反應(yīng)堆控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)模擬負(fù)載系統(tǒng)的研制

劉 沖，姚秋果，趙大威，黃 勇，趙 亮

（1．南華大學(xué)，湖南 衡陽421001；2．中科華核電技術(shù)研究院北京分公司，北京 100086）

控制棒控制系統(tǒng)是反應(yīng)堆中一個(gè)十分重要的系統(tǒng)，其主要作用是在確保反應(yīng)堆安全的前提下控制其反應(yīng)性，以滿足反應(yīng)堆長期穩(wěn)定運(yùn)行的需要。通過最佳的提棒／降棒等操作程序，使反應(yīng)堆在運(yùn)行過程中保持平坦的功率分布，并補(bǔ)償由于溫度系數(shù)、中毒效應(yīng)等引起的反應(yīng)堆反應(yīng)性變化，在負(fù)荷變化時(shí)能夠調(diào)節(jié)反應(yīng)堆功率跟隨負(fù)荷變化，或者在發(fā)生事故時(shí)能實(shí)現(xiàn)迅速停堆并保證適當(dāng)?shù)耐６言６龋?］。

本文設(shè)計(jì)了一種負(fù)載模擬裝置，用以模擬反應(yīng)堆棒控系統(tǒng)對控制棒動(dòng)作的有效控制。模擬負(fù)載系統(tǒng)是基于實(shí)際運(yùn)行的核電站反應(yīng)堆控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)各電磁線圈工況參數(shù)來進(jìn)行的，包括線圈的電磁性能、電感量、阻抗特性和電流導(dǎo)通能力等，以真實(shí)反映和模擬實(shí)際負(fù)載的各種特性。設(shè)計(jì)的模擬負(fù)載系統(tǒng)由控制棒控制系統(tǒng)（控制器）實(shí)現(xiàn)指令信號的產(chǎn)生和跟蹤，即可以快速準(zhǔn)確地跟蹤模擬負(fù)載各驅(qū)動(dòng)線圈的電流指令信號及其實(shí)測電流波形等各種信號和參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對反應(yīng)堆控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的負(fù)載特性和邏輯功能進(jìn)行檢驗(yàn)與測試。

1 模擬負(fù)載設(shè)計(jì)原理

控制棒是反應(yīng)堆功率調(diào)節(jié)和應(yīng)急控制不可缺少的反應(yīng)性控制部件，而控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)（CRDM）是反應(yīng)堆的重要?jiǎng)幼鞑考?。在壓水型反?yīng)堆中，CRDM安裝在反應(yīng)堆壓力容器頂蓋上，通過它的動(dòng)作帶動(dòng)控制棒組件在堆芯內(nèi)上、下運(yùn)動(dòng)、保持控制棒組件在指令位置以實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆的啟動(dòng)、運(yùn)行、調(diào)節(jié)功率和在斷電落棒情況下安全停堆等功能［2］。

實(shí)際運(yùn)行的核電站反應(yīng)堆控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)線圈組件由三個(gè)線圈（提升線圈LC、傳遞線圈MC和保持線圈SC）與鉤爪組件相對應(yīng)的磁極、銜鐵等構(gòu)成三個(gè)“電磁鐵”磁力驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，從上到下分別是提升電磁鐵、傳遞電磁鐵、保持電磁鐵。當(dāng)線圈組件中的三個(gè)線圈按照給定的時(shí)序通電時(shí)，三個(gè)電磁鐵就能按照設(shè)定的時(shí)序電流信號吸合或釋放，使連接在銜鐵上的兩組鉤爪交替嚙合或擺出驅(qū)動(dòng)桿上的環(huán)形槽，從而帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)桿組件和與之相連的控制棒組件按照控制要求以步進(jìn)的方式提升或下插控制棒。當(dāng)只給保持線圈通電時(shí)，保持電磁鐵吸合，保持鉤爪進(jìn)入驅(qū)動(dòng)桿環(huán)形槽，使控制棒組件保持在指定位置；當(dāng)三個(gè)線圈都斷電時(shí)，三個(gè)電磁鐵全部打開，兩組鉤爪均擺出驅(qū)動(dòng)桿環(huán)形槽，驅(qū)動(dòng)桿組件和控制棒組件一起，在重力作用下快速落入堆底，實(shí)現(xiàn)快速停堆［3－5］。

2 模擬負(fù)載系統(tǒng)組成與設(shè)計(jì)

模擬負(fù)載共設(shè)計(jì)為四套（以模擬實(shí)際反應(yīng)堆的一個(gè)控制棒組），各套模擬負(fù)載彼此之間是獨(dú)立的。每套模擬負(fù)載負(fù)責(zé)模擬對一束控制棒的各種工況控制。每套模擬負(fù)載都包括與實(shí)際系統(tǒng)的提升線圈LC、傳遞線圈MC和保持線圈SC相對應(yīng)的電抗器、電阻負(fù)載及其輔助設(shè)備。模擬負(fù)載的提升線圈最大電流為（40±1．6）A，小電流（16±0．6）A；傳遞線圈和保持線圈大電流為（8±0．3）A，小電流為（4．7±0．2）A。并確保提升線圈在40 A電流下工作、保持線圈和傳遞線圈在8 A電流下工作時(shí)，均不出現(xiàn)磁飽和現(xiàn)象。模擬負(fù)載系統(tǒng)原理框圖及其電氣接線原理圖分別如圖1、圖2所示。

圖1 模擬負(fù)載系統(tǒng)原理框圖Fig．1 Block diagram of simulated load system

圖2 模擬負(fù)載電氣原理圖Fig．2 Schematic of simulated load

操作員站是把與棒控有關(guān)的全部信息以多樣化的方式，集中在上位機(jī)的操縱界面中，以便操作人員能夠及時(shí)有效地掌握運(yùn)行狀態(tài)，如控制棒位置、控制器工作狀態(tài)、驅(qū)動(dòng)電源的工作狀態(tài)、控制棒位置指示裝置的工作狀態(tài)等這些主要信息均可得以實(shí)時(shí)監(jiān)控和執(zhí)行參數(shù)修改。

控制棒控制系統(tǒng)采用PLC（可編程控制器）作為主控制器件，實(shí)現(xiàn)對模擬負(fù)載各電磁線圈按照控制棒提升或下降的電流時(shí)序輪流通電與邏輯控制，以模擬實(shí)際反應(yīng)堆棒控系統(tǒng)各種運(yùn)行工況和邏輯關(guān)系的控制。

驅(qū)動(dòng)電源由控制棒控制系統(tǒng)通過相應(yīng)的程序控制去控制大功率晶閘管整流器產(chǎn)生圖3所示的脈沖時(shí)序電流，給模擬負(fù)載各電磁線圈按照控制棒提升或下降的電流時(shí)序輪流通電，以模擬控制驅(qū)動(dòng)控制棒上下移動(dòng)的各種運(yùn)行狀態(tài)。

3 模擬負(fù)載系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測試與性能比較

考慮到實(shí)際的控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)各電磁線圈為單線圈，其阻抗特性主要決定于它的電抗和電阻值的大小。為了能夠更加真實(shí)地模擬實(shí)際負(fù)載的各種工作特性，在模擬負(fù)載設(shè)計(jì)時(shí)，將其提升線圈、傳遞線圈和保持線圈回路的電抗和電阻與實(shí)際的控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)各電磁線圈電抗和電阻值的大小盡量接近，以確保模擬負(fù)載與真實(shí)負(fù)載的阻抗特性具有較好相似度。

另外，由于實(shí)際的反應(yīng)堆控制棒的驅(qū)動(dòng)桿位于各電磁線圈軸線中心，且在各自驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的配合下軸向移動(dòng)的。因此，控制棒移動(dòng)與否對線圈電流變化的影響較?。凰?，在設(shè)計(jì)模擬負(fù)載各線圈時(shí)將其設(shè)計(jì)為固定鐵芯的電抗器，而不考慮銜鐵運(yùn)動(dòng)對各線圈電流變化的影響。

3．1 實(shí)驗(yàn)測試

在系統(tǒng)測試之前，對各模擬負(fù)載線圈繞組的電阻、電感量、絕緣特性、抗電強(qiáng)度、接地電阻、溫升以及線圈磁飽和情況進(jìn)行逐項(xiàng)檢查和測量。在確保線圈組件各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)達(dá)到設(shè)計(jì)要求、各項(xiàng)功能正確無誤后進(jìn)入系統(tǒng)測試程序。

系統(tǒng)測試是在全部設(shè)備（包括控制棒控制系統(tǒng)、CRDM驅(qū)動(dòng)電源、線圈組件等）準(zhǔn)備就緒情況下，按照實(shí)際系統(tǒng)提棒／插棒動(dòng)作要求的線圈通電時(shí)序，對所有功能（包括控制棒按單束棒、棒組或棒子組的正常升／降操作、邏輯連鎖和保護(hù)信號等）進(jìn)行嚴(yán)格的功能測試。在圖3所示的控制棒提升電流時(shí)序控制下，實(shí)驗(yàn)測得模擬負(fù)載控制棒驅(qū)動(dòng)線圈提升控制棒時(shí)的工作電流波形如圖4所示。

3．2 性能比較

圖3 控制棒提升電流時(shí)序圖Fig．3 Current timing sequence curves of rod elevating

圖4 模擬負(fù)載控制棒驅(qū)動(dòng)線圈電流波形圖Fig．4 Driver coil current waves of simulated load

圖5所示曲線為秦山一期300 MW反應(yīng)堆控制棒提升狀態(tài)下驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)線圈電流波形圖（2008年棒控／棒位系統(tǒng)數(shù)字化改造之前），圖6則是國外某核電廠控制棒提升時(shí)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)線圈電流波形圖。秦山一期核電站的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是將中間的可動(dòng)鉤爪作為保持鉤爪用，而下面的固定鉤爪作為傳遞鉤爪用。這與國內(nèi)外其他核電站的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)剛好相反。因此，在設(shè)計(jì)線圈電流時(shí)序時(shí)，與國外核電站的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的提升時(shí)序和下降時(shí)序也相反。

圖5 秦山一期控制棒驅(qū)動(dòng)線圈電流波形圖Fig．5 Driver coil current waves of Qinshan I

圖6 國外某核電廠控制棒驅(qū)動(dòng)線圈電流波形圖Fig．6 Driver coil current waves of an overseas NPP

通過對圖5、圖6所示的實(shí)際運(yùn)行系統(tǒng)和圖4所示的模擬負(fù)載系統(tǒng)提棒動(dòng)作的驅(qū)動(dòng)線圈電流波形進(jìn)行比較以后可以發(fā)現(xiàn)，圖5所示的秦山一期核電站的控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中六個(gè)機(jī)械動(dòng)作點(diǎn)之間的時(shí)間間隔長短差異較大，同時(shí)，由于線圈電流的穩(wěn)定工作范圍較小，因而工作的穩(wěn)定性差。圖6所示的國外某核電廠驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)電流波形中表明六個(gè)機(jī)械動(dòng)作點(diǎn)之間的時(shí)間間隔長短比較均勻，而且，電流紋波明顯要比秦山一期驅(qū)動(dòng)線圈的電流紋波要小，因此，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作的可靠性較高。

在圖4所示的模擬負(fù)載系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)線圈實(shí)測電流波形圖中的六個(gè)機(jī)械動(dòng)作點(diǎn)之間的時(shí)間間隔長短相對均勻，要比秦山一期驅(qū)動(dòng)線圈的電流、甚至也比國外某核電廠驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)線圈電流性能更好，而且電流紋波也表現(xiàn)不明顯，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作的穩(wěn)定性和系統(tǒng)的可靠性得到了極大提高和改善。

4 結(jié)束語

本文參考法國相關(guān)技術(shù)資料，設(shè)計(jì)了一套全新的控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)模擬負(fù)載系統(tǒng)，并對系統(tǒng)各項(xiàng)功能進(jìn)行了嚴(yán)格測試和長時(shí)間的運(yùn)行考驗(yàn)。通過模擬負(fù)載系統(tǒng)樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)測試發(fā)現(xiàn)，整個(gè)模擬系統(tǒng)不僅具有比較完善的功能，很高的穩(wěn)定性和可靠性，而且具有操作界面友好、操作方便、易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。該模擬系統(tǒng)的研制成功，不僅取得了驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)研制的第一手試驗(yàn)數(shù)據(jù)，也驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案、技術(shù)路線的可行性，為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)國產(chǎn)化奠定了一定的基礎(chǔ)。

［1］ 胡守印，蘇慶善，孫栓樑，等．HTR-10控制棒控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］．核動(dòng)力工程，2001，22（6）：520-522：529．

［2］ 張繼革，吳元強(qiáng)，盛選禹，等．控制棒新型電磁驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性實(shí)驗(yàn)研究［J］．核科學(xué)與工程，2003，23（2）：123-126．

［3］ 李紅鷹．秦山核電二期工程反應(yīng)堆控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］．核動(dòng)力工程，2003，24（S1）：161-164．

［4］ 張建民．核反應(yīng)堆控制［M］．西安：西安交通大學(xué)出版社，2002．

［5］ 凌備備．核反應(yīng)堆工程原理［M］．北京：原子能出版社，1989．