СИСТЕМА ВЛАЖНОСТНОГО КОНТРОЛЯ ТЕЧИ ТРУБОПРОВОДА АЭС

Изобретение относится к области контроля герметичности оборудования атомных электрических станций (АЭС) и может быть использовано для обнаружения утечек из трубопроводов с водяным теплоносителем и оборудования, а также контроля влажности воздуха в других областях, например в теплоэнергетике.

Известна влажностная система контроля течи трубопроводов и оборудования АЭС с PWR, разработанная фирмой MGP Instruments, Франция (Nuclear Engineering International October 1993, pp.44-45, ДОР №1354, ФЭИ, июнь 1994, Обнинск). Система состоит из каналов пробоотбора воздуха из гермооболочки АЭС, гидрометрических ячеек, измеряющих точки росы проб воздуха. Контроль герметичности оборудования осуществляется по разности показаний различных гидрометрических ячеек, расположенных в системах пробоотбора, с данными ячеек, расположенных в воздухе гермооболочки.

Влажностная система фирмы MGP Instruments имеет ряд недостатков - низкую чувствительность к величине течи теплоносителя и определению координаты течи, т.е. низкую чувствительность к величине и месту течи, и заметную зависимость определения величины и места течи от эксплуатационных факторов, в первую очередь от загрязненности воздуха и уровня ионизирующего излучения. Низкая чувствительность системы фирмы MGP Instruments к величине течи обусловлена принятым интегральным методом контроля влажности, при котором трудно предсказать поведение пара в гермооболочке. Зависимость показаний от загрязненности воздуха основана на том факте, что используемые конденсационные датчики влажности на основе точки росы весьма чувствительны к чистоте их поверхности. Чувствительность системы к уровню ионизирующего излучения объясняется необходимостью размещения электронных узлов непосредственно вблизи трубопровода, являющегося источником ионизирующего излучения.

Известна входящая в состав системы мониторинга и диагностики оборудования ALLY™ фирмы "Вестингауз" США влажностная система контроля герметичности оборудования АЭС (Интегрирование систем мониторинга и диагностики АЭС, Рекламный проект фирмы "Вестингауз", Copyright Westing-house Electric Company, 2000, с.8). Данная система близка по технической сущности к рассмотренной ранее влажностной системе фирмы MGP Instruments. Датчики точки росы данной влажностной системы также установлены на различных воздушных пробоотборных линиях. Значения температур в точке росы обрабатываются блоком сбора данных и переводятся в значения абсолютной влажности.

К недостаткам влажностной системы ALLY™ фирмы "Вестингауз" следует отнести низкую чувствительность к величине обнаруживаемой течи, зависимость показаний датчиков влажности от чистоты воздуха и необходимость создания специальных пробоотборных линий. Указанные недостатки обусловлены использованием конденсационных датчиков влажности и принятой архитектурой системы влажности.

Наиболее близким по технической сущности и выполняемым функциям к заявленному устройству является влажностная система контроля течи FLUES фирмы Сименс. (Рекламный проспект фирмы Сименс. Erkennung und Ortung von Leeks., Verfasser: Reinhard Marko, Sonderdruck aus Techische Ubemachung Heft, 6, 1990). Система FLUES содержит устройство отбора и транспортировки воздуха (пара, паровоздушной смеси) из проницаемой для воздуха теплоизоляции трубопровода, закрытой кожухом (теплоизоляция под кожухом), устройство измерения влажности воздуха.

Устройство отбора и транспортировки воздуха системы FLUES состоит из шланга отбора проб воздуха (сенсорный шланг), подводящего и отводящего шлангов, двух проходок в гермооболочке АЭС и модуля подачи сжатого воздуха. Шланг отбора воздуха (сенсорный шланг) расположен вдоль контролируемого участка трубопровода под кожухом теплоизоляции и представляет собой шланг, в котором через 25 см имеются пористые вставки для диффузии (поступления, отбора) пара из теплоизоляции в шланг. С одного конца сенсорный шланг соединен с подводящим шлангом, который через одну из двух проходок в гермооболочке соединен с модулем подачи сжатого воздуха, с другого конца сенсорный шланг соединен с отводящим шлангом, который через вторую проходку соединен с устройством измерения влажности (проходки позволяют ввести подводящий шланг и вывести отводящий шланг через гермооболочку АЭС). Помимо этого, устройство транспортировки воздуха содержит размещенные вне гермооболочки АЭС модули: регуляторный модуль, который учитывает весовой расход воздуха, его температуру и давление; вентильные модули, которые обеспечивают управление подачей воздуха в циклах измерений; калибровочный модуль, который приготавливает определенное количество влажного воздуха для подачи его в шланг для проверки сохранности характеристик системы во времени; отсечные модули, позволяющие в случае нарушения герметичности устройства транспортировки воздуха отсечь поступление радиоактивного воздуха из герметичной оболочки в другие помещения АЭС.

Устройство измерения влажности воздуха системы FLUES включает в себя датчик абсолютной влажности конденсационного типа и измерительно-вычислительный комплекс, расположенные вне гермооболочки АЭС.

Измерительно-вычислительный комплекс служит для преобразования сигнала датчика влажности в величину абсолютной влажности воздуха, управления работой системы, анализа проб воздуха, определения места и величины течи, а также для отображения и хранения информации.

Известная влажностная система FLUES работает следующим образом. Перед началом цикла измерений шланги заполняется чистым сухим воздухом с помощью модуля подачи сжатого воздуха (воздуходувки). Образовавшийся при течи трубопровода влажный воздух из теплоизоляции диффундирует через пористые вставки в сенсорный шланг. Примерно через полчаса воздух из сенсорного шланга прокачивается по отводящему шлангу через проходку в гермооболочке к размещенному вне герметичной оболочки АЭС устройству измерения влажности воздуха. Устройство для измерения влажности воздуха регистрирует изменение влажности воздуха в момент прохождения локализованного сгустка (порции) влажного воздуха через датчик и по измеренному интервалу времени от начала продавливания воздуха до прихода порции влажного воздуха к устройству измерения влажности определяет место течи. Величина течи вычисляется путем сравнения показаний системы с показаниями, полученными при тарировочных измерениях.

Основным недостатком прототипа является то, что технические характеристики системы FLUES не отвечают требованиям контроля течи теплоносителя в рамках концепции "Течь перед разрушением", принятой в настоящее время для АЭС. (Руководство по применению концепции безопасности "Течь перед разрушением" к трубопроводам АЭС, Р-ТПР-01-99, Москва, Россия, ИЦП МАЭ, 1999 г.) Конкретно система не обеспечивает определение величины и места течи при величине течи ˜3,8 л/мин, принятой в данной концепции в качестве критерия, определяющего возможность продолжения эксплуатации трубопровода АЭС. Если величина течи превышает указанный предел, то необходим останов АЭС, проведение ремонтных работ на трубопроводе.

Следует отметить другие, также существенные, недостатки системы:

- наличие значительного "мертвого" времени в работе системы, которое обусловлено цикличностью работы системы, что приводит к задержке информации о состоянии контролируемого трубопровода;

- внесение системой дополнительного источника повышения вероятности разгерметизации гермооболочки АЭС - проходок через гермооболочку АЭС, необходимых для ввода/вывода шлангов к измерительно-вычислительному комплексу, т.е. снижение безопасности работы АЭС в целом;

- недостаточная точность определения места течи, что является следствием удаленности датчиков устройства измерения влажности воздуха от контролирующего участка трубопровода;

- использование значительного количества вспомогательных механических устройств (устройство очистки, осушения и подачи сжатого воздуха, вентильные, отсечные устройства, регуляторный и калибровочный модули), которые снижают показатели надежности работы системы и увеличивают ее стоимость.

Основной задачей изобретения является устранение указанных недостатков, а именно: увеличение верхнего предела регистрируемой величины течи, повышение быстродействия, надежности системы и безопасности работы АЭС в целом, а также снижение стоимости системы.

Для исключения указанных недостатков в системе влажностного контроля течи трубопровода АЭС, содержащей устройство отбора и транспортировки воздуха из воздухопроницаемой теплоизоляции трубопровода под кожухом, проходки в гермооболочке АЭС и устройство измерения влажности воздуха, включающие датчик влажности и измерительно-вычислительный комплекс, предлагается:

- устройство отбора проб воздуха из воздухопроницаемой теплоизоляции трубопровода под кожухом выполнить в виде патрубка, нижняя часть которого сочленена через отверстие в кожухе с воздухопроницаемой теплоизоляцией трубопровода;

- датчик влажности воздуха расположить внутри патрубка с зазором по отношению к внутренней боковой поверхности патрубка;

- в устройстве измерения влажности воздуха в качестве датчика влажности использовать датчик относительной влажности воздуха и датчик температуры воздуха;

- проходки для шлангов в гермооболочке АЭС заменить проходками для электрических линий связи (электрические гермопроходки);

- датчики относительной влажности и температуры воздуха соединить через электрические проходки с помощью электрических линий связи с измерительно-вычислительным комплексом.

В частных случаях использования системы предлагается следующее:

во-первых, на контролируемом участке трубопровода установить, по крайней мере, два патрубка с датчиками относительной влажности и температуры воздуха;

во-вторых, нижний торец патрубка сочленить с отверстием в кожухе теплоизоляции через шайбу, диаметр проходного сечения которой меньше внутреннего диаметра патрубка;

в-третьих, на наружную боковую поверхность патрубка дополнительно установить теплоизоляцию;

в-четвертых, в измерительно-вычислительном комплексе реализовать техническую возможность определения величины и места течи как по изменению измеренных величин относительной влажности и температуры воздуха, так и по изменению вычисленной величины абсолютной влажности воздуха.

Сопоставительный анализ предложенной системы с прототипом показывает, что она имеет существенные отличия как в устройстве отбора и транспортировки воздуха из теплоизоляции, так и в устройстве измерения влажности.

Во-первых, в устройстве FLUES использован активный принцип транспортировки воздуха (с помощью воздуходувки), в заявляемой - пассивный, использующий естественную разность температур между воздухом в теплоизоляции трубопровода и воздухом в гермооболочке АЭС.

Во-вторых, в заявляемом техническом решении измерение параметров воздуха ведется постоянно, а не циклически, как в FLUES. Отсутствие цикличности в работе устройства отбора и транспортировки воздуха является основой быстродействия предложенной системы, поэтому можно сказать, что система работает практически в режиме реального времени.

В-третьих, исключение из устройства отбора и транспортировки воздуха в заявляемой системе ряда вспомогательных устройств повысило показатели надежности работы системы в целом и снизило ее стоимость.

В-четвертых, замена проходок в гермооболочке АЭС для подводящих и отводящих шлангов системы FLUES электрическими гермопроходками в предлагаемой системе, в силу более высоких эксплуатационных характеристик последних, существенно уменьшила вероятность разгерметизации гермооболочки АЭС по вине системы влажностного контроля течи трубопроводов, что повышает безопасность АЭС в целом.

В-пятых, замена датчика абсолютной влажности на датчики относительной влажности воздуха и датчики температуры воздуха позволила устройство измерения влажности воздуха модульного исполнения системы FLUES заменить пространственно-распределенным устройством. (В предложенной системе датчики относительной влажности воздуха и датчики температуры воздуха расположены непосредственно на контролируемом участке трубопровода в гермооболочке АЭС, а остальная часть устройства измерения влажности (измерительно-вычислительный комплекс) размещен вне гермооболочки АЭС). Это позволило исключить подводящий и отводящий шланги системы FLUES, что сократило путь паровоздушного фронта к датчикам и тем самым улучшило сохранность границ паровоздушного фронта, идущего к датчикам, и, в конечном итоге, дало возможность получить лучшую точность определения величины и места течи.

В-шестых, совокупностью предложенных технических решений достигнут требуемый диапазон измерений течи теплоносителя, удовлетворяющий концепции "течь перед разрушением", что не позволяют технические характеристики системы FLUES.

Техническими результатами данного изобретения являются:

- повышение быстродействия системы, т.е. снижение величины "мертвого времени";

- более точное определение места течи;

- повышение показателей надежности системы;

- достижение требуемого диапазона измерений величины течи;

- снижение вероятности разгерметизации гермооболочки АЭС.

Сущность предложенного технического решения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена принципиальная схема системы влажностного контроля течи контролируемого участка трубопровода АЭС с тремя устройствами отбора и транспортировки воздуха с датчиками относительной влажности воздуха и температуры воздуха на контролируемом участке трубопровода, на фиг.2 представлена принципиальная схема варианта конструкции патрубка с шайбой и дополнительной теплоизоляцией, на фиг.3, 4 и 5 показаны экспериментальные зависимости относительной влажности и температуры воздуха, а также рассчитанной по измеренным величинам абсолютной влажности воздуха в местах установки датчиков во времени при течи теплоносителя с расходом ˜3,8 л/мин.

На фиг.1 и 2 приняты следующие обозначения: 1 - воздухопроницаемая теплоизоляция трубопровода; 2 - датчик относительной влажности воздуха; 3 - датчик температуры воздуха; 4 - измерительно-вычислительный комплекс; 5 - кожух теплоизоляции трубопровода; 6 - линии связи электрические; 7 - патрубок; 8 - проходки электрические; 9 - теплоизоляция патрубка; 10 - трубопровод (стенки трубопровода); 11 - шайба.

Предложенная система влажностного контроля течи трубопровода АЭС содержит устройство отбора и транспортировки воздуха из воздухопроницаемой теплоизоляции трубопровода, устройство измерения влажности воздуха.

Устройство отбора и транспортировки воздуха из воздухопроницаемой теплоизоляции 1 трубопровода 10 состоит из патрубка 7, сочлененного нижним торцом с отверстием в кожухе теплоизоляции трубопровода 5. Устройство измерения влажности содержит датчик относительной влажности воздуха 2, датчик температуры воздуха 3, электрические линии связи 6, проходки электрические 8 и измерительно-вычислительный комплекс 4.

Система работает следующим образом. Система постоянно измеряет относительную влажность и температуру и вычисляет абсолютную влажность воздуха в местах установки датчиков (в патрубках 7). При отсутствии течи через стенку трубопровода температура воздуха в местах установки датчиков существенно превышает температуру воздуха в герметичной оболочке АЭС. Вследствие этого относительная влажность воздуха в местах установки датчиков (в патрубках 7) получается низкой (сухой воздух) и измеренные параметры воздуха (относительная влажность и температура) постоянны или медленно изменяются во времени, причем закон изменения одинаков для всех точек контроля. При наличии течи трубопровода образовавшийся пар в силу избыточного давления распространяется от места течи (см. фиг.1) в обе стороны по воздухопроницаемой теплоизоляции трубопровода 1. Некоторая часть пара через патрубки 7 выходит в окружающую среду (в гермооболочку АЭС). Это приводит к повышению влажности и температуры воздуха в патрубках 7. Измененные параметры воздуха в патрубках фиксируются датчиками относительной влажности воздуха 2 и температуры воздуха 3, сигналы с которых по электрическим линиям связи 6 через электрические проходки 8 поступают в измерительно-вычислительный комплекс 4.

В измерительно-вычислительном комплексе 4 по измеренной относительной влажности и температуре воздуха определяется абсолютная влажность воздуха. По динамике изменений параметров воздуха (измеренным относительной влажности и температуре воздуха и вычисленной абсолютной влажности воздуха) определяется факт наличия течи трубопровода. При установке не менее двух разнесенных по длине контролируемого участка трубопровода патрубков с датчиками и знании координат расположения датчиков на контролируемом участке трубопровода 10 измерительно-вычислительный комплекс 4 определяет координату течи и ее величину с использованием модели распространения пара по длине воздухопроницаемой теплоизоляции трубопровода 1.

На фиг.2 приведена схема варианта конструкции устройства транспортировки воздуха, которая отличается наличием шайбы 11, установленной между отверстием в кожухе теплоизоляции трубопровода 5 и нижним торцом патрубка 7 и наличием дополнительной теплоизоляции 9 на внешней боковой поверхности патрубка 7.

Основной функцией шайбы 11 является настройка системы на надежное фиксирование течи на уровнях, удовлетворяющих требованиям концепции "течь перед разрушением". Функция теплоизоляции 9 на патрубках 7 сводится к созданию температурных условий в патрубках, при которых исключается конденсация влаги в заданном диапазоне контроля течи.

В обоснование работоспособности системы на фиг.3 и 4 приведены полученные на модели трубопровода первого контура реактора ВВЭР-1000 соответствующие экспериментальные зависимости относительной влажности воздуха ϕ_I, ϕ_II, ϕ_III и температуры воздуха T_I, Т_II, Т_III во времени в местах размещения датчиков относительной влажности воздуха и температуры воздуха при течи теплоносителя с расходом 3,8 л/мин. На фиг.5 приведены вычисленные на основе экспериментальных данных соответствующие зависимости абсолютной влажности воздуха ρ_I, ρ_II, ρ_III во времени. Из приведенных на фиг.3, 4, 5 зависимостей видно, что изменения параметров воздуха в местах установки датчиков при течи теплоносителя с расходом 3,8 л/мин значительны и наступают они в различные моменты времени, которые зависят от удаленности датчиков от места течи. Полученные зависимости позволяют надежно фиксировать течи на уровнях, удовлетворяющих требованиям концепции "Течь перед разрушением".

Описанное техническое решение является промышленно применимым и может найти применение при контроле энергетического оборудования с водяным теплоносителем в атомной энергетике и теплоэнергетике.