Patnácté výročí dodávek systémů řízení regulačních mechanismů reaktorů VVER

Příspěvek si klade za cíl ve stručnosti seznámit s historií jedné specializované aplikace řídicích systémů, které v současnosti může ZAT a.s. nabídnout svým zákazníkům. Touto aplikací jsou systémy řízení regulačních mechanismů jaderných reaktorů VVER. Článek stručně popisuje historii oboru a seznamuje s dosavadními instalacemi v elektrárnách. CO NABÍZÍ ZAT Firma ZAT a.s. v současné době disponuje know-how pro vývoj, projektování a výrobu řídicích systémů pro pohony regulačních mechanismů jaderných reaktorů VVER 1000 a VVER 440. Tyto systémy dodává ve spolupráci se ŠKODA JS a.s. nebo samostatně. Know-how spolu se všemi pracovníky tohoto oboru firma ZAT a.s. získala na počátku roku 2003 nákupem části Divize Controls společnosti ŠKODA ENERGO s.r.o., která v rámci restrukturalizace odprodala všechny své aktivity, směřující do oblasti automatizačních systémů pro energetiku. Firma ZAT a.s. tak zcela převzala i obor řídicích systémů pro jadernou energetiku, a to včetně garancí a zajištění servisu pro dodávky uskutečněné před 1.1.2003. V současné době jsou systémy firmy ZAT pro řízení regulačních mechanismů v provozu na devíti ukrajinských blocích s reaktory typu VVER 1000 a v České republice na dvou blocích s reaktory typu VVER 1000 a dvou blocích s reaktory VVER 440. V listopadu roku 2007 byl po úspěšně provedených zkouškách převzat zákazníkem třetí systém RRCS, určený pro 2. blok jaderné elektrárny Dukovany. Z rozsahu již uskutečněných dodávek pro jadernou energetiku i dalších připravovaných kontraktů v tomto oboru je patrné, že firma ZAT a.s. je zákazníky vnímána jako dobrý a spolehlivý partner, schopný splnit závazky v dohodnutém termínu a ve špičkové kvalitě. Zkušenosti, které výrobce získává při projekční činnosti, výrobě, zkouškách a následném provozu těchto systémů, jsou přenášeny i do dalších oborů, pro které ZAT a.s. řídicí systémy dodává. HISTORIE OBORU Historie oboru řídicích systémů regulačních mechanismů jaderných reaktorů VVER se začala odvíjet od praktického naplňování mezivládní dohody s tehdejším Sovětským svazem (SSSR) o osvojování technologií, použitých v oblasti jaderné energetiky. Až do začátku 80. let se ale spolupráce se SSSR orientovala pouze na jaderné strojírenství a oblast systémů řízení reaktoru byla řešena výhradně v SSSR. V souvislosti s tím, že na základě mezivládní dohody byla ŠKODA JS (tehdy Závod Energetické strojírenství v koncernovém podniku ŠKODA Plzeň) v první polovině 80. let pověřena účastí na modernizaci lineárního krokového pohonu (LKP) pro VVER 1000, bylo nezbytné vyvinout i systém pro řízení tohoto pohonu. Tímto úkolem byl pověřen Elektrotechnický závod ETD (později závod Automatizace), který byl také součástí tehdejšího plzeňského koncernu. Výsledkem této etapy byl na straně ŠKODA JS modernizovaný pohon a na straně ETD prototyp zařízení pro jeho řízení. Byly vyrobeny čtyři prototypy pohonu, které spolu s nově vyvinutými systémy elektroniky silového řízení pohonu (PSŘ) a vyhodnocení polohy (PUP) byly podrobeny zkouškám životnosti na stendech ve ŠKODA JS i v OKB Gidropress v SSSR. Zkušenosti z prototypových a životnostních zkoušek byly v průběhu roku 1991 zahrnuty do konstrukce pohonu ŠKODA LKP-M/1 i elektronického zařízení, určeného pro 1. a 2. blok JE Temelín. První vyrobený pohon z této série byl v roce 1992 spolu s PSŘ nasazen do zkušebního provozu na 3. bloku Jihoukrajinské jaderné elektrárny. Tento okamžik je považován za zahájení dodávek zařízení, podílejícího se na řízení výkonu reaktoru. Tehdy ojedinělé technické řešení s využitím programovatelné techniky (mikroprocesor Intel řady 196) bylo po počátečních obavách všemi techniky kladně přijato. Mikroprocesorová technika totiž v systému řízení a ochrany reaktoru nebyla do té doby v zemích bývalého východního bloku nikde použita. V roce 1994 byly na stejném bloku Jihoukrajinské jaderné elektrárny uvedeny do provozu čtyři prototypy systému vyhodnocení polohy regulačních mechanismů (klastrů). Také tyto systémy byly navrženy s využitím programovatelné techniky. Pohon LKP-M/1 byl úspěšně provozován, včetně jemu příslušných prototypů elektronických systémů, až do roku 2004, kdy se začala připravovat záměna všech pohonů a systému SGIU-M. K té došlo při pravidelné odstávce v roce 2005. Zkušební provoz byl původně plánován na jeden rok, ale vzhledem k pozitivním provozním zkušenostem byl průběžně prodlužován až na plných 12 let. Prodlužování zkušebního provozu umožnilo mimo jiné získat důležité poznatky z reálného provozu a tím významně rozšířit znalosti a zkušenosti firmy v tomto oboru. V polovině 90. let stály ukrajinské státní orgány před rozhodnutím, jakou zvolit konstrukci pohonů pro modernizaci bloků VVER 1000, kde provozované pohony ruské výroby začaly postupně dosahovat konce projektové životnosti. Současně projektovou životnost vyčerpaly i elektronické systémy jejich řízení. Úspěšný zkušební provoz pohonu ŠKODA typu LKPM/ 1 spolu se systémy jejich řízení a vyhodnocování polohy na třetím bloku Jihoukrajinské jaderné elektrárny představoval jedno z možných řešení. Na základě narůstajících provozních problémů s původně dodanými ruskými regulačními klastry požadovala ukrajinská strana prokázat schopnost pohonu pracovat s tzv. těžkými klastry. Uvedená podmínka, zkušenosti z provozu ukrajinských elektráren a rovněž záměr dosáhnout parametrů obvyklých u západních výrobců stály na počátku druhé etapy modernizace pohonů, tentokráte již bez účasti ruské strany. Po celou dobu jsme se ŠKODA JS úzce spolupracovali a vylepšovali vlastnosti a parametry elektronických částí. Těsná spolupráce přispěla k tomu, že vzniklo komplexní technické řešení - modernizovaný pohon LKP-M/2 a modernizovaný systém skupinového a individuálního řízení SGIU-M, které mělo značnou konkurenční výhodu a zcela splňovalo veškeré požadavky zákazníka. Po provedení zkoušek životnosti byl tento typ pohonu a systému SGIU-M použit při modernizaci ukrajinských jaderných elektráren. První dodávka tohoto komplexního řešení se uskutečnila v roce 1996. ŠKODA JS převzala roli generálního dodavatele a my jeho jediného subdodavatele. Tento dodavatelský model je úspěšně používán dosud. NOVÉ SYSTÉMY PRO REAKTORY VVER Zkušenosti získané při dodávkách systémů pro ukrajinské jaderné elektrárny byly využity i při návrhu nové generace systému silového řízení lineárních krokových pohonů regulačních mechanismů jaderného reaktoru VVER 1000. Tento systém byl dodán v průběhu roku 2006 na oba bloky jaderné elektrárny Temelín a po plánované odstávce uveden do provozu 14. srpna na prvním a 20. listopadu 2006 na druhém bloku elektrárny. Dodané systémy nahradily původní, instalované v době výstavby elektrárny v polovině devadesátých let. U původních systémů byla z větší části využita součástková základna bývalých socialistických států, a přestože nebyly nikdy příčinou odstavení reaktoru, vykazovaly zvýšenou poruchovost. Z tohoto důvodu společnost ČEZ a.s. přistoupila k jejich výměně. Jedním z důvodů byly nové požadavky na monitorování a diagnostiku systému včetně jím řízených lineárních krokových pohonů. Práce na projektu, vypracování veškeré potřebné dokumentace, výroba prototypu zařízení a jeho následné náročné testování trvalo necelý rok. Této relativně krátké doby od začátku návrhu do fáze uvolnění sériové výroby mohlo být dosaženo jen díky zkušenostem specialistů firmy ZAT a.s. Po ověření prototypu systému byla zahájena výroba, která včetně vyzkoušení systému (kusové, typové a funkční zkoušky) trvala dalších 9 měsíců. Detailní příprava procesu ve spolupráci s pracovníky elektrárny a důkladné vyzkoušení všech dodávaných prvků u výrobce umožnilo bezproblémovou realizaci záměny rozsáhlého zařízení v době pravidelné plánované odstávky na výměnu paliva. Dodaný systém splňuje velmi přísné požadavky na bezpečnost a spolehlivost, které jsou kladeny na jaderná zařízení a je navržen tak, aby vyhověl všem současným požadavkům mezinárodních norem na elektromagnetickou kompatibilitu, klimatickou a seizmickou odolnost apod. Ověření skutečných vlastností nového systému provedly nezávislé akreditované laboratoře. V současné době je ZAT a.s. schopen nabídnout tuto novou generaci systému všem elektrárnám s reaktory VVER 1000. Těsná spolupráce s odborníky ŠKODA JS v oblasti řízení pohonů LKP-M pro VVER 1000 poměrně rychle logicky vyústila i ve spolupráci v oblasti systému řízení pohonů regulačních kazet HRK reaktoru VVER 440. Z počátku nebyla bezprostřední možnost uplatnit dodávky tak jako tomu bylo v případě LKP-M/1 pro jadernou elektrárnu Temelín. Nejprve jsme se snažili pouze o vývoj nového moderního střídače pro řízení motoru pohonu jako alternativy k původním ruským střídačům PNČI, u kterých se v té době projevovaly závady snižující jejich provozní spolehlivost. V roce 1993 byl vyvinut, vyroben a ve ŠKODA JS ověřen prototyp střídače s mikroprocesorovým řízením. Vzhledem k tomu, že se problémy s ruskými střídači podařilo vyřešit, nedošlo již k dodávce modernizovaných střídačů. Vynaložené úsilí a získané znalosti však nepřišly nazmar, ale byly využity později. Vývoj celého systému řízení regulačních kazet jaderného reaktoru VVER 440 typu V-213 byl zahájen v roce 1998 na základě požadavku Rovenské jaderné elektrárny na Ukrajině, kde je první blok provozován od roku 1980 a původní systém řízení regulačních kazet již vykazoval výrazné známky fyzického opotřebení a zvýšenou poruchovost. Vzhledem k tomu, že zákazník plánovanou rekonstrukci odložil, byl vývoj po krátké době zastaven. Obnoven byl v roce 2000 po vypsání výběrového řízení na obnovu systému kontroly a řízení v jaderné elektrárně Dukovany. Pracovníci firmy ZAT tak při vývoji systému mohli využít své znalosti, získané během předchozích prací a při realizaci systémů skupinového a individuálního řízení reaktorů VVER 1000. SYSTÉM ŘÍZENÍ REGULAČNÍCH MECHANISMŮ REAKTORU VVER 1000 Modernizovaný systém skupinového a individuálního řízení regulačních mechanismů jaderného reaktoru VVER 1000, označovaný zkratkou SGIU-M (z ruštiny: sistema gruppovogo i individuaľnogo upravlenija - modernizirovannaja) a vyráběný v ZAT a.s., je určen pro reaktory typu V 320. Systém byl většinou určen pro záměnu původního systému (dodaného ruským výrobcem při stavbě elektrárny), ale ve dvou případech (2. blok Chmelnické a 4. blok Rovenské jaderné elektrárny na Ukrajině) se jednalo o dodávku pro bloky nově uváděné do provozu. Reaktor VVER 1000 obsahuje 61 regulačních tyčí, rozdělených do deseti skupin. Regulační tyče jsou v reaktoru umístěny vertikálně. Jejich vytahováním z aktivní zóny směrem vzhůru dochází ke zvyšování výkonu reaktoru, jejich spouštěním k jeho snižování. Vytahování i spouštění každé z regulačních tyčí a její udržování v příslušné poloze se provádí pomocí speciálního mechanismu (pohonu), pracujícího na principu ozubené závěsné tyče a soustavy elektromagneticky ovládaných západek. V případě zásahu systému havarijní ochrany reaktoru dochází k vypnutí napájecího proudu do bloků elektromagnetů všech pohonů, k uvolnění západek a k pádu regulačních tyčí jejich vlastní vahou do aktivní zóny a v důsledku toho k rychlému odstavení reaktoru. Systém skupinového a individuálního řízení regulačních mechanismů (SGIUM) je spojen s pohony regulačních tyčí. Napájí cívky elektromagnetů pohonů a cívky indukčních čidel ukazatelů polohy tyčí. Nepřetržitě vyhodnocuje aktuální polohu každé jednotlivé tyče a provádí její indikaci v hlavní i nouzové blokové dozorně. Poloha regulačních tyčí se řídí buď v ručním režimu podle povelů z pultu operátora, nebo v automatickém režimu podle povelů automatického regulátoru výkonu reaktoru, případně systému ochrany reaktoru (omezení výkonu zasouváním skupiny tyčí). Pokud systém nedostává povely ke změně polohy tyčí, udržuje tyče v dosažené poloze. Systém SGIU-M je velmi rozsáhlé zařízení, sdružující prvky číslicového řídicího systému a analogové řídicí a výkonové elektroniky. Základ celého systému tvoří prvky provozně osvědčeného řídicího systému, který je vlastním produktem firmy ZAT a.s. Zařízení systému je složeno z více než jednoho tisíce elektronických jednotek a je umístěno v 52 skříních a ve třech speciálních konstrukcích, umístěných na pultu operátora a na panelech hlavní a nouzové blokové dozorny. Z hlediska systémové architektury se jedná o široce distribuovaný systém, rozdělený na velké množství lokálních podsystémů. V každém lokálním podsystému pracuje několik mikropočítačů nebo mikrokontrolérů firmy Intel, plnících dílčí úlohy. V celém systému SGIU-M je jich použito celkem 1062 kusů. Jednotlivé lokální podsystémy jsou propojeny zdvojenými komunikačními linkami RDDCU (rozhraní RS485). Tato deterministická komunikace je realizována na základě synchronního přenosu s protokolem SDLC a s použitím principů „token passing access“ a „flying master“. Deterministický způsob přenosu dat je zabezpečen jednoznačným pořadím přístupů komunikačních uzlů na linku a časovou nezávislostí přístupů na změně hodnot dat ve zprávách. V celém systému je použito celkem pět zdvojených komunikačních linek, na kterých je připojeno téměř 300 komunikačních uzlů. Milníky vývoje a dodávek systémů pro reaktory VVER 1000 jsou shrnuty v tabulce. SYSTÉM ŘÍZENÍ REGULAČNÍCH MECHANISMŮ REAKTORU VVER 440 Systém řízení regulačních kazet jaderného reaktoru VVER 440 typu V-213, vyvinutý v ZAT a.s., je určen pro přímou náhradu morálně a fyzicky zastaralého zařízení pro řízení reaktoru, které je dosud provozováno v jaderných elektrárnách s reaktory VVER 440. Systém je možné charakterizovat jako systém skupinového a individuálního řízení regulačních kazet (používá se zkratka RRCS). Systém RRCS je jednou z částí systému kontroly a řízení a je určen pro regulaci, zastavení nebo zpomalení štěpné reakce v aktivní zóně reaktoru. Regulace štěpné reakce se provádí změnou polohy regulačních kazet (RK) v aktivní zóně. U reaktorů VVER 440 je 37 regulačních kazet, které jsou rozděleny do šesti skupin. Pět skupin obsahuje 6 RK a šestá skupina 7 RK. Pohyb kazet je vyvolán otáčením synchronního reaktančního motoru. Smysl a rychlost otáčení motoru RK je řízen akčním členem systému RRCS, který je umístěn v podsystému řízení motoru. Pracovní rychlost pohybu RK je projektem reaktoru stanovena na hodnotu 20 mm/s a musí být s poměrně vysokou přesností dodržena. Zpětná vazba polohy RK je zajišťována indukčním čidlem polohy typu LD-1. Čidlo tohoto typu je součástí každého pohonu RK u všech provozovaných reaktorů VVER 440. Výstupní signály čidla jsou zpracovávány v podsystému vyhodnocení polohy. Výsledkem zpracování signálů z čidla je údaj o hrubé poloze RK v aktivní zóně reaktoru. Systém je vybaven dvouúrovňovou diagnostikou realizovanou HW i SW prostředky. Informace se vyhodnocují a zobrazují lokálně a rovněž se přenášejí do skříně monitorování a diagnostiky. Toto uspořádání zajišťuje dosažení velmi krátkých časů identifikace závady a výměny vadného dílu. Systém RRCS je poměrně rozsáhlé zařízení, sdružující prvky číslicového řídicího systému a analogové řídicí a výkonové elektroniky. Základ celého systému rovněž tvoří prvky provozně osvědčeného řídicího systému, který je vlastním produktem firmy ZAT. Zařízení systému je složeno z více než 500 elektronických jednotek a je umístěno v 39 skříních a v pěti speciálních konstrukcích, umístěných na pultu operátora a na panelech hlavní a nouzové blokové dozorny. Celkem 21 skříní obsahuje vlastní řídicí systém, 15 skříní obsahuje výkonové prvky pro zajištění elektrického napájení systému a ve třech skříních jsou umístěny mezisvorkovnice. Z hlediska systémové architektury se jedná o široce distribuovaný systém, rozdělený na velké množství lokálních podsystémů. V každém lokálním podsystému pracuje několik mikropočítačů nebo mikrokontrolérů, plnících dílčí úlohy. V celém systému RRCS je jich použito více než 400. Jednotlivé lokální podsystémy jsou propojeny zdvojenými komunikačními linkami RDD. Tato deterministická komunikace je realizována na základě protokolu SDLC s použitím principů "flying master" a "token passing". V celém systému jsou použity celkem tři zdvojené komunikační linky se 162 komunikačními uzly. Milníky vývoje a dodávek systémů pro reaktory VVER 440 jsou shrnuty v tabulce. ZAT A BUDOUCNOST Modernizované systémy řízení regulačních mechanismů zvyšují technickou úroveň zařízení bloků s reaktory VVER 1000 i VVER 440. Z hlediska provozovatele jsou oproti původním systémům výhodné zejména svou vyšší provozní spolehlivostí, vysokým komfortem diagnostiky, podstatným snížením objemu údržby a v neposlední řadě snazším ovládáním a kontrolou stavu ze strany operátora řízení reaktoru. Uvedené systémy jsou dále rozvíjeny a modernizovány, mimo jiné s cílem modifikovat je i pro použití s novými typy pohonů regulačních mechanismů a modernizovaným palivem. Zkušenosti, získané v tomto oboru, zúročují v současné době technici ZAT a.s. i při návrhu dalších subsystémů systému kontroly a řízení reaktorů typu VVER. Firma si tak připravila a dále v předstihu buduje pozici, která jí umožní uplatnit se při očekávaném rozvoji jaderné energetiky. Ladislav Nový ZAT a.s. ladislav.novy@zat.cz