三門核電燃料抓取機(jī)載荷控制系統(tǒng)問(wèn)題及優(yōu)化策略

江承志

（三門核電有限公司 維修處，浙江 臺(tái)州 317112）

燃料抓取機(jī)位于輔助廠房?jī)?nèi)，用于執(zhí)行燃料操作區(qū)域的燃料裝卸功能。本文主要闡述三門核電燃料抓取機(jī)與國(guó)內(nèi)其他壓水堆核電站的燃料抓取機(jī)存在的差異，以及調(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)燃料抓取機(jī)南提升機(jī)構(gòu)載荷控制邏輯問(wèn)題在一定程度上影響新燃料接收的原因分析和優(yōu)化方案。

1 燃料抓取機(jī)簡(jiǎn)要結(jié)構(gòu)及操作流程

1.1 設(shè)備結(jié)構(gòu)及操作流程

三門核電燃料抓取機(jī)包含橋架、小車及南、北提升機(jī)構(gòu)，其中燃料抓取機(jī)的前進(jìn)及后退操作靠橋架執(zhí)行，提升機(jī)構(gòu)的左右操作靠小車移動(dòng)實(shí)現(xiàn)，組件上下操作由南、北提升機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)。南提升機(jī)構(gòu)主要用于操作新燃料，北提升機(jī)構(gòu)主要用于操作乏燃料組件，整個(gè)燃料廠房布置及燃料主要操作流程見(jiàn)圖1（以裝料過(guò)程為例，流程如下）[1]：

1）南提升機(jī)構(gòu)將新燃料由燃料容器中移動(dòng)至新燃料儲(chǔ)存格架。

2）南提升機(jī)構(gòu)將新燃料組件由新燃料儲(chǔ)存格架移動(dòng)至新燃料升降機(jī)。

3）北提升機(jī)構(gòu)將新燃料組件由新燃料升降機(jī)移動(dòng)至乏池。

4）北提升機(jī)構(gòu)將新燃料或者乏燃料組件由乏池移動(dòng)至轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)傾翻機(jī)，然后由轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)移動(dòng)至安全殼廠房，最后由裝卸料機(jī)移動(dòng)至堆芯。

圖1 燃料廠房布置及組件操作流程Fig.1 Fuel building layout and fuel operation process

5）在乏池乏燃料組件需要運(yùn)出燃料廠房時(shí)，由北提升機(jī)構(gòu)將乏燃料組件由乏池運(yùn)轉(zhuǎn)至裝載井運(yùn)輸容器，然后運(yùn)轉(zhuǎn)至沖洗井，對(duì)運(yùn)輸容器沖洗、加壓、密封等操作后，再由輔助廠房吊車吊離燃料廠房。

1.2 與國(guó)內(nèi)其他核電廠燃料抓取機(jī)的差異

1） 結(jié)構(gòu)差異

國(guó)內(nèi)其他核電廠燃料抓取機(jī)本身僅有一套提升機(jī)構(gòu)，其功能相當(dāng)于三門核電燃料抓取機(jī)北提升機(jī)構(gòu)作用。而將組件從燃料容器運(yùn)轉(zhuǎn)至新燃料升降機(jī)，再至乏池的過(guò)程由燃料廠房吊車執(zhí)行。

2） 控制系統(tǒng)差異

由于三門核電燃料抓取機(jī)相對(duì)于國(guó)內(nèi)其他核電廠，多一套南提升機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)多了南提升機(jī)構(gòu)相關(guān)的控制部分，含高度、載荷、機(jī)械限位聯(lián)鎖等控制內(nèi)容。

2 載荷測(cè)量系統(tǒng)

2.1 載荷測(cè)量系統(tǒng)組成

燃料抓取機(jī)南、北提升機(jī)構(gòu)載荷是由載荷測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量的，且是獨(dú)立的，該測(cè)量系統(tǒng)包括載荷測(cè)量裝置和載荷放大器。由于南、北提升機(jī)構(gòu)載荷測(cè)量系統(tǒng)基本一致，以下內(nèi)容以南提升載荷測(cè)量系統(tǒng)為例。

2.2 載荷測(cè)量裝置

載荷測(cè)量裝置安裝在提升機(jī)構(gòu)卷筒鋼纜上，燃料抓取機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，燃料組件及抓具的載荷以拉力（壓力）的形式直接作用于載荷測(cè)量裝置，含有兩套相同的傳感器，分為主和冗余，用于將載荷信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流4mA～20mA信號(hào)。

2.3 載荷放大器

載荷放大器包含主和冗余，為對(duì)應(yīng)載荷測(cè)量裝置提供24VDC的工作電壓，接收來(lái)自載荷測(cè)量裝置輸出的電流信號(hào)，同時(shí)將載荷信號(hào)通過(guò)DeviceNet通信方式傳至PLC程序中。

表1 燃料組件及各個(gè)插件的載荷Table 1 Load weight of fuel assembly and insert assembly

3 載荷設(shè)置

3.1 燃料組件類型及載荷報(bào)警設(shè)置

3.1.1 燃料組件類型及各自載荷

燃料組件（FA）還包含了阻力塞組件（TP）、初級(jí)中子源組件（PS）、次級(jí)中子源組件（SS）、可燃毒物組件（BP）、可燃吸收體（WABA）、棒束控制組件（RCCA）和灰棒控制組件（GRCA）等插件。表1為燃料組件及各個(gè)插件的載荷情況[2]：

實(shí)際燃料組件與其插件配合的情況有4種：燃料組件+阻力塞組件/次級(jí)中子源組件（FA+TP/SS）、燃料組件+棒束控制組件（FA+RCCA）、燃料組件+灰棒控制組件（FA+GRCA）、燃料組件+初級(jí)中子源組件/可燃毒物組件（FA+PS/BP/W）；另一方面，還包含模擬燃料組件（DUMMY）和自動(dòng)運(yùn)行模式（AUTO）下的燃料組件類型，所以燃料抓取機(jī)有6種燃料類型，通過(guò)操作臺(tái)上的燃料選擇開(kāi)關(guān)（Fuel Weight Select）選擇對(duì)應(yīng)的類型。

3.1.2 載荷報(bào)警設(shè)置

每一種燃料類型又有各自的Slack Cable（鋼纜松弛）、欠載、滿載、超載、最大超載、外部超載和外部最大超載7種工況。除了Slack Cable、外部超載和外部最大超載是固定的，其他的根據(jù)燃料類型的不同，載荷設(shè)置結(jié)果也不一樣，滿載為正常工況。

燃料抓取機(jī)PLC程序中對(duì)載荷的設(shè)置是有標(biāo)準(zhǔn)公式的[2]，見(jiàn)表2。

燃料抓取機(jī)載荷設(shè)置結(jié)果見(jiàn)表3和表4，其中外部超載和外部最大超載不在PLC程序中進(jìn)行設(shè)置，而是在載荷放大器中進(jìn)行設(shè)置，當(dāng)載荷值超過(guò)其設(shè)置值時(shí)產(chǎn)生開(kāi)關(guān)量信號(hào)輸送至PLC參與聯(lián)鎖控制[2]。

表3 南提升載荷設(shè)置結(jié)果Table 3 Result of south hoist weight setup

表4 北提升載荷設(shè)置結(jié)果Table 4 Result of north hoist weight setup

表2 載荷設(shè)置Table 2 Load weight setup

3.1.3 載荷報(bào)警聯(lián)鎖

載荷報(bào)警對(duì)提升機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的影響如下：

① 欠載：不允許下降。

② 超載：不允許上升。

③ 最大超載：不允許上升。

3.2 載荷控制系統(tǒng)問(wèn)題分析

從圖1可以直觀得出燃料抓取機(jī)北提升機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)范圍在轉(zhuǎn)運(yùn)通道（含傾翻機(jī)）、乏池、燃料裝載井，新燃料升降機(jī)，正常裝換料期間，都是滿水位，燃料組件全程在水中，僅長(zhǎng)柄工具本身在操作過(guò)程中涉及較少的浮力變化，影響可以忽略不計(jì)。

對(duì)于南提升機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)范圍為燃料容器傾翻機(jī)、新燃料儲(chǔ)存格架、新燃料升降機(jī)，燃料組件在新燃料升降機(jī)部分涉及浸水，對(duì)應(yīng)的是新燃料從干式儲(chǔ)存格架移動(dòng)至乏池操作（圖1流程②），是一個(gè)浸水或出水的過(guò)程，在該過(guò)程浮力數(shù)值影響非常大：從表1可以得出僅不含內(nèi)插件組件干式載荷比濕式載荷大99kg；從表3和表4同時(shí)可以得出，相差最大的是帶RCCA組件，為871kg-762kg =109kg；99kg和109kg，也即是浮力值，遠(yuǎn)大于超載、欠載的設(shè)置值68kg，同時(shí)也大于最大超載設(shè)定值91kg，在南提升機(jī)構(gòu)下降過(guò)程中直接觸發(fā)欠載，導(dǎo)致設(shè)備不能操作，同時(shí)在提升過(guò)程中，載荷控制系統(tǒng)無(wú)法有效監(jiān)測(cè)載荷，無(wú)法判斷超載。

所以，要順利完成新燃料接收，且有效監(jiān)測(cè)載荷，必須對(duì)南提升的載荷邏輯進(jìn)行優(yōu)化。

4 解決方案

燃料抓取機(jī)設(shè)計(jì)廠家在起初設(shè)計(jì)時(shí)，由于南提升機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)屬于首次，并未完全考慮南提升在新燃料接收時(shí)，組件進(jìn)入新燃料升降機(jī)的這一特殊過(guò)程，還是采用實(shí)際載荷與理論載荷比較，得出欠載、超載等工況。要解決該問(wèn)題，必須解決浮力問(wèn)題。

4.1 增加浮力補(bǔ)償算法

南提升機(jī)構(gòu)在燃料容器傾翻機(jī)、新燃料貯存格架不涉及浸水和出水過(guò)程，該部分載荷邏輯代碼無(wú)需修改；對(duì)于在新燃料升降機(jī)側(cè)，增加浮力補(bǔ)償，然后將浮力值加入載荷邏輯段中，見(jiàn)圖2。

圖2 浮力補(bǔ)償算法Fig.2 Buoyancy compensation arithmetic

4.2 浮力算法

由前述部分得知，浮力最小值為99kg，最大值為109kg，為方便計(jì)算，可以取中值，為104kg，設(shè)為F1。

三門一號(hào)機(jī)組燃料抓取機(jī)南提升機(jī)構(gòu)在傾翻機(jī)操作過(guò)程中，以帶組件下降為例，標(biāo)高范圍為（0～6230）mm，在達(dá)到1200mm時(shí)，組件剛接觸水面；提升機(jī)構(gòu)在6000mm位置時(shí)，組件完全進(jìn)入水中；在行程（1200～6000）mm范圍，浮力與行程標(biāo)高是成線性關(guān)系的，減少的浮力F=F1/4800（Z-1200）kg，其中，Z為當(dāng)前提升機(jī)構(gòu)行程標(biāo)高。PLC程序中將浮力補(bǔ)償值自動(dòng)補(bǔ)償予載荷報(bào)警設(shè)置值中，浮力補(bǔ)償值FΔ=F=104/4800（Z-1200）kg，當(dāng)標(biāo)高大于6000mm時(shí)，直接將浮力值設(shè)定為104kg。例如提升機(jī)構(gòu)標(biāo)高為2000mm，浮力補(bǔ)償值為20.8kg，相應(yīng)的各個(gè)載荷報(bào)警值減少20.8kg。

同時(shí)得出燃料抓取機(jī)浮力公式，該公式可以用于不同電廠，因?yàn)楦鱾€(gè)電廠由于建設(shè)期間不同高度，各個(gè)高度范圍也不一樣，使用該公式則能通用。

FΔ——浮力補(bǔ)償值。

F——浮力值。

F1——總浮力值。

L——組件長(zhǎng)度。

Z——當(dāng)前組件進(jìn)水高度。

Z1——組件剛進(jìn)水高度。

5 結(jié)語(yǔ)

本文詳細(xì)列明了三門核電燃料抓取機(jī)南提升機(jī)構(gòu)載荷控制存在的問(wèn)題，分析了問(wèn)題原因，同時(shí)提出了解決方案，能有效解決南提升機(jī)構(gòu)在新燃料接收過(guò)程中由于浮力影響而導(dǎo)致設(shè)備不能操作的問(wèn)題，從而保證燃料組件能安全、順利接收。