УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ ВЕЛИЧИНЫ ЗАЦЕПЛЕНИЯ ТЕЛЕСКОПИЧЕСКОГО СОЕДИНЕНИЯ ВЕРХНЕГО ТРАКТА С ФЛАНЦЕМ ГРАФИТОВОЙ КОЛОННЫ КАНАЛЬНОГО ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА

Изобретение относится к регулированию параметров реакторной установки (РУ) и, в частности, может быть использовано для контроля величины телескопического зацепления верхнего тракта с фланцем графитовой колонны реактора РБМК (реактор большой мощности канальный).
Технологический канал (ТК) реактора является одним из основных элементов реакторной установки, в котором располагается тепловыделяющая сборка (ТВС) с топливом. Весь тракт технологического канала вместе с графитовой кладкой на работающем реакторе находится при высокой температуре и огромном радиационном облучении от работы ТВС.В наибольшей степени от нейтронного облучения страдают графитовые кольца, расположенные на ТК и графитовая кладка, образуемая графитовыми колоннами. На верхней графитовой колонне закреплен фланец. Графитовая колонна активной зоны реактора цилиндрическим хвостовиком фланца образует с верхним трактом реактора телескопическое соединение. В результате длительного облучения нейтронами графитовая кладка распухает, механическая прочность графитовых колонн уменьшается и со временем она начинает проседать. При этом фланец также проседает, т.е. опускается вниз, и величина телескопического зацепления, установленная в 225 мм, начинается уменьшаться. Рабочим регламентом установлена минимальная величина телескопического зацепления в 80 мм, после чего решается вопрос о дальнейшей эксплуатации реакторной установки.
Для оценки работоспособности реакторной установки периодически проверяют высоту графитовых колонн.
Известна установка, взятая в качестве прототипа, для измерения величины телескопического зацепления (Методика выполнения измерения величины зацепления в телескопическом соединении верхних трактов (ТСТ) реакторов РБМК-1000) РД ЭО 037-01, которое представляет собой установку УКТСТ 11 (устройство контроля телескопического соединения тракта 11.00.00.00.ТУ), состоящую из блока измерительного преобразователя (БИП) с магнитньм преобразователем (ПМ), блока электронной обработки и управления (БОУ), устройства позиционирования (УП) с механизмом перемещения (МП) и стартовьм устройством с направляющей трубой. Для использования этой установки имеется калибровочный стенд (СК) с отрезками стандартных труб, имитирующих телескопическое зацепление технологического канала
(ТК) и персональный компьютер (ПК). В механизме перемещения и стартовом устройстве может быть использована штатная лебедка, которая находится в центральном зале реакторной установки (РУ) или двигатель постоянного тока для перемещения блока измерительного преобразователя (БИП), позволяющие посредством своих цилиндрических блоков и стального троса, перемещать БИП с соединительным кабелем по технологическому каналу (ТК).
Процедура измерения величины телескопического зацепления в ТК проводится в центральном зале реакторной установки и начинается с предварительной настройки и калибровки всех блоков, входящих в устройство измерения УКТСТ 11. Затем переходят к измерению телескопического зацепления в соответствующей ячейке ТК. Для этого устанавливают стартовую трубу устройства позиционирования с блоком измерительного преобразователя на верхний тракт ТК (обойму) измеряемой ячейки. С помощью блока управления двигателем и механизма перемещения опускают БИП до «О» отметки (нижняя часть сборки 07, отметки 8458 мм относительно верхнего края тракта). Включают БОУ по направлению «вниз» для перемещения БИП к нижнему краю сборки 07 топливной ячейки и выключают БОУ. Затем меняется направление перемещения БОУ «вверх» и включается движение БИП, при котором его сигнал - отклик проходит через усилительный тракт и АЦП БОУ поступает в память ПК. По достижении блоком измерительного преобразователя верхней отметки (верх ТК, отметка 3805 мм) режим измерения программы останавливается. Процедура измерения величины зацепления проводится не менее трех раз в каждой ячейке. После завершения серии измерений проводится контрольная калибровка установки на калибровочном стенде, после чего на ПК осуществляется программная обработка и вычисление величины зацепления в каждой измеренной ячейке.
Сердечник магнитного преобразователя (ПМ) блока измерительного преобразователя (БИП) данной установки, выполненный из трансформаторной стали, своей обмоткой возбуждения обеспечивает электромагнитную совместимость с материалами, обладающими ферромагнитными свойствами. Т.е., позволяет измерять магнитное сопротивление конструкционных частей телескопического соединения, выполненные из ферромагнитной перлитной стали, например, 10ХСНД, 10ХН1М и т.п. При этом измерение магнитного сопротивления происходит на низкой частоте напряжения возбуждения магнитного преобразователя (10 Гц - 100 Гц), которая позволяет получить в измерительной обмотке сигнал отклика с пологими фронтами, что в свою очередь уменьшает точность расчета величины зацепления. Но главной особенностью работы установки УКТСТ 11 является то, что она работает на тех ТК, где имеется сочетание
материалов телескопического соединения в последовательности нержавеющая аустенитная сталь 08Х18Н10Т (фланец графитовой колонны) - перлитная сталь (труба верхнего тракта), обладающая ферромагнитными свойствами. На энергоблоках (например, Курская АЭС), где конструкции телескопического соединения выполнены из перлитной стали 10ХСНД с магнитными свойствами или при сочетании типа перлит - аустенит (как на Ленинградской АЭС) конструкция датчика данной установки не позволяет точно измерять величину телескопического соединения. На фиг.1 представлены графики сигналов блока измерительного преобразователя. На первой диаграмме а) при конструкции телескопического соединения типа "аустенит -перлит" сигналы четкие, но точность величины зацепления по ним недостаточна, а по сигналу, представленным на второй диаграмме б) при конструкции телескопического соединения типа "перлит - перлит " расчет сделать крайне сложно. Объясняется это тем, что конструкция датчика измерительного преобразователя установки УКТСТ 11 выполнена с открытым сердечником, а это приводит к тому, что электромагнитное поле датчика замыкается на первом ферромагнитном материале и присутствие второго ферромагнитного материала не изменяет наведенную ЭДС в его сигнальной обмотке. Недостатками данной установки являются:
1. снижение безопасности и надежности регулирования параметров РУ вследствие малой чувствительности в устройстве блока измерительного преобразователя (БИП), что делает необходимым неоднократное повторение процедуры измерения и калибровки на каждой ячейке;
2. снижение экономичности при регулировании параметров РУ вследствие необходимости использования большого количества времени для измерения величины зацепления в каждой ячейке, т.к., требуется сверять каждый результат измерения с контрольными измерениями на калибровочном стенде СК;
3. большие дозовые нагрузки на персонал, проводящий соответствующие работы;
4. снижение технических возможностей при контроле, диагностике и прогнозирования состояния технологического канала из-за возможности удовлетворительного измерения величины зацепления телескопического соединения только типа аустенит - перлит.
Предлагаемым изобретением решается задача повышения безопасности и надежности при эксплуатации реакторной установки, а также расширение технических возможностей при контроле, диагностике и прогнозировании состояния технологического канала без его вырезки.
Для получения названного технического результата предлагается устройство, для определения величины зацепления телескопического соединения верхнего тракта с
фланцем графитовой колонны, включающее блок измерительного преобразователя, блок электронной обработки и управления, устройство позиционирования, персональный компьютер, калибровочный стенд.
Отличительные признаки предлагаемого устройства заключаются в том, что в блоке измерительного преобразователя сердечники датчиков выполнены из феррита и заключены во фторопласт. Кроме того, особенностью является то, что блок электронной обработки и управления содержит два усилителя - формирователя, программируемую матрицу, флэш-память и жидкокристаллический индикатор (ЖКИ).
В результате практического применения предлагаемого устройства повышается безопасность, надежность, экономичность а также расширяются технические возможности при регулировании РУ за счет того, что предлагаемое устройство позволяет измерять величину телескопического зацепления в ТК при любом сочетании металлов его конструкции на всех отечественных канальных энергоблоках, а также за счет высокой чувствительности измерительного преобразователя, имеющего два датчика, которые увеличивают достоверность измеряемой величины зацепления, кроме того уменьшается время проведения непосредственного измерения, поскольку само сканирование участка телескопического зацепления ТК сводится к одноразовому подъему блока измерительного преобразователя, что в свою очередь уменьшает время измерения и дозовые нагрузки на персонал.
Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежами, на которых изображены: на фиг.1 - первичные сигналы БИП прототипа для конструкции телескопического зацепления типа аустенит - перлит и типа перлит - перлит, на фиг.2 показан фрагмент ТК с устройством позиционирования и структурной схемой усиления и обработки сигналов датчика БИП, на фиг.3 изображены возможные виды используемых конструкций датчиков БИП, на фиг.4 представлен сигнал с датчика БИП устройства и его вид после обработки для вычисления зацепления.
Устройство включает: БИП (2), механизм позиционирования (3,4) и перемещения с двигателем постоянного тока (5), двухканальный усилитель мощности генератора частоты (7), два усилителя формирователя (6), функциональные клавиши (8), программируемую матрицу (9), флэш - память (10), жидкокристаллический индикатор (11), блок питания (12).
Работа устройства состоит из двух основных частей - это установка герметичной капсулы блока измерительного преобразователя (БИП) (2) в ТК (1) и перемещение ее вниз до первого внутреннего бурта с помощью механизма позиционирования, представляющего собой коническую насадку (3) с блоком (4), которая надевается на ТК,
двигателя постоянного тока (5), источника постоянного тока (12), которые позволяют плавно перемещать капсулу с включенным БИП (2), и режима непосредственной регистрации сигнала - отклика от преобразователя и его обработки (см. фиг.4).
Рабочий режим преобразователя устанавливается по соединительному кабелю от устройства управления с параметрами работы усилителя мощности генератора (7) на частотах преимущественно 0.8 к Гц - 3 к Гц и амплитудой 5В-10В. При этом П-образный ферритовый сердечник измерительного преобразователя (см. фиг.3), имеющий на каждой своей половине независимые обмотки возбуждения и сигнальные воздействует своим электромагнитным полем через стенку ТК и воздушный зазор на конструкцию телескопического соединения верхнего тракта. Под воздействием электромагнитного поля, возникает ЭДС в материалах конструкции телескопического соединения, пропорциональная удельной электропроводимости материалов конструкции, которая трансформир уется в электрические сигналы измерительных обмоток БИП (2) и поступают на входы усилителей - формирователей (6). Усилители - формирователи (6) из аналоговых сигналов формируют «цифровые» сигналы с крутыми фронтами, которые поступают на вход программируемой матрицы (9), которая запрограммирована на выполнение функций центрального процессора с выполнением математических функций и графического вывода полученной информации на ЖКИ дисплей (11). Необходимым условием правильной работы двух датчиков БИП является выполнение требования, при котором расстояние между ферритовыми сердечниками должно быть не менее диаметра датчика, чтобы исключить их взаимное влияние.
Процесс измерения величины телескопического зацепления сводится к одноразовому сканированию конструкции телескопического соединения. При этом конструкция преобразователя, выполненная с двумя измерительными обмотками, позволяет получать двойную информацию о расположении торцах телескопического зацепления за одно сканирование, что является существенным преимуществом в точности измерения величины зацепления и повышает надежность работы устройства в целом. Если же сканирование проводить дважды сверху - вниз и обратно, то точность измерения увеличивается вдвое.
Благодаря высокой чувствительности датчиков предлагаемого устройства нет большой необходимости в использовании дорогостоящего калибровочного стенда (СК). При этом калибровка устройства сводится к установлению максимального усиления каждого канала блока обработки на образце, например, толщиной не менее 5 мм из перлитной стали, располагаемого на расстоянии 10 мм - 15 мм от торцов датчиков БИП.
На фиг.4 представлен процесс обработки сигналов преобразователя после сканирования и вычисление величины зацепления устройством обработки. На диаграмме а) представлен сигнал первого датчика преобразователя, на диаграмме б) - этот же сигнал, прошедший процедуру усиления и формирования для последующей его обработке программируемой матрицей. Принимая во внимание то обстоятельство, что длина втулки верхнего тракта до внутреннего бурта постоянна В=330 мм, то вычисление величины зацепления сводится к непосредственному измерению величины зацепления. Для этого программируемая матрица программным путем делит время перемещения преобразователя по задним фронтам импульсов (см. фиг.4, диаграмма б), соответствующим краю внутреннего бурта и торца втулки верхнего тракта на N=1000 периодов, что соответствует пересчетному коэффициенту К=В/1000=0.33 мм, где В - длина втулки для данной скорости сканирования. После этого (диаграмма в), программируемая матрица вычисляет число периодов n приходящихся на долю времени сканирования телескопического зацепления (из диаграммы г) и по формуле А1=К·n1 вычисляет непосредственно длину телескопического зацепления по сигналу первого датчика. Вычисление по сигналу второго датчика преобразователя происходит в той же последовательности, что позволяет получить второй результат измерения и вычисления величины зацепления как А2=К·n2. Далее матрица вычисляет среднеарифметическое значение величины зацепления Аср=(А1+А2) 11.
Преимуществом такого подхода является полная независимость измерения величины зацепления от скорости сканирования и двойная точность. Наличие ЖКИ дисплея (11) позволяет в процессе сканирования оценить качество принимаемых и обработанных сигналов от датчиков преобразователя, и если они не удовлетворительные, то производят подстройку входных усилителей - преобразователей (6) на требуемое качество работы. Наличие в устройстве флэш-памяти (10), позволяет сохранять всю измеренную информацию для последующей обработки на отдельном компьютере PC по интерфейсу RS-485. Работа устройства поддерживается встроенным блоком питания (12). Как показали лабораторные испытания на специальном калибровочном стенде, имитирующем конструкцию телескопического соединения, целесообразно использовать, приведенные в предлагаемом устройстве, параметры работы преобразовательного устройства. Так, при частоте сигнала возбуждения датчиков измерительного преобразователя (2) в 1 к Гц и амплитуде 5В в размахе, точность измерения величины зацепления составила ±0.6 мм для телескопического соединения, выполненного из стали перлит - перлит (10ХН1М), а для конструкции телескопического соединения типа аустенит - перлит погрешность
измерения составила±0,65 мм. В настоящее время ведется подготовка для проведения соответствующего контроля с помощью предлагаемого устройства на Курской АЭС.