重水堆裝卸料機仿真系統的開發與應用

張利東，劉 斌，蔣軍建

（中核核電運行管理有限公司，浙江嘉興 314300）

0 引言

CANDU 6 重水堆的一大特點是不停堆換料，裝卸料機就是專門為實現這一特點而設計的。每個重水堆有兩臺裝卸料機，分別位于反應堆兩側，它們通常一起工作、以完成燃料更換。換料過程包括新燃料裝料、反應堆上換料、乏燃料更換與接收存貯等3 個部分。裝卸料機換料期間包含重水和乏燃料，此外需要定期解體檢修。裝卸料機結構復雜、零件眾多，主要由管嘴組件、分離器組件、料倉組件和推桿組件組成。裝卸料機每個組件按照一定的順序動作，才能完成拆卸和安裝燃料通道密封塞、屏蔽塞，裝卸燃料的動作。為了全面展示重水堆換料過程，應用虛擬仿真技術開發了本仿真系統，展示裝卸料機結構、模擬換料工況和換料維修過程，達到良好的三維動態演示效果。

1 系統結構與方案設計

該三維仿真系統在結構上分為換料運行和換料維修兩個部分，主要包括裝卸料機、滑車、橋架、維修過程等。方案設計如下：

提供一種全景的換料演示，同時顯示兩側的裝卸料機。

（1）換料運行部分包括新燃料裝料、屏蔽門的開關、反應堆上換料、乏燃料更換與接收存貯等運行演示，顯示核島廠房R-109、R-103、R-104、R-107、R-108、R-001 和服務廠房S-124 的相應環境及動作，每側380 個燃料通道只顯示一根。虛擬換料過程仿真系統應包括完整的裝卸料過程中的動作演示，包括：密封塞和屏蔽塞的安裝和拆除，導向套筒的安裝和拆除，管嘴塞和推桿適配器的安裝和拆除，堆上換料的動作的演示以及裝卸料機內部各部件在做這些操作時的動作等；同時還包括換料過程中所有使用到的外部設備的動作模擬，如懸鏈、滑車、橋架、乏燃料傳輸及乏燃料池內設備等（圖1）。

（2）換料檢修部分包括管嘴拆裝規程、分離器拆裝規程、推桿拆裝規程、料倉拆裝規程、管嘴塞拆裝規程、密封塞拆裝規程、導向套筒拆裝規程、鋼帶機構拆裝規程。每一個規程包括步驟、各個零件的拆解和組裝，演示的同時配有內容提示的FLASH。

2 系統的開發及特點

2.1 軟件配置

該系統的運行環境為Windows XP 或Windows 2000，開發工具采用Visual C++6.0，系統數據庫采用Oracle，建模工具采用Pro/E、Multigen_Creator 和3ds Max，系統圖形處理軟件采用Adobe Photoshop，RinVr 三維仿真支撐系統。

2.2 硬件配置

系統硬件運行環境包括2 臺服務器、5 臺專用客戶機及公共的辦公客戶端計算機（圖1）。

服務器擬采用圖形工作站，支持立體顯示，采用HP xw4600圖形工作站，主要配置見表1。此硬件配置支持立體顯示，只需外接單通道立體投影儀，對三維仿真系統進行適當的配置，就可實現立體顯示效果。5 臺專用客戶端采用聯想鋒行X8030 C2Q Q66002048500 sGV（R），主要配置如表2 所示。

表1 服務器的主要配置

表2 客戶端計算機的主要配置

2.3 系統特點

（1）虛擬逼真，具有很好的演示宣傳效果。

（2）主次分明，能比較清楚地區分出各個零部件。

（3）整體組裝圖中能夠對所有單個零部件進行選擇操作，操作者能夠隨意顯示、隱藏、透視、移除或安裝設備中的某一個或幾個零部件，以方便了解結構。

（4）可在虛擬場景內任意路線、任意角度觀察設備內部和單個零部件的內部結構。

（5）有靈活的三維視點操作功能，能夠對鼠標選取的區域俯視、平視、近視和遠視。

（6）有較強大的交互操作能力，友好的操作界面，容易掌握。

3 系統的應用

仿真系統主要應用在換料運行、換料維修和技術管理方面，對換料系統的理解和培訓提供了較好的幫助。

3.1 換料運行方面的應用

對于虛擬裝卸料過程仿真系統，從新燃料裝載、反應堆換料、乏燃料卸料3 個操作任務進行展示。

3.1.1 新燃料裝載

新燃料裝載分為人工新燃料裝載、孔道處的新燃料裝載、反應堆處新燃料裝載（圖2）。

圖2 人工新燃料裝載的設備和場景

（1）系統可以演示在人工將新燃料裝載裝入新燃料機中。在孔道處將新燃料機中裝載到裝卸料機中，然后裝卸料機在移動到反應堆處通道處把新燃料裝載進去。

（2）換料運行人員可以在辦公室熟悉和了解R110 房間新燃料裝載過程，觀察新燃料新燃料機料倉管在裝料過程中的動作以加深印象（圖3）。

圖3 新燃料裝載料倉管的動作

（3）反應堆換料的任務通過指令與畫面結合及局部的運動，讓換料人員更加清楚了換料指令所代表的實際換料機動作，對故障的判斷和異常工況的處理提供幫助（圖4）。

圖4 換料JOB 5-6 時的指令及換料機動作界面

3.1.2 乏燃料卸料

了解乏燃料處理過程，對于高放射性的卸料R-001 房間的卸料、傳輸及轉運過程。圖5 為乏燃料在升降斗中正在下降的界面，圖6 為乏燃料下降到水下小車中準備運出反應堆廠房的工作界面，圖7 為在輔助廠房S-124 房間乏燃料在水下操作的界面。

圖5 乏燃料在升降斗中正在下降的界面

圖6 乏燃料水下準備運出反應堆廠房的界面

圖7 輔助廠房S-124 房間乏燃料在水下操作的界面

在3 個操作任務的換料過程的演示，通過隱藏功能去掉外部殼體，可以觀察到平時無法看到的內部部件的運動，直觀方便地將換料操作指令或步驟對應的裝卸料機動作展示出來。一些最常見的換料操作如抱卡在燃料通道，拆掉管嘴塞，安裝導向套筒，拆掉密封塞和屏蔽塞，推動燃料串等這些常見的動作見圖8。

圖8 安裝導向套筒同時料倉轉動

將裝卸料機實際的動作結合起來，彌補了換料過程中裝卸料機內部動作不可見的空白，不僅能夠幫助初學者或參觀者了解換料過程，同時也可以幫助運行人員了解換料指令的含義，對以后的操作和應急響應工作有所幫助。本系統也可用使換料運行人員的培訓更加直觀。

3.2 換料檢修方面的應用

換料維修系統包括裝卸料機管嘴塞解體檢修、密封塞解體檢修、裝卸料推桿組件解體檢修、管嘴組件解體檢修、分離器組件解體檢修、料倉組件解體檢修、導向套筒及插入工具組件解體檢修的過程仿真。各個組件均有不同程度的污染，通過維修過程的展示能夠幫助熟悉維修程序，可以間接減少所受的劑量。以管嘴塞檢修為例，維修規程的每一步顯示在左邊的欄目，通過將維修規程的每一步進行解說和展示，關鍵步驟還有FLASH 提醒，讓維修人員在辦公室盡量地掌握管嘴塞解體檢修方法，減少現場受到輻射的劑量（圖9）。

圖9 管嘴塞解體檢修演示

同時顯示備件、工具和耗材，考慮維修場地的布置、專用工具的使用和人員的安排，幫助維修過程的優化和維修技能的提高。

3.3 換料技術方面的運用

3.3.1 結構瀏覽

本系統可以全面瀏覽裝卸料機整體結構，并從不同角度進行觀察（圖10）。觀察時還可以將不需要的推桿殼體隱藏，這樣可以看到推桿內部的其他零件的位置和形狀（圖11）。此時還可以將某一部件選中后旋轉觀察，顯示該部件的參數信息，如果和現有的系統連接，還可以調出圖紙進行對比觀察。

圖10 裝卸料機整體

圖11 隱去推桿殼體的裝卸料機

3.3.2 傳動分析

對比于傳統的部件圖紙，本系統可以很直觀明確地觀察到設備的內部結構，如裝卸料機L 推桿的傳動鏈上所有的部件和作用。

經過隱藏的凸顯渦輪/蝸桿/塞打螺栓的裝卸料機L 推桿傳動鏈，為L 推桿部件的受力分析提供了很直觀的展示，從而為設計變更提供了幫助（圖12）。

圖12 裝卸料機L 推桿傳動鏈

3.3.3 與其他工程軟件的兼容

對于系統模擬的設備以及工具，采用Pro/E 進行建模工作，根據設備零部件圖紙，按照其準確尺寸建立零部件模型，再根據裝配圖對零部件進行組裝，形成整個設備。零部件的建模文件可以直接應用于ANSYSY 軟件中作進一步的分析。

4 結束語

本仿真系統實現了對重水堆裝卸料機新燃料裝載、反應堆換料、乏燃料卸料3 個操作任務以及管嘴塞解體檢修、密封塞解體檢修、裝卸料推桿組件解體檢修、管嘴組件解體檢修、分離器組件解體檢修、料倉組件解體檢修、導向套筒及插入工具組件解體檢修等的過程仿真。通過隱藏和透視功能從不同視角對換料過程進行演示，彌補了以往培訓中無法看到的場景，幫助參觀人員、換料運行、換料檢修和換料技術人員熟悉系統設備的結構、運行指令和設備狀態，為提高換料操作人員的技能，異常工況的響應能力、故障分析能力以及減少人因失誤提供了有益的支持。