三門核電燃料抓取機載荷控制系統(tǒng)問題及優(yōu)化策略

江承志

（三門核電有限公司 維修處，浙江 臺州 317112）

燃料抓取機位于輔助廠房內(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與國內(nèi)其他壓水堆核電站的燃料抓取機存在的差異，以及調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)燃料抓取機南提升機構(gòu)載荷控制邏輯問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 燃料抓取機簡要結(jié)構(gòu)及操作流程

1.1 設備結(jié)構(gòu)及操作流程

三門核電燃料抓取機包含橋架、小車及南、北提升機構(gòu)，其中燃料抓取機的前進及后退操作靠橋架執(zhí)行，提升機構(gòu)的左右操作靠小車移動實現(xiàn)，組件上下操作由南、北提升機構(gòu)運動實現(xiàn)。南提升機構(gòu)主要用于操作新燃料，北提升機構(gòu)主要用于操作乏燃料組件，整個燃料廠房布置及燃料主要操作流程見圖1（以裝料過程為例，流程如下）[1]：

1）南提升機構(gòu)將新燃料由燃料容器中移動至新燃料儲存格架。

2）南提升機構(gòu)將新燃料組件由新燃料儲存格架移動至新燃料升降機。

3）北提升機構(gòu)將新燃料組件由新燃料升降機移動至乏池。

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

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出燃料廠房時，由北提升機構(gòu)將乏燃料組件由乏池運轉(zhuǎn)至裝載井運輸容器，然后運轉(zhuǎn)至沖洗井，對運輸容器沖洗、加壓、密封等操作后，再由輔助廠房吊車吊離燃料廠房。

1.2 與國內(nèi)其他核電廠燃料抓取機的差異

1） 結(jié)構(gòu)差異

國內(nèi)其他核電廠燃料抓取機本身僅有一套提升機構(gòu)，其功能相當于三門核電燃料抓取機北提升機構(gòu)作用。而將組件從燃料容器運轉(zhuǎn)至新燃料升降機，再至乏池的過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相對于國內(nèi)其他核電廠，多一套南提升機構(gòu)，控制系統(tǒng)多了南提升機構(gòu)相關(guān)的控制部分，含高度、載荷、機械限位聯(lián)鎖等控制內(nèi)容。

2 載荷測量系統(tǒng)

2.1 載荷測量系統(tǒng)組成

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

2.2 載荷測量裝置

載荷測量裝置安裝在提升機構(gòu)卷筒鋼纜上，燃料抓取機正常運行時，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，用于將載荷信號轉(zhuǎn)換為電流4mA～20mA信號。

2.3 載荷放大器

載荷放大器包含主和冗余，為對應載荷測量裝置提供24VDC的工作電壓，接收來自載荷測量裝置輸出的電流信號，同時將載荷信號通過DeviceNet通信方式傳至PLC程序中。

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

3 載荷設置

3.1 燃料組件類型及載荷報警設置

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）、初級中子源組件（PS）、次級中子源組件（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為燃料組件及各個插件的載荷情況[2]：

實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）和自動運行模式（AUTO）下的燃料組件類型，所以燃料抓取機有6種燃料類型，通過操作臺上的燃料選擇開關(guān)（Fuel Weight Select）選擇對應的類型。

3.1.2 載荷報警設置

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，載荷設置結(jié)果也不一樣，滿載為正常工況。

燃料抓取機PLC程序中對載荷的設置是有標準公式的[2]，見表2。

燃料抓取機載荷設置結(jié)果見表3和表4，其中外部超載和外部最大超載不在PLC程序中進行設置，而是在載荷放大器中進行設置，當載荷值超過其設置值時產(chǎn)生開關(guān)量信號輸送至PLC參與聯(lián)鎖控制[2]。

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

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

表2 載荷設置Table 2 Load weight setup

3.1.3 載荷報警聯(lián)鎖

載荷報警對提升機構(gòu)運動的影響如下：

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)問題分析

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

對于南提升機構(gòu)運動范圍為燃料容器傾翻機、新燃料儲存格架、新燃料升降機，燃料組件在新燃料升降機部分涉及浸水，對應的是新燃料從干式儲存格架移動至乏池操作（圖1流程②），是一個浸水或出水的過程，在該過程浮力數(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，遠大于超載、欠載的設置值68kg，同時也大于最大超載設定值91kg，在南提升機構(gòu)下降過程中直接觸發(fā)欠載，導致設備不能操作，同時在提升過程中，載荷控制系統(tǒng)無法有效監(jiān)測載荷，無法判斷超載。

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

4 解決方案

燃料抓取機設計廠家在起初設計時，由于南提升機構(gòu)設計屬于首次，并未完全考慮南提升在新燃料接收時，組件進入新燃料升降機的這一特殊過程，還是采用實際載荷與理論載荷比較，得出欠載、超載等工況。要解決該問題，必須解決浮力問題。

4.1 增加浮力補償算法

南提升機構(gòu)在燃料容器傾翻機、新燃料貯存格架不涉及浸水和出水過程，該部分載荷邏輯代碼無需修改；對于在新燃料升降機側(cè)，增加浮力補償，然后將浮力值加入載荷邏輯段中，見圖2。

圖2 浮力補償算法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，為方便計算，可以取中值，為104kg，設為F1。

三門一號機組燃料抓取機南提升機構(gòu)在傾翻機操作過程中，以帶組件下降為例，標高范圍為（0～6230）mm，在達到1200mm時，組件剛接觸水面；提升機構(gòu)在6000mm位置時，組件完全進入水中；在行程（1200～6000）mm范圍，浮力與行程標高是成線性關(guān)系的，減少的浮力F=F1/4800（Z-1200）kg，其中，Z為當前提升機構(gòu)行程標高。PLC程序中將浮力補償值自動補償予載荷報警設置值中，浮力補償值FΔ=F=104/4800（Z-1200）kg，當標高大于6000mm時，直接將浮力值設定為104kg。例如提升機構(gòu)標高為2000mm，浮力補償值為20.8kg，相應的各個載荷報警值減少20.8kg。

同時得出燃料抓取機浮力公式，該公式可以用于不同電廠，因為各個電廠由于建設期間不同高度，各個高度范圍也不一樣，使用該公式則能通用。

FΔ——浮力補償值。

F——浮力值。

F1——總浮力值。

L——組件長度。

Z——當前組件進水高度。

Z1——組件剛進水高度。

5 結(jié)語

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