控制棒水壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)冷態(tài)性能實(shí)驗(yàn)研究

秦本科，楊林清，薄涵亮

(清華大學(xué) 核能與新能源技術(shù)研究院，先進(jìn)反應(yīng)堆工程與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084)

控制棒是核反應(yīng)堆關(guān)鍵的反應(yīng)性和功率控制部件，通過其在堆芯的步進(jìn)和快速落棒實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆的啟動(dòng)、停閉和功率調(diào)節(jié)功能[1]?？刂瓢舻倪\(yùn)動(dòng)通過控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)?？刂瓢羲畨候?qū)動(dòng)系統(tǒng)是一種新型的內(nèi)置式控制棒驅(qū)動(dòng)技術(shù)，該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是在低溫核供熱堆水力驅(qū)動(dòng)控制棒[2]的基礎(chǔ)上，結(jié)合商用壓水堆磁力提升器[3]的優(yōu)點(diǎn)發(fā)展而來的。其優(yōu)點(diǎn)是內(nèi)置式驅(qū)動(dòng)[4]、避免了彈棒事故、傳動(dòng)線短、定位準(zhǔn)確、不貫穿壓力殼、固有安全性和可靠性高等[5]，主要用于一體化布置核反應(yīng)堆。作為一種新型的控制棒驅(qū)動(dòng)技術(shù)，控制棒水壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(CRHDS)性能研究是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用的基礎(chǔ)。

控制棒水壓驅(qū)動(dòng)線包含水壓驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、組合閥、控制棒、緩沖器等，控制棒水壓驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是利用夾持、傳遞和提升3個(gè)水壓缸的交替充泄壓帶動(dòng)兩套銷爪機(jī)構(gòu)動(dòng)作從而實(shí)現(xiàn)控制棒的步升、步降、夾持以及落棒功能的[6-7]。針對(duì)控制棒水壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)各部件性能和機(jī)理前期曾開展了理論和實(shí)驗(yàn)研究，秦本科等[8-9]對(duì)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)水壓缸充泄壓過程進(jìn)行了理論建模和分析，獲得了單缸充泄壓理論模型；蔣俊飛等[10-11]對(duì)組合閥流道冷熱態(tài)流動(dòng)阻力進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究，獲得了組合閥流道流動(dòng)阻力系數(shù)；宋威等[12-14]對(duì)水力緩沖器進(jìn)行了緩沖性能實(shí)驗(yàn)和緩沖過程理論分析。以上研究均為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)部件性能研究[15]，其為控制棒水壓驅(qū)動(dòng)線的設(shè)計(jì)和整體性能研究奠定了基礎(chǔ)。

本文將進(jìn)行控制棒水壓驅(qū)動(dòng)線整體冷態(tài)性能實(shí)驗(yàn)，包括驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)水壓缸最小保持性能、提升水壓缸帶載步進(jìn)性能和快速落棒性能實(shí)驗(yàn)等，獲得和分析控制棒驅(qū)動(dòng)線冷態(tài)性能和其變化機(jī)理，以用于控制棒水壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行參數(shù)選取。

1 控制棒水壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

控制棒水壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由水壓驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、水泵、棒位測(cè)量、組合閥、控制棒和緩沖器等構(gòu)成，如圖1所示。反應(yīng)堆壓力容器內(nèi)的水經(jīng)泵加壓后，一部分進(jìn)入組合閥，通過組合閥控制進(jìn)入水壓驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中的脈沖水流，進(jìn)而帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)水壓缸和銷爪交替動(dòng)作，使驅(qū)動(dòng)軸做步進(jìn)式運(yùn)動(dòng)，從而拖動(dòng)控制棒實(shí)現(xiàn)其步進(jìn)和快速落棒功能。

圖1 控制棒水壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)圖Fig.1 Scheme of CRHDS

控制棒水壓驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由提升、傳遞和夾持3個(gè)水壓缸，兩套銷爪機(jī)構(gòu)組成，其原理如圖2所示。水壓缸是驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵液壓使動(dòng)部件，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)3個(gè)水壓缸結(jié)構(gòu)和工作原理相似，由外套、內(nèi)套、復(fù)位彈簧和封頭等組成，如圖2所示，水壓缸側(cè)壁設(shè)置進(jìn)水口，缸內(nèi)套上下端安裝活塞環(huán)密封裝置，保證水壓缸的密封和摩擦學(xué)性能[16]。步升過程中脈沖水流通過側(cè)壁進(jìn)入水壓缸，水壓缸內(nèi)套克服重力、復(fù)位彈簧力和摩擦力，運(yùn)動(dòng)至頂部。步降過程中脈沖水流通過閥門截停，缸內(nèi)失去泵壓，水壓缸內(nèi)套在重力、復(fù)位彈簧力的作用下，運(yùn)動(dòng)至底部。

圖2 控制棒水壓驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)原理Fig.2 Scheme of CRHDM

驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)水壓缸內(nèi)套下部與銷爪機(jī)構(gòu)相連，銷爪機(jī)構(gòu)設(shè)置周向均勻分布的3個(gè)爪子，爪齒與控制棒驅(qū)動(dòng)軸環(huán)槽相嚙合。水壓缸充水增壓，其內(nèi)套步升至頂端，銷爪抓住驅(qū)動(dòng)軸，水壓缸放水泄壓，其內(nèi)套步降至底部，銷爪松開驅(qū)動(dòng)軸。夾持水壓缸、傳遞水壓缸充泄壓過程對(duì)應(yīng)夾持、傳遞銷爪抓住和松開控制棒驅(qū)動(dòng)軸，夾持水壓缸固定，傳遞水壓缸固定在提升水壓缸內(nèi)套上，提升水壓缸充泄壓過程對(duì)應(yīng)控制棒步升和步降等距步動(dòng)過程?？刂瓢羲畨候?qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)通過夾持、傳遞和提升水壓缸的交替充泄壓過程，帶動(dòng)兩套銷爪機(jī)構(gòu)動(dòng)作，進(jìn)而帶動(dòng)控制棒，實(shí)現(xiàn)其等距步動(dòng)和快速落棒過程。根據(jù)以上驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)原理分析，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)水壓缸的驅(qū)動(dòng)壓力和整體充泄壓動(dòng)態(tài)過程直接決定控制棒的步動(dòng)性能，其是控制棒水壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)冷態(tài)性能研究的對(duì)象和基礎(chǔ)。

2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)冷態(tài)性能實(shí)驗(yàn)

根據(jù)控制棒水壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的原理和組成，建立了全尺寸控制棒水壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)冷態(tài)性能實(shí)驗(yàn)臺(tái)架，模擬堆上控制棒水壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成，臺(tái)架主要由水箱、循環(huán)泵、控制棒水壓驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、控制棒、組合閥、水力緩沖器等組成，如圖3所示?；芈妨鞒倘缦拢核鋬?nèi)的水經(jīng)循環(huán)泵加壓后一部分經(jīng)過旁路流回水箱，另一部分進(jìn)入組合閥，通過操作組合閥控制進(jìn)入驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的脈沖水流實(shí)現(xiàn)控制棒的步進(jìn)和快速落棒操作，水泵設(shè)置旁路調(diào)節(jié)閥，通過閥門開度調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)泵壓。

圖3 控制棒水壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)冷態(tài)性能實(shí)驗(yàn)臺(tái)架Fig.3 CRHDS performance test rig under room temperature

試驗(yàn)臺(tái)架組合閥為一體化電磁閥，其分解原理如圖1所示，組合閥包含3組直動(dòng)式電磁閥，每組電磁閥包含常開電磁閥和常閉電磁閥，3組電磁閥原理和流道連接關(guān)系相似，以夾持閥為例進(jìn)行說明，組合閥中夾持閥與夾持水壓缸相連，夾持閥包括夾持常開電磁閥和夾持常閉電磁閥，夾持水壓缸充壓過程中，夾持常開電磁閥關(guān)閉，常閉電磁閥打開，經(jīng)泵加壓的水通過夾持常閉電磁閥和步升流道進(jìn)入水壓缸，帶動(dòng)水壓缸內(nèi)套克服重力和復(fù)位彈簧力上升至頂端，完成步升充壓過程；夾持水壓缸泄壓過程中，夾持常開電磁閥打開，常閉電磁閥關(guān)閉，夾持缸內(nèi)的水通過夾持常開電磁閥和回零流道流回壓力容器，缸內(nèi)套在重力和復(fù)位彈簧力作用下下降，完成步降泄壓過程。夾持缸步升流道如圖1中abc間流道所示，回零流道如圖1中cbde間流道所示。

實(shí)驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)主要由光柵位移傳感器、差壓計(jì)、渦輪流量計(jì)等組成，其中光柵位移傳感器布置在實(shí)驗(yàn)本體筒體頂部，其測(cè)量游標(biāo)與控制棒驅(qū)動(dòng)軸同步運(yùn)動(dòng)，用于獲得控制棒的步進(jìn)和落棒位移曲線。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)3個(gè)水壓缸入口處布置差壓傳感器，測(cè)量水壓缸內(nèi)外動(dòng)態(tài)差壓。主回路設(shè)置流量測(cè)點(diǎn)，測(cè)量進(jìn)入驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組合閥的動(dòng)態(tài)流量。實(shí)驗(yàn)臺(tái)架測(cè)量系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、傳感器、數(shù)據(jù)采集板等部分構(gòu)成，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)快速采樣頻率為1 000 Hz。經(jīng)測(cè)量誤差分析[17]，實(shí)驗(yàn)臺(tái)架差壓的最大測(cè)量誤差為0.4%，流量的最大測(cè)量誤差為1.0%，棒位的測(cè)量精度為±25 μm。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

3.1 最小落棒壓力實(shí)驗(yàn)

夾持水壓缸最小落棒壓力是保持夾持銷爪正常工作所需要的最小壓力，它對(duì)于系統(tǒng)水泵驅(qū)動(dòng)壓力等參數(shù)選取、系統(tǒng)設(shè)計(jì)有重要意義。

通過操作棒控系統(tǒng)，將控制棒提升至預(yù)定棒位，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)夾持銷爪抓住驅(qū)動(dòng)軸。之后，緩慢勻速關(guān)小驅(qū)動(dòng)回路主路調(diào)節(jié)閥(圖3)，直至完全關(guān)閉，閥門關(guān)閉速度約7.5°/s，記錄該過程中缸內(nèi)外差壓和控制棒棒位變化過程，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4、5所示，可看出，隨著閥門的關(guān)閉，夾持缸內(nèi)外差壓由緩而急逐漸減小，經(jīng)歷兩次峰值波動(dòng)后，最終穩(wěn)定在0附近。

圖4 夾持水壓缸壓力變化過程Fig.4 Pressure transient of gripping hydraulic cylinder

控制棒位移曲線首先平緩減少，之后陡降至底部，經(jīng)歷5次緩沖過程后，最終穩(wěn)定在平衡位置。位移數(shù)據(jù)與差壓數(shù)據(jù)為同步采樣，通過時(shí)刻對(duì)應(yīng)關(guān)系即可得到夾持水壓缸的銷爪松動(dòng)壓力和最小落棒壓力。過程機(jī)理分析如下：閥門關(guān)閉，水壓缸逐漸失去壓力和流量源頭，當(dāng)缸內(nèi)壓力減少到b1時(shí)，夾持銷爪將出現(xiàn)松動(dòng)現(xiàn)象，對(duì)應(yīng)位移曲線的s1點(diǎn)，定義此時(shí)壓力為夾持銷爪松動(dòng)壓力。繼續(xù)關(guān)小驅(qū)動(dòng)回路調(diào)節(jié)閥，當(dāng)壓力減少到b2時(shí)，夾持銷爪松開驅(qū)動(dòng)軸，控制棒落棒，對(duì)應(yīng)位移曲線的s2點(diǎn)，定義此時(shí)壓力為夾持水壓缸最小落棒壓力。其是保持夾持銷爪正常工作所需要的最小驅(qū)動(dòng)壓力。在銷爪松動(dòng)壓力和落棒壓力之后存在壓力波動(dòng)過程，其是由于水壓缸內(nèi)套受力工況突變引起的，該過程中缸內(nèi)套向下載荷突然減少，部分脈沖流量瞬間進(jìn)入水壓缸，引起缸內(nèi)外差壓陡增，之后，隨著向下載荷狀態(tài)的穩(wěn)定，壓力繼續(xù)隨著閥門的關(guān)閉而減少。壓力波動(dòng)峰值(p1、p2)與閥門關(guān)閉速度和控制棒重量相關(guān)。

圖5 控制棒位移變化曲線Fig.5 Control rod dynamic displacement curve

通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，夾持銷爪松動(dòng)壓力點(diǎn)和最小落棒壓力點(diǎn)是夾持水壓缸壓力變化曲線的兩個(gè)拐點(diǎn)，對(duì)應(yīng)于壓力時(shí)程曲線上兩個(gè)峰值過程的變化起始點(diǎn)(圖4中b1、b2點(diǎn))，二者不同之處在于夾持銷爪松動(dòng)壓力大于最小落棒壓力，且夾持銷爪松動(dòng)壓力點(diǎn)后壓力變化峰值(圖4中p1點(diǎn))比較平緩，而最小落棒壓力點(diǎn)后壓力變化峰值(圖4中p2點(diǎn))尖銳。

3.2 提升水壓缸帶載充泄壓特性

驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)提升水壓缸帶動(dòng)銷爪機(jī)構(gòu)和控制棒做步進(jìn)運(yùn)動(dòng)，是驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)關(guān)鍵的使動(dòng)部件，在不同驅(qū)動(dòng)壓力下完成了提升水壓缸步進(jìn)動(dòng)態(tài)過程實(shí)驗(yàn)，該研究對(duì)于確定控制棒水壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)步進(jìn)時(shí)間至關(guān)重要，其也是提升水壓缸運(yùn)動(dòng)過程動(dòng)力學(xué)研究的基礎(chǔ)。

實(shí)驗(yàn)過程中打開提升電磁閥，提升水壓缸充水增壓，缸內(nèi)套帶動(dòng)控制棒提升1步，待壓力穩(wěn)定后，關(guān)閉提升電磁閥，提升水壓缸放水泄壓，水壓缸內(nèi)套帶動(dòng)控制棒下降1步。調(diào)節(jié)主路和旁路調(diào)節(jié)閥的開度獲得不同的驅(qū)動(dòng)壓力，分別在1 040、825、640、460和410 kPa的驅(qū)動(dòng)壓力下完成實(shí)驗(yàn)。

提升水壓缸加載工況步進(jìn)動(dòng)態(tài)過程壓力變化曲線特點(diǎn)相似，取825 kPa驅(qū)動(dòng)水壓下提升水壓缸步進(jìn)動(dòng)態(tài)過程為例，圖6、7分別為該驅(qū)動(dòng)壓力下提升水壓缸步進(jìn)壓力和位移曲線?？煽闯?，提升水壓缸壓力變化過程包括步升增壓過程和步降降壓過程。

圖6 提升水壓缸步進(jìn)過程缸內(nèi)壓力變化Fig.6 Pressure transient of lifting hydraulic cylinder during step motion process

圖7 提升水壓缸步進(jìn)過程控制棒位移曲線Fig.7 Step displacement curve of lifting hydraulic cylinder

由步升過程壓力曲線可看出，提升水壓缸步升過程開始，提升閥打開，缸內(nèi)外差壓從19.485 s開始，經(jīng)歷了一個(gè)由緩而快，再緩之后驟增的過程，最終在20.991 s時(shí)達(dá)到穩(wěn)定值825 kPa。其中20.133 s處的a1點(diǎn)(274.5 kPa)是壓力增長過程中的一個(gè)分界點(diǎn)，定義它為步升壓力增長過程拐點(diǎn)。步升過程機(jī)理分析如下：步升增壓過程開始，缸內(nèi)外差壓隨著入缸流量由緩而急逐漸增加，二者分界點(diǎn)為缸內(nèi)充水完成點(diǎn)。之后差壓繼續(xù)增大到一定值，缸內(nèi)套克服復(fù)位彈簧力和重力開始提升，由于此時(shí)部分入缸流量用于補(bǔ)充內(nèi)套提升所產(chǎn)生的容積增大，壓力增長速度變慢，出現(xiàn)一個(gè)平坦增長段。隨著缸內(nèi)套逐漸提升到頂，附加流量到達(dá)最大值，缸內(nèi)壓力產(chǎn)生一個(gè)拐點(diǎn)。之后隨著容積流量的減小，缸內(nèi)外差壓由急而緩增大至平衡壓力。定義水壓缸內(nèi)壓力由0增加至平衡壓力所需的時(shí)間為充壓時(shí)間，由0增加至拐點(diǎn)壓力的時(shí)間為充壓拐點(diǎn)時(shí)間。

由步降過程壓力曲線可看出，提升水壓缸步降過程開始，提升電磁閥關(guān)閉，水壓缸內(nèi)壓力從平衡點(diǎn)(28.083 s)開始經(jīng)歷一個(gè)由緩而急的下降過程，到達(dá)缸內(nèi)套步降動(dòng)作的起始點(diǎn)b2。之后，水壓缸內(nèi)套重力和復(fù)位彈簧力大于缸內(nèi)壓力和運(yùn)動(dòng)起始摩擦阻力，缸內(nèi)套開始下降，缸內(nèi)壓力逐漸減少至拐點(diǎn)c1點(diǎn)，對(duì)應(yīng)步降位移的到位點(diǎn)c2(圖7)。水壓缸內(nèi)套降至底部后，其內(nèi)部存水繼續(xù)通過缸內(nèi)套上下端密封、出缸流道流出，缸內(nèi)壓力逐漸平緩減少到0。

步降過程機(jī)理分析如下：步降過程開始時(shí)，水壓缸失去泵壓和來流，壓力開始減少，同時(shí)由于水壓缸內(nèi)套與上封頭之間密封的松動(dòng)，水壓缸內(nèi)外套間由單端泄漏變?yōu)殡p端泄漏，流動(dòng)阻力大幅減少，泄漏流量增加，壓力降低速率增大，水壓缸入缸慣性流量隨之增加，直至缸內(nèi)套下移起始運(yùn)動(dòng)點(diǎn)b2點(diǎn)。當(dāng)缸內(nèi)壓力減少到小于下降阻力時(shí)，水壓缸內(nèi)套開始下降，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)缸內(nèi)出流容積流量，水壓缸流量開始快速增大，該過程可能存在反流過程，出缸流量分為3個(gè)部分，包括上端、下端密封泄漏，出缸流量，伴隨壓力變化緩變段，至缸內(nèi)套降至底部，出缸流量達(dá)到峰值點(diǎn)，壓力到達(dá)拐點(diǎn)。之后隨著出缸流量驟減，壓力由急而緩逐漸減少到0。

在提升水壓缸步升運(yùn)動(dòng)過程中，重要特征參數(shù)包括：充壓時(shí)間、充壓拐點(diǎn)時(shí)間、步升時(shí)間和充壓拐點(diǎn)壓力。在提升水壓缸步降過程中，重要特征參數(shù)包括：泄壓時(shí)間、步降時(shí)間、泄壓拐點(diǎn)壓力和時(shí)間。以上特征參數(shù)隨著驅(qū)動(dòng)水壓的改變而變化。圖8為不同驅(qū)動(dòng)水壓下提升水壓缸帶載充壓和泄壓過程，圖中不同曲線對(duì)應(yīng)5種不同的驅(qū)動(dòng)壓力工況，分別為1 040、825、640、460和410 kPa。

圖9為提升水壓缸步升過程特征參數(shù)與驅(qū)動(dòng)水壓的關(guān)系?？煽闯?，隨著驅(qū)動(dòng)水壓的增加，充壓拐點(diǎn)壓力逐漸增加，由156.82 kPa(410 kPa驅(qū)動(dòng)水壓)增加到315.21 kPa(1 040 kPa驅(qū)動(dòng)水壓)。充壓時(shí)間、充壓拐點(diǎn)時(shí)間和步升時(shí)間隨著驅(qū)動(dòng)水壓的增加先快速下降而后緩慢減少，陡降拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)640 kPa驅(qū)動(dòng)水壓，這是由于驅(qū)動(dòng)水壓對(duì)于提升水壓缸步升過程是關(guān)鍵的驅(qū)動(dòng)力，該力越大，水壓缸步升運(yùn)動(dòng)速度越快，耗時(shí)越短，步升過程阻力主要包括復(fù)位彈簧力、缸內(nèi)套和控制棒重力、摩擦阻力等，640 kPa驅(qū)動(dòng)壓力是水壓缸步升過程動(dòng)力和阻力對(duì)比關(guān)系變化的一個(gè)分界點(diǎn)。

圖10為提升水壓缸步降過程特征參數(shù)與驅(qū)動(dòng)水壓的關(guān)系。可看出，在提升水壓缸步降過程中，泄壓時(shí)間和步降時(shí)間隨著驅(qū)動(dòng)水壓的增加而緩慢增加，其中泄壓時(shí)間由1.416 s(410 kPa驅(qū)動(dòng)水壓)增加到1.534 s(1 040 kPa驅(qū)動(dòng)水壓)。步降時(shí)間由0.952 s(410 kPa驅(qū)動(dòng)水壓)增加到1.008 s(1 040 kPa驅(qū)動(dòng)水壓)，增長幅度較小。隨著驅(qū)動(dòng)壓力的增加，泄壓拐點(diǎn)壓力緩慢減少，由58.97 kPa減少到42.44 kPa。泄壓拐點(diǎn)時(shí)間逐漸增大，由0.838 s增加到1.036 s。

圖8 不同驅(qū)動(dòng)壓力提升水壓缸充壓和泄壓過程對(duì)比Fig.8 Comparison of pressure charge and discharge transients under different driving pressures of lifting hydraulic cylinder

圖9 充壓拐點(diǎn)壓力和水壓缸充壓特征時(shí)間與驅(qū)動(dòng)壓力的關(guān)系Fig.9 Inflection pressure and pressure charging characteristic time vs. driving pressure of hydraulic cylinder

圖10 水壓缸泄壓特征時(shí)間、步降壓力拐點(diǎn)時(shí)間和步降拐點(diǎn)壓力與驅(qū)動(dòng)壓力的關(guān)系Fig.10 Pressure relief characteristic time, step-down inflection time and step-down inflection pressure vs. driving pressure of hydraulic cylinder

3.3 快速落棒性能

快速落棒是控制棒水壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵功能，關(guān)系到反應(yīng)堆的安全性，在正常停堆或事故工況下，控制棒需在預(yù)定的時(shí)間內(nèi)完成落棒操作，實(shí)現(xiàn)安全停堆。完成了控制棒水壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)全行程快速落棒性能實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果落棒位移和速度曲線如圖11所示。

共進(jìn)行了3次控制棒快速落棒實(shí)驗(yàn)(lb1、lb2和lb3)，落棒位移數(shù)據(jù)復(fù)現(xiàn)性很好，從圖11可看出，控制棒下落至底端后并不是立刻靜止，在緩沖彈簧的作用下它還有一個(gè)動(dòng)態(tài)反沖衰減過程。定義從控制棒開始下落到第1次落至底端之間的時(shí)間為快速落棒時(shí)間。同時(shí)，控制棒下落至底部后，經(jīng)歷7次反沖過程，最終穩(wěn)定在0，最大反沖位移為97.05 mm。落棒信號(hào)觸發(fā)后，控制棒首先經(jīng)歷一個(gè)銷爪松動(dòng)和釋放過程，落棒速度首先平緩增大，在0.6 s后快速增大至峰值3.087 5 m/s，之后控制棒與底部緩沖器接觸，速度驟減，經(jīng)歷7次反沖過程，速度減少到0，反向速度峰值為2.175 m/s。該緩沖性能曲線顯示，控制棒水壓驅(qū)動(dòng)線落棒過程水力減速和緩沖性能有待優(yōu)化和加強(qiáng)。

圖11 快速落棒位移和速度曲線Fig.11 Displacement and velocity curves of rod scram process

4 結(jié)論

控制棒水壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)冷態(tài)性能是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行參數(shù)選取的依據(jù)，分析了控制棒水壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的組成和原理，完成了全尺寸控制棒水壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)冷態(tài)性能實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上分析了控制棒水壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵性能參數(shù)的變化規(guī)律和機(jī)理，分析結(jié)果表明：

1) 最小落棒壓力是保持夾持銷爪正常工作所需要的最小驅(qū)動(dòng)壓力，夾持銷爪松動(dòng)壓力點(diǎn)和最小落棒壓力點(diǎn)是夾持水壓缸壓力變化曲線的兩個(gè)拐點(diǎn)，對(duì)應(yīng)于壓力時(shí)程曲線上兩個(gè)峰值波動(dòng)過程的變化起始點(diǎn)；

2) 夾持銷爪松動(dòng)壓力點(diǎn)后壓力變化峰值比較平緩，而最小落棒壓力點(diǎn)后壓力變化峰值尖銳，波動(dòng)峰值與閥門關(guān)閉速度和控制棒重量相關(guān)；

3) 隨著驅(qū)動(dòng)水壓的增加，充壓拐點(diǎn)壓力逐漸增加，充壓時(shí)間、充壓拐點(diǎn)時(shí)間和步升時(shí)間先快速下降而后緩慢減少，陡降拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)640 kPa驅(qū)動(dòng)水壓工況；

4) 步升過程壓力曲線拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)步升到位點(diǎn)，步降過程壓力變化拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)步降到位點(diǎn)，隨著驅(qū)動(dòng)壓力的增加，泄壓時(shí)間和步降時(shí)間緩慢增加，泄壓拐點(diǎn)壓力逐漸減少，泄壓拐點(diǎn)時(shí)間逐漸增大；

5) 落棒信號(hào)觸發(fā)后，控制棒經(jīng)歷一個(gè)銷爪松動(dòng)和釋放過程，落棒速度由緩而急逐漸增大，控制棒下落至底端后在緩沖彈簧的作用下經(jīng)歷動(dòng)態(tài)反沖衰減過程，該過程表明驅(qū)動(dòng)線水力減速和緩沖部件性能有待優(yōu)化和加強(qiáng)。