核電廠離堆放射性廢物處理中心輥道控制

薛艷軍 馬小強(qiáng) 張?zhí)K善

(1. 中電投山東核環(huán)保有限公司, 山東 煙臺(tái), 265116；2. 江蘇核電有限公司, 江蘇 連云港, 222042)

離堆放射性廢物處理中心(SRTF)處理的放射性固體廢物主要包含來自核島的干、濕固體廢物和暖通空調(diào)(HVAC)過濾器濾芯，這些廢物在核島放射性廢物廠房進(jìn)行分類裝桶后直接轉(zhuǎn)運(yùn)至SRTF廢物暫存間，處理時(shí)由叉車轉(zhuǎn)運(yùn)至輥道系統(tǒng)，然后經(jīng)過實(shí)時(shí)射線成像裝置(RTR)目視檢查、分揀及裝載，預(yù)壓、高分率γ譜儀(HRGS)放射性活度檢測(cè)、超壓、壓餅裝載、灌漿、封蓋、養(yǎng)護(hù)等一系列操作，之后在擦拭去污站對(duì)再包裝桶進(jìn)行桶表面污染和接觸劑量率監(jiān)測(cè)，并最終轉(zhuǎn)運(yùn)到320 L桶廢物暫存庫暫存，放射性固體廢物處理工藝流程如圖1所示。

1 輥道輸送系統(tǒng)

1.1 輥道系統(tǒng)概述

輥道輸送系統(tǒng)作為廢物分揀壓縮系統(tǒng)的子系統(tǒng)，貫穿整條放射性固體廢物處理生產(chǎn)線，其功能是按照工藝要求實(shí)現(xiàn)廢物桶在處理系統(tǒng)各功能站位之間的傳輸，必要時(shí)考慮為廢物桶提供暫存功能。輥道輸送系統(tǒng)因其自動(dòng)化程度高，運(yùn)輸能力好，可靠性高，而且在其他行業(yè)有成熟的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，被廣泛運(yùn)用于核電站廢物轉(zhuǎn)運(yùn)工作中。

本文對(duì)某核電廠輥道自動(dòng)模式下的順控邏輯和轉(zhuǎn)運(yùn)路線進(jìn)行分析，并針對(duì)其在實(shí)際操作過程中遇到的順控邏輯缺少及不完善等問題，給出優(yōu)化和解決方案，使之滿足今后實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行需要。輥道輸送系統(tǒng)布置圖如圖2所示，其中帶圈數(shù)字表示輥道號(hào)。

1.2 輥道功能

輥道輸送系統(tǒng)共包括V類54個(gè)單獨(dú)的輸送輥道，其中V類輥道中每類輥道的功能都不一樣。I類輥道為90°頂升旋轉(zhuǎn)臺(tái)共4臺(tái)，保證所輸送的物料能直線輸送和旋轉(zhuǎn)90°方向輸送；II類輥道為360°旋轉(zhuǎn)臺(tái)共3臺(tái)，保證所輸送的物料能直線輸送和旋轉(zhuǎn)90°方向輸送；III類輥道為直線輸送輥道共32臺(tái)，負(fù)責(zé)物料的直線輸送；IV類輥道為重載積聚式輥道共14臺(tái)，負(fù)責(zé)物料的積聚；V類輥道為360°擦拭去污旋轉(zhuǎn)臺(tái)1臺(tái)，此輥道可以把物料頂升后360°旋轉(zhuǎn)[1]，輥道詳細(xì)列表見表1。所有輥道均為鏈條傳送，可通過中央控制系統(tǒng)人機(jī)界面進(jìn)行手動(dòng)或自動(dòng)操作，使物料按設(shè)定的路線前進(jìn)，完成物料的傳輸任務(wù)。

1.3 輥道設(shè)備組成

輥道主要由機(jī)架、鏈輪傳動(dòng)系統(tǒng)、輥筒組件、護(hù)罩和電器元件組成，其中I、II、V類輥道還帶有旋轉(zhuǎn)減速電機(jī)、齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。

圖1 放射性固體廢物處理工藝流程圖

圖2 輥道輸送系統(tǒng)布置圖

另外，I、V類輥道都帶有頂升機(jī)構(gòu)，I類為氣缸頂升，V類為電動(dòng)頂升。每臺(tái)輥道電機(jī)均配有通訊管理機(jī)馬達(dá)保護(hù)器，具備電機(jī)控制和保護(hù)功能及參數(shù)測(cè)量和顯示功能，其控制系統(tǒng)采用過程現(xiàn)場(chǎng)總線分散型外圍設(shè)備(Profibus DP)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與低壓配電室通訊管理機(jī)可編程控制器(PLC)建立連接，然后通過網(wǎng)線與PLC1和中央控制系統(tǒng)環(huán)網(wǎng)進(jìn)行通訊，由此實(shí)現(xiàn)輥道的遠(yuǎn)程控制。

為使桶在輥道上各個(gè)工位間平穩(wěn)、準(zhǔn)確傳輸，輥道采用接近開關(guān)和光電開關(guān)，用于提升、旋轉(zhuǎn)輥道到位檢測(cè)及輥道上廢物桶定位，并在傳輸中實(shí)時(shí)向PLC反饋輥道和廢物桶位置信息。

1.4 順控邏輯

輥道控制方式分為手動(dòng)和自動(dòng)兩種：手動(dòng)控制是針對(duì)單個(gè)輥道的在人機(jī)界面的所有單步操作；自動(dòng)控制是按預(yù)定程序?qū)崿F(xiàn)工藝流程中某一部分功能的控制流程，每個(gè)自動(dòng)控制流程設(shè)置為1個(gè)順控邏輯，并以相應(yīng)傳感器檢測(cè)到廢物桶而停止。輥道自動(dòng)控制共有28個(gè)順控邏輯，各自以字母+數(shù)字代碼表示，只有當(dāng)預(yù)設(shè)條件滿足時(shí)，才能啟動(dòng)相應(yīng)的順序控制，將廢物桶輸送到指定地點(diǎn)，各順控邏輯對(duì)應(yīng)的廢物桶轉(zhuǎn)運(yùn)路線如表2所示。

1.5 控制流程

根據(jù)放射性固體廢物處理流程及實(shí)際生產(chǎn)情況，結(jié)合輥道順控邏輯，可得出200 L桶可壓縮廢物、200 L桶不可壓縮廢物、HVAC廢濾芯及320 L再包裝桶的處理控制流程，如圖3～6所示。

表1 輸送系統(tǒng)輥道列表

表2 輥道順控邏輯

圖3200L桶可壓縮廢物處理控制流程

圖4 200 L桶不可壓縮廢物處理控制流程

圖5 HVAC廢濾芯處理控制流程

圖6 320 L再包裝桶處理控制流程

2 存在問題及改進(jìn)

2.1 存在的問題及原因

目前輥道順控邏輯基本實(shí)現(xiàn)了廢物桶轉(zhuǎn)運(yùn)流程的自動(dòng)化，但由于設(shè)計(jì)時(shí)未充分考慮固廢處理工藝流程的特點(diǎn)及實(shí)際生產(chǎn)需求，仍存在部分工藝流程缺少順控或順控不完善的問題，導(dǎo)致相關(guān)操作需切換至手動(dòng)模式，增加了人因失誤的幾率，必要時(shí)還需人工進(jìn)行干預(yù)，極大地影響固廢處理效率。

存在的主要問題有：

(1) 200 L桶可壓縮廢物超壓流程順控不完善；

(2) 320 L桶不可壓縮廢物灌漿流程無順控；

(3) HVAC廢濾芯預(yù)壓流程無順控。

2.2 200 L桶可壓縮廢物超壓流程順控優(yōu)化

超壓機(jī)優(yōu)選臺(tái)可同時(shí)存放8個(gè)壓餅，因此200 L廢物桶在HRGS檢測(cè)站完成核素檢測(cè)后可臨時(shí)存放在超壓等待輥道32～35及42～45上，積聚8個(gè)廢物桶后集中進(jìn)行超壓，而目前順控邏輯只有D7a(將桶從旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤36轉(zhuǎn)運(yùn)至輥道42)和D7b(將桶從旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤36轉(zhuǎn)運(yùn)至輥道32)。

因廢物桶轉(zhuǎn)運(yùn)至剩余等待輥道無相應(yīng)的順控邏輯，不能實(shí)現(xiàn)廢物桶自動(dòng)模式下轉(zhuǎn)運(yùn)至剩余等待輥道的需求。如果使用手動(dòng)模式轉(zhuǎn)運(yùn)，因手動(dòng)模式下光電開關(guān)未設(shè)置信號(hào)連鎖，存在廢物桶到位后不能觸發(fā)光電開關(guān)自動(dòng)停止輥道的問題，導(dǎo)致廢物桶不能精確定位，極易造成廢物桶在積聚時(shí)出現(xiàn)碰撞的情況，因此就地需安排人員配合中控室人員進(jìn)行操作，但這樣勢(shì)必會(huì)增加現(xiàn)場(chǎng)人員受輻照劑量。

改進(jìn)方案：

(1) 增加超壓等待輥道順控邏輯D7c～D7h，分別為D7c(將桶從旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤36轉(zhuǎn)運(yùn)至輥道43)、D7d(將桶從旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤36轉(zhuǎn)運(yùn)至輥道33)、D7e(將桶從旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤36轉(zhuǎn)運(yùn)至輥道44)、D7f(將桶從旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤36轉(zhuǎn)運(yùn)至輥道34)、D7g(將桶從旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤36轉(zhuǎn)運(yùn)至輥道45)、D7h(將桶從旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤36轉(zhuǎn)運(yùn)至輥道35)，經(jīng)過HRGS檢測(cè)完成的桶可依次執(zhí)行相應(yīng)順控轉(zhuǎn)運(yùn)至剩余等待輥道。

(2) 增加超壓等待輥道轉(zhuǎn)運(yùn)至超壓機(jī)的順控邏輯E2(將桶從輥道32轉(zhuǎn)運(yùn)至超壓機(jī)入口輥道87)，同時(shí)給輥道32～輥道35及輥道42～輥道45的光電開關(guān)設(shè)置信號(hào)連鎖。

實(shí)際操作中，廢物桶經(jīng)HRGS檢測(cè)完成后，先在自動(dòng)模式下執(zhí)行D7a～D7h，待等待輥道排滿8個(gè)桶后，執(zhí)行E1或E2將廢物桶轉(zhuǎn)運(yùn)至超壓機(jī)入口輥道，轉(zhuǎn)運(yùn)后的空位由剩余廢物桶手動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)至輥道32或42進(jìn)行補(bǔ)充，重復(fù)執(zhí)行E1或E2，直至8個(gè)桶全部轉(zhuǎn)運(yùn)完成。

優(yōu)化后的200 L桶可壓縮廢物處理流程見圖7，后續(xù)廢物桶經(jīng)超壓成為壓餅后裝載至320 L桶內(nèi)再進(jìn)行灌漿處理(圖6流程)。

圖7優(yōu)化后的200L桶可壓縮廢物處理控制流程

2.3 320 L桶不可壓縮廢物灌漿流程順控優(yōu)化

根據(jù)放射性固體廢物處理工藝流程，將不可壓縮廢物裝入320 L桶后，由叉車轉(zhuǎn)運(yùn)至大件廢物切割間入口輥道28，然后經(jīng)輥道輸送至HRGS檢測(cè)站，活度檢測(cè)完成后再退回至大件廢物切割間，接著由叉車轉(zhuǎn)運(yùn)至擦拭去污站，再經(jīng)輥道倒回灌漿站進(jìn)行灌漿處理，但目前輥道自動(dòng)控制模式只有從灌漿站到擦拭去污站的相關(guān)順控F3→F5→E7，而無反向順控。

目前的實(shí)際生產(chǎn)情況為：將不可壓縮廢物和違禁品都裝入200 L桶，首先由叉車轉(zhuǎn)運(yùn)至入口輥道2，然后經(jīng)RTR、HRGS檢測(cè)完成后輸送至超壓站(見圖4流程)。在超壓站直接由壓餅抓具轉(zhuǎn)運(yùn)至壓餅裝載站，隨后裝填至320 L桶再進(jìn)行灌漿流程(見圖6流程)。與使用320 L桶裝載不可壓縮廢物直接進(jìn)行灌漿相比，這樣做不僅降低了廢物填裝體積，還增加了200 L桶的消耗，在放射性廢物最小化和核電站生產(chǎn)成本控制上均無優(yōu)勢(shì)。因此需重新建立順控，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)模式下320 L桶不可壓縮廢物的灌漿流程。

改進(jìn)方案：

增加擦拭去污站到灌漿站的反向順控邏輯F8(將桶從擦拭站轉(zhuǎn)運(yùn)至灌漿站)。優(yōu)化后的320 L桶不可壓縮廢物處理控制流程為：H7→D2a→D8→叉車轉(zhuǎn)運(yùn)→F8→F3→F5→E7→G1，如圖8所示。

圖8 優(yōu)化后的320 L桶不可壓縮廢物處理控制流程

2.4 HVAC廢濾芯預(yù)壓流程順控優(yōu)化

核島及SRTF廠房暖通系統(tǒng)產(chǎn)生的空氣過濾器芯正常尺寸為610 mm(高)×610 mm(寬)×343 mm(深)，比200 L桶稍大(直徑560 mm)，因此需要在HVAC濾芯擠壓機(jī)進(jìn)行初步擠壓，使變形后的濾芯能夠裝入200 L桶。擠壓完的濾芯尺寸高度會(huì)降低為原尺寸的2/3～1/2，裝入200 L桶后，原寬度變?yōu)楦叨龋?00 L桶高度僅為850 mm，所以1個(gè)200 L桶只能裝1個(gè)廢濾芯，為提高廢物桶裝載率，需要在預(yù)壓站對(duì)濾芯進(jìn)行進(jìn)一步減容。

目前從大件廢物切割間進(jìn)入分揀手套箱的順控只有H7(將桶從大件廢物切割間入口輥道28轉(zhuǎn)運(yùn)至HRGS等待輥道26)，缺少從輥道26轉(zhuǎn)運(yùn)至分揀手套箱的順控，無法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)模式下HVAC濾芯的預(yù)壓流程。

改進(jìn)方案：

增加HVAC濾芯擠壓機(jī)到分揀手套箱的順控邏輯B4c(將桶從輥道26轉(zhuǎn)運(yùn)至分揀手套箱入口輥道22)和反向順控C18(將桶從分揀手套箱入口輥道22轉(zhuǎn)運(yùn)至大件廢物切割間入口輥道28)。完善后的HVAC廢濾芯處理控制流程為：H7→B4c→B6→B12→C18→H7→D2a→D7→D7a→E1，如圖9所示。

圖9優(yōu)化后的HVAC廢濾芯處理控制流程圖

3 結(jié)語

本文通過對(duì)某核電廠離堆放射性廢物處理中心輥道輸送系統(tǒng)順序控制進(jìn)行優(yōu)化，解決了順控邏輯不完善和輥道自動(dòng)控制非連續(xù)的問題，實(shí)現(xiàn)了放射性固體廢物處理各工序間的有效銜接和全過程自動(dòng)化。200 L桶可壓縮廢物處理流程的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了8個(gè)廢物桶自動(dòng)積聚和連續(xù)輸送，滿足超壓機(jī)連續(xù)處理能力20 桶/h的前提條件，相比優(yōu)化前單桶依次超壓的處理效率提高了約43%(如采用單桶依次超壓額外增加了壓餅抓具等待時(shí)間，每小時(shí)只能超壓14 桶)，同時(shí)還避免了操作人員手動(dòng)積聚廢物桶發(fā)生意外后的現(xiàn)場(chǎng)干預(yù)，減少了人員與放射性廢物接觸的幾率。320 L桶不可壓縮廢物處理流程及HVAC廢濾芯處理流程的優(yōu)化則分別提高了廢物裝載率44%和100%(相同裝載高度下，320 L桶比200 L桶多裝載88升廢物；HVAC廢濾芯預(yù)壓后能再多裝一個(gè)濾芯)，滿足《核電廠放射性廢物管理安全規(guī)定》[2]中關(guān)于放射性廢物最小化的要求，同時(shí)進(jìn)一步降低了200 L桶的消耗，從運(yùn)行生產(chǎn)安全和成本控制的角度來講，該優(yōu)化方案在同類核電站中也具有一定的參考和應(yīng)用價(jià)值。