Контролно-измервателна техника в АЕЦ

Инсталирана повсеместно в ядрените централи, контролно-измервателната апаратура е неизменен елемент от нормалния, аномалния и аварийния работен режим на инсталациите. Благодарение на оборудването, модулите, сензорите и предавателите, контролно-измервателните системи отчитат хиляди променливи и обработват данни, за да задействат помпи, вентили, двигатели и друга електромеханична техника за управление на централата.

Контролно-измервателната система измерва основни физични параметри, следи производителността, интегрира информация и автоматично регулира дейностите с цел поддържане на процесните променливи в проектните граници. Отговаряйки по подходящ начин на неизправности и аномалии, контролно-измервателната техника гарантира безопасността на централата и ефективното производство на енергия.

Всички тези роли могат да бъдат редуцирани до три основни функции. Първо, контролно-измервателната апаратура предоставя на операторите на централата точна информация, която да позволи предприемането на подходящи действия по време както на нормален, така и на аномален работен режим. Второ, тази техника дава на операторите възможност да упражняват автоматично управление върху системите така, че да могат да вземат необходимите мерки за поддържане на ефективна и безопасна работа. 

Контролно-измервателните решения изпълняват и друга функция от критично значение - защитават централата от неизправности в системата или допуснати от оператора грешки, както и по време на аномални или екстремни външни събития, застрашаващи работата на инсталациите. По-специално, контролно-измервателната техника трябва да осигури безопасна експлоатация на централата за продължителен период от време без намесата на оператор след авария.

Контролно-измервателните системи в атомните електроцентрали трябва да бъдат точни, за да отчитат и комуникират правилно процесните променливи. Те трябва да се отличават и с относителна бързина и да дават възможност за навременна визуализация и настройка, както и да защитават от отклонения в основните и в спомагателните системи на централата. Например от температурните сензори, като съпротивителните температурни детектори, може да се очаква точност от 0,1% и способност за реакция в рамките на по-малко от 4 секунди на стъпково изменение в температурата.

Апаратурата за измерване и управление

в ядрените централи е по-сложна и разнообразна от тази в останалите индустриални приложения поради специалното естество на ядрената енергия. Производството на енергия трябва да е непрекъснато заради високите капиталови разходи и защото директният достъп до ядрения реактор и управлението му не е възможно. Също така потенциалните рискове, свързани с производството на ядрена енергия, изискват по-високи редундантност и надеждност. Въпреки че контролно-измервателната техника е сред относително малките компоненти по отношение на бюджет, въздействието й върху безопасността, надеждността и производителността на централата е огромно.

Системата за контрол и измерване в една типична ядрена централа обикновено включва близо 10 000 сензора и детектора, 5000 км кабели, тежащи общо около 1000 т. Категоризирани по функция, контролно-измервателните компоненти включват:

• сензори, които си взаимодействат с физичните процеси с цел измерване на променливи като температура, налягане и дебит, както и за контрол и настройка, и компоненти за безопасност, които обработват данните от сензорите;
• комуникационна инфраструктура - проводници и кабели, оптични и безжични мрежи, протоколи за цифрови данни, които служат за пренос на данните през контролно-измервателната система;
• интерфейси човек-система като дисплеи, позволяващи на операторите да следят и реагират на непрекъснатия поток от данни;
• системи за наблюдение и диагностика, които следят за аномалии при сигналите от сензорите;
• изпълнителни елементи като вентили и двигатели, които физически отговарят за управлението на централата и компонентите за безопасност, регулирайки процесите така, че експлоатационните показатели да са оптимални;
• индикатори за състоянието на изпълнителните елементи, които визуално отразяват автоматичните или ръчните действия по управление, например пускане или изключване на двигател или отваряне или затваряне на вентил.

Важни компоненти

Измервателната апаратура в атомните електроцентрали може да бъде класифицирана в следните 4 категории: ядрена – за измерване на ядрените процеси или мощността на реактора; процесна – уреди, измерващи неядрени процесни параметри, например налягане в реактора, ниво на охлаждаща течност, дебит на пара, температура на охлаждащия агент и др; за радиационен мониторинг – инструменти, измерващи радиацията, например в линии за пара, газови потоци и радиацията на площадката; специална – измервателна апаратура за всички останали приложения например измерване на вибрации, концентрация на водород, проводимост на вода и концентрация на борна киселина, или за определяне на метеорологични и сеизмологични параметри.

Въпреки разнообразието от компоненти и приложения, температурата, налягането, нивото, дебитът и неутронният поток остават най-важните и критични за безопасността параметри за управление и защита на ядрените реактори. Основата на всички тези измервания са сензорите – най-важният компонент в измервателния канал, обикновено изложен на тежки експлоатационни условия. Независимо от бързия напредък в контролно-измервателните технологии, основният механизъм на измерване, използван от тези сензори, не се е променил съществено от времето на първите ядрени централи. Днес, температурата, налягането, нивото, дебитът и неутронният поток се измерват предимно чрез конвенционални сензори като съпротивителни температурни детектори, термодвойки, капацитивни клетки и конвенционални неутронни детектори.

Управлението и безопасността на ядрените централи зависят преди всичко от измервателната техника за температура и налягане (включително диференциално налягане за измерване на ниво и дебит). В централите с водо-водни енергийни реактори (ВВЕР, PWR) основните уреди за измерване на температура в първичната система са съпротивителните температурни детектори. В ядрените централи обикновено се използват два вида от тези устройства – с директно потапяне (мокри) и такива за монтаж в защитна тръба за температурни сензори. Съпротивлението на чувствителния елемент се изменя с температурата и по този начин, измервайки съпротивлението, може косвено да се определи температурата. Броят съпротивителни температурни детектори в една ядрена централа зависи от дизайна й и от термохидравличните й изисквания.

Предавателите за налягане са следващият най-разпространен контролно-измервателен компонент. Те могат да бъдат разглеждани като комбинация от две системи – механична и електронна. Механичната им система включва еластичен чувствителен елемент (диафрагма, силфони и др.), който се огъва в съответствие с приложеното налягане. Движението на този чувствителен елемент се засича от сензор и се преобразува в електрически сигнал, който е пропорционален на налягането. Обикновено за свързани с безопасността измервания на налягането в ядрените централи се използват два вида предаватели за налягане – базирани на баланса на движението или силата в зависимост от това как преместването на чувствителния елемент се преобразува в електрически сигнал. В една атомна електроцентрала обикновено има около 400 до 1200 предаватели за налягане и диференциално налягане, служещи за измерване на налягането в процеси, както и на ниво и дебит в първичните и вторичните охлаждащи системи.

Фиброоптични сензори

Предлагат точност и висока чувствителност, ниско тегло и малки габарити, лесна инсталация, ниска енергоконсумация, имунитет към електромагнитни смущения (EMI), възможност за свързване на няколко сензора с един-единствен кабел за предаване на данни, широка честотна лента и надеждност. В допълнение, тъй като някои техники за модулация на фиброоптичните сензори са дигитални по естество, този вид сензори могат лесно да станат съвместими с цифровите системи за управление.

Фиброоптичните сензори работят на принципа, че въздействията на околната среда или преместването могат да бъдат преобразувани в измерими оптични сигнали. Този вид сензори могат да бъдат класифицирани в две широки категории – хибридни и чисто влакнести. В хибридните сензори самият чувствителен елемент често е подобен на тези в конвенционалните сензори, но за отчитане на движението му се използва фиброоптика.

За разлика от това, при чисто влакнестите сензори самото влакно отчита въздействието и предава засегнатия светлинен лъч към устройство, което да го преобразува в измервателен сигнал. Фиброоптичните температурни сензори са най-пълно развитите от този вид, като някои модели могат да издържат на работни температури до около 450°C.

Безжични сензори

Докато сензорните технологии се развиват бавно, при мрежовата технология за безжично предаване на данни от датчика към система за мониторинг се отчита бърз напредък. Безжичните сензори обикновено се състоят от конвенционално чувствително устройство, например термодвойка или съпротивителен температурен детектор, както и компоненти за преобразуване на изходния сигнал от датчика в електрически сигнал (напрежение или ток), филтриране, цифровизиране и предаване на сигнала към приемник. В случай че е необходимо бързо получаване на данни, понякога те се обработват на ниво сензор, след което се предават направо крайните резултати.

В атомните електроцентрали оборудването обикновено заема огромна площ, а данните се събират чрез проводници, които се прокарват през кабелни канали. Голям дял от разходите за внедряване на нова измервателна техника към съществуващо оборудване в ядрените централи се дължи на окабеляването. Освен разходите с времето корозията, парата, замърсяванията, прахът и водата увреждат проводниците и създават необходимост от предприемане на дейности по поддръжка. За удължаване на лиценза на по-старите централи се изисква добавянето на нова измервателна техника за мониторинг на стареенето, но инсталирането на жични сензори на всички съоръжения в една съществуваща централа би било изключително скъпо. В условията на ядрените централи разходите за безжична система могат да възлизат на под 1% от тези за жични системи. Сам по себе си този факт представлява съществен стимул за избор именно на безжични сензори.