авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 |

Совершенствование акустического метода обнаружения и локализации течей яэу с использованием микрофонов

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Шиманский Сергей Борисович

Совершенствование акустического метода обнаружения и локализации течей ЯЭУ с использованием микрофонов

Специальность 05.14.03 –

«Ядерные энергетические установки, включая проектирование, эксплуатацию и вывод из эксплуатации»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва - 2007

Работа выполнена в Федеральном государственном унитарном предприятии «Научно-исследовательский и конструкторский институт энерготехники имени Н.А. Доллежаля» (ФГУП НИКИЭТ)

Научный руководитель: кандидат технических наук

Аркадов Геннадий Викторович

Официальные оппоненты: доктор технических наук

Морозов Славий Алексеевич

доктор технических наук

Буторин Сергей Леонидович

Ведущая организация: Российский научный центр

«Курчатовский институт»

Защита состоится 29 мая 2007 г. в 11 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета К 201.001.01 при ОАО «Всероссийский научно-исследовательский институт по эксплуатации атомных электростанций» по адресу: 109597, г. Москва, ул. Ферганская, д. 25, к. 614

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОАО «ВНИИАЭС».

Автореферат разослан 27 апреля 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

к.т.н., ст.н.с. Б.Я. Березин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Опыт эксплуатации АЭС показывает, что невозможно полностью исключить возникновение течи трубопроводов и оборудования АЭС. Своевременное обнаружения течи теплоносителя позволяет предотвратить возможное разрушение в системе трубопроводов реакторной установки (РУ) и, таким образом, повысить эксплуатационную безопасность АЭС.

Требования по обнаружению течей теплоносителя отражены в нормативных документах верхнего уровня, которые регламентируют наличие средств и методов обнаружение течей теплоносителя первого контура превышающих допустимую величину, с возможностью определения местоположения (локализации) течи и оценки ее расхода.

В то же время анализ существующих на АЭС методов обнаружения течей показывает, что они в основном связаны с мониторингом состояния среды в помещениях реакторной установки, контролем дренажа и баланса теплоносителя. В силу «интегрального» характера контролируемых параметров указанные методы, как правило, не обеспечивают высокую чувствительность и быстроту обнаружения течи, не позволяют оценить местоположение течи и не дают возможности отличить множественные течи (например, течи по разъемным соединениям) от единичной течи большей величины.

В свою очередь, применение концепции течь-перед-разрушением к трубопроводам АЭС требует внедрения метода контроля, обеспечивающего обнаружение малой течи на ранней стадии развития с заданной чувствительностью и точностью локализации.

Согласно классификации МЭК 1250.1994, акустический метод обнаружения течи, по совокупности таких параметров, как чувствительность, точность локализации и возможности оценки величины течи, является одним из наиболее предпочтительных. При этом наиболее распространенным является метод акустического контактного течеискания. Однако использование контактных датчиков может быть сильно затруднено в условиях ограниченного доступа к оборудованию реакторной установки канального типа и становится практически нецелесообразным при необходимости контроля многочисленных трубных коммуникаций малого диаметра. Это обстоятельство делает актуальным разработку бесконтактного акустического метода контроля, использующего высокотемпературные микрофоны для обнаружения акустического шума течи.



Так как работа существующих микрофонных систем контроля строится на мониторинге уровня звукового давления, обнаружение течи возможно, только если уровень шума течи выше уровня фоновых шумов в зоне контроля (т.е. отношение сигнал-шум больше единицы). Это ограничивает применимость метода при контроле малых течей в условиях мощных фоновых шумов, характерных для эксплуатации РУ. В этом случае чувствительность метода может быть повышена только за счет увеличения числа микрофонов, что экономически нецелесообразно при контроле многочисленных коммуникаций РУ канального типа.

Таким образом, разработка бесконтактного метода обнаружения и локализации малой течи, применимого при отношении сигнал-шум меньше единицы, является важной и актуальной задачей.

Объект исследования: бесконтактный акустический метод обнаружения и локализации течей на АЭС с использованием микрофонов.

Цель работы. Цель работы заключается в повышении эксплуатационной безопасности АЭС за счет разработки бесконтактного акустического метода обнаружения и локализации малой течи, применимого при соотношении сигнал-шум меньше единицы.

Для достижения поставленной цели были решены следующие основные задачи:

  • проведены базовые измерения спектральных характеристик шума течи и фоновых шумов в помещениях АЭС;
  • проведены базовые измерения характеристик ослабления звука в помещениях АЭС;
  • разработана новая конструкция высокотемпературного микрофона, обеспечивающего работу в расширенном диапазоне частот (до 31,5 кГц);
  • разработан пакет прикладных программ по моделированию отношения сигнал-шум в зоне контроля;
  • разработана усовершенствованная конструкция воздушного имитатора течи с возможность генерации нестационарного акустического шума;
  • разработан пакет прикладных программ для корреляционного анализа огибающих акустических шумов и пространственной локализации течи.

Научная новизна работы состоит в том, что:

  • разработаны методы обнаружения и локализации малой течи с использованием корреляционного анализа огибающих акустических сигналов, применимые при соотношениях сигнал-шум меньше единицы;
  • разработана аналитическая модель корреляционной матрицы огибающих акустических шумов;
  • разработана методика обоснования чувствительности микрофонной системы контроля и схемы размещения микрофонов, основанная на численном моделировании отношения сигнал-шум в зоне контроля;
  • разработана методика оптимизации рабочего диапазона частот, учитывающая спектральные характеристики шума течи, фоновых шумов и характеристик ослабления звука в зоне контроля.

Практическая значимость работы. Полученные в диссертации результаты были непосредственно использованы при:

  • разработке и внедрении пилотного образца микрофонной системы обнаружения течей РБМК;
  • разработке микрофонной системы второго поколения реактора ATR;
  • разработке типового проекта интегрированной системы обнаружения течей теплоносителя РБМК;
  • внедрении микрофонной системы обнаружения течей (в составе интегрированной системы) на энергоблоках Ленинградской, Курской и Смоленской АЭС.

Положения, выносимые на защиту:

  • метод многоканального корреляционного анализа огибающих акустического шума течи;
  • метод пространственного обнаружения и локализации течи с использованием огибающих;
  • методика обоснования чувствительности микрофонной системы контроля и схемы размещения микрофонов, включая методику оптимизации рабочего диапазона частот;
  • результаты анализа оптимального диапазона частот и схемы размещения датчиков микрофонной системы контроля течей входных и выходных коммуникаций РБМК и входных трубопроводов ATR.

Методы исследований и личное участие автора. Проведенные автором исследования базируются на экспериментальных данных, полученных на стендах НИКИЭТ, площадке Ленинградской АЭС и АЭС «Фуген» (Япония). Обработка экспериментальных данных с применением методов спектрального, корреляционного, частотно-временного анализа, методов математического моделирования, а также разработка прикладного программного обеспечения (Си, Matlab) проводились автором самостоятельно. Автор принимал непосредственное участие в планировании и проведении экспериментов на стендах НИКИЭТ, выполнении измерений и испытаний в помещениях реактора РБМК-1000 (энергоблоки 1 и 2 Ленинградской АЭС) и на площадке АЭС «Фуген». Методы обнаружения и локализации малой течи при соотношениях сигнал-шум меньше единицы, а также методика обоснования чувствительности микрофонной системы и оптимизации параметров ее функционирования были разработаны автором самостоятельно.

Для проведения измерений были использованы измерительные микрофоны UC-29, высокотемпературные микрофоны UC-63L, измерители звукового давления UN-04 и 1/3-октавные анализаторы спектра SA-27 (RION), анализатор спектра B&K 2034, многоканальный АЦП PAVEC MD-800MK и многоканальный регистратор данных TEAC XR-500.

Апробация работы. Основные результаты работ были представлены на техническом семинаре МАГАТЭ «Nuclear Power Plant Diagnostics – Safety Aspects and Licensing» (Порторож, Словения, 1997г.), на двух конференциях ядерного общества Японии – AESJ «Meeting of Atomic Energy Society of Japan» (Ниигата, Япония, 1999г., Саппоро, Япония, 2001г.), на двух международных конференциях ICONE «International Conference on Nuclear Engineering» (ICONE-8, Балтимор, США, 2000г., ICONE-11, Токио, Япония, 2003г.), на международной конференции SMORN-8 «Symposium on Nuclear Reactor Surveillance and Diagnostics» (Готтенборг, Швеция, 2002г.).

Результаты диссертационной работы изложены в 9 статьях, опубликованных в журналах “Атомная энергия”, Progress in Nuclear Energy, Journal of Nuclear Science and Technology и др., 6 докладах, опубликованных в материалах международных конференций.

Структура и объем диссертации. Объем диссертации 130 машинописных листов, 12 таблиц и 61 рисунков. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка используемой литературы (102 наименования).

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, определяются цели и задачи работ, приводится общая характеристика работы.

В первой главе представлены основные требования, предъявляемые действующими нормативными документами к системам контроля течей. Представлены целевые требования к чувствительности и точности локализации течей для РБМК и реактора ATR.

Представлен обзор применяемых на АЭС методов контроля течей и дана характеристика акустического метода контроля. В частности показано, что к достоинствам метода относятся способность практически мгновенного обнаружения течи, определения ее местоположения и величины. Недостатки метода связаны с присутствием акустических фоновых шумов в зоне контроля и необходимостью распознавания между течью и маскирующими источниками шума, обусловленных шумами оборудования, гидродинамическими шумами и пр.

Представлен обзор применяемых на АЭС систем контроля течей и, в частности, прототипа микрофонной системы контроля течи, разработанной в JAEA (Япония) для реактора ATR. Данная система обеспечивала возможность оперативного обнаружения течи с расходом 1 – 500 м3/ч путем мониторинга уровня фоновых шумов в зоне контроля. Отмечены следующие недостатки системы:

  • система обеспечивает обнаружение течей только большой величины;
  • применимость метода определяется условием: отношение сигнал-шум (КС/Ш) больше единицы, таким образом, чувствительность метода при фиксированном уровне фоновых шумов может быть повышена только за счет увеличения числа микрофонов;
  • функция локализации не была реализована в системе, тогда как отсутствие информации о местоположении течи не дает возможности рассчитать уровень звуковой мощности в точке истечения и, как следствие, может привести к существенной ошибке при оценке величины течи.

Представленный обзор позволяет сделать заключение об актуальности разработки методов обнаружения и локализации, применимых при КС/Ш <1, а также необходимости разработки методики обоснования чувствительности микрофонной системы, требования к которой отличаются для различных типов реакторных установок.

В заключение представлен обзор методов обработки и анализа акустических шумов, использованных для решения поставленной задачи.





Во второй главе представлены результаты экспериментального анализа характеристик ослабления звука в зоне контроля, а также спектральных характеристики течи и фоновых шумов, что необходимо для оценки соотношения сигнал-шум в зоне контроля.

Для оценки спектральной акустической мощности течи были использованы эмпирические формулы (1,2), полученные в JAEA (Япония) для течей 1 – 500 м3/ч и связывающие расход теплоносителя Q (м3/ч) через отверстие в стенке трубопровода и эквивалентный диаметр отверстия D (мм), а также эквивалентный диаметр D и функцию тепло-гидравлических параметров теплоносителя F(P,T) с величиной звуковой мощности течи LW (дБ):.

Ck, ak – определяемые эмпирически коэффициенты на частоте анализа fk;

W0=10-12 – базовый уровень звуковой мощности (Вт);

P и Т – давление и температура теплоносителя соответственно.

В ходе испытаний, проведенных на стенде НИКИЭТ, указанные формулы были верифицированы для условия истечения входных- (однофазный режим истечения) и выходных (двухфазный режим истечения) коммуникаций РБМК при контроле малых течей 0,02 – 1 м3/ч.

Рисунок 1 иллюстрирует хорошее согласие между расчетными и экспериментальными данными.

Большой объем испытаний был проведен на площадках Ленинградской АЭС и АЭС «Фуген» для того, чтобы оценить фактические характеристики ослабления звука в помещениях РУ.

Уравнение (3) описывает связь между мощностью звука в точке истечения и уровнем звукового давления на частоте f, измеряемым микрофоном на расстоянии r. Параметр характеризует отражение звука, а представляет собой коэффициента затухания, – среднеквадратическое отклонение. При измерениях в теплоизоляционных боксах ATR вместо был использован параметр -Ln, описывающий потери звука на опорах трубопроводов. Пример построения расчетной кривой затухания по экспериментальным данным представлен на рисунке 2.

 Результаты анализа характеристик-1

Результаты анализа характеристик ослабления показали, что коэффициент затухания звука увеличивается с ростом частоты, в то время как на низких частотах (менее 5кГц) ослабление близко к условиям свободного распространения звука. Помещения РБМК характеризуются эффектом отражения звука, в то время как в теплоизоляционных боксах реактора ATR наблюдается поглощение звука теплоизоляционным материалом, что приводит к гораздо более высокому уровню затухания звука, чем в помещениях РБМК.

Измерение спектральных характеристик фоновых шумов осуществлялось в различных точках контролируемых помещений АЭС с оценкой флуктуации шумов в стационарных режимах работы РУ и динамики их изменения в переходных режимах, что необходимо для правильного выбора порогов обнаружения.

Анализ измеренных спектральных характеристик показал, что фоновые шумы на площадке ЛАЭС и АЭС «Фуген» носят низкочастотный характер и превалируют на частотах до 4-5 кГц (рисунок 3). При этом, фоновые шумы обусловлены как гидродинамическими, так и механическими источниками шума, а именно работой циркуляционных насосов, работой системы вентиляции, сопутствующей вибрацией трубопроводов и металлоконструкций реактора. Вследствие поглощения акустических шумов теплоизоляцией боксов, уровни фоновых шумов, измеренные внутри теплоизоляционных боксов АЭС «Фуген», существенно ниже уровней, измеренных в помещениях РБМК, где наиболее высокие уровни шума были зарегистрированы в помещениях групповых раздаточных коллекторов, что обусловлено наличием в этой зоне запорно-регулирующих клапанов и шариковых расходомеров.

В третьей главе представлены результаты анализа оптимального диапазона частот и схемы размещения датчиков микрофонной системы, полученные с помощью разработанной методики обоснования чувствительности микрофонной системы. В качестве целевой чувствительности системы были приняты следующие величины:

  • 0,23 м3/ч – для реактора РБМК;
  • 0,046 м3/ч – для реактора ATR.

Диапазон обнаружения базового метода, может быть определен как пространственный диапазон вокруг точки истечения, на котором выполняется условие – Кс/ш>1. Оптимальный частотный диапазон, в свою очередь, может быть определен как полоса частот, обеспечивающая максимальный диапазон обнаружения для постулируемой течи при фактических величинах ослабления звука и уровнях фоновых шумов на площадке АЭС.

Полученные во второй главе результаты позволяют моделировать трансформацию спектра акустического шума постулируемой течи по мере удаления от точки истечения. На рисунков 4 и 5 показаны примеры трансформации спектральной характеристики шума течи (0,23м3/ч для РБМК и 0,046м3/ч для ATR) в сравнении с усредненной спектральной характеристикой фонового шума. Из рисунка 4 видно, что наибольшая величина диапазона обнаружения (около 4м) достигается в 1/3-октавном частотном диапазоне 8-12,5 кГц, принятом в качестве оптимального для РБМК. Из рисунка 5 видно, что в зоне входных трубопроводов АЭС «Фуген» оптимальный частотный диапазон обнаружения течи 0,046м3/ч составляет 16-20кГц.

Задачей дальнейшего моделирования являлась численная оценка пространственного распределения отношения сигнал-шум для каждого пространственного элемента зоны контроля (100100100мм) при заданной величине течи, заданном количестве и схеме расположения микрофонов. Целью анализа был выбор схемы, обеспечивающей заданную чувствительность при минимальном количестве используемых микрофонов.

Пример пространственного распределения сигнал-шум для течи 0,046м3/ч в теплоизоляционных боксах реактора ATR представлен на рисунке 6 (частота анализа 20 кГц). Предложенная методика расчета позволяет принять во внимание:

  • пространственное распределение фоновых шумов;
  • расположение микрофонов;
  • направленность микрофонов;
  • потери звука на препятствиях (опорах);
  • геометрию зоны контроля.

По результатам анализа была предложена схема размещения микрофонов в помещениях входных (12 микрофонов) и выходных трубопроводов (8 микрофонов) РБМК, использованная впоследствии при демонстрационных испытаниях микрофонной системы на энергоблоке №1 Ленинградской АЭС (результаты испытаний представлены в акте № 414/97 ЦН). Результаты анализа схемы размещения микрофонов на ATR (рисунок 6) показали, что для обнаружения течи 0,046м3/ч существующее число микрофонов (6 на петлю) должно быть удвоено (дополнительные микрофоны могут быть установлены в подреакторной зоне) либо должны быть предложены методы обнаружения, применимые при отношении КС/Ш <1.

Взаимная корреляционная функция (ВКФ) может быть применена для обнаружения локального источника шума (течи) в статистически независимых шумах при отношении КС/Ш <1. Тогда как, значения времени запаздывания (соответствует пику ВКФ, рисунок 7а) между шумовыми сигналами, регистрируемыми парами микрофонов, может быть использованы для оценки местоположения источника звука в пространстве.



Pages:   || 2 |
 

Похожие работы:










 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.