堆芯探測(cè)器組件拆除操作時(shí)間的參數(shù)化研究

李 娜，余志偉，安彥波，張 翼，王尚武，湛 卉

(中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院 核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610213)

“華龍一號(hào)”反應(yīng)堆先進(jìn)堆芯測(cè)量系統(tǒng)中使用的中子-溫度探測(cè)器組件和水位探測(cè)器正常運(yùn)行兩個(gè)換料周期后需全部拆除，更換新的探測(cè)器組件，以滿足堆芯測(cè)量相關(guān)測(cè)量功能要求。使用新型專用拆除裝置完成的拆除操作應(yīng)在裝卸料機(jī)軌道上完成，因此需與裝卸料操作穿插進(jìn)行[1-4]。拆除效率直接影響裝卸料機(jī)和廠房環(huán)吊的各項(xiàng)操作，從而影響停堆總時(shí)間，進(jìn)而影響核電廠的經(jīng)濟(jì)性。所以有必要對(duì)拆除操作的流程進(jìn)行合理設(shè)計(jì)和參數(shù)化分析，以確定最優(yōu)的操作參數(shù)。本文基于拆除裝置各操作的特性，對(duì)各環(huán)節(jié)進(jìn)行了參數(shù)化建模，結(jié)合各動(dòng)作的必要邏輯關(guān)系，對(duì)整個(gè)拆除流程進(jìn)行梳理和研究，為拆除工藝流程各功能模塊的參數(shù)確定提供技術(shù)基礎(chǔ)，有效節(jié)約拆除操作時(shí)間。

1 探測(cè)器組件拆除工藝

“華龍一號(hào)”堆芯測(cè)量系統(tǒng)用從反應(yīng)堆壓力容器頂蓋引出的中子—溫度探測(cè)器組件的拆除操作，目前尚未有完全相同的實(shí)用案例?？傞L度近11 m的探測(cè)器組件下端約4 m長度，在反應(yīng)堆運(yùn)行時(shí)，插入特定位置處燃料組件中間的儀表管內(nèi)?！叭A龍一號(hào)”核電廠換料操作期間，所有到壽期的探測(cè)器組件隨上部堆內(nèi)構(gòu)件一起轉(zhuǎn)移至堆內(nèi)構(gòu)件存放水池的上部堆內(nèi)構(gòu)件存放架上。待全部燃料組件卸除后，將裝卸料機(jī)轉(zhuǎn)移至反應(yīng)堆堆坑側(cè)，并吊離堆內(nèi)構(gòu)件吊具后，可將探測(cè)器組件拆除裝置在裝卸料機(jī)軌道上就位。拆除裝置就位零點(diǎn)(操作中心)為上部堆內(nèi)構(gòu)件存放架的中心。

現(xiàn)有探測(cè)器組件的拆除操作包括定位、抓取、剪切、卷繞、暫存、存儲(chǔ)6個(gè)基本步驟。分別由拆除裝置自身集成的在線閉環(huán)定位裝置、探測(cè)器組件抓具、剪切卷繞裝置、暫存容器、大小車組件等完成。整個(gè)拆除操作流程如圖1所示，其中，抓具的轉(zhuǎn)移操作由廠房環(huán)吊的20t副提升機(jī)構(gòu)執(zhí)行，拆除裝置行走運(yùn)動(dòng)由大小車組件執(zhí)行。另外，用于存儲(chǔ)拆除后探測(cè)器組件繞卷的高放存儲(chǔ)容器在拆除裝置主體功能部件(抓具和縮容裝置)就位前已從乏燃料水池通過轉(zhuǎn)運(yùn)至堆內(nèi)構(gòu)件存放水池底部的工作位置，探測(cè)器組件拆除操作后也可單獨(dú)轉(zhuǎn)運(yùn)至乏燃料水池，因此，在拆除過程運(yùn)動(dòng)建模中不考慮高放存儲(chǔ)容器的運(yùn)動(dòng)情況。

圖1 堆芯探測(cè)器組件拆除操作流程圖

定位過程是通過拆除裝置自身集成的在線閉環(huán)定位設(shè)備，將拆除裝置的操作中心，調(diào)整至待拆除探測(cè)器組件中心正上方；抓取操作指下放拆除裝置的抓具至縮容裝置相應(yīng)通道，下放并抓取待拆除探測(cè)器組件，后提升/拔出探測(cè)器組件至剪切高度；剪切操作指將探測(cè)器組件運(yùn)行時(shí)位于壓力容器外的一側(cè)，約700 mm的部分(簡稱低放段)與探測(cè)器組件主體段剪切分離；卷繞縮容操作指將剪切后剩余的探測(cè)器組件主體段通過連續(xù)卷繞方式，拔出通道并縮容成卷；存儲(chǔ)分為兩部分，一為剪切端部的存儲(chǔ)，通過抓具轉(zhuǎn)移至低放存儲(chǔ)容器。二為主體段繞卷的存儲(chǔ)，繞卷卷制完成后暫時(shí)存放在拆除裝置自帶的暫存容器內(nèi)，集滿4個(gè)繞卷后，操作拆除裝置運(yùn)動(dòng)至高放存儲(chǔ)容器位置，將繞卷從暫存容器轉(zhuǎn)移至高放存儲(chǔ)容器最終存儲(chǔ)。

2 拆除操作邏輯順序分析

前文給出的探測(cè)器組件拆除操作的各基本操作中，定位和轉(zhuǎn)運(yùn)操作是針對(duì)一組4個(gè)探測(cè)器組件的，而抓取、剪切、卷繞、暫存是針對(duì)每一根探測(cè)器組件都必需的。因此，在評(píng)價(jià)拆除裝置操作時(shí)間時(shí)以完成一組4個(gè)探測(cè)器組件的拆除為研究對(duì)象。

根據(jù)拆除裝置的功能設(shè)計(jì)要求，各項(xiàng)操作間存在以下邏輯關(guān)系：

1)抓具就位于縮容裝置后，下放夾具抓取并拔出探測(cè)器組件的過程中，縮容裝置其他能動(dòng)部件應(yīng)處于停止?fàn)顟B(tài)；

2)探測(cè)器組件卷繞過程中，縮容裝置除卷繞外其他能動(dòng)部件應(yīng)處于停止?fàn)顟B(tài)；

3)縮容裝置在堆內(nèi)構(gòu)件存放水池上方運(yùn)動(dòng)時(shí)，縮容裝置中除大小車外其余能動(dòng)部件應(yīng)處于停止?fàn)顟B(tài)；

4)縮容裝置中暫存容器下放轉(zhuǎn)移臨時(shí)繞卷過程中，縮容裝置中其余能動(dòng)部件應(yīng)處于停止?fàn)顟B(tài)。

基于以上要求得到拆除一組探測(cè)器組件滿足時(shí)間先后關(guān)系前提下，所需各操作序列表如表1所示。

從表1可以看出，抓具的部分操作可與拆除裝置的部分操作并行，為達(dá)到最高效率，存在以下關(guān)系：

1)縮容裝置中在線閉環(huán)設(shè)備獲得待拆除組件精確位置坐標(biāo)時(shí)，抓具應(yīng)已就位于該組件理論位置上方；

2)縮容裝置卷繞并暫存操作完成時(shí)，抓具應(yīng)已就位于下一組件理論位置上方。

3 拆除操作參數(shù)化

根據(jù)田灣VVER核電廠類似堆芯探測(cè)器組件拆除經(jīng)驗(yàn)，完成一根探測(cè)器組件拆除的時(shí)間約為1 h，確定“華龍一號(hào)”完成4個(gè)一組探測(cè)器組件拆除現(xiàn)場(chǎng)要求的最長目標(biāo)時(shí)間為不超過3 h。分別建立各操作的參數(shù)化模型，以獲取拆除總時(shí)間方程。

3.1 拆除裝置行走運(yùn)動(dòng)模型

拆除裝置大小車組件放置在裝置料機(jī)軌道上，可以執(zhí)行平面雙向運(yùn)動(dòng)的機(jī)電一體化運(yùn)行。在整個(gè)探測(cè)器組件拆除過程中，拆除裝置的主要位置包括初始零點(diǎn)、理論待拆除點(diǎn)、實(shí)際待拆除點(diǎn)、存放點(diǎn)；分別位于上部堆內(nèi)構(gòu)件存放架的中心處/位置1、拆除裝置控制系統(tǒng)預(yù)置的每組4個(gè)待拆除探測(cè)器組件分布圓的理論中心處/位置2、每一個(gè)待拆除探測(cè)器組件的中心處/位置3和容器存放架的中心處/位置4。其行走運(yùn)動(dòng)簡化模型如圖2所示。

圖2 拆除裝置行走運(yùn)動(dòng)模型

3.2 廠房環(huán)吊行走運(yùn)動(dòng)模型

核電廠廠房用環(huán)形起重機(jī)(以下簡稱環(huán)吊)在核電站廠房安裝期間用于起吊和處理設(shè)備安裝的裝置。在電站交付使用后用于每次反應(yīng)堆停堆換料和反應(yīng)堆廠房內(nèi)設(shè)備維修所需的各種吊運(yùn)服務(wù)。探測(cè)器組件拆除過程中，將利用環(huán)吊20t的副起升機(jī)構(gòu)與探測(cè)器組件抓具吊耳連接，吊運(yùn)抓具在低放存儲(chǔ)容器位置和操作位置之間轉(zhuǎn)移。其行走運(yùn)動(dòng)簡化模型如圖3所示。

圖3 廠房環(huán)吊行走運(yùn)動(dòng)模型

3.3 抓具運(yùn)行模型

探測(cè)器組件抓具定位至待拆除點(diǎn)(待拆除探測(cè)器組件中心后)，首先需下放抓具至待拆除探測(cè)器組件夾持位置，所有探測(cè)器組件的下降高度相同，下降速度相同，待夾緊探測(cè)器組件后，提升并拔出探測(cè)器組件至剪切高度，理論提升速度相同。此時(shí)，抓具仍與廠房環(huán)吊保持連接，環(huán)吊在探測(cè)器組件實(shí)際位置/位置3處，保持不動(dòng)。待剪切操作完成后，環(huán)吊將抓具轉(zhuǎn)移至低放存儲(chǔ)容器位置。簡化的抓具運(yùn)行模型如圖4所示。

圖4 抓具運(yùn)行模型

3.4 剪切縮容運(yùn)行模型

抓具定位至待拆除點(diǎn)下放至剪切縮容裝置前，剪切縮容裝置的夾持剪切模塊應(yīng)整體平移，提供抓具下放抓取探測(cè)器組件的通道。待探測(cè)器組件抓具將探測(cè)器組件抓取并提升至剪切高度后，剪切刀具平移、夾持并進(jìn)行剪切。剪斷后，抓具繼續(xù)提升直至上限位置后，方開始卷繞。因探測(cè)器組件長度不同，卷繞時(shí)間不同。卷繞完成后，探測(cè)器組件繞卷平移至?xí)捍嫒萜魃戏讲⑨尫爬@卷。該平移過程簡化的運(yùn)行模型如圖5所示。夾持和剪切時(shí)間較短且相對(duì)固定，本次研究中忽略不計(jì)。

圖5 剪切縮容運(yùn)行模型

3.5 暫存容器運(yùn)行模型

拆除裝置通過大小車組件運(yùn)行至高放存儲(chǔ)容器位置，再下放暫存容器，每次下放高度相同，下放速度相同。待繞卷全部轉(zhuǎn)移至高放容器后，提升暫存容器至初始位置，每次提升速度相同。簡化的運(yùn)行模型如圖7所示。

圖6 暫存容器運(yùn)行模型

4 各拆除操作時(shí)間參數(shù)方程

4.1 拆除裝置行走

拆除裝置大小車組件從初始零點(diǎn)到達(dá)該組探測(cè)器組件分布圓理論中心位置所花費(fèi)的時(shí)間Td1為：

(1)

拆除裝置大小車組件從探測(cè)器組件分布圓理論中心位置運(yùn)動(dòng)至本次待拆除組件精確中心位置所花費(fèi)的時(shí)間為：

(2)

拆除裝置大小車組件從待拆除組件中心位置運(yùn)動(dòng)至容器存放架的中心處所花費(fèi)的時(shí)間為Td3：

(3)

4.2 抓具行走

抓具在低放容器和抓取位置(即待拆除探測(cè)器組件正上方)間的轉(zhuǎn)移時(shí)間，由廠房環(huán)吊決定，假設(shè)環(huán)吊在位置3與位置5之間行走速度恒定，平均速度為為Vh，則抓具在低放容器與抓取位置間單程轉(zhuǎn)移所需時(shí)間Tz1為：

(4)

抓具就位于縮容裝置后，需下放夾爪夾緊探測(cè)器組件、拔出探測(cè)器組件，待剪切操作完成后夾爪歸于零位。為避免探測(cè)器組件拔出過程受到損傷，抓具夾爪拔出提升速度不宜過快。此過程所需的時(shí)間Tz2為：

(5)

4.3 剪切卷繞

假設(shè)剪切卷繞裝置水平往復(fù)運(yùn)動(dòng)速度恒定，則剪切卷繞裝置在抓具就位前運(yùn)動(dòng)至待拆除點(diǎn)上方和剪切完成后回位至?xí)捍嫒萜魃戏降臅r(shí)間相等，均為Tj，則：

(6)

其中TjΔ為剪切探測(cè)器和卷繞從暫存容器上脫落至?xí)捍嫒萜鲀?nèi)的總時(shí)間。

4.4 暫存容器存放

拆除裝置到達(dá)高放存儲(chǔ)容器正上方后，從暫存容器開始下放為初始狀態(tài)，至與高放存儲(chǔ)容器對(duì)接，再將暫存容器提升歸于初始狀態(tài)所需的時(shí)間Tc為:

(7)

4.5 操作優(yōu)化

為了高效完成拆除操作，減少總體操作時(shí)間，抓具運(yùn)動(dòng)操作與縮容裝置卷繞暫存操作時(shí)間應(yīng)盡量匹配，即：

(8)

對(duì)于“華龍一號(hào)”核電廠，換料期間探測(cè)器組件隨上部堆內(nèi)構(gòu)件存放堆內(nèi)構(gòu)件水池的固定位置，因此L4是確定的。Vh和Vhz為環(huán)吊的運(yùn)行參數(shù)，可根據(jù)吊運(yùn)設(shè)備的實(shí)際需求進(jìn)行設(shè)定，最大值為10 m/min。為了獲得最小的Tz1值，需在滿足抓具平穩(wěn)轉(zhuǎn)移的前提下，盡可能快速的低空運(yùn)動(dòng)。

4.6 拆除操作總時(shí)間

由前文分析可知，完成一組4個(gè)探測(cè)器組件拆除所需花費(fèi)的總時(shí)間應(yīng)為：

(9)

或

(10)

根據(jù)Tz1和Tj實(shí)際計(jì)算值得大小，使用公式(9)或公式(10)進(jìn)行拆除操作總時(shí)間的計(jì)算。

5 典型參數(shù)設(shè)計(jì)

5.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

“華龍一號(hào)”反應(yīng)堆廠房環(huán)吊、堆芯機(jī)械結(jié)構(gòu)及探測(cè)器組件、裝卸料機(jī)等設(shè)備的設(shè)計(jì)功能參數(shù)具體見表2。

表2 相關(guān)設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)值[5]

為簡化計(jì)算提出以下假設(shè)條件:

1)環(huán)吊平移和升降速度相同，Vh=Vhz；

2)拆除裝置在上部堆內(nèi)構(gòu)件上方移動(dòng)時(shí)為低速區(qū)，取最遠(yuǎn)距離約4.5 m，Vxm=Vym=1 m/min；

3)拆除裝置在上部堆內(nèi)構(gòu)件上方外移動(dòng)時(shí)為高速區(qū)，取最遠(yuǎn)距離約6.5 m，Vxk=Vyk=2 m/min；

5)定義Tz1min為一組4個(gè)探測(cè)器組件Tz1的最小值，定義Tz1max為一組4個(gè)探測(cè)器組件Tz1的最大值，且取4Tz1=2(Tz1min+Tz1max)；

6)定義Tjmin為一組4個(gè)探測(cè)器組件Tj的最小值，定義Tjmax為一組4個(gè)探測(cè)器組件Tj的最大值，且取4Tj=2(Tjmin+Tjmax)。

5.2 計(jì)算分析

分別基于不同已知參數(shù)，研究完成一組四個(gè)探測(cè)器組件拆除的總時(shí)間，與環(huán)吊轉(zhuǎn)移速度(Vh、Vhz)和卷繞速度(W)的變化關(guān)系。

為滿足公式(8)，分別帶入5.1節(jié)中確定的各參數(shù)值，得到公式(11)：

(11)

若根據(jù)環(huán)吊的轉(zhuǎn)移速度確定卷繞速度，代入公式(9)得到Tt，匯總數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 L4=5 m，L6=11 m時(shí)的匯總數(shù)據(jù)

若根據(jù)卷繞速度確定環(huán)吊的轉(zhuǎn)移速度，代入公式(11)得到Tt，匯總數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 L4=8 m，L6=10 m時(shí)的匯總數(shù)據(jù)

從表3、表4數(shù)據(jù)得出：

1)即使對(duì)于距離高放存儲(chǔ)容器最遠(yuǎn)處一組探測(cè)器組件，當(dāng)環(huán)吊轉(zhuǎn)移速度和卷繞速度最低時(shí)，完成一組4個(gè)探測(cè)器組件拆除操作所花費(fèi)的連續(xù)有效最長時(shí)間僅為141 min，大大少于目標(biāo)時(shí)間要求的3 h。

2)卷繞速度是影響探測(cè)器組件拆除時(shí)間的關(guān)鍵因素，提升卷繞速度可顯著縮短整體拆除時(shí)間；

3)當(dāng)以卷繞速度匹配環(huán)吊轉(zhuǎn)移速度時(shí)，所需環(huán)吊轉(zhuǎn)移速度不超過0.8 m/min，實(shí)際操作時(shí)，環(huán)吊轉(zhuǎn)移速度可適當(dāng)提高至1 m/min，環(huán)吊完成相關(guān)操作后，可停止在待拆除探測(cè)器組件上方等待下一步操作；

4)當(dāng)以環(huán)吊轉(zhuǎn)移速度匹配卷繞速度時(shí)，要求卷繞速度將超過0.7m/min，雖可以大大縮短整體拆除時(shí)間，但是高的卷繞速度不利于輻照后探測(cè)器組件的穩(wěn)定卷繞。

6 結(jié)束語

本文以順利完成一組4個(gè)探測(cè)器組件拆除所花費(fèi)的時(shí)間為研究對(duì)象，較系統(tǒng)地對(duì)“華龍一號(hào)”堆芯探測(cè)器組件拆除流程進(jìn)行了建模，并對(duì)拆除時(shí)間進(jìn)行了參數(shù)化建模分析，給出了提高拆除效率的準(zhǔn)則。結(jié)合工程實(shí)際，在已知數(shù)值參數(shù)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)研究了環(huán)吊轉(zhuǎn)移速度和拆除裝置轉(zhuǎn)移速度對(duì)拆除總時(shí)間的影響。經(jīng)驗(yàn)證，基于此操作流程的拆除工藝所花費(fèi)的理論拆除時(shí)間滿足工程實(shí)際需求。拆除裝置工程設(shè)計(jì)中各功能模塊的運(yùn)行參數(shù)的確定可借鑒本文研究結(jié)果。

符號(hào)表：

L1x：拆除裝置坐標(biāo)原點(diǎn)到待拆除探測(cè)器組件所在分布圓中心0°方向距離，m;

L1y：拆除裝置坐標(biāo)原點(diǎn)到待拆除探測(cè)器組件所在分布圓中心90°方向距離，m;

L2x：待拆除探測(cè)器組件所在分布圓中心與探測(cè)器組件中心0°方向距離，m;

L2y：待拆除探測(cè)器組件所在分布圓中心與探測(cè)器組件中心90°方向距離，m;

L3x：探測(cè)器組件分布圓中心與高放容器中心0°方向距離，m;

L3y：探測(cè)器組件分布圓中心與高放容器中心90°方向距離，m;

L4：低放容器與探測(cè)器組件中心距離，m;

L5：剪切卷繞裝置往復(fù)運(yùn)動(dòng)距離，m;

L6：探測(cè)器組件卷繞段長度，m;

Vxm：拆除裝置x方向慢速區(qū)移動(dòng)速度，m/min;

Vxk：拆除裝置x方向快速區(qū)移動(dòng)速度，m/min;

Vym：拆除裝置y方向慢速區(qū)移動(dòng)速度，m/min;

Vyk：拆除裝置y方向快速區(qū)移動(dòng)速度，m/min;

Vh：環(huán)吊運(yùn)行小車廠房內(nèi)內(nèi)任意兩點(diǎn)間近似平均移動(dòng)速度，m/min;

Vhz：環(huán)吊運(yùn)行小車副提升(20 t)起升速度，m/min;

Vzd：抓具抓取探測(cè)器組件后提升速度，m/min;

Vzu：抓具下放至待抓取探測(cè)器組件處的速度，m/min;

Vj：剪切卷繞裝置往復(fù)運(yùn)動(dòng)速度，m/min;

Vcd：暫存容器從初始位置下降至高放容器對(duì)接位置的平均速度，m/min;

Vcu：暫存容器從高放容器對(duì)接位置提升至初始位置的平均速度，m/min;

W：卷繞速度，m/min;

Hh1：環(huán)吊下放抓具到低放容器位置的高度，m;

Hh2：環(huán)吊下放抓具到縮容裝置的高度，m;

Hz：抓具下放抓取探測(cè)器組件的行程，m;

Hc：暫存容器初始位置與高放容器對(duì)接位置間的距離，m;

TjΔ：剪切探測(cè)器和卷繞從暫存容器上脫落至?xí)捍嫒萜鲀?nèi)的總時(shí)間，min。