劉 剛

（國(guó)家核電技術(shù)公司 上海核工程研究設(shè)計(jì)院，上海 200233）

控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)（CRDM）是關(guān)系到核電廠正常運(yùn)行和安全可靠的關(guān)鍵設(shè)備，用于提升、下插、保持和快速釋放控制棒組件，以達(dá)到反應(yīng)堆安全啟動(dòng)、調(diào)節(jié)反應(yīng)堆功率、快速停堆的目的.我國(guó)核電廠目前普遍采用的是磁力提升直線步躍式驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu).控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是反應(yīng)堆堆本體設(shè)備中唯一的能動(dòng)設(shè)備，其設(shè)計(jì)涉及電、磁、流體、傳熱、機(jī)構(gòu)動(dòng)作等，涵蓋了電磁學(xué)、機(jī)械動(dòng)力學(xué)、流體動(dòng)力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、傳熱學(xué)、自動(dòng)控制等學(xué)科并交叉融合.

秦山一期反應(yīng)堆控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是我國(guó)首次自行研制、自主設(shè)計(jì)和完全國(guó)產(chǎn)化制造的產(chǎn)品.該驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)雖然于1990年出廠，但是由于樣機(jī)研制早在20世紀(jì)70年代，從其出廠性能試驗(yàn)結(jié)果和秦山一期的運(yùn)行情況來(lái)看，還存在著一些不足和問(wèn)題.突出的問(wèn)題是機(jī)構(gòu)的步躍運(yùn)行性能較差，表現(xiàn)為：機(jī)構(gòu)可正常運(yùn)行的工作線圈運(yùn)行電流調(diào)節(jié)范圍狹窄，工作線圈的極性必須反接，冷態(tài)、熱態(tài)需要用不同的運(yùn)行電流，個(gè)別機(jī)構(gòu)運(yùn)行電流還需作不同的調(diào)整.本文針對(duì)以上問(wèn)題對(duì)30萬(wàn)kW機(jī)組的CRDM步躍性能進(jìn)行了優(yōu)化研究，以提高其可靠性和安全性，同時(shí)為百萬(wàn)級(jí)核電站CRDM的國(guó)產(chǎn)化提供技術(shù)支持.

1 步躍動(dòng)作的原理

控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由承壓殼體部件、鉤爪部件、驅(qū)動(dòng)桿部件、磁軛線圈部件和棒位探測(cè)器部件五大部件構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示.其中磁軛線圈部件中的3個(gè)工作線圈通電產(chǎn)生了動(dòng)作的驅(qū)動(dòng)力，而鉤爪部件是帶動(dòng)與驅(qū)動(dòng)桿機(jī)械連接的控制棒組件完成上提、下插步躍動(dòng)作的具體實(shí)施者.

圖1 控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Schematic structural drawing of CRDM

鉤爪部件主要由上下2組鉤爪組件（可動(dòng)鉤爪和固定鉤爪）、3對(duì)電磁鐵和1個(gè)套管式支承結(jié)構(gòu)組成.3對(duì)電磁鐵自上而下分別命名為提升、可動(dòng)鉤爪和固定鉤爪電磁鐵.電磁鐵借工作線圈通電產(chǎn)生磁場(chǎng)的電磁力將磁極和銜鐵吸合；當(dāng)工作線圈斷電，磁場(chǎng)消失后靠復(fù)位彈簧和重力將它們打開.

由于控制棒組件按規(guī)定速率進(jìn)行上提、下插（秦山一期的控制棒組件要求的上升和下插的速率為60步·min－1），即需要鉤爪部件的3對(duì)電磁鐵必須在750～780ms完成吸合和打開這6個(gè)連續(xù)的吸放動(dòng)作.

2 問(wèn)題分析

通過(guò)對(duì)秦山一期驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的出廠性能試驗(yàn)拆檢發(fā)現(xiàn)，鉤爪部件的2組鉤爪進(jìn)出驅(qū)動(dòng)桿齒槽與鉤爪的提升和下降這6個(gè)動(dòng)作協(xié)調(diào)性不理想，反映在運(yùn)行電流波形圖上是銜鐵吸放動(dòng)作時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、6個(gè)動(dòng)作信號(hào)點(diǎn)分布不合理，造成有些動(dòng)作點(diǎn)之間間隔時(shí)間太短，最終使鉤爪和銷軸等零件處在不正常（非設(shè)計(jì)）載荷下運(yùn)行，從而直接影響機(jī)構(gòu)的運(yùn)行性能和壽命.

鉤爪進(jìn)出驅(qū)動(dòng)桿齒槽與鉤爪的提升和下降動(dòng)作受電磁鐵吸放的控制，而電磁鐵吸放動(dòng)作的實(shí)施受到了工作線圈的電感、電磁驅(qū)動(dòng)力、流體阻力、彈簧力和負(fù)荷等諸多因素的共同影響.

圖2為秦山一期CRDM提升時(shí)提升線圈、可動(dòng)鉤爪線圈、固定鉤爪線圈的電流及振動(dòng)信號(hào)波形圖.

從3對(duì)電磁鐵的吸放時(shí)間可以看出，如果完成一步上升，所需6個(gè)動(dòng)作按完成前一動(dòng)作再開始下一動(dòng)作依次進(jìn)行，則其累加的動(dòng)作時(shí)間需要1 000ms以上，即無(wú)法達(dá)到在750～780ms完成吸合和打開這6個(gè)連續(xù)的吸放動(dòng)作的設(shè)計(jì)要求.由此，在實(shí)際步躍中6個(gè)動(dòng)作是存在重疊的時(shí)間，即利用電控指令與機(jī)構(gòu)機(jī)械響應(yīng)動(dòng)作之間的時(shí)間差，下一動(dòng)作開始時(shí)間要提前至前一動(dòng)作完成之前.這個(gè)例子較好地說(shuō)明了所設(shè)計(jì)的CRDM步躍性能存在的問(wèn)題.

圖2 秦山一期核電廠CRDM提升時(shí)的線圈電流波形Fig.2 Coil current during lifting process of Qinshan I nuclear power plant CRDM

3 控制方程與數(shù)值仿真

3.1 控制方程

分析CRDM步躍的動(dòng)態(tài)工作過(guò)程可知，該過(guò)程可由下列一些微分方程描述.

電路方程式為

式中：U為加在線圈兩端的工作電壓；R為線圈電阻；E為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；I為線圈中的電流.

上述關(guān)于變量I的方程的解為

式中：A為常數(shù)；t為時(shí)間；τ＝L/R，L為電感.對(duì)于空心線圈，L的值正比于線圈匝數(shù)N的平方，但是實(shí)際結(jié)構(gòu)內(nèi)有復(fù)雜的可動(dòng)鐵芯.因此，若設(shè)x為位移，則L＝f（x），L∝N2.

磁路方程式為

式中：ψ為磁鏈.

式中：Φ為磁通量.

在穩(wěn)定（靜態(tài)）磁路中，有

式中：Rm為磁阻.

電磁力的表達(dá)式為

式中：Fm為電磁吸力；μ為相對(duì)磁導(dǎo)率；S為磁通截面積.

在動(dòng)態(tài)過(guò)程中，由于ψ＝f（I，L），L＝f（x），所以ψ＝f（I，x）和Fm＝f（I，x），即磁鏈和電磁吸力隨電流和位移的變化而變化.

銜鐵提升時(shí)，對(duì)其進(jìn)行受力分析，有

式中：Fm為電磁吸力；F為需要克服的所有阻力；m為銜鐵質(zhì)量.表達(dá)式為

式中：Fl為機(jī)械（工作）載荷；Fs為彈簧力；Fw為水的阻力；Ff為摩擦阻力；Fc為由于碰撞、振動(dòng)等因素產(chǎn)生的各種阻力的總和.

在動(dòng)態(tài)過(guò)程中，除了Fl和Fs外，其余各項(xiàng)，特別是Fc，均與位移x之間存在非線性變化關(guān)系.銜鐵下降時(shí)，運(yùn)動(dòng)的力學(xué)控制方程為

式中：Fg為重力.

圖3 磁力線分布圖Fig.3 Distribution map of the magnetic flux

3.2 電磁場(chǎng)的有限元仿真

磁力驅(qū)動(dòng)型驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，電磁力是機(jī)構(gòu)動(dòng)作的原始驅(qū)動(dòng)力，其控制方程如前所述.通過(guò)采用ANSYS軟件中的電磁分析功能，對(duì)磁場(chǎng)進(jìn)行分析計(jì)算，獲得了電磁力與提升距離的關(guān)系［1］.磁力線分布見(jiàn)圖3.磁感應(yīng)強(qiáng)度分布見(jiàn)圖4.

分別研究了提升磁路與保持磁路電流方向相反、提升磁路與保持磁路電流方向相同和提升磁路單獨(dú)通電時(shí)提升磁力與提升距離的關(guān)系，計(jì)算分析結(jié)果如圖5所示.從圖5可知，提升磁路與保持磁路電流方向相同時(shí)的提升磁力與提升磁路單獨(dú)通電時(shí)的提升磁力，二者數(shù)值相差不大，但比提升磁路與保持磁路電流方向相反時(shí)的提升磁力要大.

圖4 磁感應(yīng)強(qiáng)度分布圖Fig.4 Distribution map of the magnetic flux density

圖5 提升磁力與提升距離關(guān)系圖Fig.5 Relationship between the magnetic force and the lifting gap

3.3 流場(chǎng)的有限元仿真

驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的鉤爪部件安裝在密封殼體內(nèi)腔中，按驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)行規(guī)定，該鉤爪部件的步躍運(yùn)動(dòng)必須在充滿流體的介質(zhì)中進(jìn)行，降低步躍沖擊載荷對(duì)機(jī)構(gòu)的影響，反之，由于流體介質(zhì)的存在，它對(duì)運(yùn)動(dòng)件也產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)阻力，從而對(duì)鉤爪部件的動(dòng)作速率產(chǎn)生影響.

在對(duì)秦山一期驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)研究分析后，認(rèn)為鉤爪部件中銜鐵吸放動(dòng)作時(shí)間過(guò)長(zhǎng)與流道設(shè)計(jì)過(guò)窄有關(guān).利用CFD工程軟件，對(duì)銜鐵受到的流體阻力進(jìn)行分析，來(lái)獲得流體對(duì)銜鐵運(yùn)動(dòng)的影響［2］.計(jì)算分兩種情況：一種是老結(jié)構(gòu)（秦山一期，巴項(xiàng)工程）.一種是新結(jié)構(gòu)（改進(jìn)樣機(jī)）.

獲得了在不同設(shè)計(jì)流道寬度下銜鐵運(yùn)動(dòng)速率與流體阻力的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如圖6和圖7所示，從而為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)提供了重要依據(jù).

圖6 老結(jié)構(gòu)流道的銜鐵運(yùn)動(dòng)速率與流體阻力關(guān)系圖Fig.6 Relationship between the motion velocity and the fluid drag force for the old structure channel

圖7 新結(jié)構(gòu)流道的銜鐵運(yùn)動(dòng)速率與流體阻力關(guān)系圖Fig.7 Relationship between the motion velocity and the fluid drag force for the new structure channel

從圖6和圖7可知：

（1）銜鐵在移動(dòng)過(guò)程中，會(huì)受到流體的阻力.銜鐵移動(dòng)的速度越大，受到的流體阻力也越大.

（2）新結(jié)構(gòu)銜鐵與耐壓殼體之間的間隙比老結(jié)構(gòu)銜鐵與耐壓殼體之間的間隙增加了1倍.對(duì)比新、老結(jié)構(gòu)在銜鐵移動(dòng)速度2.0m·s－1時(shí)，銜鐵受到的流體阻力，老結(jié)構(gòu)受到的阻力約是新結(jié)構(gòu)的6倍.可見(jiàn)結(jié)構(gòu)之間的間隙，對(duì)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)銜鐵受到的流體阻力的影響是很大的.

（3）對(duì)于控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其鉤爪部件的運(yùn)動(dòng)特性與銜鐵所受電磁力、流體阻力、機(jī)械摩擦力、機(jī)械負(fù)荷等有著相互的影響.因此銜鐵所受流體阻力的分析為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析提供了必要的流體載荷.

4 改進(jìn)樣機(jī)的試驗(yàn)驗(yàn)證

依據(jù)上述分析，對(duì)鉤爪部件進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，主要是適當(dāng)拉開3個(gè)線圈的間距，尤其是提升線圈與可動(dòng)鉤爪線圈的間距，減少相鄰線圈的互感影響；加大鉤爪部件與承壓殼體之間的流水通道的間隙.對(duì)該改進(jìn)鉤爪部件樣機(jī)進(jìn)行了冷、熱態(tài)的步躍性能試驗(yàn).在試驗(yàn)中分別進(jìn)行了：①3個(gè)工作線圈正接、反接的摸索試驗(yàn)；②可運(yùn)行電流調(diào)節(jié)范圍的摸索試驗(yàn)；③正常運(yùn)行電流的多行程試驗(yàn)；④提高步速至72步·min－1的運(yùn)行試驗(yàn).

試驗(yàn)中，72步·min－1的CRDM提升時(shí)提升線圈、可動(dòng)鉤爪線圈、固定鉤爪線圈的電流和振動(dòng)信號(hào)波形如圖8所示.

通過(guò)對(duì)改進(jìn)樣機(jī)與秦山一期機(jī)構(gòu)動(dòng)作時(shí)間對(duì)比，改進(jìn)樣機(jī)的動(dòng)作速率有明顯提高，提高程度如表1所示.

可運(yùn)行電流調(diào)節(jié)范圍內(nèi)的試驗(yàn)結(jié)果如表2所示.

從試驗(yàn)結(jié)果得知，改進(jìn)的鉤爪部件其運(yùn)行性能有顯著的提高.主要表現(xiàn)為：①工作線圈的極性無(wú)需強(qiáng)制為反接；②3對(duì)電磁鐵的吸放時(shí)間明顯縮短；③機(jī)構(gòu)正常運(yùn)行的電流可調(diào)節(jié)范圍擴(kuò)大.

由此證明，采取適當(dāng)拉開3個(gè)線圈的間距，尤其是提升線圈與可動(dòng)鉤爪線圈的間距，加大鉤爪部件與承壓殼體之間的流水通道間隙的改進(jìn)措施能提高鉤爪部件的步躍性能.

表1 動(dòng)作時(shí)間減少比率Tab.1 Action time reduced rate

圖8 試驗(yàn)中72步·min－1的提升波形圖Fig.8 Coil current at 72step/minute during test lifting process

表2 可運(yùn)行電流調(diào)節(jié)范圍內(nèi)的試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Test results within the adjustable current range

5 結(jié)論

本文首先分析我國(guó)自主設(shè)計(jì)的30萬(wàn)kW核電機(jī)組CRDM步躍性能方面存在的問(wèn)題，然后給出步躍動(dòng)作過(guò)程中多個(gè)物理場(chǎng)的控制方程，并分別采用ANSYS軟件和CFD軟件進(jìn)行了CRDM的電磁場(chǎng)分析和流場(chǎng)分析，為設(shè)計(jì)的優(yōu)化提供方向性指導(dǎo).最后基于分析結(jié)果，對(duì)CRDM結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，并通過(guò)多組試驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證了有限元分析的結(jié)論，同時(shí)證明改進(jìn)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化了CRDM的步躍性能.本文的工作不僅可以用于我國(guó)30萬(wàn)kW乃至百萬(wàn)kW核電機(jī)組CRDM步躍性能的優(yōu)化，也為同類型CRDM的設(shè)計(jì)與研究提供了方法性的參考.

［1］王赤虎，姚偉達(dá)，謝永誠(chéng)，等.控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)電磁場(chǎng)分析［J］.噪聲與振動(dòng)控制，2009，29（6）：80－84.

WANG Chihu，YAO Weida，XIE Yongcheng，et al.Electromagnetic field analysis of control rod drive mechanism［J］.Noise and Vibration Control，2009，29（6）：80－84.

［2］張明，劉剛，翁羽，等.控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)流體阻力分析［C］∥第十六屆全國(guó)反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)力學(xué)會(huì)議論文集.北京：原子能出版社，2010：330－337.

ZHANG Ming，LIU Gang，WENG Yu，et al.Flow resistance influence analysis for control rod drive mechanism［C］∥Transaction of the 16th National Conference on Structural Mechanics in Reactor Technology.Beijing：Atomic Energy Press，2010：330－337.