Королев Датчики и детекторы физико-енергетических установок 2011

непрерывное расширение и углубление их функций, а с другой – совершенствование и усложнение технических средств.

Относительно небольшой объем контроля в первых системах позволял осуществлять его с помощью индивидуальных показывающих и регистрирующих приборов (так называемые «щиты первого поколения»). Уровень автоматизации был относительно невысоким, дистанционное управление велось индивидуальными органами. В то же время реакторы, как правило, снабжались системами автоматической стабилизации мощности, большое внимание уделялось автоматической защите как по нейтронному потоку, так и по теплотехническим параметрам.

Современный этап характеризуется широким внедрением вычислительной техники с поручением ей ряда ответственных функций по контролю, расчету косвенно определяемых показателей и управлению. Для общения операторов с вычислительной техникой используются мониторы. Применяется автоматизация не только нормальных режимов, но и режимов пуска и останова, а также автоматическое управление в аварийных режимах. Это достигается, в частности, применением устройств логического управления технологическими функциональными группами. Большое внимание уделяется контролю внутриреакторных параметров, управлению распределением поля энерговыделения в реакторе. Отдельные устройства контроля и управления объединяются в единую автоматизированную систему управления технологическим процессом (АСУ ТП АЭС).

Параллельно намечается развитие автоматизированных систем управления (АСУ) более высоких иерархических уровней – АСУ энергосистемы, зональных управляющих центров и т.д. На эти АСУ возлагаются задача распределение мощности между АЭС, регулирование перетоков энергии по линиям передач, планирование ремонтов, административно-хозяйственные задачи. Для атомной энергетики внедрение АСУ высших уровней имеет особое значение из-за необходимости системного учета целого ряда долгосрочных технико-экономических факторов, влияющих на параметры топливного цикла. Эти характеристики должны учитываться при распределении мощностей между АЭС, определении периодов перегрузок и т. д.

11

Оборудование и технологические процессы на атомной электростанции являются достаточно сложными и обладающими рядом особенностей, отличающих АЭС по управлению от тепловой электростанции на органическом топливе. К этим особенностям относятся:

а) работа оборудования в условиях высокой степени радиации, больших давлений и температур, при наличии быстропротекающих ядерно-физических и тепловых процессов;

б) недоступность большей части оборудования во время работы установки и в течение некоторого времени после ее останова из-за существующей опасности радиационного поражения персонала;

в) необходимость обеспечения безопасности АЭС как при нормальной эксплуатации, так и при авариях.

Все эти особенности делают АЭС весьма сложным объектом управления, требующим высокой степени автоматизации оборудования и централизации управления, применения современных средств вычислительной техники, высоконадежной и эффективной системы управления.

Современная система управления технологическими объектами является автоматизированной. Это – человеко-машинная система, в которой функции управления распределены так, что с помощью технических средств осуществляется автоматическое управление основными технологическими процессами в нормальных и аварийных режимах, а функции контроля за работой технических средств, их резервирования и управления неавтоматизированными операциями и в незапрограммированных ситуациях выполняются персоналом. При решении задач управления технологическими процессами АСУ призвана обеспечить наиболее эффективную и безопасную работу АЭС.

Наряду с управлением технологическими процессами, на АСУ могут быть возложены оперативно-диспетчерское управление, управление производственно-технической или хозяйственной деятельностью и управление ремонтами. Указанные задачи решаются на основе экономико-математических методов с использованием средств вычислительной техники с целью обеспечения наилучшего использования технических, материальных и трудовых ресурсов

12

для производства электроэнергии. Однако большая часть этих задач решается не на станции, а на более высоком уровне управления энергетикой, а именно – на уровне управления энергосистемой, а на АСУ ТП возлагается управление технологическими процессами АЭС, включая некоторые функции оперативно-диспетчерского и производственно-технического управления, имеющие прямое отношение к технологическим процессам на АЭС. Сюда относятся такие функции, как распределение мощности между блоками, регулирование мощности и частоты, а также осуществление необходимой обработки информации и расчетов по активным зонам реакторов, связанных с оперативной работой персонала блоков, и некоторые другие.

Таким образом, АСУ АЭС по своему характеру может быть отнесена полностью к интегрированной АСУ ТП. На атомной электростанции АСУ ТП является двухуровневой, т. е. включает общестанционный уровень управления и уровень управления энергоблока.

На первом уровне решается вопрос оперативно-диспетчерского управления и управления производственно-технической деятельностью, а также вопросы управления в необходимом объеме общестанционными устройствами.

На первом уровне решается вопрос оперативно-диспетчерского управления и управления производственно-технической деятельностью, а также вопросы управления в необходимом объеме общестанционными устройствами.

На втором уровне решаются задачи, связанные с управлением энергетическим блоком как автоматизированным объектом управления

АСУ ТП АЭС призвана решать две основные группы функций – информационные и управляющие. В информационные функции входят сбор и обработка, распределение и представление информации о работе оборудования и ходе технологического процесса, а также выполнение расчетов, связанных с эффективностью работы энергетического блока и АЭС в целом.

Управляющие функции АСУ ТП осуществляются в виде дистанционного и автоматического управления агрегатами и механизмами,

13

автоматического регулирования, технологических защит и оптимизации технологического процесса.

Реализация указанных функций осуществляется подсистемами АСУ ТП. С целью создания наиболее четкой организационной структуры АЭС и эффективного использования технических средств целесообразно выделять подсистемы АСУ ТП по функциональным и технологическим признакам. Так контроль всех теплотехнических величин по всем технологическим системам блока можно осуществлять в одной подсистеме – подсистеме теплотехнического контроля и т. д.

Вотдельных случаях в силу сложившегося порядка по разработке, изготовлению и поставке основного оборудования в состав АСУ ТП могут входить локальные или вспомогательные системы управления с многоцелевыми функциями (контроль, регулирование, защита). Такими локальными системами на АЭС являются, например, система управления и защиты реактора (СУЗ), система внутриреакторного контроля реактора (ВРК), система управления турбиной (АСУТ) и др. Однако эти системы не являются самостоятельными, поскольку они связаны с другими подсистемами каналами обмена информации и команд.

Таким образом, информационные функции АСУ ТП осуществляются тремя подсистемами: ядерно-физического контроля (в качестве локальной системы сюда входит система ВРК), теплотехнического контроля и технологического радиационного контроля.

Взадачу ядерно-физического контроля входят получение ин-

формации обо всех изменениях мощности реактора и внутриреакторных процессах (энергонапряженности, распределении энерговыделения в активной зоне и др.), а также производство оперативных расчетов параметров активной зоны реактора.

К теплотехническому контролю относятся сбор информации и соответствующие расчеты по тепловому циклу технологического процесса (давление, температура, расходы и т. п.), а также сведения

осостоянии оборудования (вибрация, тепловые перемещения) и качестве воды и пара (содержание химических компонентов).

Технологический радиационный контроль предназначен для по-

лучения оперативной информации о состоянии отдельных узлов блока и мест их повреждения с точки зрения радиационной безо-

14

пасности (герметичность радиоактивного контура, активность сред и т. п.).

Для наиболее рационального распределения получаемой информации по постам управления блока контролируемые параметры разделяются по степени важности на три группы.

1.Наиболее ответственные параметры, постоянный контроль которых обеспечивает безопасность работы установки и характеризует протекание основных технологических процессов в нормальных и переходных режимах. К этой группе параметров относятся уровень мощности реактора, скорость ее изменения, основные параметры теплоносителя, мощность, отдаваемая генератором в сеть,

атакже параметры, связанные с системами безопасности и технологическими защитами и т. п.

2.Параметры, отражающие качественные показатели работы блока и необходимые для оптимизации технологического процесса и оперативного управления блоком. Сюда относятся распределение энерговыделения и температурный контроль по активной зоне реактора, отдельные параметры теплоносителя и данные о работе оборудования второго контура (частично и по первому контуру), параметры работы вспомогательных устройств.

3.Параметры, контроль которых необходим для отчетности, расчетов технико-экономических показателей и накопления статистических данных для изучения установки и оптимизации эксплуатационных режимов.

На подсистемы, осуществляющие информационные функции, возлагаются сбор данных от первичных источников информации, установленных на оборудовании и трубопроводах, преобразование сигналов в вид информации, удобный для представления, выдача информации в другие подсистемы, регистрация данных, расчеты, относящиеся к эффективности работы блока, представление информации для визуального восприятияоператором.

Для выполнения таких широких задач привлекается комплекс разнообразных технических средств, куда входят первичные прибо-

ры, преобразователи, вторичные показывающие и регистрирующие приборы, электрифицированные пишущие машинки, электроннолучевые индикаторы и другая контрольно-измерительная аппара-

15

тура, а также электронные вычислительные машины. Последние применяются в виде комплектных устройств, составляющих инфор- мационно-вычислительные (ИВК) или управляющие вычислительные (УВК) комплексы.

Подсистема технологической сигнализации включает устройст-

ва приема и представления информации о нарушениях в режиме технологического процесса, в работе агрегатов или технологических систем, а также устройств контроля и управления при помощи светового или звукового сигналов. Сигнализация должна привлечь внимание персонала к нарушению режимов работы объекта или к аварийной ситуации, обеспечить понимание причины происходящего и способствовать исключению грубых ошибочных действий, принятию правильного решения для действий в сложившихся условиях.

На АЭС применяется сигнализация двух видов – технологическая и аварийная. Технологическая сигнализация служит для предупреждения персонала об отклонении рабочих параметров от установленных пределов и нарушении режима технологического процесса, а также для сигнализации состояния механизмов и положения арматуры. Аварийная сигнализация выдает персоналу информацию о срабатывании защит, аварийных остановах, включениях резерва и аварийном отклонении технологических параметров.

В условиях наличия различных видов сигнализации, когда необходимо обеспечить привлекающий эффект того или иного сигнала, должна быть решена задача правильного кодирования поступающих сигналов. Поэтому схемы сигнализации выполняются так, что они обеспечивают прерывистое свечение (мигание) каждого вновь появившегося сигнала нарушения. Такой род сигнала является весьма эффективным, так как мигание обнаруживается человеческим глазом в 1,5–2 раза быстрее, чем ровное свечение. Усиление эффекта достигается дублированием светового сигнала звуковым сигналом соответствующего тона.

Подсистема дистанционного и автоматического управления

служит для воздействия на электрифицированные приводы механизмов и запорно-регулирующей арматуры, расположенные в различных местах энергетического блока, дистанционно с поста управ-

16

ления или автоматически по заданным логическим программам. На АЭС дистанционное управление достигло высокой степени централизации, когда почти 100 % приводов задвижек и механизмов ядерной энергетической установки управляется с блочных щитов управления.

Дистанционное управление может быть индивидуальным, избирательным или групповым. Индивидуальное дистанционное управление характеризуется наличием коммутационного аппарата для каждого электропривода для подачи команды на пуск или останов. При значительном количестве электроприводов, которыми приходится управлять с одного поста, целесообразно применять избирательное управление.

Схемы избирательного управления выполняются таким образом, что операция включения или останова механизма осуществляется в две стадии: выбор объекта при помощи специальных коммутационных аппаратов (номеронабирателей) и подача команды аппаратом, общим для группы объектов. Такая система позволяет резко сократить площади пультов, занятых коммутационной аппаратурой, а также свести до минимума вероятность ошибочных действий персонала благодаря выполнению операции в два приема и возможности проверить правильность выбора объекта управления на мнемосхеме.

Групповое управление предусматривает либо подачу команды одновременно на ряд приводов (например, несколько задвижек на параллельных трубопроводных трактах), либо подачу команды на один привод группы функционально связанных механизмов с дальнейшим развитием команды по определенной программе.

В подсистеме формируется информация о положении приводов механизмов и арматуры с целью ее представления персоналу, а также осуществляется прием команд и информации от других подсистем.

Дальнейшее развитие группового управления приводит к автоматической системе управления, построенной по функциональногрупповому признаку, – так называемое функционально-групповое управление. Функциональная группа представляет собой часть блочной установки, выполняющую вполне определенную функ-

17

цию, в которой работа отдельных агрегатов и механизмов связана жесткой программой (или несколькими программами).

Задачей функциональной группы является реализация процессов пуска и останова отдельных групп технологического оборудования блока. Для выполнения этой задачи должны быть реализованы функции: информационные, управляющие и защитные. Информационные функции состоят в подаче сигналов обслуживающему персоналу о состоянии и готовности устройств, входящих в функциональную группу, к выполнению программы, о ходе выполнения программы, а также обо всех неполадках, препятствующих выполнению программы. Управляющие функции состоят в последовательном включении или отключении отдельных элементов группы в соответствии с программой управления данной группы. Защитные функции состоят в непрерывном контроле технологических параметров и воздействии сигналов отклонения на отключение оборудования. Эти функции выполняются независимо от основной программы управления функциональной группы.

В состав функциональной группы входят не только элементы основного оборудования, но и устройства автоматического управления в режимах пуска и останова, автоматического регулирования, автоматического ввода резерва, технологических защит и блокировок, сигнализации положения и аварийных состояний. Таким образом, в функциональной группе реализуются все виды автоматизации.

Функциональная группа представляет собой иерархическую структуру, имеющую в общем случае несколько уровней управления. Низшим уровнем управления является уровень исполнительных механизмов. Этот уровень, помимо автоматического воздействия от вышестоящего уровня, включает в себя дистанционное управление электроприводами, а также защиты и необходимые блокировки.

Вторым уровнем является уровень, в рамках которого решаются все вопросы, связанные с непосредственным управлением механизмами и арматурой; при этом реализуются две программы – программа пуска и программа останова. Этот уровень называется уровнем управления подгруппами. Основой управления подгруппами является последовательность (поэтапность) действий, выполняемых по заданной программе. В иерархической структуре управления

18

функциональной группы над подгруппами расположен уровень управления группой. На этом уровне решаются вопросы управления подгруппами (или агрегатами), входящими в состав данной функциональной группы в зависимости от режима работы блока. Реализация программы осуществляется на основе информации о работе блока и о состоянии подгрупп (или агрегатов).

В подсистему дистанционного и автоматического управления входят устройства системы управления и защита реактора (СУЗ), предназначенные для управления регулирующими органами реактора.

Подсистема автоматического регулирования, являясь одной из важнейших частей системы управления, поскольку она создает основу для автоматизации производственных процессов, выполняет четыре основные функции:

а) поддержание определенных параметров на заданном уровне (стабилизацию параметров);

б) поддержание соответствия между двумя зависимыми величинами (например, мощностью турбогенератора и мощностью реактора);

в) изменение регулируемой величины во времени по определенному закону (программное регулирование); примером может служить программное расхолаживание реакторной установки;

г) поддержание оптимального значения регулируемой величины (функция оптимизации).

В соответствии с этими функциями в подсистеме осуществляются прием информации о технологических параметрах, формирование законов регулирования и управляющих воздействий, выдача информации о работе регуляторов.

Подсистема технологических защит применяется для сохране-

ния оборудования от повреждений и предупреждения аварий. На электротехническом оборудовании (электродвигателях, генераторах, трансформаторах) применяется защита от перегрузки, перенапряжений, токовая, грозовая и другие виды защиты.

Средствами технологической защиты оснащается все основное технологическое оборудование АЭС. Получая информацию о состоянии оборудования и технологических параметрах, устройства защит действуют при глубоких нарушениях технологического процесса или неисправностях оборудования, грозящих вызвать ава-

19

рийную ситуацию. При этом автоматически осуществляются отключение отдельных неисправных агрегатов, снижение нагрузки или полный останов блока. Количество защит и сложность их электрических схем во многом зависят от конструктивных особенностей и надежности основного оборудования. К подсистеме технологических защит можно условно отнести блокировки, назначение которых часто приводит и к защитным действиям, хотя наряду с ними осуществляют и автоматическое управление отдельными элементами технологического оборудования. Подсистема технологических защит может включать устройства защиты системы управления и защиты реактора (СУЗ).

Подсистема связи необходима для передачи команд и информации между оперативным персоналом. Для этого служат следующие виды оперативной связи:

а) двусторонняя связь дежурного инженера станции или начальника смены с подчиненным оперативным персоналом;

б) двусторонняя связь операторов блочных щитов управления с подчиненным персоналом;

в) общестанционная и блочная командно-поисковая связь. Оперативная двусторонняя связь является комбинированной:

телефонная и громкоговорящая. Эти виды оперативной связи могут дополняться промышленными многоканальными телевизионными установками. Дежурный инженер станции, кроме того, имеет возможность ведения циркулярной связи и подключения магнитофона. На щитах управления устанавливаются комбинированные коммутаторы громкоговорящей и телефонной связи.

Первые атомные электростанции имели системы управления, соответствующие измерительной технике и аппаратуре контроля и управления того периода. Уровень автоматизации этих АЭС характеризуется значительной централизацией управления и контроля, а также оснащением их в основном общепромышленными средствами дистанционного управления, автоматического регулирования и защит в объеме, достаточном для уверенного управления блоком в нормальном режиме двумя – тремя операторами с блочного щита управления. При этом обеспечиваются непрерывный визуальный контроль, графическая регистрация и сигнализация отклонения основных параметров, контроль по вызову вспомогательных пара-

20