Система контроля течи теплообменника системы пассивного отвода тепла акустическим методом
MONITORING SYSTEM FOR LEAKAGE OF HEAT EXCHANGER OF PASSIVE HEAT REMOVAL SYSTEM BY ACOUSTIC METHOD

Изобретение относится к области атомной энергетики и может быть использовано для контроля акустическим методом герметичности теплообменников системы пассивного отвода тепла (СПОТ) в водо-водяных энергетических реакторах (ВВЭР), в том числе для обнаружения, локализации и оценки величины течи теплообменников.
Из уровня техники известна акустическая система контроля течей «ALUS», предназначенная для обнаружения и контроля течи теплоносителя (см. сайт в Интернет http://www.diaprom.com/projects/?p=4).
Комплект технических средств системы содержит: акустические датчики для преобразования акустических волн в электрические сигналы, набор усилителей и преобразователей, выполняющих усиление, фильтрацию и оцифровку сигналов акустических датчиков, расчет среднеквадратичного значения сигналов, сравнение их с пороговым значением, выдачу сигнала тревоги. Перечисленные электронные компоненты размещены в гермооболочке реакторной установки (РУ), другие электронные компоненты системы, обеспечивающие прием, накопление и передачу их для обработки в вычислительное устройство, устройства записи и длительного хранения данных расположены в помещении свободного доступа с нормальными условиями эксплуатации электронных компонент.
Недостатком системы является относительно невысокие показатели надежности. Указанный недостаток системы является следствием того, что существенная часть электронных компонент системы, а именно ее аналоговая часть, размещена в гермооболочке реакторной установки, где условия эксплуатации характеризуются такими внешними воздействующими факторами, как интенсивное ионизирующее излучение, повышенная температура, возможные воздействия перегретого пара, различных водных дезактивирующих растворов, электромагнитного поля и др., а так же тем, что доступ к акустическим датчикам и электронным модулям, расположенным в гермооболочке реакторной установки, необходимый для проведения технического обслуживания системы, ограничен в течение длительного технологического цикла ее работы.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой системе является «Система акустического контроля течи (САКТ)» (см. Атомная энергия, т. 103, вып. 6, декабрь, 2007, с. 342-347).
В состав САКТ входят волноводы, акустические датчики, расположенные на контролируемом оборудовании в помещении гермооболочки реакторной установки, линии связи, соединяющие акустические датчики с входными цепями территориально удаленного программно-технического комплекса (ПТК). ПТК включает набор усилительно-преобразовательных модулей, источники питания и вычислительное устройство. Взаимодействие перечисленных компонент системы и ее программное обеспечение позволяет обнаружить течь, определить ее величину и координату места течи, а также осуществить прогноз возможного развития обнаруженной течи, отобразить текущую и архивную информацию и передать результаты контроля потребителю.
Недостатком наиболее близкого решения является относительно низкая ее чувствительность, не позволяющая обнаружить малую течь. Недостаток связан с использованием в системе длинных линий связи. Необходимость в таких линиях связи обусловлена необходимостью исключения влияния деструктивных факторов на показатели надежности эксплуатации системы. Поэтому все электронные компоненты системы расположены вне гермооболочки. Реальная длина линий связи определяется удаленностью помещения, в котором размещаются системы контроля, управления и диагностики, в частности ПТК САКТ, реакторной установки. При этом возникает другая проблема, связанная с ослаблением широкополосного сигнала малой амплитуды акустического датчика при передаче его по длинной линии связи. Несмотря на то, что параметры длинной линии согласованы с выходными параметрами акустического датчика и входными цепями ПТК, имеет место ослабление передаваемого сигнала. Это снижает чувствительность, предопределяющую нижний уровень обнаружения малых течей. Уместно отметить также, что длинные линии связи вносят ощутимый вклад в стоимость системы.
Другим недостатком наиболее близкого решения является ограниченный временем доступ к установленным на оборудовании в гермооболочке реакторной установки акустическим датчикам, препятствующий проведению их технического обслуживания и метрологического обеспечения, обусловленный размещением акустических датчиков в помещении ограниченного доступа, что снижает показатели надежности системы в целом.
Технической проблемой, решаемой изобретением, является создание системы контроля течи теплообменника СПОТ, лишенной указанных недостатков, а именно системы контроля течи теплообменника СПОТ акустическим методом, обладающей повышенной чувствительностью обнаружения течи теплообменника, имеющую более высокие показатели надежности эксплуатации, и использующую линии связи, не приводящие к снижению точности определения параметров течи (за счет снижения ослабления сигналов акустических датчиков при передаче их к входным цепям программно-технического комплекса) и не вносящих существенного вклада в стоимость системы в целом.
Техническим результатом изобретения является повышение чувствительности системы и надежности ее эксплуатации, повышение технологичности монтажа аналоговых линий связи за счет существенного сокращения их длин, расширение перечня оборудования реакторной установки, оснащенного техническими средствами оперативного контроля его герметичности, а также расширение динамического диапазона контролируемых течей в сторону контроля малых течей.
Технический результат изобретения достигается благодаря тому, что система контроля течи теплообменника пассивного отвода тепла акустическим методом содержит волноводы, акустические датчики, соединенные аналоговыми линиями связи с программно-техническим комплексом, включающим вычислительное устройство, усилители, преобразователи и источник питания, каждый волновод проходит через соответствующую звукоизолирующую вставку в кожухе теплообменника, при этом один конец каждого волновода расположен в точке контроля акустического шума теплообменника, а другой конец соединен с чувствительным элементом соответствующего акустического датчика, усилители и преобразователи объединены в блок обработки сигналов, каждый вход которого соединен с выходом соответствующего акустического датчика с помощью аналоговой линии связи, а выход блока обработки сигналов соединен с входом вычислительного устройства с помощью цифровой линии связи, при этом источник питания соединен с блоком обработки сигналов с помощью линии питания.
Кроме того, теплообменник имеет коллекторы, при этом каждая точка контроля акустического шума может быть расположена на цилиндрической части соответствующего коллектора, и может быть выполнена в виде наплавки на поверхности соответствующего коллектора, объединенной с одним концом соответствующего волновода.
Кроме того, другой конец каждого волновода может быть соединен с чувствительным элементом соответствующего акустического датчика с помощью сварного и/или разъемного соединения.
Кроме того, акустические датчики и блок обработки сигналов расположены, преимущественно, в обслуживаемом помещении теплообменника.
Изобретение поясняется чертежом, на фигуре которого представлена блок-схема системы контроля течи теплообменника системы пассивного отвода тепла акустическим методом.
Предложенная система контроля течи теплообменника системы пассивного отвода тепла акустическим методом содержит: акустические датчики 1; волноводы 2; аналоговые линии 3 связи; блок 4 обработки сигналов; цифровую (информационную) линию 5 связи; программно-технический комплекс (ПТК), включающий в себя вычислительное устройство 6 и источник 7 питания; линию 8 питания блока 4 обработки сигналов.
Теплообменник 9 имеет нижний коллектор 10 и верхний коллектор 11, при этом теплообменник 9 закрыт кожухом 12 (температура под кожухом 12 278,5°C). Теплообменник 9, заключенный в кожух 12, расположен в обслуживаемом помещении 13, которое является помещением свободного доступа. В кожухе 12 теплообменника 9 имеются проходки 14 (установлены и жестко зафиксированы в теле кожуха 12), выполненные в виде звукоизолирующих вставок, исполняющих роль акустического изолятора. В качестве акустического изолятора, дистанцирующего волноводы 2 между собой и отделяющего их от кожуха 12, могут быть использованы материалы типа каолиновой ваты, базальтовое волокно или иные подобные материалы, стойкие к воздействиям температуры и обладающие большим декрементом затухания акустических волн.
Точки контроля акустического шума теплообменника 9 расположены на цилиндрических частях (поверхностях) соответственно нижнего 10 и верхнего 11 коллекторов теплообменника 9. Такое расположение точек контроля акустического шума теплообменника 9 способствует повышению чувствительности системы к обнаружению малых течей. Каждая точка контроля акустического шума может быть выполнена в виде наплавки на поверхности соответствующего коллектора 10, 11, обеспечивающей акустический контакт с соответствующим волноводом 2. Количество точек контроля акустического шума, предпочтительно, равно четырем (две точки на нижнем коллекторе 10 и две точки на верхнем коллекторе 11), однако может быть и большее количество точек на соответствующем коллекторе 10, 11.
Каждый волновод 2 проходит через проходку 14 (через соответствующую звукоизолирующую вставку) таким образом, что один конец каждого волновода 2 расположен внутри кожуха 12, а другой конец выведен через проходку 14 в обслуживаемое помещение 13. В качестве волновода 2 используют, предпочтительно, калиброванные прутки из нержавеющей стали диаметром, например, 3-10 мм. Один конец каждого волновода 2 расположен в точке контроля акустического шума, т.е. имеет акустический контакт в соответствующей точке контроля благодаря объединению конца соответствующего волновода 2 с соответствующей точкой контроля (наплавка на поверхности соответствующего коллектора 10, 11 плавно переходит в соответствующий волновод 2). Другой конец каждого волновода акустически соединен с чувствительным элементом соответствующего акустического датчика 1. Акустический контакт каждого волновода 2 с чувствительным элементом акустического датчика 1 может быть выполнен, например, сварным соединением или, предпочтительно, разъемным соединением (возможен вариант, когда контакт одних волноводов 2 с соответствующим датчиком 1 выполнен сварным, а контакт других волноводов 2 с соответствующим датчиком 1 выполнен разъемным). Благодаря соединению акустических датчиков 1 с помощью волноводов 2 с точками контроля (с четырьмя или более точками), выполненными на поверхности коллекторов 10, 11 теплообменника 9, чувствительность системы существенно повышается и расширяется динамический диапазон контролируемых течей в сторону контроля малых течей.
Количество акустических датчиков 1, используемых в системе, равно количеству точек акустического контакта и, соответственно, количеству волноводов 2 (предпочтительно четыре датчика 1). При этом акустические датчики расположены в обслуживаемом помещении 13, например, около кожуха 12 теплообменника 9. Расположение датчиков 1 в обслуживаемом помещении позволяет оперативно осуществить соединение волноводов 2 с датчиками 1, а в случае повреждения контакта (разъединения) каких-либо волноводов 2 с датчиками 1 оперативно осуществить их соединение. В результате этого повышается оперативность монтажа элементов системы, повышается надежность эксплуатации системы и оперативность устранения неполадок, вызванных отсоединением контактов.
При трассировке волноводов 2 через проходки 14 в кожухе 12 теплообменника 9 в обслуживаемое помещение 13 обеспечивается отсутствие акустического контакта между волноводами 2 и кожухом 12, в результате чего отсутствуют потери акустического сигнала от точки контроля к датчику 1.
Выход каждого акустического датчика 1 соединен с входом блока 4 обработки сигналов с помощью аналоговой линии 3 связи. При этом блок 4 обработки сигналов расположен в обслуживаемом помещении 13 в непосредственной близости от акустических датчиков 1, что позволяет существенно уменьшить длину аналоговых линий 3 связи и за счет этого увеличить чувствительность и улучшить технологичность монтажа аналоговых линий 3 связи.
Блок 4 обработки сигналов выполнен в виде единого самостоятельного блока, который конструктивно объединяет в себе набор усилителей и преобразователей. Усилители и преобразователи, входящие в блок 4, могут быть выполнены либо в самостоятельном исполнении, либо в виде усилительно-преобразовательных модулей, обеспечивающих усиление аналоговых сигналов, их фильтрацию и преобразование аналоговых сигналов в цифровую форму. Блок 4 обеспечивает выполнение функций принятия сигналов от акустических датчиков 1 и передачи их в цифровой форме к вычислительному устройству 6. Объединение усилителей и преобразователей (усилительно-преобразовательных модулей) в единый конструктивный блок 4 позволяет снизить влияние электромагнитных помех (повысить помехоустойчивость) и, как следствие, повысить защищенность, надежность и чувствительность элементов системы.
Выход блока 4 обработки сигналов соединен с входом вычислительного устройства 6 ПТК с помощью цифровой линии 5 связи. В качестве вычислительного устройства 6 могут использовать, например, персональный компьютер, ноутбук, промышленный компьютер, суперкомпьютер, либо иное вычислительное устройство со специальным программным обеспечением. При этом вычислительное устройство 6 расположено территориально удаленно от обслуживаемого помещения 13, а цифровая линия 5 связи способна передать без искажения (без ослабления сигнала) на любое расстояние цифровой сигнал от блока 4 на вычислительное устройство 6 для реализации алгоритма работы системы в неискаженном виде.
Источник питания 7 соединен с цепями питания блока 4 обработки сигналов с помощью линии 8 питания. При этом источник питания может находиться на любом расстоянии от блока 4 и может обеспечить его постоянное автономное питание.
Предложенная система работает следующим образом. В штатном режиме функционирования системы волноводы 2 передают акустический шум с мест их установок на чувствительные элементы акустических датчиков 1, которые преобразуют акустические шумы контролируемого оборудования в электрические сигналы. Далее электрические сигналы передаются к входам блока 4 обработки сигналов посредством аналоговых линий 3 связи. В блоке 4 обработки сигналов пришедшие электрические сигналы усиливаются, фильтруются и преобразуются в напряжение постоянного тока, пропорциональное среднеквадратичному значению амплитуды сигналов, которые затем преобразуются в цифровую форму и передаются без искажения по цифровой (информационной) линии 5 связи в территориально удаленное от помещения 13 теплообменника 9 место размещения вычислительного устройства 6 для дальнейшей обработки.
Факт течи (разгерметизации) теплообменника 9 признается установленным, если хотя бы в одной точке контроля акустического шума теплообменника 9 величина сигнала в течение заданного времени значимо при требуемой достоверности вывода, превысит величину сигнала, зафиксированного системой в начале ее эксплуатации и в отсутствии течи.
Техническое решение по размещению всех электронных компонентов системы в обслуживаемом помещении 13 позволяет исключить воздействие на них деструктивных факторов. Своевременный доступ к техническим средствам системы для проведения технического обслуживания и метрологического обеспечения позволяет повысить надежность эксплуатации системы в целом.
Техническое решение по объединению усилителей, преобразователей (усилительно-преобразовательных модулей) в единый самостоятельный конструктив - блок 4 обработки сигналов, и наличие линии 8 его питания придают блоку 4 обработки сигналов новое свойство - автономность, позволяющая разместить блок 4 в непосредственной близости к датчикам 1, что уменьшает длину аналоговых линий 3 связи и, за счет этого, уменьшается ослабление сигнала в них, передаваемого от датчиков 1 на блок 4.
Техническое решение по замене длинной аналоговой линии 3 связи акустических датчиков 1 на комбинированную линию связи, состоящую из существенно (в разы) укороченных аналоговых линий 3 связи и цифровую линию 5 связи, в которой не происходит ослабление сигналов, позволяет передавать сигналы на любые расстояния с выхода блока 4 обработки на вход вычислительного устройства 6 для реализации алгоритма работы системы по определению величины и места течи в неискаженном виде. Наличие до четырех (или более) акустических датчиков 1 позволяет дополнительно (в разы) увеличить чувствительность системы к обнаружению малых течей и обеспечить выполнение требований по величине обнаружения течи - 1 л/мин по конденсату.
Такая организация элементов предложенной системы и их связей между собой увеличивает чувствительность системы к обнаружению малых течей и этим расширяет динамический диапазон контролируемых величин течей теплоносителя (в сторону контроля малых течей), улучшает технологичность прокладывания аналоговых линий 3 связи, а также снижает стоимость системы в целом за счет использования меньшего количества дорогостоящей кабельной продукции для изготовления аналоговых линий 3 связи. Кроме того, использование предложенной системы позволяет расширить перечень оборудования реакторной установки, контроль течей которого необходимо осуществлять в процессе работы реакторной установки, за счет объединения усилителей, преобразователей (усилительно-преобразовательных модулей) в единый конструктивный блок 4, который может быть расположен в непосредственной близости от акустических датчиков 1, за счет использования коротких аналоговых линий 3 связи, соединяющих блок 4 с датчиками 1, за счет использования волноводов, проходящих через звукоизолирующие вставки, и за счет использования цифровой линии 5 связи, имеющей любую длину и соединяющей блок 4 с вычислительным устройством 6.
Техническая реализуемость предложенной системы обосновывается выполненными расчетами и экспериментами.