田湾核电站换料机工作速度和流程优化改进

郑海全

【摘 要】在田湾核电站过渡到长周期换料的过程中，堆芯中逐年使用新型燃料组件替换旧型燃料组件，由于新型燃料组件结构的变化，设计中允许以更高的速度进行装卸。为配合田湾核电站长周期换料新型燃料组件的投用，田湾核电站根据燃料组件类型、换料模式的不同，对换料机装卸料过程中的工作速度、工艺流程进行优化改进，以提高装卸料的速度并使运输工艺更加趋于合理；同时对优化的效果进行核算，计算出每一步优化所带来的时间节省。优化的主要任务有：根据反应堆中燃料组件的布置特点以更高的速度抽出/装入燃料组件、在反应堆内转运燃料组件时采用新的运输位置、摄像杆的旋转包括过运输廊道的角度选择、三机构同时动作的实现。将以上这些优化融合到各个工艺循环中将产生多种逻辑算法，同时兼顾原有的安全闭锁保护，从而在保障安全可靠的基础上，实现最优化。

【关键词】换料机；速度；工艺；优化

【Abstract】In the process of transition to refueling for a long period of time in Tianwan Nuclear Power Station， new type of fuel assemblies are replaced with the old type fuel assemblies in the core year by year， due to the changes of new fuel assembly structure， loading and unloading is allowed at a higher speed. To cope with new type of fuel assemblies putting-in-service proactively， the working speed， process is optimized base on the types of refueling mode， and fuel assembly on refueling machine， in order to improve the speed of handling and tend to be more reasonable for the transport process. Accounting for the optimized result， every step the time saved is calculated. Main tasks： Unloading or loading fuel assembly at a higher speed according to the layout characteristics of reactor fuel assembly， adopting the new transport position when fuel assembly is transported to reactor， camera rod rotating optimization includes the choice of the angle through the corridor， three machinery action at the same time. incorporating these optimization into the various operating cycle will produce a wide variety of logic algorithm， in the meantime， using of the original locking protection and increasing the new locking protection as needed must be considered to achieve optimization safely and reliably.

【Key words】Refueling machine； Running speed； Technological process； Optimization

1 换料机

田湾核电站换料机为俄罗斯生产的МПС-В-428型换料机，具有多功能、全自动化且可实现远程控制的特点，主要进行在堆芯区域、冷却水池区域内进行燃料组件和控制棒组件的装卸、配插及其它相关操作。

2 换料机优化目标

在田湾核电站历次换料大修中，换料机的控制系统有一些可以优化的空间。以长周期换料为契机，在确保换料机可靠运行和相关燃料组件操作安全系数不降低的情况下，针对控制系统，对换料过程工作速度和工艺流程进行优化，缩短每一步燃料组件的操作时间，达到优化工期的目标。

对换料机速度、流程的优化主要可以从以下几个方面实现：

2.1 提高换料机提升/下降速度

单个燃料组件：对于旁边无其它组件或堆芯围板的燃料组件装卸，垂直速度由0.6m/min提高到6m/min；

围板旁独立组件：对于旁边仅有堆芯围板的燃料组件装卸，垂直速度由0.6m/min提高到4m/min；

非独立组件：对于旁边有其它组件的燃料组件装卸，垂直速度由0.6m/min提高到1.2m/min。

2.2 降低工作杆运输位置

高运输位置（有组件）：工作杆上燃料组件下管座高于工作杆外层端部80mm距离时的位置；

高运输位置（无组件）：燃料组件抓具端部高于工作杆外层端部80mm距离时的位置；

低运输位置（有组件）：工作杆上燃料组件下管座高于堆芯燃料组件上管座不小于200mm距离时的位置；

低运输位置（无组件）：燃料组件抓具端部高于堆芯燃料组件上管座不小于200mm距离时的位置。

2.3 换料机行走路线

换料机在子区（Z1/Z2/Z3）的行走。

换料机通过运输廊道的行走。

2.4 计算机软件和通讯模块硬件的升级

将现有的系统接口软件由TenoreNT（Symphony）更换成目前广泛使用的PGP（Symphony Plus）；升级网络处理器和网络通讯的接口模块。

3 堆内倒料情况下引入低运输位置的时间分析

3.1 堆内换料机水平移动

堆芯区域（Z3区）分为六个扇区，在这些扇区中进行换料，理论上换料机的所有移动都准确地在每一扇区重复。以一次大修装卸料计划为例来统计换料机水平移动的距离。

不带燃料组件的换料机移动矢量的最长位移是1632mm，带有燃料组件的最长位移是1057mm。

由于使用工作杆的低运输位置而降低水平移动速度，导致长距离的移动时间大大增加，而短距离的移动时间则没有变化。

3.2 堆芯区域换料机垂直移动

不带燃料组件：引入工作杆低运输位置垂直移动节省时间：99.5s。

带TBC-2M组件：引入低运输位置垂直移动节省时间：62s。

由分析可知：引入低运输位置实质性的节省了工作杆的垂直移动时间。

4 全进全出换料情况下引入高速度的分析

4.1 换料机堆芯垂直移动分析

4.1.1 计算堆芯燃料组件卸料时的垂直移动时间

一般情况下“反应堆全进全出卸料”的分布方案：单个的、堆芯围板旁独立的、非独立的。

分析可知：堆芯燃料组件全部卸出时，37个是单个的，18个是堆芯围板旁独立的，其余108个是非独立的。

燃料组件从堆芯全部卸出的时间计算：按现有算法计算所有燃料组件在堆芯的抽出时间：25.17h。

按优化算法计算所有燃料组件（TBC-2M）在堆芯的抽出时间：12.80h。

4.1.2 计算堆芯燃料组件装料时的垂直移动时间

一般情况下“反应堆全进全出装料”的分布方案：单个的、堆芯围板旁独立的、非独立的。分析可知：堆芯燃料组件全部装载时，42个是单个的，12个是堆芯围板旁独立的，其余109个是非独立的。

垂直移动采用优化速度可使TBC-2M组件的换料时间节省24.73小时。

5 乏燃料水池TBC-2M引入高速度的分析

在冷却水池格架内垂直移动燃料组件时，现在速度为2m/min，操作的组件类型为TBC-2M时，将此速度提高到4m/min。

堆内倒料时一般有48组燃料组件进行更换，节省时间为：1.47h。

全进全出时需要对163组燃料组件进行操作，节省时间为：4.98h。

6 堆芯区域TBC-2M引入高速度的分析

在堆芯区域组件高度范围垂直移动燃料组件时，现在速度为0.6m/min，操作的组件类型为TBC-2M时，将此速度提高到1.2m/min。

所以，TBC-2M组件在堆芯卸出、倒换、安装的过程中，每个提升或下降过程的节省时间均为：217s。堆内倒料时节省时间为：19.65h。

7 其它工艺流程优化的分析

1）取消换料机水平移动、垂直移动期间的间歇

堆内倒换每个循环节省约30s，卸出组件每个循环节省约60s。

2）优化换料机大车、小车的速度曲线

堆内倒换每个循环节省约30s，卸出组件每个循环节省约90s。

3）优化摄像杆的转动

在大车/小车水平动作或工作杆/摄像杆升降动作的同时完成摄像杆的旋转动作。共减少4次摄像杆旋转的时间（旋转实线）。摄像杆的转速约为0.6转/分，假设平均每次旋转角度为90°，则每个循环节省的时间：100s。

8 小结

对换料机工作速度、工艺流程优化后，节省大修核燃料换料的时间合计约1.6-2.1天，占换料总时间的30%以上。由于在大修中整个卸料、装料时间都是占用关键路径的，换料速度和流程的优化也将直接导致大修工期的缩短、经济效益的增加。

9 安全可靠性保障

在提高换料速度的同时，通过以下措施保障安全：

1）总体结构未变：由于换料机的优化改进不涉及到机械、电气的总体结构，仅进行控制模件、软件的升级，增加了系统的反馈速度，这样就使得换料机的总体安全可靠性得到保证。

2）符合技术规范：所有优化事项符合燃料组件的技术要求，并经过反应堆装置和核燃料设计单位（俄罗斯水压机设计院）的评价和认可；新型燃料组件（TBC-2M）的结构保证其速度可以进一步提高，并且此速度的提高已在俄罗斯核电站得到验证。

3）安全功能不改变：所有的优化都是基于对现有换料机执行装卸料操作的工艺逻辑的修改，保留现有的逻辑控制上2取1，保留现有的安全闭锁和保护，并根据优化补充相应的闭锁保护。

4）操作员熟悉系统：为尽可能排除操作过程中的人因失误，保留现有系统的操作界面，使操作员易于掌握新系统。

10 结论

综上所述，在保证换料机可靠性、核燃料组件安全性的同时，对换料机工作速度和流程的优化改进是可以得到实现和保障的，优化改进对换料工期的缩短也是明显的。

[责任编辑：杨玉洁]