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,長期以來,M310機(jī)組燃料轉(zhuǎn)運(yùn)裝置控制系統(tǒng)的核心技術(shù)主要掌握在國外廠家手中,國內(nèi)很多與方家山同型或類似的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Pa R公司的產(chǎn)品。為響應(yīng)國家核電設(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)首次采用了國內(nèi)自主開發(fā)研制系統(tǒng),這是國內(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題,以及為解決這些問題而進(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、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)小車上。燃料組件水平的通過連接在兩建筑間的轉(zhuǎn)運(yùn)通道,并且在兩側(cè)的終點(diǎn)通過傾翻裝置提升,結(jié)合裝卸料機(jī)及人橋吊來執(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)通過向現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備發(fā)出指令來達(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)過程相對(duì)比較簡單,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)裝置來說,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,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閥完全打開后,水下運(yùn)輸小車才能動(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)故障或不滿足條件,會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)出連鎖保護(hù)信號(hào)而無法正常運(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沒有完全打開,水下運(yùn)輸小車也是可以運(yùn)動(dòng)的,這樣的話就存在水下運(yùn)輸小車與水閘門相撞的風(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廠房不滿足進(jìn)入條件,RX傾翻機(jī)無法上電,PMC728 VB未開啟以及其他諸多條件未滿足,燃料轉(zhuǎn)運(yùn)裝置無法 “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`操作操作到了小車操作旋鈕,可能造成水下小車與閘門相撞的事故。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 “小車允許運(yùn)行”的主回路中,滿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)常開點(diǎn)接入到了PLC的輸入點(diǎn)15.7,通過PLC程序來實(shí)現(xiàn)PMC728 VB與水下小車的連鎖,這樣的話在 “旁路”狀態(tài)下,由于屏蔽了PLC程序段,就會(huì)繞過這個(gè)保護(hù),造成安全隱患。

修改方法如圖3、圖4所示。

見圖3,將原來接入PLC中的常開輔助點(diǎn),接入到了 “小車允許運(yùn)行”的主接觸器上。這樣的話, “小車允許運(yùn)行”的 “硬”條件,除了RX/KX側(cè)小車水平以外,還需要PMC728VB完全打開。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是否處于完全打開的狀態(tài)。

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

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

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

圖4 閘門連鎖修改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沒有完全打開時(shí),畫面顯示紅色“閘閥未打開”,當(dāng)PMC728 VB完全打開時(shí),畫面顯示綠色 “閘閥打開”。

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:通過傾翻機(jī)鋼絲繩的拉力來判斷傾翻機(jī)內(nèi)是否有燃料。“有燃料”和 “無燃料”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,無料為303 da N左右。

存在問題:判斷有無燃料的第二個(gè)位置在4695～4705 mm(接近垂直位置),判斷有無燃料設(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,即有燃料和沒有燃料的情況在經(jīng)過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 (無報(bào)警發(fā)出):無燃料時(shí)從水平到垂直經(jīng)過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,原來的設(shè)計(jì)理念沒有問題,希望通過拉力來自動(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) “有無燃料”觸摸按鈕,當(dāng)空車傾翻機(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 “無燃料”狀態(tài)。修改后畫面如圖5、圖6所示。

圖5 “有無料”修改畫面1Fig.5 “Wit h or without material”modification screen 1

圖6 “有無料”修改畫面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 “有無料”按鈕,此時(shí)畫面會(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 “有無料”按鈕,傾翻機(jī)狀態(tài)將會(huì)恢復(fù)到 “無燃料”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)、卷揚(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)象來判斷,傾翻架并沒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)問題咨詢了同類型電廠中設(shè)計(jì)這個(gè)問題所使用的方法,了解到美國Pa R公司在設(shè)計(jì)時(shí),采用了與本文的方案2類似的方法,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,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,沒有再出現(xiàn)過類似的保護(hù)誤動(dòng)作了。

3 結(jié)束語

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。而長期以來,M310機(jī)組燃料轉(zhuǎn)運(yùn)裝置控制系統(tǒng)的核心技術(shù)主要掌握在國外廠家手中,方家山核電作為首家采用國內(nèi)自主開發(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)國產(chǎn)化的推廣提供了借鑒。