胡朕寧

(中核核電運(yùn)行管理有限公司,浙江 海鹽 314300)

1 燃料轉(zhuǎn)運(yùn)裝置情況概述

方家山核電的PMC系統(tǒng),為燃料操作與儲(chǔ)存系統(tǒng),屬于核輔助系統(tǒng),其主要服務(wù)對(duì)象是燃料組件和相關(guān)組件。PMC系統(tǒng)設(shè)備直接面對(duì)核電站三道屏障中的第一道屏障——燃料包殼,其安全性是核電站核安全的重要保障。

燃料轉(zhuǎn)運(yùn)裝置屬于PMC系統(tǒng)重要的設(shè)備之一,長(zhǎng)期以來(lái),M310機(jī)組燃料轉(zhuǎn)運(yùn)裝置控制系統(tǒng)的核心技術(shù)主要掌握在國(guó)外廠家手中,國(guó)內(nèi)很多與方家山同型或類(lèi)似的M310機(jī)型采用的燃料轉(zhuǎn)運(yùn)裝置控制系統(tǒng),使用的是美國(guó)Pa R公司的產(chǎn)品。為響應(yīng)國(guó)家核電設(shè)備自主化的號(hào)召,方家山燃料轉(zhuǎn)運(yùn)裝置的控制系統(tǒng)首次采用了國(guó)內(nèi)自主開(kāi)發(fā)研制系統(tǒng),這是國(guó)內(nèi)首套適用于M310機(jī)型的燃料轉(zhuǎn)運(yùn)裝置控制系統(tǒng)。由于是首套控制設(shè)備,在一些細(xì)節(jié)方面的設(shè)計(jì)難免存在不足,本文將針對(duì)方家山燃料轉(zhuǎn)運(yùn)裝置在實(shí)際操作中遇到的安全性和合理性上的問(wèn)題,以及為解決這些問(wèn)題而進(jìn)行的改進(jìn)進(jìn)行分析和闡述。

燃料轉(zhuǎn)運(yùn)裝置位于燃料廠房 (KX)和反應(yīng)堆廠房 (RX)之間,在反應(yīng)堆換料期間使用,通過(guò)與裝卸料機(jī)或人橋吊的配合,完成反應(yīng)堆核燃料組件的轉(zhuǎn)運(yùn)工作。其核心部件由水下運(yùn)輸小車(chē)、RX側(cè)傾翻機(jī)和KX側(cè)傾翻機(jī)構(gòu)成。

轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)的功能是執(zhí)行將核燃料組件在燃料廠房側(cè)水池到反應(yīng)堆廠房側(cè)的往返轉(zhuǎn)運(yùn)的工作。裝載燃料組件的承載器裝在運(yùn)行于軌道上的轉(zhuǎn)運(yùn)小車(chē)上。燃料組件水平的通過(guò)連接在兩建筑間的轉(zhuǎn)運(yùn)通道,并且在兩側(cè)的終點(diǎn)通過(guò)傾翻裝置提升,結(jié)合裝卸料機(jī)及人橋吊來(lái)執(zhí)行裝卸料的工作。轉(zhuǎn)運(yùn)裝置的電控系統(tǒng)就是執(zhí)行這一系列動(dòng)作的控制核心,電控系統(tǒng)通過(guò)向現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備發(fā)出指令來(lái)達(dá)到將燃料組件在RX側(cè)和KX側(cè)之間轉(zhuǎn)運(yùn)工作的目的。

2 燃料轉(zhuǎn)運(yùn)裝置電控系統(tǒng)改進(jìn)

雖然燃料轉(zhuǎn)運(yùn)裝置的整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程相對(duì)比較簡(jiǎn)單,但因?yàn)槠溲b載的是核燃料組件,所以對(duì)于燃料轉(zhuǎn)運(yùn)裝置來(lái)說(shuō),安全性是第一位的,其電控系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)和連鎖保護(hù)都應(yīng)該把安全放在最重要的位置,防止任何可能的誤操作使燃料受到損壞,保障燃料組件的安全。但是,使用燃料轉(zhuǎn)運(yùn)裝置的時(shí)間均在核電廠的裝卸料期間,裝卸料工作屬于核電廠大修的主線工作,時(shí)間非常緊張,若燃料轉(zhuǎn)運(yùn)裝置的保護(hù)參數(shù)和連鎖設(shè)置得過(guò)于苛刻或不合理,會(huì)導(dǎo)致燃料轉(zhuǎn)運(yùn)裝置在裝卸料期間經(jīng)常性的停機(jī)、斷電、誤動(dòng)作,使得裝卸料工作停滯。這樣除了將會(huì)影響到核電廠的大修主線時(shí)間,造成核電廠效益下降之外,設(shè)備經(jīng)常性的停機(jī)可能會(huì)將燃料組件置于不安全的狀態(tài),這樣也會(huì)對(duì)燃料組件造成未知的影響。

所以,燃料轉(zhuǎn)運(yùn)裝置的電控系統(tǒng)在保障核燃料組件的絕對(duì)安全的同時(shí),也應(yīng)該考慮設(shè)備參數(shù)的合理性。

2.1 安全性上的改進(jìn)

2.1.1 改進(jìn)原因

在轉(zhuǎn)運(yùn)水下通道中,位于兩個(gè)廠房之間有一個(gè)水閘門(mén),命名為PMC728 VB,用于隔斷兩個(gè)廠房之間的水下通道。正常情況下的保護(hù)連鎖是PMC728 VB閥完全打開(kāi)后,水下運(yùn)輸小車(chē)才能動(dòng)作。

在原設(shè)計(jì)中,使用PMC728 VB閥的上限位的輔助點(diǎn),接入到燃料轉(zhuǎn)運(yùn)裝置的PLC程序中,使其進(jìn)行連鎖保護(hù)。但這樣的設(shè)計(jì)存在一定的安全隱患,因?yàn)楫?dāng)PLC程序本身出現(xiàn)了硬件或軟件故障,或者是外部反饋信號(hào)出現(xiàn)故障或不滿(mǎn)足條件,會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)出連鎖保護(hù)信號(hào)而無(wú)法正常運(yùn)行,為防止出現(xiàn)在這些情況下設(shè)備不能動(dòng)作,燃料裝運(yùn)裝置在設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)計(jì)了 “旁路”操作功能。在 “旁路”狀態(tài)下,PLC程序段中的保護(hù)連鎖被屏蔽,相當(dāng)于在 “旁路”狀態(tài)下如果PMC728 VB沒(méi)有完全打開(kāi),水下運(yùn)輸小車(chē)也是可以運(yùn)動(dòng)的,這樣的話就存在水下運(yùn)輸小車(chē)與水閘門(mén)相撞的風(fēng)險(xiǎn)。

在設(shè)備實(shí)際運(yùn)行中,確實(shí)有啟用 “旁路”運(yùn)行的情況:在核電廠每次換料大修開(kāi)始之前,維修人員需要進(jìn)入轉(zhuǎn)運(yùn)通道池底對(duì)燃料轉(zhuǎn)運(yùn)裝置進(jìn)行一些檢查,在做這些檢查時(shí),需要將傾翻機(jī)進(jìn)行垂直和水平操作,但這時(shí)由于RX廠房不滿(mǎn)足進(jìn)入條件,RX傾翻機(jī)無(wú)法上電,PMC728 VB未開(kāi)啟以及其他諸多條件未滿(mǎn)足,燃料轉(zhuǎn)運(yùn)裝置無(wú)法 “正?！边\(yùn)行,只能使用 “旁路運(yùn)行”。操作人員在操作傾翻操作旋鈕時(shí),可能因?yàn)檎`操作操作到了小車(chē)操作旋鈕,可能造成水下小車(chē)與閘門(mén)相撞的事故。為了避免該風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生,需要對(duì)原電控系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。

2.1.2 改進(jìn)方案

將PMC728 VB上限位加入到主回路控制系統(tǒng)中,以到達(dá)即使在運(yùn)行在 “旁路”狀態(tài)這不能繞過(guò)這個(gè)保護(hù)功能的目的。

原設(shè)計(jì)如圖1、圖2所示。

從原設(shè)計(jì)圖1中可以看出,在 “小車(chē)允許運(yùn)行”的主回路中,滿(mǎn)足接觸器吸合的條件僅有“RX側(cè)傾翻水平”和 “KX側(cè)傾翻水平”兩個(gè)條件。圖2中顯示,PMC728 VB閥上限位424SM的一個(gè)常開(kāi)點(diǎn)接入到了PLC的輸入點(diǎn)15.7,通過(guò)PLC程序來(lái)實(shí)現(xiàn)PMC728 VB與水下小車(chē)的連鎖,這樣的話在 “旁路”狀態(tài)下,由于屏蔽了PLC程序段,就會(huì)繞過(guò)這個(gè)保護(hù),造成安全隱患。

修改方法如圖3、圖4所示。

見(jiàn)圖3,將原來(lái)接入PLC中的常開(kāi)輔助點(diǎn),接入到了 “小車(chē)允許運(yùn)行”的主接觸器上。這樣的話, “小車(chē)允許運(yùn)行”的 “硬”條件,除了RX/KX側(cè)小車(chē)水平以外,還需要PMC728VB完全打開(kāi)。在增加了安全性的同時(shí),對(duì)人機(jī)界面的程序也進(jìn)行了修改,增加了PMC728VB的狀態(tài)顯示,讓操作人員能看到水閘門(mén)是否處于完全打開(kāi)的狀態(tài)。

圖1 小車(chē)運(yùn)行允許原設(shè)計(jì)Fig.1 The original design of trolley operation allowed

圖2 閘門(mén)連鎖原設(shè)計(jì)Fig.2 The original design of gate locking

圖3 小車(chē)運(yùn)行允許Fig.3 Tr olley operation allowed

圖4 閘門(mén)連鎖修改Fig.4 Modification of gate locking

此外,人機(jī)界面上增加了一個(gè)顯示,當(dāng)PMC728 VB沒(méi)有完全打開(kāi)時(shí),畫(huà)面顯示紅色“閘閥未打開(kāi)”,當(dāng)PMC728 VB完全打開(kāi)時(shí),畫(huà)面顯示綠色 “閘閥打開(kāi)”。

如此修改完成后,該保護(hù)從 “PLC邏輯保護(hù)”的單一連鎖保護(hù),增加到 “PLC邏輯保護(hù)”“主回路連鎖保護(hù)”“人機(jī)界面畫(huà)面提示”的三重保護(hù),大大增加了燃料組件的安全性。

2.2 合理性的改進(jìn)

2.2.1 傾翻機(jī)判斷 “有無(wú)燃料”邏輯改進(jìn)

在傾翻機(jī)原設(shè)計(jì)上,有一個(gè)比較重要的功能:通過(guò)傾翻機(jī)鋼絲繩的拉力來(lái)判斷傾翻機(jī)內(nèi)是否有燃料?！坝腥剂稀焙?“無(wú)燃料”的信號(hào)會(huì)反饋至PLC,使得 “欠載”等多個(gè)報(bào)警值設(shè)定的變化,以及與裝卸料機(jī)之間的連鎖發(fā)生變化。

原設(shè)計(jì)判定 “有無(wú)燃料”的方法:

以KX區(qū)域?yàn)槔?PMC傾翻機(jī)鋼絲繩的運(yùn)動(dòng)距離為0～4900 mm,即傾翻機(jī)在完全水平位置時(shí),標(biāo)尺為0 mm,在完全垂直時(shí)標(biāo)尺為4900 mm。在原設(shè)計(jì)中,傾翻機(jī)會(huì)在兩個(gè)位置判斷燃料艙內(nèi)“有無(wú)燃料”。

第一個(gè)位置在95～105 mm(接近水平位置),設(shè)定值為600 da N,當(dāng)傾翻機(jī)在水平狀態(tài),操作傾翻機(jī)讓其向垂直運(yùn)動(dòng),在95～105 mm這個(gè)區(qū)間內(nèi),如果拉力大于600 da N則判斷燃料艙內(nèi)有燃料,如果拉力小于600 da N則判斷燃料艙內(nèi)沒(méi)有燃料。在有水狀態(tài)下實(shí)際測(cè)量95～105 mm區(qū)間,有料的情況下拉力為660 da N左右,無(wú)料為303 da N左右。

存在問(wèn)題:判斷有無(wú)燃料的第二個(gè)位置在4695～4705 mm(接近垂直位置),判斷有無(wú)燃料設(shè)定的拉力值為85 da N,原理與第一個(gè)位置一樣。但是由于比較靠近垂直區(qū),所以燃料艙的整體重量對(duì)鋼絲繩拉力的影響較小,即有燃料和沒(méi)有燃料的情況在經(jīng)過(guò)4695～4705 mm這個(gè)位置時(shí)拉力的大小是差不多的。目前實(shí)測(cè)正常情況下 (無(wú)報(bào)警發(fā)出):無(wú)燃料時(shí)從水平到垂直經(jīng)過(guò)4695～4705 mm時(shí)拉力為83 da N,有燃料時(shí)從垂直到水平經(jīng)過(guò)4695～4705 mm時(shí)拉力為89 da N,拉力值非常接近,在傾翻機(jī)運(yùn)動(dòng)多次后會(huì)產(chǎn)生誤判。造成有無(wú)燃料判定出錯(cuò)而導(dǎo)致欠載保護(hù)誤動(dòng)作。

可以看出,原來(lái)的設(shè)計(jì)理念沒(méi)有問(wèn)題,希望通過(guò)拉力來(lái)自動(dòng)判斷燃料籃里是否有燃料,以達(dá)到自動(dòng)控制的目的。但在實(shí)際工況下,由于水的浮力、鋼絲繩的摩擦力等因素都會(huì)對(duì) “拉力”這樣的數(shù)據(jù)造成干擾,因此這樣的判斷方式在實(shí)際運(yùn)用中會(huì)出現(xiàn)偏差,造成欠載保護(hù)誤動(dòng)作,從而會(huì)影響裝卸料主線時(shí)間,所以這個(gè)判定方法需要改進(jìn)。

改進(jìn)方法:考慮到在裝卸料期間傾翻機(jī)均是人工操作。所以將 “有無(wú)燃料”的判定改為人工判斷。修改時(shí)首先取消了由鋼絲繩拉力判斷 “有無(wú)燃料”的邏輯,然后在燃料裝運(yùn)裝置的人機(jī)界面上設(shè)計(jì)一個(gè) “有無(wú)燃料”觸摸按鈕,當(dāng)空車(chē)傾翻機(jī)垂直,燃料組件放入傾翻機(jī)燃料艙后,操作人員人工按一下這個(gè)按鈕,將狀態(tài)修改為 “有燃料”狀態(tài)。而當(dāng)燃料組件被人橋吊或裝卸料機(jī)取走后,再人工修改為 “無(wú)燃料”狀態(tài)。修改后畫(huà)面如圖5、圖6所示。

圖5 “有無(wú)料”修改畫(huà)面1Fig.5 “Wit h or without material”modification screen 1

圖6 “有無(wú)料”修改畫(huà)面2Fig.6 “With or without material”modification screen 2

當(dāng)燃料組件放入傾翻機(jī)燃料艙中后,操作人員需要點(diǎn)擊 “有無(wú)料”按鈕,此時(shí)畫(huà)面會(huì)顯示如圖6。當(dāng)燃料組件從燃料艙內(nèi)取走后,再有操作人員按下 “有無(wú)料”按鈕,傾翻機(jī)狀態(tài)將會(huì)恢復(fù)到 “無(wú)燃料”狀態(tài),人機(jī)界面顯示也將恢復(fù)到圖5。

2.2.2 傾翻機(jī)垂直位判定邏輯修改

原傾翻機(jī)垂直判定邏輯如圖7。

圖7 原傾翻機(jī)垂直判定邏輯Fig.7 The vertical judging logic of t he original tilter

原設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題:在實(shí)際運(yùn)行中會(huì)出現(xiàn)了傾翻機(jī)在完全垂直的狀態(tài)下,拉力值輕微下降導(dǎo)致垂直信號(hào)丟失的情況。

原因分析:根據(jù)傾翻機(jī)垂直停運(yùn)的條件,拉力載荷需大于192 da N,由于垂直向運(yùn)動(dòng)慣性的輕微影響,一般傾翻機(jī)停運(yùn)時(shí),拉力載荷在200 da N左右。在實(shí)際運(yùn)行時(shí),傾翻機(jī)燃料艙處于垂直位置,當(dāng)使用人橋吊或裝卸料機(jī)將燃料組件從傾翻機(jī)燃料艙中取出的瞬間,偶爾會(huì)出現(xiàn)拉力值下降了20 da N左右的情況,此時(shí)兩個(gè)垂直限位均未丟失,但拉力載荷為180 da N左右,小于了192 da N,PLC判定傾翻架不完全垂直,啟動(dòng)連鎖,導(dǎo)致人橋吊無(wú)法進(jìn)入傾翻機(jī)區(qū)域,裝卸料工作停滯。

拉力載荷下降20 da N的原因有很多,如水面波動(dòng)、卷?yè)P(yáng)機(jī)輕微卡頓、傾翻架不是100%的90°垂直等等。但是由于兩個(gè)垂直限位信號(hào)均未丟失,并且拉力載荷值只是輕微下降,根據(jù)以上現(xiàn)象來(lái)判斷,傾翻架并沒(méi)有脫離完全垂直的位置,可以繼續(xù)進(jìn)行裝修料的工作,不會(huì)影響燃料組件的安全。因此該邏輯需要修改。

修改方案1:在拉力傳感器功能正常的情況下,增加延時(shí)功能 (見(jiàn)圖8)。

圖8 垂直位判定邏輯修改方案1Fig.8 The modification sche me 1 for vertical position judging logic

修改完成后,當(dāng)傾翻機(jī)向垂直向運(yùn)動(dòng)時(shí),滿(mǎn)足了前部條件,在拉力載荷大于192 da N后,再往垂直向運(yùn)動(dòng)0.3 s停止,這個(gè)時(shí)候當(dāng)傾翻機(jī)停止時(shí),拉力載荷必然大大高于192 da N,實(shí)測(cè)使用這個(gè)方案下,傾翻機(jī)在垂直位停止時(shí)拉力約為270 da N,此時(shí),就算有不明原因?qū)е落摻z繩拉力輕微下降,只要垂直限位沒(méi)有丟失,且拉力載荷大于192 da N,傾翻機(jī)完全垂直信號(hào)就不會(huì)丟失。

修改方案2:對(duì)拉力載荷的判斷標(biāo)準(zhǔn)修改為“設(shè)定值”和 “返回值”(見(jiàn)圖9、圖10)。

圖9 垂直位判定邏輯修改方案2-1Fig.9 The modification scheme 2-1 for vertical position judging logic

圖10 垂直位判定邏輯修改方案2-2Fig.10 The modification sche me 2-2 for vertical position judging logic

如圖9所示,原始設(shè)計(jì)連鎖方案不變,只是將拉力載荷判定值從192 da N上升到251 da N,將Q12.2()修改為Q12.2(S)。251 da N即為“設(shè)定值”。

再增加PLC程序語(yǔ)句增加拉力返回值,設(shè)為200 da N,如圖10所示,增加輸出Q12.2(R),200 da N即為 “返回值”。

修改完成后,前部條件與原程序一致,當(dāng)拉力載荷大于251 da N時(shí),傾翻機(jī)停止,發(fā)出傾翻機(jī)完全垂直信號(hào),并 “置位”,若傾翻機(jī)拉力載荷有輕微下降,此時(shí)垂直信號(hào)是不會(huì)丟失的,一定要拉力載荷小于200 da N(或垂直限位丟失),傾翻機(jī)完成垂直信號(hào)才會(huì) “復(fù)位”。

由于鋼絲繩的拉力超載值為1042 da N,所以設(shè)定值設(shè)在251 da N遠(yuǎn)小于超載報(bào)警值,是合理的;原設(shè)計(jì)停止值為192 da N,所以返回值設(shè)置200 da N也是合理的。

經(jīng)過(guò)研究,方家山燃料轉(zhuǎn)運(yùn)裝置選擇了方案2作為修改方式。雖然方案1的方法也是合理可行的。方家山就這個(gè)問(wèn)題咨詢(xún)了同類(lèi)型電廠中設(shè)計(jì)這個(gè)問(wèn)題所使用的方法,了解到美國(guó)Pa R公司在設(shè)計(jì)時(shí),采用了與本文的方案2類(lèi)似的方法,使用的也是設(shè)定值和返回值。所以根據(jù)同行方案和意見(jiàn),方家山核電該套設(shè)備選用了方案2進(jìn)行修改,修改完成后,燃料轉(zhuǎn)運(yùn)裝置在裝卸料工作中,沒(méi)有再出現(xiàn)過(guò)類(lèi)似的保護(hù)誤動(dòng)作了。

3 結(jié)束語(yǔ)

燃料轉(zhuǎn)運(yùn)裝置作為PMC系統(tǒng)中的重要設(shè)備,在核電廠的裝卸料工作中擔(dān)任了重要的角色。而長(zhǎng)期以來(lái),M310機(jī)組燃料轉(zhuǎn)運(yùn)裝置控制系統(tǒng)的核心技術(shù)主要掌握在國(guó)外廠家手中,方家山核電作為首家采用國(guó)內(nèi)自主開(kāi)發(fā)研制轉(zhuǎn)運(yùn)裝置電控系統(tǒng)的核電站,其使用經(jīng)驗(yàn)也就顯得非常重要。經(jīng)過(guò)首次裝料以及4次大修的使用,目前方家山燃料轉(zhuǎn)運(yùn)裝置的電控邏輯已日臻完善,其在安全性和合理性上的控制邏輯改進(jìn),也為日后燃料轉(zhuǎn)運(yùn)裝置電控系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化的推廣提供了借鑒。