壓水堆核電廠新燃料升降機起升機構優化設計

周洋　袁巍　戰蓉潔

【摘 要】新燃料升降機是核電廠燃料操作與貯存系統的重要設備之一。其主要功能是配合輔助吊車與人橋吊車將新燃料組件運送到乏燃料水池底部進行貯存，還可運送可燃毒物組件存放架和乏燃料組件至指定高度進行清潔去污、檢查及修復。新燃料升降機主要由起升機構、軌道、燃料艙和上部構件組成，其中起升機構作為驅動和承載部件對整機的可靠性及安全性至關重要。文章以“華龍一號”新燃料升降機為例，對其起升機構進行了優化設計，滿足了單一故障保護要求，提高了燃料操作的安全性，對核電廠起重設備的設計具有一定的參考意義。

【關鍵詞】核電廠;新燃料升降機;起升機構;優化設計;單一故障

中圖分類號： TM623.91 文獻標識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）01-0033-002

0 概述

新燃料升降機是核電廠燃料操作與貯存系統的重要設備之一，是裝卸料工藝鏈不可缺少的重要環節，同時作為和人橋吊車等其他設備協同工作的設備，新燃料升降機的運行效率和安全性至關重要。

“華龍一號”核電廠新燃料升降機安裝在燃料廠房乏燃料水池池壁上，起升機構安裝在+16.15m的操作平臺上，其工藝布置如圖1所示。

1-新燃料升降機 2-乏燃料貯存格架（區域1） 3-破損燃料組件貯存小室 4-離線啜吸檢測裝置? 5-乏燃料貯存格架（區域2）

1 運行模式及工藝要求

新燃料升降機有三種運行模式：正常模式、修復模式、檢查模式。不同的模式執行不同的功能，具有不同的工藝要求。

在正常模式下，新燃料升降機的主要功能是將新燃料組件運送至乏燃料水池池底進行貯存。新燃料組件完成拆包檢查后，由輔助吊車操作新燃料組件抓具將新燃料組件放入升降機燃料艙中（此時燃料艙處于高位），升降機起升機構將燃料艙降至池底，等待人橋吊車操作乏燃料組件抓具將新燃料組件從燃料艙取出，并轉運至貯存格架中，此為一次完整操作流程。在正常模式下，起升機構只允許帶載下降、限制帶載上升，防止影響下一次循環操作，還需要與人橋吊車設置聯鎖信號以免發生碰撞，只有當燃料艙處于低位時人橋吊車才能運行至升降機上方區域。正常模式下，升降機的輔助功能是對可燃毒物組件存放架進行去污。人橋吊車將可燃毒物組件存放架放入燃料艙中，由低位升至高位，進行去污并取出。

在修復模式下，新燃料升降機的功能是對帶有可拆卸頭部的乏燃料組件進行修復。燃料艙可帶乏燃料組件上升至指定高度處（滿足屏蔽水層厚度）停止，要求全程低速運行。

在檢查模式下，可將裝有攝像系統的燃料艙在全行程內慢速提升或下降，以便對乏燃料組件進行外觀檢查。

2 整體結構設計優化

新燃料升降機起升機構的設計應滿足相關法規及標準要求[1-2]。

根據升降機的使用功能及工藝設計，起升機構由伺服電動機、減速器、運行制動器、安全制動器、雙鋼絲繩、載荷傳感器、限位開關、超載超速保護裝置等機構組成。

升機構布置在乏燃料水池上方標高+16.15m處的操作平臺上，受制于乏燃料水池吊車的結構尺寸、乏燃料水池水面的標高、乏燃料水池池壁允許開槽的深度，布置空間尺寸約為1700mm×630mm×550mm。

不同于常用的直線型傳動方式，該起升機構采用平行軸-斜齒輪減速電機布置形式，如圖2。這種布置形式結構緊湊，既滿足布置空間大小又能實現減速器雙出軸。

3 單一故障保護設計[3-5]

單一故障是指導致某一部件（設備）不能執行其預定安全功能的一種故障，以及由此引起的各種繼發故障。單一故障準則是指在單一故障情況下，部件（設備）、系統、核動力廠不能喪失預計安全功能。HAF102之5.3.2規定：必須對核動力廠設計中所包括的每個安全組合都應用單一故障準則。對于吊車起升機構，是指在發生斷電、安全停堆地震（SSE）、零部件故障時，保證吊車安全功能，即不能發生臨界載荷墜落事故。

3.1 起升驅動系統

起升驅動系統是起升機構最核心的部件，由電機、減速器、鋼絲繩卷筒、制動器組成，按單一故障保護設計，具體布置如圖3所示。該起升驅動系統具有兩個制動器，分別為工作制動器和安全制動器，工作制動器位于高速軸電機內部，安全制動器位于低速軸卷筒尾部。兩個制動器的選擇，均能滿足全部載荷作用的原則。正常情況下，當按下停止按鈕后，工作制動器動作保持住載荷，當工作制動器失效或系統斷電的情況下，安全制動器動作直接剎住卷筒防止載荷跌落，確保了制動環節的安全性。

起升機構卷筒設置兩根鋼絲繩，一端固定在卷筒上，另一端固定在燃料艙上，每根鋼絲繩的承載能力都以最大起升載荷進行設計，當一根鋼絲繩發生斷裂時，另一根鋼絲繩仍能保持住載荷并平穩下降。

起升機構允許手動操作，電機尾部出軸可連接手輪，正常通電情況下，手輪存放于裝有傳感器的手輪架上。當將手輪從手輪架上拿起時，傳感器進行手動電動聯鎖保護，電機無法運行。

3.2 速度測量裝置

起升機構采用的是伺服電動機，其電機內部自帶的編碼器可實時進行速度反饋，幫助電機完成速度調節，從而形成了閉環控制。由于升降機操作的是燃料組件，對平穩性和安全性提出了更高的要求，絕對不能發生超速或速度突變的情況。因此，在低速軸卷筒軸尾部連接一個絕對值編碼器，作為速度冗余測量，如圖3所示。電動機與卷筒速度對比監控，提高了整個系統運行的平穩性與安全性。

3.3 行程保護

起升機構在三種工作模式下，共用到5個位置點，分別為：上極限位置、下極限位置、上慢速區、下慢速區和中間位置。這五個位置點的停靠由絕對值編碼器和凸輪限位開關共同控制完成。絕對值編碼器用來測量起升高度，在控制柜上實時顯示高度位置，將信號傳送到PLC中。凸輪限位開關預設起停、減速和中間點作為冗余保護。

另外，在修復模式下，起升機構操作乏燃料組件停在水下指定高度（滿足屏蔽水層厚度），一旦行程控制失敗或人為誤操作導致屏蔽水層厚度不夠甚至乏燃料組件露出水面，將會產生輻射泄漏，后果非常嚴重。因此，除以上行程保護裝置外，還設置了兩個γ探測器，直接探測水下劑量。一旦探測劑量達到預設值，將報警停機，充分保障人員和設備安全。

4 結論

新燃料升降機是核電廠燃料操作與貯存系統的主要設備之一，是新燃料運輸與乏燃料檢查修復的重要載體。本文從工藝要求出發，結合廠房布置特點，對”華龍一號”新燃料升降機起升機構進行了優化設計。該起升機構結構緊湊，功能完善，滿足單一故障保護要求，確保新燃料升降機的工藝要求和安全功能的實現。

本起升機構的結構型式及安全保護裝置充分保障了燃料組件運輸的可靠性和安全性，可用于核電廠其它燃料操作設備的設計參考。

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