三門核電燃料抓取機載荷控制系統問題及優化策略

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，用于執行燃料操作區域的燃料裝卸功能。本文主要闡述三門核電燃料抓取機與國內其他壓水堆核電站的燃料抓取機存在的差異，以及調試過程中發現燃料抓取機南提升機構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化方案。

1 燃料抓取機簡要結構及操作流程

1.1 設備結構及操作流程

三門核電燃料抓取機包含橋架、小車及南、北提升機構，其中燃料抓取機的前進及后退操作靠橋架執行，提升機構的左右操作靠小車移動實現，組件上下操作由南、北提升機構運動實現。南提升機構主要用于操作新燃料，北提升機構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）北提升機構將新燃料組件由新燃料升降機移動至乏池。

4）北提升機構將新燃料或者乏燃料組件由乏池移動至轉運系統傾翻機，然后由轉運系統移動至安全殼廠房，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，由北提升機構將乏燃料組件由乏池運轉至裝載井運輸容器，然后運轉至沖洗井，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 與國內其他核電廠燃料抓取機的差異

1） 結構差異

國內其他核電廠燃料抓取機本身僅有一套提升機構，其功能相當于三門核電燃料抓取機北提升機構作用。而將組件從燃料容器運轉至新燃料升降機，再至乏池的過程由燃料廠房吊車執行。

2） 控制系統差異

由于三門核電燃料抓取機相對于國內其他核電廠，多一套南提升機構，控制系統多了南提升機構相關的控制部分，含高度、載荷、機械限位聯鎖等控制內容。

2 載荷測量系統

2.1 載荷測量系統組成

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

2.2 載荷測量裝置

載荷測量裝置安裝在提升機構卷筒鋼纜上，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（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，其他的根據燃料類型的不同，載荷設置結果也不一樣，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生開關量信號輸送至PLC參與聯鎖控制[2]。

表3 南提升載荷設置結果Table 3 Result of south hoist weight setup

表4 北提升載荷設置結果Table 4 Result of north hoist weight setup

表2 載荷設置Table 2 Load weight setup

3.1.3 載荷報警聯鎖

載荷報警對提升機構運動的影響如下：

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 載荷控制系統問題分析

從圖1可以直觀得出燃料抓取機北提升機構運動范圍在轉運通道（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，在該過程浮力數值影響非常大：從表1可以得出僅不含內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，在南提升機構下降過程中直接觸發欠載，導致設備不能操作，同時在提升過程中，載荷控制系統無法有效監測載荷，無法判斷超載。

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

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，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系的，減少的浮力F=F1/4800（Z-1200）kg，其中，Z為當前提升機構行程標高。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 結語

本文詳細列明了三門核電燃料抓取機南提升機構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。