Размещено на http://www.allbest.ru/

Одеський національний політехнічний університет

УДК 621.311.25:621.039-192

Методика оптимізації періодичності регламентних випробувань та переключень систем нормальної експлуатації, важливих для безпеки АЕС з ВВЕР-1000

05.14.14. - Теплові та ядерні енергоустановки

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Комаров Юрій Олексійович

Одеса 2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Одеському національному політехнічному університеті Міністерства освіти України

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Скалозубов Володимир Іванович директор Одеської філії Державного підприємства “Державний науково-технічний центр з ядерної та радіаційної безпеки”

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор СУХОВ АНДРІЙ КОСТЯНТИНОВИЧ професор кафедри Експлуатації АЕС Севастопольського інституту ядерної енергії та промисловості

кандидат технічних наук, доцент Шараєвський ІГОР ГЕОРГІЙОВИЧ доцент кафедри Атомних електростанцій та інженерної теплофізики Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут”

Провідна установа: Науковий центр “Інститут ядерних досліджень” НАН України, м. Київ.

Захист відбудеться 24 квітня 2003р. о 14⁰⁰ на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41.052.04 Одеського національного політехнічного університету за адресою: 65044, м. Одеса, проспект. Шевченко, 1, корпус №1, аудиторія 400.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Одеського національного політехнічного університету за адресою: 65044, м. Одеса, проспект. Шевченко, 1, корпус №15.

Автореферат розісланий 17 березня 2003р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради____________________Кравченко В.П.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Загальна характеристика роботи

Актуальність проблеми. Періодичність регламентних випробувань і переключень систем нормальної експлуатації, важливих для безпеки (СВБ НЕ) значно впливає на їхню надійність, а значить, і на безпеку роботи АЕС. В даний час періодичність цих заходів визначена проектними рекомендаціями на момент початку експлуатації без належного обґрунтування й обліку реальної надійності. Відповідно до відомих теоретичних досліджень в області надійності для систем, що мають тривалі терміни експлуатації, оптимальна по надійності періодичність контролю повинна залежати від графіку функціонування, від статистики відмов, від частоти вимог на спрацьовування і частоти відновлень.

Завищена (по відношенню до оптимального) періодичність випробувань і переключень СВБ НЕ приводить до зниження надійності через можливе збільшення числа прихованих відмов. З іншого боку, надмірно часте проведення випробувань і переключень також може знижувати рівень надійності СВБ НЕ внаслідок зростання зносу обладнання, збільшення частки неякісних відновлень і збільшення часу планових простоїв.

Таким чином, існує необхідність у проведенні оптимізації періодичності регламентних випробувань і переключень СВБ НЕ. Однак у даний час відсутні методики, що дозволяють проводити подібну оптимізацію для структурно складних систем, що мають до того ж складний графік функціонування, якими є СВБ НЕ. Встановлено, що відомі наукові розробки в області надійності можливо використовувати тільки як базу для подальших прикладних досліджень. Застосування винятково методології імовірнісного аналізу безпеки для оптимізації періодичності випробувань і переключень СВБ НЕ неефективно.

Унаслідок цього існує необхідність у створенні науково обґрунтованої методики оптимізації періодичності регламентних випробувань і переключень СВБ НЕ АЕС із ВВЕР-1000.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Початком послужила НДР: №26/160-97/9-97/139/13 “Разработка критериев и методов оценок планов/программ испытаний/опробований теплотехнического оборудования систем безопасности” (рівень участі дисертанта - виконавець), яка виконувалась в рамках державної програми за замовленням Державного комітету ядерного регулювання (ДКЯР) України (№ДР0197U018066). Подальші дослідження проходили у рамках госпдоговірної НДР №69/183 “Комплексна програма науково-технічної підтримки Запорізької АЕС” (рівень участі дисертанта - відповідальний виконавець) та галузевої, спільної програми НАЕК “Енергоатом” і ДКЯР України: “Програма упровадження ризик-орієнтованих підходів при експлуатації АЕС України” (рівень участі дисертанта - виконавець).

Мета і задачі дослідження. Метою дисертації є створення методики оптимізації періодичності регламентних випробувань і переключень допоміжного обладнання систем нормальної експлуатації, важливих для безпеки (СВБ НЕ) АЕС із ВВЕР-1000 з використанням імовірнісних методів моделювання надійності функціонування систем.

Для досягнення цієї мети в дисертації сформульовані основні задачі:

Проаналізувати проблему й підходи для оптимізації періодичності планових випробувань і переключень елементів СВБ НЕ.

Обґрунтувати критерій оптимізації СВБ НЕ і розробити теоретичні основи методики моделювання цих структурно-складних систем, що мають складний графік функціонування, включаючи:

дослідження закономірностей функціонування одноелементних систем у складному режимі;

принципи групування елементів;

визначення коефіцієнта готовності для багатоелементних систем;

одержання аналітичних залежностей для різних типів елементів і СВБ із різними графіками функціонування.

Обґрунтувати метод пошуку екстремуму функції для цілей оптимізації планових випробувань і переключень елементів СВБ НЕ.

Розробити підхід і рекомендації до збору й обробки статистичних експлуатаційних даних, які необхідні для використання у моделі СВБ НЕ.

Розробити комп'ютерні програми для розрахунку величин оптимальної періодичності планових випробувань і переключень елементів СВБ НЕ.

Провести моделювання і розрахунок СВБ НЕ типових енергоблоків з ВВЕР-1000, включаючи розрахунковий аналіз невизначеностей по вихідним даним, та провести аналіз результатів і розробку практичних рекомендацій.

Об'єктом дослідження є планування процесу експлуатації та контролю допоміжних систем, важливих для безпеки ядерних енергоустановок. експлуатація оптимізація випробування переключення

Предметом дослідження є методика оптимізації періодичності регламентних випробувань і переключень допоміжного обладнання СВБ НЕ АЕС із ВВЕР-1000, що використовує кількісний аналіз надійності систем.

Методи дослідження. Використовуються імовірнісні методи моделювання надійності систем: регерентний метод моделювання відновлень, марковський процес для опису випадкових переходів між можливими станами, булеві методи для опису структури системи. Математичний опис марковських процесів провадиться за допомогою системи диференціальних рівнянь Колмогорова - Чепмена, які вирішуються послідовною підстановкою та рішенням характеристичного рівняння, рівняння для констант загального рішення отримані для довільних вихідних умов; а булеві методи реалізовані як булеві рівняння. Параметр, що оптимізується є кількісний показник надійності аналізованої системи, параметр, що змінюється - періодичність планових випробувань чи переключень елементів системи (детермінована величина). Оцінка оптимальних характеристик виконується чисельними методами, заснованими на методі покрить. Експериментальна оцінка показників надійності (ПН) одиничних елементів системи виконується з використанням рекомендацій і розрахункових залежностей, приведених у державних нормативних документах та з використанням відомих статистичних підходів.

Наукова новизна одержаних результатів, запропонованих здобувачем особисто:

вперше розроблений універсальний комплекс моделей надійності (трьох графів переходів), який на відміну від відомих моделей більш коректно враховує особливості функціонування реального обладнання систем нормальної експлуатації, важливих для безпеки (СВБ НЕ) (більш коректно відображає зміну станів елементів внаслідок випадкових причин) на інтервалах між проведенням планових випробувань /переключень;

- вперше отримані аналітичні рішення для нестаціонарного коефіцієнта готовності груп елементів допоміжних СВБ НЕ, на основі вищевказаного комплексу моделей та семи обґрунтованих типових графіків функціонування, що включають випробування і планові чергування різних режимів роботи з причин переключень через детерміновані проміжки часу;

- в рамках спільного використання бульових та марковських методів вперше розроблена розрахункова модель оцінки інтенсивності переходів (для графів вищевказаного комплексу моделей) для згрупованих елементів допоміжних СВБ НЕ;

- визначені умови існування кінцевої оптимальної тривалості між плановими відновленнями через детерміновані проміжки час, для одноелементної системи з відмовами, що миттєво виявляються та експонентним виглядом функції розподілу випадкових величин наробітку на відмову і часу аварійного ремонту.

Практичне значення одержаних результатів полягає у:

власне методиці як основи типової галузевої методики обґрунтування та уточнення періодичності планових випробувань і переключень елементів систем нормальної експлуатації, важливих для безпеки (СВБ НЕ) з урахуванням досвіду експлуатації, яка також може бути використана при експертному аналізі технічних рішень експлуатуючих організацій по зміні періодичності планових випробувань і переключень елементів СВБ НЕ;

розробці рекомендацій по зміні регламентних випробувань та переключень для п'яти наступних СВБ НЕ Запорізької АЕС: система підживлення-продувки першого контуру (ТК), система дренажів і організованих протечик (ТY), система промконтуру (ТF), система вентиляції для охолодження басейну витримки і приводів системи управління та захисту (TL03), система розхолоджування басейну витримки (ТG);

використанні ряду розробок в навчальному процесі з дисципліни “Надійність і безпека АЕС” кафедри АЕС Одеського державного політехнічного університету, які увійшли у методичні вказівки для студентів спеціальності 7.090502 “Атомні електричні станції”: “Розрахунок надійності систем АЕС”.

Основне впровадження результатів дослідження відбувається у підприємствах атомно-енергетичної галузі, а саме: Національна атомна енергетична компанія (НАЕК) “Енергоатом” (довідка № 1507/03 від 5.12.2002р.), Відокремлений підрозділ НАЕК “Енергоатом” Запорізька АЕС (довідка № 36-15/740 від 20.11.2002р.) та Державний комітет ядерного регулювання України (довідка № 001/2066 від 18.11.2002р.).

Особливий внесок здобувача полягає в:

постановці задач дослідження та визначені основних методів і шляхів їх вирішення;

проведенні порівняння оцінок коефіцієнтів готовності, отриманих для ряду моделей на підставі регерентних і марковських підходів;

одержанні виразу, що відбиває умову існування кінцевої оптимальної тривалості між плановими відновленнями через детерміновані проміжки часу, для одноелементної системи з відмовами, що миттєво виявляються та експонентним видом функції розподілу випадкових величин наробітку до відмови і терміну аварійного ремонту;

розробці універсального комплекс моделей надійності (трьох графів переходів) та одержанні аналітичного рішення систем диференціальних рівнянь Колмогорова-Чепмена для кожного графу переходів;

розробці підходу оцінки нестаціонарного коефіцієнта готовності (НКГ) багатоелементних систем, що мають складний режим функціонування елементів, за допомогою спільного використання марковського і булевих методів, а також у і розробці спеціального підходу для обліку даних обмежень при спільному використанні зазначених методів;

розробці підходу до використання регерентного методу для оцінки стаціонарного коефіцієнта готовності (СКГ) СВБ НЕ;

розробці і моделюванні типових графіків функціонування СВБ НЕ АЕС, а також в одержанні аналітичних залежностей для нестаціонарного коефіцієнта готовності;

розробці змін до відомого методу покрить для більш ефективного пошуку максимуму функції К_Г(х) - стаціонарного коефіцієнту готовності системи;

розробці спеціальних доповнень до процесу обробки статистичних даних для оцінки показників надійності елементів, а саме, запропоновано проводити поділ усієї множини відмов на дві групи: відмови, що виникли через планові заходи (переключення, відновлення і т.д.) і інші відмови;

створенні комп'ютерних програм, у яких реалізована методика;

проведенні моделювання п'яти СВБ НЕ Запорізької АЕС, статистичній обробці експлуатаційних даних і проведенні всіх необхідних розрахунків і їхнього аналізу.

Апробація результатів дисертації. Результати дисертації були представлені на науковому семінарі “Застосування обчислювальної техніки і математичного моделювання в практичних наукових дослідженнях”, (м. Одеса, 1994 р.), на міжнародному семінарі “Досягнення в рамках співпраці між IRSN (Франція) та ДНТЦ ЯРБ. Практика оцінки безпеки в IRSN та ДНТЦ ЯРБ” (м. Одеса 2002 р.), та на науково-технічному семінарі “Практичне застосування ІАБ та ризик-орієнтованих підходів для удосконалювання ефективності і безпеки експлуатації АЕС” (м. Одеса 2002 р.). Також робота була представлена та схвалена (рекомендована до захисту) на засіданні науково-технічної ради Державного підприємства “Державний науково-технічний центр з ядерної та радіаційної безпеки” (м. Київ, протокол №2 від 6.09.2002 р.).

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи опубліковані в семи друкованих працях, п'ять - у вигляді наукових статей у провідних фахових виданнях, одна - повний текст доповіді у опублікованих матеріалах семінару, одна - тези доповіді у опублікованих матеріалах семінару.

Структура й об'єм дисертації. Дисертація складається з вступу, трьох розділів, висновків та додатків (окремою книгою). Об'єм дисертації складає 151 с. Дисертація містить: 57 рисунків і 20 таблиць загальним об'ємом 45 с; та 5 додатків (окремою книгою) загальним об'ємом 126 с. Список використаних посилань складає 115 найменувань (11 с.).

Основний зміст роботи

У першому розділі дисертації проведено аналіз відомих методів оптимізації частоти планових випробувань та контролю надійності технічних систем. Проведено аналіз експлуатаційної та нормативної документації, яка регламентує процедури технічного обслуговування систем нормальної експлуатації, важливих для безпеки (СВБ НЕ) АЕС. В результаті проведеного аналізу встановлено, що у експлуатаційній та нормативній документації відсутнє необхідне обґрунтування частоти випробувань та планових переходів по автоматичному введенню резерву (АВР) допоміжного обладнання СВБ НЕ при роботі реактора. Разом з тим можливість переоцінки існуючої частоти випробувань та планових переходів по АВР протягом експлуатації встановлена існуючою нормативною документацією України та відмічається у рекомендаціях МАГАТЕ.

Аналіз праць з теорії надійності і спеціальних досліджень, спрямованих на оптимізацію графіків відбудовно-профілактичних заходів, визначив, що відомі підходи носять або занадто загальний характер, або навпаки - занадто частковий характер, що не відповідає особливостям технології й експлуатації обладнання СВБ НЕ. Таким чином, їх можна використовувати тільки як базу для подальших прикладних досліджень. Аналіз праць, присвячених імовірнісному аналізу безпеки (ІАБ) встановив, що застосування виключно традиційної методології ІАБ для оптимізації періодичності планових випробувань і переключень елементів СВБ НЕ є неефективним.

Унаслідок цього існує необхідність розробки наукових положень і рішень для створення науково обґрунтованої методики оптимізації періодичності регламентних випробувань і переключень СВБ НЕ АЕС. Це обумовило мету та задачі дослідження.

У другому розділі наведена методика оптимізації періодичності регламентних випробувань та планових переключень допоміжного обладнання свб нЕ аЕс. У перших пунктах наведена загальна характеристика режимів функціонування свб нЕ, які необхідно віддзеркалити у типових моделях методики. Показано, що оскільки розглядаються процедури, що впливають на надійність систем важливих для безпеки АЕС критерієм оптимізації повинен стати саме кількісний показник надійності (ПН). На основі аналізу відомих з теорії надійності ПН визначено, що коефіцієнт готовності є чутливим до зміни періодичності регламентних випробувань та планових переключень свб нЕ, та відповідає державним нормативам, які встановлюють номенклатуру ПН систем та обладнання АЕС. Наведено основні положення і допущення методики.

Далі на прикладах одноелементних систем продемонстровані можливості моделювання складних режимів функціонування за допомогою марковських та регерентних підходів. Показано, що в одних випадках вирази, отримані на основі регерентного і марковського методу тотожні (при асимптотичному рішенні t). В інших випадках асимптотичне рішення непридатне, тому методи дають різні результати, але в цілому їх можна використовувати як взаємодоповнюючі (моделюють різні феномени). Показано, що з погляду рівня надійності, проведення планових відновлень елемента через детерміновані інтервали часу переважно у порівнянні з випадковим графіком.

Обґрунтована можливість існування кінцевих значень оптимальної періодичності планових відновлень через детерміновані проміжки часу [0; T] для одноелементної системи з відмовами, які виявляються миттєво, та експонентним видом функції розподілу випадкових величин наробітку до відмови і терміну аварійного ремонту. Інтервали [0;T+_пл.] (_пл - є тривалість планового відновлення) безупинно чергуються, а процеси що йдуть на них ідентичні. Поведінка системі на проміжку [0; T] описується відомим марковським процесом. Стаціонарний коефіцієнт готовності для всього процесу функціонування (с урахуванням проведення планових відновлень):

, (1)

де - інтенсивність відмов;

інтенсивність аварійних ремонтів ( = 1/, де середня тривалість аварійного ремонту).

Область значений (, _пл, ) для яких існують кінцеві значення оптимальної періодичності Т (при яких К_Г є максимальним) визначається знаком межи , який визначається знаком величини :

. (2)

Якщо 0, то при усіх Т - оптимум відсутній, якщо < 0, то оптимальне значення Т існує у інтервалі [0; Т_гран], Т_гран < .

З аналізу даної умови випливає, що для зазначеного типу систем проведення планових відновлень доцільно тільки у випадку, якщо _пл << .

При моделюванні важливо відобразити весь складний графік функціонування реальних СВБ НЕ, при цьому стани компонентів змінюються внаслідок як випадкових причин (внаслідок відмови, спрацюванню по аварійним уставкам, тощо) так і внаслідок детермінованих причин (планові випробування та переключення).

Для імовірнісного моделювання змін станів реальних СВБ НЕ внаслідок випадкових причин розроблена універсальна модель у вигляді графу переходів (рис. 1).

0, 0 - стан режиму чекання у працездатному стані та відмові відповідно;

1, 1 - стан режиму безпосереднього виконання функцій у працездатному стані та відмові відповідно.

У графі використані наступні інтенсивності переходів процесу:

_о = 1/l - інтенсивність відмов у режимі чекання, де l середній наробіток на відмову в режимі чекання;

_р = 1/l_р - інтенсивність відмов у режимі роботи, де l_р середній наробіток на відмову в режимі роботи;

= 1/_ожид інтенсивність вимог елемента, де _ожид - середня тривалість режиму чекання;

а = 1/_раб - інтенсивність зворотних переходів, де _раб - середня тривалість режиму роботи;

= 1/ інтенсивність аварійних ремонтів, де середня тривалість аварійного ремонту;

р_r - імовірність якісного проведення аварійного ремонту (на один ремонт);

р_обн - імовірність виявлення відмови в режимі чекання, за умови, що елемент знаходиться у стані відмови.

Для систем СВБ НЕ, що складаються з безлічі елементів деякі групи елементів мають загальній графік функціонування. Ретельний аналіз функціонування допоміжних СВБ НЕ виявив, що відповідно до графіка всі елементи, що входять до складу цих систем можна розбити на три типи:

- елементи, що циклічно запитуються в роботу (перший тип);

- безупинно працюючі елементи (другий тип);

- фактично не переводяться в режим, зв'язаний з безпосередньою роботою або елементи, невідновлювані на відомому проміжку часу (третій тип).

Розроблено комплекс моделей надійності у вигляді трьох графів переходів (рис. 2-4) які відображають усі можливі зміни станів реальних компонентів СВБ НЕ внаслідок випадкових причин. Розробка цих трьох часткових моделей проводиться для спрощення універсальної моделі (зменшення кількості станів). Наведено принципи спрощення графу універсальної моделі.

Для умов марковського процесу зміни станів отримано аналітичні рішення системи диференціальних рівнянь Колмогорова-Чепмена згідно трьох розроблених графів переходів.

Рис. 2 Граф першого типу для опису циклічно працюючих елементів ( = _о) 1 - об'єднаний працездатний стан; 2 - стан прихованої відмови режиму чекання; 3 - стан виявленої відмови/аварійного ремонту

Аналітичне рішення для графа першого типу (елементів І-го типу):

(3)

(4)

Величина Р₂^I(t) визначається через Р₁^I(t) и Р₃^I(t) як доповнення до одиниці.

Р₂^I(t) = 1 - Р₁^I(t) - Р₃^I(t)

Константи С₁, С₂, С₃ визначаються для довільних початкових умов:

Р₁^I(0) = р₁; Р₂^I(0) = р₂; Р₃^I(0) = р₃, (5)

таких, що р₁ + р₂ + р₃ = 1.

С₁ = _r/q; (6)

(7)

(8)

(9)

В виразах (3) - (9) використані наступні позначення

q = (+)(+)+p_r(L) (10)

k = +L++ (11)

D = k² 4q (12)

_r = p_r (13)

Еквівалентна інтенсивність переходів L (замість ланцюжка переходів 011, див. рис. 1, 2), визначена на етапі спрощень універсального графу

(14)

Нестаціонарний коефіцієнт готовності елемента I-го типа складе

К_Г^I(t) = P₁^I(t). (15)

При цьому, необхідний вектор вихідних даних складе

(16)

Рис. 3 Граф другого типу для опису безупинно працюючих елементів 1 - працездатний стан; 2 - стан виявленої відмови/аварійного ремонту

Аналітичне рішення для графа другого типу (елементів ІІ-го типу):

, (17)

визначено при довільних початкових умовах

Р₁^II(0) = р₁; Р₂^II(0) = 1 р_1. (18)

Необхідний вектор вихідних даних А_II для безупинно працюючих елементів складе

(19)

Рис. 4 Граф третього типу, для опису непрацюючих чи елементів, які невідновлюються. 1 - працездатний стан; 2 - стан прихованої відмови (для непрацюючих елементів) або будь-якої відмови (для елементів, що невідновлюються)

Аналітичне рішення для графа третього типу (елементів ІІІ-го типу):

, (20)

визначено при початкових умовах

Р₁^III(0) = р₁; Р₂^III(0) = 1 р₁.

За допомогою останнього графу (див. рис. 4) також можна описувати працюючі елементи, які не можуть бути відновлені, або відмови яких за деяких причин не можуть бути виявлені. У цьому випадку в якості вихідних даних замість необхідно використовувати величину _р.

Розрахунок стаціонарного коефіцієнта готовності провадиться з використанням регерентного методу та бульових функцій.

(21)

де h_с структурна функція системи, яка сформульована на основі операцій кон'юнкції і диз'юнкції, відповідно до критерію відмови системи;

нестаціонарний коефіцієнт готовності i-го елементу, i=1,2,...,n, що описаний j-м видом графіка функціонування, який враховує як зміни станів компонентів як внаслідок випадкових так і внаслідок детермінованих причин;

Т_а - період часу, по закінченні якого система проходить регенерацію.

Показано, що в якості періоду регенерації системи може бути обраний період між планово-попереджувальним ремонтом (ППР) енергоблоку. Будь-які ефекти, пов'язані з недотриманням повної регенерації (наприклад, ефект старіння обладнання) мають бути враховані за допомогою щорічного коректування статистичних даних, що використовуються.

На основі аналізу особливостей експлуатації допоміжних СВБ НЕ були виділені 7 типових графіків функціонування, що включають випробування і планові чергування різних режимів роботи з причин переключень через детерміновані проміжки часу. Типові графіки функціонування:

- система, елементи якої періодично запитуються до роботи;

- система с циклічно працюючими елементами, частина з яких піддана технічному обслуговуванню та ремонту (ТОіР);

- система з N резервних каналів, елементи яких працюють циклічно і одного безупинно працюючого каналу;

- система с циклічно працюючими елементами при наявності короткочасних планових вмикань;

- система з АВР, с почерговою поканальною роботою;

- система з АВР і додатковим випробуванням резервних каналів;

- трьохканальна система з АВР, у якої два канали перебувають у роботі.

Для кожного графіку функціонування наведені аналітичні залежності для розрахунку нестаціонарний коефіцієнт готовності , для використанні у (21). На цій основі можливо одержати моделі (та рішення) для будь-яких реальних допоміжних СВБ НЕ.

Наприклад, для системи з АВР, с почерговою поканальною роботою графік функціонування продемонстровано на рис. 5.

Рис. 5 Діаграма (графік) функціонування системи з трьох паралельних каналів при наявності АВР

Нестаціонарний коефіцієнт готовності (НКГ) i-го каналу системи i=1,2,…,N наведеного графіку функціонування відповідає наступній аналітичній залежності (рис. 6)

, (22)

де Т_рп тривалість планового інтервалу роботи

_АВР тривалість спільної роботи двох каналів у процесі АВР;

T_n періодичність проведення АВР

(T_n=T_рп+Т_резерв=N(T_рпАВР));

t поточний час t[0;T_a];

t_i зсув між началом роботи першого та i-го каналів по

();

k_i кількість включень/запусків по АВР i-го каналу на момент часу t

(, де [x] - ціла частина від х);

НКГ, що визначається за допомогою графів першого і другого типів відповідно с початковими умовами, згідно (23), (24);

z(k_i) імовірність відмови унаслідок k_i проведених включень/запусків по АВР механізмів системи к моменту t на i-м каналі (z(k_i)=1exp(-), характеризується параметром середньою інтенсивністю відмовлень каналу на факт одного АВР).

Показані принципи за якими змінюються початкові умови у графах I-III типу для різних графіків функціонування. Імовірності початкових умов розраховуються по кінцевих ймовірностях станів на попередньому інтервалі, що у свою чергу одержують при початкових умовах рівних кінцевим ймовірностям із ще більш раннього інтервалу. Протягом експлуатації системи t[0;T_a] відбувається стрибкоподібна зміна початкових умов при зміні режиму функціонування.

Для наведеного вище прикладу, початкові умови визначаються:

(23)

, (24)

де , при початкових умовах P₁^I(0)=x; P₂^I(0)=0; P₃^I(0)=1x;

, при початкових умовах P₁^II(0)=x; P₂^II(0)=1x.

Для кожного графіку функціонування наведені аналітичні залежності для розрахунку початкових умов.

Стаціонарний коефіцієнт готовності, для наведеного прикладу складає

, (25)

де K_гi - НКГ і-го елементу, і=1, 2, 3, визначається по (22).

У підрозд. 2.3 дисертації наведено підхід пошуку оптимуму функціональної залежності К_Г(х) стаціонарного коефіцієнта готовності від періодичності планових випробувань, та АВР. Обґрунтована можливість використання для розрахунків СВБ НЕ функції з одною перемінною, а для пошуку екстремуму використовувати чисельні методи. Показано, що більшість відомих чисельних методів не відповідає необхідним вимогам. Функція К_Г(х) є полімодальна, разом з тим існує явна загальна тенденція спочатку до росту К_Г(х), а потім до зниження. Запропоновано більш ефективний вибір нового відрізку а_s; b_s у відомому методі послідовного пошуку:

а_s = max, b_s = min, (26)

де х* - аргумент наближеного максимального значення функції, знайденого після останньої ітерації на відрізку а; b.

У підрозд. 2.4 дисертації наведені принципи підготовки вихідних даних для проведення розрахункового аналізу. Модель використовує вихідні параметри, які визначаються на основі експлуатаційної статистики. Частина показників розраховується безпосередньо по статистичним даним. При цьому використовуються нормативні документи, що дозволені до застосування в атомній галузі: ГОСТ 27.410, ДСТУ 3004, та інші відомі статистичні підходи. Для більш точного імовірнісного моделювання запропоновано окремим показником або _а оцінити якість технічного обслуговування і ремонту та випробувань.

Наведена розрахункова модель оцінки інтенсивності переходів для згрупованих (розрахункових) елементів. Ця частина параметрів моделі оцінюється уже використовуючи параметри, які були оцінені безпосередньо по статистиці. При цьому необхідно дотримуватись умови застосування булевих моделей - це незалежність переходів елементів з одного стану в інше, тому розрахунковий елемент формується з принципу спільності графіка функціонування для усіх одиничних елементів. Значення у загальному випадку залежать від кількості елементів, що входять до розрахункового елементу, їх інтенсивностей переходів та логічного зв'язку, а також типу і кількості розрахункових елементів. Наприклад, середня тривалість аварійного ремонту розрахункового елементу I та II типів ():

, (27)

де загальна інтенсивність відмови i-го елемента, i = 1,2,…,n;

_i время аварійного ремонту i-го элемента, i = 1,2,…,n.

Для розрахункового елементу I типу:

. (28)

Для розрахункового елементу II типу:

= _рi. (29)

У підрозд. 2.5 наведено підхід до оцінки впливу невизначеності вихідних даних на величину оптимальної періодичності. В результаті такого аналізу отриманий розподіл величини Т^*, що залежить від розподілу вихідних даних і від виду функції К_Г(Т). Принципи, на яких строїться аналіз невизначеності, базуються на відомих методах та підходах, які використовуються у процедурі ІАБ енергоблоків АЕС та теорії імовірності та надійності. Наведені деякі особливості аналізу невизначеностей для реальних систем. Відзначено, що кількість розрахунків, необхідних для проведення аналізу невизначеності, може сягати 10⁵⁰ разів. У результаті прийнятих обґрунтованих допущень кількість необхідних розрахунків для моделей СВБ НЕ можливо скоротити до декількох десятків, що стає прийнятним для практичної реалізації.

У третьому розділі усі наведені вище теоретичні підходи, методологічні викладки, принципи моделювання, підготовки даних, пошуку оптимуму та аналізу невизначеності знайшли відображення у практичному використанні з проведенням розрахункового аналізу для п'яти допоміжних СВБ НЕ Запоріжської АЕС, а саме: ТК, ТY, ТF, TL03, ТG. Для кожної системи наведено: состав та призначення обладнання, моделювання системи, вихідні дані, результати розрахунку с оцінкою впливу невизначеності по вихідним даним.

Розрахунки здійснювались за допомогою спеціально розроблених в рамках дослідження комп'ютерних програм.

Результати розрахунків показують, що для кожної системи присутнє оптимальне значення тривалості планового інтервалу роботи Т_рп, який відповідає максимуму стаціонарного коефіцієнту готовності системи (рис. 7).

Наявність оптимуму обумовлена тим, що для малих значень тривалості Т_рп збільшується кількість планового переведення каналів до режиму роботи та кількість запусків насосів для проведення випробувань резервних каналів, що негативно впливає на К_Г системи. З іншого боку, якщо Т_рп приймає занадто великі значення, починає виявлятися можливість появи прихованої відмови для елементів, що знаходяться у режимі очікування. Це обумовлює що функція К_Г(х) має тенденцію до зниження при х 0 та при х .

Також проведений аналіз отриманих результатів показав, що К_Г(х) має стрибкоподібний характер пов'язаний із зміною кількості планових вмикань каналів системи. Локальні точки мінімуму К_Г(х) визначаються моментом зникнення планового включення. Отримано рівняння, що дозволяє розрахувати точки Т_рп, при яких К_Г(х) має локальний мінімум:

Т_рп = Т_скачка = Т_а/m, де m=1,2,…,. (30)

Криві в інтервалах між зазначеними точками містять ряд дрібних сплесків (див. рис.7). Дослідження показали, що ці сплески обумовлені погрішністю розрахунків.

Розрахунки свідчать, що оптимальні характеристики значно відрізняються від регламентних навіть з урахуванням невизначеності по вихідним даним (рис.8).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 8 Основні результати чисельних досліджень для вибору тривалості Т_рп, що пропонується для формування графіку роботи та випробувань допоміжних СВБ НЕ Запоріжської АЕС

На підставі проведених розрахунків, які включають аналіз поводження К_Г(х), дослідження впливу погрішностей обчислення на результати розрахунків, а також аналіз невизначеностей по вихідним даним, проведено вибір безупинної роботи каналу для складання графіка функціонування допоміжних СВБ НЕ АЕС.

При переході до даної періодичності рівень надійності практично не знижується щодо оптимальних величин і залишається більш високим у порівнянні з регламентними величинами.

Висновки

На основі проведеного аналізу встановлено, що діюча проектна, експлуатаційна і нормативна документація недостатньо обґрунтована для регламентування періодичності планових випробувань і переключень елементів СВБ НЕ на енергоблоках із ВВЕР.

Аналіз відомих загальнотехнічних методів обґрунтування періодичності технічного обслуговування і відновлень показав, що використовувані в них підходи носять або занадто загальний характер, або навпаки - занадто частковий характер, що не відповідає особливостям технології й експлуатації обладнання СВБ НЕ.

Критерієм оптимізації обрано коефіцієнт готовності як комплексний показник надійності, що відповідає вимогам діючих в атомній енергетиці стандартів і найбільшою мірою відображає вплив зміни періодичності контролю СВБ НЕ на рівень їхньої надійності.

Розроблено теоретичну основу оптимізації періодичності планових випробувань і переходів по АВР СВБ НЕ. У результаті теоретичного аналізу встановлено:

для моделювання функціонування одноелементної системи, що має безліч станів, необхідно спільне використання регерентного підходу і марковського методу;

проведення планового відновлення через невипадкові (детерміновані) проміжки часу Т є переважніше, за проведення його за графіком з випадковою періодичністю відновлень з деякою середньою Т;

для елементів з відмовами, що миттєво виявляються, і експоненціальним розподілом часу аварійного ремонту і наробітку до відмови проведення планових відновлень доцільно тільки у випадку, коли тривалість планового відновлення багато менше тривалості аварійного ремонту;

за допомогою розробленого універсального комплексу марковських моделей можливе моделювання функціонування елементів обладнання СВБ НЕ;

розрахунок нестаціонарного коефіцієнта готовності багатоелементних систем, що мають складний режим функціонування елементів (таких як СВБ НЕ), можливо за допомогою марковського і булевих методів. При цьому необхідно таке моделювання систем, при якому розрахункові елементи зберігають необхідний принцип незалежності;

розрахунок стаціонарного коефіцієнта готовності СВБ НЕ можливо за допомогою регерентного методу.

Отримано аналітичні залежності, що характеризують функціонування кожного з представлених типів елементів, а також описують типові для СВБ НЕ графіки функціонування. Отримано аналітичні залежності для стаціонарного коефіцієнта готовності як функції, що залежить від величини періодичності проведення планових заходів.

Представлені найбільш прийнятні методи пошуку максимуму функції для стаціонарного коефіцієнта готовності. Показано, що найбільш ефективними є чисельні методи пошуку, що використовують поступову локалізацію точки максимуму.

Представлено методику підготовки вихідних даних для проведення розрахункового аналізу. Показано, що при статистичній оцінці інтенсивності відмов елементів доцільно робити розділення по фактору причини відмови, враховувати можливість неякісного проведення технічного обслуговування та ремонту елементів і вплив планового АВР. Статистичні оцінки значення параметра експонентного розподілу попередньо розділеної вибірки по фактору порушення дають більш повну ймовірну картину функціонування елемента і дозволяють більш точно робити подальший аналіз впливу елемента на систему.

Розроблено комп'ютерні програми, що дозволяють проводити оптимізацію періодичності планових випробувань і АВР СВБ НЕ і чисельний аналіз невизначеностей по вихідним даним. Розроблено комп'ютерну базу даних із процедурою статистичної обробки, що дозволяє робити розрахунок показників надійності, що є вихідними даними при проведенні оптимізаційних розрахунків.

На основі проектно-експлуатаційної документації ЗАЕС і розробленої методики проведено оптимізацію регламентних переключень та випробувань п'яти СВБ НЕ. Для всіх систем оптимальні тривалості безупинної роботи каналу значно вище існуючих у даний час регламентних значень. Запропоновано наступне збільшення періодичності регламентних переключень та випробувань відносно регламентного:

система підживленняпродувки 1го контуру (ТК) у 3 рази;

система дренажів і організованих протечек (ТY) у 3 рази;

система промконтуру (ТF) у 4 рази;

система вентиляції для охолодження басейну витримки

і приводів системи управління та захисту (TL03) у 5,6 рази;

система розхолоджування басейну витримки (TG) у 3 рази.

На основі отриманих результатів можливо виконати модернізацію графіка проведення планових випробувань і переключень елементів обладнання СВБ НЕ АЕС.

Список опублікованих праць за темою дисертації

Фридман Н.А., Комаров Ю.А., Колыханов В.Н. Расчетные оценки оптимальной периодичности контроля систем аварийной подпитки реактора ВВЭР 1000/320 насосами высокого давления // Ядерная и радиационная безопасность. 1998. Т.1, Вып. 1. С. 189-198.

Здобувач приймав участь у створенні методики оптимізації випробувань систем безпеки (в окремості, обґрунтування основних рівнянь методики (3) та (4)), яка використана для розрахункових оцінок САОЗ ВТ. Здобувачу належить аналіз та моделювання САОЗ ВТ (в окремості, отримання рівняння (2)), обробка експлуатаційних даних та розрахунок показників надійності елементів системи. Здобувач приймав участь у створенні комп'ютерної програми та проведенні розрахункового аналізу.

Комаров Ю.А., Шевченко А.Э. Статистический анализ данных о нарушениях и отказах в оборудовании АЭС // Труды Одес. политехн. ун-та. 1999. Вып.2(8). С. 106-108.

Здобувачеві належить основна ідея публікації (та обґрунтування), пов'язана з доцільністю поділу сукупності відмов за фактором причини та урахування їх за допомогою окремих показників надійності.

Комаров Ю.А., Колыханов В.Н. Математическая модель и результаты оптимизации периодичности контроля систем, важных для безопасности АЭС // Труды Одес. политехн. ун-та. 1999. Вып.3(9). С. 89-91.

Здобувачеві належить розробка узагальненої математичної моделі моделювання систем, важливих для безпеки АЕС (зокрема, виводу рівнянь: (2), рівняння наступного після (4), рівнянь (5), (6)), проведення моделювання розглянутих систем, розрахунок показників надійності елементів систем та проведення розрахункового аналізу.

Комаров Ю.А., Колыханов В.Н., Скалозубов В.И. Основы методики оптимизации периодичности контроля систем, важных для безопасности // Ядерная и радиационная безопасность. 2000. Т.3, Вып. 1. С. 79-86.

Здобувачеві належить порівняльний аналіз визначення надійності одноелементних систем за допомогою регерентного та марковського методів (зокрема, отримання рівнянь (1)-(3)). Здобувачеві належить одержанні виразу, що відбиває умову існування кінцевої тривалості між плановими відновленнями для систем з відмовами, що миттєво виявляються, та експонентним видом функції розподілу випадкових величин наробітку до відмови і терміну аварійного ремонту. Здобувачеві належить розробка узагальненої моделі оптимізації періодичності контролю одноелементних систем.

Комаров Ю.А. Методика оптимизации периодичности контроля и плановых переключений многоэлементных систем нормальной эксплуатации, важных для безопасности АЭС // Ядерная и радиационная безопасность. 2000. Т.3, Вып. 2. С. 56-67.

Скалозубов В.И., Комаров Ю.А., Кочнева В.Ю. Моделирование надежности технических систем АЭС//Тезисы докладов городского семинара “Применение вычислительной техники и математического моделирования в прикладных научных исследованиях”. Одесса: ОГПУ, 1994. С. 39-40.

Здобувачеві належить розробка підходу до моделювання структури окремих систем АЕС з використанням бульової алгебри та структурної функції працездатності системи.

Komarov Y. Scheduled Test Periodicity Optimization for NPP Safety-Related System Equipment //Workshop “Perspectives in the framework of cooperation between IRSN and SSTC NRS. Safety assessment practice in IRSN and SSTC NRS” September 9-13, 2002, Odessa P. 53-54.

Анотація

Комаров Ю.О. Методика оптимізації періодичності регламентних випробувань та переключень систем нормальної експлуатації, важливих для безпеки АЕС з ВВЕР-1000. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.14.14. - Теплові і ядерні енергоустановки. - Одеський національний політехнічний університет, Одеса, 2003.

Дисертація присвячена питанням підвищення безпеки АЕС. Створено методику, що дозволяє проводити моделювання й оптимізацію регламентних випробувань і переключень систем нормальної експлуатації, важливих для безпеки (СВБ НЕ) АЕС. Показано, що імовірнісне моделювання функціонування обладнання СВБ НЕ можна проводити на основі спільного використання марковського і булевих методів. Отримано аналітичні залежності коефіцієнта готовності для типових графіків функціонування СВБ НЕ. Представлені найбільш прийнятні методи пошуку максимуму для функції коефіцієнта готовності. Проведено розрахунки для п'яти СВБ НЕ Запорізької АЕС.

Ключові слова: коефіцієнт готовності, системи АЕС, оптимізація, відновлення працездатності, регламентне переключення, випробування, відмова.

Annotation

Komarov Yu.А. Method of Scheduled Tests and Switches Periodicity Optimization of Normal Operation Safety-Related Systems of NPP with VVER-1000. - Manuscript.

Dissertation on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science on the speciality 05.14.14 - Thermal and Nuclear Energy Installations. - Odessa National Polytechnic University, Odessa, 2003.

The dissertation is dedicated to the problems of NPP safety increase. The method permitting to carry out modeling and optimization of scheduled tests and switches periodicity optimization of NPP normal operation safety-related systems (SRS NO) is built. There is shown that the probabilistic modeling of the SRS NO equipment functioning can be carried out on the basis of Markov and Boolean methods. The analytical relations of the availability factor for the typical schedules of the SRS NO functioning are obtained. The most reasonable methods of searching of the maximum for a availability factor function are submitted. The computations for five SRS NO of Zaporozhye NPP are realized.

Keywords: availability factor, NPP systems, optimization, recovery of working capacity, scheduled switching, scheduled test, failure.

Аннотация

Комаров Ю.А. Методика оптимизации периодичности регламентных испытаний и переключений систем нормальної эксплуатации, важных для безопасности АЭС с ВВЭР-1000. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.14.14. - Тепловые и ядерные энергоустановки. - Одесский национальный политехнический университет, Одесса, 2003.

Периодичность регламентных опробований и переключений систем нормальной эксплуатации, важных для безопасности (СВБ НЭ) АЭС значительно влияет на их надежность, а значит, и на безопасность работы АЭС. В настоящее время периодичность этих мероприятий определена проектными рекомендациями на момент начала эксплуатации без должного обоснования.

Завышенная (по отношению к оптимальной) периодичность опробований приводит к снижению надежности ввиду возможного увеличения числа скрытых отказов. Заниженная периодичность приводит к чрезмерно частому проведению опробований и переключений, которые снижают уровень надежности СВБ НЭ вследствие возрастания износа оборудования, увеличения доли некачественных плановых ремонтов, и увеличения суммарного времени плановых простоев.

В настоящее время отсутствуют методики и необходимые научные разработки, позволяющие проводить оптимизацию периодичности для структурно сложных систем, имеющих к тому же сложный график функционирования, какими являются СВБ НЭ. Целью настоящего исследования является создание методики оптимизации периодичности регламентных опробований и переключений вспомогательного оборудования СВБ НЭ АЭС с ВВЭР-1000 с использованием вероятностных методов моделирования надежности функционирования систем.

Использованы следующие подходы и методы: регенерентный метод для моделирования восстановлений, марковский процесс для описания случайных переходов между множеством состояний, булевы методы для описания структуры системы. Оптимизируемым параметром является коэфициент готовности анализируемой системы, варьируемым параметром - периодичность опробований или переключений элементов системы. Оценка оптимальных характеристик производится численными методами.

В первом разделе диссертации проведен анализ известных методов оптимизации частоты контроля и плановых испытаний, а также анализ подходов оценок надежности технических систем. Проведен анализ эксплуатационной и нормативной документации, которая регламентирует процедуры технического обслуживания СВБ НЭ АЭС.

Во втором разделе представлена методика оптимизации периодичности регламентных испытаний и плановых переключений свб нЭ аЭс. В качестве критерия оптимизации выбран коэффициент готовности, что соответствует действующим нормативным документам и в наибольшей степени отражает влияние изменения периодичности контроля СВБ НЭ на уровень их надежности. Получены аналитические зависимости, характеризующие функционирование любого элемента оборудования, а также описывающие типичные для СВБ НЭ графики функционирования (проведение плановых ремонтов, переключений и т.д.). Получены аналитические зависимости для стационарного коэффициента готовности как функции, зависящей от величины периодичности проведения плановых мероприятий. Представлены наиболее приемлемые методы поиска максимума для функции стационарного коэффициента готовности. Представлена методика подготовки исходных данных для проведения расчетного анализа. Представлен подход к оценке влияния неопределенности исходных данных на величину оптимальной периодичности.

В третьем разделе проведен расчетный анализ пяти СВБ НЭ Запорожской АЭС. Для всех систем оптимальные длительности непрерывной работы канала значительно выше существующих в настоящее время регламентных значений. На основании всего комплекса проведенных расчетов и их качественного анализа проведен выбор рекомендуемой длительности непрерывной работы канала СВБ НЭ. Предлагается следующее увеличение величин непрерывной работы канала: система подпиткипродувки 1го контура (ТК) в 3 раза; система дренажей и организованных протечек (ТY) в 3 раза; система промконтура (ТF) в 4 раза; система вентиляции для охлаждения бассейна выдержки и приводов СУЗ (TL03) в 5,6 раза; система расхолаживания бассейна выдержки (TG) в 3 раза.

В приложениях представлено описание созданных компьютерных программ, техническое описание анализируемых СВБ НЭ, описание данных по отказам и промежуточные результаты анализа неопределенностей по исходным данным. Представлены выводы основных уравнений.

Разработанная методика является основой типовой отраслевой методики обоснования периодичности плановых испытаний и переключений вспомогательных СВБ НЭ и может быть использована при экспертном анализе технических решений по изменению периодичности этих плановых мероприятий.

Диссертация содержит 57 рисунков, 20 таблиц и 5 приложений. Список использованных ссылок - 115 наименований. Общий объем (включая таблицы, рисунки и приложения, список использованных источников) - 333 с.

Ключевые слова: коэффициент готовности, система АЭС, оптимизация, восстановление работоспособности, регламентное переключение, испытание, отказ, вероятностный метод.

Размещено на Allbest.ru

...