核电站装卸料辅助监视系统研发与应用

核电站装卸料辅助监视系统研发与应用

龙建辉 毛譞 徐成明

中广核核电运营有限公司 广东省深圳市 518124

摘 要 详细描述了某核电站开发的2套堆芯装卸料辅助监视系统的背景、研发过程及现场应用情况。实际应用表明，堆芯装卸料辅助监视系统投用后取得了良好效果，能实时、动态、直观地显示组件相对位置和干涉情况，能准确预测燃料组件就位高度并判断燃料组件在堆芯是否正确就位。

关键词 燃料组件；格架；核燃料吊装；超欠载

0 引言

核电站反应堆堆芯装载时，准确预测燃料组件在堆芯的就位高度至关重要。某电站换料大修装料期间，1燃料组件装入堆芯后，其下管座被堆芯下栅格板定位销顶住，由于就位坐标判断出现失误，该燃料组件被释放，最终在堆芯内倾倒。

按照燃料装卸系统的现有设计，燃料组件是否正确就位在堆芯下栅格板上只能通过换料机人-机界面显示的重量及编码器高度数据来判断，而编码器高度数据由于以下原因存在不确定性：①燃料组件的辐照增长效应导致各燃料组件的实际长度不一致；②堆芯下栅格板可能存在异物。因此目前燃料组件在堆芯下栅格板就位的高度判断标准只能采用“理论高度±5 mm”这样的粗略标准，该标谁无法真实反映组件在堆芯下栅格板上的就位情况，不能发现下栅格板上可能存在的异物，在换料中也常常出现燃料组件就位后的实际高度超出该标准范围的情况。

另一方面，在堆芯燃料装卸过程中，常常遇到燃料组件相互干涉的情况。干涉发生后，准确判断燃料组件的干涉部位，识别是否存在定位格架相互勾挂，对于正确调整燃料组件的装卸方式、保证燃料组件安全通过干涉区域至关重要。目前，换料主管只能通过一个原始的燃料组件模拟板粗略估计燃料组件干涉区域，以便采取相应的行动，这种方式精确度差且效率低。

针对以上缺陷所研发的堆芯装卸料辅助监视系统，能够收集和分析换料机主提升编码器数值等各种数据，准确计算燃料组件在堆芯的就位高度，并且图形化动态显示燃料组件在吊装时与堆芯其他组件的相对位置，极大地提升了核燃料吊装的安全性。

1 功能介绍

堆芯装卸料辅助监视系统主要有2项功能：

（1）精确判断燃料组件堆芯就位高度，包括：及时判断任意组件在堆芯就位的正确高度坐标；出现高度偏差及时提醒操作人员；记录并跟踪燃料组件的长度变化；发现下栅格板上厚度大于2 mm异物。

（2）在装卸料过程中，实时动态显示燃料组件与堆芯其他燃料组件的相对位置；出现超欠载保护时自动判断是否存在格架干涉，并自动记录燃料组件的超欠载信息。

2 技术要点

堆芯装卸料辅助监视系统用户应用程序采用Wonderware公司的InTouch人-机界面（HMI）组态软件开发。InTouch HMI是一个开放的、可扩展的人-机界面软件，常用于可视化和控制工业生产过程。它提供了一种易用的开发环境和广泛的功能，能够快速地建立、测试和部署强大的连接和传递实时信息的自动化应用。用户程序通过I/O Server接口读取可编程控制器（PLC）数据信息，并将信息处理后存入Access数据库，完成历史信息记录。

目前中国广核集团已经运行有2种技术类型的换料机，分别是法国REEL公司和美国西屋公司的产品，分别采用了不同厂家的PLC控制，其中西屋公司换料机采用GE Fanuc 90-30型PLC，CPU型号是360；REEL换料机采用施耐德Modicon premium型PLC，CPU型号是TSX P574823M。2种换料机控制柜内均安装有工业以太网交换机。针对2种不同类型的换料机，开发了2套功能相同的系统，其不同点仅在于上位机与PLC数据交换接口及数据地址。

2.1 系统配置

硬件配置：①已预装Windows XP系统的工业用笔记本电脑；②一根2 m普通双绞线。

软件要求：①Wonderware InTouch 9.0或以上版本；②Microsoft Access 2003及以上版本；③Wonderware I/O Server：GEHCS\MBENET（GEHCS：GE Fanuc PLC以太网通讯驱动，MBENET：Modicon premium PLC以太网通讯驱动）。

网络架构：图1和图2分别描述了2种技术换料设备的网络架构及堆芯装卸料辅助监视系统的硬件布置和网络连接方式。

RX—反应堆厂房；KX—燃料厂房

图1 西屋技术换料设备硬件配置及网络架构

图2 REEL技术换料设备硬件配置及网络架构

2.2 数据交互

系统开发的技术要点之一是InTouch用户的应用程序从PLC读取数据信息，并与Access数据库实现数据交互。

图3详细描述了用户应用程序与现场I/O设备及Access关系数据库间的数据交互模型。

InTouch用户应用程序与现场I/O设备之间通过I/O Server接口工具实现数据读取，针对不同型号的PLC需要选择相对应的以太网接口驱动，通讯协议采用动态数据交互机制（DDE）或SuiteLink，创建I/O访问名，通过DDE Server与PLC建立连接，传递实时信息。

InTouch用户应用程序与Access关系数据库之间的数据交互是通过开放数据库互连（Microsoft Access ODBC）接口驱动实现的。InTouch应用程序通过“结构化查询语言（SQL）访问管理器”访问数据库，并完成数据库表的修改、创建以及删除操作。“SQL访问管理器”是一个与ODBC兼容的应用程序，可以与支持ODBC驱动程序的任何数据库进行通讯，通过“绑定列表”将“InTouch标记”映射到数据库列，完成数据信息交互。

图3 用户应用程序与现场I/O设备及Access数据库间的数据交互模型

2.3 工艺流程设计

2.3.1 组件堆芯精确就位功能建模

组件堆芯精确就位功能模型如图4所示，堆芯燃料装载时，有2个就位基准点：倾翻机燃料篮底部及堆芯下栅格板。这2个基准点都是物理构件，因此倾翻机燃料篮底部标高（Hcore）与堆芯下栅格板标高（Hfts）的差值为固定值，其理论差值为4 076 mm，由于各机组安装调试的差异，各机组倾翻机燃料篮底部与堆芯下栅格板标高的实际差值略有不同，通过燃料组件分别在倾翻机燃料篮及堆芯下栅格板实际就位的换料机编码器数据，可测出各机组件的实际差值H­offset（Hoffset=Hcore-Hfts，如大亚湾核电站2号机组Hoffset为4 075 mm）。

图4 组件堆芯精确就位功能模型

2.3.2 组件堆芯精确就位判断流程设计

根据以上模型，其软件设计流程见图5。

图5 组件堆芯精确就位判断流程图

2.3.3 组件格架相挂自动判断功能建模

燃料装卸操作时，燃料组件在堆芯竖直方向做升降运动，相邻燃料组件则就位于堆芯下栅格板上，堆芯燃料组件之间的理论间隙约为1 mm。由于燃料组件变形、换料机定位精度等因素，运动组件与相邻组件之间可能会接触过紧，从而使升降方向摩擦力增大，甚至发生组件格架相挂，触发换料机提升机构超欠载保护动作，提升运动停止。

燃料组件就位于堆芯下栅格板高度值固定，AFA 3G（中国广核集团采用的法国阿海珐公司设计的燃料组件的型号）燃料组件各层格架尺寸见图6，可以根据上述信息建模。

图6 AFA 3G燃料组件各层格架尺寸

（1）定义参数

①组件A：运动组件；②组件B：相邻组件；③HAX：组件A第X层格架高度；④HBY：组件B第Y层格架高度；⑤HAX,BY：组件A第X层格架与组件B第Y层格架相挂高度；⑥堆芯组件就位编码器高度：HLR=8 865 mm（以大亚湾核电站为例）；⑦组件长度：HFUEL=4 062.7 mm；⑧组件上管座长度：HTN=90.2 mm；⑨组件下管座长度：HBN=61.5 mm；⑩格架长度：HGRID=48 mm。

（2）组件各格架相挂理论高度计算

卸料时组件向上运动，只会发生超载；装料时组件向下运动，只会发生欠载，且组件可能发生3种部件相挂：①A格架与B格架；②A下管座与B格架；③A下管座与B上管座。因此需要针对不同情况分别建立各个格架相挂理论高度的计算公式，具体如下：

卸料时（超载）：

HAX,BY=HLR+HAX-HBY+HGRID （1）

HA-BN,BY=HLR+HBN-HBY+HGRID/2 （2）

HA-BN,BY=HLR-HFUEL+HBN+HTN （3）

装料时（欠载）：

HAX,BY=HLR+HAX-HBY-HGRID （4）

HA-BN,BY=HLR-HBY+HGRID/2 （5）

HA-BN,BY=HLR-HFUEL （6）

（3）建立数据模型

根据上述信息建立组件在堆芯升降运动时各格架相挂理论高度的数据模型，表1和表2分别描述了燃料组件堆芯吊装超欠载理论高度数据表及运动情况。

表1 燃料组件堆芯吊装欠载理论高度 mm

组件		A.BN	A1	A2	A3	A4	A5	A6	A7	A8
		0	140.5	760.9	1 282.9	1 804.9	2 326.9	2 848.8	3 370.8	3 893.8
B.TN	4 062.7	4 802.3	4 918.8	5 539.2	6 061.2	6 583.2	7 105.2	7 627.1	8 149.1	8 672.1
B8	3 893.8	4 947.2	5 063.7	5 684.1	6 206.1	6 728.1	7 250.1	7 772.0	8 294.0	8 817.0
B7	3 370.8	5 470.2	5 586.7	6 207.1	6 729.1	7 251.1	7 773.1	8 295.0	8 817.0	—
B6	2 848.8	5 992.2	6 108.7	6 729.1	7 251.1	7 773.1	8 295.1	8 817.0	—	—
B5	2 326.9	6 514.1	6 630.6	7 251.0	7 773.0	8 295.0	8 817.0	—	—	—
B4	1 804.9	7 036.1	7 152.6	7 773.0	8 295.0	8 817.0	—	—	—	—
B3	1 282.9	7 558.1	7 674.6	8 295.0	8 817.0	—	—	—	—	—
B2	760.9	8 080.1	8 196.6	8 817.0	—	—	—	—	—	—
B1	140.5	8 700.6	8 817.0	—	—	—	—	—	—	—

注：TN为组件上管座；BN为组件下管座

表2 燃料组件堆芯吊装超载理论高度 mm

组件		A.BN	A1	A2	A3	A4	A5	A6	A7	A8
		61.5	140.5	760.9	1 282.9	1 804.9	2 326.9	2 848.8	3 370.8	3 893.8
B.TN	4 062.7	4 954.0	5 057.0	5677	6 199.4	6 721.4	7 243.4	7 765.3	8 287.3	8 810.3
B8	3 893.8	5 056.7	5 159.7	5 780.1	6 302.1	6 824.1	7 346.1	7 868.0	8 390.0	—
B7	3 370.8	5 579.7	5 682.7	6 303.1	6 825.1	7 347.1	7 869.1	8 391.0	—	—
B6	2 848.8	6 101.7	6 204.7	6 825.1	7 347.1	7 869.1	8 391.1	—	—	—
B5	2 326.9	6 623.6	6 726.6	7 347.0	7 869.0	8 391.0	—	—	—	—
B4	1 804.9	7 145.6	7 248.6	7 869.0	8 391.0	—	—	—	—	—
B3	1 282.9	7 667.6	7 770.6	8 391.0	—	—	—	—	—	—
B2	760.9	8 189.6	8 292.6	—	—	—	—	—	—	—
B1	140.5	8 810.1	—	—	—	—	—	—	—	—

2.3.4 组件格架相挂自动判断功能流程设计

由于组件各格架相挂理论高度已知，当超欠载发生时，InTouch用户应用程序从PLC读取提升机构编码器高度值，然后判断该高度是否在各格架相挂理论值范围内，以确定是否由格架相挂而引起超欠载保护动作。具体流程见图7。

图7 组件格架相挂判断流程图

2.4 界面开发

2.4.1 组件堆芯就位高度判断界面

当组件就位于堆芯下栅格板上之后，组件堆芯就位高度判断界面会显示出当前就位组件的抓取、释放位置和高度信息，并显示堆芯就位高度计算值与理论值的偏差。如果超出标准，则弹出“堆芯就位高度异常！请通知换料主管！”的提示信息。整个界面显示信息简单实用，异常信息采用红色字体，起到警告作用。

2.4.2 组件动态显示及超/欠载位置判断界面

组件动态显示及超/欠载位置判断界面主要根据燃料组件的实际尺寸在InTouch中制作等比模型，通过燃料组件在堆芯升/降时标高的变化进行实时动画模拟。当超欠载发生时，系统会根据当前标高判断格架是否相挂，并将相挂的格架采用红色闪烁显示，用于提醒操作人员，同时组件右侧会弹出组件超欠载报警信息及当前高度和重量信息。

2.5 数据记录

堆芯装卸料辅助监视系统会记录下每一步燃料组件堆芯就位信息和组件的超/欠载信息，数据存放在电脑硬盘Access数据库中，可随时调阅。

3 实践应用

堆芯装卸料辅助监视系统经过调试和不断的改进、优化，从岭澳核电站2号机组某电站第9次换料大修投用至今，取得了良好效果。所记录的组件释放标高最大偏差为1.6 mm（换料机主提升编码器精度为0.8 mm），提供了实时、动态、直观的组件相对位置显示，方便换料人员掌握燃料组件在堆芯的状态，提高了堆芯装卸料的安全性。

4 结束语

堆芯装卸料辅助监视系统在现场实际使用效果良好，为堆芯燃料装卸安全提供了强有力的保障；该系统还具有二次开发的空间，可以根据需要监视其他与燃料操作安全相关的重要数据，增加装卸料操作安全的冗余度。

参考文献

[1] 茹俊，任啟森．燃料组件机械设计验证报告[R]．成都：中国核动力研究设计院，2007．