Информационно-измерительные системы для АЭС с реактором типа РБМК-1000

Реактор РБМК как объект управления имеет положительную обратную связь по плотности теплоносителя (или, с точки зрения физиков, положительный паровой коэффициент реактивности), т.е. при повышении мощности реактора повышается паросодержание, вносится положительная реактивность и цепная реакция в реакторе при отсутствии каких-либо других воздействий будет нарастать, что приведет к дальнейшему повышению мощности реактора. При неконтролируемом повышении мощности происходит интенсивное тепловыделение, которое в конечном итоге может привести к разрушению технологических каналов реактора и выбросу радиоактивных веществ в окружающую среду.

При этом не все параметры, характеризующие пределы безопасной эксплуатации, доступны к измерениям. Поэтому на РБМК очень большое значение имеют расчетные параметры, такие как мощность каждого технологического канала, коэффициент запаса до предельно-допустимой мощности по кризису теплообмена каждого технологического канала, температура графитовой кладки, тепловая мощность реактора, оперативный запас реактивности на стержнях СУЗ. В связи с этим на всех энергоблоках с реакторной установкой типа РБМК всегда эксплуатировалась система СКАЛА, выполнявшая, помимо, прочих и задачу, связанную с вычислением указанных выше параметров.

Со времени ввода в строй первого энергоблока АЭС с реактором типа РБМК-1000 в 1973 году на этих объектах традиционно внедрялась система централизованного контроля «СКАЛА» (СЦК СКАЛА), предназначенная для осуществления технологического контроля основного оборудования энергоблока АЭС с реактором типа РБМК-1000, а также для выполнения расчетов, с выдачей обработанной информации оперативному персоналу.

В качестве технических средств в СЦК СКАЛА применялись разработанные и изготовленные во ВНИИЭМ полупроводниковые управляющие вычислительные машины «ВНИИЭМ-3М».

Система, первоначально разработанная для первых двух блоков Ленинградской АЭС («СКАЛА» расшифровывалось как Система контроля аппарата Ленинградской), в дальнейшем, в период с 1973 по 1991 годы, была применена на всех 15-ти энергоблоках с реактором РБМК-1000 в России и на Украине.

Повышение требований к безопасности АЭС после аварии на Чернобыльской АЭС поставило перед коллективами-разработчиками задачи расширения объема оперативного контроля энергоблоков, повышения надежности и оперативности контроля энергораспределения, расширения комплекса нейтронно-физических расчетов, а также улучшения информационной поддержки операторов, управляющих работой энергоблока, однако вычислительные ресурсы СЦК СКАЛА не позволяли решать подобные задачи.
В связи с этим в конце 80-х годов во ВНИИЭМ была разработана программа поэтапной модернизации СЦК СКАЛА. В рамках этой программы в середине 90-ых годов на первой очереди Ленинградской АЭС было внедрено второе поколение информационно-измерительных систем для АЭС - СЦК СКАЛА-М. В основном в те годы все усилия коллективов-разработчиков были направлены на модернизацию системы управления и защиты реакторной установки, но, кроме того, требовалось увеличение вычислительных ресурсов СЦК. При этом объем контролируемых параметров был увеличен незначительно, а период контроля параметров практически не изменился.

Чуть позже, в начале 90-ых годов была сформулирована концепция третьего поколения информационно-измерительной системы для энергоблоков АЭС с реактором типа РБМК-1000 как открытой локальной вычислительной сети. Этот проект получил название информационно-измерительная система (ИИС) «СКАЛА-МИКРО», который и внедряется в настоящее время при продлении срока службы действующих энергоблоков АЭС с реактором типа РБМК-1000.

Система «Скала-микро» построена на основе микропроцессорных модульных средств управляющей вычислительной техники серии В10Р и персональных компьютеров в промышленном исполнении (ККСН «ЭКСПРО»).

Структура системы «СКАЛА-МИКРО» разработана на основе следующих концептуальных положений:

• все компоненты системы, включая электропитание, реализованы с повышенной надежностью, все устройства резервированы (дублированы). Это обеспечивает непрерывное функционирование системы «СКАЛА-МИКРО» при сбоях или отказах в отдельных устройствах и частичной потере электропитания;
• система обладает свойством открытости, обеспечивающим возможность расширения объема контролируемых параметров системы в короткие сроки;
• компоненты системы постоянно ведут самодиагностику, вплоть до типового узла замены, ее результаты в удобной форме представляются обслуживающему персоналу. Это минимизирует время восстановления отказавших элементов системы;
• при реконструкции системы сохранены старые кабельные связи с объектом.

Система реализована в виде локальной вычислительной сети. Архитектурно можно выделить три уровня.

Первый уровень (нижний) – уровень приема и первичной обработки информации, поступающей от индивидуальных датчиков. В дальнейшем этот уровень может именоваться как уровень первичной обработки информации.

Второй уровень – уровень формирования базы данных и регистрации.

Третий уровень (верхний) – уровень представления информации оперативному и ремонтному персоналу.
Каждый уровень состоит из небольшого количества однотипных устройств.

Нижний уровень системы обеспечивает прием следующей информации непосредственно от датчиков:

• сигналы состояния арматуры управляющих систем нормальной эксплуатации – 1800-3000 дискретных сигналов (период опроса 0.5с);
• сигналы отклонения от внешних систем - 2000-3000 дискретных сигналов (период опроса – 0,5с);
• индивидуальные аналоговые параметры – 640 сигналов среднего уровня (период опроса 2 с);
• параметры поканального контроля – 4098 аналоговых сигналов низкого уровня (период опроса 4 с);
• расход воды в каналах СУЗ – 223 сигнала (период опроса 2 с);
• сигналы состояния оборудования системы «Скала-микро» - около 400 сигналов;
• расход воды в технологических каналах - 1691 сигнал (период опроса 2 с).

Среди информации, принимаемой от датчиков, особое значение имеют параметры поканального контроля, необходимые для выполнения нейтронно-физических расчетов и определения коэффициентов запаса, определяющих безопасность реактора, и расходы воды в технологических каналах, характеризующие теплоотвод от активной зоны реактора. В структуре нижнего уровня особое место занимает подсистема контроля расхода воды, построенная с применением уникальных технических средств и использованием программных фильтров, позволяющих достоверно контролировать расход, а на Курской АЭС – еще и сформировать аварийный сигнал при снижении расхода ниже заданного уровня.

Уровень формирования базы данных и регистрации реализован на основе ПЭВМ в промышленном исполнении. Его основные задачи – это прием информации от устройств первого уровня и от внешних систем по цифровым каналам, реализация комплекса программ расчета внутриреакторного энергораспределения, определение текущих значений расчетных параметров, характеризующих безопасность реакторной установки.

Верхний уровень представления информации в рамках современной системы ИИС «СКАЛА-МИКРО» реализовано с использованием базовой информационной модели реактора, расположенной на блочном щите управления (БЩУ), и на рабочих станциях оператора (РСО), входящих в состав системы.

К числу базовых средств информационной модели относятся табло отклонений, мнемотабло каналов, мнемосхема и самописцы, т.е. средства, традиционно используемые для представления операторам энергоблока информации об основных событиях технологического процесса на АЭС с РБМК-1000.

В системе «СКАЛА-МИКРО» реализована развитая система информационной поддержки операторов, обеспечивающая:

• представление информации по вызову на экранах рабочих станций операторов;
• регистрацию информации на устройствах быстрой печати по запросу персонала;
• вскрытие диагностического архива.

Функция представления параметров в каналах реактора в ИИС «СКАЛА-МИКРО» впервые в истории отечественной атомной энергетики была реализована с использованием экрана коллективного пользования (ЭКП). Подсистема представления информации на экране коллективного пользования включает:

• видеосистему, состоящую из 6 или 8 мониторов, и представляющую собой единый экран;
• две рабочие станции РСО-ЭКП.

Система «СКАЛА-МИКРО» обеспечивает дублированное управление экраном коллективного пользования. Программное обеспечение ИИС «СКАЛА-МИКРО» обеспечивает возможность сохранения работоспособности экрана коллективного пользования при отказе отдельного видеокуба путем изменения формата отображения по команде оператора с сохранением основной информации.
Кроме того, в составе ИИС «СКАЛА-МИКРО» реализована автоматизированная система контроля теплотехнического оборудования (АСКТО), функционирующая на рабочих станциях отображения (РСО), устанавливаемых на рабочих местах оперативного персонала, управляющего энергоблоком (включая начальника смены станции или блока), а также на рабочих местах оперативного персонала системы «СКАЛА-МИКРО». В состав РСО входят два системных блока, подключаемых к разным сегментам сети и функционирующих в двухэкранном режиме, два монитора, клавиатура и мышь. В комплект поставки системы «СКАЛА-МИКРО» обычно входит от 10 до 15 подобного рода РСО.

Ресурсы РСО позволяют реализовать на каждом рабочем месте информационную поддержку любого оператора, при этом предусмотрена возможность индивидуальной настройки каждой РСО путем конфигурации программного обеспечения (например, можно запретить отдельные функции на данном рабочем месте).

Кроме того, на энергоблоке №3 Курской АЭС совместно с ФГУП «ЭЗАН» в 2012 -2013 годах выполнена модернизация системы контроля и управления реакторным и турбинным отделениями. Одним из основных результатов работы является реализация дисплейного управления всеми исполнительными механизмами непосредственно с блочного щита управления, в то время как ранее оператор со своего рабочего места мог управлять примерно 30% механизмов с помощью ключей и кнопок, для остальных же было реализовано местное управление. Дисплейное управление реализовано путем доработки программного обеспечения АСКТО. В 2015 году подобная модернизация намечена на энергоблоке №4 Курской АЭС.

В настоящее время ИИС «СКАЛА-МИКРО» внедрена на 10 энергоблоках:

• 2002-2003 годы – Курская АЭС, блок №1
• Май 2004 года – Курская АЭС, блок №2
• Октябрь 2004 года – Ленинградская АЭС, блок №1
• Октябрь 2006 года – Ленинградская АЭС, блок №2
• Апрель 2008 года – Ленинградская АЭС, блок №3
• Июль 2008 года – Курская АЭС, блок №3
• Май 2009 года – Курская АЭС, блок №4
• Апрель 2010 года – Ленинградская АЭС, блок №4
• Апрель 2011 года – Смоленская АЭС, блок №1
• Октябрь 2013 года – Смоленская АЭС, блок №2

Внедрение ИИС «Скала-микро» на энергоблоке №3 Смоленской АЭС намечено на март 2017 года.

Внедрение ИИС «Скала-микро» входит в число мероприятий, необходимых для обеспечения соответствия энергоблоков АЭС с реактором РБМК-1000 современным требованиям в области безопасности АЭС и обеспечения возможности продления их срока службы свыше 30 лет.

Основным результатом, достигаемым за счет внедрения ИИС «Скала-микро», является существенное повышение эксплуатационной надежности и качества контроля энергоблока, в том числе:

• толерантность системы к одиночным отказам, включая потерю одного из вводов электропитания;
• обеспечение оперативного обмена информацией с новой системой контроля и управления реактором по цифровым каналам;
• обеспечение приема информации непосредственно от датчиков расхода воды в каналах реактора с исключением промежуточных преобразователей;
• существенно повышение оперативности контроля измеряемых параметров;
• реализация оперативного контроля трехмерного энергораспределения реактора с циклом 5 секунд (ранее – 5 минут);
• реализация развитой системы информационной поддержки операторов энергоблока с применением индивидуальных и коллективных средств представления информации;
• расширение объема и увеличение разрешающей способности системы регистрации.