Системы автоматического управления и контроля для атомных электростанций

Размещено на http://www.allbest.ru

Системы автоматического управления и контроля для атомных электростанций

Электроэнергетика России занимает существенное место в национальной экономике. Доля выработки электроэнергии атомными станциями в России составляет около 16% от всего производимого электричества. При этом в европейской части страны доля атомной энергетики достигает 30%, а на Северо-Западе -- 37% [1]. В общей сложности на 10 АЭС России, наделенных статусом филиалов ОАО «Концерн Росэнергоатом», эксплуатируется 33 энергоблока установленной мощностью 25,2 ГВт. ОАО «Концерн Росэнергоатом» является второй в Европе энергетической компанией по объему атомной генерации, уступая лишь французской EDF, и первой -- по объему генерации внутри страны.

Системы автоматического управления и контроля (далее САУ) являются неотъемлемой частью современных АЭС и играют ключевую роль в обеспечении их надежной и безопасной работы. Современные САУ для АЭС обычно служат для решения двух основных задач: автоматическое управление технологическими процессами (ТП) и автоматический контроль параметров и режимов работы АЭС.

Автоматизация ТП позволяет существенно увеличить эффективность работы конкретного оборудования (объекта управления) и работы энергоблока в целом. Автоматизация технологического процесса базируется на описании технологических операций (технологических алгоритмов), разработанном инженерами-технологами и обеспечивающем сам ТП. Технологические алгоритмы обычно обеспечивают технологию выполнения определенных действий (операций) с учетом ограничений при управлении (например, разрешенные или запрещенные зоны перемещения, технологические переключения и операции) и особенностей самого объекта управления (его конструкции, границ, способов и условий эксплуатации и т. д.), а также нарушений ТП. Автоматизация позволяет существенно снизить время, затрачиваемое на выполнение стандартных (заранее определенных) действий (операций, циклов) автоматизируемого оборудования, за счет увеличения скоростей исполнительных механизмов объектов управления, отсутствия останова между выполнением отдельных действий движущимися частями, реализации совместного движения нескольких механизмов, оптимизации траектории движения управляемого оборудования и т. п.

Наряду с автоматизацией ТП на АЭС обязательно реализуется контроль параметров системы. Прежде всего, осуществляется контроль параметров, используемых САУ при управлении ТП. К таким параметрам относятся показания датчиков положения, скорости, усилий, контроля температуры, уровня, давления, концевых выключателей и другие сигналы, передаваемые от оборудования объекта управления в САУ. Кроме этого, в САУ осуществляется контроль передачи информации внутри самой системы, контроль линий связи и других параметров.

Также следует отметить, что традиционно САУ для АЭС проектируются с учетом следующих основных принципов, регламентированных документом [2]:

· устойчивость к единичному отказу;

· структурное резервирование;

· независимость каналов управления и передачи информации;

· разнообразие применяемых технических средств для исключения отказов по общей причине (в технически оправданной мере);

· физическое разделение оборудования САУ двухканальных систем или выполняющих разные функции в разных шкафах или помещениях (в технически оправданной мере);

· безопасность отказа.

Еще одним требованием при создании САУ для АЭС является минимизация влияния персонала на работу САУ. При проектировании, изготовлении и внедрении САУ обычно учитываются следующие особенности взаимодействия оператора с системой:

· простота/сложность требуемых действий;

· подготовка (опыт);

· наличие возможности контроля управления;

· уровень стресса;

· качество интерфейса «человек-машина» (удобство считывания информации с показывающих приборов, работы с органами управления и др.);

· зависимость в действиях персонала (выполнение неправильного действия вследствие неправильного считывания информации с контрольно-измерительных приборов и др.).

Особенностью современных САУ для АЭС России является их разнообразие по применяемым в них техническим решениям. В первую очередь это характерно для давно действующих атомных станций, системы управления которых подвергались неоднократной модернизации за время эксплуатации. Это обусловлено следующими причинами:

· разнообразие выполняемых функций -- управление ТП и оборудованием, реализация защит реакторной установки, информационная поддержка оперативного персонала и др.;

· отнесение систем к разным классам безопасности и, как следствие, наличие разных требований к реализации этих систем, изложенных в нормативных документах, как российских, так и международных (эти требования неоднократно менялись и совершенствовались за последние 20-30 лет);

· разнообразие поставщиков оборудования для АЭС и применение ими типовых решений и схем, основанных, зачастую, на компонентах собственного производства;

· непрерывное совершенствование и развитие в первую очередь «цифровой» элементной базы, которая значительно меняется каждые несколько лет.

Спецификой проектирования САУ для АЭС является то, что часть оборудования САУ эксплуатируется в центральном (реакторном) зале станции или других помещениях, где присутствует радиационная нагрузка или контакт с радиоактивными средами, где для дезактивации поверхностей оборудования применяются специальные растворы, а следовательно, присутствуют повышенная влажность и температура.

В основном в неблагоприятных условиях работают датчики, двигатели и исполнительные механизмы. При этом технические средства САУ стараются вынести в «чистые» помещения, а там, где это невозможно, применяют изделия, стойкие к вышеперечисленным внешним воздействиям, или помещают их в защитные оболочки. АЭС и оборудование САУ проектируются также с учетом требований к сейсмостойкости.

Достаточно жесткие требования предъявляются и к надежности САУ. Например, надежность системы управления перегрузочной машиной характеризуется следующими показателями:

· вероятность безотказной работы за время непрерывной работы (720 ч) -- 0,997;

· средняя наработка на отказ (MTBF) -- 250 000 ч;

· среднее время восстановления -- 4 ч.

· Назначенный срок службы системы управления машины перегрузочной составляет не менее 30 лет.

Достигаются данные показатели за счет применения комплектующих изделий с высокими показателями надежности, резервирования и обеспечения пользователя необходимым комплектом запасных частей.

Все САУ и оборудование, используемые на АЭС, по своему назначению можно условно разделить на два вида:

· системы и оборудование, реализующие определенные транспортно-технологические операции, например машины, манипуляторы, краны, кантователи для хранения, транспортировки, преобразования и переработки ядерного топлива;

· системы, осуществляющие контроль, управление и информационную поддержку (получение, передача, обработка, хранение информации) в установках, реализующих ТП, например управления реакторной установки, химводоочистки, переработки жидких и твердых радиоактивных отходов.

При этом ТП могут содержать в себе признаки как первого, так и второго вида. Например, установка переработки жидких радиоактивных отходов содержит в себе ТП переработки отходов и транспортно-технологическую линию. автоматический управление контроль аэс

Также САУ классифицируют по характеру выполняемых ею функций, соответствующих ее основному назначению. При этом каждая из функций системы должна быть четко названа и описана и иметь ценность (например, функция диагностики позволяет пользователю своевременно выявлять отказавшие элементы САУ, что обеспечивает ведение ТП без ущерба для технологического оборудования, движущихся частей оборудования и т. п.). Таким образом, системы разделяют по их функциональному назначению, например на управляющие, информационные, системы безопасности и пр.

Многие САУ на АЭС являются системами, в которых реализация одной или двух функций является приоритетной задачей. Например, оборудование должно обеспечивать управление ТП, при этом такое управление должно быть безопасным. Таким образом, основными функциями САУ являются функции управления и безопасности (защит и блокировок). Однако это не значит, что в САУ не могут быть реализованы дополнительные функции -- диагностическая, информационная, технического обслуживания, архивирования, обучения и др. В таких случаях дополнительные функции не должны влиять на основные функции САУ.

В отдельных САУ, используемых на АЭС, функция защит и блокировок может быть реализована только при помощи «жесткой» релейной логики или сочетать наличие нескольких каналов защит, реализованных на разных физических принципах (например, ПЛК в одном канале защит и релейная логика в другом).

Еще одной особенностью САУ для АЭС является зависимость режима работы системы и технологического оборудования от режима работы энергоблока станции, например:

САУ переработки радиоактивных отходов имеет периодический режим работы, зависящий от количества накопленных отходов вне зависимости от режима работы энергоблока.

Система управления перегрузочной машиной работает во время планово-предупредительного ремонта (ППР) и остановленного энергоблока; при этом необходимо обеспечить кратчайшие, экономически более выгодные сроки перегрузочной операции.

Система автоматического регулирования защит турбины работает при работе энергоблока АЭС на мощности и остановлена во время ППР.

Так как сроки ППР (1-3 месяца в год) и работы энергоблока на мощности (9-11 месяцев в год) различны, то и требования к САУ, работающим в этих режимах, существенно отличаются.

Современные САУ, применяемые на АЭС, как правило, имеют распределенную структуру. Обычно выделяют три уровня:

· нижний -- датчики, исполнительные механизмы и устройства связи с объектом;

· средний -- оборудование автоматики, содержащее ПЛК и выполняющее непосредственно контроль и управление технологическим процессом;

· верхний -- пульты управления, рабочие места операторов.

Размещено на Allbest.ru