方家山PMC系統(tǒng)燃料轉(zhuǎn)運裝置控制改進1）

胡朕寧

(中核核電運行管理有限公司,浙江 海鹽 314300)

1 燃料轉(zhuǎn)運裝置情況概述

方家山核電的PMC系統(tǒng),為燃料操作與儲存系統(tǒng),屬于核輔助系統(tǒng),其主要服務對象是燃料組件和相關組件。PMC系統(tǒng)設備直接面對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)運裝置屬于PMC系統(tǒng)重要的設備之一,長期以來,M310機組燃料轉(zhuǎn)運裝置控制系統(tǒng)的核心技術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機型采用的燃料轉(zhuǎn)運裝置控制系統(tǒng),使用的是美國Pa R公司的產(chǎn)品。為響應國家核電設備自主化的號召,方家山燃料轉(zhuǎn)運裝置的控制系統(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機型的燃料轉(zhuǎn)運裝置控制系統(tǒng)。由于是首套控制設備,在一些細節(jié)方面的設計難免存在不足,本文將針對方家山燃料轉(zhuǎn)運裝置在實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行的改進進行分析和闡述。

燃料轉(zhuǎn)運裝置位于燃料廠房 (KX)和反應堆廠房 (RX)之間,在反應堆換料期間使用,通過與裝卸料機或人橋吊的配合,完成反應堆核燃料組件的轉(zhuǎn)運工作。其核心部件由水下運輸小車、RX側(cè)傾翻機和KX側(cè)傾翻機構成。

轉(zhuǎn)運系統(tǒng)的功能是執(zhí)行將核燃料組件在燃料廠房側(cè)水池到反應堆廠房側(cè)的往返轉(zhuǎn)運的工作。裝載燃料組件的承載器裝在運行于軌道上的轉(zhuǎn)運小車上。燃料組件水平的通過連接在兩建筑間的轉(zhuǎn)運通道,并且在兩側(cè)的終點通過傾翻裝置提升,結合裝卸料機及人橋吊來執(zhí)行裝卸料的工作。轉(zhuǎn)運裝置的電控系統(tǒng)就是執(zhí)行這一系列動作的控制核心,電控系統(tǒng)通過向現(xiàn)場設備發(fā)出指令來達到將燃料組件在RX側(cè)和KX側(cè)之間轉(zhuǎn)運工作的目的。

2 燃料轉(zhuǎn)運裝置電控系統(tǒng)改進

雖然燃料轉(zhuǎn)運裝置的整個運動過程相對比較簡單,但因為其裝載的是核燃料組件,所以對于燃料轉(zhuǎn)運裝置來說,安全性是第一位的,其電控系統(tǒng)的各項參數(shù)和連鎖保護都應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)運裝置的時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,時間非常緊張,若燃料轉(zhuǎn)運裝置的保護參數(shù)和連鎖設置得過于苛刻或不合理,會導致燃料轉(zhuǎn)運裝置在裝卸料期間經(jīng)常性的停機、斷電、誤動作,使得裝卸料工作停滯。這樣除了將會影響到核電廠的大修主線時間,造成核電廠效益下降之外,設備經(jīng)常性的停機可能會將燃料組件置于不安全的狀態(tài),這樣也會對燃料組件造成未知的影響。

所以,燃料轉(zhuǎn)運裝置的電控系統(tǒng)在保障核燃料組件的絕對安全的同時,也應該考慮設備參數(shù)的合理性。

2.1 安全性上的改進

2.1.1 改進原因

在轉(zhuǎn)運水下通道中,位于兩個廠房之間有一個水閘門,命名為PMC728 VB,用于隔斷兩個廠房之間的水下通道。正常情況下的保護連鎖是PMC728 VB閥完全打開后,水下運輸小車才能動作。

在原設計中,使用PMC728 VB閥的上限位的輔助點,接入到燃料轉(zhuǎn)運裝置的PLC程序中,使其進行連鎖保護。但這樣的設計存在一定的安全隱患,因為當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出現(xiàn)故障或不滿足條件,會導致系統(tǒng)發(fā)出連鎖保護信號而無法正常運行,為防止出現(xiàn)在這些情況下設備不能動作,燃料裝運裝置在設計時設計了 “旁路”操作功能。在 “旁路”狀態(tài)下,PLC程序段中的保護連鎖被屏蔽,相當于在 “旁路”狀態(tài)下如果PMC728 VB沒有完全打開,水下運輸小車也是可以運動的,這樣的話就存在水下運輸小車與水閘門相撞的風險。

在設備實際運行中,確實有啟用 “旁路”運行的情況:在核電廠每次換料大修開始之前,維修人員需要進入轉(zhuǎn)運通道池底對燃料轉(zhuǎn)運裝置進行一些檢查,在做這些檢查時,需要將傾翻機進行垂直和水平操作,但這時由于RX廠房不滿足進入條件,RX傾翻機無法上電,PMC728 VB未開啟以及其他諸多條件未滿足,燃料轉(zhuǎn)運裝置無法 “正?！边\行,只能使用 “旁路運行”。操作人員在操作傾翻操作旋鈕時,可能因為誤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。為了避免該風險的發(fā)生,需要對原電控系統(tǒng)進行改進。

2.1.2 改進方案

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

原設計如圖1、圖2所示。

從原設計圖1中可以看出,在 “小車允許運行”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”兩個條件。圖2中顯示,PMC728 VB閥上限位424SM的一個常開點接入到了PLC的輸入點15.7,通過PLC程序來實現(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,就會繞過這個保護,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,接入到了 “小車允許運行”的主接觸器上。這樣的話, “小車允許運行”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,對人機界面的程序也進行了修改,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 小車運行允許原設計Fig.1 The original design of trolley operation allowed

圖2 閘門連鎖原設計Fig.2 The original design of gate locking

圖3 小車運行允許Fig.3 Tr olley operation allowed

圖4 閘門連鎖修改Fig.4 Modification of gate locking

此外,人機界面上增加了一個顯示,當PMC728 VB沒有完全打開時,畫面顯示紅色“閘閥未打開”,當PMC728 VB完全打開時,畫面顯示綠色 “閘閥打開”。

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

2.2 合理性的改進

2.2.1 傾翻機判斷 “有無燃料”邏輯改進

在傾翻機原設計上,有一個比較重要的功能:通過傾翻機鋼絲繩的拉力來判斷傾翻機內(nèi)是否有燃料?！坝腥剂稀焙?“無燃料”的信號會反饋至PLC,使得 “欠載”等多個報警值設定的變化,以及與裝卸料機之間的連鎖發(fā)生變化。

原設計判定 “有無燃料”的方法:

以KX區(qū)域為例,PMC傾翻機鋼絲繩的運動距離為0～4900 mm,即傾翻機在完全水平位置時,標尺為0 mm,在完全垂直時標尺為4900 mm。在原設計中,傾翻機會在兩個位置判斷燃料艙內(nèi)“有無燃料”。

第一個位置在95～105 mm(接近水平位置),設定值為600 da N,當傾翻機在水平狀態(tài),操作傾翻機讓其向垂直運動,在95～105 mm這個區(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)下實際測量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位置在4695～4705 mm(接近垂直位置),判斷有無燃料設定的拉力值為85 da N,原理與第一個位置一樣。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這個位置時拉力的大小是差不多的。目前實測正常情況下 (無報警發(fā)出):無燃料時從水平到垂直經(jīng)過4695～4705 mm時拉力為83 da N,有燃料時從垂直到水平經(jīng)過4695～4705 mm時拉力為89 da N,拉力值非常接近,在傾翻機運動多次后會產(chǎn)生誤判。造成有無燃料判定出錯而導致欠載保護誤動作。

可以看出,原來的設計理念沒有問題,希望通過拉力來自動判斷燃料籃里是否有燃料,以達到自動控制的目的。但在實際工況下,由于水的浮力、鋼絲繩的摩擦力等因素都會對 “拉力”這樣的數(shù)據(jù)造成干擾,因此這樣的判斷方式在實際運用中會出現(xiàn)偏差,造成欠載保護誤動作,從而會影響裝卸料主線時間,所以這個判定方法需要改進。

改進方法:考慮到在裝卸料期間傾翻機均是人工操作。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,然后在燃料裝運裝置的人機界面上設計一個 “有無燃料”觸摸按鈕,當空車傾翻機垂直,燃料組件放入傾翻機燃料艙后,操作人員人工按一下這個按鈕,將狀態(tài)修改為 “有燃料”狀態(tài)。而當燃料組件被人橋吊或裝卸料機取走后,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

當燃料組件放入傾翻機燃料艙中后,操作人員需要點擊 “有無料”按鈕,此時畫面會顯示如圖6。當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,傾翻機狀態(tài)將會恢復到 “無燃料”狀態(tài),人機界面顯示也將恢復到圖5。

2.2.2 傾翻機垂直位判定邏輯修改

原傾翻機垂直判定邏輯如圖7。

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

原設計存在的問題:在實際運行中會出現(xiàn)了傾翻機在完全垂直的狀態(tài)下,拉力值輕微下降導致垂直信號丟失的情況。

原因分析:根據(jù)傾翻機垂直停運的條件,拉力載荷需大于192 da N,由于垂直向運動慣性的輕微影響,一般傾翻機停運時,拉力載荷在200 da N左右。在實際運行時,傾翻機燃料艙處于垂直位置,當使用人橋吊或裝卸料機將燃料組件從傾翻機燃料艙中取出的瞬間,偶爾會出現(xiàn)拉力值下降了20 da N左右的情況,此時兩個垂直限位均未丟失,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,啟動連鎖,導致人橋吊無法進入傾翻機區(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、卷揚機輕微卡頓、傾翻架不是100%的90°垂直等等。但是由于兩個垂直限位信號均未丟失,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)進行裝修料的工作,不會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,當傾翻機向垂直向運動時,滿足了前部條件,在拉力載荷大于192 da N后,再往垂直向運動0.3 s停止,這個時候當傾翻機停止時,拉力載荷必然大大高于192 da N,實測使用這個方案下,傾翻機在垂直位停止時拉力約為270 da N,此時,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,傾翻機完全垂直信號就不會丟失。

修改方案2:對拉力載荷的判斷標準修改為“設定值”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,原始設計連鎖方案不變,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“設定值”。

再增加PLC程序語句增加拉力返回值,設為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,當拉力載荷大于251 da N時,傾翻機停止,發(fā)出傾翻機完全垂直信號,并 “置位”,若傾翻機拉力載荷有輕微下降,此時垂直信號是不會丟失的,一定要拉力載荷小于200 da N(或垂直限位丟失),傾翻機完成垂直信號才會 “復位”。

由于鋼絲繩的拉力超載值為1042 da N,所以設定值設在251 da N遠小于超載報警值,是合理的;原設計停止值為192 da N,所以返回值設置200 da N也是合理的。

經(jīng)過研究,方家山燃料轉(zhuǎn)運裝置選擇了方案2作為修改方式。雖然方案1的方法也是合理可行的。方家山就這個問題咨詢了同類型電廠中設計這個問題所使用的方法,了解到美國Pa R公司在設計時,采用了與本文的方案2類似的方法,使用的也是設定值和返回值。所以根據(jù)同行方案和意見,方家山核電該套設備選用了方案2進行修改,修改完成后,燃料轉(zhuǎn)運裝置在裝卸料工作中,沒有再出現(xiàn)過類似的保護誤動作了。

3 結束語

燃料轉(zhuǎn)運裝置作為PMC系統(tǒng)中的重要設備,在核電廠的裝卸料工作中擔任了重要的角色。而長期以來,M310機組燃料轉(zhuǎn)運裝置控制系統(tǒng)的核心技術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)運裝置電控系統(tǒng)的核電站,其使用經(jīng)驗也就顯得非常重要。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,也為日后燃料轉(zhuǎn)運裝置電控系統(tǒng)國產(chǎn)化的推廣提供了借鑒。