BETRIEBSDATENVERWALTUNG UND ANALYSE: DATENVALIDIERUNGSSYSTEM, EINSATZBEREICHE, EFFEKTIVITÄT UND POTENZIAL. M. Langenstein

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1 BETRIEBSDATENVERWALTUNG UND ANALYSE: DATENVALIDIERUNGSSYSTEM, EINSATZBEREICHE, EFFEKTIVITÄT UND POTENZIAL M. Langenstein BTB-Jansky GmbH Leonberg Gerlingerstrasse 151 Germany 1. Zusammenfassung Die Prozessdatenvalidierung mit VALI III ist eine Methodik, die bei verfahrenstechnischen Prozessen zur Prozessüberwachung, Prozessoptimierung, Komponentendiagnose, zur zustandsorientierten Instandhaltung in der Messtechnik, zur Beurteilung von Instandhaltungsmaßnahmen und zur Beurteilung von Abnahmemessungen eingesetzt und in der VDI 2048 beschrieben wird. VALI III ist nach VDI 2048 zertifiziert. Dies bedeutet, dass die Theorie von VALI III mit der VDI 2048 konform ist und Abnahmemessungen mit VALI III beurteilt werden dürfen. Der Vorteil einer VDI 2048 konformen Beurteilung von Differenzbetrachtungen (z. B. bei Retrofitmaßnahmen) im Vergleich zu konventionellen Methoden liegt darin, dass eine deutlich genauere Aussage über die tatsächlich gelieferte Leistungserhöhung möglich ist. Mit einer um bis zu 100 % geringeren Ergebnisunsicherheit kann so der Betreiber die vertraglich vereinbarten Leistungserhöhungen der Retrofitmaßnahmen genauer bewerten. Wird VALI III ONLINE eingesetzt, werden frühzeitig systematische Messfehler, driftende Messstellen, sich anbahnende Prozessänderungen oder ein verändertes Komponentenverhalten erkannt. Bei dem im GKN 2 im Jahr 1997 installierte ONLINE-System wurde bei den vier Speisewassermengenmessungen ein gesamter systematischer Fehler von 1,3 % festgestellt, d. h. die gemessenen vier Werte lagen in der Summe um 1,3 % über dem Summenwert der vier validierten Einzelwerten. Um die Messwerte auf die validierten Werte anpassen zu dürfen, wurde eine externe Änderungsanzeige gestellt. Im Oktober 2002 wurde die Anpassung durchgeführt, was zu einer Leistungerhöhung von 22 MW el führte.

2 2. Einleitung Die Prozessdatenvalidierung mit VALI III [1] ist eine mathemathisch-statistische Methode. Wird ein Anlagenmodell für einen verfahrenstechnischen Prozess erstellt, müssen zuerst alle verfügbaren und redundant vorhandene Messgrößen mit den zugehörigen Messunsicherheiten den Modell-Streams und Units zugeordnet werden. Das durch die Berücksichtigung aller verfügbaren Redundanzen und den Nebenbedingungen geschlossene Massen-, Energie- und Stoffbilanzen entstehende überbestimmte Gleichungssystem wird mittels der Gauss schen Ausgleichsrechnung gelöst. Man erhält aus widersprüchlichen Messwerten (mit einer 95%-igen Wahrscheinlichkeit) widerspruchsfreie, wahre Werte der Messgrößen. Aus der verbesserten Kovarianzmatrix werden die verbesserten Vertrauensintervalle der Ergebniswerte ermittelt. Dieses Verfahren wird in der VDI 2048 [2] beschrieben und stellt die bestmögliche Qualitätskontrolle zum Erkennen grober Messfehler und die Voraussetzung für eine Prozessüberwachung, Prozessoptimierung und Instandhaltungsoptimierung [3], [4], [5], [6], [7] dar. Seit dem ist VALI III (release 2002) nach der VDI 2048 zertifiziert, siehe ANLAGE 1. Damit wurde nachgewiesen, dass die mathematische Grundlage von VALI III der VDI 2048 entspricht. Somit kann VALI III für die Beurteilung von Abnahmemessungen nach VDI 2048 eingesetzt werden. 3. Theoretische Grundlage 3.1 Gausssches Ausgleichsprinzip An den Messwerten x werden gemäß Gleichung (1) Verbesserungen v angebracht, so dass man Schätzwerte (validierte Werte) x erhält. x = x + v (1) Die Verbesserungen v sind so zu bestimmen, dass die quadratische Form -1 ξ0 = v S X v Min (2) -1 SX ξ 0 v inverse empirische Kovarianzmatrix der Zufallsvariablen X quadratische Form der Fehler (Zielfunktion oder objective function) Verbesserung zu einem Minimum wird. Die empirische Kovarianzmatrix S X ist der Schätzwert für die Unsicherheit der Messgrößen X. Diese allgemeine Formulierung deckt auch das Vorhandsein von Kovarianzen, d.h. die Abhängigkeiten der Messstellen unter-

3 einander, ab. Die Gleichung (2) stellt die allgemeine Form des Gauss schen Ausgleichsprinzips dar. Liegen keine Korrelationen zwischen den Messwerten vor geht die allgemeine Form des Gauss schen Ausgleichsprinzip aus Gleichung (2) über in die folgende Gleichung: Messwert validierter Wert ξ0 = OBJECTIVEFUNCTION= = minimum (3) Standardabweichung 3.2 Qualitätskontrolle der Einzelmesswerte 2 Wenn die Bedingung v s i v,ii 1,96 (4) nicht erfüllt ist, liegt für die Messstelle oder den Schätzwert der zugehörigen Varianz ein grober Fehler vor. Dieser Messwert bzw. Schätzwert ist dann anzuzweifeln. In dieser Bedingung wird die Verbesserung des Messwerts v i auf die Kovarianzmatix der Verbesserungen bezogen. 3.3 Beurteilung von Differenzmessungen (Retrofitmaßnahmen) Die in der VDI 2048 beschriebene Methode zur Beurteilung von Differenzmessungen z.b. bei Retrofitmaßnahmen berücksichtigt eine Abhängigkeit zwischen den zeitlich unabhängig voneinander erfassten Messwerten, wenn diese mit den gleichen Messketten erfasst werden. Um zufällig auftretende Fehler der Messketten berücksichtigen zu können, müssen Korrelationskoeffizienten zwischen den zeitlich unabhängig voneinander erfassten Messwerten definiert werden. Mit dieser Vorgehensweise wird erreicht, dass die Ergebnisunsicherheiten im Vergleich zu anderen Methoden um bis zu 100 % reduziert werden können, was dem Betreiber z. B. bei einem ND-Turbinentausch eine schärfere Beurteilung der tatsächlich gelieferten Mehrleistung ermöglicht. 3.4 Berücksichtigung von Energie- und Stoffbilanzen Zur Bestimmung der thermodynamischen Zustandsgrößen für den Wasser/Dampf Prozess ist in VALI III unter anderem die Dampftafel der IAPWS-IF 97 hinterlegt. Weiter können mit VALI III beliebige chemische Reaktionsgleichungen (z. B. wichtig für die Berücksichtigung von Stoffbilanzen bei Verbrennungsvorgängen) abgebildet und in das Modell integriert werden. Die gesamte Funktionalität von VALI III kann dem Handbuch [1] entnommen werden.

4 4. Einsatzbereiche und Potenziale in Kernkraftwerken Die Prozessdatenvalidierung mit VALI III [1] kann in Kernkraftwerken eingesetzt werden, um: Abnahmemessungen mit der Betriebsmessinstrumentierung durchzuführen, Retrofit- oder Instandhaltungsmaßnahmen wie z. B. ND-Turbinentausch oder Dampferzeugerreinigungen mittels einer Deltabetrachtung unter Berücksichtigung von Korrelationskoeffizienten zu bewerten, den Anfahrvorgang zu überwachen, die thermische Reaktorleistung und die mittlere Kühlwassertemperatur genauer zu bestimmen, in der Messtechnik von der zeitorientierten Instandhaltung der Messketten auf eine zustandsorientierte Instandhaltung überzugehen, eine kontinuierliche Komponentenüberwachung zu gewährleisten wie z.b. Verfolgung des Foulingfaktors bei Wärmetauschern 5. Effektivität und Nutzen der Prozessdatenvalidierung mit VALI III anhand einiger Beispiele Die Effektivität und der Nutzen der Datenvalidierung wird anhand einiger ausgewählter Beispiele aus der Anlage GKN beschrieben. 5.1 Prozessdatenvalidierung im GKN 2 Im GKN 2 ist seit 1997 die Prozessdatenvalidierung ONLINE installiert, d.h. die Validierungsläufe werden stündlich automatisiert angestoßen. Insgesamt werden im VALI III-Modell von GKN Messwerte verarbeitet. Es ergibt sich eine Überbestimmtheit des Gleichungssystems von 123 (123 Redundanzen). Modelliert wurde der Primärkreis mit RDB, 4 Dampferzeuger, 4 Hauptkühlmittelpumen, KBA-System (Reaktorwasserreinigungssystem) und JEW-System (Sperrwassersystem). Das VALI III-Modell des Sekundärkreises enthält alle HD- und ND- Turbinen, 2 WAZÜES 2 ND-Vorwärmstrecken, 2 HD- Vorwärmstrecken und 2 Kondensatoren mit jeweils 2 Hälften. In Anlage 2 ist das GKN 2-VALI III Modell in der VALI-Oberfläche dargestellt. Kühlmitteltemperatur Eine wichtige Regelgröße im Kernkraftwerksprozess stellt die Kühlmitteltemperatur (KMT) dar. Aus diesem Grund muss die KMT so genau wie möglich bestimmt werden. In Anlage 3 ist die gemessene und die validierte KMT während eines Anfahrvorganges graphisch dargestellt. Es ist zu erkennen, dass die gemessenen Temperaturen um ca. 1 K höher liegen als die validierten Temperaturen und dass am Ende des Anfahrvorganges die validierte KMT bei der maximal zulässigen KMT von 308,5 C liegt. Würde die gemessene KMT zur Regelung herangezogen und hätte man keinen Hinweis auf die wahre KMT durch die validierten Daten, könnte die volle Anlagenleistung nicht erreicht werden.

5 Kalibrierung der Speisewassermengenmessungen Seit der Einführung der ONLINE-Validierung zeigte sich, dass die validierte thermische Reaktorleistung um ca. 40 MW th niedriger liegt als die vom Prozessrechner errechnete thermische Leistung. Als Ursache hierfür wurden die vier Speisewassermengenmessungen vor den Dampferzeugern lokalisiert. Aufgrund dieser Erkenntnis beantragte GKN 2 über eine externe Änderungsanzeige, die vier Speisewassermengenmessungen auf den validierten Wert kalibrieren zu können. Nachdem hierzu eine TÜV-Stellungnahme im August 2002 vorlag, wurde die Kalibrierung am durchgeführt. Die Ergebnisse der thermischen Reaktorleistung und der Speisewassermengensummenwert (gebildet aus den vier Einzelmesswerten der Speisewassermenge) vor und nach der Kalibrierung sind in den ANLAGEN 4 und 5 grafisch dargestellt. Somit konnte eine Leistungserhöhung von22mw el erzielt werden. Zustandsorientierte Instandhaltung der Messketten Die an der Größe des Penalty-Wertes maßgeblich beteiligten Messwerte werden vom Prozessdatenvalidierungssystem in einem separaten File als suspected tags markiert und abgelegt. Dabei werden nur die Messwerte markiert und abgelegt, welche Gleichung (4) nicht erfüllen. In ANLAGE 6 ist der Verlauf des wegdriftenden Speisewasserdruckmesswertes vor einem Dampferzeuger bei gleichzeitigem Anstieg des Summenpenalty-Wertes grafisch wiedergegeben. Der Anstieg des Summenpenalty-Wertes wird durch die immer größer werdende Abweichung zwischen dem Messwert und dem validierten Wert hervorgerufen (siehe Gleichung (3)). Veränderungen des Penalty-Wertes geben somit, bei gleichbleibend hoher Genauigkeit der validierten Ergebniswerte, schnell und zuverlässig Hinweise auf Prozessveränderungen oder driftende Messstellen. 5.2 Validierungsergebnisse aus GKN 1 Das VALI III Modell hat 96 Redundanzen bei 219 Messwerten (Temperaturen: 95, Mengenmessungen: 42, Drücke: 49, Andere: 33). In ANLAGE 7 sind sowohl Messwerte (blau) und validierte Werte (rot) als auch Performance Indicators eines Validierungslaufes in einem Flow-sheet dargestellt. In ANLAGE 8 sind vier Messwerte an einer Mengenmessblende und der zugehörige validierte Wert graphisch dargestellt. Der validierte Wert liegt um ca. 7 kg/s niedriger als der Mittelwert der vier Messwerte. Werden alle drei LOOPS berücksichtigt, ergibt sich in der Summe eine um ca. 19 kg/s höher gemessene als validierte Speisewassermenge (entspricht bei einer gemessenen gesamten Speisewassermenge von 1330 kg/s einer Abweichung von 1,4 %).

6 5.3 Bewertung von Retrofit-Massnahmen und Instandhaltungsaktivitäten Zur Bewertung von Differenzmessungen (vor und nach einer Maßnahme), wie sie bei Retrofitmaßnahmen und Instandhaltungstätigkeiten durchgeführt werden müssen, wird die Prozessdatenvalidierung unter Berücksichtigung von Korrelationskoeffizienten verwendet. In ANLAGE 9 ist für diese Vorgehensweise ein VALI IIII-Modell abgebildet. Um gleichzeitig zwei Messwertdatensätze einlesen zu können, müssen zwei Anlagenmodelle über die Korrelationskoeffizienten in Verbindung gebracht werden. Am Beispiel der Verdichterreinigung einer Gasturbine werden die Unterschiede zwischen den Ergebnissen mit und ohne Berücksichtigung von Korrelationskoeffizienten beschrieben. In ANLAGE 10 sind die Ergebnisse in graphischer Form dargestellt. Mit Berücksichtigung von Korrelationskoeffizienten ergibt sich eine Leistungserhöhung von 4,02 ± 1,77 MW. Werden die Korrelationskoeffizienten nicht berücksichtigt, errechnet sich eine Leistungserhöhung von 3,92 ± 3,17 MW (Ergebnisunsicherheiten entsprechen dem 95 %- Konfidenzintervall). Wird die mit 95 % wahrscheinlichste Leistungserhöhung ermittelt, ergibt sich eine Leistungssteigerung mit Korrelationskoeffizienten von 2,54 MW und ohne Korrelationskoeffizienten von 1,16 MW. Damit liegt unter Berücksichtigung von Korrelationskoeffizienten ein Verfahren zur Bewertung von Differenzmessungen vor, welches im Vergleich zu anderen Verfahren (Verfahren ohne Berücksichtigung von Korrelationskoeffizienten) deutlich exaktere Aussagen über die tatsächliche Leistungserhöhung zulässt. Somit kann bei Instandhaltungsmaßnahmen genauer ermittelt werden, wann der wirtschaftlich optimale Zeitpunkt für die Wiederholung der I-Maßnahme ist. Zusätzlich können mit diesem Verfahren zur Bewertung von Differenzmessungen die Leistungserhöhungen bei RETROFIT-Maßnahmen genauer bestimmt werden und unter Berücksichtigung eines Referenzzustandes (Gutzustand der Anlage) eine schleichende Verschlechterung der Gesamtanlage und somit des Wirkungsgrades frühzeitig erkannt werden. 6. Schlussfolgerungen Die Prozessdatenvalidierung mit VALI III ist eine Methodik, die mit sehr hohen Genauigkeit verfahrenstechnische Prozesse beschreibt. Die Ergebnisse können bei Kernkraftwerken sowohl zur Leistungssteigerung als auch zur Komponentendiagnose und die zustandsorientierte Instandhaltung in der Messtechnik herangezogen werden. Die damit zu erzielenden wirtschaftlichen Vorteile liegen um ein vielfaches höher, als die zu tätigenden Investitionskosten [8].

7 7. Quellen [1] Vali III USER GUIDE, BELSIM S.A., Liege, Belgium, October 2001 [2] VDI 2048, Uncertainties of measurement during acceptance tests on energyconversion and power plants - fundamentals, October 2000 [3] U. Brockmeier; Validierung von Prozeßdaten in Kraftwerken VGB-Kraftwerkstechnik Issue 9/99 Pages [4] E. Grauf, J. Jansky, M. Langenstein; Investigation of the real process data on basis of closed mass and energy balances in nuclear power plants (NPP); SERA-Vol. 9, Safety Engineering and Risk Analysis , Pages 23-40; edited by J.L. Boccio; ASME 1999 [5] Grauf, E., Jansky, J., Langenstein, M.: Reconciliation of process data in nuclear power plants (NPPs), 8th International Conference on Nuclear Engineering (ICONE) April 2-8, 2000 Baltimore, MD USA [6] M. Langenstein, J. Jansky: Process data validation in CCGT and nuclear power plants, Paper # O03/2, SmiRT 16, Washington DC, August 2001 [7] M. Langenstein, J. Jansky: Process data reconciliation in nuclear power plants, EPRI Nuclear Power Performance Improvement Seminar, July 15-16, 2002; Saratoga Springs [8] H. Eitschberger: 10 Years Experience with Process Data Reconciliation at KKL, EPRI Nuclear Power Performance Improvement Seminar, July 15-16, 2002; Saratoga Springs

8 8. ANLAGEN ANLAGE 1: VDI 2048 Zertifikat ANLAGE 2: GKN 2 VALI III Modell

9 , ,5 JEC10CT711 JEC20CT721 JEC30CT731 JEC40CT741 JEC10CT711 JEC20CT721 JEC30CT731 JEC40CT741 Reconciled Reconciled Reconciled Reconciled Measurement Measurement Measurement Measurement Temperature in [ C] , ,5 max. value , Date/Time ANLAGE 3: Kühlmitteltemperatur GKN Kalibrierung der Speisewassermengenmessungen thermische Reaktorleistung in [MW] JRE10FX612 Measurement JRE10FX612 Reconciled : : : : : : :00 Date/Time ANLAGE 4: Thermische Reaktorleistung vor und nach Speisewassermengenanpassung

10 2160 Kalibrierung der Speisewassermengenmessungen gesamte Speisewassermenge in [kg/s] : : : : : : :00 LAB60-90CF Summenwert basierend auf 4 Einzelmesswerten Date/Time LAB60-90CF validierter Summenwert basierend auf 4 validierten Einzelwerten ANLAGE 5: Gesamte Speisewassermenge basierend auf 4 Einzelmesswerten vor und nach der Speisewassermengenanpassung Pressure in [bar] PENALTY value LAB60CP001 reconciled value LAB60CP001 measurement PENALTY Reconciled :00: :00: :00: :00: :00: :00: :00:00 Date/Time 50 ANLAGE 6: Driftende Messstelle

11 TA50 LOOP 20 KMT KMT = 306,3 C KMT = 307,6 C Aufwärmspanne dt = 29,7 K dt = 29,6 K dt = dt = 29,9 K dt = 28,3 K 27,088 K dt = 27,9 K RL22-2 RZ02 TA21 B001 TA40 TA-Pump eta = 84,9 % RL23-2 RL22 TA40 TA30 YB20B001 P= 816,3 MW TA21S001 LOOP 30 KMT KMT = 308,1 C KMT = 307,6 C Aufwärmspanne dt = 29,6 K dt = 29,3 K dt = dt = 28,3 K dt = 29,6 K 26,946 K dt = 29,6 K RL23 RZ02 TA50 TA50 TA00B001 TA00 YB30B001 P= 820,7 MW YD10 RA02 T=294,8 bar p=152,5 bar TA21 TA21 TA51 RA03 TA22 TA22 SG-inlet Temperatur[ C] T = 321,451 C T=321,1 C Druck [bar] p=155,5 bar p=155,7 bar p = 155,3 bar p=155bar p=154,5 bar YA20 YA20 YD20 TA00 YD20D001 P=4,8 MW eta = 85,1 % dp = 5,69 bar dp = 5,7 bar n = 1506,19 RPM n = 1508,83 RPM TA00 TA53 TA22S001 TA22 B001 SG-inlet Temperatur[ C] T = 325,26 C T=321,1 C Druck [bar] p = 155,1 bar p = 155,3 bar p = 155,3 bar p = 155,4 bar p = 155,3 bar YA30 YA30 YD30 TA02 m = 5312,2 kg/s T=293,4 C T=293,5 C T=293,7 C T=294 C p=158,2 bar TA03 YD30 TA03 TA01 YA20 YA20 YA30 YA30 T=294 C p=158,2 bar m = 5251,2 kg/s 0,36 MW RPV YC01B001 therm. Reactor power 2469,62 MW 2462,57 MW 2437,61 MW dp = 2,9 bar TA01 YA10 YA10 YD10 YD10 model-name: VALI-Version: date Vali-run: time VALI-run: reconciliation-indicators Penalty (VDI 2048): CHI-square: reconciliation quality (<1 good): steps of iterations: plant-indicators norm-efficiency: plant-efficiency: DELTA efficiency: m = 5259 kg/s MKP YD10: MKP YD20: MKP YD30: sum MKP: 28,3 28,7 28,7 SG-inlet Temperatur[ C] T = 322,9 C T = 321,1 C Druck [bar] p=155,2 bar p=155,4 bar p = 155,3 bar p=155,2 bar p=155,4 bar YA10 YA10 P=4,9 MW P=4,8 MW P=4,8 MW P=14,4 MW legend measurement reconciled value constant RA01 P= LOOP 10 KMT KMT = 305,7 C KMT = 307,6 C Aufwärmspanne dt = 25,5 K dt = 25,4 K dt = dt = 26,5 K dt = 27,6 K 26,962 K dt = 28,4 K YB10B ,1 MW loads primary loop tthermal reactor power: Verlustleistung RDB th. power SG YB10: th. power SG YB20: th. power SG YB30: III/ :27:51 RL21 374, ,22 2, ,77 % 33,67 % -0,1 % 2467,74 MW 2469,62 MW 2462,57 MW 2437,61 MW 0,36 MW RL ,1 MW 816,3 MW 820,7 MW RZ03 RZ03 T = 293,9 C p = 152,3 bar YD30D001 P=4,8MW eta = 85 % dp = 5,63 bar dp = 5,6 bar n = 1494,91 RPM n = 1495,04 RPM T=294,2 C T=294,2 C T=294 C T=294,2 C p = 158 bar T = 294,2 C p = 158 bar T=294,15 C p = 158,1 bar T=294,6 C T=294,7 C T=294,6 C T=292,9 C T=294,2 C p=158,1 bar YD10D001 P=4,9 MW eta = 85 % dp = 5,82 bar dp = 5,8 bar n = 1497,83 RPM n = 1497,5 RPM T=294,9 bar p=152,3 bar RZ01 RZ01 ANLAGE 7: Fließbilddarstellung des Primärkreises GKN 1- Messwerte (blau) und validierte Werte (rot)

12 mass flow [kg/s] RL23F001B Reconciled 0RL23F001B Measurement 0RL23F002 Measurement 0RL23F002B Measurement 0RL23F003B Measurement : : : : : : : : : : :00 date/time ANLAGE 8: Speisewassermengemessung RL23F001/F002 Modell für die Zuordnung des Messwertdatensatzes vor Retrofit Korrelationskoeffizienten Modell für die Zuordnung des Messwertdatensatzes nach Retrofit ANLAGE 9: VALI III-Modell zur Berücksichtigung von Korrelationskoeffizienten

13 0,5 0,45 0,4 increase of electrical power output with a probability of 95% 2,54 MW 4,02 MW ohne Korrelationskoeffizienten mit Korrelationskoeffizienten Probability density 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 increase of electrical power output with a probability of 95% 1,16 MW 3,92 MW 0,1 0, ,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 8 8,5 increase of electrical power output in [MW el ] ANLAGE 10: Ergebnis der Betrachtung einer Gasturbinenverdichterreinigung