Безжични технологии за контролно-измервателни системи в АЕЦ

Ядрена енергетикаСп. Енерджи ревю - брой 1, 2021 • 18.02.2021

Безжичните технологии са един от най-бързо развиващите се сектори днес. Експоненциалният ръст на тези решения създава множество възможности за приложението им в различни индустриални отрасли. Внедряването на безжични технологии в промишлеността доказано има много ползи, свързани с редуциране на времето и разходите за инсталация, както и с потенциала за увеличаване на гъвкавостта по отношение на събирането на процесна информация и данни от мониторинга на състоянието на оборудването.

Ядрената енергетика също може да се възползва от усъвършенствани безжични технологии, но понастоящем приложението им в този сектор е ограничено.

Сред предизвикателствата пред по-широкото внедряване на безжични технологии за контролно-измервателните системи в АЕЦ са бързо променящата се стандартизация, уникалните условия на работната среда, опасения по отношение на киберсигурността, електромагнитните/радиочестотните смущения и като цяло по-консервативната нагласа към новите технологии.

 

Специфични особености

Структурите в атомните електроцентрали включват метални и бетонни материали, които могат да окажат влияние върху разпространението на безжичните сигнали, например чрез отразяване или поглъщане. По този начин се нарушава качеството и надеждността на безжичната комуникация, а обхватът на мрежата може да бъде ограничен. Тези ефекти на затихване на сигнала трябва да бъдат отчетени при планирането и проектирането на безжичната мрежа.

Безжичните технологии могат да бъдат уязвими и на специфични за атомните електроцентрали електромагнитни и радиочестотни смущения. Това налага внимателен избор на честотната лента и типа комуникация, за да се сведат до минимум нежеланите ефекти. Корпусите и електронните компоненти трябва да са проектирани така, че да издържат на изменящи се температури, вибрации и други особености на работната среда.

Безпроблемната експлоатация и функциониране на електронните устройства в контролно-измервателните системи зависят от устойчивостта им на получената доза гама лъчение в рамките на експлоатационния им живот. Гама лъчите са тип йонизиращо излъчване, характеризиращо се с много висока сила и обхват на проникване в зависимост от състава на материалите. Увреждането на електронните устройства вследствие на радиация първоначално се проявява като случайни, временни грешки, но в крайна сметка се стига до трайна повреда. Проучвания показват, че сред най-уязвимите на радиация компоненти са цифрово-аналоговите преобразуватели, регулаторите на напрежение, микроконтролерите в безжичните сензорни устройства и др. Радиочестотните компоненти обикновено са по-устойчиви на подобни въздействия.

Както е известно, безжичните сензорни мрежи работят на принципа на електромагнитното излъчване, за да пренасят информация през определена среда (въздух). Ако въздухът е йонизиран, характеристиките на разпространение на вълните могат да се изменят. Въздействието на радиацията върху разпространението на електромагнитните вълни трябва да бъде обстойно проучено при проектирането на безжична система за приложение в АЕЦ. Това е особено важно за справяне с аварийни ситуации, когато нивата на йонизация могат да бъдат много високи.

На пазара се предлагат безжични сензори и предаватели, които могат да бъдат инсталирани на функциониращо оборудване в АЕЦ, например помпи, тръби и вентили.

Освен че трябва да отговарят на изисквания по отношение на работната среда и сигурността, те трябва да са съвместими както с оборудването, така и с други съществуващи жични или безжични мрежи.

Структурата на стените на противоаварийната обвивка на реактора не позволява преноса на високочестотни безжични сигнали. Понастоящем най-надеждният метод за пренос на данни отвъд тази бариера е чрез разполагане на гейтуей в заграждението за създаване на безжична мрежа в зоната и използването на кабел за предаване на данните през стената на противоаварийната обвивка на реактора. В момента продължава разработването на технологии за комуникация, които потенциално ще могат да се прилагат за пренос на данни през тежки структури и компоненти.

 

Мониторинг след аварии

По време на и след аварии в атомни електроцентрали възникват няколко предизвикателства – как да се получи точна информация за състоянието на централата и как да се поддържа в експлоатация оборудването от ключово значение. В такива ситуации е възможно оборудването и електрозахранването в централата да са временно или трайно повредени. Вариант за получаване на информация за състоянието на централата може да бъде използването на безжична мрежа, свързана с различни сензори.

Потенциален подход е използването на безжични сензори за непрекъснато измерване и следене на параметрите от критично значение по време на и след аварии.

Събраните данни се предават безжично към центрове за аварийно реагиране, давайки възможност за вземане на информирани решения и предприемане на действия.

Сред преимуществата на използването на безжични сензори са по-ниски разходи, улеснена инсталация и смяна на конфигурацията. Съществуват обаче и много други важни фактори, които трябва да се вземат предвид при употребата на тази технология в атомни електроцентрали.

Контролно-измервателните системи за мониторинг на условията в АЕЦ след авария трябва да могат да предоставят на операторите необходимата информация при наличието на единична повреда. Захранваните от батерии или други устройства за добив на енергия сензори са предпочитани в тези случаи, тъй като те не са свързани жично към друго оборудване, което намалява вероятността от неизправност, причинена от други сензори или апаратура. Също така е възможно да се изпълни изискването системата да работи при наличие на единична повреда, като се използват множество резервни сензори, гарантиращи, че повредата на един датчик няма да повлияе на изпълнението на съответната функция за осигуряване на безопасност.

Безжичните сензори могат да се считат за независими и електрически изолирани, защото те обикновено се захранват с батерии или устройства за добив на енергия, които имат малко или никакво окабеляване. Тази характеристика е сред основните предимства в сравнение с жичните сензорни технологии.

Вариантите за захранване на безжични сензори са три – електроенергия от линейната мрежа, батерии или устройства за добив на енергия (например пиезоелектрични материали или соларни клетки). Тези устройства и батериите трябва да предоставят захранване с необходимото напрежение и продължителност, за да могат сензорите да работят с желаната точност и надеждност. Отговарящите на стандарт IEEE 802.15.4 сензори се характеризират с ниска скорост на пренос на данни (250 kbps), което при нормални условия удължава експлоатационния период на батериите от няколко месеца до няколко години. Когато един безжичен сензор се използва в тежки работни условия, захранването му трябва да бъде подходящо, за да може да се осигури специфицираната продължителност на експлоатация.

Едно от изискванията на стандарт IEEE 497-2002 е безжичните сензори за мониторинг на атомни електроцентрали след аварии е те да позволяват достъп за дейности по поддръжка, например калибрация, тестване в определени точки и настройки за извеждане на даден сензор от експлоатация. За да се гарантира високо ниво на киберсигурност на безжичната мрежа, при внедряването й трябва да се обмисли предприемането на мерки като криптиране и управление на обхвата. Безжичните сензори трябва също да могат да предават диагностична информация, улесняваща тяхната поддръжка, ремонт и настройка.

Когато е необходимо, като част от процедурата при авария или при отклонения от нормалния работен режим, за събирането на данни могат да се използват преносими уреди. В такива случаи безжичните сензори могат да бъдат ефективно решение благодарение на тяхната гъвкавост и лесна експлоатация. За да се гарантира надежден пренос на данни, при проектиране следва да се отчетат фактори като обхват, параметри на мрежата и честотна лента.

Безжичните контролно-измервателни инструменти за мониторинг след аварии трябва да са сертифицирани по същите стандарти като жичните си аналози за употреба в определени сеизмични и работни условия например. В допълнение, ако оборудването ще се използва в среда с потенциално високи нива на радиация, то трябва да е пригодно за целта или да бъде защитено по подходящ начин.

 

Следене на ниво

След влизането в сила на нови изисквания, свързани с аварията в АЕЦ Фукушима, централите трябва да инсталират надеждна допълнителна апаратура за измерване на нивото в басейните за отработено гориво. Тези измервателни системи трябва да предлагат възможност за мониторинг на нивото на водата в басейна при неблагоприятни работни условия. Това е от съществено значение за приоритизирането на действията, които операторите могат да предприемат за предотвратяване на загубите на вода.

В много централи новото изискване за допълнителна апаратура за измерване на ниво при басейните за отработено гориво се изпълнява чрез дълги жични присъединявания, което често е трудно за реализация. Системата може да бъде направена частично безжична посредством безжичен предавател, който се разполага извън басейна. Когато е необходимо, на територията на централата могат да бъдат инсталирани и множество безжични ретранслатори на сигнала. Безжичните предаватели и ретранслатори предлагат възможност за криптиране на данните, а насочващи антени могат да бъдат използвани за свеждане до минимум на потенциала за електромагнитни/радиочестотни смущения.

Всяко измервателно устройство се състои от сонда, потопена в басейна за отработено гориво, и електронен модул, който се разполага в съседно помещение, за да се избегне експозицията на радиация и високи температури. Електронният модул на сензора е свързан към непрекъсваемо токозахранване и безжичен предавател, който изпраща стойностите за нивото на водата в басейна към отдалечена локация.

 


Top