核電站裝卸料機遠程控制研究

核電站裝卸料機遠程控制研究

中廣核研究院有限公司 吳鳳岐 陳滿 張美玲

裝卸料機是核電站反應堆廠房內直接操作燃料組件的關鍵設備之一，其操作性能直接關系到燃料組件的安全。本文通過對裝卸料機遠程控制技術進行研究，提出裝卸料機遠程控制技術方案，經驗證技術方案可行，并實現了遠程自動控制功能，降低了操作人員的勞動強度。

裝卸料機；遠程控制

1 引言

裝卸料機是壓水堆核電站核燃料運輸貯存系統中的關鍵設備，安裝在反應堆安全殼內反應堆水池上，主要功能是反應堆燃料組件裝卸、換位堆內燃料組件，以及完成核燃料組件在堆芯與燃料轉運裝置間的轉運。它由大車、小車、提升機構、燃料抓具等主要結構組成，大車沿堆水池縱向（定義為X軸方向）行走，小車沿堆水池橫向（定義為Y軸方向）行走，提升機構沿堆水池高度方向（定義為Z軸方向）運動，燃料抓具及提升機構可圍繞Z軸270°自由旋轉。由此，可實現燃料組件在轉運過程中的三維運動操作與旋轉運動控制，如圖1所示。

裝卸料機因直接操作核燃料組件，被劃分為核安全相關設備。目前國內大部分核電站的裝卸料機采用現場操作方式設計，裝卸料機的操作臺安裝在小車上，操作員在小車上操作裝卸料機。裝卸料期間，操作員在小車上處于核島反應堆廠房的放射性環境中，雖然現場放射性劑量率不高，但眾多操作員的累積劑量不容小覷。操作員工作在控制區必須禁止飲食，喝水和上洗手間必須更衣離開控制區，效率低，也不方便。操作員在移動設備上連續工作，并且是水上高空作業，容易緊張、疲勞，還必須承受燃料破損導致內照射的潛在風險。大部分商用壓水堆核電站換料操作員采取多班倒班24小時不停設備的換料方法，以應對換料大修工期要求和現場條件及人員疲勞的問題。

研究遠程換料方法，將操作員從反應堆廠房裝卸料機小車上轉移到反應堆廠房外的控制室里，可以減少人員受照射劑量，降低風險，極大改善操作環境舒適度。把這一高風險、高強度工作降低為普通類工作，對電站換料安全和人員安全都具有重大意義。

圖1 裝卸料機整體結構示意圖

圖2 控制系統總體結構圖

2 制約遠程控制的主要因素

遠程控制技術適用于在高危險區域和航空航天等特殊行業應用，具有遠程不需靠近操作的特點。我國壓水堆核電技術基本上源于法國、美國與俄羅斯，核電廠內裝卸料機技術也基本上是引進或學習法國、俄羅斯和美國的技術。除了田灣核電站采用了遠程換料技術外（田灣核電站采用俄羅斯核電技術，堆水池與乏燃料水池布置位置和結構等與其他電廠的完全不同，其反應堆使用的是六邊形燃料組件，其技術路線與使用方形的燃料組件差別很大，在此不做過多比較），國內其他電廠全部采用現場操作方式。這種操作習慣已經歷了長達20多年之久，一代代操作人員已經習慣了現場操作裝卸料機，除此之外，核電廠決策層也不愿意采用未經充分驗證的遠程控制技術，因此，裝卸料機操作員對遠程操作普遍都存有畏難心理，通過走訪的多名反應堆裝卸料機操作員都認為遠程操作沒有經驗或沒有直觀感覺而認為不可行。

圖3 大車雙閉環PID控制原理圖

操作員操作燃料組件時，需要大量的信息反饋，如重量、位置、設備狀態、連鎖信息等，沒有這些信息，操作員無法正確操作設備。目前的裝卸料機多采用數字控制技術，將現場操作臺的數字信息全部傳遞到遠程操作站，再從遠程操作站發送各種控制指令到現場執行機構，數字通訊技術使得這些信息交換變得毫無障礙，裝卸料機遠程控制在技術上是可行的。

經分析，制約裝卸料機遠程控制主要因素是裝卸料機本身性能和一些現場相關操作。比如：裝卸料機的自動化程度與定位精度，異常事件處理，專用工具使用等。

2.1 裝卸料機的性能

裝卸料機的自動化程度和定位精度是影響遠程控制實現的兩項重要性能指標。

早期的裝卸料機都是采用手動控制方式，高度依賴操作員的操作手感和現場觀察判斷，遠程操作時操作員會失去較多的直觀感知信息，如運動感覺和直接用眼睛觀察燃料組件位置信息等。

定位精度主要受位置測量和裝卸料機大小車及提升機構的驅動精確影響，早期裝卸料機測量精度不高并且各方向電機驅動不能實現精確轉速控制，特別是低速操作時，操作員現場對位燃料組件十分困難，經驗豐富的操作員完成一次X/Y對位操作需要半分鐘，普通操作員時間更長，遠程對位更是無法想象。

目前裝卸料機驅動器都采用伺服或變頻電機控制技術，可以精確控制轉速。采用多圈高精度絕對值編碼反饋位置測量，測量精度大大提高。采用自動定位控制方式，其性能比早期裝卸料機有了非常大的提升，現在的裝卸料機可實現目標定位精度小于0.5mm，甚至0.1mm以下，這使得遠程控制成為可能。

2.2 異常事件處理

燃料組件骨架、圍帯損壞導致的組件之間互相掛擦，燃燒后的燃料組件變形，導致燃料裝卸過程中發生對位異常、超載、欠載等，正常操作無法完成裝載，需要操縱員觀察待裝載燃料組件與已裝載燃料組件的間隙、燃料組件變形情況，綜合系統信息做出判斷，采取特殊的裝卸方式如改變裝載方位、裝載順序或使用旁路功能等。

在異常事件處理時，僅僅靠系統本身的信息反饋已經不夠，更多要依賴操作員和換料主管的視覺觀察，若要實現遠程換料，則需要增強視覺系統配置，提供等同或高于操作員視覺觀察的信息。

2.3 專用工具使用

目前電站多使用人工手動放置的燃料組件導向專用工具（也稱燃料鞋拔），輔助燃料組件裝載就位是有效的，特別是在早期的裝卸料機定位精度不高的情況作用很大。采用遠程裝卸料，無工作人員在現場移動鞋拔，手動放置燃料組件導向專用工具方式不再適用。目前的裝卸料機定位精度大大提高，對鞋拔的依賴性不強，大多數情況無鞋拔也可以順利裝載。國內已經有科研單位在研制可以自動移位的燃料組件導向機器人，如果研制成功將對遠程控制提供進一步的支撐。

3 遠程控制方案

圖4 高速偏移插入方式原理圖

針對前文提出遠程控制應用的制約主要因素，本文提出一種裝卸料機遠程控制方案，可以消除影響遠程控制制約的主要因素。

考慮到裝卸料過程中，仍然可能發生燃料組件遠程方式裝載困難甚至無法裝載，需要現場勘查詳細信息并基于操作員經驗以及操作規程靈活處理，因此控制系統方案采用遠程/就地兩種控制模式，裝卸料機就地操作模式用于特殊情況下的補充操作使用。遠程控制設備布置、人機交互界面與就地設備布置一致，并輔以全方位視頻支持系統，以便操作員在兩地操作時無需調整適應不同的人機界面。

圖5 全方位視頻系統框架圖

3.1 整體控制架構

本方案的裝卸料機控制主要特點在于雙側PID跟隨驅動控制技術應用，這一技術應用大大降低了大跨度雙側間的運行誤差，是保證整套設備運動精度的關鍵部分。另外還加裝了遠程控制站，并在設備本體上增加全方位視頻支持系統，總體控制系統結構如圖2。控制系統設備仍然安裝在裝卸料機小車本體上，方便初始設備調試和緊急故障處理，而且現場控制臺操作指令優先于遠程站。

3.2 性能提升技術

（1）雙閉環PID跟隨驅動控制技術

裝卸料機驅動機構采用交流伺服電機，不僅低速力矩大而且可以精確控制速度，為實現各個方向的高精度控制，除了精確控制電機轉速，還需要對各個方向的運動距離有精確測量與記錄，為此，在X/Y/Z每個運動方向各配置2套高精度絕對值編碼器。裝卸料機大車兩側橫跨反應堆水池，有近8米的跨度，在裝卸料機整個行程的運行中，由于設備機械制造誤差、控制系統誤差等誤差積累，大車左右兩側極易錯位而造成大車卡死在軌道上。即便不卡死，大車兩側偏差也會給堆芯位置燃料組件定位造成大的誤差。本方案大車采用雙側驅動，并通過PID閉環控制雙側的位移偏差，目標定位精度都達到0.5mm以內。具體控制原理如圖3所示。

（2）高速偏移插入方式

燃料組件裝入堆芯時，采用高速偏移插入方式，即待裝載燃料組件從目標位置偏移向開放區域（無組件開闊水域）一定距離，減少與已經裝載的燃料組件干涉的風險，僅在燃料組件下管座接觸下柵格板前才慢速移動到目標位置，然后以低速方式下降就位，有效減少干涉和提高裝載效率。高速偏移插入方式如圖4。

2.3 全方位視頻技術方案

全方位攝像支持系統是集光學、精密機械、電控技術、電視技術、計算機技術為一體的高技術精密設備。主要包括：三臺水下高耐輻照攝像系統（其中一臺還用于堆芯照相及上管座定位測量）、主控制器、自動卷線機構、小車上控制測量終端及顯示器、主控室控制測量終端及顯示器、視頻語音對講系統、軟件系統組成。該系統可以實時顯示裝卸料機三個維度的運動畫面，對三個維度畫面進行遠程調焦、變距、縮放操作，實現裝卸料機操作臺與遠程監控室語音通話。全方位視頻系統框架結構圖如圖5所示。

攝像系統安裝在裝卸料機小車上，采用三個高耐輻照水下攝像頭對裝卸料機及堆芯內燃料組件進行實時視頻監視。其中，左右側兩個攝像頭位置可以電動上下調節，用于監視水面上下運動軌跡上是否有障礙物，避免裝卸料機與其他設備相撞的風險，及在異常工況下降到燃料組件附件近距離觀察裝載異常情況。第三個攝像頭始終位于水下，手動調節升降，通常情況下，位于水下4米，用于監視燃料組件和夾爪動作；當需要進行堆芯照相時，可將攝像頭伸至距堆芯燃料組件頂部1米左右，用于拍攝燃料組件ID號。三個攝像畫面均可同時顯示在裝卸料機操作臺和遠程控制室中。

3.4 遠程控制與就地控制優劣對比

遠程控制與就地控制優劣對比主要如表1所示。

表1 遠程控制與就地控制優劣對比表

4 遠程控制方案的驗證

核電站裝卸料機的遠程控制技術也曾在三代壓水堆核電技術AP1000的換料技術初步設計階段提出，但其最后設備仍然維持了現場操作的方案。歐洲三代壓水堆核電技術EPR堆型采用了遠程控制的方案，國內臺山核電EPR機組遠程操作換料設備已經進入安裝階段，但目前尚無調試和使用經驗。

圖6 遠程控制現場調試場景

中廣核研究院有限公司在科技部863核電站專用機器人技術與應用課題中，針對反應堆裝卸料機的遠程控制技術，在研制的工程樣機上進行了實驗驗證。實驗證明遠程控制方案可行，且具有明顯的優勢，開發人員和操作員都能很快適應遠程操作環境，略作培訓即可熟練使用遠程操作模式，遠程控制技術上是安全可實現的。該工程樣機設備完成實驗測試后，安裝在廣東省深圳市大亞灣核電基地國家能源核級設備研發中心，用于操作員培訓和科研開發。圖6為遠程控制實驗現場調試場景。

5 結論

本文分析了大型壓水堆核電站裝卸料機遠程控制的重要意義以及影響遠程控制的因素，提出了解決這些問題的方法，經過實際驗證其方法可行。

遠程控制較之現場控制方案優勢顯著。先進的控制技術使得機器在操作過程中避免了大部分人因行為造成的誤判和誤操作。現場操作的環境有一定輻照劑量率，而且嚴格管控，核島反應堆廠房空間封閉，操作員容易疲勞、煩躁，精力集中程度較差，而遠程操作室的工作環境更舒適，大大減少人員接受輻照的劑量，增強人員工作便利性，操作員心情舒暢，精力集中程度高，安全操作有更大保障，具有較大的推廣價值，現場無人操作是該設備技術發展的方向。

本文僅從技術上驗證了遠程控制的可行性，但遠程操作還需要進一步研究以解決遠程操作時燃料組件導向工具，并改變操作員已經形成多年的操作習慣。

[1] FUEL HANDLING SYSTEM SPECIFICATION DOCUMENT, Westinghouse APPFHS-M3-001

[2] 吳鳳岐，陸秀生，大亞灣核電站核燃料運輸吊車橋架驅動的雙控制器閉環控制,核動力工程，2009，30（2）：75-77