核電廠控制棒失步的判斷方法(共6頁(yè))

1、核電廠控制棒失步的判斷方法作者：孫波來(lái)源：中小企業(yè)管理與科技·下旬刊2016年第02期        摘 要：本文介紹了控制棒驅(qū)動(dòng)原理，從控制棒棒位測(cè)量指示、控制棒驅(qū)動(dòng)電流、控制棒動(dòng)作麥克風(fēng)噪聲三個(gè)方面提出了控制棒失步的判斷方法。        關(guān)鍵詞：控制棒；失步；驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)；棒位測(cè)量系統(tǒng)；驅(qū)動(dòng)電流；噪聲        在核電廠，控制棒和硼濃度是反

2、應(yīng)性控制的兩大最重要手段。其中，硼濃度主要用于長(zhǎng)期、起效慢的反應(yīng)性控制；控制棒則用于短期、起效快的反應(yīng)性控制。由于控制棒控制系統(tǒng)是一個(gè)開環(huán)控制系統(tǒng)，因此在出現(xiàn)故障后如何判斷控制棒是否存在失步（不在指令要求的棒位）對(duì)于反應(yīng)堆的控制有著極為重要的意義。        1 控制棒控制原理        控制棒控制系統(tǒng)的主要功能是根據(jù)電網(wǎng)負(fù)荷的變化，相應(yīng)提升或插入控制棒調(diào)節(jié)堆芯的反應(yīng)性，從而控制堆芯溫度和核功率。一般來(lái)說(shuō)，除了運(yùn)行時(shí)為調(diào)節(jié)堆芯溫

3、度和功率以外，在反應(yīng)堆啟動(dòng)試驗(yàn)階段需要較多的提插控制棒。另外，為了驗(yàn)證控制棒的可用性，需要每月對(duì)近一個(gè)月內(nèi)沒(méi)有動(dòng)過(guò)的控制棒進(jìn)行手動(dòng)提插棒驗(yàn)證。        控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是一種步進(jìn)式的提升機(jī)構(gòu)，用來(lái)使控制棒組件在堆芯內(nèi)提起、插入或保持在適當(dāng)?shù)奈恢?，以?shí)現(xiàn)反應(yīng)性的控制。每個(gè)控制棒組件都由單獨(dú)的控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)驅(qū)動(dòng)。控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖1所示。它主要由銷爪組件、驅(qū)動(dòng)桿、壓力外殼、驅(qū)動(dòng)線圈等部分組成，其中三個(gè)驅(qū)動(dòng)線圈分別為夾持線圈、移動(dòng)線圈和提升線圈，兩個(gè)銷爪分別為夾持銷爪和移動(dòng)銷爪?？刂瓢襞c驅(qū)動(dòng)桿相連，銷爪通過(guò)鉤入

4、驅(qū)動(dòng)桿上的齒槽抓住驅(qū)動(dòng)桿，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)控制棒的提升、下插和保持。        三個(gè)線圈套在壓力外殼外面，線圈通電則壓力外殼內(nèi)的相應(yīng)銷爪鉤入控制棒驅(qū)動(dòng)桿上的齒槽中，夾住驅(qū)動(dòng)桿，線圈斷電則對(duì)應(yīng)的銷爪靠彈簧力松開驅(qū)動(dòng)桿。夾持銷爪位置是固定的，移動(dòng)銷爪則可由提升線圈通電產(chǎn)生的電磁力帶動(dòng)提升一步的距離。靜態(tài)時(shí)，僅夾持線圈通電，夾持銷爪保持控制棒的位置不下落。控制棒提升時(shí)，移動(dòng)線圈先通電，移動(dòng)銷爪鉤入驅(qū)動(dòng)桿中，然后夾持線圈斷電，夾持銷爪松開驅(qū)動(dòng)桿，提升線圈再通電，帶動(dòng)移動(dòng)銷爪連同驅(qū)動(dòng)桿上升一步，此后再轉(zhuǎn)換為夾持線圈通電移動(dòng)線圈斷

5、電，恢復(fù)到靜態(tài)?？刂瓢粝虏逡彩穷愃频倪^(guò)程，只是每個(gè)線圈通斷電的時(shí)序不同?？刂瓢艨刂葡到y(tǒng)接收來(lái)自主控的提升或下插的命令，產(chǎn)生送往三個(gè)線圈的電流，通過(guò)不同的電流時(shí)序組合，實(shí)現(xiàn)控制棒的提升和下插。        2 控制棒失步的后果        由于控制棒的位置與堆芯反應(yīng)性緊密相關(guān)，因此核電廠技術(shù)規(guī)范中對(duì)控制棒的位置有嚴(yán)格的要求。當(dāng)任意一束控制棒不在所要求的棒位時(shí)（通常稱之為控制棒失步），反應(yīng)堆必須在1小時(shí)內(nèi)向次臨界的蒸發(fā)器冷卻停堆模式后撤

6、。        如果失步步數(shù)較多，可能會(huì)觸發(fā)反應(yīng)堆中子通量保護(hù)，造成意外停堆。如果失步步數(shù)較少，也需要在1小時(shí)內(nèi)判斷出失步的控制棒并將其校正到要求的位置。        3 控制棒失步的判斷方法        由于控制棒控制系統(tǒng)是一個(gè)開環(huán)的系統(tǒng)，僅對(duì)輸出到三個(gè)線圈的電流有必要的監(jiān)測(cè)，對(duì)控制棒是否按照命令完成提升或下插是無(wú)法準(zhǔn)確判斷的。因此當(dāng)出現(xiàn)異常時(shí)，需要

7、一些方法來(lái)判斷控制棒是否失步及準(zhǔn)確的失步步數(shù)。        3.1 根據(jù)棒位指示判斷        控制棒棒位測(cè)量系統(tǒng)可以最直觀的指示控制棒所處的位置。每一束控制棒驅(qū)動(dòng)桿外都安裝有一個(gè)棒位探測(cè)器，探測(cè)器內(nèi)有一個(gè)通電的初級(jí)線圈及若干組不通電的次級(jí)線圈。棒位測(cè)量是根據(jù)電磁感應(yīng)原理，當(dāng)驅(qū)動(dòng)桿位于不同的高度時(shí)，由于變壓器的鐵芯效應(yīng)，在每組次級(jí)線圈中產(chǎn)生不同的感應(yīng)電壓，采集板件收集這些感應(yīng)電壓，編碼后轉(zhuǎn)換為控制棒的棒位指示。 

8、0;      控制棒的額定行程為225步，每步距離為15.875mm。由于棒位測(cè)量系統(tǒng)原理所限，其測(cè)量精度不高，每個(gè)棒位探測(cè)器包含5組次級(jí)線圈，因此可以產(chǎn)生個(gè)組合。225/32=7.03125，考慮上下端部擴(kuò)展，因此每個(gè)組合代表的棒位變化為8步，即棒位指示系統(tǒng)的最小分辨率為8步。        如果發(fā)生較多步數(shù)的失步，可以直接從棒位指示上看出來(lái)。如果僅僅發(fā)生一兩步的失步，可能無(wú)法直接從棒位指示上發(fā)現(xiàn)，此時(shí)就需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷。首先觀察懷疑失步的棒束與同組控

9、制棒的棒位指示是否一致（同組控制棒接受到的提插棒信號(hào)是相同的），然后可以小范圍的操作該組控制棒提升或下插幾步，觀察該組控制棒的測(cè)量棒位是否同步變化。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，同組控制棒的測(cè)量棒位變化應(yīng)該是同步的或者最多相差一步。如果當(dāng)時(shí)條件不允許提插棒，則可以直接測(cè)量棒位信號(hào)采集板件采集到的棒位探測(cè)器次級(jí)線圈感應(yīng)電壓，通過(guò)對(duì)比同組控制棒的信號(hào)電壓來(lái)判斷該組控制棒位置是否一致。一般來(lái)說(shuō)，如果一組控制棒在同一位置，信號(hào)電壓相差應(yīng)該很小。圖2為控制棒的一個(gè)次級(jí)線圈感應(yīng)電壓對(duì)應(yīng)不同棒位的變化關(guān)系。        3.2 根據(jù)控制棒驅(qū)動(dòng)電流

10、波形判斷        前面提到過(guò)，控制棒控制系統(tǒng)通過(guò)送往三個(gè)線圈的不同的電流時(shí)序組合，實(shí)現(xiàn)控制棒的提升和下插。因此，可以通過(guò)該電流正常與否來(lái)判斷控制棒是否存在失步。        如圖3是一束控制棒提升過(guò)程中發(fā)生電流異常，因而中斷時(shí)序，最終檢查發(fā)現(xiàn)滑落一步的電流波形。左半部分是前一個(gè)時(shí)序，完成正常提升一步，右半部分是故障波形。兩者對(duì)比可以看出，在故障時(shí)序中，移動(dòng)線圈電流在由零上升過(guò)程中沒(méi)有出現(xiàn)正常應(yīng)該出現(xiàn)的小凹槽，而這個(gè)凹槽代表移動(dòng)銷

11、爪鉤入驅(qū)動(dòng)桿。在延遲一段時(shí)間（約180ms）后，出現(xiàn)了不該出現(xiàn)的凹槽，代表此時(shí)移動(dòng)銷爪才鉤入驅(qū)動(dòng)桿。由于電流波形畸變較大，觸發(fā)了控制系統(tǒng)的報(bào)警，該提棒時(shí)序被中斷，造成該束控制棒相比同組其他控制棒實(shí)際少提了一步。        進(jìn)一步分析表明，移動(dòng)銷爪延遲鉤入驅(qū)動(dòng)桿的時(shí)間點(diǎn)與夾持線圈電流開始下降的時(shí)間點(diǎn)相差約120ms，這個(gè)時(shí)間與夾持銷爪釋放的時(shí)間基本吻合。因此可以推斷，夾持銷爪釋放后，控制棒由于重力下落，而先前由于某種原因未能鉤入驅(qū)動(dòng)桿的移動(dòng)銷爪在此時(shí)意外鉤入驅(qū)動(dòng)桿，阻止了控制棒下落過(guò)程。  &

12、#160;     3.3 根據(jù)控制棒動(dòng)作麥克風(fēng)噪聲判斷        在調(diào)試及每個(gè)大修啟動(dòng)階段，維修人員會(huì)在反應(yīng)堆頂部控制棒導(dǎo)向筒頂端安裝麥克風(fēng)，用來(lái)采集控制棒動(dòng)作期間因振動(dòng)而產(chǎn)生的噪聲信號(hào)。        如圖4，以提升一步為例，典型的麥克風(fēng)噪聲會(huì)出現(xiàn)7個(gè)波峰，分別代表移動(dòng)銷爪鉤入驅(qū)動(dòng)桿、夾持銷爪松開驅(qū)動(dòng)桿、負(fù)荷從夾持銷爪傳遞到移動(dòng)銷爪、提升磁極閉合（移動(dòng)銷爪帶著驅(qū)動(dòng)桿上升到位）、夾

13、持銷爪鉤入驅(qū)動(dòng)桿、移動(dòng)銷爪松開驅(qū)動(dòng)桿、提升磁極打開（移動(dòng)銷爪回落到位）。若其中任何一個(gè)波峰沒(méi)有出現(xiàn)則可能意味著相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)沒(méi)有動(dòng)作，可能帶來(lái)控制棒提升的失敗，進(jìn)而引起銷爪無(wú)法鉤入驅(qū)動(dòng)桿而失步。        比如在圖3中移動(dòng)線圈電流在上升過(guò)程中沒(méi)有小凹槽，代表移動(dòng)銷爪沒(méi)有鉤入驅(qū)動(dòng)桿，自然無(wú)法完成提棒。此外，還出現(xiàn)過(guò)最后一個(gè)波峰出現(xiàn)時(shí)間過(guò)晚，導(dǎo)致提棒失敗。最后一個(gè)波峰時(shí)間過(guò)晚表示提升線圈斷電后移動(dòng)銷爪回落到位過(guò)晚，如果還沒(méi)有回落到位而下一個(gè)提棒時(shí)序已經(jīng)開始，就無(wú)法完成提棒。   

14、60;    通過(guò)麥克風(fēng)噪聲判斷控制棒提插棒情況是最直觀的方法，不過(guò)該方法需要兩個(gè)條件：控制棒導(dǎo)向筒頂端安裝麥克風(fēng)；將麥克風(fēng)噪聲信號(hào)連同驅(qū)動(dòng)線圈電流信號(hào)接入錄波裝置。但是設(shè)計(jì)上系統(tǒng)并未預(yù)留這些配置，因此僅在每輪大修啟動(dòng)試驗(yàn)階段對(duì)部分控制棒組采集并分析這些信號(hào)。        4 控制棒失步的原因分析        每一次控制棒失步的故障表現(xiàn)均不一定相同，通過(guò)分析多起控制棒失步事件，可以歸納出以下幾

15、個(gè)原因：        控制系統(tǒng)故障，造成驅(qū)動(dòng)線圈電流異常。        銷爪動(dòng)作異常，夾持或移動(dòng)銷爪沒(méi)有鉤入或延遲鉤入驅(qū)動(dòng)桿。        移動(dòng)銷爪回落時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，與后一步造成干擾。        其中，僅第一個(gè)原因是源自于控制系統(tǒng)自身故障，也易于驗(yàn)證和排除。其余兩個(gè)原因均屬

16、于驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)機(jī)械方面的異常，往往是偶然出現(xiàn)一次后又消失，很難得到直接證據(jù)，只有通過(guò)驅(qū)動(dòng)線圈電流錄波和麥克風(fēng)噪聲錄波等手段推斷得到。根據(jù)國(guó)內(nèi)外核電廠相關(guān)故障檢查的反饋，這種偶然發(fā)生的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作異常往往與異物卡澀、溫度等因素相關(guān)。        5 結(jié)束語(yǔ)        通過(guò)棒位測(cè)量指示系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)線圈電流錄波、麥克風(fēng)噪聲錄波等手段均可以明確判斷出控制棒是否發(fā)生失步，但在實(shí)際故障處理時(shí)的難點(diǎn)在于如何快速判斷失步并定位故障點(diǎn)，此時(shí)就需要結(jié)合實(shí)際情況綜合考慮。一般是通過(guò)對(duì)比棒位測(cè)量指示快速判斷并消除故障，再分析錄波波形定位故障原因。        參考文獻(xiàn)：        1大亞灣核電站控制棒控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊(cè)（SDM）.