close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

uploaded 0C50076919

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
Маликов Тимофей Борисович
СИСТЕМА КОНТРОЛЯ И АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОЦЕССА
ПОДГОТОВКИ ОТРАБОТАВШЕГО ЯДЕРНОГО ТОПЛИВА
К СУХОМУ ХРАНЕНИЮ
05.11.13 – приборы и методы контроля
природной среды, веществ, материалов и изделий
АВТОРЕФЕРАТ ДИССЕРТАЦИИ
НА СОИСКАНИЕ УЧЕНОЙ СТЕПЕНИ
КАНДИДАТА ТЕХНИЧЕСКИХ НАУК
Сосновый Бор
2015
2
Работа выполнена в федеральном государственном унитарном предприятии «Научноисследовательский технологический институт имени А.П. Александрова»(г. Сосновый Бор
Ленинградской области).
Научный руководитель:
Официальные оппоненты:
Ведущая организация:
Василенко Вячеслав Андреевич
доктор технических наук, профессор, генеральный директор
федерального государственного унитарного предприятия
«Научно-исследовательский технологический институт
имени А.П. Александрова»
Потапов Анатолий Иванович
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой
федерального
государственного
бюджетного
образовательного учреждения высшего профессионального
образования
«Национальный
минерально-сырьевой
университет «Горный»
Карякин Юрий Евгеньевич
доктор физико-математических наук, профессор, научный
руководитель
учебно-научно
технического
центра
«Техническая диагностика и надежность атомных и
тепловых
электрических
станций»
федерального
государственного
автономного
образовательного
учреждения высшего образования «Санкт-Петербургский
политехнический университет Петра Великого»
ОАО
«Научно-производственное
объединение
по
исследованию
и
проектированию
энергетического
оборудования им. И.И. Ползунова» (ОАО «НПО ЦКТИ»),
г. Санкт-Петербург
Защита состоится 26 мая 2015 г. в 15:30 на заседании совета по защите диссертаций на
соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук
Д 212.230.06 в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении
высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный
технологический институт (технический университет)» по адресу: 190013, Санкт-Петербург,
Московский пр., 26, ауд.кафедры ресурсосберегающих технологий.
С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке СПбГТИ(ТУ) и на
официальном сайте организации по ссылке: http://technolog.edu.ru/ru/documents/file/2069dissertatsiya-na-soiskanie-uchenoj-stepeni-kandidata-tekhnicheskikh-nauki.html.
Замечания и отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять на имя
ученого секретаря по адресу: 190013, Санкт-Петербург, Московский пр., 26, СанктПетербургский государственный технологический институт (технический университет).
Справки по тел.: (812) 494-93-75; факс: (812) 712-77-91; e-mail: dissowet@technolog.edu.ru
Автореферат разослан________________ 2015 г.
Ученый секретарь совета по защите диссертаций на
соискание ученой степени кандидата наук, на соискание
ученой степени доктора наук Д 212.230.06
кандидат физико-математических наук, доцент
Ю.Г. Чесноков
3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы
В настоящее время хранение отработавшего ядерного топлива (ОЯТ)
является серьезной проблемой атомной энергетики многих стран мира, в том
числе и России. Наиболее перспективным способом обращения с ОЯТ является
его переработка и замыкание топливного цикла. Сегодня процесс переработки
ОЯТ реализован только для топлива реакторов типа БН-600 и ВВЭР-440 на
базе ПО «Маяк» и завода РТ-1. Для остальных типов реакторов преобладает
«отложенное» решение, которое заключается в размещении топлива в
хранилищах различного типа. Для решения проблемы обращения с
отработавшим топливом Минатомом России была принята программа перевода
ОЯТ атомных станций на длительное сухое хранение. В рамках этой
программы предусматривается решение целого ряда задач, в числе которых разработка металлобетонных контейнеров (МБК), предназначенных для
хранения и транспортировки ОЯТ, а также создание необходимой
технологической инфраструктуры для перевода топлива на сухое контейнерное
хранение. В рамках этой программы в ОАО «КБСМ» разработан
металлобетонный контейнер УКХ-109 для хранения и транспортировки ОЯТ
РБМК-1000.
Операции по осушению МБК с ОЯТ, контролю влагосодержания и
герметичности уплотнений контейнера, а также заполнению его внутреннего
объема инертным газом объединены одним технологическим понятием –
подготовка МБК к хранению. Качество проведения этого процесса во многом
определяет срок безопасного хранения топлива. Указанные операции
присутствуют в технологических процессах перевода ОЯТ на сухое хранение с
использованием контейнеров различных типов, однако существенные отличия
в конструкции и технологии подготовки к сухому хранению ОЯТ РБМК не
позволяют целиком использовать мировой опыт в этой области. Наиболее
проблемной, с этой точки зрения, является операция осушки и контроля
остаточного влагосодержания. Поэтому задача выбора оптимальных режимов и
технологии, а также создание необходимого оборудования для проведения
этих операций была выделена в отдельное направление исследований и
является актуальной задачей.
В качестве предмета исследования выступает технологический
процесс подготовки контейнеров с отработавшим ядерным топливом к сухому
хранению, методы контроля остаточного влагосодержания и их программноаппаратная реализация.
Целью работы являются исследования на крупномасштабном стенде
проектного технологического процесса, метода осушки и контроля МБК с ОЯТ
РБМК-1000, экспериментальное подтверждение характеристик процесса,
разработка программно-технического комплекса для автоматизации процессов
подготовки и контроля, исследования технологического процесса при работе с
ОЯТ. Для реализации поставленной цели необходимо решить следующие
задачи:
4

провести исследования проектного технологического процесса осушки и
контроля МБК с точки зрения возможности достижения заданных
параметров;
 на основе результатов исследования выработать предложения по
изменению технологической системы и разработать методы вакуумного
осушения
и
контроля
применительно
к
использованию
в
автоматизированной системе управления;
 разработать и внедрить автоматизированный программно-технический
комплекс управления технологической системы подготовки и контроля
МБК с ОЯТ РБМК-1000 к сухому хранению для Ленинградской АЭС;
 подтвердить характеристики разработанной технологической системы
подготовки и контроля Ленинградской АЭС, работающей под
управлением автоматизированного комплекса;
 проанализировать работу автоматизированной системы подготовки и
контроля МБК Ленинградской АЭС в процессе опытной эксплуатации с
реальным ОЯТ.
Научная новизна
1. Разработана и экспериментально обоснована методика осушки и контроля
остаточного влагосодержания во внутренней полости контейнеров с ОЯТ
РБМК-1000 с «сухим» способом загрузки и ампульной упаковкой
топливных сборок. Показана независимость предложенного метода
контроля от начального объема воды в контейнере и остаточного
энерговыделения ОЯТ
2. Предложен метод поддержания давления в конденсаторе с
использованием регулирующего клапана с частотным управлением
асинхронным двигателем электромеханического привода.
3. Впервые в отечественной практике разработан и внедрен программнотехнический комплекс автоматизированного управления процессом
подготовки к «сухому» хранению и контроля контейнеров с ОЯТ
РБМК-1000.
Практическая значимость: Результаты диссертационной работы
реализованы при создании и внедрении автоматизированной системы
подготовки СМ-647 и комплекса автоматизированного управления СМ-821,
которые с 2011г. находятся в опытно-промышленной эксплуатации на
Ленинградской АЭС, а также при создании аналогичных технических средств
СМ-650А и СМ-821 для Смоленской АЭС.
Достоверность
результатов:
Достоверность
результатов
диссертационного
исследования
подтверждена
соответствующим
метрологическим
обеспечением
исследований,
большим
объемом
экспериментальных данных. Состав и влажность газовой среды во внутренней
полости контейнера контролировалась неоднократными измерениями с
использованием аттестованных приборов службами ЛАЭС и ФГУП «ГХК» как
в ходе экспериментальных исследований на стенде, в процессе
функционирования автоматизированной технологической системы подготовки
5
на Ленинградской АЭС, так и после транспортировки контейнеров к месту
хранения ОЯТ.
Личный вклад автора в полученные результаты: Автор
диссертационной работы принимал непосредственное участие в постановке
задач и проведении экспериментальных исследований на стенде СМ-Э322,
оснащении его средствами измерений и автоматизации научных исследований,
в разработке концепции автоматизированной системы управления СМ-821, а
также в создании аппаратного, программного и алгоритмического обеспечения.
Кроме этого, при непосредственном участии автора выполнялись работы по
внедрению технологии подготовки УКХ-109 с ОЯТ РБМК-1000 Ленинградской
АЭС.
На защиту выносятся:
1. Результаты экспериментального исследования и обоснования режимов
осушки и контроля остаточного влагосодержания, выполненных на стенде
СМ-Э332 с использованием полномасштабного электрообогреваемого
контейнера, а также результаты оптимизации режимов поддержания
параметров технологического процесса.
2. Автоматизированный
программно-технический
комплекс
СМ-821
управления подготовкой УКХ-109 с ОЯТ РБМК-1000 к сухому хранению,
реализующий
разработанные
в
результате
экспериментальных
исследований методики подготовки и контроля.
3. Методика регулирования давления в конденсаторе при сверхмалых
расходах.
4. Результаты опытно-промышленной эксплуатации системы подготовки
УКХ-109 с ОЯТ РБМК-1000 на Ленинградской АЭС.
Апробация материалов диссертации:
Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на: IV
Международном ядерном форуме (Санкт Петербург, 2009г.), международных
научно-практических конференциях по атомной энергетике «Безопасность,
эффективность, ресурс» (ПАЭ-10, 2010г и ПАЭ-11, 2011г., Севастополь,
Украина), отраслевом научно-техническом семинаре "Проблемы перевода ОЯТ
РБМК-1000 на сухое хранение" (Обнинск, 2009), 8-й международной научнотехнической конференции «Безопасность, эффективность и экономика атомной
энергетики» (Москва, 2012). Всего по результатам исследований опубликовано
шесть печатных работ, включая статьи в журналах, рекомендованных ВАК
(Автоматизация в промышленности, 2013г., Известия Санкт-Петербургского
технологического университета, 2014г.). Получено свидетельство о
государственной регистрации программы для ЭВМ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти
глав, заключения, списка использованных источников из 126 наименований.
Диссертация содержит 158 страниц текста, в том числе 66 рисунков, 18 таблиц
и 11 приложений.
6
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении дана краткая характеристика современного состояния
проблемы, обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы
задачи исследования, отмечены научная новизна и практическая значимость
полученных результатов и основные положения, выносимые на защиту.
В первой, обзорной главе представлено краткое описание технологии
перевода ОЯТ на сухое хранение.
Наиболее современной и безопасной технологией хранения ОЯТ признан
сухой способ с использованием контейнеров различной конструкции. Процесс
перевода топлива на сухое контейнерное хранение состоит в перегрузке
топлива из бассейнов выдержки в контейнеры, создание в них необходимых
условий, а также в проведении необходимых контрольных операций. В
настоящее время основным способом перегрузки ОЯТ в контейнер является
загрузка под слоем воды. Такой способ реализован для контейнеров CASTORCONSTOR и Duke Engineering & Services, в том числе и на Игналинской АЭС с
реакторами РБМК-1500.
Важнейшим условием безопасного длительного сухого хранения ОЯТ,
кроме герметичности его уплотнения, является обеспечение нормативной
влажности во внутренней полости контейнера. Так для российских
контейнеров установлено предельное значение по содержанию воды в газовой
среде контейнера менее 20г/м3. Для достижения такой влажности используются
различные технологии осушки. В зависимости от конструкции контейнеров
применяются такие методы, как сквозная продувка полости контейнера
подогретым гелием с контролем влажности выходящего потока, циклическое
вакуумирование с подогревом в сушильной камере. Однако наиболее
распространенным
способом
является
вакуумная
сушка
топлива
непосредственно в контейнере. Принцип этого процесса состоит в испарении
воды в полости контейнера за счет вакуумирования, выводе пара за пределы
контейнера с последующей утилизацией воды в конденсаторе. При этом в
полости контейнера создается давление в пределах 0,3…1,5 кПа. После этого
контролируют влагосодержание.
Задача вакуумной осушки решается при помощи различных схем
вакуумирования. В одной схеме используется один конденсатор, который
устанавливается после вакуумного насоса. Конденсатор в этом случае
охлаждается проточной водой. В другой схеме используются два конденсатора,
которые устанавливаются до и после вакуумного насоса. При этом
принимаются специальные меры по исключению вскипания воды в
установленном до насоса конденсаторе. Чаще всего для этого отключают
приемный бак первого конденсатора при помощи клапана. Для охлаждения
конденсаторов используется низкотемпературный теплоноситель. Контроль
остаточного влагосодержания проводит оператор по абсолютному значению
давления или приросту давления за определенный промежуток времени.
Как показал сравнительный анализ, несмотря на схожие технологические
решения по методу загрузки топлива и конструкции контейнеров, в системах
7
различных производителей сильно различаются временные и параметрические
критерии, которые используются в процессе сушки и при контроле остаточного
влагосодержания.
Во второй главе рассмотрены особенности процесса перевода ОЯТ
РБМК-1000
на
сухое
хранение
с
использованием
контейнера
УКХ-109.
Конструкция российского контейнера УКХ-109
и предлагаемая к реализации технология
загрузки и подготовки ОЯТ к сухому хранению
существенно отличаются от зарубежных
аналогов. Металлобетонный контейнер УКХ109 (рисунок 1) предназначен для «сухой»
загрузки ОЯТ и поэтому имеет только один
канал для вывода газов из полости хранения
ОЯТ в верхней части корпуса. Топливо в
контейнере располагается в специальных
закрытых
ампулах,
которые
исключают
образование критичных просыпей в случае
разрушения отработавших тепловыделяющих
Рисунок 1 - Металлобетонный
сборок (ОТВС). Для газообмена крышки ампул
контейнер УКХ-109
в составе ТУК-109
имеют калиброванный зазор. В контейнер
устанавливается 144 ампулы (соответствует 72
ОТВС реактора РБМК-1000). Корпус контейнера выполнен из специального
бетона и облицован листами из нержавеющей стали. Контейнер имеет две
крышки, герметичность которых обеспечивается за счет специальных
прокладок. Процесс подготовки МБК включает в себя операции осушки
внутренней полости, контроля остаточного влагосодержания, контроля
герметичности уплотнений крышек МБК при помощи гелиевого течеискателя и
заполнение полостей аргоном, контроль герметичности вспомогательных
полостей. Внутри контейнера не предусмотрена установка каких-либо
датчиков, отсутствуют каналы для сквозной продувки газа.
Учитывая большой объем накопленного ОЯТ РБМК-1000, для подготовки
УКХ-109
к
хранению
предлагалось
использовать
стационарную
технологическую систему, которая охватывала бы весь комплекс операций,
включая осушку, заполнения газами и контроль остаточного влагосодержания
и герметичности уплотнений. В отличие от иностранных аналогов в проекте
системы подготовки УКХ-109 используется только один конденсатор, который
был установлен перед вакуумным насосом и охлаждался низкотемпературным
хладоагентом. Управление подготовкой осуществлял оперативных персонал
при помощи ручных клапанов. В соответствии с проектной методикой
вакуумная сушка должна проводиться путем вакуумирования полости УКХ-109
с ОЯТ до достижения давления 0,6 кПа. Осушка считалась завершенной, если
прирост давления при отключенном насосе составлял не более 1,2 кПа в час.
Для оценки возможности использования для УКХ-109 технологий
подготовки иностранных контейнеров был выполнен сравнительный анализ,
8
который показал, что проектные методики осушки и критерии контроля
остаточного влагосодержания в целом совпадают с наиболее близким аналогом
– системой перевода на сухое хранение ОЯТ РБМК-1500 Игналинской АЭС.
При этом загрузка ОЯТ в МБК CONSTOR RBMK 1500 проводилась под слоем
воды. Однако, в отличие от аналога, в конструкции контейнера УКХ-109
использована ампульная упаковка топлива, а загрузка ОЯТ проводится по
сухой технологии в специальной камере. Результаты математического
моделирования также показали значительные различия в прогреве стенок
контейнеров на момент начала процесса подготовки, что говорит о различных
условиях выхода воды из контейнеров при сухой загрузке и загрузке под слоем
воды.
Поэтому методика осушки и критерии контроля остаточного
влагосодержания, предлагаемые для системы подготовки УКХ-109, требуют
проверки и обоснования. А учитывая большое влияние качества проведения
данного процесса на безопасность длительного хранения ОЯТ, необходимо
минимизировать влияние человеческого фактора на ход подготовки контейнера
и проведения различных контрольных операций за счет использования
современных автоматизированных программно-технических средств.
Третья
глава
посвящена
экспериментальным
исследованиям
технологического процесса вакуумной осушки МБК и контроля остаточного
влагосодержания
на
крупномасштабном
стенде
СМ-Э332.
Смысл технологического
процесса осушки состоит в
том, чтобы создать условия,
при которых с одной стороны
происходило бы испарение
воды в контейнере, а с другой
– конденсация паров в
конденсаторе.
При
этом
процесс осушения реализуется
Рисунок 2 – Экспериментальный стенд СМ-Э332
при пониженном давлении в
контейнере. Процесс завершается процедурой контроля остаточного
влагосодержания.
В качестве объекта исследования была выбрана физическая модель
системы подготовки и контроля. Для этого, при непосредственном участии
автора, был смонтирован экспериментальный стенд СМ-Э332 (рисунок 2).
Стенд
состоял
из
натурного
металлобетонного
контейнера
с
электрообогреваемым имитаторами ОЯТ, конденсатора, вакуумного насоса,
системы электропитания и датчиков. Принципиальная схема стенда,
предложенная проектной организацией, представлена на рисунке 3а.
Эксперименты осуществлялись по следующему методике. На дно
контейнера и в ампулы заливалась вода, контейнер герметизировался, и
включались нагреватели. Контейнер выдерживался в течении 24 часов, а затем
Регулирую щ ая
электроаппарат ура,
380~50 Гц
С истема
изм ерения,
Т, С °
Д атчики
тем перат уры ,
Т, С °
Д атчики давления, Р, кП а
Л овуш ка,
1,5 л ж идкого
а зота
П лощ адка
обслу ж ивания
Н асос
Конденс атор
0,25 л х 4
2 л
В ода
О хл. вода
МБК
А м пулы (4 ш т.)
Н агреватели W = 0...13,2 кВ т
Н агреватели
W = 30...60 В т
х
4
Б ачок на 5 л
для конденс ата
9
проводилось вакуумирование. Ход процесса определялся режимом
вакуумирования.
Охлаждение
Т
Прежде всего, были проверены проектные
В
атмосферу
методики осушки. В ходе испытаний, МБК T
Р
выполненных по проектному сценарию, было
КN
К3
установлено,
что
при
достижении
К1
определенного давления происходит вскипание
воды в конденсаторе и поступление ее в насосы.
«Отравление»
насосов
водой
делает
невозможным снижение давления до требуемой
К2
СЛИВ
величины и нарушает работу системы
а) до модернизации
подготовки (рисунок 4). Причина подобного
Охлаждение
Т
хода процесса состояла в отсутствии в системе
В
Р
МБК P
регулирующей
аппаратуры
позволяющей
атмосферу
КR К3
поддерживать
необходимое
давление
в
KN
конденсаторе.
Проведенные
эксперименты
V
Т
показали невозможность достижения заданных
H
параметров в МБК при проектной конструкции
К2
СЛИВ
стенда и предложенной методике проведения
б) после модернизации
вакуумной осушки и контроля.
100
Исходя из
Рисунок 3 - Схема вакуумная
Давление в
принципиальная стенда
результатов
МБК по PD1
СМ-Э332
исследования,
10
при участии автора были выработаны
предложения по доработке стенда и методике
осушки. Схема модернизированного стенда
1
СМ-Э332 приведена на рисунке 3б.
1000
2500
4000
Электрообогреваемый контейнер МБК через
Время, мин.
Рисунок 4 - Ход проектного режима клапан К1 подключен к конденсатору KN.
осушки
Пар,
поступающий
в
конденсатор,
конденсируется и собирается в баке конденсатора, а воздух отводится к насосу
NL через клапан КR, при помощи которого поддерживалось давление в
конденсаторе, исключающее кипение. Конденсатор и приемный бак
охлаждались водой с температурой 4...12 С. Для анализа результатов
экспериментов контейнер заполнялся сухим воздухом. После выдержки в
течении 12 часов, воздух стравливался через термогигрометр ИВА-6Б, который
измерял влагосодержание газа.
Основной задачей экспериментов было определение оптимального режима
снижения давления в МБК и выработка критериев фиксации факта достижения
требуемой влажности газа в полости МБК (<20г/м3). Для измерения параметров
процессов, протекающих в ходе экспериментов в стенде, использовалось
свыше 50 различных датчиков.
2
1
2
1
3
4
К1
NL
Давление, кПа
2
10
Масса конденсата, кг
Давление, кПа
Регистрация такого объема информации и представление ее оператору
осуществлялась при помощи измерительно-вычислительного комплекса «ИВК
СМ-Э332», специально разработанного для этого стенда. ИВК состоял из
распределенной системы сбора
данных, и ПЭВМ с системой
видеокадров
(рисунок
5).
Обновление
измерительной
информации
и
расчетных
параметров
на
мониторах
осуществлялось с периодом 1с, а
регистрация - 0.01…1 Гц.
В ходе экспериментов была
проверена методика подготовки
Рисунок 5 - Структура ИВК СМ-Э332
контейнеров с ОЯТ, которая
использовалась на Игналинской АЭС (рисунок 6). В результате эксперимента
установлено, что вода из контейнера в этом случае выводится не полностью, о
чем можно судить по балансу масс. Причиной такого явления стало
значительное охлаждение отдельных зон в
100
5
полости контейнера за счет вскипания воды
Давление в МБК
Уровень в конденсаторе 4
при быстром снижении давления и,
80
соответственно,
неравномерность
60
3
температурного поля в металлоконструкции.
Наличие таких зон создает условия для
40
2
возникновения относительно стабильных по
20
1
времени равновесных процессов кипенияконденсации воды в полости МБК и
0
0
препятствует выходу пара из контейнера в
0
10
20
30
Время, час
систему осушки. Причина возникновения
Рисунок 6 – Режим осушки по
такого явления кроется в слабом прогреве
технологии GNB
МБК при «сухом» способе загрузки ОЯТ.
Полученные результаты исследований показали неприемлемость методов
осушки Игналинской АЭС к контейнерам УКХ-109.
На основе выполненных исследований автором предложен двухэтапный
сценарий проведения процесса осушки МБК с ОЯТ, который можно
сформулировать следующим образом. В условиях слабого прогрева стенок
контейнера надо создать такие условия, при которых пар, выходящий из
контейнера, не должен охлаждать внутренние конструкции контейнера и
создавать условия для возникновения равновесных процессов. Для этого
необходимо искусственно поддерживать давление на выходе контейнера на
более высоком уровне, пока основная масса воды не покинет МБК, а затем
перейти к более низким значениям давления. Так как наиболее холодные
элементы контейнера изначально имеют температуру окружающей среды, то
для исключения дальнейшего охлаждения этих элементов промежуточное
давление может быть определено как давление насыщения водяного пара при
температуре окружающей среды.
11
Такой сценарий может быть проиллюстрирован на примере эксперимента,
результаты которого представлены на рисунке 7.
Давление, кПа
100
I
10
II
III
A
Б
1
0
10
20
30
40
50
Время, час
60
70
90
80
А - давление насыщения водяных паров, рассчитанное по температуре окружающей среды
Б – давление парогазовой смеси в контейнере;
M_KOND, кг
40
I
II
10
III
0
0
10
20
30
40
50
Время, час
60
70
80
90
M_COND - масса конденсата в приемном баке; I,II,III – фазы процесса.
Рисунок 7 – Характерные стадии технологического процесса вакуумного осушения УКХ
На первой стадии давление на выходе из контейнера должно быть выше
давления насыщения водяных паров по температуре окружающей среды
(температуре воздуха в помещении поста подготовки УКХ-109).
II-я стадия вакуумной осушки, которая реализуется при абсолютных
давлениях в контейнере примерно меньше 10 кПа, характеризуется
интенсивным парообразованием и конденсацией выходящего пара в
теплообменнике. На этой стадии откачки дополнительно к требованиям по
регулированию давления первой стадии необходимо уменьшить скорость
откачки и поддерживать ее на минимально возможном уровне, чтобы давление
в конденсаторе было выше давления насыщения по температуре в
конденсаторе. Выполнение этого условия необходимо для надежной
конденсации пара в теплообменнике.
III-я стадия откачки начинается после прекращения конденсации пара в
конденсаторе (стабилизации уровня конденсата в приемном баке). На этой
стадии в области давлений меньше 3 кПа осуществляется диагностика
окончания процесса вакуумной осушки контейнера.
Единственным параметром, доступным для контроля во внутренней
полости МБК, является давление газовой среды. Поэтому диагностика факта
завершения процесса осушки осуществляется по величине прироста давления в
12
полости МБК. Для этого в контейнере необходимо создать условия, при
которых вся жидкая фаза воды испарится, а паровая фаза окажется перегретой
относительно температуры насыщения. Затем измерить общее давление
парогазовой смеси в контейнере и определить, допуская равенство
парциального давления пара измеренному, плотность пара на линии
насыщения и, соответственно, его массу в объеме контейнера в
консервативном приближении.
Далее необходимо выполнить
контроль отсутствия в контейнере
жидкой фазы воды. Для этого
откачку необходимо прекратить,
магистраль откачки УКХ-109 при
помощи клапана Г24 за датчиком
PD3 перекрыть (см. рисунок 3б) и
контролировать
давление
в
контейнере по датчику P1. С учетом
результатов
экспериментального
моделирования
процессов
1– линия насыщения водяного пара; 2 – допустимая
вакуумной осушки МБК на стенде
область остаточного давления; 3 – область
СМ-Э332 контрольный процесс
ухудшенной конденсации пара в теплообменнике
завершения
осушки
УКХ-109
Рисунок 8 – Границы остаточного давления
парогазовой смеси в УКХ-109 при
выглядит следующим образом.
диагностике окончания вакуумной сушки
Если в течение 4 часов давление
в контейнере повысится для ОЯТ 30-летней выдержки на величину менее
100 Па (для ОЯТ 10-летней выдержки – менее 200 Па) и при этом абсолютное
давление в контейнере не превысит величину давления насыщения при
температуре окружающей среды или предельную величину остаточного
давления 2,72 кПа, что свидетельствует об отсутствии в контейнере жидкой
фазы, то осушка закончена и величина остаточной влаги в контейнере не
превышает 20 г/м3, так как плотность пара при давлении менее 2,72 кПа менее
20 г/м3. Если эти условия не соблюдаются, то необходимо повторно открыть
клапан К1 и повторить откачку. Предельная величина роста давления является
эмпирической и определена на основе экспериментальных данных. Для учета
колебаний температуры окружающей среды и температуры в конденсаторе
автором предложена номограмма (рисунок 8), которая позволяет оперативно
определять предельно допустимый рост давления в МБК в процессе контроля
остаточного влагосодержания.
Для проверки предложенной методики было проведено свыше 20
экспериментальных режимов длительностью от 20 до 180 часов каждый, при
этом варьировались следующие параметры: тепловыделение топлива,
температурные условия на посту, условия предварительного прогрева топлива.
Для проверки предложенных решений был проведен контрольный «слепой»
эксперимент с неизвестным для экспериментаторов количеством воды залитой
в МБК. Эти эксперименты подтвердили правильность предложенной методики
и позволили сделать вывод о том, что процесс контроля влагосодержания
13
Давление в МБК, кПа
может быть выполнен только при определенном тепловом состоянии
контейнера, которое достигается в процессе осушки МБК.
Для использования данного метода в
Давление в системе
Граничная уставка
автоматизированном
программноДавление насыщения по tос
Зона контроля
техническом комплексе СМ-821 автором
Колебание давления по tк
были
сформулированы
следующие
алгоритмические
правила,
которые
иллюстрируют
идеализированный
двухэтапный процесс осушки и контроля
(рисунок 9). Ход процесса определяется
правилами поддержания давления на выходе
3 4 5 6
1
2
7
Рисунок 9 – Идеализированный ход из УКХ-109.
технологического процесса осушки
Первый этап снижения давления
включает в себя интервалы времени с 1-й по 3-й и характеризуется тем, что
предельное давление определяется по температуре окружающей среды toкр в
районе установки МБК (рисунок 10). На втором этапе (на интервалах 4,5,6)
t
давление определяется по температуре в
P
Р
Р
конденсаторе tk. Отрезок времени 7
МБК
NL
является контрольным.
На
интервале
1
реализуется
H
начальная
стадия
вакуумирования
t
внутреннего объема МБК. Поступление
влаги в конденсатор на этой стадии крайне
Рисунок 10 – Эквивалентная схема
мало, однако достаточно интенсивно идет
системы осушки
прогрев внутренних элементов контейнера
и трубопроводов, примыкающих к МБК. На этой стадии приходится принимать
меры для снижения нагрузки на вакуумный насос NL за счет дросселирования
линии при помощи регулирующего клапана KR:
k
1
2
3
oc
max
P3  PNL
(1)
где, P3 – давление на входе в вакуумный насос, PNLmax – максимально
допустимое давление на входе, для данного типа насоса. Основным критерием
перехода к следующей стадии является начало выхода пара из контейнера и
рост уровня воды в конденсаторе, регистрируемого датчиком Н.
На интервале 2 продолжается интенсивное кипение воды в контейнере и
начинается поступление пара в конденсатор. Уровень воды в приемном баке
начинает интенсивно расти. По мере падения давления необходимо
ограничивать расход парогазовой среды через конденсатор за счет
дросселирования линии после конденсатора при помощи регулирующего
клапана KR. Причем давление в конденсаторе P2 не должно снизиться ниже Рз1.
Предельное значение давления Рз1 с учетом погрешности средств измерения
может быть записано в виде:
Pз1  Ps (Tокр )   k
P2  Pз1
(2)
14
где, P2 давление в конденсаторе в конце 1 стадии, Токр – температура
окружающей среды в помещении подготовки контейнеров, k – ширина зоны
контроля.
Интервал 3 характеризуется тем, что процессы выхода влаги из полости
МБК замедляются, и прекращается рост уровня воды в приемном баке, что
свидетельствует о выходе основной массы воды из МБК. Этот интервал
выделен в отдельный процесс как переходной. Критерием перехода к
следующей стадии может служить прекращение роста уровня воды в
конденсаторе измеряемого датчиком Н. Однако использовать данный критерий
невозможно из-за особенностей конструкции приемного бака конденсатора и
схемы измерения уровня в нем. Другим способом определения факта
прекращения кипения в МБК является анализ роста давления во внутренней
полости МБК за счет испарения воды и нагревания газа. Недостатком этого
метода является необходимость прекращения вакуумирования на определенное
время, однако при выборе достаточно малого интервала времени анализа, а
также принудительно устанавливая время повторного контроля, это
ограничение не существенно влияет на общее время процесса. Условием
начала проверки по этому методу является падение давления на выходе
конденсатора ниже определенного порога. Значение прироста давлений и
контрольный порог определяются при настройке систем. Условие перехода на
следующую фазу по этому методу можно записать в следующем виде:
P1  Ps (Tокр )  
'
P1  Pmax
(3)
где, P1 – давление в МБК, P1 – прирост давления за заданный промежуток
времени, Токр – температура окружающей среды, P`max – максимально
допустимый прирост давления в МБК.
Переход процесса на второй этап (зона 4, 5, 6) характеризуется
поддержанием в конденсаторе давления не ниже величины, определяемой по
формуле:
P2  Ps (Tk )
(4)
где, P2 – давление в конденсаторе 2 фазы, Тк – температура хладоносителя
на выходе из конденсатора.
Однако использование в качестве опорного параметра Тк – температуры
хладоносителя достаточно сложно. Регулирование температуры хладоносителя
в холодильных агрегатах осуществляется в режиме «охлаждение естественный нагрев», что приводит к колебаниям температуры в пределах
2...6 C, что соответствует колебаниям расчетного давления насыщения до 500
Па. Такая нестабильность может привести к ложным результатам при
определении факта завершения осушки. Наиболее оптимальным в этом случае
является предложение использовать в качестве опорного значения некую
константу Pm, которая с одной стороны гарантированно обеспечивает
необходимый температурный напор для надежной конденсации пара, а с
другой – исключает возмущающие воздействия со стороны колебаний
15
температуры в линиях циркуляции хладоагента холодильного агрегата. При
этом должно выполняться следующее неравенство:
Pm  Ps (max( Tk ))
(5)
Оптимальным значением, как показали эксперименты, является
Pm=1.02кПа, которое соответствует температуре Tk = 7C, за счет чего
обеспечиваются хорошие условия для конденсации пара в конденсаторе (при
условии, что температура хладоносителя колеблется в диапазоне 1...4C).
В интервале 4 происходят переходные процессы, которые
обусловливаются сильным вскипанием оставшейся в МБК воды при
понижении давления. В следующем интервале идет вывод остаточной влаги.
Из-за малого количества остаточной влаги в МБК быстро создаются условия
для перехода к фазе 6 по методике, аналогичной применяемой на интервале 3.
Многократное повторение циклов контроля сильно увеличивает время осушки
за счет прерывания процесса вакуумирования циклами измерения
производных. В этих условиях, наиболее оптимальным решением является
установка фиксированной длительности интервала 5.
На интервале 6 проводится контроль перехода, аналогичный интервалу 3.
Однако, кроме определения производной роста давления, контролируется и
предельный рост давления, который определяется по температуре окружающей
среды. Условием завершения процесса осушки в этом случае становится
выполнение следующего условия (6):
P1  min( Ps (Toкк ),2.9)  
P1  Pmax
(6)
P1  Pm   k
где P1 - давление в МБК в конце цикла контроля, P1 - прирост давления в
МБК за время контроля, Tокр - температура среды в помещении подготовки
МБК, Pmax - величина предельно допустимого роста давления в МБК, k –
ширина зоны контроля. Если условие не выполняется, то производится
повторное вакуумирование с фиксированной длительностью.
Для контроля остаточного влагосодержания используется интервал 7.
Процесс контроля заключается в анализе прироста давления в МБК за
установленный промежуток времени. Если давление в МБК за фиксированный
промежуток времени не вырастет на величину более заданной (7) с одной
стороны, а абсолютное значение в полости МБК не превысит давление
насыщения, рассчитанное по температуре окружающей среды с ограничением
по температуре предельно допустимой плотности пара, то контейнер считается
осушенным. Влажность среды при этом соответствует нормативным значениям
<20г/м3.
P1  min( Ps (Tокр ),2.9)  
P1  Pk
(7)
Для компенсации погрешности введена поправка , которая определяется
как сумма абсолютных погрешностей датчиков давления в полости МБК и
конденсаторе, и окружающей среды, измерительных преобразователей, а также
16
погрешности вносимой функцией вычисления давления насыщения, с учетом
погрешностей измерения температуры в конденсаторе. Временной интервал
контроля определен по результатам экспериментов и составляет 4 часа. В
случае если условие не выполняется, то операции 6 и 7 повторяют.
Результатом данного процесса контроля является качественное
заключение о непревышении количества воды в контейнере над
нормативными. Однако количественная оценка влажности газа в полости
контейнера после заполнения газами может быть дана только в
консервативном приближении на основе значений конечного давления в
полости контейнера, с учетом последующего разбавления.
Предложенная методика содержит четкие критериальные количественные
оценки и пригодна для реализации средствами автоматизированного
программно-технического комплекса. На основе проведённых на стенде
экспериментов, были выработаны рекомендации по доработке проекта
технологической системы с учетом внедрения автоматизированной системы
управления подготовкой УКХ-109 к сухому хранению на Ленинградской АЭС.
Автоматизированное
Четвертая
глава
Автоматизированное
рабочее место
рабочее место
обработки
посвящена
разработке
оператора
информации
программно-технического
PROFIBUS DP
комплекса
СМ-821,
реализующего
ЛПУ1
ЛПУ2
ПКГ1
ПКГ2
предложенные
методики
Шкаф
Шкаф
управления 2
управления 1
Датчик
подготовки и контроля.
ТИ1-30
водорода
Эксперименты,
Шкаф
проведенные на стенде СМ- управления 3 радиоканал
Э332,
показали
Датчики и исполнительные устройства
необходимость
автоматизации
процесса Рисунок 11 - Структура комплекса технических средств
автоматизированной системы управления СМ-821
осушки,
контроля
остаточного влагосодержания, а также вспомогательных контрольных
операций. Для этого в проект технологической системы подготовки
Ленинградской АЭС были введены необходимые датчики и исполнительные
устройства.
Аппаратно-программный комплекс управления подготовкой (рисунок 11)
состоит из основного автоматизированного рабочего места (АРМ) оператора,
АРМ обработки информации и распределенной системы аппаратных средств, в
которую входят шкафы управления технологическим оборудованием, приборы
контроля герметичности, газоанализатор, гелиевый течеискатель, локальные
пульты управления. Комплекс построен на аппаратно-программной платформе
SIMATIC, включающей панельную ЭВМ РС677В, программируемые
контроллеры SIMATIC S7-300, панели операторов SIMATIC OP-73 и SIMATIC
OP277-6, распределенную периферию SIMATIC ET200S. Программное
обеспечение разработано в среде WINCC, Step7, HiGraph и WinCCFlexible.
Отдельные элементы комплекса объединены при помощи локальных сетей.
17
Разработанный комплекс позволяет проводить полный технологический
процесс подготовки УКХ-109 при различных назначениях и исходных
состояниях контейнера. В процессе подготовки осуществляется осушка УКХ109, контроль остаточного влагосодержания, заполнение полости с ОЯТ и
межкрышечного пространства рабочими газами, а также контроль
герметичности уплотнений в автоматизированном режиме. Для проверки
герметичности уплотнений используются приборы ПКГ и гелиевый
течеискатель ТИ1-30. Системой управляет оператор при помощи системы
видеокадров АРМ (рисунок 12). Для выпуска отчетов о результатах процесса
подготовки используется АРМ обработки информации. В выходной протокол
каждого контейнера, формируемом на данном рабочем месте, входит около 250
параметров описывающих весь процесс подготовки и контроля. Программное
обеспечение АРМ построено на базе SCADA-системы SIMATIC WinCC.
Сбор информации от датчиков и
управление
исполнительными
устройствами
осуществляется
контроллерами SIMATIC S7-300,
которые расположены в шкафах
управления
технологическим
оборудованием. Для настройки и
проведения
метрологических
проверок в шкафах управления
используются локальные панели
оператора.
Метрологические
характеристики
программноРисунок 12 - Видеокадр АРМ оператора
аппаратного
комплекса
подтверждены независимой экспертизой – ВНИИМ им. Д.И. Менделеева. Так
как в процессе подготовки присутствуют ручные операции, которые не могут
быть автоматизированы, их синхронизация с работой автоматики производится
при помощи локальных пультов управления.
Программное
обеспечение
комплекса
имеет
многоуровневую
иерархическую логическую структуру на основе блоков логического
управления, которые реализуют разработанные алгоритмы. Для реализации
алгоритмов использовалась среда графового программирования HiGraph,
которая позволила разработать и отладить процедуры осушки и контроля в
минимальные сроки. Для разработки вспомогательных функций использовался
язык структурированного текста STL по МЭК61131-3. Результаты процесса
подготовки, а также состояние всех параметров технологической системы
регистрируются в среде СУБД MS SQL Server, входящей в WINCC.
Для увеличения производительности системы использовано параллельное
проведение процессов для чего используются два поста подготовки. Так как
основная часть оборудования является общей для двух постов, в программное
обеспечение введен логический диспетчер, который управляет распределением
оборудования по постам.
18
Наиболее сложной задачей стало регулирование давления в конденсаторе
в области малых расходов. Для исследования этого процесса было выполнено
моделирование узла «конденсатор–регулирующий клапан–вакуумный насос» с
учетом работы электромеханического привода регулирующего клапана и были
отработаны различные пути оптимизации поддержания давления в
конденсаторе. Было установлено, что основным фактором, влияющим на
нестабильную работу данного регулятора, является выбег двигателя привода
клапана.
Для
оптимизации
Задание частоты
работы привода клапана в
МЗ
области малых расходов
Закрыть
автором была предложена
ПЛК
M
Клапан
ПЧ
Открыть
схема управления (рисунок
12)
приводом
с
КО
Положение
клапана
использованием частотного
преобразователя,
которая
ПЧ - частотный преобразователь, М - привод
позволила
обеспечить
клапана, МЗ – блокировка по моменту закрытия,
требуемый режим работы
КО -блокировка по положению открытия,
регулирующего клапана.
ПЛК – контроллер управления.
Рисунок 12 – Схема управления приводом с
В
пятой
главе
использованием
частотного преобразователя
изложены
результаты
внедрения и опытно-промышленной эксплуатации технологической системы
подготовки УКХ-109 с ОЯТ на Ленинградской АЭС, функционирующей в
автоматическом режиме. Экспериментальные работы по подтверждению
характеристик автоматизированной системы подготовки проводились на
Ленинградской АЭС с использованием электрообогреваемого контейнераимитатора из состава стенда СМ-Э332 (рисунок 13). В ходе каждого
эксперимента выполнялся штатный технологический процесс подготовки МБК
под управлением оперативного персонала ЛАЭС. Данные работы выполнялись
в рамках программы ПНР комплекса перевода ОЯТ на сухое хранение.
Давление, кПа
100
Давление среды в трубопроводе
контейнера
Давления насыщения водяных паров
по температуре окружающей среды
Давление насыщения водяных паров
по температуре в конденсаторе
10
1
0
1
2
3
4
5
6
7
8
Время, ч
9
10 11 12 13 14 15
Рисунок 13 – Экспериментальный режим с использованием контейнера-имитатора
Ход процесс осушки контейнера УКХ-109 с ОЯТ РБМК-1000,
выполненного автоматизированной системой (рисунок 14), полностью
19
соответствует предложенной методике, конечное значение влагосодержания
подтверждено контрольными прямыми замерами.
10
Давление среды в трубопроводе
откачки после контейнера по датчику PD7
Давление насыщения водяных паров
по температуре в конденсаторе Т3
Давление насыщения водяных паров
по температуре окружающей среды Т8
Давление, кПа
8
6
4
2
0
10
20
30
Время, ч
40
50
Рисунок 14 – Ход процесса осушки УКХ-109 с ОЯТ РБМК-1000
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В диссертационной работе впервые решена актуальная научнотехническая задача создания автоматизированной технологии подготовки и
контроля металлобетонных контейнеров с отработавшим ядерным топливом
реакторов РБМК-1000 к сухому хранению в части удаления влаги, заполнения
инертными газами и контроля герметичности с использованием современных
средств автоматизации. При этом получены следующие основные результаты:
1. Создана экспериментальная установка по отработке процессов осушки и
контроля остаточного влагосодержания в полости металлобетонного
контейнера с ОЯТ;
2. Выполнен комплекс экспериментальных работ по обоснованию
работоспособности проектной технологической системы осушки и
контроля остаточного влагосодержания на основе чего получены
рекомендации по доработке экспериментальной установки;
3. Предложена технология контроля остаточного влагосодержания в полости
контейнера, основанная на двухэтапной методике снижения давления в
контейнере.
Выполнена
ее
адаптация
для
использования
в
автоматизированной системе управления. Сформулированы рекомендации
по корректировке проекта технологической системы подготовки СМ-647 с
учетом внедрения автоматизированной системы управления;
4. Проведена серия поверочных экспериментов с различными объемами воды,
уровнем энерговыделения имитаторов ОЯТ, сценариями процесса осушки.
Экспериментально подтверждена независимость предложенной технологии
от энерговыделения ОЯТ и объёма воды в контейнере.
5. Разработана, изготовлена и внедрена на Ленинградской АЭС
автоматизированная
система
СМ-821
контроля
и
управления
технологической системой СМ-647 подготовки контейнеров с ОЯТ.
6. Предложен способ поддержания давления в конденсаторе при сверхнизких
расходах, за счет оптимизации работы регулирующего клапана и
20
использования частотного преобразователя в схеме управления
электропривода регулятора;
7. Проведена серия экспериментальных работ по подтверждению
характеристик штатной автоматизированной системы контроля и
управления СМ-647 Ленинградской АЭС с использованием контейнераимитатора СМ-845.
8. Выполнен
анализ
результатов
промышленной
эксплуатации
автоматизированной системы СМ-821 на Ленинградской АЭС,
подтверждающей корректность принятых научно-технических решений.
ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
Публикации в журналах, рекомендованных ВАК:
1. Создание автоматизированной системы подготовки МБК с ОЯТ на
Ленинградской АЭС/ Маликов Т.Б., Потапкин М.О., Самусь С.В. Зозуля В.М.
Симонов В.Н.// Автоматизация в промышленности – №2 – 2014 – с. 18-24.
2. Экспериментальное обоснование технологии вакуумной осушки
отработанного ядерного топлива реактора РБМК-1000 / Ефимов В.К., Маликов
Т.Б., Мигров Ю.А., Самусь С.В., Черный О.Д. // Известия СанктПетербургского государственного технологического института (технического
университета) – № 24 (50) – 2014. – с. 67-72.
Свидетельства о регистрации программ:
1. Свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ
№2013661969. Программный комплекс «Автоматизированная система
управления подготовкой упаковочного комплекта хранения (УКХ) к сухому
хранению» /Маликов Т. Б., Самусь С. В., Потапкин М. О.
Другие публикации
1. Автоматизированная система управления подготовкой УКХ-109 к
сухому хранению/ Гуськов В.Д., Давиденко Н.Н, Зозуля В.М., Маликов Т.Б.//
Сборник докладов IV международного ядерного форума. – 2009 – с. 97-101.
2. Экспериментальное обоснование технологии вакуумной осушки ОЯТ
реактора РБМК-1000 при переводе на сухое хранение/ Ефимов В.К., Маликов
Т.Б., Мигров Ю.А. и другие// Збірник наукових праць Севастопольського
національного університету ядерної енергії та промисловості. Украина. – 2010.
– №36 – с. 30-41.
3. Внедрение технологии вакуумной осушки МБК с ОЯТ РБМК-1000 на
Ленинградской атомной станции/ Ефимов В.К., Зозуля В.М. Лесников А.В.,
Маликов Т.Б. и другие// Збірник наукових праць Севастопольського
національного університету ядерної енергії та промисловості. Украина. – 2011.
– №42 – с. 32-40.
4. Экспериментальное обоснование технологии вакуумной осушки
отработавшего ядерного топлива ОЯТ РБМК-1000 при переводе с «мокрого»
на «сухое» хранение/ Маликов Т.Б., Мигров Ю.А., Ефимов В.К., Самусь С.В.//
Научно-технический сборник «Испытания и исследования ЯЭУ», ООО
«Литография» 2012 – с. 147-155.
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
3
Размер файла
1 276 Кб
Теги
0c50076919, uploaded
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа