液體懸浮式非能動棒控制系統研究與設計

張媛媛，段天英，陳樹明，鄭富磊，劉 勇，賈玉文

（中國原子能科學研究院，北京 102413）

0 引言

第四代先進核能系統在可持續性、經濟性、安全性和可靠性及防核擴散和實體防衛等方面提出了更高的要求和目標[1]。鈉冷快堆是第四代核能系統國際論壇公布的6種第四代先進反應堆中發展最快、最成熟的堆型，在安全性和可靠性方面，鈉冷快堆的設計指導思想是充分利用快堆的固有安全性和采用非能動的安全系統。其中，非能動停堆裝置是非能動安全系統的重要組成部分[2]。

國際上研究較多且技術相對成熟的非能動停堆系統主要有以下幾種[3]：基于居里點合金溫度控制的非能動停堆系統、氣體膨脹驅動裝置、液體懸浮的非能動停堆系統和控制棒熱膨脹強化驅動機構等。中國目前也在進行基于液體懸浮原理的非能動停堆裝置的研發工作，由于液體懸浮式控制棒驅動機構特殊的結構、工作方式和控制要求，需設計和研發適用的儀控系統。

1 液體懸浮式非能動棒簡介

1.1 工作原理

液體懸浮式非能動停堆系統由碳化硼控制棒和驅動機構兩部分組成，系統的工作原理為：在正常運行工況下，當滿足非能動棒釋放條件后，在釋放位與驅動機構脫離，在鈉中受到的向上的水力推力大于其在鈉中的重力，從而懸浮在上工作位置；在發生失流事故時，當堆芯流量減少到一定程度，重力大于水力推力時，控制棒開始下降，降至最低位置，向堆內引入負反應性，實現失流事故下的輔助停堆功能。

1.2 結構組成

液體懸浮式非能動停堆機構為“機電”型結構，由電機帶動傳動鏈運行，將旋轉運動轉換成往復直線運動，每臺驅動機構包括兩套傳動裝置，主軸電機和主軸傳動鏈，用于實現帶抓手的主軸驅動裝置的上升、下降、保持；抓手電機和抓手傳動鏈，用于遠距離操作驅動機構與控制棒組件的連接與脫離；同時，設置連續位置傳感器、中間位置傳感器、離散位置傳感器和抓手位置傳感器，用于監測控制棒驅動機構的位置信息。

液體懸浮式非能動停堆機構的結構示意圖如圖1所示。主軸電機、抓手電機均采用交流伺服電機，控制精度高，性能可靠，運行平穩，響應速度快；連續位置傳感器采用旋轉變壓器，測量精度高，具有良好的環境適應性；中間位置傳感器由多組線圈組成，覆蓋驅動機構的整個運行行程范圍，通過計算機構運行過程中各線圈感應信號間的相對關系得到控制棒的位置信息，主要用于探測運行模式下，非能動控制棒運行位置的判斷；離散位置傳感器為驅動機構的固定離散點運行位置，與控制棒不同運行模式下的操作位置相匹配，各離散位置傳感器的空間位置自下而上分別為：下終端開關、換料支撐終端開關、換料終端開關、釋放位終端開關和上終端開關；抓手位置傳感器基于差動變壓器原理，用于抓手部件的開合狀態監測以及控制棒的脫開和抓持狀態判斷。

2 控制系統設計

2.1 系統功能

根據核電廠的運行工況、液體懸浮式非能動棒的運行特點和監測控制要求，液體懸浮式非能動棒控制系統需實現的主要功能如下：

1）根據操縱員的控制指令驅動控制棒上升、下降和保持，參與反應堆的啟動、換料和停堆。

圖1 液體懸浮式非能動棒驅動機構結構示意圖Fig.1 Sketch of liquid suspended passive control drive rod machine

2）在控制棒抓持的情況下，在棒的有效行程范圍內，實時地監測控制棒的位置，并有終端限位和抓手狀態監測顯示。

3）在控制棒脫開的情況下，探測控制棒的位置，判斷控制棒是否卡棒。

4）根據運行工況，判斷控制棒在特定位置（釋放終端、剛性支撐）是否被抓持/是否被釋放。

5）系統可實現自檢，對異常故障情況進行報警，并根據異常的嚴重程度采取不同處理措施。

同時，為了實現儀控系統的研發驗證，在確保實現以上功能的基礎上，增加便于試驗測試的單體調試功能，設置遠程控制和就地控制的操作權限選擇，可在本系統機柜上實現對驅動機構電機的指令下達。

2.2 聯鎖控制

為了提高反應堆和控制棒驅動機構的運行安全性，設置安全聯鎖和運行極限位置的控制聯鎖：

1）抓手和主軸電機的供電電源設有互鎖裝置，兩個電機不能同時得電工作。

2）上終端到位信號聯鎖控制棒驅動機構主軸電機停機。

3）控制棒抓持狀態禁止提升至釋放終端以上行程范圍。

表1 液體懸浮式非能動棒驅動機構運行模式Table 1 Operation mode of liquid suspended passive control rod drive mechanism

4）抓手位置傳感器開到位、關到位信號聯鎖控制棒驅動機構抓手電機停機。

上終端信號、抓手開到位信號、抓手關到位信號通過硬接線送至電機驅動裝置，以減小系統的響應時間，提高運行安全性。

2.3 人機交互

1）遠程控制

在主控室操縱員站可實現液體懸浮式非能動棒工作模式選擇、控制棒選擇/復位、控制棒主軸/抓手電機動作指令下達等控制。

2）遠程顯示

在主控室操縱員站可顯示控制棒的運動趨勢、控制棒的選擇狀態、控制棒的連續棒位、終端位置、抓手位置、中間位置以及系統運行狀態等信息，并有系統故障報警等信息。

3）就地操作

系統可實現就地操作，用于試驗和系統單體調試，在機柜上實現主軸/抓手電源切換、控制棒主軸/抓手電機指令下達等操作。

4）就地顯示

系統通過觸摸屏和指示燈實現就地顯示，便于系統調試以及運行維修人員對系統狀態的監視，在機柜上顯示控制棒的運動趨勢、控制棒的選擇狀態、控制棒的連續位置傳感器、中間位置傳感器、離散位置傳感器和抓手位置傳感器的信息以及系統運行狀態反饋等信息，并有報警和故障定位。

2.4 主要技術參數

2.4.1 運行模式

根據核電廠的運行工況，液體懸浮式非能動棒的運行模式有：工作、換料、咬合、探測4種模式。當核電廠處于反應堆啟動、停堆運行工況下，驅動機構處于“工作”運行模式；當核電廠處于換料運行工況，驅動機構處于“換料”運行模式，為了防止驅動機構向下運行至剛性位時對控制棒產生較大沖擊，驅動機構從下終端下降至剛性支撐處于“咬合”運行模式；當控制棒在釋放位釋放，為判斷停堆后非能動棒是否隨流量降低下降至剛性位，驅動機構處于“探測”運行模式，通過位置信息判斷是否發生卡棒。非能動棒在不同運行模式下對應的運行區間、釋放狀態等運行參數見表1。

2.4.2 運行參數

液體懸浮式非能動控制棒的運行速度為5mm/s，連續位置的精度要求是±3mm，離散位置的精度要求為±5mm，中間位置的精度要求為±20mm。

2.4.3 系統性能指標

液體懸浮式非能動棒控制系統的主要性能指標包括以下要求：

1） 系統設計壽命為20年。

2） 機柜防護等級不低于IP40。

3） 系統可用性高于99.99%。

4）五性要求：系統能夠可查詢到各種實時運行狀態信息，包括設備運行狀態、輸入輸出參數、各中間過程變量、邏輯過程等信息；系統能實現故障識別和定位并隔離其內部故障；系統設備設計應便于維修更換，若機柜本身故障，且不疊加其他系統故障，備品人員滿足要求，維修時間小于8h；控制邏輯、組態等功能應具備方便修改、調試參數等功能；系統、設備及零部件在安裝、運行、檢修、拆卸、運輸期間應考慮及保證不導致人員傷亡、系統損壞及不危及人員健康和環境。

圖2 液體懸浮式非能動棒控制系統架構示意圖Fig.2 Sketch of liquid suspended passive rod control system's scheme

2.5 基本架構

液體懸浮式非能動棒控制系統的基本架構如圖2所示，主要設備包括：控制柜、控制棒驅動柜、棒位測量柜、配電柜等。

2.5.1 控制柜

控制柜采用PLC系統，接收來自操縱員的指令信號、來自棒位測量柜的棒位信號以及控制棒驅動柜的狀態反饋信號，經過邏輯符合形成非能動棒驅動機構電機的驅動指令信號，并將符合后的控制棒提升、下降、停止以及運行速度、驅動機構抓手打開、閉合、停止信號經硬接線傳送至控制棒驅動柜。

2.5.2 棒位測量柜

棒位測量柜主要由PLC處理器、旋轉變壓器轉換器、中間位置傳感器轉換器、抓手位置傳感器轉換器、觸摸屏、電源模塊、IO模塊等部分組成。棒位測量柜實現的主要功能包括：

1）為連續位置傳感器、中間位置傳感器（包括離散位置）和抓手位置傳感器提供勵磁電源。

2）接收傳感器的位置測量信號，經過信號處理后將控制棒連續位置轉換成標準信號，通過網絡傳輸送至控制柜，參與非能動棒的驅動控制邏輯。

3）在“探測”工作模式下，通過連續位置傳感器和中間位置傳感器得到的位置信息計算得到非能動棒是否出現卡棒現象。

4）將上終端到位、卡棒、抓手開到位、抓手關到位等信號送至驅動柜伺服驅動器，聯鎖電機停機。

5）通過位置信息判斷非能動棒在釋放位是否實現與抓手脫開，以及在剛性位是否實現被抓手抓持。

6）當系統處于試驗和單體調試期間，在觸摸屏上通過輸入密碼進行控制權限切換，可實現就地操作功能，通過觸摸屏可進行控制棒主軸電機、抓手電機的控制指令下達，并通過Profibus-DP通訊形式將驅動指令信號送至驅動柜。

2.5.3 驅動柜

驅動柜接收來自控制柜的遠程控制指令和來自棒位測量柜的就地操作指令，遠程控制指令的優先級高于就地操作指令，防止就地誤操作。驅動柜主要有伺服驅動器、電源模塊、電抗器、濾波器等部分組成。其中，伺服驅動器選用ABB E190型號驅動器，實現非能動棒主軸電機、抓手電機的驅動控制功能。

2.6 驗證試驗

系統樣機研制完成后，需進行樣機的功能性能試驗、環境試驗、EMC試驗、可靠性試驗以及與驅動機構的聯調試驗，以保證滿足系統的指標要求。

3 結論

中國目前研制的液體懸浮式非能動棒基于液體懸浮原理，在發生失流事故時，可實現輔助停堆功能。根據核電廠的運行工況和液體懸浮式非能動棒驅動機構的結構特點，設計了適用的儀控系統，以滿足機構驅動控制與棒位監測等功能要求。針對控制系統的驗證試驗目前還在進行中，以確保控制系統可以在保證功能性能的基礎上安全、可靠、穩定地運行。