Olkiluodon ydinvoimalaitoksen hälytysjärjestelmän uusinta
Suomijärvi, Mikko (2018)
Suomijärvi, Mikko
2018
Sähkötekniikka
Tieto- ja sähkötekniikan tiedekunta - Faculty of Computing and Electrical Engineering
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2018-08-15
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tty-201806111962
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tty-201806111962
Tiivistelmä
This Master’s thesis is a part of a renewal project of Olkiluoto 1 and Olkiluoto 2 nuclear power plant units’ alarm display system (system number 517). The objective for this thesis is to determine the current state and renewal needs of the alarm display system, and to study re-engineering of electronic cards used in the system and its suitability for the renewal of the alarm display system.
The alarm display system has been in use since the commissioning of the nuclear power plant units and its implementation is based on original technology. To determine the current state of the system, fault reports of the system were analyzed by sorting and allocating them to different parts of the system. The fault reports indicate that the operating life of the alarm display system has been exceeded over decades ago and failures resulted from aging are occurring regularly in the system. Most of the failures are related to electronic cards and 5 Vdc power supply units since their part of the fault reports was 75 %. For now, failures are managed to repair with spare parts. However, new spare parts have not been available for tens of years, and hence remaining spare parts will run out someday. Thus, the alarm display system has to be renewed as soon as possible.
As an option for the renewal of the alarm display system, re-engineering of electronic cards, where original cards will be started to manufacture again, was introduced. This way, the system maintenance can be continued without renewing the whole system. To determine the final scale of the renewal, TVO had a life expectancy research done for the equipment of the alarm display system. In the research, materials of plastic parts such as various connectors and cables of the equipment were analyzed, and an estimation about their remaining lifetime was given. According to the research, parts made out of polycarbonate will still withstand at least twenty years so those parts do not need to be replaced at this point. For other plastic parts a further research was suggested because they were not able to estimate the remaining lifetime of those parts with same methods as the polycarbonate parts.
In respect of a re-engineering process, the design bases and requirements of the electronics cards which are based on the technical requirements of the nuclear power plant units, regulatory guides on nuclear safety (YVL guides) and international standards, were gathered in this thesis. The starting point for the re-engineering process is that a new electronic card will be as accurate copy of the original card as possible. Thus, it is strived to ensure that the new card will be a suitable replacement card by fulfilling the requirements of the original card. Modifications have to be made to the new cards since, for example, some original components used in the cards are not available anymore. Also, modifications have to be made because of new and changed requirements. Furthermore, new cards will be improved to increase reliability, for instance, by adding a protective lacquer coating.
In addition to the design bases and requirements, the effect of intellectual property rights on legality of re-engineering were studied in this thesis. Intellectual property rights, such as patent and design rights, and also separate contracts might restrict re-engineering. According to the study, intellectual property rights do not restrict the re-engineering of the electronic cards of the alarm display system. Thus, TVO can have the cards manufactured for their own use. The results cannot be generalized. The effect of intellectual property rights has to be evaluated separately in each case.
After collecting necessary initial data, a pilot project was initiated to test the re-engineering process first with two electronic card types. Based on the results of the pilot project, a decision about extending the process to cover all the other card types will be made. If the experiences of re-engineering prove to be positive, the process can possibly be used in renewals of other automation systems.
Re-engineering of the electronic cards will not be enough for maintaining the alarm display system thus the original 5 Vdc power supply units have to be renewed. For the renewal of the power supply units, the current consumption of the electronic cards was analyzed in this thesis. New power supply unit was selected based on the current consumption. Other selection criteria were also introduced in this thesis. Additionally, a suitability analysis for the new power supply unit was drafted.
During the thesis, further research and development topics came up. The foremost topics were development of test equipment for testing the functionality of the electronic cards, and replacement of incandescent lamp based indicator panels with LED based indicator panels. Furthermore, replacement of the voltage monitoring card and the stabilizer card with commercial product, and lowering the current consumption of the cards with low-power integrated circuits are recommended to study during the re-engineering process. Tämä diplomityö on osa Olkiluodon ydinvoimalaitokseen kuuluvien Olkiluoto 1 ja Olkiluoto 2 -ydinvoimalaitosyksiköiden hälytysjärjestelmän (järjestelmänumero 517) uusinta¬projektia. Työn tarkoituksena on selvittää hälytysjärjestelmän nykytila ja uusintatarve sekä tutkia järjestelmän toteutuksessa käytettävien piirikorttien uudelleensuunnittelua ja sen hyödyntämistä järjestelmän uusinnassa.
Hälytysjärjestelmä on ollut käytössä laitosyksiköiden käyttöönotoista alkaen ja se on toteutukseltaan alkuperäistä tekniikkaa. Hälytysjärjestelmän nykytilan selvittämiseksi työssä tutkittiin siihen kohdistettuja vikaraportteja, jotka lajiteltiin ja kohdistettiin järjestelmän eri osa-alueille. Vikaraporttien perusteella järjestelmän käyttöikä on ylitetty vuosikymmeniä sitten ja järjestelmässä esiintyy säännöllisesti ikääntymisestä johtuvia vikoja. Suurimmiksi vianaiheuttajiksi osoittautuivat piirikortit ja 5 Vdc teholähteet, joiden osuus vikaraporteista oli 75 %. Toistaiseksi viat on pystytty korjaamaan varaosien avulla. Uusia varaosia ei kuitenkaan ole ollut saatavilla kymmeniin vuosiin, joten varastossa olevat varaosat tulevat loppumaan ennen pitkään. Täten hälytysjärjestelmä on uusittava mahdollisimman pian.
Yhtenä vaihtoehtona hälytysjärjestelmän uusinnalle esitettiin piirikorttien uudelleensuunnittelua, jossa alkuperäisiä piirikortteja ryhdyttäisiin valmistamaan uudelleen. Näin järjestelmän ylläpitoa pystyttäisiin jatkamaan ilman järjestelmän uusimista kokonaan. Lopullisen uusintalaajuuden selvittämiseksi TVO teetti hälytysjärjestelmän laitteistolle elinikätutkimuksen. Tutkimuksessa analysoitiin laitteiston muoviosien kuten erilaisten liittimien ja kaapeleiden materiaaleja ja annettiin arvio osien jäljellä olevasta eliniästä. Tutkimuksen mukaan polykarbonaatista valmistetut osat tulevat kestämään vielä parikymmentä vuotta, joten niitä ei tarvitse uusia tässä vaiheessa. Muille muoviosille suositellaan jatkotutkimusta, sillä niiden jäljellä olevaa elinikää ei pystytty arvioimaan samoilla menetelmillä kuin polykarbonaatista valmistettujen osien.
Uudelleensuunnittelua varten työssä selvitettiin piirikortteihin liittyvät suunnittelu-perusteet ja vaatimuksia, jotka pohjautuvat laitosyksiköiden teknisiin määräyksiin ja ydin¬voima¬laitos¬ohjeisiin sekä kansainvälisiin standardeihin. Uudelleensuunnittelun lähtökohtana on, että uusi piirikortti on mahdollisimman tarkka kopio alkuperäisestä piirikortista. Tällä tavoin pyritään varmistamaan, että uusi kortti täyttää alkuperäisen kortin vaatimukset ja täten soveltuu sen korvaajaksi. Uusiin kortteihin joudutaan kuitenkin tekemään muutoksia, sillä esimerkiksi kaikkia alkuperäisiä piirikomponentteja ei ole enää saatavilla. Muutoksia joudutaan tekemään myös uusien ja muuttuneiden vaatimuksien takia. Lisäksi uusia kortteja parannellaan, esimerkiksi suojalakkauksella, luotettavuuden lisäämiseksi.
Suunnitteluperusteiden ja vaatimuksien lisäksi työssä selvitettiin immateriaalioikeuksien vaikutusta uudelleensuunnittelun laillisuuteen. Immateriaalioikeudet, kuten patentti- ja mallioikeudet, sekä erilliset sopimukset voivat olla esteenä piirikorttien uudelleen¬suunnittelulle. Selvityksen perusteella immateriaalioikeudet eivät rajoita hälytys¬järjestelmän piirikorttien uudelleensuunnittelua, joten TVO voi teettää uusia kortteja omaan käyttötarkoitukseensa. Tulosta ei kuitenkaan voi hyödyntää yleisesti, vaan immateriaalioikeuksien ja muiden sopimusten rajoitukset on varmistettava aina tapauskohtaisesti.
Tarvittavien lähtötietojen keräämisen jälkeen käynnistettiin pilottiprojekti, jossa piirikorttien uudelleensuunnittelua testataan ensin kahdella piirikorttityypillä. Pilottiprojektista saatujen tulosten perusteella tehdään päätös uudelleensuunnittelun laajentamisesta koskemaan myös muita hälytysjärjestelmän piirikorttityyppejä. Mikäli kokemukset uudelleensuunnittelusta osoittautuvat hyviksi, voidaan samaa prosessia mahdollisesti hyödyntää myös muiden automaatiojärjestelmien uusinnoissa.
Piirikorttien uudelleensuunnittelu ei kuitenkaan yksinään riitä hälytysjärjestelmän ylläpitoon, vaan piirikorttien lisäksi alkuperäiset 5 Vdc teholähteet on uusittava. Teholähteiden uusintaa varten työssä tutkittiin piirikorttien virrankulutusta, johon perustuen uusi teholähde mitoitettiin. Lisäksi työssä esitellään muita teholähteeltä vaadittavia ominaisuuksia. Uudelle teholähteelle laadittiin myös soveltuvuusarvio, jossa arvioidaan uuden teholähteen soveltuvuutta alkuperäisen teholähteen korvaajaksi.
Työn aikana esiin nousi muutamia jatkotutkimus- ja kehityskohteita. Niistä varteenotettavimmat olivat testilaitteen valmistaminen piirikorttien toiminnallisuuden testaamiseen ja hehkulamppukäyttöisten merkkivalotaulujen korvaaminen LED-käyttöisillä valotauluilla. Lisäksi jännitteenvalvontakortin ja stabilisaattorikortin korvaamista kaupallisella tuotteella sekä piirikorttien virrankulutuksen pienentämistä pienivirtaisemmilla logiikkapiireillä on suositeltavaa tutkia uudelleensuunnittelun yhteydessä.
The alarm display system has been in use since the commissioning of the nuclear power plant units and its implementation is based on original technology. To determine the current state of the system, fault reports of the system were analyzed by sorting and allocating them to different parts of the system. The fault reports indicate that the operating life of the alarm display system has been exceeded over decades ago and failures resulted from aging are occurring regularly in the system. Most of the failures are related to electronic cards and 5 Vdc power supply units since their part of the fault reports was 75 %. For now, failures are managed to repair with spare parts. However, new spare parts have not been available for tens of years, and hence remaining spare parts will run out someday. Thus, the alarm display system has to be renewed as soon as possible.
As an option for the renewal of the alarm display system, re-engineering of electronic cards, where original cards will be started to manufacture again, was introduced. This way, the system maintenance can be continued without renewing the whole system. To determine the final scale of the renewal, TVO had a life expectancy research done for the equipment of the alarm display system. In the research, materials of plastic parts such as various connectors and cables of the equipment were analyzed, and an estimation about their remaining lifetime was given. According to the research, parts made out of polycarbonate will still withstand at least twenty years so those parts do not need to be replaced at this point. For other plastic parts a further research was suggested because they were not able to estimate the remaining lifetime of those parts with same methods as the polycarbonate parts.
In respect of a re-engineering process, the design bases and requirements of the electronics cards which are based on the technical requirements of the nuclear power plant units, regulatory guides on nuclear safety (YVL guides) and international standards, were gathered in this thesis. The starting point for the re-engineering process is that a new electronic card will be as accurate copy of the original card as possible. Thus, it is strived to ensure that the new card will be a suitable replacement card by fulfilling the requirements of the original card. Modifications have to be made to the new cards since, for example, some original components used in the cards are not available anymore. Also, modifications have to be made because of new and changed requirements. Furthermore, new cards will be improved to increase reliability, for instance, by adding a protective lacquer coating.
In addition to the design bases and requirements, the effect of intellectual property rights on legality of re-engineering were studied in this thesis. Intellectual property rights, such as patent and design rights, and also separate contracts might restrict re-engineering. According to the study, intellectual property rights do not restrict the re-engineering of the electronic cards of the alarm display system. Thus, TVO can have the cards manufactured for their own use. The results cannot be generalized. The effect of intellectual property rights has to be evaluated separately in each case.
After collecting necessary initial data, a pilot project was initiated to test the re-engineering process first with two electronic card types. Based on the results of the pilot project, a decision about extending the process to cover all the other card types will be made. If the experiences of re-engineering prove to be positive, the process can possibly be used in renewals of other automation systems.
Re-engineering of the electronic cards will not be enough for maintaining the alarm display system thus the original 5 Vdc power supply units have to be renewed. For the renewal of the power supply units, the current consumption of the electronic cards was analyzed in this thesis. New power supply unit was selected based on the current consumption. Other selection criteria were also introduced in this thesis. Additionally, a suitability analysis for the new power supply unit was drafted.
During the thesis, further research and development topics came up. The foremost topics were development of test equipment for testing the functionality of the electronic cards, and replacement of incandescent lamp based indicator panels with LED based indicator panels. Furthermore, replacement of the voltage monitoring card and the stabilizer card with commercial product, and lowering the current consumption of the cards with low-power integrated circuits are recommended to study during the re-engineering process.
Hälytysjärjestelmä on ollut käytössä laitosyksiköiden käyttöönotoista alkaen ja se on toteutukseltaan alkuperäistä tekniikkaa. Hälytysjärjestelmän nykytilan selvittämiseksi työssä tutkittiin siihen kohdistettuja vikaraportteja, jotka lajiteltiin ja kohdistettiin järjestelmän eri osa-alueille. Vikaraporttien perusteella järjestelmän käyttöikä on ylitetty vuosikymmeniä sitten ja järjestelmässä esiintyy säännöllisesti ikääntymisestä johtuvia vikoja. Suurimmiksi vianaiheuttajiksi osoittautuivat piirikortit ja 5 Vdc teholähteet, joiden osuus vikaraporteista oli 75 %. Toistaiseksi viat on pystytty korjaamaan varaosien avulla. Uusia varaosia ei kuitenkaan ole ollut saatavilla kymmeniin vuosiin, joten varastossa olevat varaosat tulevat loppumaan ennen pitkään. Täten hälytysjärjestelmä on uusittava mahdollisimman pian.
Yhtenä vaihtoehtona hälytysjärjestelmän uusinnalle esitettiin piirikorttien uudelleensuunnittelua, jossa alkuperäisiä piirikortteja ryhdyttäisiin valmistamaan uudelleen. Näin järjestelmän ylläpitoa pystyttäisiin jatkamaan ilman järjestelmän uusimista kokonaan. Lopullisen uusintalaajuuden selvittämiseksi TVO teetti hälytysjärjestelmän laitteistolle elinikätutkimuksen. Tutkimuksessa analysoitiin laitteiston muoviosien kuten erilaisten liittimien ja kaapeleiden materiaaleja ja annettiin arvio osien jäljellä olevasta eliniästä. Tutkimuksen mukaan polykarbonaatista valmistetut osat tulevat kestämään vielä parikymmentä vuotta, joten niitä ei tarvitse uusia tässä vaiheessa. Muille muoviosille suositellaan jatkotutkimusta, sillä niiden jäljellä olevaa elinikää ei pystytty arvioimaan samoilla menetelmillä kuin polykarbonaatista valmistettujen osien.
Uudelleensuunnittelua varten työssä selvitettiin piirikortteihin liittyvät suunnittelu-perusteet ja vaatimuksia, jotka pohjautuvat laitosyksiköiden teknisiin määräyksiin ja ydin¬voima¬laitos¬ohjeisiin sekä kansainvälisiin standardeihin. Uudelleensuunnittelun lähtökohtana on, että uusi piirikortti on mahdollisimman tarkka kopio alkuperäisestä piirikortista. Tällä tavoin pyritään varmistamaan, että uusi kortti täyttää alkuperäisen kortin vaatimukset ja täten soveltuu sen korvaajaksi. Uusiin kortteihin joudutaan kuitenkin tekemään muutoksia, sillä esimerkiksi kaikkia alkuperäisiä piirikomponentteja ei ole enää saatavilla. Muutoksia joudutaan tekemään myös uusien ja muuttuneiden vaatimuksien takia. Lisäksi uusia kortteja parannellaan, esimerkiksi suojalakkauksella, luotettavuuden lisäämiseksi.
Suunnitteluperusteiden ja vaatimuksien lisäksi työssä selvitettiin immateriaalioikeuksien vaikutusta uudelleensuunnittelun laillisuuteen. Immateriaalioikeudet, kuten patentti- ja mallioikeudet, sekä erilliset sopimukset voivat olla esteenä piirikorttien uudelleen¬suunnittelulle. Selvityksen perusteella immateriaalioikeudet eivät rajoita hälytys¬järjestelmän piirikorttien uudelleensuunnittelua, joten TVO voi teettää uusia kortteja omaan käyttötarkoitukseensa. Tulosta ei kuitenkaan voi hyödyntää yleisesti, vaan immateriaalioikeuksien ja muiden sopimusten rajoitukset on varmistettava aina tapauskohtaisesti.
Tarvittavien lähtötietojen keräämisen jälkeen käynnistettiin pilottiprojekti, jossa piirikorttien uudelleensuunnittelua testataan ensin kahdella piirikorttityypillä. Pilottiprojektista saatujen tulosten perusteella tehdään päätös uudelleensuunnittelun laajentamisesta koskemaan myös muita hälytysjärjestelmän piirikorttityyppejä. Mikäli kokemukset uudelleensuunnittelusta osoittautuvat hyviksi, voidaan samaa prosessia mahdollisesti hyödyntää myös muiden automaatiojärjestelmien uusinnoissa.
Piirikorttien uudelleensuunnittelu ei kuitenkaan yksinään riitä hälytysjärjestelmän ylläpitoon, vaan piirikorttien lisäksi alkuperäiset 5 Vdc teholähteet on uusittava. Teholähteiden uusintaa varten työssä tutkittiin piirikorttien virrankulutusta, johon perustuen uusi teholähde mitoitettiin. Lisäksi työssä esitellään muita teholähteeltä vaadittavia ominaisuuksia. Uudelle teholähteelle laadittiin myös soveltuvuusarvio, jossa arvioidaan uuden teholähteen soveltuvuutta alkuperäisen teholähteen korvaajaksi.
Työn aikana esiin nousi muutamia jatkotutkimus- ja kehityskohteita. Niistä varteenotettavimmat olivat testilaitteen valmistaminen piirikorttien toiminnallisuuden testaamiseen ja hehkulamppukäyttöisten merkkivalotaulujen korvaaminen LED-käyttöisillä valotauluilla. Lisäksi jännitteenvalvontakortin ja stabilisaattorikortin korvaamista kaupallisella tuotteella sekä piirikorttien virrankulutuksen pienentämistä pienivirtaisemmilla logiikkapiireillä on suositeltavaa tutkia uudelleensuunnittelun yhteydessä.