液體懸浮式非能動(dòng)棒控制系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

張媛媛，段天英，陳樹(shù)明，鄭富磊，劉 勇，賈玉文

（中國(guó)原子能科學(xué)研究院，北京 102413）

0 引言

第四代先進(jìn)核能系統(tǒng)在可持續(xù)性、經(jīng)濟(jì)性、安全性和可靠性及防核擴(kuò)散和實(shí)體防衛(wèi)等方面提出了更高的要求和目標(biāo)[1]。鈉冷快堆是第四代核能系統(tǒng)國(guó)際論壇公布的6種第四代先進(jìn)反應(yīng)堆中發(fā)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(shè)計(jì)指導(dǎo)思想是充分利用快堆的固有安全性和采用非能動(dòng)的安全系統(tǒng)。其中，非能動(dòng)停堆裝置是非能動(dòng)安全系統(tǒng)的重要組成部分[2]。

國(guó)際上研究較多且技術(shù)相對(duì)成熟的非能動(dòng)停堆系統(tǒng)主要有以下幾種[3]：基于居里點(diǎn)合金溫度控制的非能動(dòng)停堆系統(tǒng)、氣體膨脹驅(qū)動(dòng)裝置、液體懸浮的非能動(dòng)停堆系統(tǒng)和控制棒熱膨脹強(qiáng)化驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等。中國(guó)目前也在進(jìn)行基于液體懸浮原理的非能動(dòng)停堆裝置的研發(fā)工作，由于液體懸浮式控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)特殊的結(jié)構(gòu)、工作方式和控制要求，需設(shè)計(jì)和研發(fā)適用的儀控系統(tǒng)。

1 液體懸浮式非能動(dòng)棒簡(jiǎn)介

1.1 工作原理

液體懸浮式非能動(dòng)停堆系統(tǒng)由碳化硼控制棒和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)兩部分組成，系統(tǒng)的工作原理為：在正常運(yùn)行工況下，當(dāng)滿足非能動(dòng)棒釋放條件后，在釋放位與驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)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(fā)生失流事故時(shí)，當(dāng)堆芯流量減少到一定程度，重力大于水力推力時(shí)，控制棒開(kāi)始下降，降至最低位置，向堆內(nèi)引入負(fù)反應(yīng)性，實(shí)現(xiàn)失流事故下的輔助停堆功能。

1.2 結(jié)構(gòu)組成

液體懸浮式非能動(dòng)停堆機(jī)構(gòu)為“機(jī)電”型結(jié)構(gòu)，由電機(jī)帶動(dòng)傳動(dòng)鏈運(yùn)行，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，每臺(tái)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括兩套傳動(dòng)裝置，主軸電機(jī)和主軸傳動(dòng)鏈，用于實(shí)現(xiàn)帶抓手的主軸驅(qū)動(dòng)裝置的上升、下降、保持；抓手電機(jī)和抓手傳動(dòng)鏈，用于遠(yuǎn)距離操作驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與控制棒組件的連接與脫離；同時(shí)，設(shè)置連續(xù)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(jiān)測(cè)控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的位置信息。

液體懸浮式非能動(dòng)停堆機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。主軸電機(jī)、抓手電機(jī)均采用交流伺服電機(jī)，控制精度高，性能可靠，運(yùn)行平穩(wěn)，響應(yīng)速度快；連續(xù)位置傳感器采用旋轉(zhuǎn)變壓器，測(cè)量精度高，具有良好的環(huán)境適應(yīng)性；中間位置傳感器由多組線圈組成，覆蓋驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的整個(gè)運(yùn)行行程范圍，通過(guò)計(jì)算機(jī)構(gòu)運(yùn)行過(guò)程中各線圈感應(yīng)信號(hào)間的相對(duì)關(guān)系得到控制棒的位置信息，主要用于探測(cè)運(yùn)行模式下，非能動(dòng)控制棒運(yùn)行位置的判斷；離散位置傳感器為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的固定離散點(diǎn)運(yùn)行位置，與控制棒不同運(yùn)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(kāi)關(guān)、換料支撐終端開(kāi)關(guān)、換料終端開(kāi)關(guān)、釋放位終端開(kāi)關(guān)和上終端開(kāi)關(guān)；抓手位置傳感器基于差動(dòng)變壓器原理，用于抓手部件的開(kāi)合狀態(tài)監(jiān)測(cè)以及控制棒的脫開(kāi)和抓持狀態(tài)判斷。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)功能

根據(jù)核電廠的運(yùn)行工況、液體懸浮式非能動(dòng)棒的運(yùn)行特點(diǎn)和監(jiān)測(cè)控制要求，液體懸浮式非能動(dòng)棒控制系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)的主要功能如下：

1）根據(jù)操縱員的控制指令驅(qū)動(dòng)控制棒上升、下降和保持，參與反應(yīng)堆的啟動(dòng)、換料和停堆。

圖1 液體懸浮式非能動(dòng)棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)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(nèi)，實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)控制棒的位置，并有終端限位和抓手狀態(tài)監(jiān)測(cè)顯示。

3）在控制棒脫開(kāi)的情況下，探測(cè)控制棒的位置，判斷控制棒是否卡棒。

4）根據(jù)運(yùn)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(tǒng)可實(shí)現(xiàn)自檢，對(duì)異常故障情況進(jìn)行報(bào)警，并根據(jù)異常的嚴(yán)重程度采取不同處理措施。

同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)儀控系統(tǒng)的研發(fā)驗(yàn)證，在確保實(shí)現(xiàn)以上功能的基礎(chǔ)上，增加便于試驗(yàn)測(cè)試的單體調(diào)試功能，設(shè)置遠(yuǎn)程控制和就地控制的操作權(quán)限選擇，可在本系統(tǒng)機(jī)柜上實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)電機(jī)的指令下達(dá)。

2.2 聯(lián)鎖控制

為了提高反應(yīng)堆和控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)行安全性，設(shè)置安全聯(lián)鎖和運(yùn)行極限位置的控制聯(lián)鎖：

1）抓手和主軸電機(jī)的供電電源設(shè)有互鎖裝置，兩個(gè)電機(jī)不能同時(shí)得電工作。

2）上終端到位信號(hào)聯(lián)鎖控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主軸電機(jī)停機(jī)。

3）控制棒抓持狀態(tài)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(dòng)棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)行模式Table 1 Operation mode of liquid suspended passive control rod drive mechanism

4）抓手位置傳感器開(kāi)到位、關(guān)到位信號(hào)聯(lián)鎖控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)抓手電機(jī)停機(jī)。

上終端信號(hào)、抓手開(kāi)到位信號(hào)、抓手關(guān)到位信號(hào)通過(guò)硬接線送至電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置，以減小系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間，提高運(yùn)行安全性。

2.3 人機(jī)交互

1）遠(yuǎn)程控制

在主控室操縱員站可實(shí)現(xiàn)液體懸浮式非能動(dòng)棒工作模式選擇、控制棒選擇/復(fù)位、控制棒主軸/抓手電機(jī)動(dòng)作指令下達(dá)等控制。

2）遠(yuǎn)程顯示

在主控室操縱員站可顯示控制棒的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)、控制棒的選擇狀態(tài)、控制棒的連續(xù)棒位、終端位置、抓手位置、中間位置以及系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)等信息，并有系統(tǒng)故障報(bào)警等信息。

3）就地操作

系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)就地操作，用于試驗(yàn)和系統(tǒng)單體調(diào)試，在機(jī)柜上實(shí)現(xiàn)主軸/抓手電源切換、控制棒主軸/抓手電機(jī)指令下達(dá)等操作。

4）就地顯示

系統(tǒng)通過(guò)觸摸屏和指示燈實(shí)現(xiàn)就地顯示，便于系統(tǒng)調(diào)試以及運(yùn)行維修人員對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)的監(jiān)視，在機(jī)柜上顯示控制棒的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)、控制棒的選擇狀態(tài)、控制棒的連續(xù)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(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)反饋等信息，并有報(bào)警和故障定位。

2.4 主要技術(shù)參數(shù)

2.4.1 運(yùn)行模式

根據(jù)核電廠的運(yùn)行工況，液體懸浮式非能動(dòng)棒的運(yùn)行模式有：工作、換料、咬合、探測(cè)4種模式。當(dāng)核電廠處于反應(yīng)堆啟動(dòng)、停堆運(yùn)行工況下，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)處于“工作”運(yùn)行模式；當(dāng)核電廠處于換料運(yùn)行工況，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)處于“換料”運(yùn)行模式，為了防止驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)向下運(yùn)行至剛性位時(shí)對(duì)控制棒產(chǎn)生較大沖擊，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)從下終端下降至剛性支撐處于“咬合”運(yùn)行模式；當(dāng)控制棒在釋放位釋放，為判斷停堆后非能動(dòng)棒是否隨流量降低下降至剛性位，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)處于“探測(cè)”運(yùn)行模式，通過(guò)位置信息判斷是否發(fā)生卡棒。非能動(dòng)棒在不同運(yùn)行模式下對(duì)應(yīng)的運(yùn)行區(qū)間、釋放狀態(tài)等運(yùn)行參數(shù)見(jiàn)表1。

2.4.2 運(yùn)行參數(shù)

液體懸浮式非能動(dòng)控制棒的運(yùn)行速度為5mm/s，連續(xù)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(tǒng)性能指標(biāo)

液體懸浮式非能動(dòng)棒控制系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)包括以下要求：

1） 系統(tǒng)設(shè)計(jì)壽命為20年。

2） 機(jī)柜防護(hù)等級(jí)不低于IP40。

3） 系統(tǒng)可用性高于99.99%。

4）五性要求：系統(tǒng)能夠可查詢到各種實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)信息，包括設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、輸入輸出參數(shù)、各中間過(guò)程變量、邏輯過(guò)程等信息；系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)故障識(shí)別和定位并隔離其內(nèi)部故障；系統(tǒng)設(shè)備設(shè)計(jì)應(yīng)便于維修更換，若機(jī)柜本身故障，且不疊加其他系統(tǒng)故障，備品人員滿足要求，維修時(shí)間小于8h；控制邏輯、組態(tài)等功能應(yīng)具備方便修改、調(diào)試參數(shù)等功能；系統(tǒng)、設(shè)備及零部件在安裝、運(yùn)行、檢修、拆卸、運(yùn)輸期間應(yīng)考慮及保證不導(dǎo)致人員傷亡、系統(tǒng)損壞及不危及人員健康和環(huán)境。

圖2 液體懸浮式非能動(dòng)棒控制系統(tǒng)架構(gòu)示意圖Fig.2 Sketch of liquid suspended passive rod control system's scheme

2.5 基本架構(gòu)

液體懸浮式非能動(dòng)棒控制系統(tǒng)的基本架構(gòu)如圖2所示，主要設(shè)備包括：控制柜、控制棒驅(qū)動(dòng)柜、棒位測(cè)量柜、配電柜等。

2.5.1 控制柜

控制柜采用PLC系統(tǒng)，接收來(lái)自操縱員的指令信號(hào)、來(lái)自棒位測(cè)量柜的棒位信號(hào)以及控制棒驅(qū)動(dòng)柜的狀態(tài)反饋信號(hào)，經(jīng)過(guò)邏輯符合形成非能動(dòng)棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)指令信號(hào)，并將符合后的控制棒提升、下降、停止以及運(yùn)行速度、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)抓手打開(kāi)、閉合、停止信號(hào)經(jīng)硬接線傳送至控制棒驅(qū)動(dòng)柜。

2.5.2 棒位測(cè)量柜

棒位測(cè)量柜主要由PLC處理器、旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)換器、中間位置傳感器轉(zhuǎn)換器、抓手位置傳感器轉(zhuǎn)換器、觸摸屏、電源模塊、IO模塊等部分組成。棒位測(cè)量柜實(shí)現(xiàn)的主要功能包括：

1）為連續(xù)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(lì)磁電源。

2）接收傳感器的位置測(cè)量信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)處理后將控制棒連續(xù)位置轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸送至控制柜，參與非能動(dòng)棒的驅(qū)動(dòng)控制邏輯。

3）在“探測(cè)”工作模式下，通過(guò)連續(xù)位置傳感器和中間位置傳感器得到的位置信息計(jì)算得到非能動(dòng)棒是否出現(xiàn)卡棒現(xiàn)象。

4）將上終端到位、卡棒、抓手開(kāi)到位、抓手關(guān)到位等信號(hào)送至驅(qū)動(dòng)柜伺服驅(qū)動(dòng)器，聯(lián)鎖電機(jī)停機(jī)。

5）通過(guò)位置信息判斷非能動(dòng)棒在釋放位是否實(shí)現(xiàn)與抓手脫開(kāi)，以及在剛性位是否實(shí)現(xiàn)被抓手抓持。

6）當(dāng)系統(tǒng)處于試驗(yàn)和單體調(diào)試期間，在觸摸屏上通過(guò)輸入密碼進(jìn)行控制權(quán)限切換，可實(shí)現(xiàn)就地操作功能，通過(guò)觸摸屏可進(jìn)行控制棒主軸電機(jī)、抓手電機(jī)的控制指令下達(dá)，并通過(guò)Profibus-DP通訊形式將驅(qū)動(dòng)指令信號(hào)送至驅(qū)動(dòng)柜。

2.5.3 驅(qū)動(dòng)柜

驅(qū)動(dòng)柜接收來(lái)自控制柜的遠(yuǎn)程控制指令和來(lái)自棒位測(cè)量柜的就地操作指令，遠(yuǎn)程控制指令的優(yōu)先級(jí)高于就地操作指令，防止就地誤操作。驅(qū)動(dòng)柜主要有伺服驅(qū)動(dòng)器、電源模塊、電抗器、濾波器等部分組成。其中，伺服驅(qū)動(dòng)器選用ABB E190型號(hào)驅(qū)動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)非能動(dòng)棒主軸電機(jī)、抓手電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制功能。

2.6 驗(yàn)證試驗(yàn)

系統(tǒng)樣機(jī)研制完成后，需進(jìn)行樣機(jī)的功能性能試驗(yàn)、環(huán)境試驗(yàn)、EMC試驗(yàn)、可靠性試驗(yàn)以及與驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的聯(lián)調(diào)試驗(yàn)，以保證滿足系統(tǒng)的指標(biāo)要求。

3 結(jié)論

中國(guó)目前研制的液體懸浮式非能動(dòng)棒基于液體懸浮原理，在發(fā)生失流事故時(shí)，可實(shí)現(xiàn)輔助停堆功能。根據(jù)核電廠的運(yùn)行工況和液體懸浮式非能動(dòng)棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了適用的儀控系統(tǒng)，以滿足機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)控制與棒位監(jiān)測(cè)等功能要求。針對(duì)控制系統(tǒng)的驗(yàn)證試驗(yàn)?zāi)壳斑€在進(jìn)行中，以確?？刂葡到y(tǒng)可以在保證功能性能的基礎(chǔ)上安全、可靠、穩(wěn)定地運(yùn)行。