных линиях; - взаимное смещение шкал измерений, заданных в ПТК и на первично измерительном преобразователе;
2) при отсутствии дублирования ИК за счет совместного применения методов on-line диагностики, описанных в пунктах 4.6 и 4.7, дополнительно к предыдущим выявляются следующие неявные дефекты: - недопустимое отклонение показаний ИК уровня от градуировочных характеристик; - частичная незаполненность и/или дренирование импульсных линий и уравнительного сосуда.
Поскольку разработанные методы on-line диагностики обеспечивают независимость результатов, то их можно применять как в отдельности, так и вместе, обеспечивая, тем самым, оптимальное сочетание методов диагностики ИК уровня в зависимости от конкретных требований и практических условий задачи.
Немаловажным является и тот факт, что в отличие от подсистемы самодиагностики АСУТП при использовании разработанных методов строится кривая среднеквадратичных отклонений (рисунок 35), на основе анализа которой становится возможным: 1) заведомо предупредить неисправность; 2) по характеру кривой спрогнозировать/идентифицировать неисправность ИК, и, следовательно, заведомо предварительно сориентировать персонал как по составу, так и объему выполняемых работ, сокращая, тем самым, общее время устранения неисправности.
Исходя из практического опыта пуско-наладочных работ, необходимо отметить, что в критической ситуации такие преимущества могут оказаться определяющими для предупреждения какого-либо инцидента.
Таким образом, данные особенности позволяют рассматривать разработанные методы в качестве основы для проектирования отечественного экспертно-технического комплекса по метрологической диагностике информационно-измерительной подсистемы АСУТП АЭС.
В заключение необходимо отметить, что метод метрологической диагностики на основе математического моделирования виртуального датчика уровня на этапах ввода в эксплуатацию энергоблока № 4 Белоярской АЭС позволил своевременно выявить скрытые дефекты измерительных каналов уровня в сепараторах-пароперегревателях, что подтверждено Актом внедрения от Московского филиала «Центратомтехэнерго» АО «Атомтехэнерго».