Національний технічний університет України“

Київський політехнічний інститут”

Сангінова Ольга Вікторівна

УДК 621.039.001.57

Система автоматизованого керування процесом борного регулювання в ядерних реакторах типу ВВЕР-1000

05.13.07 – Автоматизація технологічних процесів

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2003

Дисертацією є рукопис

Робота виконана у Національному технічному університеті України “Київський політехнічний інститут” на кафедрі кібернетики хіміко-технологічних процесів

Науковий керівник | кандидат технічних наук, професор

Медведєв Ромуальд Броніславович

НТУУ “КПІ”, професор кафедри кібернетики

хіміко-технологічних процесів

Офіційні опоненти: | доктор технічних наук, професор

Ладанюк Анатолій Петрович,

Національний університет харчових технологій Міністерства освіти і науки України, завідувач кафедрою “Автоматизація і комп’ютерно-інтегровані технології”;

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник

Тугай Юрій Іванович

Інститут електродинаміки НАН України,

провідний науковий співробітник відділу оптимізації

систем електропостачання

Провідна установа: | НВК “Київський інститут автоматики, м. Київ

Захист відбудеться “_5___” __червня__ 2003 р. о _14:30_годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.002.04 Національного технічного університету України “КПІ” за адресою 03056, м. Київ-56, пр. Перемоги, 37

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного технічного університету України “КПІ” за адресою 03056, м. Київ-56, пр. Перемоги, 37

Автореферат розісланий “_3___” __травня__ 2003 року.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

кандидат технічних наук, професор | Ямпольский Л.С.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Атомні електростанції є основними виробниками електричної енергії в Україні. У той же час будь-яка АЕС є потенційним джерелом виникнення аварійних ситуацій. Тому до сучасних систем автоматизації АЕС висуваються підвищені вимоги. У першу чергу це стосується підсистем збору, обробки і аналізу інформації та алгоритмів керування технологічними процесами, які мають забезпечувати надійні й безпечні умови експлуатації.

Найактуальнішими є питання керування реакторними установками з водо-водяними енергетичними реакторами (ВВЕР) одиничною потужністю 1000 МВт, в яких безпосередньо відбувається ядерна реакція; у разі аварії реакторні установки є основним джерелом радіаційного забруднення довкілля.

Застосування борного регулювання (БР) з метою керування реакторами типу ВВЕР-1000 дозволяє збільшити час роботи на максимальному рівні потужності, забезпечуючи економічну ефективність експлуатації енергоблока, а також підтримувати реакторну установку в потрібних безпечних межах, які унеможливлюють виникнення і розвиток аварійних ситуацій.

Наявні методи керування процесом борного регулювання на АЕС України мають недоліки, зумовлені недостатньою інформаційною підтримкою оперативного персоналу. До згаданих недоліків можна зарахувати відсутність оперативної інформації про концентрацію борної кислоти у теплоносії першого контуру, ефективних критеріїв якості процесу, методики оцінки поточної ситуації. У оператора, який здійснює борне регулювання, відсутні чіткі інструкції, що регламентують проведення процесу, а також можливість оцінки і прогнозу гаданих дій.

Здійснення процесу БР в умовах реальної експлуатації АЕС спричиняє виникнення ксенонових коливань висотного розподілу енерговиділення, збільшення часу перехідного процесу, зростання нерівномірності енерговиділення в активній зоні реактора, збільшення кількості рідких радіоактивних відходів і неощадливій витраті борної кислоти.

Таким чином, питання створення системи автоматизованого керування процесом борного регулювання, яка забезпечить ефективне та надійне керування процесом, розробка математичних моделей процесу БР, створення методики оцінки поточного стану реакторної установки та системи прийняття рішень на основі адекватних імітаційних моделей є надзвичайно актуальними для атомної енергетики України.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація виконана в рамках науково-дослідної роботи “Створення і впровадження автоматизованих систем забезпечення безаварійного функціонування та екобезпеки технологічних процесів на підприємствах України” (№ 7.93.193), яка проводилась згідно державного замовлення на науково-технічні праці з пріоритетних напрямків розвитку науки і техніки та координаційного плану Міністерства освіти і науки України.

Мета і задачі дослідження. Основна мета роботи полягає у підвищенні ефективності і надійності рішень, які приймає оперативний персонал у процесі керування реакторними установками з реакторами типу ВВЕР-1000, шляхом створення системи автоматизованого керування процесом БР, розроблення й адаптації алгоритмів оптимального керування процесом з використанням математичних моделей, які забезпечують непрямий вимір концентрації борної кислоти, та адекватних імітаційних моделей для прогнозування основних показників роботи енергоблока.

Реалізація поставленої мети здійснюється шляхом розв’язання наступних наукових і практичних задач:

- дослідження особливостей перебігу процесу борного регулювання у реакторних установках з реакторами ВВЕР-1000;

- створення математичної моделі процесу борного регулювання з метою забезпечення оператора, який здійснює регулювання, необхідною оперативною інформацією щодо процесу в будь-який момент часу з потрібною точністю;

- формалізація та розв’язання задачі оптимального керування процесом борного регулювання, включаючи вибір і обґрунтування критерію якості процесу БР;

- розробка методики аналізу поточного стану реакторної установки та прийняття рішень щодо необхідності проведення борного регулювання;

- розроблення комплексу імітаційних моделей для короткотермінового прогнозу основних параметрів реакторної установки та перевірки рішень, які приймаються у процесі керування;

- створення комп’ютерно-інтегрованої системи керування процесом БР, що дозволяє своєчасно здійснювати борне регулювання, підтримуючи реакторну установку в безпечних межах і забезпечуючи економічну ефективність енергоблока.

Об'єктом дослідження є реакторна установка з водо-водяним енергетичним реактором одиничною потужністю 1000 МВт, предмет дослідження – процес борного регулювання на АЕС з ВВЕР-1000.

Методи дослідження базуються на положеннях сучасної теорії автоматичного керування, методах математичної фізики, математичному аналізі, теорії графів, методах імітаційного моделювання та низці методів обчислювальної математики.

Наукова новизна одержаних результатів полягає у такому:

- Розроблено гідродинамічну модель першого контуру і системи підживлення-продувки, яка забезпечує оперативний персонал реакторної установки вірогідною інформацією щодо концентрації борної кислоти у теплоносії. На відміну від наявних, запропонована модель з більшим ступенем точності відбиває процес зміни концентрації борної кислоти у першому контурі ядерного реактора у реальному часі.

- Вперше запроваджено поняття якості процесу БР, що дозволило формалізувати задачу оптимального керування, виразити основну мету проведення борного регулювання у вигляді мінімізовного функціонала і визначити необхідні й достатні умови досягнення мінімуму цільової функції. Одержаний критерій оптимального керування процесом БР враховує зміну реактивності при порушеннях стаціонарного стану активної зони реактора.

- Вперше застосовано підхід до систематизації окремих документів, що регламентують проведення борного регулювання, і запропоновано логічну модель аналізу поточного стану реакторної установки, яка дозволяє оперативному персоналу своєчасно приймати рішення щодо необхідності та тривалості проведення процесу борного регулювання.

- Набули подальшого розвитку імітаційні моделі для короткотермінового прогнозування параметрів, які характеризують стан активної зони реактора: розроблено моделі, що описують зміни аксіального офсету, коефіцієнтів нерівномірності енерговиділення за об’ємом активної зони і реактивності в динаміці.

- Створено систему керування процесом борного регулювання, в якій передбачено розрахунок поточної концентрації борної кислоти у теплоносії першого контуру і системі підживлення-продувки, оцінку стану активної зони реактора, вироблення рекомендацій з оптимального проведення БР і короткотерміновий прогноз основних показників роботи реакторної установки. Використання розробленої системи керування у складі систем автоматизації енергоблоків АЕС підвищує оперативність керування процесом борного регулювання і покращує економічні показники реакторної установки.

Практичне значення одержаних результатів визначається їх спрямованістю на підвищення ефективності і надійності рішень, які приймає оперативний персонал при проведенні процесу БР. Новими практичними результатами є методика оцінки стану реакторної установки і прийняття рішень у процесі борного регулювання; проект системи автоматизованого керування; набір технологічних алгоритмів борного регулювання для реакторних установок типу ВВЕР-1000 і створена на їх основі база даних рекомендацій; алгоритмічне і програмне забезпечення комп’ютерно-інтегрованої системи керування процесом БР та адаптація розробленої системи керування до умов функціонування систем автоматизації енергоблоків АЕС.

Практичні результати дисертаційної роботи впроваджені у дослідно-промислову експлуатацію на першому енергоблоці Южно-Української АЕС з 2002 р., що підтверджено відповідним актом впровадження. Одержано також результати випробувань системи керування процесом БР на ЮУ АЕС за період від 2002 до 2003 р., підтверджені актом проведення випробувань, у якому відзначена висока ефективність запропонованих рішень.

Особистий внесок у розробку наукових результатів. Наукові результати, наведені у дисертації, одержані автором самостійно. У публікаціях у співавторстві особистий внесок автора полягає в такому: у [1] запропоновано алгоритми оптимального керування процесом БР з урахуванням зміни реактивності і нерівномірності розподілу енерговиділення реактора, досліджено особливості функціонування і структуру програмно-технічного комплексу БР; у [2] сформульовано задачу оптимального керування процесом БР та запропоновано підхід до її розв’язання, наведено результати експериментальної перевірки розв’язку задачі оптимального керування в одному з перехідних режимів, які не супроводжуються втратою теплоносія; у [4] виконано аналіз наявних способів проведення процесу БР на реакторних установках типу ВВЕР-1000 і розглянуто напрями оптимізації БР на АЕС України; у [5] розглянуто можливості використання імітаційних моделей для вивчення причин неефективного проведення борного регулювання та оптимізації керування реакторною установкою за допомогою процесу БР.

Апробація результатів дисертації. Основні результати досліджень доповідалися й обговорювалися на наукових конференціях: 14th International Congress of Chemical and Process Engineering CHISA-2000 (Praha, Czech Republic, 2000), 13-й Международной научной конференции “Математические методы в технике и технологиях” ММТТ-2000 (Санкт-Петербург, 2000 р.), 14-й Международной научной конференции “Математические методы в технике и технологиях” ММТТ-14 (Смоленск, 2001 р.), V Міжнародній науково-практичній конференції студентів, аспірантів і молодих учених “Екологія. Людина. Суспільство” (Київ, 2002 р.).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 7 наукових праць, серед них 3 у провідних фахових виданнях.

Структура й обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, п'яти розділів, висновків, списку літератури з 129 найменувань і п'яти додатків. Повний обсяг дисертації складає 211 стор., із яких основний зміст викладено на 138 стор. друкованого тексту. У склад роботи включено також 54 рисунків і 5 таблиць.

Основний зміст

Вступ. Показано актуальність роботи та її зв’язок з науково-дослідними програмами. Сформульовано мету і задачі досліджень. Визначено наукову новизну та практичне значення одержаних результатів. Указано на апробацію результатів дисертації та кількість публікацій.

Перший розділ присвячено аналізу існуючих специфічних умов проведення процесу БР на АЕС із реакторами типу ВВЕР-1000, технічних засобів автоматизації енергоблоків і встановленню задач дослідження.

Проведений аналіз публікацій показав, що найбільша економічна ефективність при експлуатації ВВЕР-1000 досягається у разі підтримки реактора на номінальному (100 %-му) рівні потужності протягом усього паливного циклу реактора за умови стаціонарного стану активної зони (АкЗ), що унеможливлює вихід за межі безпечної експлуатації реакторної установки. Під стаціонарним станом АкЗ розуміють одночасне виконання наступних вимог (табл. 1).

Таблиця 1

Умови стаціонарного стану АкЗ

а) теплова потужність реактора підтримується автоматичним регулятором потужності з точністю 2% від номінальної Nном;

б) робоча група органів регулювання системи керування і захисту підтримується у межах регламентованого діапазону переміщень (70 –90% від низу АкЗ);

в) величини виміряних за допомогою штатної системи внутріреакторного контролю коефіцієнтів нерівномірності енерговиділення за об’ємом АкЗ (Kv) реактора не перевищують наведених у технологічному регламенті безпеки значень , де i – номер точки виміру за висотою АкЗ реактора (i = 1,2,3,...7); j - номер тепловидільного складання АкЗ реактора (j=1,2,3.....163)

г) величина виміряного за допомогою штатної системи внутріреакторного контролю аксіального офсету (АО) знаходиться в діапазоні:

Керування потужністю реактора і енергорозподілом в АкЗ, кількісним виміром якого є Kv і АО, здійснюється двома незалежними технологічними системами, заснованими на різних принципах дії: системою механічних органів системи керування й захисту (ОР або стрижнів СКЗ), і системою БР. Борне регулювання здійснюється зміною концентрації борної кислоти у першому контурі шляхом введення концентрованої борної кислоти (КБК) або чистого конденсату (ЧК) із системи підживлення-продувки. Збільшення концентрації борної кислоти у першому контурі призводить до зниження швидкості ядерної реакції і рівня потужності, а зниження концентрації – до збільшення потужності. Застосування борного регулювання дозволяє знизити нерівномірність енерговиділення в АкЗ реактора і збільшити час роботи реактора на номінальному рівні потужності. При проведенні процесу БР форма нейтронного поля в АкЗ залишається незмінною, що дозволяє підтримувати величину оперативного запасу реактивності у потрібних безпечних межах.

Наведені у літературних джерелах алгоритми керування потужністю і розподілом енерговиділення описують послідовність дій оперативного персоналу у найзагальнішому разі виходу параметрів, перерахованих у табл. 1, за межі вказаних діапазонів. У них відсутні рекомендації персоналу в різних, конкретних ситуаціях, які виникають на практиці, щодо забезпечення підтримання умов стаціонарного стану АкЗ у заданих межах.

Найслабше висвітлені питання, пов'язані з проведенням процесу БР. У першу чергу це зумовлено відсутністю на реальних установках з ВВЕР-1000 оперативної інформації про найважливіший параметр борного регулювання – концентрацію борної кислоти. Тому розроблення адекватних математичних моделей процесу БР дозволить забезпечити оперативний персонал енергоблока вірогідною інформацією щодо концентрації борної кислоти у будь-який момент часу, а також сформулювати вимоги до якості борного регулювання, уточнити систему розрахунку борної кислоти, що вводиться, і розробити алгоритми оптимального керування процесом БР.

Аналіз наявних систем автоматизації та керування реакторними установками з ВВЕР-1000 показав, що найпрогресивнішими інформаційними технологіями в енергетичній галузі України є ті, що забезпечують максимально повне і вірогідне надання інформації оперативному персоналу для ефективного керування, але не відволікають оператора від виконання основних функцій.

Враховуючи незадовільний рівень автоматизації борного регулювання і низьку ефективність рішень, що приймаються у процесі БР, необхідно розробити систему автоматизованого керування процесом БР, яка забезпечить оперативне оптимальне керування процесом.

Другий розділ присвячено розробленню і дослідженню математичної моделі процесу борного регулювання. Проаналізувавши наявні підходи до аналітичної побудови математичних моделей гідродинамічних процесів, запропоновано користуватися поняттям субстанціональної похідної для опису розподілу концентрації борної кислоти у трубопроводі першого контуру і системі підживлення-продувки в часі.

, | (1)

Дослідження характеру руху теплоносія у першому контурі й системі підживлення-продувки з урахуванням змін фізико-хімічних властивостей в умовах підвищених температури і тиску дозволило конкретизувати вираження субстанціональної похідної борної кислоти, прийнявши такі допущення: щільність у діапазоні робочих температур стала; впливом в'язкості теплоносія можна знехтувати; зміни об’єму теплоносія внаслідок збільшення температури і тиску незначні. Враховуючи прийняті припущення, зміну концентрації борної кислоти у часі й просторі у неусталеному режимі можна записати таким чином:

де - швидкість зміни концентрації борної кислоти вздовж трубопроводу; l – вісь, вздовж якої рухається потік теплоносія.

Вираз (1) був прийнятий як базова математична модель процесу борного регулювання.

Використовуючи метод контрольних об’ємів, здійснено перехід від диференціального рівняння у частинних похідних до системи звичайних диференціальних рівнянь. З цією метою у першому контурі й системі підживлення-продувки було виділено п'ять ділянок, різних за об’ємом, діаметром трубопроводу і швидкістю руху теплоносія в них:

– ділянка 1 - трубопровід першого контуру з умовним діаметром (ДУ) 850 мм;

– ділянка 2 - трубопровід системи підживлення-продувки з ДУ 120 мм;

– ділянка 3 - компенсатор тиску (КТ);

– ділянка 4 - деаератор підживлення-продувки (ДПП);

– ділянка 5 - бак організованих протікань (ОП).

КТ, ДПП і бак ОП – ємності, в яких теплоносій може накопичуватися протягом усього паливного циклу реактора. Через конструкційні особливості й умови експлуатації на реальних реакторних установках з ВВЕР-1000, безперервне визначення концентрації борної кислоти у цих ємностях утруднене, хоча її можна виміряти і контролювати протягом кампанії дискретно в умовах хімічної лабораторії. Розрахункова схема, яка використовувалася для складання моделі першого контуру і системи підживлення-продувки, наведена на рис. 1.

Рис. 1. Розрахункова схема першого контуру і системи підживлення-продувки.

С1 – С5 – концентрація БК на відповідній ділянці, г/кг; С6 – концентрація БК у баці КБК, г/кг; С7 – концентрація БК у баці ЧК, г/кг; G1 – витрати підживлення у теплоносій першого контуру, м3/год; G2 – витрати теплоносія із бака КБК або ЧК, м3/год; G3 – витрати із КТ, м3/ч; G4 - із ДПП, м3/год; G5 - із бака ОП, м3/год.

Вважаючи, що витрати і щільність теплоносія на кожній ділянці сталі, а також прийнявши, що в місцях з'єднання двох ділянок концентрація борної кислоти в кінці однієї дорівнює концентрації борної кислоти на початку іншої, зміну концентрації борної кислоти на кожній ділянці у часі можна записати так:

, | (2)

Значення концентрації борної кислоти на кожній ділянці у початковий момент часу:

, (i = 1, 2, … 5) | (3)

Система звичайних диференціальних рівнянь першого порядку (2) з початковими умовами (3) є гідродинамічною моделлю першого контуру і системи підживлення-продувки.

Порівняльний аналіз одержаної моделі показав, що у спрощених моделях, якими користуються на практиці, не враховується зміна концентрації борної кислоти під час водообміну з КТ, а також з баком ОП. Крім того, у моделях, якими користуються у реальних умовах експлуатації реакторних установок, не відбивається зміна концентрації у системі підживлення-продувки.

Розрахункові моделі й уточнені значення коефіцієнтів одержані як результат опрацювання експериментальних даних реальної установки із ВВЕР-1000. У ролі таких даних використовувалися реальні дані експлуатації 1-го і 3-го енергоблоків ЮУ АЕС. З метою тестування гідродинамічної моделі першого контуру і системи підживлення-продувки був розроблений програмний модуль “Імітатор СБ”, що реалізує метод Рунге-Кутта.

Експериментальні дослідження гіродинамичної моделі на першому енергоблоці ЮУ АЕС у режимах нормальної експлуатації та в перехідних режимах, що не супроводжувалися втратами теплоносія, підтвердили адекватність розробленої моделі. Встановлено, що різниця між виміряними і розрахованими значеннями не перевищує 0.07 г/кг, що значно менше, ніж максимальна похибка вимірювання (0.6 г/кг), вказана у технологічному регламенті безпеки.

Таким чином, використання розробленої гідродинамічної моделі у складі систем інформаційної підтримки оперативного персоналу дозволяє доповнити й уточнити інформацію щодо концентрації борної кислоти у теплоносії першого контуру і системи підживлення-продувки та, спираючись на одержані дані, сформулювати вимоги до якості борного регулювання.

У третьому розділі розглянуто питання оптимізації процесу борного регулювання. Запропоновано оцінювати якість процесу БР з точки зору керування всією реакторною установкою та підтримки стаціонарного стану АкЗ (табл. 1). Ознакою порушення стаціонарного стану є зміна реактивності, що, за вимогами технологічного регламенту безпеки, є сигналом до початку проведення борного регулювання. Тому зміну реактивності запропоновано використовувати як критерій оптимального керування процесом БР.

Поточна зміна реактивності реактора при роботі на номінальному рівні потужності становить собою таку алгебраїчну суму:

, | (4)

де - вклад реактивності, зумовлений зміною рівня потужності від N1 до N2, %; - вклад реактивності, викликаний зміною середньої температури теплоносія у реакторі від T1°С до T2°С, %; - вклад реактивності, який визначається зміною положення робочої групи ОР СКЗ від H1 до H2, %; - вклад реактивності, залежний від зміни концентрації борної кислоти у контурі від до , %;

Складові (4) для будь-якого моменту часу відомі й можуть набувати як додатних, так і від’ємних значень залежно від початкового й кінцевого рівня потужності, середньої температури теплоносія, положення ОР СКЗ і концентрації борної кислоти у теплоносії. Сумарна зміна реактивності реактора також може набувати як додатних, так і від’ємних значень. Оперативний персонал має підтримувати реактор у критичному стані, при якому =0. Порушення умов, наведених в табл. 1, викликає зміни реактивності реактора і загалом визначається сумою перших трьох доданків виразу (4): |

(5)

і .

Повернення реактора до критичного стану здійснюється шляхом введення протилежної за знаком зміни реактивності за рахунок збільшення або зменшення концентрації борної кислоти у теплоносії першого контуру. Враховуючи викладене, цільову функцію можна зобразити так: |

(6)

Мінімізовний функціонал одержано такий:

, | (7)

де - диференціальна ефективність борної кислоти, %/г/кг; С1(0) – концентрація борної кислоти у 1-му контурі у початковий момент часу, г/кг; С2 – концентрація борної кислоти у підживлювальній воді, г/кг; ; G1 – витрата підживлення, м3/год; V1 – об’єм теплоносія у 1-му контурі, м3; R – зміна реактивності, викликана порушенням стаціонарного стану АкЗ, %.

реакторної

г/кг

t>0 | (8)

(9)

Кінцеве значення концентрації борної кислоти С1(t) у теплоносії першого контуру можна знайти, використовуючи гідродинамічну модель першого контуру і системи підживлення продувки.

Оскільки , то необхідною умовою екстремуму функціонала I є : |

(10)

де .

У результаті аналізу коренів рівняння (10) одержано вираз для знаходження оптимального часу процесу БР: |

(11)

Задача оптимального керування процесом борного регулювання звелася до відшукання такого значення концентрації борної кислоти у підживлювальній воді, коли функція (11) набула б мінімального додатного значення (>0) і забезпечила б мінімум функціонала (7) з використанням необхідних і достатніх умов екстремуму функції однієї змінної.

Проаналізовано можливість розв’язання задачі оптимального керування процесом борного регулювання в аналітичному вигляді шляхом підстановки (11) у (7) і відшукання мінімуму одержаної функції. Проте розв’язок одержаного рівняння в аналітичному вигляді за даних умов задачі неможливий. Тому для розв’язку задачі оптимізації у процесі функціонування реакторної установки у реальному часі з урахуванням зміни реактивності запропоновано такий алгоритм:

1.

2.

3.

4.

, | (12)

де Vпідж – об’єм підживлення, м3; G1 – витрати підживлення у теплоносій першого контуру, м3/год; – час, протягом якого необхідно здійснювати підживлення, год.

5.

Базуючись на приведеному алгоритмі, запропоновано проект автоматичної системи керування процесом борного регулювання.

Четвертий розділ присвячено розробленню комп’ютерно-інтегрованої системи управління процесом борного регулювання (КІСК БР), призначеної для інформаційної підтримки оперативного персоналу у проведенні борного регулювання у режимах нормальної експлуатації реакторних установок з реактором ВВЕР-1000. Структурна схема КІСК БР подається на рис. 2.

Рис. 2. Структура системи керування процесом борного регулювання.

Виходячи з аналізу вимог, що висуваються до сучасних інформаційних технологій в енергетичній галузі, визначено основні функції КІСК БР: відображення результатів роботи підсистеми вводу-виводу даних в обсязі, необхідному для проведення процесу БР; розрахунок поточної концентрації борної кислоти у теплоносії 1-го контуру і системі підживлення-продувки з використанням гідродинамічної моделі процесу БР; оцінка стану АкЗ реактора; вироблення рекомендацій для оптимального проведення БР; короткотерміновий прогноз основних показників роботи реакторної установки з використанням системи імітаційного моделювання STAR.

Розроблено логічну модель аналізу стану АкЗ, що дозволяє своєчасно приймати рішення про необхідність і початок проведення борного регулювання. Модель складено з урахуванням вимог, що висуваються до керування реакторною установкою технологічним регламентом безпеки.

Базуючись на алгоритмі оптимального керування процесом БР, наведеному в розділі 3, розроблені технологічні алгоритми керування в таких режимах: підтримання постійного рівня потужності; підтримання робочої групи ОР СКЗ у регулювальному діапазоні; попередження перевищення гранично допустимих значень коефіцієнтів нерівномірності Kv; підтримання величини АО в рекомендованому діапазоні.

Розроблено базу даних рекомендацій, що містить рекомендації з проведення борного регулювання в перерахованих режимах.

Створено бібліотеку імітаційних моделей, що містить чотири імітаційні моделі: потужність АкЗ, реактивність, АО і Kv, із яких три останніх розроблені автором особисто. Структуру одержаних моделей можна зобразити у вигляді однонаправлених багатоярусних графів. На рис. 3 як приклад наведено структуру імітаційної моделі, використовуваної для прогнозування потужності АкЗ. Вершини графу ототожнюються з технологічними параметрами, дуги – з динамічними операторами перетворення інформації. Загалом імітаційні моделі є змішаною системою алгебраїчних і диференціальних рівнянь.

Рис. 3. Структура імітаційної моделі для прогнозування потужності АкЗ.

Систему керування орієнтовано на взаємодію з програмними засобами першого енергоблока ЮУ АЕС, проте вона може легко адаптуватися до умов роботи будь-якої іншої реакторної установки з ВВЕР-1000 в Україні.

П'ятий розділ присвячено проведенню розрахункових і експериментальних досліджень КІСК БР на першому енергоблоці ЮУ АЕС. Мета проведення випробувань полягала у перевірці результатів функціонування КІСК БР у разі порушення стаціонарного стану АкЗ ВВЕР-1000. Виходячи з реальних даних нормальної експлуатації, було підготовлено такі події:

1. Відхилення рівня потужності від номінального більше ніж на 2%.

2. Вхід робочої групи ОР СКЗ на край або за межі регулювального діапазону.

3. Перевищення гранично допустимих значень Kv у нижній половині АкЗ.

4. Перевищення гранично допустимих значень Kv у верхній половині АкЗ.

5. Відхилення значень АО від рекомендованих.

Зміна параметрів АкЗ досліджувалися для кожної з перерахованих подій. Експериментальні розрахунки здійснювалися за допомогою системи керування процесом БР і проходили двома етапами. На першому етапі прогноз здійснювався з урахуванням рекомендації, розробленої КІСК БР, на другому – без урахування рекомендації. Одержані в процесі експериментальних досліджень результати порівнювалися з реальними даними (рис. 4).

Рис. 4. Приклад прогнозування параметрів реакторної установки в режимі попередження перевищення гранично припустимих значень Kv.

Виходячи з результатів порівняння фахівці ЮУ АЕС зробили висновки щодо можливості і доцільності використання КІСК БР у складі системи інформаційної підтримки енергоблока. Також було підтверджено ефективність і надійність рішень, що приймаються персоналом за допомогою розробленої системи керування БР, і складено акти впровадження та проведення випробувань.

Основні Висновки і результати

У дисертаційній роботі розв’язано актуальну задачу створення системи автоматизованого керування процесом борного регулювання в ядерних реакторах типу ВВЕР-1000. Результати розв’язку цієї задачі, пов'язані з моделюванням, оптимізацією і прогнозом процесу, було використано у розробленні комп’ютерно-інтегрованої системи керування, яка дозволяє підвищити ефективність рішень, що приймаються оперативним персоналом у процесі керування реакторною установкою. Одержано наступні основні наукові й практичні результати:

1. Виходячи з аналізу реакторної установки з ВВЕР-1000 як об'єкта керування, виявлено недостатній рівень автоматизації процесу борного регулювання – одного з основних способів керування реакторною установкою. Сформульовано задачу керування процесом БР. Визначено, що відсутність оперативної інформації щодо найважливішого параметру процесу БР – концентрацію борної кислоти – не дозволяє операторові своєчасно оцінювати стан активної зони реактора, приймати рішення щодо необхідності проведення борного регулювання і ефективно здійснювати БР. Запропоновано розробити систему керування процесом БР, яка розв’язує задачу оптимізації та прогнозування борного регулювання.

2. Обґрунтовано доцільність використання аналітичного підходу до побудови математичної моделі процесу БР. Вивчення характеру руху теплоносія в трубопроводі першого контуру і системі підживлення-продувки, а також фізико-хімічних властивостей теплоносія в умовах підвищеної температури і тиску дозволило сформулювати припущення для моделювання процесу БР і одержати конкретний вигляд гідродинамічної моделі. Проведені експериментальні дослідження одержаної моделі на ЮУ АЕС підтвердили її адекватність і доцільність використання для доповнення й уточнення інформації щодо концентрації борної кислоти у режимі реального часу.

3. Введено поняття якості процесу БР. За критерій оптимального керування запропоновано взяти зміну реактивності, яка є ознакою порушення стаціонарного стану активної зони реактора. Мінімізація реактивності за рахунок проведення процесу БР дозволяє знизити нерівномірність енерговиділення активної зони і скоротити кількість рідких радіоактивних відходів.

4. Формалізовано задачу оптимального керування: визначено вигляд цільової функції, сформульовано обмеження на концентрацію борної кислоти у вхідному потоці і тривалість процесу БР, визначено необхідні й достатні умови мінімуму цільової функції. Запропоновано алгоритм оптимального керування процесом БР та проект системи автоматичного керування.

5. Запропоновано логічну модель оцінки й аналізу стану активної зони реактора для прийняття рішень щодо необхідності проведення борного регулювання і вибору технологічного алгоритма оптимального керування процесом БР. Використання моделі дозволяє підвищити оперативність і ефективність рішень, що приймаються оперативним персоналом у процесі борного регулювання.

6. Розроблені технологічні алгоритми оптимального керування для різноманітних режимів нормальної експлуатації реакторної установки. На їх основі створено базу даних рекомендацій, що використовується у формуванні поточної рекомендації оперативному персоналу.

7. Розроблено імітаційні моделі основних параметрів, що характеризують стан активної зони реактора: аксіального офсету, коефіцієнта нерівномірності енерговиділення за об’ємом активної зони, зміни реактивності. Імітаційні моделі внесено до бібліотеки імітаційних моделей і використовуються для короткотермінового прогнозу і перевірки гаданих дій оперативного персоналу.

8. Створено систему автоматизованого керування процесом БР, що реалізує такі функції: надання оперативної інформації про концентрацію борної кислоти, оцінка стану АкЗ, прийняття рішень щодо необхідності проведення процесу БР, розрахунок оптимальної концентрації борної кислоти і тривалості перехідного процесу, короткотерміновий прогноз параметрів, що характеризують роботу енергоблока.

9. Експериментальну перевірку основних результатів роботи здійснено у реальних виробничих умовах на першому енергоблоці ЮУ АЕС. Ефективність, актуальність і важливість використання проведених випробувань і запроваджених рішень підтверджено актами проведення випробувань і впровадження у дослідно-промислову експлуатацію на першому енергоблоці ЮУ АЕС.

Основний зміст дисертації викладено в опублікованих роботах:

1. Медведєв Р.Б., Сангінова О.В. Програмно-технічний комплекс борного регулювання // Наукові вісті Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут”. – 2001. – № 6 (20). – С. 21 – 27.

Здобувачем запропоновано алгоритми оптимального керування процесом БР з урахуванням зміни реактивності і нерівномірності розподілу енерговиділення реактора, розглянуто принципи функціонування та структуру пропонованого програмно-технічного комплексу БР.

2. Медведєв Р.Б., Сангінова О.В. Оптимальне керування процесом зміни концентрації борної кислоти в теплоносії першого контуру АЕС з ВВЕР-1000 // Наукові вісті Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут”. – 2002. – № 2 (22). – С. 22 – 29.

Здобувачем сформульовано критерій керування процесом БР, запропоновано підхід до розв'язання задачі оптимального керування процесом борного регулювання з урахуванням нерівномірності розподілу енерговиділення в АкЗ реактора. Наведено приклад застосування алгоритму оптимального керування до одного з режимів нормальної експлуатації РУ із ВВЕР-1000.

3. Сангінова О.В. Разработка технологических алгоритмов борного регулирования для реакторных установок типа ВВЭР-1000 // Вісник Житомирського інженерно-технологічного інституту. – 2001. – № 19. – С. 142 – 147.

4. Medvedev R., Sanginova O. Optimization of the boric regulation process at the nuclear power plants of Ukraine // Summaries of 14th International Congrss of Chemical and Process Engineering CHISA-2000/ - Vol. 4. – Praha (Czech Republic). – P. 13.

Здобувачем проаналізовано особливості протікання процесу БР в умовах реальної експлуатації реакторних установок із реакторами типу ВВЕР-1000 та розглянуто напрями оптимізації БР на АЕС України; сформульовано задачу керування процесом БР.

5. Медведев Р.Б., Сангинова О.В. Математические модели процесса борного регулирования в ядерных реакторах типа ВВЭР-1000 // Сб. трудов 13-й международной научной конференции “Математические методы в технике и технологиях” (ММТТ-2000). – Том 6, секция 13. – Санкт-Петербург: Санкт-Петербургский гос. технол. ин-т (технол. ун-т). – 2000. – С. 297 – 298.

Здобувачем запропоновано використовувати імітаційні моделі в системі інформаційної підтримки персоналу РУ для вивчення причин неефективного проведення борного регулювання, для прогнозування параметрів, які характеризують стан активної зони реактора, а також для оптимізації керування реакторною установкою.

6. Сангинова О.В. Использование гидродинамических моделей для расчета концентрации борной кислоты в ядерных реакторах типа ВВЭР-1000 // Сб. трудов 14-й международной научной конференции “Математические методы в технике и технологиях” (ММТТ-14). – Том 6, секция 10. – Смоленск: Смоленский филиал Московского энергетичес. ин-та (техн. ун-та). – 2001. – С. 64 – 65.

7. Сангинова О.В. Интегральная оценка качества управления реакторной установкой на Южно-Украинской АЭС // Збірка тез доповідей V Міжнародної науково-практичної конференції студентів, аспірантів та молодих вчених “Екологія. Людина. Суспільство”. – К.: ІВЦ “Видавництво “Політехніка”. – 2002. – Секція 3. – С. 472 – 474.

Анотація

Сангінова О.В. “Система автоматизованого керування процесом борного регулювання в ядерних реакторах типу ВВЕР-1000”

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.07 – автоматизація технологічних процесів. – Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, Київ, 2003.

Дисертацію присвячено створенню системи автоматизованого керування процесом борного регулювання в ядерних реакторах типу ВВЕР-1000.

Запропонована гідродинамічна модель для розрахунку концентрації борної кислоти в теплоносії.

Формалізовано задачу оптимального керування: визначений вигляд цільової функції, сформульовані обмеження, визначені необхідні й достатні умови мінімуму цільової функції. Запропоновано алгоритм оптимального керування процесом борного регулювання.

Розроблено імітаційні моделі для прогнозу основних параметрів стану активної зони реактора.

Створено систему автоматизованого керування процесом борного регулювання, яка виконує розрахунок концентрації борної кислоти, оцінку стану активної зони та здійснює прогноз параметрів роботи енергоблоку.

Ключові слова: борне регулювання в реакторах типу ВВЕР-1000, система керування, математична модель, імітаційні моделі, прогноз параметрів.

Annotation

Sanginova O. System of boric regulation automatic control process in the PWR-1000 nuclear reactors.

Thesis for a Ph.D. degree of technical science by speciality 05.13.07 – automatization of technological processes. – National Technical University of Ukraine “Kyiv Politechnical Institute”, Kyiv, 2003.

The dissertation is dedicated to the system of boric regulation automatic control process in the PWR-1000 nuclear reactors establishing.

The hydrodynamic model for computation of boric acid concentration at the first circuit and the inflow-outflow system is proposed.

Formalized is the optimization problem. The criterion function is defined, limitation is formulated, the necessary and sufficient conditions are specified. Optimal control of boric regulation process algorithm is proposed.

The state of active zone parameters forecast simulation models are developed.

System of boric regulation automatic control process in the PWR-1000 nuclear reactors is created. The system carrying out the following functions: calculates boric acid concentration, estimates state of active zone, reach a decision about boric regulation process, fulfils short-term forecast of reactor facility parameters.

Keywords: boric regulation at the PWR-1000 nuclear reactors, control system, mathematical model, simulation models, parameters forecast.

Аннотация

Сангинова О.В. “Система автоматизированного управления процессом борного регулирования в ядерных реакторах типа ВВЭР-1000”

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.07 – автоматизация технологических процессов. – Национальный технический университет Украины “Киевский политехнический институт”, Киев, 2003.

Диссертационная работа посвящена разработке системы автоматизированного управления процессом борного регулирования в ядерных реакторах типа ВВЭР-1000. Своевременное проведение борного регулирования с целью управлении реакторами типа ВВЭР-1000 позволяет поддерживать стационарное состояние активной зоны реактора в течение длительного времени, обеспечивая экономическую эффективность и безопасность эксплуатации энергоблока.

Анализ особенностей протекания процесса борного регулирования и систем автоматизации реакторной установки показал, что создание системы автоматизированного управления процессом борного регулирования позволит осуществлять оперативное и эффективное управление процессом.

Проанализированы подходы к аналитическому построению математических моделей гидродинамических процессов. Предложено использовать понятие субстанциональной производной для описания изменения концентрации борной кислоты в теплоносителе первого контура и системе подпитки-продувки. Изучение характера движения теплоносителя в трубопроводе первого контура и системе подпитки-продувки, а также физико-химических свойств теплоносителя в условиях повышенной температуры и давления позволило сформулировать допущения и получить конкретный вид гидродинамической модели в виде системы обыкновенных дифференциальных уравнений первого порядка.

Введено понятие качества процесса борного регулирования. Критерием оптимального управления предложено выбрать изменение реактивности, которое служит признаком нарушения стационарного состояния активной зоны реактора. Минимизация реактивности за счет проведения процесса борного регулирования позволяет снизить неравномерность энерговыделения активной зоны, сократить количество жидких радиоактивных отходов и более экономно расходовать борную кислоту.

Задача оптимального управления сформулирована следующим образом: при заданном значении концентрации борной кислоты в теплоносителе 1-го контура в начальный момент времени, изменении реактивности и дифференциальной эффективности борной кислоты найти значения параметров, при котором достигается минимум целевой функции с учетом наложенных ограничений. Результатом решения задачи оптимизации является значения концентрации борной кислоты во входном потоке и длительность борного регулирования. Предложен алгоритм оптимального управления процессом борного регулирования, позволяющий вырабатывать оптимальные решения в процессе функционирования реакторной установки.

Предложена методика оценки и анализа состояния активной зоны реактора для принятия решений о необходимости проведения борного регулирования и выборе технологического алгоритма оптимального управления процессом борного регулирования. Использование методики позволяет повысить оперативность и эффективность решений, принимаемых оперативным персоналом в процессе борного регулирования.

Разработаны технологические алгоритмы оптимального управления для различных, возникающих на практике, режимах нормальной эксплуатации реакторной установки. На их основе создана база данных рекомендаций, которая используется при формировании текущей рекомендации оперативному персоналу.

Разработаны имитационные модели основных параметров, характеризующих состояние активной зоны реактора, каждая из которых представляет собой смешанную систему алгебраических и дифференциальных уравнений. Имитационные модели включены в библиотеку имитационных моделей и используются для краткосрочного прогноза и проверки предполагаемых действий оперативного персонала.

Создана система автоматизированного управления процессом борного регулирования, реализующая следующие функции: предоставление оперативной информации о концентрации борной кислоты, оценка состояния активной зоны, принятие решений о необходимости проведения процесса борного регулирования, расчет оптимальной концентрации борной кислоты и длительности переходного процесса, краткосрочный прогноз параметров, характеризующих работу энергоблока.

Ключевые слова: борное регулирование в реакторах типа ВВЭР-1000, система управления, математическая модель, имитационные модели, прогноз параметров.