压水堆核电厂新燃料升降机起升机构优化设计

周洋　袁巍　战蓉洁

【摘 要】新燃料升降机是核电厂燃料操作与贮存系统的重要设备之一。其主要功能是配合辅助吊车与人桥吊车将新燃料组件运送到乏燃料水池底部进行贮存，还可运送可燃毒物组件存放架和乏燃料组件至指定高度进行清洁去污、检查及修复。新燃料升降机主要由起升机构、轨道、燃料舱和上部构件组成，其中起升机构作为驱动和承载部件对整机的可靠性及安全性至关重要。文章以“华龙一号”新燃料升降机为例，对其起升机构进行了优化设计，满足了单一故障保护要求，提高了燃料操作的安全性，对核电厂起重设备的设计具有一定的参考意义。

【关键词】核电厂;新燃料升降机;起升机构;优化设计;单一故障

中图分类号： TM623.91 文献标识码： A文章编号： 2095-2457（2019）01-0033-002

0 概述

新燃料升降机是核电厂燃料操作与贮存系统的重要设备之一，是装卸料工艺链不可缺少的重要环节，同时作为和人桥吊车等其他设备协同工作的设备，新燃料升降机的运行效率和安全性至关重要。

“华龙一号”核电厂新燃料升降机安装在燃料厂房乏燃料水池池壁上，起升机构安装在+16.15m的操作平台上，其工艺布置如图1所示。

1-新燃料升降机 2-乏燃料贮存格架（区域1） 3-破损燃料组件贮存小室 4-离线啜吸检测装置  5-乏燃料贮存格架（区域2）

1 运行模式及工艺要求

新燃料升降机有三种运行模式：正常模式、修复模式、检查模式。不同的模式执行不同的功能，具有不同的工艺要求。

在正常模式下，新燃料升降机的主要功能是将新燃料组件运送至乏燃料水池池底进行贮存。新燃料组件完成拆包检查后，由辅助吊车操作新燃料组件抓具将新燃料组件放入升降机燃料舱中（此时燃料舱处于高位），升降机起升机构将燃料舱降至池底，等待人桥吊车操作乏燃料组件抓具将新燃料组件从燃料舱取出，并转运至贮存格架中，此为一次完整操作流程。在正常模式下，起升机构只允许带载下降、限制带载上升，防止影响下一次循环操作，还需要与人桥吊车设置联锁信号以免发生碰撞，只有当燃料舱处于低位时人桥吊车才能运行至升降机上方区域。正常模式下，升降机的辅助功能是对可燃毒物组件存放架进行去污。人桥吊车将可燃毒物组件存放架放入燃料舱中，由低位升至高位，进行去污并取出。

在修复模式下，新燃料升降机的功能是对带有可拆卸头部的乏燃料组件进行修复。燃料舱可带乏燃料组件上升至指定高度处（满足屏蔽水层厚度）停止，要求全程低速运行。

在检查模式下，可将装有摄像系统的燃料舱在全行程内慢速提升或下降，以便对乏燃料组件进行外观检查。

2 整体结构设计优化

新燃料升降机起升机构的设计应满足相关法规及标准要求[1-2]。

根据升降机的使用功能及工艺设计，起升机构由伺服电动机、减速器、运行制动器、安全制动器、双钢丝绳、载荷传感器、限位开关、超载超速保护装置等机构组成。

升机构布置在乏燃料水池上方标高+16.15m处的操作平台上，受制于乏燃料水池吊车的结构尺寸、乏燃料水池水面的标高、乏燃料水池池壁允许开槽的深度，布置空间尺寸约为1700mm×630mm×550mm。

不同于常用的直线型传动方式，该起升机构采用平行轴-斜齿轮减速电机布置形式，如图2。这种布置形式结构紧凑，既满足布置空间大小又能实现减速器双出轴。

3 单一故障保护设计[3-5]

单一故障是指导致某一部件（设备）不能执行其预定安全功能的一种故障，以及由此引起的各种继发故障。单一故障准则是指在单一故障情況下，部件（设备）、系统、核动力厂不能丧失预计安全功能。HAF102之5.3.2规定：必须对核动力厂设计中所包括的每个安全组合都应用单一故障准则。对于吊车起升机构，是指在发生断电、安全停堆地震（SSE）、零部件故障时，保证吊车安全功能，即不能发生临界载荷坠落事故。

3.1 起升驱动系统

起升驱动系统是起升机构最核心的部件，由电机、减速器、钢丝绳卷筒、制动器组成，按单一故障保护设计，具体布置如图3所示。该起升驱动系统具有两个制动器，分别为工作制动器和安全制动器，工作制动器位于高速轴电机内部，安全制动器位于低速轴卷筒尾部。两个制动器的选择，均能满足全部载荷作用的原则。正常情况下，当按下停止按钮后，工作制动器动作保持住载荷，当工作制动器失效或系统断电的情况下，安全制动器动作直接刹住卷筒防止载荷跌落，确保了制动环节的安全性。

起升机构卷筒设置两根钢丝绳，一端固定在卷筒上，另一端固定在燃料舱上，每根钢丝绳的承载能力都以最大起升载荷进行设计，当一根钢丝绳发生断裂时，另一根钢丝绳仍能保持住载荷并平稳下降。

起升机构允许手动操作，电机尾部出轴可连接手轮，正常通电情况下，手轮存放于装有传感器的手轮架上。当将手轮从手轮架上拿起时，传感器进行手动电动联锁保护，电机无法运行。

3.2 速度测量装置

起升机构采用的是伺服电动机，其电机内部自带的编码器可实时进行速度反馈，帮助电机完成速度调节，从而形成了闭环控制。由于升降机操作的是燃料组件，对平稳性和安全性提出了更高的要求，绝对不能发生超速或速度突变的情况。因此，在低速轴卷筒轴尾部连接一个绝对值编码器，作为速度冗余测量，如图3所示。电动机与卷筒速度对比监控，提高了整个系统运行的平稳性与安全性。

3.3 行程保护

起升机构在三种工作模式下，共用到5个位置点，分别为：上极限位置、下极限位置、上慢速区、下慢速区和中间位置。这五个位置点的停靠由绝对值编码器和凸轮限位开关共同控制完成。绝对值编码器用来测量起升高度，在控制柜上实时显示高度位置，将信号传送到PLC中。凸轮限位开关预设起停、减速和中间点作为冗余保护。

另外，在修复模式下，起升机构操作乏燃料组件停在水下指定高度（满足屏蔽水层厚度），一旦行程控制失败或人为误操作导致屏蔽水层厚度不够甚至乏燃料组件露出水面，将会产生辐射泄漏，后果非常严重。因此，除以上行程保护装置外，还设置了两个γ探测器，直接探测水下剂量。一旦探测剂量达到预设值，将报警停机，充分保障人员和设备安全。

4 结论

新燃料升降机是核电厂燃料操作与贮存系统的主要设备之一，是新燃料运输与乏燃料检查修复的重要载体。本文从工艺要求出发，结合厂房布置特点，对”华龙一号”新燃料升降机起升机构进行了优化设计。该起升机构结构紧凑，功能完善，满足单一故障保护要求，确保新燃料升降机的工艺要求和安全功能的实现。

本起升机构的结构型式及安全保护装置充分保障了燃料组件运输的可靠性和安全性，可用于核电厂其它燃料操作设备的设计参考。

【参考文献】

[1]GB/T3811-2008起重机设计规范[S].

[2]NB/T20234-2013核电厂专用起重机设计准则[S].

[3]李贺龙.起升机构单一故障保护的实现[J].装备制造技术，2014，8：282-284.

[4]沈艳祥.核电厂满足单一故障准则起升机构设计特点分析[J].科技视界，2016，9：126-127.

[5]顾翠云.核电站环行起重机单一故障保护起升机构[J].起重运输机械，2012，4：80-82.