燃料裝卸系統(tǒng)主循環(huán)控制程序的現(xiàn)場調(diào)試

周樹橋，于 暉，黃曉津

(清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院，先進(jìn)核能技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，先進(jìn)反應(yīng)堆工程與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084)

0 引言

高溫氣冷堆核電站示范工程(high temperature gas-cooled reactor pebble-bed module,HTR-PM)是我國擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的、具有第四代特征的先進(jìn)核能系統(tǒng)。無需停堆換料是高溫氣冷堆的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。該功能是由燃料裝卸相關(guān)工藝系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的[1-2]。燃料裝卸主循環(huán)涉及球形元件從堆芯卸出和氣力提升回堆芯，是整個(gè)燃料裝卸流程中的關(guān)鍵[2-3]。基于HTR-PM的現(xiàn)場調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，本文主要闡述燃料裝卸主循環(huán)控制流程的調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，著重闡述輻射測量過程在分布式控制系統(tǒng)(distributed control system,DCS)[4-5]上的模擬和關(guān)鍵工藝參數(shù)的調(diào)試。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)試和試驗(yàn)驗(yàn)證,確認(rèn)了主循環(huán)復(fù)雜控制流程可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的元件循環(huán)，相關(guān)的控制策略和參數(shù)配置可以使流程得到優(yōu)化。

1 燃料裝卸工藝系統(tǒng)及其控制設(shè)計(jì)

HTR-PM含兩個(gè)反應(yīng)堆。針對兩個(gè)反應(yīng)堆，分別配備有成套的燃料裝卸系統(tǒng)設(shè)備，主要有主循環(huán)相關(guān)設(shè)備、輻射測量設(shè)備、新燃料供應(yīng)設(shè)備、乏燃料卸出設(shè)備、氦氣壓縮機(jī)、抽真空相關(guān)設(shè)備，以及其他相關(guān)的氣力輸送設(shè)備。其中,主循環(huán)相關(guān)設(shè)備和燃耗測量設(shè)備為兩個(gè)反應(yīng)堆分別獨(dú)立配置，其余管道和設(shè)備多為兩堆共用。針對各工藝設(shè)備和流程的控制和監(jiān)測需求，配備有多臺DCS控制柜和擴(kuò)展柜。燃料裝卸工藝實(shí)現(xiàn)的功能為：匹配反應(yīng)堆各個(gè)階段的運(yùn)行需求，將球形燃料(及石墨)元件[6-7]裝入和卸出堆芯。實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能目標(biāo)對應(yīng)可分解的工藝流程主要包括：新燃料送入堆芯、卸料主循環(huán)、輻射測量、元件卸出流程、氣力輸送、氣氛切換、設(shè)備及管道吹掃等流程。其中，主循環(huán)流程在反應(yīng)堆功率運(yùn)行階段需要實(shí)現(xiàn)每天數(shù)千個(gè)球形元件的循環(huán)和提升回堆芯動作，同時(shí)需新裝入數(shù)百個(gè)新燃料元件和卸出數(shù)百個(gè)乏燃料元件，動作頻次高、持續(xù)時(shí)間長，是燃料裝卸的關(guān)鍵流程。

1.1 燃料裝卸系統(tǒng)主循環(huán)的設(shè)備組成

燃料裝卸主循環(huán)部分主要由一體化卸料裝置(實(shí)際含兩路卸料設(shè)備，可分別獨(dú)立啟停和運(yùn)行)、碎球分離裝置、橋聯(lián)裝置、輻射測量定位器、裝料輸送裝置，以及管道上部署的計(jì)數(shù)器、壓力邊界對應(yīng)的隔離閥門等設(shè)備組成。燃料裝卸主循環(huán)流程如圖1所示。

主循環(huán)流程可闡述為：卸料裝置從反應(yīng)堆堆芯卸出球形元件(包括燃料元件和石墨元件)，經(jīng)碎球分離裝置進(jìn)行碎球分選。其中：碎球?qū)Υ嬖谒榍蚬拗校旰玫那蛐卧⒔?jīng)管道到達(dá)輻射測量定位器前。球形元件由輻射測量定位器定位后，DCS發(fā)送相應(yīng)的指令啟動燃耗測量流程[8-9]。燃耗測量完畢后，將基于燃耗測量結(jié)果確定球形元件輸送方向：如果為石墨元件或乏燃料，將由輻射測量定位器將輸送方向動作至乏燃料卸料管段，經(jīng)后續(xù)乏燃料卸出設(shè)備和管段卸出；如果為未達(dá)到相應(yīng)燃耗的燃料元件，將由輻射測量定位器將輸送方向動作至回堆芯管段，由氣力提升送回堆芯。主循環(huán)的設(shè)備部署為兩個(gè)列。兩個(gè)列可獨(dú)立運(yùn)行(后續(xù)未明確說明的情況下，默認(rèn)描述對象為其中的1個(gè)列)。此外，兩個(gè)列之間還部署有橋聯(lián)器，可實(shí)現(xiàn)橋聯(lián)器上游一列供料、下游兩列同時(shí)進(jìn)行輻射檢測和提升。

圖1 燃料裝卸主循環(huán)流程圖

1.2 主循環(huán)流程自動控制要求和設(shè)計(jì)

主循環(huán)流程每天需要卸出和循環(huán)的球形元件超過數(shù)千個(gè)。每個(gè)球形元件均需在限定時(shí)間內(nèi)完成從堆芯卸出、碎球分選、輻射測量和提升過程，流程控制過程中涉及的動作繁多，且實(shí)時(shí)性要求高。

為盡可能提高運(yùn)行實(shí)時(shí)性，針對主循環(huán)流程進(jìn)行了分段解耦合控制，將整個(gè)流程劃分為三個(gè)子工藝段進(jìn)行控制。

①卸料流程控制段。從卸料裝置開始至輻射測量定位器止，主要實(shí)現(xiàn)的功能為球形元件卸出和碎球分選。

②球形元件燃耗測量控制段。該工藝段主要包括輻射測量定位器，以及輻射測量定位器至裝料輸送裝置對應(yīng)的管段。對應(yīng)功能為：由輻射測量定位器對待測球形元件進(jìn)行定位，然后可啟動專門的燃耗測量設(shè)備進(jìn)行燃耗測量，并監(jiān)測燃耗測量設(shè)備的測量結(jié)果；依據(jù)測量的結(jié)果，由輻射測量定位器送往乏燃料卸出方向或者送往回堆芯的管道。

③提升控制段。該工藝段主要包括裝料輸送裝置和提升管段。對應(yīng)操控的流程為：當(dāng)裝料輸送裝置前有球形元件待提升且提升管段中可接受新送出的元件，則操控裝料輸送裝置送出一個(gè)球形元件至提升管段。

為實(shí)現(xiàn)上述三個(gè)流程的并行運(yùn)行和相互銜接，針對每個(gè)卸料和提升列，分別定義了如下三個(gè)特別關(guān)鍵的變量：輻射測量定位器前暫存元件數(shù)、裝料輸送裝置前待輸送元件數(shù)、提升管道中正被提升的元件數(shù)。

2 控制流程現(xiàn)場調(diào)試

2.1 調(diào)試準(zhǔn)備工作

通過調(diào)試試驗(yàn)前的工前會，對主循環(huán)調(diào)試的人員、設(shè)備、資料等進(jìn)行了部署和準(zhǔn)備[10-11]，并且著重開展了主循環(huán)相關(guān)單體設(shè)備在主控室的遠(yuǎn)程操控確認(rèn)。具體準(zhǔn)備工作如下。①針對主循環(huán)自動控制流程所需操控的卸料設(shè)備、碎球分離器、橋聯(lián)裝置、輻射測量定位器、裝料輸送裝置、隔離閥、氣路對應(yīng)的相關(guān)設(shè)備，進(jìn)行了遠(yuǎn)程手動操控，確認(rèn)了設(shè)備動作方向、動作幅度(如卸料裝置和碎球分離裝置的轉(zhuǎn)速反饋)與設(shè)計(jì)文件一致且與設(shè)計(jì)初衷匹配。②對其模擬量反饋是否可在主控室顯控臺正確顯示進(jìn)行了確認(rèn)。③配合工藝系統(tǒng)設(shè)備的設(shè)計(jì)師，進(jìn)一步進(jìn)行了設(shè)備標(biāo)定(尤其是計(jì)數(shù)器的標(biāo)定)。基于此，為自動控制程序的運(yùn)行奠定了基礎(chǔ)。

2.2 元件輻射測量過程在DCS上的仿真模擬

在燃耗測量環(huán)節(jié)[6-7]，輻射測量定位裝置進(jìn)行定位后，由DCS啟動輻射檢測過程并等待輻射檢測返回。輻射檢測完畢并反饋對應(yīng)結(jié)果后，DCS再操控輻射測量定位裝置執(zhí)行送往堆芯或者送往乏燃料管道的動作。不同類型的球形元件對應(yīng)輻射測量所需的時(shí)間不同，對應(yīng)DCS需等待的時(shí)間也不同。具體為：石墨元件的檢測時(shí)間為T1、淺燃耗燃料元件的檢測時(shí)間為T2、深燃耗燃料元件以及乏燃料元件的檢測時(shí)間為T3。三者關(guān)系為T3>T2>T1。

在過渡循環(huán)運(yùn)行階段，一般待檢測的元件為石墨元件和淺燃耗的燃料元件，對應(yīng)不同的出現(xiàn)概率：需要檢測T1就可以確認(rèn)的石墨元件出現(xiàn)概率為p1；需要檢測T2即可確認(rèn)的淺燃耗燃料元件出現(xiàn)概率為p2。在功率運(yùn)行階段，一般待檢元件為各類燃料元件(包括淺燃耗燃料元件和深燃耗燃料元件)和乏燃料元件，對應(yīng)不同的出現(xiàn)概率：需要檢測T2就可以確認(rèn)的淺燃耗燃料元件出現(xiàn)的概率為p3；需要檢測T3才能確認(rèn)的深燃耗燃料元件概率為p4；對應(yīng)需要檢測T3才能確認(rèn)的乏燃料元件概率為p5。

開展燃料裝卸系統(tǒng)主循環(huán)試驗(yàn)時(shí)，燃耗測量系統(tǒng)的燃耗測量設(shè)備還未投入使用，且堆芯中裝載的全部為石墨元件。因此，需要對燃耗測量過程對應(yīng)的動作進(jìn)行仿真模擬。具體的模擬方式為：在輻射測量定位器前暫存元件數(shù)大于0且下游“裝料輸送裝置前待輸送元件數(shù)”不超限的情況下，將延時(shí)一段時(shí)間啟動輻射測量定位器，并將元件送往其后的暫存管道。在實(shí)際運(yùn)行過程中，如果在過渡循環(huán)階段檢測到石墨元件或在功率運(yùn)行階段檢測到乏燃料元件時(shí)，輻射測量定位器會將該元件送至元件卸出管段。此時(shí)，對應(yīng)變量-裝料輸送裝置前待輸送元件數(shù)-在輻射測量定位器動作至卸料管段方向后，將不會直接遞增，而是在輻射測量定位器返回后才恢復(fù)主循環(huán)順控。因此，需要補(bǔ)充添加輻射測量定位器動作時(shí)間(假設(shè)為Tdelay)。調(diào)試時(shí)需模擬的階段及對應(yīng)參數(shù)如表1所示。

表1 調(diào)試時(shí)需模擬的階段及對應(yīng)參數(shù)

基于此，設(shè)毫秒級整形數(shù)模N運(yùn)算的結(jié)果為X：當(dāng)X

2.3 關(guān)鍵工藝參數(shù)的調(diào)試

摸索確認(rèn)關(guān)鍵工藝參數(shù)是主循環(huán)調(diào)試試驗(yàn)的重點(diǎn)。這包括1.2節(jié)所述的三個(gè)特別關(guān)鍵的變量，以及主循環(huán)的中的協(xié)調(diào)送球模式。

2.3.1 確定暫存變量限值的必要性

輻射測量定位器前暫存元件數(shù)、裝料輸送裝置前待輸送元件數(shù)和提升管道中正被提升的元件數(shù)這三個(gè)變量，是實(shí)現(xiàn)主循環(huán)復(fù)雜控制流程解耦控制的關(guān)鍵變量。同時(shí)，每個(gè)變量還分別對應(yīng)了一個(gè)上限限制值，分別為：輻射測量定位器前暫存元件數(shù)限值、裝料輸送裝置前待輸送元件數(shù)限值和提升管道中正被提升的元件數(shù)限值。如1.2節(jié)所述，當(dāng)各變量達(dá)到對應(yīng)限值時(shí)，需要對應(yīng)的控制段的自動控制程序執(zhí)行相應(yīng)的動作。從降低流程耦合的角度而言，各限值越大，對應(yīng)管道可以暫存的球形元件數(shù)越多，越有利于減少流程間的耦合。但是，在HTR-PM功率運(yùn)行階段，球形元件中大多為帶有較大放射性的燃料元件或乏燃料元件，而從輻射防護(hù)的角度需盡可能減少管道存球。因此，希望各個(gè)限制值盡可能小。鑒于此，各個(gè)限值的合理取值有必要在調(diào)試過程中確定。

2.3.2 確定暫存變量限值

①各個(gè)關(guān)鍵暫存變量對應(yīng)限值的配置。

在主控室人機(jī)界面上設(shè)置了各個(gè)暫存變量限值的手動輸入接口，以支持調(diào)試時(shí)操縱員進(jìn)行相應(yīng)的配置。操縱員進(jìn)行相應(yīng)的配置后，將直接更新畫面組態(tài)后臺對應(yīng)的限值變量。主循環(huán)自動控制程序?qū)凑招屡渲玫淖兞窟\(yùn)行。配置值提供默認(rèn)選擇，在操縱員未進(jìn)行選擇時(shí)，自動控制程序按照默認(rèn)值運(yùn)行。

②關(guān)鍵變量的實(shí)時(shí)顯示。

為進(jìn)行主循環(huán)流程的調(diào)試，在主控室人機(jī)界面上添加了輻射測量定位器前暫存元件數(shù)、裝料輸送裝置前待輸送元件數(shù)、提升管道中正被提升的元件數(shù)、提升時(shí)間、上一次被檢測的元件類型等重要變量的實(shí)時(shí)顯示接口。調(diào)試時(shí)，調(diào)試人員和操縱員通過上述顯示接口，可實(shí)時(shí)掌握各類試驗(yàn)?zāi)Ｊ较轮餮h(huán)流程的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)。

2.3.3 送球模式的調(diào)試

通過配置提升管道中正被提升的元件數(shù)限值，可以進(jìn)行元件的單個(gè)或多個(gè)同時(shí)提升的模式切換。當(dāng)元件提升模式為多個(gè)時(shí)，另行設(shè)置專門的配置接口，給裝料輸送裝置附加動作觸發(fā)條件(包括延時(shí)時(shí)間等)，以獲得最優(yōu)提升模式。

3 結(jié)束語

燃料元件的自動循環(huán)是燃料裝卸系統(tǒng)的核心功能，也是HTR-PM能夠?qū)崿F(xiàn)不停堆換料的支撐性功能。燃料裝卸主循環(huán)試驗(yàn)是整個(gè)HTR-PM調(diào)試試驗(yàn)中的重要組成部分。經(jīng)過幾個(gè)月的現(xiàn)場調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了由自動程序穩(wěn)定控制球形元件循環(huán)超過一萬次，并且獲得了合適的各類關(guān)鍵的工藝運(yùn)行參數(shù)、穩(wěn)定高效的元件提升模式以及優(yōu)化的卸料速度調(diào)節(jié)方式，為HTR-PM燃料裝卸的正常運(yùn)行奠定了良好的基礎(chǔ)。同時(shí)，相關(guān)的在DCS平臺上的仿真模擬方法以及控制策略，也可以作為同類系統(tǒng)設(shè)備設(shè)計(jì)和調(diào)試的參考依據(jù)。