Автоматизированные системы управления АЭС (АСУ ТП) — конспект

АСУ ТП — «нервная система» атомной станции. Она собирает информацию от тысяч датчиков, обрабатывает её и управляет оборудованием — от положения стержней до расхода питательной воды.

Иерархия управления АЭС

Уровень 0: полевой (датчики и исполнительные механизмы)

Физическое оборудование, установленное непосредственно на технологических системах: - Датчики температуры, давления, расхода, уровня, нейтронного потока - Задвижки, клапаны, приводы насосов - Электрические преобразователи

Уровень 1: контроллерный (автоматическое регулирование)

Программируемые логические контроллеры (ПЛК), которые реализуют: - Алгоритмы автоматического регулирования (ПИД-регуляторы) - Блокировки и защиты - Логику управления группами оборудования

Уровень 2: операторский (БЩУ/РЩУ)

Блочный щит управления (БЩУ) и резервный щит (РЩУ): - Мнемосхемы на видеоэкранах - Органы ручного управления - Панели сигнализации - Средства связи

Уровень 3: станционный

Информационно-вычислительная система станции: - Сбор и архивирование параметров - Расчёт технико-экономических показателей - Планирование режимов работы - Связь с диспетчером энергосистемы

Система управления и защиты реактора (СУЗ)

СУЗ — важнейшая часть АСУ ТП, непосредственно управляющая цепной реакцией.

Функции СУЗ

1. Аварийная защита (АЗ): быстрое глушение реактора при превышении уставок безопасности
2. Предупредительная защита (ПЗ): снижение мощности при приближении к пределам
3. Автоматическое регулирование (АР): поддержание заданной мощности
4. Ручное регулирование (РР): управление стержнями оператором

Органы воздействия на реактивность

• Стержни АЗ: падают в активную зону за ~2–4 с под действием силы тяжести или пружин при обесточивании электромагнитных муфт
• Стержни АР: перемещаются шаговым электродвигателем с точностью до 2 см
• Стержни компенсации (КО): компенсируют медленные изменения реактивности (выгорание, отравление)
• Борное регулирование: изменение концентрации H₃BO₃ в теплоносителе

Нейтронно-физический контроль

Измерение нейтронного потока в трёх диапазонах:

• Пусковой: ионизационные камеры деления, диапазон 10⁻⁷–10⁻¹ от номинала
• Промежуточный (рабочий): ионизационные камеры, 10⁻¹–1.2 от номинала
• Энергетический: термопары и внутриреакторные детекторы, точное распределение по активной зоне

Внутриреакторный контроль (ВРК)

• Термопары на выходе ТВС: измерение температуры теплоносителя (~300–320°С)
• Детекторы прямого заряда (ДПЗ): родиевые или ванадиевые — измеряют нейтронный поток внутри активной зоны в 5–7 точках по высоте
• СВРК (система внутриреакторного контроля): рассчитывает трёхмерное поле энерговыделения, контролирует запасы до кризиса теплоотдачи

Системы автоматического регулирования

Регулятор мощности

Поддерживает нейтронную мощность на заданном уровне, перемещая стержни АР. Алгоритм:

• Измерение: нейтронный поток (N) и его производная (dN/dt)
• Сравнение с уставкой
• Выработка сигнала на перемещение стержней (ПИД-закон)

Регулятор давления в первом контуре

Поддерживает давление ~15.7 МПа (ВВЭР-1000), управляя: - Электронагревателями компенсатора давления (повышение) - Впрыском холодного теплоносителя в компенсатор (понижение)

Регулятор уровня в парогенераторе

Поддерживает уровень воды во втором контуре парогенератора, управляя расходом питательной воды. Трёхимпульсный регулятор учитывает: - Уровень воды в ПГ - Расход питательной воды - Расход пара

Регулятор давления пара во втором контуре

Управляет положением клапанов турбины и сбросом пара через БРУ-К/БРУ-А.

Аварийная защита (АЗ)

Принцип действия

При срабатывании АЗ: 1. Подаётся сигнал на сброс стержней — обесточиваются электромагнитные муфты 2. Стержни падают в активную зону под действием силы тяжести 3. Одновременно подаётся сигнал на пуск систем безопасности (САОЗ, аварийное электроснабжение)

Уставки АЗ (типичные для ВВЭР-1000)

Параметр	Уставка АЗ
Нейтронная мощность	> 107% Nном
Скорость роста мощности	> 2% Nном/с
Давление в первом контуре (верхнее)	> 17.6 МПа
Давление в первом контуре (нижнее)	< 13.7 МПа
Уровень в компенсаторе давления	> 87% / < 30%
Сейсмический сигнал	по датчику

Требования к АЗ

• Быстродействие: полное погружение стержней за 2–4 с
• Надёжность: несрабатывание АЗ по запросу — не более 10⁻³ /запрос
• Резервирование: минимум 2 из 3 каналов должны подтвердить сигнал (мажоритарная логика «2 из 3» или «2 из 4»)
• Независимость: каналы физически разделены, электрически изолированы

Принципы построения систем безопасности

Единичный отказ

Система безопасности должна выполнить функцию при любом единичном отказе активного компонента. Реализуется через резервирование.

Разделение на каналы

ВВЭР-1200 (АЭС-2006): 4 канала безопасности, каждый физически отделён и способен самостоятельно обеспечить безопасность.

Разнообразие

Для защиты от отказов по общей причине — применение разных принципов действия: - Активные системы (насосы САОЗ) + пассивные (гидроёмкости, пассивный отвод тепла) - Аналоговые каналы защиты + цифровые

Приоритет безопасности

При конфликте между производством и безопасностью приоритет всегда у безопасности. СУЗ не может быть заблокирована оператором.

Цифровизация АСУ ТП

Эволюция

• 1-е поколение: релейно-контактные схемы, аналоговые приборы (ВВЭР-440)
• 2-е поколение: микроэлектроника, логические модули (ВВЭР-1000)
• 3-е поколение: программируемые контроллеры, цифровые АСУ ТП (ВВЭР-1200, АЭС-2006)

Современные платформы (Россия)

• ТПТС-ЕМ (АО «ВНИИАЭС»): основная платформа для новых АЭС
• Овация (Ovation): применяется на ряде зарубежных проектов
• Teleperm XS (Siemens): применялся на первых ВВЭР-1200 (Тяньвань)

Киберзащита

Цифровые АСУ ТП требуют защиты от кибератак: - Физическая изоляция от внешних сетей (air gap) - Однонаправленные шлюзы (data diodes) - Верификация программного обеспечения - Контроль доступа и аудит

Вывод

АСУ ТП АЭС — многоуровневая система, объединяющая тысячи датчиков, контроллеров и исполнительных механизмов. Ключевая подсистема — СУЗ — обеспечивает управление цепной реакцией и гарантирует глушение реактора при любых аварийных ситуациях. На экзамене держите в фокусе иерархию управления, принципы АЗ (быстродействие, резервирование, разделение) и логику автоматических регуляторов.