基于大數(shù)據(jù)的SG 支撐板狹縫堵塞率趨勢(shì)預(yù)測(cè)

周田蜜，朱桂霞，秦 鳳，錢玉剛

（中核武漢核電運(yùn)行技術(shù)股份有限公司，湖北武漢 430223）

0 引言

2004—2006 年期間，法國克里斯電廠發(fā)生了3 次泄漏[1]。通過根本原因分析發(fā)現(xiàn)，3 次泄漏均是支撐管板處傳熱管發(fā)生裂紋所致。調(diào)查還發(fā)現(xiàn)，裂紋處的支撐板狹縫均部分或全部堵塞，腐蝕導(dǎo)致傳熱管泄漏。另外，支撐板狹縫堵塞影響傳熱管傳熱效率，所以對(duì)狹縫的堵塞情況進(jìn)行研究是非常有必要的。

1 SG 支撐板狹縫堵塞率的預(yù)測(cè)方法

在立式SG 中，腐蝕產(chǎn)物在被排污系統(tǒng)排出的同時(shí)，會(huì)有一部分在SG 支撐板不斷沉積（圖1）。而SG 在安裝、調(diào)試、運(yùn)行和維修期間，也可能有異物進(jìn)入SG，在機(jī)組運(yùn)行時(shí)會(huì)給SG 傳熱管造成傷害。因此，定期對(duì)支撐板進(jìn)行沖洗，可以減緩傳熱管腐蝕和破裂的趨勢(shì)并減少對(duì)傳熱效率的影響。

圖1 SG 支撐板及支撐板的梅花孔

與法國、美國等國家相比，我國國內(nèi)的核電廠比較年輕，支撐板狹縫堵塞情況并不明顯，目前也沒有對(duì)傳熱效率造成明顯影響，所以國內(nèi)在SG 狹縫堵塞率方面的研究還處于萌芽階段，目前主要是采用渦流監(jiān)測(cè)、影像檢查等方法直接測(cè)量堵塞率和利用計(jì)算機(jī)模擬SG 物理模型。但是，直接測(cè)量方法對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行效率影響較大，例如，影像檢查往往需要在停堆的情況下才可能進(jìn)行，不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的退化狀態(tài)監(jiān)測(cè)。而計(jì)算機(jī)模擬手段只能對(duì)簡(jiǎn)化的SG 進(jìn)行建模，不能準(zhǔn)確地模擬SG 復(fù)雜的運(yùn)行過程，其對(duì)退化狀態(tài)的模擬準(zhǔn)確度也不是很高。

在SG 傳熱管的檢修和泥渣清理過程中，如何精確檢測(cè)出傳熱管結(jié)垢位置和泥渣量一直是一個(gè)難點(diǎn)，國內(nèi)外專家學(xué)者也對(duì)傳熱管結(jié)垢檢測(cè)技術(shù)做了大量研究。文獻(xiàn)[2]研究了渦流檢測(cè)技術(shù)在SG 檢驗(yàn)應(yīng)用中的基準(zhǔn)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，提出了渦流檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用的基本環(huán)境和分析檢測(cè)方法，并通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比的方式進(jìn)行驗(yàn)證。文獻(xiàn)[3]介紹了依靠美國ZETEC 公司制造的MIZ-18A 渦流檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)傳熱管進(jìn)行診斷和結(jié)垢檢測(cè)。文獻(xiàn)[4]研究了使用渦流檢測(cè)技術(shù)對(duì)SG 傳熱管進(jìn)行結(jié)垢檢驗(yàn)和缺陷診斷的優(yōu)點(diǎn)，并指出了傳熱管結(jié)垢處理過程中，應(yīng)用渦流檢測(cè)所遇到的困難以及解決方式。文獻(xiàn)[5]研究了利用超聲波技術(shù)對(duì)傳熱管進(jìn)行結(jié)垢檢測(cè)的方法，通過超聲波發(fā)射儀進(jìn)行監(jiān)測(cè)傳熱管結(jié)垢造成的腐蝕點(diǎn)位置。文獻(xiàn)[6]研究發(fā)現(xiàn)SG 的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與支撐板狹縫的堵塞率有一定的相關(guān)性。

法國EDF 與EPRI 聯(lián)合對(duì)SG 狹縫堵塞率預(yù)測(cè)方法進(jìn)行了研究。研究發(fā)現(xiàn)：通過在二次側(cè)的蒸汽溫度、液體溫度、氣壓等大量數(shù)據(jù)中，可以提取到有效的系統(tǒng)故障表征以及退化特征，同時(shí)通過機(jī)器學(xué)習(xí)方法可以估計(jì)并預(yù)測(cè)SG 狹縫堵塞率。該研究成果已經(jīng)成功地應(yīng)用于法國的EDF 核電廠，即堵塞率達(dá)到一定的閾值后，實(shí)施預(yù)防性措施，如化學(xué)清洗。

隨著人工智能算法的發(fā)展和計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的增長，SG 的運(yùn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控信息可以為系統(tǒng)的退化狀態(tài)提供有用信息，達(dá)到發(fā)揮更大作用的目的。問題的重點(diǎn)是，如何從大量的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中提取有效的系統(tǒng)故障表征以及退化特征，同時(shí)通過機(jī)器學(xué)習(xí)方法估計(jì)并預(yù)測(cè)SG 狹縫堵塞率趨勢(shì)預(yù)測(cè)。

2 方案流程

基于大數(shù)據(jù)的SG 堵塞率變化趨勢(shì)建模的研究方案主要流程為：數(shù)據(jù)預(yù)處理→特征提取→相關(guān)性分析→退化趨勢(shì)建模。因而，其主要內(nèi)容可以分為4 個(gè)部分：第一部分?jǐn)M針對(duì)數(shù)據(jù)中所包含的噪音、異常點(diǎn)和缺失點(diǎn)進(jìn)行處理；第二部分?jǐn)M在預(yù)處理數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行特征提取，以達(dá)到降低數(shù)據(jù)維數(shù)、減少非相關(guān)變量對(duì)退化趨勢(shì)模型的影響；第三部分?jǐn)M根據(jù)提取的特征向量分析其與SG 堵塞率變化的相關(guān)性，選擇可以準(zhǔn)確表征SG 堵塞率變化的特征；第四部，建立SG 堵塞率變化趨勢(shì)模型。

（1）數(shù)據(jù)預(yù)處理。本部分主要針對(duì)SG 原始監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中可能包含的噪音、異常點(diǎn)缺失點(diǎn)進(jìn)行處理。針對(duì)噪音，需要使用統(tǒng)計(jì)方法對(duì)噪音進(jìn)行分析并對(duì)監(jiān)測(cè)的時(shí)間序列數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理。針對(duì)異常點(diǎn)，需要通過利用統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行鑒別并從監(jiān)測(cè)數(shù)中刪除這些異常點(diǎn)。數(shù)據(jù)中的缺失點(diǎn)主要有兩種來源：第一種是傳感器數(shù)據(jù)在傳輸過程中由于環(huán)境噪音影響造成數(shù)據(jù)丟失，第二種是在處理數(shù)據(jù)中異常點(diǎn)的過程中，由于刪除了數(shù)據(jù)中異常點(diǎn)造成數(shù)據(jù)缺失。針對(duì)缺失點(diǎn)，需要通過分析其臨近數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)并對(duì)缺失點(diǎn)進(jìn)行重構(gòu)。

（2）特征提取。SG 的中多監(jiān)測(cè)變量中，往往包含無效和冗余特征。特征提取的過程就是去除數(shù)據(jù)中無效變量并將冗余變量進(jìn)行合并。特征提取的方法較多，大致可以分為兩類。第一類是通過在現(xiàn)有監(jiān)測(cè)變量中進(jìn)行選擇，第二類是在現(xiàn)有變量基礎(chǔ)上構(gòu)建新的特征向量。

（3）相關(guān)性分析。不同特征提取方法獲得的特征不同，而本部分主要通過相關(guān)性分析選擇與研究目標(biāo)最相關(guān)的特征。相關(guān)性分析的過程，主要通過計(jì)算所提取的特征的變化趨勢(shì)和速度與SG 堵塞率的經(jīng)驗(yàn)變化率進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)而找出最優(yōu)的特征提取方法及特征。

（4）退化趨勢(shì)建模。根據(jù)特征提取和相關(guān)性分析中獲得的最優(yōu)特征隨時(shí)間變化的趨勢(shì)，選擇合適的模型對(duì)退化趨勢(shì)進(jìn)行建模，進(jìn)而獲得SG 堵塞率變化的一般性模型。在獲得不同時(shí)間下SG 真實(shí)堵塞率數(shù)據(jù)后，可以對(duì)模型中的參數(shù)進(jìn)行估計(jì)，獲得針對(duì)某一特定SG 的退化趨勢(shì)模型。

3 總結(jié)

蒸汽發(fā)生器支撐板狹縫堵塞率的升高可能導(dǎo)致蒸汽壓力下降和二次側(cè)水位震蕩等危害，因此必須提前預(yù)警。目前通過渦流檢查可實(shí)現(xiàn)對(duì)泥渣堆積厚度的監(jiān)測(cè)，但尚無法分析支撐板狹縫堵塞率，而且渦流檢查只能在換料大修期間進(jìn)行，在測(cè)量傳熱管壁厚之外進(jìn)行結(jié)垢分析會(huì)增加額外的受照劑量和工作窗口。

通過本課題的研究可實(shí)現(xiàn)如下3 個(gè)目標(biāo)：①實(shí)現(xiàn)支撐板狹縫堵塞率的連續(xù)分析和預(yù)測(cè)，為電廠的決策提供更為全面的量化支撐；②可引起國內(nèi)核電廠業(yè)主對(duì)支撐板狹縫堵塞情況的關(guān)注，為后續(xù)支撐板的鼓泡清洗、化學(xué)清洗等研發(fā)工作提供數(shù)據(jù)支撐；③國內(nèi)關(guān)于此方面的研究尚處于起步階段，現(xiàn)開展研究有望成為此方向的權(quán)威機(jī)構(gòu)。