Рассмотрим теперь основные средства и системы, автоматизирующие различные аспекты управления АЭС. К таким средствам относятся автоматические регуляторы, технологические и аварийные защиты и блокировки, АСУ ТП и СПО (см. рис. 2.1).
Системы автоматического управления и регулирования. Нижний уровень автоматизации составляют САУ и САР, предназначенные для выполнения рутинных операций управления отдельными технологическими параметрами и оборудованием. Регуляторы способны снять с оператора подавляющую часть рабочей нагрузки во всех стационарных и в некоторых переходных режимах работы энергоблока. Рассмотрим классификацию автоматических регуляторов, обеспечивающих работу АЭС. В качестве критериев классификации выступают:
регулируемый технологический параметр - нейтронный поток, давление, температура, расход, уровень, концентрация, частота оборотов;
регулируемая технологическая система и оборудование — реактор, первый контур, второй контур, системы спецводоочйстки и химводоочистки, вспомогательные системы, система вентиляции и др.;
режим работы блока, в котором должен эксплуатироваться регулятор - пусковой, остановочный, номинальный, различные промежуточные уровни мощности, аварийный;
выполняемая регулятором функция - стабилизация, слежение, согласование, управление.
Рассмотрим функции автоматических регуляторов более подробно. Основными регуляторами энергоблока являются стабилизаторы, предназначенные для поддержания заданного значения (например, давления, расхода, уровня) или разности значений (например, разности температур, перепада давлений) технологических параметров. В большинстве случаев значение, на котором стабилизируется параметр, задается оператором, реже - устройством управления более высокого (относительно регулятора) уровня.
Обычно стабилизаторы рассчитаны на относительно небольшой диапазон колебаний регулируемого параметра. Если же значение параметра выходит за рамки этого диапазона (например, вследствие изменения режима или аварийной ситуации), некоторые основные регуляторы перестают справляться со своей задачей стабилизации. В этих случаях в работу вводятся регуляторы, ориентированные на другой диапазон (пусковые регуляторы, регуляторы для различных уровней мощности), а также специальные «стерегущие» регуляторы, следящие и предотвращающие превышение параметром некоторого максимального или минимального значения.
Третья категория функций регуляторов - устранение рассогласования между различными зависимыми технологическими параметрами. Регуляторы этого типа выполняют наиболее ответственную задачу согласования работы основного оборудования и различных технологических систем, сглаживания и предотвращения распространения возмущений, рождающихся внутри и вне энергоблока.
Регуляторы четвертого типа реализуют функции управления (или программного управления), предполагающего изменение регулируемого параметра во времени по заданному закону, например, разогрев или расхолаживание с определенной скоростью.
Подавляющая часть автоматических регуляторов исполнена в виде аналоговых устройств, моделирующих соответствующие физические процессы, протекающие в оборудовании. Модель процесса реализуется самой конструкцией устройства — его электрической схемой, вследствие чего в аналоговых устройствах нет понятия «время вычисления» - управляющее воздействие порождается мгновенно. Однако наряду с этим, аналоговые устройства обладают рядом существенных недостатков, таких как подверженность помехам, дрейф параметров, жесткость алгоритма и др. От этих недостатков свободен цифровой принцип обработки информации и управления, предполагающий дискретизацию параметров с требуемой точностью и моделирование процессов с помощью гибких, легко переписываемых программ. На зарубежных АЭС замена аналоговых регуляторов цифровыми, основанными на микропроцессорах, получила название digital upgrade (цифровая модернизация) и является сегодня одной из наиболее приоритетных задач.
Чтобы получить представление о характере и назначении основных САР, рассмотрим в качестве примера регуляторы Калининской АЭС и ее энергоблоков с ВВЭР-1000. Каждый энергоблок содержит 130-140 регуляторов (около 40 в реакторном отделении и около 100 - в турбинном); более 60 регуляторов обслуживают общестанционные системы (спецводоочистка, химводоочистка, вентиляция и др.). Перечень основных регуляторов первого и второго контуров приведен в табл. 4.2, 4.3 и на рис. 4.21.
Основными задачами регулирования ЭБ АЭС с ВВЭР являются: регулирование нейтронной и тепловой мощности реактора при пуске, остановке, смене режима и возмущениях, вызванных изменениями электрической нагрузки на ТГ и другое оборудование;
регулирование уровня питательной воды и давления пара в ПГ, особенно на малых уровнях мощности и в переходных режимах, характеризующихся большими скачками параметров;
регулирование подачи пара и частоты вращения турбины при изменениях в сети и энергосистеме.
Технологические защиты и блокировки. В случае, когда регуляторы или оператор не справляются с поддержанием нормального режима работы, в действие вступают технологические защиты и блокировки, являющиеся последней ступенью управления.
Рис. 4.21. Основные САУ и САР ЭБ с ВВЭР-1000
Регулятор | Назначение |
Регулятор давления в контуре | Поддержание заданного давления в контуре при пуске и работе блока под нагрузкой |
Регулятор расхолаживания компенсатора давления | Поддержание разности температур между наиболее нагретой ниткой (одной из четырех петель) и компенсатором давления (при остановке блока) |
Регуляторы уровня в компенсаторе давления | Поддержание заданного уровня в компенсаторе давления или расхода воды на подпитку первого контура при пуске блока, работе под нагрузкой и когда протечки превышают номинальные значения |
Регулятор расхода продувочной воды на водоочистке | Поддержание заданного расхода продувочной воды при пуске и работе блока под нагрузкой |
Регулятор перепада давления подпиточного насоса | Поддержание заданного перепада между давлением в активной зоне реактора и давлением в напорном трубопроводе подпиточного насоса |
Регулятор расхода подпиточной воды в напорном трубопроводе подпиточного насоса | Поддержание заданного расхода подпиточной воды в режиме течи первого контура (работает вместо регулятора перепада давления подпиточного насоса) |
Регулятор перепада давления на уплотнения ГЦН | Поддержание заданной разности между давлением на напоре и давлением воды на уплотнении ГЦН |
Регуляторы уровня и давления в деаэраторе подпитки | Поддержание заданного уровня и давления в деаэраторе подпитки (во всех режимах) |
Стерегущий регулятор давления в деаэраторе подпитки | Стабилизация и предотвращение уменьшения давления в деаэраторе подпитки ниже 2,9 кПа |
Регулятор максимального уровня в деаэраторе подпитки | Стабилизация и предотвращение отклонения уровня в деаэраторе подпитки выше максимально допустимой отметки (во всех режимах) |
Регулятор уровня и давления в деаэраторе борного регулирования | Поддержание заданного уровня и давления в деаэраторе борного регулирования, находящемся в горячем резерве (во всех режимах) |
Регулятор скорости расхолаживания первого контура | Под держание заданной разности между средней температурой теплоносителя в одной из петель и температурой теплоносителя после охлаждающего теплообменника, вода из которого подается на расхолаживание первого контура (при остановке блока) |
Регулятор уровня в баке организованных протечек | Поддержание заданного уровня воды в баке организованных протечек |
Регулятор | Назначение |
Регуляторы уровня в ПГ | Поддержание заданного уровня в ПГ при пуске блока, при нагрузке менее 10-15% номинальной, при нагрузке выше 20% и в аварийных случаях, когда отключаются ТПН |
Регулятор производительности | Поддержание заданного числа оборотов ротора ТПН и заданного перепада давлений в питательном коллекторе и в главном паровом коллекторе |
Регулятор давления пара в ГПК (БРУ-К) | Поддержание заданного давления в ГНК при резких колебаниях нагрузки ТГ |
Регулятор давления пара в ПГ (БРУ-А) | Предотвращение повышения давления в ПГ, если регуляторы БРУ-К не обеспечили поддержание давления в заданном диапазоне |
Регуляторы уровня в конденсаторе | Поддержание заданного уровня в конденсаторе турбины при пуске блока и работе под нагрузкой |
Регулятор уровня конденсата греющего пара | Поддержание уровня конденсата греющего пара в ПНД-1,2 при работе блока с нагрузкой более 30% номинальной |
Регуляторы уровня в ПНД | Поддержание заданного уровня в ПНД-3,4 при пуске блока, работе с нагрузкой более 20% номинальной |
Регулятор уровня в ПВД | Поддержание заданного уровня конденсата в ПВД-5,6 при пуске и работе блока |
Регулятор уровня в деаэраторе | Поддержание заданного уровня в деаэраторах (по воде соединены как сообщающиеся сосуды) при пуске и работе блока |
Аварийный регулятор уровня в деаэраторе | Предотвращение понижения уровня в деаэраторе ниже минимальной допустимой отметки |
Регулятор уровня в деаэраторе (по дебалансу) | Ограничение максимального повышения уровня в деаэраторе |
Регулятор уровня в сепарато- сборниках СПП (слив в Деаэратор) | Стабилизация уровня при работе блока с нагрузкой более 50% номинальной |
Регуляторы уровня в конденсатосборниках 1 и 2 ступени СПП | Стабилизация уровней в соответствующих ступенях сепараторов пароперегревателей при пуске и работе блока |
Регулятор уровня в технологическом конденсаторе | Стабилизация уровня конденсата пара ГПК, сбрасываемого при остановке блока |
Основные задачи защит и блокировок:
предотвращение неправильных операций;
автоматическое включение резерва при выходе из строя работающего оборудования без изменения режима работы блока;
отключение неисправного оборудования;
снижение мощности блока до определенного предела из-за отключения неисправного оборудования;
полная остановка блока;
локализация последствий крупных аварий.
Рассмотрим основные виды защит и их назначение на примере двухконтурного энергоблока с ВВЭР. Технологические защиты предназначены для автоматической остановки оборудования, изменения режима его работы или включения резерва в случае отклонения технологических параметров за пределы безопасной эксплуатации.
АЗ-4 - защита четвертою рода, запрещающая движение органов регулирования вверх (т.е. запрещающая увеличение мощности реактора; строго говоря, АЗ четвертого рода является блокировкой);
АЗ-3 - защита третьего рода, вызывающая снижение мощности на величину от 10 до 60%, в зависимости от различных комбинаций отключений ТГ, циркуляционных, питательных и конденсатных насосов, снижения частоты в сети, уменьшения периода разгона реактора и других причин;
АЗ-1 - защита первого рода, вызывающая полную остановку реактора и одновременное падение всех извлеченных органов регулирования До крайнего нижнего положения за время, не превышающее 4 с. Основными причинами срабатывания АЗ-1 являются уменьшение периода разгона реактора, увеличение нейтронного потока, изменение давления и Температуры в активной зоне, снижение уровня в ПГ и баках борного концентрата, потеря электропитания ответственного оборудования и т.д. (всего более 40 причин) (для защиты реакторов РБМК приняты пять градаций АЗ: АЗ-1, снижающая мощность до 80%; АЗ-2 - до 50%; АЗ-3 - до 40%; АЗ-4 - до 20%; АЗ-5, ведущая к полной остановке реактора).
Общее количество сигналов, инициирующих АЗ, превышает 60. В состав аппаратуры АЗ входят: устройство регулирования и ограничения мощности реактора, аппаратура контроля нейтронного потока (АКНП) «Далар» и другие устройства, образующие СУЗ. Для повышения помехоустойчивости, формирование сигналов АЗ обычно выполняется по схеме «два из трех».
Технологические защиты второго контура вызывают снижение нагрузки или остановку ΊΤ, либо остановку ТПН. В зависимости от ситуации нагрузка турбины может быть снижена до 50 % и более, вплоть до холостого хода. Причинами, вызывающими остановку турбины, служат осевое смещение ротора, снижение давления масла на смазке, повышение уровня в конденсаторе, отключение генератора, повышение уровня в ПГ, отключение циркуляционных и питательных насосов, рост числа оборотов и т.п. (всего около 50 причин). Некоторые из этих и другие причины (такие как повышение давления на напоре и всасе) вызывают также отключение питательных насосов.
Согласно ОПБ [79], в проекте АЭС должны быть предусмотрены средства, по возможности исключающие или ослабляющие последствия ошибочных действий персонала, которые могут привести к усугублению последствий отказа какого- либо устройства. Такими средствами, наряду с защитами, являются блокировки, служащие для запрета проведения какой-либо неправильной операции или для автоматического выполнения требуемой операции.
Блокировки вводятся по всем основным технологическим системам энергоблока. При срабатывании блокировок вводится запрет на пуск оборудования и открытие/закрытие арматуры, производятся автоматические переключения в схеме, вводятся в работу или переключаются в другой режим регуляторы, резервные насосы, электронагреватели, открывается/закрывается арматура. Ориентировочное количество блокировок для первого контура — около 150, для второго - около 300.
Помимо технологических защит и блокировок на пультах управления энергоблоком применяются всевозможные средства, препятствующие необдуманным, неправильным или небрежным действиям персонала. Так, ОУ, инициирующие наиболее ответственные действия, помещены в опломбированный кожух. Другой способ, защищающий от резкого ввода реактивности в реактор при ручном управлении органами регулирования, состоит в следующем. При нажатии на кнопку орган управления движется в течение определенного времени, а затем останавливается. Для повторного запуска органа требуется отпустить и вновь нажать кнопку.
Автоматизированные системы управления технологическими процессами. Измерительные системы, регуляторы, защиты и другая автоматика образуют нижний уровень автоматизации управления ЭБ АЭС. Следующую иерархическую ступень занимают АСУ ТП, основой которых является ЭВМ, осуществляющая функции регистрации данных, информационного обеспечения оператора, расчета, синтеза и ретрансляции управляющих воздействий на энергоблок. Как правило, АСУ ТП - это комплекс взаимодействующих систем следующих типов:
система внутриреакторного контроля (сбор, обработка и представление оператору параметров активной зоны);
система технологического контроля (сбор, обработка и представление оператору информации о ходе технологического процесса);
система радиационного технологического контроля (сбор и представление оператору информации о радиационном состоянии технологических сред);
система радиационной безопасности и охраны окружающей среды (контроль радиационной обстановки на АЭС, радиоактивности внешней среды в санитарно-защитной и контролируемых зонах);
система контроля водно-химического режима (сбор, обработка и представление оператору параметров водно-химического режима).
Структура аппаратного обеспечения АСУ ТП обычно включает в себя три уровня (более подробно о принципах организации АСУ ТП существующих АЭС, а также проекта АЭС-92 см. в [72]):
нижний уровень составляют устройства, предназначенные для связи с объектом управления, сбора, коммутации и первичной обработки измеряемых данных (в серийных АСУ ТП эти функции выполняют комплексы М-60, М-64, СМ-1634);
на среднем уровне находятся ЭВМ, концентрирующие, регистрирующие и обрабатывающие всю технологическую информацию (машины СМ-2М, М-6000, М-7000);
верхний уровень образуют средства обработки информации и взаимодействия с оператором - рабочие места операторов-технологов (РМОТ), персональные компьютеры и дисплеи, служащие «интеллектуальной» надстройкой системы.
Рассмотрим основные функции АСУ ТП на примере нескольких серийных систем - СВРК «Гиндукуш» и «Хортица», ИВС «Комплекс-Уран» и «Комплекс-Титан», СЦК «Скала», ФГУ.
Система внутриреакторного контроля «Гиндукуш». В сферу деятельности системы входят измеряемые и расчетные технологические и ядерно-физические параметры активной зоны, такие как общая тепловая мощность и расход теплоносителя, средняя температура теплоносителя на входе в реактор, средний (общий) и максимальный (в кассетах) подогрев теплоносителя, среднее энерговыделение. Основной задачей системы является сбор, обработка, расчет и представление информации оператору на дисплеях, цифровых индикаторах, бумаге и перфоленте. Информация, выводимая на дисплей, размещается в пяти форматах:
- 22 расчетных параметра активной зоны и контуров;
- динамическая информация о распределении мощностей кассет;
- информация о неравномерности энерговыделения;
- информация о термоконтроле;
- профиль зоны, количество превышений уставок по параметрам.
Управление работой системы осуществляется оператором с помощью функциональной клавиатуры, содержащей 14 клавиш. Одной из наиболее важных функций СВРК и других систем является накопление и архивация данных, позволяющая затем обрабатывать длительные тренды параметров и восстанавливать ход процессов в реакторе.
Наряду с СВРК для контроля состояния реактора используется система реакторного контроля «Хортица». Ее основой является ЭВМ СМ-2М, выполняющая более гибкую и сложную обработку поступающих от СВРК данных. Результатом этого стало расширение функций системы - появилась диагностика измерительных каналов, корректировка параметров измерительной системы, более разнообразные форматы вывода информации на экран и на печать (более 20-ти типов бланков), возможность представления оператору исторической информации за последние двое суток.
Информационно-вычислительные системы «Комплекс-Уран» и «Комплекс-Титан» (энергоблоки с реакторами ВВЭР и БН-600). Функциями этих систем являются:
сбор и представление оператору расчетной и измеряемой технологической информации в виде фрагментов мнемосхем, таблиц, гистограмм, графиков и различных справок, выводимых на экраны дисплеев и на печать;
регистрация срабатывания сигнализации, защит и блокировок, действий операторов, накопление и архивация информации, ведение журнала событий в нормальных и аварийных ситуациях;
обеспечение оперативной технологической информацией других автоматизированных систем более высокого уровня.
В нормальном режиме регистрация наиболее важных параметров (от 100 до 500) осуществляется с периодом 10-60 с. При возникновении аварийной ситуации начинается регистрация по специальным программам с периодом 0,1 с для дискретных и 2- 5 с для аналоговых сигналов.
Информация, представляемая оператору, выводится на три дисплея - основной, вспомогательный и резервный. Основной формой представления является фрагмент развернутой мнемосхемы энергоблока с текстом и динамически меняющимися параметрами. В зависимости от отображаемой технологической системы, фрагмент может быть общим или петлевым. Значения аналоговых и расчетных параметров выводятся на фрагмент в числовой форме: нормальные значения - зеленым цветом; повышенные (вышедшие за верхнюю уставку) - красным; пониженные - синим. Недостоверные значения аналоговых сигналов помечаются символом «х», запрещенные (не подлежащие использованию) — символом «*». Вновь появившееся отклонение параметра сопровождается миганием, которое снимается (квитируется) оператором. Значения дискретных параметров представляются в виде квадрата зеленого цвета, соответствующего закрытому (выключенному) состоянию, красного - открытому (включенному) состоянию, синего с миганием - промежуточному положению.
Управление работой системы осуществляется оператором с помощью клавиатуры, содержащей предметные, функциональные и маркерные клавиши. 42 предметные клавиши с обозначениями технологических систем предназначены для вызова фрагментов. Общие фрагменты вызываются нажатием одной клавиши, петлевые - нажатием клавиши фрагмента и номера петли. Предметные клавиши имеют подсветку, загорающуюся при наличии во фрагменте хотя бы одного отклонившегося параметра. При новом отклонении свечение становится мигающим с переходом на ровное после квитирования сигнала оператором. Время смены фрагмента составляет около 1 с. Функциональные и маркерные клавиши предназначены для выбора требуемой технологической информации и настройки параметров выводимых таблиц, графиков, гистограмм и справок.
Система централизованного контроля (СЦК) «Скала», серийно применяемая для автоматизации энергоблоков с реакторами РБМК, принципиально ничем не отличается от описанных выше ИВС. Наиболее существенной особенностью ЭБ АЭС с РБМК является необходимость массовых (до 10 тыс.) замеров однородных параметров в каналах реактора. Для качественной графической визуализации этой информации СЦК оснащаются надстройками, выполненными на базе современной вычислительной техники, мониторов и высокотехнологичных средств программирования.
Управляющая часть АСУ ТП реализуется устройствами функционально-группового управления (ФГУ), предназначенными для логического управления технологическим оборудованием по программам, загружаемым из ЭВМ. С помощью ФГУ реализуются такие сложные программы, как пуск и остановка оборудования.
Перечисленные системы являются сегодня основным инструментом в работе оперативного персонала ЭБ АЭС, они высоконадежны, многоканальны, сохраняют свои функции при единичном отказе и при выходе из строя БЩУ, устойчивы к внешним воздействиям. Однако очевидны и их недостатки:
морально и физически устаревшая вычислительная база;
информационный, а не управляющий характер функционирования;
неиспользование потенциальных возможностей обработки данных;
проблемы взаимодействия различных систем и их составных частей.
Итак, подведем итог обзору средств автоматизации на АЭС:
а) автоматические системы освобождают оператора от значительной части легко формализуемых рутинных задач и в большинстве случаев защищают АЭС от нежелательных событий;
б) автоматизированные системы обеспечивают оператора информацией для решения более сложных и трудноформализуемых задач, а некоторые из этих задач они способны решать самостоятельно, если процесс протекает без осложнений.
Очевидно, что трудноформализуемые задачи не подлежат полной автоматизации «по определению». А частичной? Почему бы не избавить оператора, если не от всего процесса решения задачи, то, по крайней мере, от отдельных его этапов, таких как отбор и фильтрация необходимой информации, диагностика и сопоставление большого числа признаков, генерация альтернативных решений и пр. Активно создаваемые сегодня во всем мире системы, предназначенные для решения таких задач, получили название «системы поддержки оператора». Рассмотрим их структуру, функции, классификацию и методы построения более подробно.
