Совершенствование акустического метода обнаружения и локализации течей ЯЭУ с использованием микрофонов

Актуальность работы. Опыт эксплуатации АЭС показывает, что невозможно полностью исключить возникновение течи трубопроводов и оборудования АЭС. Своевременное обнаружения течи теплоносителя позволяет предотвратить возможное разрушение в системе трубопроводов или оборудования реакторной установки и, таким образом, повысить эксплуатационную безопасность АЭС.

Требования по обнаружению течей теплоносителя отражены в нормативных документах верхнего уровня [1−3], которые регламентируют наличие средств и методов обнаружение течей теплоносителя первого контура превышающих допустимую величину, с возможностью определения местоположения (локализации) течи и оценки ее расхода.

В то же время анализ существующих на АЭС методов обнаружения течей показывает, что они в основном связаны с мониторингом состояния среды в помещениях реакторной установки (давление, температура, влажность, газовая и аэрозольная активность), контролем дренажа и баланса теплоносителя [4−9]. В силу «интегрального» характера контролируемых параметров указанные методы, как правило, не обеспечивают высокую чувствительность и быстроту обнаружения течи, не позволяют оценить местоположение течи (в отдельных случаях локализация возможна с точностью до области реакторного помещения) и не дают возможности отличить множественные течи (например, малые течи по уплотнениям вентилей и задвижек) от единичной течи большей величины [8].

В свою очередь, применение концепции течь-перед-разрушением (ТПР) к трубопроводам АЭС требует внедрения метода контроля, обеспечивающего обнаружение малой течи на ранней стадии развития с заданной чувствительностью и точностью локализации [10−12].

В связи с вышеизложенным, большое внимание уделяется развитию методов, связанных с «локальным» контролем физических параметров на оборудовании и трубопроводах РУ. Это относится, в первую очередь, к мониторингу акустических шумов, создаваемых истечением теплоносителя через течь [13−15], с помощью датчиков, установленных на контролируемом оборудовании [16−22], и контролю влажности среды, отбираемой из-под теплоизоляции трубопроводов с помощью разного рода сенсорных или пробоотборных линий [20,23,24]. В силу своей избирательности, «локальный» мониторинг позволяет обеспечить более высокую чувствительность, быстродействие, точность локализации и оценки величины течи.

Согласно классификации МЭК 1250.1994 [4], акустический метод обнаружения течи, по совокупности таких параметров, как чувствительность, точность локализации и возможности оценки величины течи, является одним из наиболее предпочтительных. При этом наиболее распространенным является метод акустического контактного течеискания [25]. Однако использование контактных датчиков может быть сильно затруднено в условиях ограниченного доступа к оборудованию реакторной установки и становится практически нецелесообразным при необходимости контроля многочисленных трубных коммуникаций малого диаметра. Это обстоятельство делает актуальным разработку бесконтактного акустического метода контроля, использующего высокотемпературные микрофоны для обнаружения распространяющихся в воздушной среде акустических сигналов течи [26−43].

Внедрение этого метода контроля позволит не только удовлетворить требованиям нормативных документов верхнего уровня [1−3] и условиям применения концепции ТПР [11,12], но наряду с повышением безопасности даст дополнительные преимущества при эксплуатации оборудования за счет:

— локализации зоны истечения и, благодаря этому, предотвращению ложных остановов РУ в случае множественных течей по разъемным соединениям;

— снижение дозозатрат персонала и времени простоя оборудования, связанных с поиском места разгерметизации и ремонтом.

Объектом исследования является бесконтактный акустический метод обнаружения и локализации течи с использованием высокотемпературных микрофонов на АЭС.

Прототип микрофонной системы контроля течей был изначально разработан в JAEA (Japan Atomic Energy Agency1) для контроля течей входных трубопроводов канального реактора ATR (Advanced Thermal Reactor) [26]. Система первого поколения была установлена на АЭС «Фуген» (Япония), оснащенной прототипом реактора ATR, и была предназначена для обнаружения течей расходом от 1 до 500 м3/ч, не обладая функциями локализации и оценки величины течи. Позднее, при непосредственном участии автора, данный метод контроля был адаптирован для контроля входных и выходных трубных коммуникаций реактора РБМК на Ленинградской АЭС [28−34,41,44].

Требования нормативных документов [4,11,12] обусловили необходимость i повышения чувствительности метода до 0,23 м /ч для РБМК. При разработке микрофонной системы второго поколения для реактора ATR величина течи 0,046 м3/ч была определена в качестве целевой чувствительности.

Так как базовым алгоритмом контроля является мониторинг уровня звукового давления в зоне контроля, то обнаружение течи существующими методами возможно только при условии сигнал-шум больше единицы, что ограничивает применимость метода при контроле малых течей в условиях мощных фоновых шумов, характерных для эксплуатации РУ. В этом случае чувствительность метода может быть повышена только за счет увеличения числа микрофонов, что экономически нецелесообразно при контроле многочисленных коммуникаций РУ канального типа.

Таким образом, разработка бесконтактного метода обнаружения и локализации малой течи при отношении сигнал-шум меньше единицы является важной и актуальной задачей.

Цель работы. Цель работы заключается в повышении эксплуатационной безопасности АЭС за счет разработки бесконтактного акустического метода.

1 AO 1999r. — Power Nuclear Corporation (PNC), c 1999 no 2005r. — Japan Nuclear Cycle Development Institute (JNC) обнаружения и локализации малой течи, применимого при соотношении сигнал-шум меньше единицы.

Для достижения поставленной цели были решены следующие основные задачи;

— проведены базовые измерения спектральных характеристик шума течи и фоновых шумов в помещениях АЭС;

— проведены базовые измерения характеристик ослабления звука в помещениях АЭС;

— разработана новая конструкция высокотемпературного микрофона, обеспечивающего работу в расширенном диапазоне частот (до 31,5 кГц);

— разработан пакет прикладных программ по моделированию отношения сигнал-шум в зоне контроля;

— разработана усовершенствованная конструкция воздушного имитатора течи с возможность генерации нестационарного акустического шума;

— разработан пакет прикладных программ для корреляционного анализа огибающих акустических шумов и пространственной локализации течи.

Научная новизна работы состоит в том, что:

— разработаны методы обнаружения и локализации малой течи с использованием корреляционного анализа огибающих акустических сигналов, применимые при соотношениях сигнал-шум меньше единицы;

— разработана аналитическая модель корреляционной матрицы огибающих акустических шумов;

— разработана методика обоснования чувствительности микрофонной системы контроля и схемы размещения микрофонов, основанная на численном моделировании отношения сигнал-шум в зоне контроля;

— разработана методика оптимизации рабочего диапазона частот, учитывающая спектральные характеристики шума течи, фоновых шумов и характеристик ослабления звука в зоне контроля.

Практическая значимость работы. Полученные в диссертации результаты были непосредственно использованы при:

— разработке пилотного образца микрофонной системы обнаружения течей РБМК;

— разработке микрофонной системы второго поколения реактора АТЯ;

— разработке типового проекта интегрированной системы обнаружения течей теплоносителя реактора РБМК;

— внедрении микрофонной системы обнаружения течей (в составе интегрированной системы) на энергоблоках Ленинградской, Курской и Смоленской АЭС.

Положения, выносимые на защиту:

— Метод многоканального корреляционного анализа огибающих акустического шума течи.

— Метод пространственного обнаружения и локализации течи с использованием огибающих.

— Методика обоснования чувствительности микрофонной системы контроля и схемы размещения микрофонов, включая методику оптимизации рабочего диапазона частот.

— Результаты анализа оптимального диапазона частот и схемы размещения датчиков микрофонной системы контроля течей входных и выходных коммуникаций РБМК и входных трубопроводов АТЯ.

Методы исследований и личное участие автора. Проведенные автором исследования базируются на экспериментальных данных, полученных на стендах НИКИЭТ, площадке Ленинградской АЭС и АЭС «Фуген» (Япония). Обработка экспериментальных данных с применением методов спектрального, корреляционного, частотно-временного анализа, методов математического моделирования, а также разработка прикладного программного обеспечения (Си, Ма^аЬ) проводились автором самостоятельно. Автор принимал непосредственное участие в планировании и проведении экспериментов на стендах НИКИЭТ, выполнении измерений и испытаний в помещениях реактора РБМК-1000 (энергоблоки 1 и 2 Ленинградской АЭС) и на площадке АЭС «Фуген». Методы обнаружения и локализации малой течи при соотношениях сигнал-шум меньше единицы, а также методика обоснования чувствительности микрофонной системы и оптимизации параметров ее функционирования были разработаны автором самостоятельно.

Для проведения измерений были использованы измерительные микрофоны UC-29, высокотемпературные микрофоны UC-63L, измерители звукового давления UN-04 и 1/3-октавные анализаторы спектра SA-27 (RION), анализатор спектра В&К 2034, многоканальный АЦП PAVEC MD-800MK и многоканальный регистратор данных ТЕАС XR-500.

Достоверность и обоснованность научных положений, результатов и выводов диссертации подтверждается результатами испытаний, проведенных в натурных условиях эксплуатации АЭС с реакторами РБМК и ATR, которые нашли свое отражение в материалах МАГАТЭ, трудах международных конференций специалистов по атомной технике (ICONE) и реакторным шумам (SMORN), в публикациях таких иностранных и отечественных периодических изданий как Progress in Nuclear Energy, Journal of Nuclear Science and Technology, Атомная Энергия и пр.

Апробация работы. Основные результаты работ были представлены на техническом семинаре МАГАТЭ «Nuclear Power Plant Diagnostics — Safety Aspects and Licensing» (Порторож, Словения, 1997 г.), на двух конференциях ядерного общества Японии — AESJ «Meeting of Atomic Energy Society of Japan» (Ниигата, Япония, 1999 г., Саппоро, Япония, 2001 г.), на двух международных конференциях ICONE «International Conference on Nuclear Engineering» (ICONE-8, Балтимор, США, 2000 г., ICONE-11, Токио, Япония, 2003 г.), на международной конференции SMORN-8 «Symposium on Nuclear Reactor Surveillance and Diagnostics» (Готтенборг, Швеция, 2002 г.).

Результаты диссертационной работы изложены в 9 статьях, опубликованных в журналах «Атомная энергия», Progress in Nuclear Energy, Journal of Nuclear Science and Technology и др., 6 докладах, опубликованных в материалах международных конференций.

Основное содержание работы изложено в следующих публикациях:

1. Mochizuki H., Takeda H., Shimanskiy S. e.a. Development of leak detection system for piping using high-temperature resistant microphone. (1) Development of system. — In: Proc. of ICONE-8, Baltimore, USA, April 2−6, 2000, p.323−334.

2. Shimanskiy S.B., Strelkov B.P., Mochizuki H. e.a. Development of leak detection system for piping using high-temperature resistant microphone. (2) Multichannel test. — Ibid., p.335−346.

3. Shimanskiy S., Iijima Т., Naoi Y. Development of microphone leak detection technology on Fugen NPP. — Prog. Nucl. Energy, 2003, v.43, N1−4, p.357−364.

4. Shimanskiy S., Iijima Т., Naoi Y. Development of acoustic leak detection and localization methods for inlet piping of Fugen nuclear power plant — J. Nucl. Sci. Technol., 2004, v. 41 [3], p.183−195.

5. Финкель Б. М., Шиманский С. Б., Кириллов И. А. Измерительные технологии в системах диагностики оборудования ядерных энергетических установок — Мир измерений, 2004, 7(41), с.17−21.

6. Kasai Y., Shimanskiy S., Kanazawa J. e.a. Leak Detection in the Primary Reactor Coolant Piping of NPP by applying a Beam-Microphone. — J. Nucl. Sci. Technol., 2004, 41 [3], pp.359−366.

7. Шиманский С. Б., Стрелков Б. П., Ананьев A.H. и др. Акустический метод обнаружения течи с помощью высокотемпературных микрофоновАтомная энергия, 2005, т. 98, вып. 2, с.98−105.

8. Шиманский С. Б., Стрелков Б. П. Повышение безопасности АЭС с использованием метода пространственной локализации и обнаружения течи теплоносителя — Бюллетень по атомной энергии, 2006, вып. 10, с.29−31.

9. Шиманский С. Б. Обнаружение нестационарных сигналов течи первого контура АЭС с помощью взаимного корреляционного анализа — Атомная энергия, 2007, т. 102, вып. 3, с.183−188.

Структура и объем диссертации

Объем диссертации 130 машинописных листов, 12 таблиц и 61 рисунков. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка используемой литературы (102 наименования).

4.3 Выводы к Гпаве 4.

Качественное сравнение рассмотренных методов обнаружения представлено в Таблице 4.2 и дает возможность суммировать полученные результаты следующим образом.

По сравнению с базовым (амплитудным) методом обнаружения предложенные методы позволяют обеспечить уверенное обнаружение и л локализацию малой течи (до 0,046 м /ч) при гораздо более низких соотношениях сигнал-шум (до -10 дБ). При этом функция «быстрого» обнаружения течи, реализованная в микрофонной системе за счет мониторинга сглаженного уровня шума, гарантирует своевременное срабатывание системы в Л случае появления течи большого размера (> 0,23 м /ч), когда высокое быстродействие системы является критичным.

Анализ нестационарных шумовых сигналов, характерных для начальной стадии развития течи, показал, что огибающие сигналов гораздо менее подвержены искажениям и обеспечивают высокий уровень корреляции между сигналами на площадке АЭС. Это обстоятельство позволяет рекомендовать корреляционную матрицу огибающих, в качестве характеристики, обеспечивающей обнаружение течи на начальной стадии развития при малых соотношениях сигнал-шум. Комплексное использование метода пространственной локализации, основаного на анализе временных задержек между сигналами, и метода многоканальной корреляции позволяет реализовать алгоритм, обеспечивающий верификацию присутствия локального источника звука (течи) в зоне контроля и локализовать его в простарнстве с требуемой точностью (в пределах 2 м).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Своевременное обнаружения течи теплоносителя позволяет предотвратить возможное разрушение в системе трубопроводов реакторной установки и, таким образом, повысить эксплуатационную безопасность АЭС.

2. Проведенный обзор литературы показывает, что акустический метод обнаружения течи, по совокупности таких параметров, как чувствительность, точность локализации и возможности оценки величины течи, является одним из наиболее предпочтительных.

3. Показана актуальность совершенствования метода обнаружения и локализации течи с использованием высокотемпературных микрофонов с целью:

— разработки методов обнаружения и локализации малой течи, применимых при соотношении сигнал-шум меньше единицы;

— разработки методики обоснования чувствительности микрофонной системы, схемы размещения датчиков и оптимизации рабочего частотного диапазона.

4. В рамках проведенных исследований автором решены следующие задачи:

— разработан метод многоканального корреляционного анализа огибающих, обеспечивающий обнаружение акустического шума течи в фоновых шумах при соотношении сигнал-шум до -10 дБ;

— разработан метод пространственного обнаружения и локализации течи с использованием огибающих, позволяющий обнаружить присутствие локального источника шума (течи) в фоновых шумах и определить его местоположение с погрешностью не более 2 м;

— разработана методика обоснования чувствительности микрофонной системы контроля и схемы размещения микрофонов, включая методику оптимизации рабочего диапазона частот.

5. Подтверждена целевая чувствительность микрофонной системы — 0,23 м3/ч для РБМК и 0,046 м3/ч для АТЯ, при этом частотные диапазоны 8−12,5 кГц и 16−20 кГц (1/3-октавы) определены в качестве оптимальных диапазонов обнаружения для РБМК и АТК, соответственно.

6. Разработанные методы апробированы в реальных условиях эксплуатации микрофонной системы на площадке АЭС с реакторами АТЯ и РБМК, при этом впервые проведены демонстрационные испытания системы с истечением теплоносителя в процессе работы РУ на номинальной мощности.

7. При апробации указанных методов в условиях АЭС «Фуген» было экспериментально показано, что:

— многоканальная обработка сигналов позволяет повысить чувствительность и достоверность при обнаружении слабо-коррелированных сигналов течи в фоновых шумах;

— разработанная автором математическая модель корреляционной матрицы огибающих нестационарного шума течи демонстрирует хорошее соответствие с полученными экспериментальными данными;

— огибающие не подвержены искажениям в процессе распространения в трубной решетке и, таким образом, обеспечивают гораздо более высокий уровень корреляции, что, в свою очередь, расширяет возможности применения метода при малых соотношениях сигнал-шум.

8. Полученные автором результаты были использованы при разработке и внедрении опытного образца микрофонной системы обнаружения течей для Ленинградской АЭС и микрофонной системы второго поколения на АЭС «Фуген». Полученные результаты использованы при разработке типового проекта интегрированной системы обнаружения течей теплоносителя РБМК. Внедрение микрофонной системы обнаружения течей (в составе интегрированной системы) проводится на энергоблоках Ленинградской, Курской и Смоленской АЭС.