Создание эффективных статистических алгоритмов контроля состояния водно-химического режима на АЭС по данным химического анализа тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.13, кандидат технических наук Крюков, Юрий Васильевич

• Крюков, Юрий Васильевич
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Крюков, Юрий Васильевич

ВВЕДЕНИЕ.

1. КОНЦЕПЦИЯ РАННЕЙ ИДЕНТИФИКАЦИИ АНОМАЛИЙ ВХР И «ЭТАЛОННОГО СОСТОЯНИЯ ВХР».

1.1 .Концепция ранней идентификации аномалий ВХР на АЭС.

1.2.Концепция стандартной модели контролируемого процесса или «эталонного состояния ВХР» необходимая для контроля - сравнения.

1.3 .Регламентные процедуры обеспечения и поддержания ВХР как фактор формирования вероятностных свойств рядов результатов измерений контролируемых показателей качества ВХР.

1.4 Анализ особенностей временных рядов результатов измерений для реализаций эталонного процесса.

1.5.0боснование целесообразности использования алгоритмов робастного оценивания для корректного описания статистических свойств результатов измерений показателей качества ВХР.

2. ИДЕНТИФИКАЦИЯ ВИДА ЗАКОНОВ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ВЕРОЯТНОСТЕЙ ЭТАЛОННЫХ РЕАЛИЗАЦИЙ ПРОЦЕССА.

2.1.Необходимость идентификации вида законов распределения вероятностей эталонных реализаций процесса.

22.Результаты идентификации закона распределения вероятности стабильных эталонных реализаций ВХР на АЭС с ВВЭР-1000.

2.3 Анализ проблем, возникающих при идентификации вида закона распределения вероятности результатов измерений показателей качества ВХР на АЭС.

2.4.0ценка параметров результирующего распределения вероятности эталонных реализаций процесса в условиях статистической неоднородности данных химического анализа.

3. ВЫБОР МЕТОДОВ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ СТАТИСТИКИ ДЛЯ РАЗРАБОТКИ АЛГОРИТМОВ ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ ВХР НА АЭС.

3.1 .Критерий выбора алгоритмов и методов вероятностной диагностики.

3.2 .Алгоритмы робастного оценивания для распределения Лапласа и «загрязнённого» нормального распределения вероятности.

3.3Методы оценивания статистических характеристик совокупности результатов измерений, свободные от распределения вероятности.

3.3.1. Методы оценивания, свободные от распределения вероятности.

3.3.2. Доверительные интервалы для квантилей совокупности случайной величины.

3.3 3. Алгоритм построения толерантных пределов.

33.4. Критерий знаков.

3.4.Робасшое оценивание в линейных моделях.

3.5 Алгоритмы статистического контроля качества процессов.

3.5.1. Контрольные карты текущего среднего значения.

3.5.2. Контрольная карта для двустороннего контроля показателей качества процесса

3.5.3. Контрольная карта для одностороннего контроля показателей качества ВХР.

3.5.4. Анализ информации, отображаемой на контрольных картах.

4. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ ВЕРОЯТНОСТНОЙ ДИАГНОСТИКИ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ОЦЕНКИ ТЕКУЩЕГО СОСТОЯНИЯ ВХР НА АЭС.

4.1.Необходимость адаптации методов вероятностной диагностики при разработке алгоритмов оценки состояния ВХР на АЭС по данным химического анализа.

4.2.Разработка алгоритмов обнаружения отклонений центрального значения контролируемого процесса от стандартизованного значения.

4.2.1. Разработка алгоритмов обнаружения отклонений процесса от заданного значения на основе критерия знаков.

4.2.2. Алгоритм выявления отклонений центрального значения контролируемого процесса от назначенного стандартизованного значения—«Алгоритм № 1».

4.23. Визуальный алгоритм выявления отклонений центрального значения контролируемого процесса от стандартизованного значения—«Алгоритм №2».

4.3 .Адаптация контрольной карты Шухарта для ранней идентификации аномалий ВХР.

4.3.1. Необходимость адаптации контрольной карты текущего среднего значения для ранней идентификации аномалий ВХР на АЭС.

4.3.2. Адаптация контрольной карты Шухарта для случая «загрязнённого» нормального распределения вероятностей.

4.3.3. Алгоритм статистического контроля состояния ВХР с использованием адаптированной контрольной карты текущего среднего значения.

4.3.4. Анализ проблем, возникающих при использовании адаптированной контрольной карты для статистического контроля состояния ВХР на АЭС.

4.4.Разработка контрольной карты текущего центрального значения для контроля состояния ВХР по выборкам малого объёма.

4.4.1. Необходимость разработки контрольной карты текущего центрального значения для контроля состояния ВХР по выборкам малого объёма.

4.4.2. Вывод статистического критерия сравнения выборочной медианы.

4.43. Процедура идентификации аномалий ВХР на основе контрольной карты текущей выборочной медианы.

5. ПРИМЕРЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ АЛГОРИТМОВ ВЕРОЯТНОСТНОЙ ДИАГНОСТИКИ ДЛЯ КОНТРОЛЯ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА ВХР НА АЭС

5.1 .Использование методов вероятностной диагностики для повышения качества контроля и поддержания ВХР второго контура энергоблока АЭС с ВВЭР-1000.

5.1.1. Характеристика типичных отклонений ВХР второго контура энергоблоков АЭС с ВВЭР-1000.

5.1.2. Использование алгоритмов вероятностной диагностики для контроля показателя продувочной воды парогенераторов энергоблока АЭС с ВВЭР-1 ООО.

5.1.3. Проведение статистических экспертиз для обоснованного выбора эталонной реализации процесса изменения показателя рН продувочной воды парогенератора.

5.1.4. Контроль отклонений показателя рН продувочной воды парогенератора на основе толерантных пределов.

5.1.5. Контроль отклонений показателя рН продувочной воды парогенератора на основе критерия знаков.

5.1.6. Контроль отклонений показателя рН продувочной воды парогенератора на основе адаптированной контрольной карты текущего среднего значения.

5.1.7. Контроль отклонений показателя pi/продувочной воды парогенератора на основе контрольной карты текущей выборочной медианы.

5.1.8. Построение модели прогноза изменения значений показателярНпродувочной воды парогенератора, вызванного выявленной аномалией ВХР.

5.1.9. Использование статистических алгоритмов для контроля удельной электропроводимости продувочной воды парогенератора энергоблока АЭС.

5.1.10. Контроль отклонений удельной электропроводимости продувочной воды парогенератора на основе толерантных пределов.

5.1.11. Контроль отклонений удельной электропроводимости продувочной воды парогенератора на основе критерия знаков.

5.1.12. Контроль отклонений удельной электропроводимости продувочной воды парогенератора на основе контрольных карт.

5.1.13. Использование робасгаого оценивания для повышения надёжности идентификации изменения ионного состава продувочной воды парогенераторов энергоблоков АЭС.

5 ^.Использование методов веро.ягаосгаой диагностики для повышения качества контроля и поддержания ВХР первого контура энергоблока АЭС с ВВЭР-1 ООО.

5.2.1. Характеристика типичных отклонений ВХР первого контура энергоблоков АЭС сВВЭР-1000.

5.2.2. Использование робастной регрессии для повышения эффективности контроля отклонений по сумме щелочных металлов.

5J2.3. Процедура информационной поддержки персонала АЭС при контроле содержания водорода в теплоносителе при наличии резко выделяющихся наблюдений в данных химического анализа.

5.3 .Использование методов вероятностной диагностики для контроля состояния оборудования, влияющего на ВХР.

5.4.Сравнение эффективности использования разработанных методов вероятностной диагностики для ранней идентификации аномалий ВХР на АЭС по данным химического анализа.

ВЫВОДЫ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Создание эффективных статистических алгоритмов контроля состояния водно-химического режима на АЭС по данным химического анализа»

Одним из важнейших требований предъявляемых, к системам контроля и управления на АЭС, является обеспечение безопасности и долговременной надёжности функционирования основного и вспомогательного оборудования энергоблока [1-3]. Структурный анализ надёжности систем и оборудования показывает, что наиболее частой причиной снижения уровня мощности энергоблоков АЭС является повреждаемость элементов, связанная с поддержанием водно-химического режима (далее ВХР) [4].

Основным нормативным актом, регламентирующим порядок разработки и содержание документов по ВХР атомных электростанций, является Руководство по безопасности РБ-002-97 (РБГ-12-43-97) «Водно-химический режим атомных станций. Основные требования безопасности» [1]. С учетом требований указанного документа, а также «Общих положений обеспечения безопасности атомных станций» ОПБ-88/97 (ПН АЭ Г-1-011-97) [2] и требований стандартов эксплуатирующих организаций по ведению ВХР на типовых энергоблоках можно сформулировать следующие цели оптимизации ВХР основных и вспомогательных технологических систем энергоблоков АЭС:

- улучшение эксплуатационных характеристик и технико-экономических показателей энергоблока;

- снижение потока отказов оборудования и глубины нарушений его работоспособности;

- снижение объемов плановых и неплановых остановов и ремонтов энергоблоков;

- снижение выбросов и сбросов вредных веществ и объемов, образующихся в процессе эксплуатации: и ремонта отходов (в том числе радиоактивных);

- снижение суммарных дозовых нагрузок на персонал и окружающую среду;

- снижение суммарного вредного воздействия нерадиационных факторов, сопровождающих эксплуатацию и ремонт оборудования.

Достижение указанных целей в общем случае обеспечивается установлением характеристик качества теплоносителя и рабочих сред по тракту их циркуляции (теплохимическому циклу) в нормативных, проектных документах и технологических регламентах по ведению ВХР. В соответствии с требованиями РБ-002-97 в нормативно-технических документах по ВХР должны быть также указаны средства и методы контроля ВХР, обеспечивающие работникам (персоналу) получение, обработку и передачу информации о показателях качества ВХР.

Согласно РБ-002-97 и стандарту предприятия эксплуатирующей организации (СТП-ЭО) для энергоблоков АЭС с ВВЭР-1000, показатели качества теплоносителя и рабочей среды разделены на нормируемые и диагностические, что соответствует общепринятой мировой практике для АЭС с PWR [5, 6].

К нормируемым показателям относятся показатели качества теплоносителя и рабочей среды, поддержание (соблюдение) которых в диапазоне допустимых значений обеспечивает проектный ресурс безопасной и надёжной эксплуатации оборудования без снижения экономичности.

К диагностическим показателям относятся показатели качества теплоносителя и рабочей среды, обеспечивающие получение дополнительной информации о причинах изменения нормируемых показателей или ухудшения ВХР [5].

Нормативное закрепление понятий о нормируемых и диагностических показателях качества теплоносителя и рабочей среды в руководящем документе по безопасности [1] и СТП-ЭО характеризует необходимость повышения информативности и надёжности [3] систем химического контроля на АЭС. А в монографии [7], посвящённой обобщению опыта проектирования и эксплуатации реакторных установок ВВЭР для энергоблоков АЭС, повышение качества ВХР отнесено к первоочередным мероприятиям, обеспечивающим повышение эксплуатационной надёжности и ресурса оборудования энергоблока.

Текущее состояние ВХР на АЭС определяется при оперативном химическом контроле показателей качества теплоносителя и рабочих сред. В соответствии с СТП - ЭО система химического контроля предназначена для получения оперативной информации о состоянии ВХР первого и второго контура энергоблока АЭС посредством измерения нормируемых и диагностических показателей качества теплоносителя и водных сред систем безопасности в целях поддержания нормируемых показателей качества теплоносителя и рабочих сред при эксплуатации энергоблока [5]. Решение задачи безопасности и надёжности функционирования оборудования в значительной мере связано с повышением эффективности и информационной надежности оперативного химического контроля на АЭС [7, 8].

В соответствии с ГОСТ 16504-81 [9] «Сущность всякого контроля сводится к осуществлению двух основных этапов:

1 Получение информации о фактическом состоянии объекта, о признаках и показаниях его свойств (первичная информация).

2 Сопоставление первичной информации с заранее установленными требованиями, нормами, критериями, т.е. обнаружение соответствия или несоответствия фактических данных требуемым (ожидаемым)».

Согласно МИ 2233-2000 [10] критерием эффективности аналитических измерений в первую очередь является обеспечиваемое на их основе качество реализации функции управления технологическим объектом. В этой связи критерием эффективности химического контроля на АЭС в первую очередь необходимо считать обеспечиваемое качество реализации функции управления состоянием ВХР, которое определяется целым рядом взаимосвязанных внутриконтурных процессов, таких как:

- процессы химического превращения;

- массопереноса;

- образования и отложения продуктов коррозии и эрозии;

- накопления солевых продуктов в продувочной воде;

• — накопление продуктов деструкции катионитовых фильтров;

- термолиза, радиолиза и другие;

- процессы диффузии, теплопередачи, парообразования, конденсации и другие.

Объективная сложность оценки текущего состояния ВХР на АЭС связана с тем, что указанные процессы, как правило, происходят совместно, что затрудняет их изучение и выделение главных или лимитирующих факторов, влияющих на состояние оболочек тепловыделяющих элементов, конструктивных материалов и оборудование и формирующих значения контролируемых показателей качества ВХР.

Ввиду своей актуальности, проблема оценки текущего состояния технологических объектов управления, к которым, безусловно, можно отнести и энергоблоки АЭС, нашла отражение в специальной литературе [11, 12] и в нормативных документах [13, 14]. В ГОСТ Р 50779.40 - 96 отмечается, что «собственный разброс характерен для всех процессов из-за большого числа незначительных случайных воздействий. Вследствие этого результаты измерений, полученные в ходе нормального течения процесса, непостоянны. Непостоянны и отслеживаемые статистические характеристики, например, выборочное среднее, медиана и т.п. Поэтому необходимо ввести статистически обоснованные границы для данной отслеживаемой характеристики с целью минимизировать ошибочные решения при управлении процессом». Поскольку, согласно ГОСТ Р 50779.44 - 2001, «обслуживающий персонал должен ясно понимать поведение процесса и его изменчивость, возникающую под влияниями обычных и особых причин» [15, 16, 17].

В наиболее общем виде оперативная задача оценки состояния ВХР на АЭС заключается в своевременном обнаружении (идентификации) или превентивной диагностике неблагоприятных тенденций [12; 18] развития внут-риконтурных физико-химических процессов, формирующих текущее состояние ВХР, и в прогнозировании изменений значений контролируемых показателей качества ВХР, вызванных неполадками, зародившимися при эксплуатации технологического оборудования и систем поддержания ВХР.

К настоящему времени общепризнанным становится представление о том, что массивы результатов измерений, характеризующие текущее состояние ВХР в контурах энергоблоков АЭС, как многофакторного технологического объекта управления, имеют явно выраженный стохастический характер [18-35].

Используемая для контроля внутриконтурных физико-химических процессов совокупность результатов аналитических измерений контролируемых показателей качества ВХР образует соответствующую технологическому процессу совокупность реализаций процесса или временных рядов, имеющих стохастический характер, т.е. содержащих наряду с детерминированной и случайную составляющую. Вид и вероятностные свойства указанных временных рядов «. определяются физико-химической природой процессов, протекающих в контурах и технологических средах энергоблока АЭС, заданными технологическими режимами, а также особенностями конструкции контуров и квалификацией эксплуатационного персонала» [19].

Стохастический характер совокупностей результатов измерений обусловлен тем, что внутриконтурные физико-химические процессы и собственно регламентные процедуры обеспечения и поддержания ВХР, формирующие значения контролируемых показателей качества ВХР, подвержены воздействию различных (в том числе и меняющихся во времени) случайных факторов.

Наряду со случайными факторами существует и целый ряд «технологических причин», приводящих к тому, что состав технологических сред (теплоносителя и рабочих сред) в процессе эксплуатации энергоблока АЭС с ВВЭР колеблется, имея в качестве составляющей случайную величину [19, 20]. Эти технологические колебания и флуктуации являются следствием целого ряда (объективных технологических) причин, обусловленных самим характером технологического процесса и особенностями протекания внутриконтурных физико-химических процессов, среди которых в первую очередь необходимо выделить следующие причины. Колебания теплогидравлических характеристик работы оборудования, включая естественную задержку по тракту теплоносителя (инерционность) реакции показателей качества ВХР на регламентные технологические процедуры и локальную вариацию значений показателей качества ВХР, приводят к флуктуациям состава теплоносителя и рабочих сред. На наличие указанных флуктуаций показателей качества теплоносителя и рабочих сред (около среднеэксплуатационных значений контролируемых процессов) с периодом до десятков минут, исключающим в силу своей малости возможность оперативного воздействия с помощью средств поддержания ВХР, указывалось в работах [21-24]. Независимо от своей природы такие флуктуации должны быть квалифицированы как «естественные шумы показателей качества ВХР» при заданных возможностях средств и технологии его поддержания. Анализ указанных «шумов» может являться источником диагностической информации о контролируемых показателях качества, однако в настоящей работе эта задача не рассматривается.

Технологические причины. Причины, порождающие (технологические) колебания значений контролируемых показателей, обусловленные периодической реализацией регламентных технологических процедур поддержания ВХР, таких, как водообмены, подпитки для компенсации протечек из контура, периодическая продувка парогенератора, периодическая дозировка химических реагентов, изменение мощности реактора и др. [25]. Указанные технологические причины также вносят вклад в флуктуации результатов измерений, поскольку сами подвержены влиянию множества случайных факторов.

Причины, обусловленные внутрисистемными факторами, порождают колебания, обусловленные характером протекания внутриконтурных физико-химических процессов на установке. Причины возникновения колебаний, обусловленных внутрисистемными факторами, обсуждаются в работе [26], где отмечается, что «. разброс показателей содержания компонентов в пробах, отобранных при работе на постоянном режиме, может быть обусловлен не только методическими, организационными или иными ошибками, а проявлением внутренней природы протекания водно-химического и газового режима на установке».

Методические причины. Флуктуации результатов измерений связанные с организацией и качеством химического анализа, обусловленные погрешностью, вносимой используемыми методиками выполнения измерений (далее МВИ) и «субъективными факторами» процедур отбора и подготовки проб технологических сред для аналитических измерений.

Основные затруднения в интерпретации текущего состояния ВХР по данным аналитических измерений контролируемых показателей качества ВХР обусловлены следующими основными факторами.

Во-первых, наличием колебаний и флуктуаций, обусловленных технологией поддержания ВХР, и случайной составляющей у рядов результатов измерений, используемых для оценки текущего состояния ВХР на АЭС.

Во-вторых, тем, что процессы развития аномалий (неполадок) в работе оборудования, приводящие к изменению качества ВХР, чаще всего носят сравнительно медленный характер [27]. Постепенное развитие типичных неполадок (присосы охлаждающей воды и воздуха по мере увеличения негерметичности оборудования или арматуры, исчерпание динамической обменной ёмкости фильтров систем очистки продувочной и подпиточной воды и т.п.) реализуется, как правило, с постоянной времени, существенно большей технологически определенных интервалов времени (смена, сутки). Поэтому изменение значений контролируемых показателей, вызванное зародившейся аномалией ВХР на начальном этапе развитии аномалии, как правило, маскируется случайными флуктуациями и технологическими колебаниями, присутствующими во временных рядах результатов измерений.

В-третьих, существует проблема объективного отражения технологического процесса по данным химического анализа проб теплоносителя и рабочих сред [19]. Суть этой проблемы заключается в том, что решение о корректировке состава теплоносителя и рабочих сред принимается по результатам анализов (аналитических измерений), которые оператор получает через некоторое время (от минут до часов) после пробоотбора. За этот промежуток времени в системах и технологических средах первого и второго контура энергоблока АЭС, как правило, происходит изменение состава теплоносителя и рабочих сред, например, вследствие подпитки для компенсации протечек, дозировки реагентов в контур и др. Кроме того известна инерционность реакции теплоносителя и рабочих сред на эти воздействия [25]. Таким образом, состав теплоносителя или рабочих сред на момент принятия решения и реализации корректировки оказывается иным, чем он был в момент пробоотбора.

Одним из способов повышения качества ВХР на АЭС является раннее обнаружение или ранняя идентификация неблагоприятных тенденций {аномалий) и прогнозирование развития внутриконтурных физико-химических процессов, формирующих текущее состояние ВХР.

Указанные выше факторы вызывают у эксплуатационного персонала основные затруднения при формировании (в темпе процесса) суждений о значимости изменения показателей качества на ранней стадии возникновения «аномалий ВХР», особенно на фоне случайной составляющей и технологических колебаний. То есть в этой ситуации субъективное мнение оператора о «действительном» характере наблюдаемых в контуре процессов является основным источником ошибок при принятии решения о необходимом управляющем воздействии на ВХР, которое зачастую далеко от оптимального варианта.

Неопределённость ситуации с составом технологических сред на момент корректировки и необходимость ориентации на "среднего" оператора является одной из причин, которая заставляет разработчиков технологии ВХР устанавливать в технологическом регламенте вместо конкретного определённого значения концентрации компонента теплоносителя некоторый "коридор", внутри которого она должна находиться» [19]. Указанный « коридор » значений предусмотрен СТП-ЭО, например, для суммарной концентрации ионов щелочных металлов в теплоносителе первого контура энергоблоков АЭС с ВВЭР - 1000 и используется для оценок количества дозируемой щелочи КОН в теплоноситель [5]. При определении величины необходимого управляющего воздействия на ВХР это является одним из факторов повышения неопределенности закона регулирования технологическим процессом.

Проблема корректной интерпретации текущего состояния ВХР по данным аналитических измерений контролируемых показателей качества ВХР является важной и при решении вопроса об автоматическом управлении оборудованием по данным химического контроля [23, 24]. Отрицательные последствия возможны как при несвоевременном управляющем воздействии на ВХР, так и при неоправданном вмешательстве в процесс, когда оно недостаточно обосновано. Неоправданное управляющее воздействие, «раскачивая» ВХР, является дополнительным источником увеличения «шумов» внутриконтурных физико-химических процессов (что также повышает неопределенность закона регулирования технологическим процессом).

Для решения задач, связанных с анализом данных при наличии случайных и непредсказуемых воздействий, математиками и другими исследователями за последние двести лет был выработан мощный и гибкий арсенал методов, называемых в совокупности математической статистикой (а также прикладной статистикой или анализом данных). Эти методы позволяют выявлять закономерности на фоне случайностей, делать обоснованные выводы и прогнозы, давать оценки вероятностей их выполнения или невыполнения» [36]. Стохастический характер рядов результатов измерений приводит к необходимости использования статистических методов при разработке процедур оценки (контроля) текущего состояния ВХР на АЭС.

Выбор конкретных статистических алгоритмов, используемых на практике для оценки статистических характеристик совокупностей результатов измерений, определяется характером и особенностью вероятностных свойств результатов измерений исследуемой совокупности: данных. В этой связи для выбора статистических методов и алгоритмов, способных эффективно решить задачу оценки состояния ВХР на АЭС по результатам аналитических измерений контролируемых показателей качества ВХР, необходимо исследовать основные характеристики вероятностных свойств рядов результатов измерений. Для этого необходимо выяснить, какие факторы в процессе эксплуатации энергоблока АЭС существенно влияют на формирование вероятностных свойств результатов измерений контролируемых показателей качества ВХР, определяют те или иные их характеристики или особенности.

Важнейшими требованиями, предъявляемыми к алгоритмам оценки (контроля) состояния ВХР на АЭС с целью повышения качества поддержания ВХР являются: обеспечение заданной достоверности оценки текущего состояния ВХР при наличии случайных флуктуаций и колебательной составляющей в рядах результатов измерений; возможность раннего обнаружения (или ранней идентификации) зарождающихся аномалий ВХР с заданным уровнем доверия.

С учётом вышесказанного, алгоритмы оценки (контроля) состояния ВХР по результатам аналитических измерений контролируемых показателей, обеспечивающие повышение качества поддержания ВХР на АЭС, должны содержать: процедуры ранней идентификации неблагоприятных тенденций развития внутриконтурных физико-химических процессов, формирующих текущее состояние ВХР. процедуры получения прогноза развития внутриконтурных физико-химических процессов под влиянием неполадок, зародившихся при эксплуатации технологического оборудования и систем обеспечения и поддержания ВХР.

Практическая реализация указанных процедур, необходимых для эффективной оценки текущего состояния ВХР, предполагает разработку и создание математического обеспечения в системах поддержания ВХР на АЭС.

Целью настоящей работы является повышение эффективности алгоритмов контроля и управления процессами, формирующими текущее состояние ВХР контуров АЭС, для решения задачи ранней идентификации аномалий ВХР в условиях статистической неоднородности данных химического анализа технологических сред. Для достижения поставленной цели необходимо решить задачи: разработать методологию ранней идентификации аномалий ВХР и концепцию эталонного процесса, необходимые для создания алгоритмов оценки состояния ВХР по данным химического анализа технологических сред; исследовать вероятностные свойства рядов результатов измерений контролируемых показателей качества ВХР на АЭС с целью подбора оптимальных методов и алгоритмов, способных эффективно отслеживать и наглядно (для эксплуатационного персонала) отображать текущее состояние контролируемых технологических процессов; обосновать целесообразность применения методов вероятностной диагностики и методов робастного оценивания при разработке алгоритмов оценки (контроля) состояния и ранней идентификации аномалий ВХР на АЭС по данным химического анализа технологических сред; разработать и адаптировать статистические алгоритмы для решения задач оценки текущего состояния и ранней идентификации аномалий ВХР на АЭС по данным химического анализа технологических сред; оценить эффективность использования разработанных в диссертации алгоритмов для решения задач ранней идентификации аномалий и оценки текущего состояния ВХР на реальных данных оперативного химического контроля, полученных на действующих энергоблоках АЭС; проанализировать факторы, влияющие на эффективность использования разработанных алгоритмов оценки текущего состояния и ранней идентификации аномалий ВХР на АЭС по данным химического анализа технологических сред.

На защиту выносятся следующие положения и результаты, отраженные в диссертационной работе:

1. Методология идентификации аномалий ВХР на ранней стадии их развития на основе сравнения статистических характеристик текущего контролируемого процесса, формирующего состояние ВХР, с их значениями при нормальной эксплуатации энергоблока.

2. Принципы выбора и методы оценки характеристик качества эталонных процессов по их реализациям, формирующим состояние ВХР при нормальной эксплуатации энергоблока АЭС.

3. Обоснование выбора метода оценки законов распределения вероятности и результаты оценки законов распределения вероятности результатов измерений контролируемых показателей качества технологических сред на действующих блоках АЭС.

4. Критерии выбора статистических методов и разработанные на их основе алгоритмы контроля текущего состояния ВХР энергоблока АЭС.

5. Результаты практической оценки технологической эффективности разработанных алгоритмов для решения задачи ранней идентификации аномалий ВХР по данным оперативного химического контроля на действующих энергоблоках АЭС.

Актуальность работы. Одним из важнейших требований, предъявляемых к АЭС, является обеспечение безопасности и долговременной надёжности функционирования основного и вспомогательного оборудования энергоблока АЭС. В настоящее время повышение качества водно-химического режима (ВХР) отнесено к первоочередным мероприятиям, обеспечивающим повышение эксплуатационной надёжности и ресурса оборудования энергоблока АЭС. Одним из способов повышения качества ВХР на АЭС является раннее обнаружение или ранняя идентификация неблагоприятных тенденций (аномалий) и прогнозирование развития внутриконтурных физико-химических процессов, формирующих текущее состояние ВХР.

Основные затруднения в интерпретации текущего состояния ВХР по результатам химического анализа технологических сред обусловлены тем, что массивы результатов измерений, используемые для оценки текущего состояния ВХР, являются статистически неоднородными и имеют стохастический характер, т.е. содержат наряду с детерминированной случайную составляющую. Поэтому изменение значений контролируемых показателей, вызванное зародившейся аномалией ВХР на начальном этапе развития аномалии, как правило, маскируется статистической неоднородностью используемых данных химического анализа. Использование методов вероятностной диагностики и алгоритмов робастного оценивания, нечувствительных к наличию засоряющих выбросов и статистической неоднородности во временных рядах результатов химического анализа технологических сред, является перспективным способом решения задачи повышения качества контроля ВХР на АЭС.

Научная новизна полученных результатов состоит в разработанной методологии ранней идентификации неблагоприятных тенденций ВХР и прогнозирования развития внутриконтурных физико-химических процессов, формирующих текущее состояние ВХР на АЭС, и заключается в следующем: предложена концепция эталонного состояния ВХР, необходимая для ранней идентификации аномалий ВХР и реализации автоматических процедур контроля состояния ВХР на АЭС; теоретически обоснована необходимость адаптации метода контрольных карт, метода наименьших квадратов и алгоритмов вероятностной диагностики на основе критерия знаков при их использовании для контроля технологических процессов при наличии статистической неоднородности, колебательной составляющей и загрязняющих выбросов в данных химического анализа. разработан алгоритм выявления значимых отклонений центрального значения контролируемого процесса от априори стандартизованного значения, робастного к наличию засоряющих выбросов и колебаний, наблюдаемых в текущей реализации контролируемого процесса. адаптирована контрольная карта текущего среднего значения для статистического контроля технологических процессов в случае «загрязнённого» нормального распределения вероятности результатов измерений. получен статистический критерий сравнения выборочной медианы и априори заданного (стандартизованного) значения - ц для наиболее широкого класса распределения вероятностей экспериментальных данных. разработана робастная контрольная карта текущей выборочной медианы для ранней идентификации аномалий ВХР по выборкам малого объёма.

Практическая ценность работы заключается в следующем.

1. Проанализированы основные причины и факторы, приводящие к затруднениям в интерпретации текущего состояния ВХР на АЭС по данным химического анализа технологических сред. Это позволило сформулировать функциональные требования к алгоритмам оценки состояния ВХР, необходимые для обеспечения повышения качества поддержания ВХР на АЭС: требование обеспечения заданной достоверности информации, получаемой при оценке (контроле) текущего состояния ВХР при наличии засоряющих наблюдений, статистической неоднородности и технологических колебаний в рядах результатов измерений; требование раннего обнаружения (или ранней идентификации) проявившихся аномалий ВХР с заданным уровнем доверия.

2. На основе проведённого анализа законов распределения вероятности результатов измерений показателей качества ВХР за длительный период эксплуатации обоснована целесообразность использования алгоритмов робастного оценивания при создании статистических алгоритмов оценки состояния ВХР на АЭС по данным химического анализа. Этот вывод является важным для разработчиков процедур контроля ВХР на АЭС, поскольку ориентирует на необходимость использования алгоритмов робастного оценивания, которые ещё не нашли достаточного отражения в существующих нормативных документах, регламентирующих методы управления качеством технологических процессов.

3. Предложена методика выбора «эталонного состояния ВХР», основанная на постоперативном статистическом анализе массивов результатов измерений с учётом информации о фактическом состоянии оборудования и предыдущего опыта эксплуатации энергоблока. При разработке статистических алгоритмов контроля состояния ВХР по данным химического анализа такой подход к выбору «эталонного состояния ВХР» снижает риск неоправданного вмешательства в

ВХР. Поскольку существующая при нормальной эксплуатации энергоблока

18

АЭС статистическая неоднородность результатов анализа уже не идентифицируется как проявление аномалий ВХР.

4. На реальных данных оперативного химического контроля подтверждена эффективность использования разработанных и адаптированных статистических алгоритмов для ранней идентификации аномалий ВХР на АЭС при наличии засоряющих наблюдений, статистической неоднородности и колебательной составляющей в массивах результатов измерений. Выявлены и проанализированы факторы, влияющие на эффективность использования разработанных алгоритмов ранней идентификации аномалий ВХР на АЭС.

5. На примере идентификации протечки охлаждающей воды в главный конденсатор турбогенераторной установки по данным оперативного анализа содержания хлорид-ионов в воде главного конденсатора подтверждена эффективность предлагаемых алгоритмов вероятностной диагностики для решения задач контроля состояния оборудования, влияющего на ВХР (наличие негерметичности главного конденсатора доказано путем прямого осмотра на остановленном объекте).

6. Адаптированные и разработанные в диссертационной работе статистические алгоритмы использовались при разработке программного комплекса информационной поддержки персонала водно-химической лаборатории, переданного в опытную эксплуатацию в ФГУП НИТИ им. А.П. Александрова для решения задач ранней идентификации аномалий ВХР и уменьшения риска неоправданного вмешательства в ВХР.

Достоверность результатов, обоснованность выводов и рекомендаций. Достоверность оценок, полученных для статистических характеристик исследуемых массивов данных химического анализа, базируется на полученных в работе результатах анализа законов распределения вероятности данных химического контроля технологических сред и на корректном использовании статистических методов и алгоритмов оценивания, соответствующих выявленным классам распределения вероятности.

Обоснованность выводов и рекомендаций подтверждена: использованием в работе результатов анализа по выявлению основных причин, приводящих к затруднениям в интерпретации текущего состояния ВХР на АЭС по результатам химического анализа; приведёнными в работе результатами практического применения вновь разработанных и адаптированных алгоритмов вероятностной диагностики для ранней идентификации аномалий ВХР на АЭС с ВВЭР-1000; использованием результатов обсуждения основных положений и выводов диссертационной работы на научно-технических конференциях.

Апробация работы. Материалы диссертации были доложены и обсуждены: на научно-техническом совещании «Водно-химический режим действующих АЭС», г. Москва, 19-21 сентября 2000 г.; на научно-техническом совещании «Проблемы и перспективы развития химического и радиохимического контроля в атомной энергетике», г. Сосновый Бор 16-18 октября 2001 г.; на научно-техническом совещании «Проблемы и перспективы развития химического и радиохимического контроля в атомной энергетике», г. Сосновый Бор 16-18 сентября 2003 г.;

Материалы диссертации были представлены в виде докладов на международных конференциях:

International Congress on Analytical Chemistry Moscow, Russia 15-21 June 1997;

International Conference "Water Chemistry in Nuclear Reactors Systems" Avignon (France) 22-26 April 2002. на третьей международной научно-технической конференции «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР». г. Подольск, ФГУП ОКБ «Гидропресс», 26 - 30 мая 2003 г.

Публикации. Всего по теме диссертации опубликовано 11 работ.

Заключение диссертации по теме «Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий», Крюков, Юрий Васильевич

1 Сформулированы подходы к постановке задачи раннего обнаружения и прогнозирования неблагоприятных тенденций развития процессов, фор мирующих состояние водно-химического режима в контурах энергобло ков АЭС. 2 На основе систематического анализа массивов результатов измерений показателей качества ВХР энергоблоков АЭС за длительный период эксплуатации показано, что для описания статистических свойств ре зультатов измерений эталонных реализаций ВХР целесообразно исполь зовать распределение Лапласа или «загрязнённое нормальное распреде ление» вероятностей. Обоснована целесообразность использования ме тодов робастного оценивания для разработки эффективных статистиче ских алгоритмов контроля состояния ВХР на АЭС по данным химиче ского анализа технологических сред.3 На основе нормативных требований к качеству теплоносителя, рабочих сред, технологии поддержания ВХР и опыта эксплуатации энергоблока АЭС впервые сформулированы требования к свойствам «эталонного процесса» или «эталонного состояния ВХР» для контроля - сравнения при реализации статистических алгоритмов оценки состояния ВХР по данным химического анализа. Обоснована концепция выбора «эталон ного процесса» по результатам предварительного постоперативного ста тистического анализа массивов результатов измерений, накопленных при эксплуатации энергоблока АЭС, с учётом информации о фактиче ском состоянии технологических систем и оборудования, 4 Разработаны и адаптированы алгоритмы вероятностной диагностики для оценки состояния ВХР и ранней идентификации аномалий ВХР на АЭС по данным химического анализа: • контрольная карта текущего среднего значения для случая «загрязнённо го» нормального распределения вероятности результатов измерений; — робастная контрольная карта текущей выборочной медианы для ранней идентификации аномалий ВХР по выборкам малого объёма; — алгоритм обнаружения аномалий ВХР по толерантным пределам измен чивости контролируемых показателей качества, полученным для эталон ной реализации ВХР; — алгоритм выявления отклонений центрального значения текущего кон тролируемого процесса от центрального значения эталонного процесса робастный при наличии колебательной составляющей в массиве резуль татов измерений; — алгоритм информационной поддержки персонала при оперативном кон троле показателей качества ВХР по ПУ, снижающий риск необоснован ного вмешательства в ВХР при наличии единичных выбросов в текущих данных химического анализа; — алгоритм информационного резервирования для повышения надёжности ранней идентификации аномалий ВХР на основе анализа корреляции взаимосвязанных показателей качества ВХР. 5 На практических примерах анализа поведения контролируемых показате лей качества технологических сред первого и второго контуров энерго блоков АЭС с ВВЭР-1000: — подтверждена эффе1стивн0сть использования разработанных статистиче ских алгоритмов для оценки текущего состояния ВХР, ранней идентифи кации аномалий ВХР и решения задач контроля состояния оборудования, влияющего на ВХР, при наличии засоряющих наблюдений, статистиче ской неоднородности и колебательной составляющей в массивах резуль татов измерений, полученных при химическом анализе показателей каче ства технологических сред; — выявлены и проанализированы факторы, влияющие на эффективность использования разработанных алгоритмов ранней идентификации анома лий; • обоснована целесообразность использования алгоритмов робастной рег рессии для получения прогноза развития контролируемого процесса, не обходимого при оценке запаса по времени при решении оперативных за дач управления ВХР; • показано, что реализация корректирующего воздействия на ВХР по те кущим значениям робастных (устойчивых к наличию случайных факто ров) статистик значений контролируемых показателей позволяет снизить вероятность перерегулирования процесса за счёт снижения влияния оши бок оценки его качества, обусловленных собственной изменчивостью, статистической неоднородностью данных и наличием загрязняющих вы бросов.6 Полученные результаты практической оценки эффективности предло женных алгоритмов свидетельствуют, что их реализация на действующих энергоблоках АЭС в виде программных средств информационной под держки персонала позволит принципиально улучшить качество контроля и поддержания ВХР основных контуров, вспомогательных систем и обо рудования, влияющего на качество технологических сред.7 Рассмотренные подходы к решению проблемы информационной под держки персонала энергоблоков АЭС при контроле и принятии решений по управлению ВХР были предложены Генпроектантам АЭС и нашли отражение в технических проектах и технических заданиях на разработку подсистем химического контроля в составе АСУ ТП перспективных АЭС (АЭС с ВВЭР-640 и ВВЭР-1000).

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Крюков, Юрий Васильевич, 2005 год

1. Водно-химический режим атомных станций. Основные требования Общие положения обеспечения безопасности атомных станций. ОПБГОСТ 27.003-90 Надёжность в технике. Состав и общие правила задаКрицкий В.Г. Проблемы коррозии и водно-химических режимов АЭС. С111-ЭО-003-

2. Стандарт предприятия. Водно-химический режим безопасности. РБ Г-12-43-97 (РБ-002-97). Госатомнадзор России. М: 1997 88/97 (ПН АЭ Г-1-011-97). ния требований по надёжности. Пб.: CPfflTO, 1996. 246 с. первого контура энергоблоков атомных электростанций с реаьсторами ВВЭР-1

3. Нормы качества теплоносителя и средства их обеспечения. Водно-химический режим второго контура атомных электростанций с реакторами ВВЭР-1

4. Нормы качества рабочей среды и средства их обеспечения.

5. Трунов Н.Б., Логинов А., Драгунов Ю.Г. Гидродинамические и теплохимические процессы в парогенераторах АЭС с ВВЭР. М.: Энергоатомиздат, 2001.-316С. 7.

6. Бельнов B.K., Архипов О.П., Бугаенко В.Л., Кабакчи А., Сердюков СИ. Анализ временных рядов как метод исследования водно-химического режима первого контура реакторных установок АЭС с ВВЭР Доклады академии наук. 1998. Т. 360, №6. с. 784-786.

7. Бельнов В.К., Сердюков СИ. Кабакчи А., Архипов О.П., Бугаенко В.Л. Новый подход к анализу показателей водно-химического режима первого контура реакторных установок АЭС с ВВЭР Атомная энергия, 1999 Т. 87, вып. 3. с. 194-199.

8. Живилова Л.М., Тарновский В.В. Система и средства автоматизации контроля водно-химического режима тепловых электростанций Теплоэнергетика, 1998, №7, с. 14-19.

9. Живилова Л.М. Контроль водно-химического режима энергоблоков с применением ЭВМ. Энергохозяйство за рубежом. 1988. №3. с. 8 -13 166

10. Живилова Л.М., Назаренко П.Н., Маркин Г.П. Автоматический химический контроль водно-химического режима ТЭС. М.: Энергия, 1979. 224 Воронов В.Н., Назаренко П.Н., Паули В.К. Некоторые принципы внедрения систем химико-технологического мониторинга на ТЭС Теплоэнергетика, 1997, №6, с. 2 7,

11. Вилков Н,Я., Крюков Ю.В. Оценка текущего состояния технологического объекта управления по данным химического анализа. Аналитика и контроль.2001. Т 5. №з с. 265 274.

12. Буланов А.В., Верховская А.О., Лукашенко М.Л. Проблемы контроля химических показателей на моноблочных реакторах с естественной циркуляцией, обусловленные системными явлениями, проистекающими из конструкционных особенностей реактора и организации ВХГР. Научнотехнический сборник "Экология и атомная энергетика". Сосновый Бор: Изд. ЛАЭС, 2004, выпуск №1, с.48-51.

13. Вилков Н.Я., Крюков Ю.В. Математическое обеспечение ранней идентификации аномалий водно-химического режима на АЭС по данным оперативного химического контроля. Теплоэнергетика. 2000. №5. с. 25-28.

14. Вилков Н.Я., Крюков Ю.В., Блинов С В Выбор статистических критериев и алгоритмов вероятностной диагностики для процедур оценки текущего состояния ВХР на АЭС с ВВЭР. В сб. тезисов докладов третей научно-технической конференции «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР», г. Подольск, ФГУП ОКБ «Гидропресс», 26 30 мая 2003 г., с. 118 119.

15. Vilkov N.Ya., Klryukov Yu.V, Identification of the in-circuit process at NPP according to the analytical control data with the control charts method application International Congress on Analytical Chemistry Moscow, Russia 15-21 June 1

17. Вилков Н,Я., Киреев В.Ф., Крюков Ю.В. Формирование требований к метрологичес1сим характеристикам измерительных каналов систем химического контроля АЭС на основе статистического анализа качества контроли167

18. Вилков Н.Я., Крюков Ю.В. Математическое обеспечение средств информационной поддержки персонала в автоматизированных системах химического контроля на АЭС. В сб. тез, докл. научно-технического совещания «Водно-химический режим действующих АЭС», г. Москва, 19-21 сентября 2000 г. с. 44 45.

19. Гнеденко Б. В. Курс теории вероятностей. М.: Наука, 1969. 400 с. Коростелёв Д. П. Обработка радиоактивных газов и вод на АЭС. М.: Энергоатомиздат, 1988. 152 с. 40. 304 с.

20. Цыпкин ЯЗ., Поляк Б.Т. Огрубленный метод максимального правдоХьюбер П. Робастность в статистике: Пер. с англ. М.: Мир, 1984. подобия. Межвузовский сб." Динамика систем. Математические методы теории колебаний". Горький. 1977. вып. 12. с. 22 46. 42. Ф. Хампель, Э. Рончетти, П. Рауссеу, В. Штаэль. Робастность в статистике. Подход на основе функций влияния: Пер. с англ. М.: Мир. 1989. 512 с.

21. Джонсон Н., Лион Ф. Статистика и планирование эксперимента в технике и науке (методы обработки данных) М. Мир. 1980. 610 с.

22. Воинов В.Г., Никулин М.С. Несмещённые оценки и их применения. М.: Наука. 1989. 440 с. 45. с.

23. Новицкий Т.В., Зограф И.А. Оценка погрещностей результатов измеКрамер Г. Математические методы статистики.- М.: Мир. 1975. 648 рений Л.: Энергоатомиздат. 1991. 304 с. 47.

24. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. М.: Наука, 1969. 576 с. Федосеев М. В. Информационное резервирование в системах контроля показателей качества водно-химического режима. В сб. тезисов докладов научно-технического совещания «Водно-химический режим действующих АЭС», г. Москва, ВНИР1АЭС, 19 21 сентября 2000 г., с. 50-51.

25. Бендат Дж., Пирсол А. Прикладной анализ случайных данных М.: Мир. 1 9 8 9 5 1 2 с. 50. ГОСТ Р ИСО 5725-5-2

26. Точность (правильность и прецизионность) методов и результатов измерений. Часть

27. Альтернативные методы определения прецизионности стандартного метода измерений. 169

28. Дворкин В.И. Метрология и обеспечение качества количественного Адлер Ю.П. Шпер В.Л. Истоки статистического мышления. Конхимического анализа. М.: Химия, 2001. 263 с. трольные карты Шухарта в действии. Методы менеджмента качества. 2003.-№1, с. 34-40. 66. 67. 68. 69. 70. 71. 72. 73. 74. 75. 76. 77. 78.

29. Shewhart W.A. Statistical method for the view point of quality control. Levey S., Jennings E. R. Am. J. Clin. Pathol. 1950. V. 20 p. 1059-1

30. Химмельблау Д. Обнаружение и диагностика неполадок в химических Катеман Г., Пийперс Ф.В. Контроль качества химического анализа: Дерффель К. Статистика в аналитической химии: Пер. с нем.. М.: Большев Л. П., Смирнов И. В. Таблицы математической статистики. Westgard J. О., Groth Т., Aronsson Т. et al. Clin. Chem. 1977. V 23. p. Westgard J. O., Groth T. Clin. Chem. 1981. V 27. p. 1536-1

31. Westgard J. O., Barry P. L., Hant M. R., Groth T. Clin. Chem. 1981. V Westgard J. O. Clin. Chem. 1992. V 38. №2 p. 175-

32. Буланов А.В., Колесов Б.И., Лукашенко М.Л. и др. Радиолиз аммиака в теплоносителе первого контура реакторных установок плавучих энергоблоков. Атомная энергия, 2000 г., Т. 88. вып. 5, с. 353 358.

33. Karasawa П., Ibe Е., Uchida S., Etoh Y., Yasuda Т. Radiation induced decomposition of nitrogen. -Radiat. Phys. Chem. Vol. 37, №2, 1991, p. 193-197. 172