During operation, there is a regular failure of the electric motors of the reactor building ventilation system (KLA safety system) of the 4th stage of the NWPP. By applying mathematical analysis, namely the principal component method, it is possible to identify a correlation between environmental parameters and adverse events.

Keywords : NVNPP safety system, airtight shell ventilation system, PCA — Principal Component Analysis.

Ключевым условием достижения успеха в развитии атомной энергетики не только в России, но и во всем мире является обеспечение безопасной эксплуатации АЭС и недопущение изменения параметров, выходящих за допустимые эксплуатационные пределы. В первую очередь залогом успешного строительства и использования АЭС является применение новейших технологий в системах безопасности.

Система безопасности АЭС — одна из важнейших составляющих ядерной энергетики, которая обеспечивает надежную защиту персонала, населения и окружающей среды от недопустимого радиационного воздействия. Понятие безопасности тесно связано с понятием угрозы аварии. Именно поэтому необходимо оперативно устранять малейшие проблемы, возникающие в системах безопасности.

Особенно это касается энергоблоков АЭС, построенных по проекту «АЭС-2006», флагманского продукта российской атомной энергетики [1]. В рамках опытной эксплуатации серийных блоков представляется рациональным обеспечивать безопасное производство электроэнергии и тем самым сводить вероятность отказов основных систем и систем безопасности к минимуму, стремясь к максимальному уровню надежности. Это будет способствовать повышению конкурентоспособности российской атомной энергетики на мировом рынке.

Обеспечение безопасности АЭС тесно связано с решением основных производственных и экономических задач и никак не противоречит текущей работе станции. Предпринимаемые на АЭС меры по предотвращению аварий и отказов направлены на повышение как коэффициента использования установленной мощности, так и экономической эффективности станции.

Как известно из открытых источников технической литературы, системы и элементы безопасности атомной станции по характеру выполняемых ими функций делятся на:

— защитные. Служат для предотвращения или ограничения повреждения первых трех физических барьеров безопасности: топливных матриц, оболочек тепловыделяющих элементов и границ теплоносителя первого контура (т. е. корпуса реактора, трубопроводов и другого оборудования);

— локализующие. Предназначены для предотвращения или ограничения распространения радиоактивных веществ при авариях на АЭС. Примером комплексной и наиболее эффективной локализующей системы безопасности на современных АЭС является защитная оболочка (контейнмент);

— управляющие. Приводят в действие другие системы безопасности, контролируют и управляют ими в процессе выполнения заданных функций;

— обеспечивающие. Предназначены для снабжения систем безопасности энергией и их обеспечения рабочей средой. Обеспечивающие системы создают необходимые условия для надежного функционирования других систем безопасности [2].

Общая схема классификации систем и элементов атомной станции представлена на рисунке 1.

Рис. 1. Схема классификации систем и элементов атомной станции

Подробнее рассмотрим обеспечивающие системы.

В соответствии с требованиями общей промышленной безопасности в проекте атомной станции должны быть предусмотрены обеспечивающие системы, которые обеспечивают рабочей средой, снабжают энергией и создают требуемые условия функционирования (включая передачу тепла конечному поглотителю) для других систем безопасности. Обеспечивающие системы должны иметь такие показатели надежности выполнения заданных функций, чтобы в совокупности с показателями надежности других систем безопасности достигалась необходимая надежность их функционирования, определяемая в проекте атомной станции. Выполнение функций обеспечивающими системами имеет приоритет над действием внутренних защит их элементов, если это не приводит к более тяжелым последствиям для безопасности атомной станции [2].

Важными элементами обеспечивающих систем являются охлаждающие системы вентиляции и кондиционирования здания реактора (KLA). Схема вентиляции помещений внутреннего контейнмента принята исходя из концепции разделения помещений на две зоны:

— необслуживаемая зона. Допуск персонала возможен только в режиме планово-предупредительного ремонта. Эта зона представляет собой выгороженный объем внутреннего контейнмента, включающий в себя боксы парогенераторов и главных циркуляционных насосов, шахту реактора, вентиляционные камеры и другие помещения, где размещено оборудование и трубопроводы первого контура;

— зона ограниченного доступа. Допуск и кратковременное пребывание персонала предусматривается в режиме работы блока на мощности. Эта зона включает центральный зал, помещения электродвигателей главных циркуляционных насосов и другие помещения [2].

На рисунке 2 можно увидеть принципиальную схему функционирования системы вентиляции здания реактора, основанную на видеокадре автоматизированной системы управления технологическим процессом.

Рис. 2. Системы вентиляции здания реактора

Системы вентиляции помещений здания реактора предназначаются для выполнения следующих функций:

— удаление избыточного тепла, влаги и поддержание оптимальных условий окружающей среды для нормальной работы оборудования;

— создание нормальных климатических условий для персонала при проведении планово-предупредительного ремонта и перегрузочных работ в период останова блока;

— очистка воздуха от радиоактивных загрязнений (аэрозолей и йода);

— создания разрежения не менее 200 Па в необслуживаемой зоне и 150 Па в зоне ограниченного доступа. Такое разрежение препятствует распространению активного воздуха за пределы герметичного контура через возможные неплотности при нормальном режиме работы станции;

— разбавление радиоактивных благородных газов в воздухе помещений [2].

C момента начала эксплуатации энергоблока ВВЭР-1200 Нововоронежской АЭС существует проблема функционирования системы вентиляции здания реактора. Системы KLA запускаются при помощи электродвигателей 5АМЗН-280L-4A103 и 5АМЗН-315S-4A103 мощностью 110 и 160 кВт соответственно.

Периодически (раз в несколько месяцев) агрегаты выходят из строя вследствие короткого замыкания в обмотке статора, а также выводов клеммной коробки. Это снижает надежность системы вентиляции здания реактора и увеличивает затраты на эксплуатацию (раз в несколько месяцев производится ремонт вышедшего из строя электродвигателя).

Причиной выхода из строя могут быть как внешние условия эксплуатации, так и особенности компоновки клеммной коробки электродвигателей и питающих кабелей.

Для повышения надежности системы безопасности необходимо исключить данные повторяющиеся события и в дальнейшем учитывать это при проектировании серийных блоков.

Можно предложить следующие пути для модернизации:

— внедрение устройства плавного пуска;

— внедрение преобразователей частоты;

— модернизация схемы подключения кабелей 0,4 кВ;

— корректировка внешних условий эксплуатации (температура, влажность).

Стоит также рассмотреть альтернативный метод решения задачи, используя математический анализ данных параметров внешних условий эксплуатации. Речь идет о методе главных компонент.

Метод главных компонент (Principal Component Analysis, PCA) — алгоритм обучения без учителя, используемый для понижения размерности и выявления наиболее информативных признаков в совокупности данных.

Суть PCA заключается в предположении о линейности отношений данных и их проекции на подпространство ортогональных векторов, в которых дисперсия будет максимальной. Такие вектора называются главными компонентами, и они определяют направления наибольшей изменчивости (информативности) данных. Альтернативно суть PCA можно определить как линейное проецирование, минимизирующее среднеквадратичное расстояние между исходными точками и их проекциями [2].

Обучение без учителя (unsupervised learning) — это метод машинного обучения, при котором модель анализирует неразмеченные данные (без правильных ответов) для самостоятельного поиска скрытых закономерностей, структур или аномалий. Алгоритм сам группирует данные по схожести, снижает их размерность или находит аномалии.

Цель данного анализа — построения математической модели и графической модели параметров внешней среды эксплуатации электродвигателей с целью внедрения ее как основы для разработки автоматики, опережающей отключения или корректирующей параметры, а также системы, предсказывающей негативные события и отказы оборудования.

Построение математической модели следует начать с подготовки данных.

Параметры внешней среды за последние восемь лет эксплуатации электродвигателей KLA, значения которых реально получить, используя систему верхнего (блочного) уровня АСУ ТП, — это влажность, уровень вибрации, температура воздуха. Значения данных параметров целесообразно разбить на следующие категории:

— средние значения;

— максимальные значения;

— значения за 60 секунд до наступления события (короткого замыкания, аварийного отключения).

Для наглядности применения метода PCA возьмем параметры для 15 аналогичных событий.

В таблице 1 можно увидеть, как по пяти различным событиям меняются значения следующих параметров аналогичных агрегатов:

— температура;

— влажность;

— вертикальная виброскорость в зоне переднего и заднего подшипников электродвигателя (вибрация 1 и 2) и вентилятора (вибрация 3 и 4).

Седьмой параметр — мощность электродвигателя — берется как константа.

Таблица 1

Сводные данные для анализа PCA

В результате разложения шести переменных мы получаем две новые переменные, которые являются осями графиков параметров эксплуатации электродвигателя за несколько секунд до нарушения.

На рисунке 3 приведен результат искомого тестового исследования.

Рис. 3. График параметров работы электродвигателей за 60 секунд до нарушения (по методу PCA)

Заключение

Используя данные параметров эксплуатации электродвигателей системы вентиляции герметичной оболочки здания реактора, можно выявить зависимость оптимальной работы от параметров агрегатов исследуемого типа. Точки на рисунке 3 описывают фигуру, которая будет являться ограничивающей зоной, при приближении к которой или параметры должны автоматически корректироваться, или агрегат должен отключаться до того, как произойдет негативное событие (короткое замыкание, повреждение обмоток электродвигателя, а как следствие, простой оборудования, снижение надежности обеспечивающей системы безопасности, экономические потери). Математические модели можно в дальнейшем использовать для разработки опережающей автоматики и автоматизированных систем, предсказывающих негативные события и отказы оборудования.

Данная концепция позволит повысить надежность аналогичных систем безопасности, а также систем нормальной эксплуатации при проектировании энергоблоков следующих поколений.

Литература:

1. Поваров В. П., Платонов П. Д., Украинцев В. Ф., Горшков В. И., Воронцов В. В., Яуров С. В., Стацура Д. Б. Оборудование и технологические системы нормальной эксплуатации ядерной установки в проекте АЭС-2006. — Воронеж : Кварта, 2023. — 780 с.
2. Поваров В. П., Украинцев В. Ф., Стацура Д. Б., Гусев И. Н., Платонов П. Д., Тучков М. Ю. Системы безопасности АЭС-2006. — Воронеж : АО «Воронежская областная типография — издательство им. Е. А. Болховитинова», 2020. — 540 с.
3. Как работает метод главных компонент (PCA) на простом примере. — URL: https://habr.com/ru/articles/304214 (дата обращения 15.06.2026).