Оперативная диагностика энергетических установок
Дата: 01/02/2010
Тема: Безопасность и чрезвычайные ситуации


М.А.Кунаев, к.т.н., ст.н.с. ЦНИИ им.ак.А.Н.Крылова, Санкт-Петербург

Решая свои энергетические проблемы, человечество разработало и построило такие энергетические установки и системы управления ими, что обслуживающие операторы при попадании в предаварийные и аварийные ситуации вынуждены совершать либо преступления, делая ошибки и принимая неверные решения, либо подвиги, не допуская при этом катастрофических последствий («Атомная стратегия» № 3(29), март 2007, Ю.Н.Мясников «Нужен не подвиг, а советчик оператора»).



Краткий анализ успешности функционирования широкого спектра энергетических установок (ЭУ) различного назначения и принципа действия показывает следующее:

- чем большую мощность имеет энергетическая установка, тем сложнее система её управления;

- абсолютно надёжных энергетических установок не существует;

- люди, управляющие этими установками на всех уровнях иерархии, влияют на показатели надёжности энергетического оборудования через, так называемый, человеческий факто, который может быть и положительным, и отрицательным;

- периодически в ЭУ возникают нештатные аварийные ситуации, с которыми обслуживающий персонал не всегда может справиться (аварии на АЭС «Три майл Айленд» США, Чернобыльской АЭС; катастрофы с самолётами и морскими судами, авария на Саяно-Шушенской ГЭС и т. д.).

При функционировании искусственных технических систем, в них неизбежно будут появляться неисправности, поломки, возникать нештатные ситуации, в ряде случаев переходящие в аварии.

С этими проблемами должны справляться система управления ЭУ и обслуживающий персонал. Абсолютную надёжность энергетических установок должен обеспечивать тандем: «Техническая система управления» - «Человек (обслуживающий персонал)»

(Под абсолютной надёжностью понимается не исключение поломок, неисправностей, отказов, а своевременная идентификация неисправности, её локализация, перевод установки в щадящий режим и исключение аварии или катастрофы).

Замена стареющего парка энергетического оборудования новым поколением ЭУ происходит не так быстро, как хотелось бы, и не только у нас в стране. Проблема безаварийности энергетического оборудования, введенного в строй в 1970-1980 гг., обостряется с каждым последующим годом эксплуатации.

Так, больше половины гидротурбин, установленных на российских ГЭС, имеют износ более 45%. По международным критериям это оборудование уже относится к категории «лома». Саяно-Шушенская ГЭС в списке кандидатов на вероятные аварии находилась лишь на 66-м месте (из 110). Из 30 нормированных лет турбины отработали 29 лет 10 месяцев, то есть им оставалось два месяца проектной жизни. Не будь авария спровоцирована проблемами на Братской ГЭС 17 августа 2009 г., она случилась бы чуть позже. Более половины оборудования на теплоэлектростанциях, в том числе паровые турбины, имеют оставшийся ресурс меньше 10%. (из доклада бывшего замминистра энергетики России В. Кудрявого). Страна вступила в полосу аварийных ситуаций в энергетике, которая растянется на ближайшее десятилетие.

Одним из способов предотвращения техногенных аварий, связанных с ЭУ, является разработка и внедрение в практику эксплуатации энергетических установок диагностических экспертных систем (ДЭС).

По своему функциональному назначению и структуре организации комплексной системы управления техническими средствами (КСУТС) ДЭС находится на стыке систем управления ЭУ и её противоаварийных систем. ДЭС представляет собой искусственную интеллектуальную (ИИ) систему, способную в данной предметной области эффективно решать диагностические задачи на уровне специалистов-экспертов.

На первом этапе внедрения ДЭС представляет собой систему информационной поддержки оператора на центральном пульте управления ЭУ. Пульты управления ЭУ должны оснащаться системами оперативной диагностики, решающими в реальном масштабе времени в автоматическом режиме задачи поиска причин нарушения работоспособности (ППНР) при появлении неисправности в функционирующей установке.

Вторым этапом в развитии ДЭС является разработка самих систем. Наибольший эффект от использования диагностических экспертных систем достигается в случае, если при их разработке ставится задача обслуживания не только конкретных установок: реакторной, турбинной, генераторной, очистительной и т. д., но объекта в целом, вместе со всей совокупностью обслуживающих вспомогательных систем.

Третьим этапом в развитии ДЭС станет разработка экспертно-диагностических управляющих систем. Обладая свойствами искусственного интеллекта и функционируя в комплексе с КСУТС, они могут подключаться к системам управления ЭУ в автоматическом режиме.

Поддержка деятельности операторов ЭУ системами искусственного интеллекта диктуется особенностями задач, периодически возникающих перед операторами:

- плотность информационных потоков, поступающих на пульт управления ЭУ в предаварийных и аварийных ситуациях, достигает 30÷50 бит/с. Удовлетворительно справиться с обработкой такого объема информации в короткий промежуток времени и сформировать правильные заключения об истинном техническом состоянии оборудования могут только специализированные электронно-машинные средства;

- постоянно пополняемый опыт эксплуатации ЭУ должен точно фиксироваться, надёжно, длительно и без потерь храниться и эффективно использоваться в практике эксплуатации ЭУ. Это требование может быть выполнено при использовании различных носителей памяти, обеспечивающих работу экспертных систем;

- опыт эксплуатации ЭУ должен использоваться на всех подобных или однотипных объектах путем фиксации, анализа, формализации и тиражирования в системах искусственного интеллекта на других объектах;

- специфика работы человека-оператора, управляющего ЭУ с центрального пульта управления (ЦПУ), характеризуется периодическими стрессами, неблагоприятными, а порой, и опасными для здоровья человека ситуациями, в которых более надёжно и устойчиво могут работать машинные средства с программами диагностических экспертных систем и искусственного интеллекта в диалоговом режиме;

- задачи, возникающие перед обслуживающим ЭУ персоналом в предаварийных ситуациях, столь сложны и нестандартны, а временной ресурс для принятия решения так мал, что их реализация носит эвристический характер. Решение  этих задач требует применения эмпирических правил с использованием широкого технического опыта, правил дедукции, методов оперативного многофакторного прогноза. Теоретически они могут быть решены посредством классического математического аппарата, но практически трудно решаемы из-за отсутствия необходимого количества замеров диагностических параметров на объекте. Поэтому подобные задачи должны решаться в условиях реального времени методами ДЭС и систем ИИ. В определённом смысле, это последнее средство, когда другие методы уже не работают.

Основные принципы построения ДЭС

Для современной атомной энергетической установки (АЭУ) атомного ледокола, надводного или подводного корабля, плавучего атомного энергоблока [3,5,7] были выполнены проработки алгоритмов оперативного технического диагностирования оборудования ЭУ – алгоритмы поиска причин нарушения работоспособности (ППНР).

На втором этапе апробации методики и её проверки были построены расширенные диагностические модели ЭУ, сформулированы принципы формирования новой базы знаний и принцип построения расширенных алгоритмов ДЭС.

Полученные алгоритмы позволяют в автоматическом режиме в реальном масштабе времени решать задачи ППНР в объёме всей ЭУ, а также за счет  более глубокого анализа, идентифицирующего аномальные состояния установки по вине посторонних внешних причин распознавать предаварийные ситуации [7]. При разработке алгоритмов были использованы известные в теории искусственного интеллекта методы: теории семантических сетей, логических правил, фреймов и др.

Основные положения методики построения ДЭС поддержки оператора ЭУ следующие:

- анализ структуры оборудования ЭУ, возможности и целесообразности выделения отдельных функционально-самостоятельных элементов (ФСЭ) оборудования как потенциальных причин нарушения работоспособности ЭУ, разработка-согласование критериев структурной значимости элементов;

- построение диагностической модели установки в объёме обеспечения задач ППНР, которая включает следующие структурно-функциональные части:

-    структурно-диагностическую схему объекта в виде сети функционально-самостоятельных элементов, связей между ними и связей с внешней средой;

-    функционально-диагностическую модель объекта, содержащую аналитическое описание рабочих процессов в ФСЭ и перечень диагностических контролируемых параметров;

-    логическую диагностическую модель объекта в виде сети логических элементов, каждый из которых описывается системой логических уравнений выходных сигналов, полученных из дискретно преобразованных диагностических параметров;

-    матрицу технических состояний с дискретными значениями логических выходных сигналов по результатам решения системы логических уравнений выходных сигналов. Матрица технических состояний (ТС) является физико-математической основой алгоритмов оперативного диагностирования – алгоритмов ППНР.

- построение диагностической экспертной модели объекта на базе матрицы ТС путём её расширения. Особенности данного этапа моделирования:

- для каждого ФСЭ определяются все имеющиеся энергетические, конструктивные, управляющие и даже возможные временные связи с другими элементами оборудования;

- за счёт дополнительных логических элементов других взаимосвязанных систем, временных связей и элементов-факторов внешней среды, выявленных по результатам последнего анализа, достраивается логическая диагностическая модель объекта. Эти дополнительные элементы и связи могут иметь или не иметь установленных датчиков контроля.

Полученное множество дополнительных выделенных связей и параметров вместе с массивом параметров диагностической модели «матрица ТС» являются базой для ассоциативных, эвристических и экспертных выводов при распознавании и уточнении нештатных, не табличных и неопределённых ситуаций. На данном этапе определяется массив необходимой дополнительной диагностической информации, перечень требующихся дополнительных датчиков контроля.

Массив дополнительной диагностической информации извлекается из характеристических уравнений неопорных связей для определения информативных параметров.

Например, неопорная связь, существующая между крышкой ядерного реактора (ЯР) паропроизводящей установки (ППУ) и окружающим воздухом герметичной аппаратной выгородки, описывается следующим характеристическим уравнением функциональной зависимости в форме логического уравнения связи через логическую функцию «если–то»:

              Qяркр → ААПП выгвозд                                                   (1)


где Qяркр – обобщённый показатель технического состояния (герметичности) оборудования, установленного на крышке реактора [0;1];

ААПП выгвозд – радиационная активность воздуха в аппаратной выгородке, [ки/л] ;

→ знак логической функции «если–то».

Следующим этапом в построении диагностической экспертной модели является разработка логических уравнений, описывающих аномальные ситуации в ЭУ. Так как единицей структурного деления оборудования в основной матричной сети ТС является функционально-самостоятельный элемент, то для каждого ФСЭ, потенциально являющегося причиной образования аномальной ситуации, составляются логические уравнения графов аномальных ситуаций (ГАС) и логические уравнения эвристик (Э). Причём, количество ГАСов и эвристик не ограничено.

      QiГАС = ГАСi-1 v ГАСi-2 v ГАСi-3 v… ГАСi-n                                    (2)

      Эi i-1 v Эi-2 v Эi-3 v …Эi-n                                                       (3)

где i – номер ФСЭ оборудования;

v – знак логического сложения «или».

Таким образом, с привлечением экспертов высшей квалификации, с максимальным использованием накопленного опыта эксплуатации энергетических установок, для каждого ФСЭ составляются наборы логических уравнений (ГАСов и Эвристик), являющихся экспертными образами гипотетических аномальных ситуаций на установке или объекте, которые, по мнению экспертов-практиков, могут произойти в различных условиях эксплуатации.

Принципы построения алгоритмов диагностирования

Результаты решения системы логических уравнений диагностической логической модели заносятся в матрицу технических состояний. В таблице 1 показан фрагмент матрицы ТС, разработанной для I контура паропроизводящей установки АЭУ атомного ледокола «Сибирь».

Табл. 1


Матрица ТС является эталонной дискретной моделью технического состояния оборудования i-ой диагностической группы ЭУ. Совокупность матриц ТС всех диагностических групп образует обобщённую диагностическую модель ЭУ, являющейся основой для написания алгоритма технического диагностирования ЭУ. Замерив текущие значения диагностических параметров, можно сразу получить ответы на два вопроса:

-  работоспособна ли установка (в случае совпадения текущих значений диагностических параметров со столбцом Qi = 1 матрицы) или же работоспособность её нарушена;

- в случае нарушения работоспособности установки, можно установить, неисправность какого ФСЭ Qi привела к нарушению работоспособности всей установки.

Диагностическая модель ЭУ оперирует с дискретными значениями диагностических параметров (Zi) и дискретными значениями обобщённых показателей (Qi) технического состояния ФСЭ, принимающих значения:

1 – если внутренняя структура ФСЭ исправна, параметр в пределах допусков;

 – внутренняя структура ФСЭ не исправна, параметр вышел за верхний или нижний предел.

Для использования непрерывных диагностических параметров (теплотехнического контроля, энергомеханических, химических и др.) в дискретной модели их необходимо перевести в дискретный вид. С этой целью для каждого диагностического параметра рассматриваются верхние и нижние уставки диагностирования (УД) по методике [1]. Уставки диагностирования, рассчитанные для всего ограниченного множества режимов работы ЭУ или всего спектра изменения параметров внешней среды, подвергаются согласованию друг с другом для различных вариантов нарушения работоспособности ФСЭ, экспериментальной проверке и последующей корректировке.

Экспериментальная проверка уставок диагностирования производится на работающей по прямому назначению установке (или её стендовом варианте) путём выведения отдельных ФСЭ в неспецификационный режим работы и замера отклонения диагностических параметров. Для ФСЭ, выведение которых из спецификационного режима по условиям безопасности объекта недопустимо, расчёт и корректировка УД производятся на базе их функций работоспособности [2].

Оборудование ЭУ во всей совокупности элементов (ФСЭ) представляет собой взаимосвязанную систему. Полученные матрицы ТС диагностических групп (ДГ) имеют внутренние взаимосвязи, проявляющиеся в отклонении диагностических уставок одного или нескольких диагностических параметров других диагностических групп при нарушении работоспособности ФСЭ какой-либо ДГ.

Для определения этих внутренних связей логические уравнения выходных сигналов всех диагностических групп объединяются вместе и решаются как единая система уравнений. В итоге для каждого ФСЭ в состоянии с нарушенной работоспособностью получаем характеристический ряд дискретных значений сигналов из всего множества диагностических параметров объектов. Сравнивая нулевые сигналы этого ряда для i-го элемента ФСЭ с соответствующими нулевыми сигналами i-го ряда j-ой диагностической группы, выявляем недостающие нулевые сигналы и добавляем их в данную j-ю ДГ. Таким образом, по каждой диагностической группе получаем все внутренние межгрупповые связи объекта.

Обобщённая диагностическая модель энергетической установки представляет собою гиперматрицу технических состояний объекта (ТС). В рабочем развёрнутом виде она представляет собою единый ряд диагностических параметров объекта, вокруг которого, как вокруг единой оси, группируются отдельные диагностические группы (рис. 1).


На базе обобщённой диагностической модели разрабатывается сводный алгоритм технического диагностирования ЭУ, который представляет собой машинную программу, включающую:

- весь массив ФСЭ объекта;

- перечень диагностических параметров объекта;

- перечень спецификационных значений параметров объектов на всех эксплуатационных режимах;

- перечень верхних уставок диагностических параметров;

- перечень нижних уставок диагностических параметров;

- перечень характеристических образов всех ФСЭ для случаев исправной и неисправной внутренней структуры i-го ФСЭ;

- прогностическую матрицу ЭУ;

- словесный массив рекомендаций оператору для случаев нарушения работоспособности каждого ФСЭ.


Методы решения диагностических задач для неэлементарных и неочевидных ситуаций с нарушением работоспособности ЭУ

Диагностическая модель объекта - матрица технических состояний является строгой детерминистской моделью, в которой неисправность каждого ФСЭ представлена в виде перечня отклонившихся диагностических параметров до уставок диагностирования. Однако анализ практической эксплуатации современных энергетических установок, особенно АЭУ 2-го и 3-го поколений, показывает, что 10 - 20% всех случаев отклонений в работе ЭУ от спецификационных значений не укладывается в модели, записанные в «Инструкциях по эксплуатации ГЭУ». Экспериментальная проверка методики автоматического решения задач оперативной диагностики на полномасштабных стендах атомных энергетических установок [5,6] подтвердила эту ситуацию. Поэтому возникла необходимость разработки методов решения диагностических задач для неочевидных и неэлементарных ситуаций, то есть решения всех возможных аномальных ситуаций в функционирующей установке. Для решения задач поиска причин нарушения работоспособности (ППНР) и в этих  оставшихся 20% случаев была разработана новая инженерная методика, суть которой заключается в следующем.

Классическая задача автоматического решения задач ППНР решается алгоритмами, построенными на базе штатно измеряемых теплотехнических параметров, причём только тех, которые используются комплексной системой управления техническими средствами (КСУТС). Для экспертной диагностической системы строится экспертная диагностическая модель установки, включающая матрицу ТС классической диагностической модели. Но за счет элементов взаимосвязанных обеспечивающих и вспомогательных систем и элементов внешней среды она становится более широкой. Кроме штатной системы контроля эта модель использует и замеры, которые остаются на местных постах, а также замеры параметров во всех внешних взаимосвязанных системах и параметры внешних сред. Для примера, на рис. 2 представлен фрагмент функционально-диагностической модели АЭУ.


На данном фрагменте показаны диагностические параметры только для реактора. Параметры других взаимосвязанных ФСЭ указаны на их собственных моделях, входящих в общую функциональную модель объекта. В данной модели кроме традиционных связей между ФСЭ в виде рабочих тел представлены и другие, так называемые, неопорные связи. Одновременно со штатными указаны параметры, замеряемые на местных постах (манометрами, термометрами, уровнемерами и т. д.), а также параметры, измеряемые ручным способом.

На основании решения систем логических уравнений, логического и экспертного анализа строится диагностическая экспертная модель объекта, состоящая из:

- матрицы технических состояний объекта, позволяющей в автоматическом режиме решать задачи ППНР;

- расширения матрицы ТС:

а) вправо, за счет добавления к перечню ФСЭ других элементов из взаимосвязанных вспомогательных или внешних подсистем и различных факторов внешней среды;

б) вниз, за счет развития матрицы ТС во фреймовую сеть.


Рис. 3 Структура диагностической экспертной модели объекта

Графы развития аномальных ситуаций (ГАСы) и Эвристики позволяют путём решения логических уравнений на основе дополнительно получаемой информации выстроить логическую цепь развития процесса нарушения работоспособности достаточно сложного функционально-самостоятельного элемента.

Например, для случая нарушение работоспособности главного конденсатора ГТЗА в ПТУ «Мираж» уравнения ГАС ГК№1 имеют вид:

ZГАС = ГАС1 v ГАС2 v ГАС3 v … ГАСn
Здесь каждый номер ГАСi – конкретное направление развития аварийной ситуации, позволяющее  установить её первопричину:

ГАС1 – блок эжекторов;

ГАС2 – вакуумная часть конденсатора;

ГАС3 – система охлаждения главного конденсатора и т. д.

Эвристики – логические уравнения, позволяющие выявить причину во внешней среде:

Zэ = Э1 v Э2 v Э3...v Эn

Логические уравнения ГАСов составляются по коньюктивно-дизъюнктивной схеме специалистом-экспертом данного типа ЭУ. Логические уравнения эвристик составляются коллективом специалистов-экспертов. По мере накопления опыта эксплуатации подобных объектов набор ГАСов и Эвристик может увеличиваться без ограничения. Указанные особенности отражают широкие адаптивные возможности данной модели.

Таким образом, если матрица технических состояний позволяет успешно решать задачи поиска причин нарушения работоспособности, то экспертно-диагностическая модель дает возможность распознать возникновение аномальных ситуаций на основе логико-эвристического анализа штатной и дополнительно получаемой информации из взаимосвязанных систем и оборудования как самой ЭУ, так и не входящего в её состав.

Работа диагностической экспертной системы

Функционирование диагностической экспертной системы осуществляется параллельно с работой систем управления объектом. Вычислительные комплексы, входящие в состав ДЭС, получают текущую информацию о значении параметров рабочих процессов на объекте от штатной бортовой системы централизованного контроля и КСУТС, не мешая их работе.

Перечень подпрограмм оперативного диагностирования установки включает:

- опрос текущих значений диагностических параметров;

- масштабирование измеренных сигналов;

- сравнение массива полученных сигналов с верхними уставками ДП;

- сравнение массива полученных сигналов с нижними уставками ДП;

- формирование дискретного ряда текущих значений диагностических параметров (сигналов) всей диагностической группы или всей ЭУ;

- сравнение полученного дискретного ряда текущих значений параметров с 1-м рядом (рядом эталонных значений для работоспособного состояния всех ФСЭ ЭУ) матрицы ТС диагностических групп объекта (ДГ1; ДГ2; ДГ3;…ДГn);

- сравнение полученного дискретного ряда текущих значений параметров с последующими рядами матрицы: вторым и последующими до встречи с тем рядом, с которым будет полное совпадение;

- формирование заключения о текущем техническом состоянии установки:

- «Установка работоспособна», либо «Нарушена работоспособность установки. Первопричина – ФСЭ №5 (электроконденсатный насос ГТЗА №1)»;

- рекомендация обслуживающему персоналу;

- оперативный прогноз.

Если оператор ПУ не удовлетворён результатом решения задачи, а сложившаяся в ЭУ обстановка позволяет разрешать ситуацию дальше, то оператор включает экспертную диагностическую программу.


Заключение

Разработанная методика построения диагностической экспертной системы объекта любой сложности и энергонасыщенности позволяет разгрузить оператора в напряжённые моменты и дефиците времени при возникновении скоротечных процессов развития нарушений и уменьшить до предела риск принятия неверного технического решения. Информация, представляемая на пульт управления оператору, не требует от него проведения в оперативном режиме управления дополнительного трудоёмкого анализа множества отклонившихся и не отклонившихся значений параметров рабочих процессов для уточнения ситуации и выработки правильных решений. Получение в течение 1-2 секунд решения возникших в результате предаварийной ситуации задач исключает потерю времени и увеличивает вероятность недопущения аварии. Обеспечение всех сложных технических объектов, таких как  АЭУ, ГЭСы, ТЭЦы, самолётов, подводных и надводных кораблей, транспортных и пассажирских судов и т.п. диагностическими экспертными системами нельзя откладывать в долгий ящик.

Библиография
1. Мясников Ю.Н. Нужен не подвиг, а советчик оператора. // «Атомная стратегия XXI», №3 (29), 2007.
2. Кунаев М.А. Формирование уставок диагностических параметров для решения задач поиска причин нарушения работоспособности энергетической установки. // Сборник «НТО им. акад. А.Н. Крылова», вып. 333, 1980.
3. Кунаев М.А. Логические методы в задаче диагностирования энергетических установок. // Сборник «Вопросы судостроения», вып. 17, 1979.
4. Кунаев М.А., Годунов В.А., Хрустальков В.Г.  Реализация алгоритмов диагностирования комплекса технических средств в судовой КСУ ТС. // «Судостроительная промышленность», серия «Автоматика и телемеханика», изд. «Румб», №6, 1988.
5. Кунаев М.А., Мясников Ю.Н., Байдуник З.Я., Павлов А.А. Методические основы разработки диагностического обеспечения энергетических установок кораблей ВМФ. // Труды 2-ой Всесоюзной научно-технической конференции «Контроль и диагностика общей техники», ВИМИ 28-30.11.1989.
6. Кунаев М.А. Экспертная система информационной поддержки оператора, управляющего АЭУ.//  Труды Международной конференции по судостроению «100 лет ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова», 8-12 октября 1994г., С.-Петербург, Россия.
7. Кунаев М.А. Диагностические экспертные системы для оперативной поддержки операторов АЭУ. // Труды Международной конференции «Военно-морской флот и судостроение в современных условиях», 26-29 февраля 1996г., С.-Петербург, Россия.

Авторская справка
С 1963 по 1972 г. - служба на кораблях ВМФ СССР; оператор пульта управления ЭУ, командир 1 дивизиона атомного подводного ракетоносца "К-216"; ветеран подразделения особого риска; доцент кафедры ядерных реакторов Военно-Морского Инженерного Института ("Дзержинка").






Это статья PRoAtom
http://www.proatom.ru

URL этой статьи:
http://www.proatom.ru/modules.php?name=News&file=article&sid=2155