周洋　袁巍　戰(zhàn)蓉潔

【摘 要】新燃料升降機(jī)是核電廠燃料操作與貯存系統(tǒng)的重要設(shè)備之一。其主要功能是配合輔助吊車(chē)與人橋吊車(chē)將新燃料組件運(yùn)送到乏燃料水池底部進(jìn)行貯存，還可運(yùn)送可燃毒物組件存放架和乏燃料組件至指定高度進(jìn)行清潔去污、檢查及修復(fù)。新燃料升降機(jī)主要由起升機(jī)構(gòu)、軌道、燃料艙和上部構(gòu)件組成，其中起升機(jī)構(gòu)作為驅(qū)動(dòng)和承載部件對(duì)整機(jī)的可靠性及安全性至關(guān)重要。文章以“華龍一號(hào)”新燃料升降機(jī)為例，對(duì)其起升機(jī)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，滿足了單一故障保護(hù)要求，提高了燃料操作的安全性，對(duì)核電廠起重設(shè)備的設(shè)計(jì)具有一定的參考意義。

【關(guān)鍵詞】核電廠;新燃料升降機(jī);起升機(jī)構(gòu);優(yōu)化設(shè)計(jì);單一故障

中圖分類(lèi)號(hào)： TM623.91 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)： 2095-2457（2019）01-0033-002

0 概述

新燃料升降機(jī)是核電廠燃料操作與貯存系統(tǒng)的重要設(shè)備之一，是裝卸料工藝鏈不可缺少的重要環(huán)節(jié)，同時(shí)作為和人橋吊車(chē)等其他設(shè)備協(xié)同工作的設(shè)備，新燃料升降機(jī)的運(yùn)行效率和安全性至關(guān)重要。

“華龍一號(hào)”核電廠新燃料升降機(jī)安裝在燃料廠房乏燃料水池池壁上，起升機(jī)構(gòu)安裝在+16.15m的操作平臺(tái)上，其工藝布置如圖1所示。

1-新燃料升降機(jī) 2-乏燃料貯存格架（區(qū)域1） 3-破損燃料組件貯存小室 4-離線啜吸檢測(cè)裝置? 5-乏燃料貯存格架（區(qū)域2）

1 運(yùn)行模式及工藝要求

新燃料升降機(jī)有三種運(yùn)行模式：正常模式、修復(fù)模式、檢查模式。不同的模式執(zhí)行不同的功能，具有不同的工藝要求。

在正常模式下，新燃料升降機(jī)的主要功能是將新燃料組件運(yùn)送至乏燃料水池池底進(jìn)行貯存。新燃料組件完成拆包檢查后，由輔助吊車(chē)操作新燃料組件抓具將新燃料組件放入升降機(jī)燃料艙中（此時(shí)燃料艙處于高位），升降機(jī)起升機(jī)構(gòu)將燃料艙降至池底，等待人橋吊車(chē)操作乏燃料組件抓具將新燃料組件從燃料艙取出，并轉(zhuǎn)運(yùn)至貯存格架中，此為一次完整操作流程。在正常模式下，起升機(jī)構(gòu)只允許帶載下降、限制帶載上升，防止影響下一次循環(huán)操作，還需要與人橋吊車(chē)設(shè)置聯(lián)鎖信號(hào)以免發(fā)生碰撞，只有當(dāng)燃料艙處于低位時(shí)人橋吊車(chē)才能運(yùn)行至升降機(jī)上方區(qū)域。正常模式下，升降機(jī)的輔助功能是對(duì)可燃毒物組件存放架進(jìn)行去污。人橋吊車(chē)將可燃毒物組件存放架放入燃料艙中，由低位升至高位，進(jìn)行去污并取出。

在修復(fù)模式下，新燃料升降機(jī)的功能是對(duì)帶有可拆卸頭部的乏燃料組件進(jìn)行修復(fù)。燃料艙可帶乏燃料組件上升至指定高度處（滿足屏蔽水層厚度）停止，要求全程低速運(yùn)行。

在檢查模式下，可將裝有攝像系統(tǒng)的燃料艙在全行程內(nèi)慢速提升或下降，以便對(duì)乏燃料組件進(jìn)行外觀檢查。

2 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

新燃料升降機(jī)起升機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足相關(guān)法規(guī)及標(biāo)準(zhǔn)要求[1-2]。

根據(jù)升降機(jī)的使用功能及工藝設(shè)計(jì)，起升機(jī)構(gòu)由伺服電動(dòng)機(jī)、減速器、運(yùn)行制動(dòng)器、安全制動(dòng)器、雙鋼絲繩、載荷傳感器、限位開(kāi)關(guān)、超載超速保護(hù)裝置等機(jī)構(gòu)組成。

升機(jī)構(gòu)布置在乏燃料水池上方標(biāo)高+16.15m處的操作平臺(tái)上，受制于乏燃料水池吊車(chē)的結(jié)構(gòu)尺寸、乏燃料水池水面的標(biāo)高、乏燃料水池池壁允許開(kāi)槽的深度，布置空間尺寸約為1700mm×630mm×550mm。

不同于常用的直線型傳動(dòng)方式，該起升機(jī)構(gòu)采用平行軸-斜齒輪減速電機(jī)布置形式，如圖2。這種布置形式結(jié)構(gòu)緊湊，既滿足布置空間大小又能實(shí)現(xiàn)減速器雙出軸。

3 單一故障保護(hù)設(shè)計(jì)[3-5]

單一故障是指導(dǎo)致某一部件（設(shè)備）不能執(zhí)行其預(yù)定安全功能的一種故障，以及由此引起的各種繼發(fā)故障。單一故障準(zhǔn)則是指在單一故障情況下，部件（設(shè)備）、系統(tǒng)、核動(dòng)力廠不能喪失預(yù)計(jì)安全功能。HAF102之5.3.2規(guī)定：必須對(duì)核動(dòng)力廠設(shè)計(jì)中所包括的每個(gè)安全組合都應(yīng)用單一故障準(zhǔn)則。對(duì)于吊車(chē)起升機(jī)構(gòu)，是指在發(fā)生斷電、安全停堆地震（SSE）、零部件故障時(shí)，保證吊車(chē)安全功能，即不能發(fā)生臨界載荷墜落事故。

3.1 起升驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

起升驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是起升機(jī)構(gòu)最核心的部件，由電機(jī)、減速器、鋼絲繩卷筒、制動(dòng)器組成，按單一故障保護(hù)設(shè)計(jì)，具體布置如圖3所示。該起升驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有兩個(gè)制動(dòng)器，分別為工作制動(dòng)器和安全制動(dòng)器，工作制動(dòng)器位于高速軸電機(jī)內(nèi)部，安全制動(dòng)器位于低速軸卷筒尾部。兩個(gè)制動(dòng)器的選擇，均能滿足全部載荷作用的原則。正常情況下，當(dāng)按下停止按鈕后，工作制動(dòng)器動(dòng)作保持住載荷，當(dāng)工作制動(dòng)器失效或系統(tǒng)斷電的情況下，安全制動(dòng)器動(dòng)作直接剎住卷筒防止載荷跌落，確保了制動(dòng)環(huán)節(jié)的安全性。

起升機(jī)構(gòu)卷筒設(shè)置兩根鋼絲繩，一端固定在卷筒上，另一端固定在燃料艙上，每根鋼絲繩的承載能力都以最大起升載荷進(jìn)行設(shè)計(jì)，當(dāng)一根鋼絲繩發(fā)生斷裂時(shí)，另一根鋼絲繩仍能保持住載荷并平穩(wěn)下降。

起升機(jī)構(gòu)允許手動(dòng)操作，電機(jī)尾部出軸可連接手輪，正常通電情況下，手輪存放于裝有傳感器的手輪架上。當(dāng)將手輪從手輪架上拿起時(shí)，傳感器進(jìn)行手動(dòng)電動(dòng)聯(lián)鎖保護(hù)，電機(jī)無(wú)法運(yùn)行。

3.2 速度測(cè)量裝置

起升機(jī)構(gòu)采用的是伺服電動(dòng)機(jī)，其電機(jī)內(nèi)部自帶的編碼器可實(shí)時(shí)進(jìn)行速度反饋，幫助電機(jī)完成速度調(diào)節(jié)，從而形成了閉環(huán)控制。由于升降機(jī)操作的是燃料組件，對(duì)平穩(wěn)性和安全性提出了更高的要求，絕對(duì)不能發(fā)生超速或速度突變的情況。因此，在低速軸卷筒軸尾部連接一個(gè)絕對(duì)值編碼器，作為速度冗余測(cè)量，如圖3所示。電動(dòng)機(jī)與卷筒速度對(duì)比監(jiān)控，提高了整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的平穩(wěn)性與安全性。

3.3 行程保護(hù)

起升機(jī)構(gòu)在三種工作模式下，共用到5個(gè)位置點(diǎn)，分別為：上極限位置、下極限位置、上慢速區(qū)、下慢速區(qū)和中間位置。這五個(gè)位置點(diǎn)的?？坑山^對(duì)值編碼器和凸輪限位開(kāi)關(guān)共同控制完成。絕對(duì)值編碼器用來(lái)測(cè)量起升高度，在控制柜上實(shí)時(shí)顯示高度位置，將信號(hào)傳送到PLC中。凸輪限位開(kāi)關(guān)預(yù)設(shè)起停、減速和中間點(diǎn)作為冗余保護(hù)。

另外，在修復(fù)模式下，起升機(jī)構(gòu)操作乏燃料組件停在水下指定高度（滿足屏蔽水層厚度），一旦行程控制失敗或人為誤操作導(dǎo)致屏蔽水層厚度不夠甚至乏燃料組件露出水面，將會(huì)產(chǎn)生輻射泄漏，后果非常嚴(yán)重。因此，除以上行程保護(hù)裝置外，還設(shè)置了兩個(gè)γ探測(cè)器，直接探測(cè)水下劑量。一旦探測(cè)劑量達(dá)到預(yù)設(shè)值，將報(bào)警停機(jī)，充分保障人員和設(shè)備安全。

4 結(jié)論

新燃料升降機(jī)是核電廠燃料操作與貯存系統(tǒng)的主要設(shè)備之一，是新燃料運(yùn)輸與乏燃料檢查修復(fù)的重要載體。本文從工藝要求出發(fā)，結(jié)合廠房布置特點(diǎn)，對(duì)”華龍一號(hào)”新燃料升降機(jī)起升機(jī)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。該起升機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊，功能完善，滿足單一故障保護(hù)要求，確保新燃料升降機(jī)的工藝要求和安全功能的實(shí)現(xiàn)。

本起升機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)型式及安全保護(hù)裝置充分保障了燃料組件運(yùn)輸?shù)目煽啃院桶踩?，可用于核電廠其它燃料操作設(shè)備的設(shè)計(jì)參考。

【參考文獻(xiàn)】

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