重水堆装卸料机仿真系统的开发与应用

张利东，刘 斌，蒋军建

（中核核电运行管理有限公司，浙江嘉兴 314300）

0 引言

CANDU 6 重水堆的一大特点是不停堆换料，装卸料机就是专门为实现这一特点而设计的。每个重水堆有两台装卸料机，分别位于反应堆两侧，它们通常一起工作、以完成燃料更换。换料过程包括新燃料装料、反应堆上换料、乏燃料更换与接收存贮等3 个部分。装卸料机换料期间包含重水和乏燃料，此外需要定期解体检修。装卸料机结构复杂、零件众多，主要由管嘴组件、分离器组件、料仓组件和推杆组件组成。装卸料机每个组件按照一定的顺序动作，才能完成拆卸和安装燃料通道密封塞、屏蔽塞，装卸燃料的动作。为了全面展示重水堆换料过程，应用虚拟仿真技术开发了本仿真系统，展示装卸料机结构、模拟换料工况和换料维修过程，达到良好的三维动态演示效果。

1 系统结构与方案设计

该三维仿真系统在结构上分为换料运行和换料维修两个部分，主要包括装卸料机、滑车、桥架、维修过程等。方案设计如下：

提供一种全景的换料演示，同时显示两侧的装卸料机。

（1）换料运行部分包括新燃料装料、屏蔽门的开关、反应堆上换料、乏燃料更换与接收存贮等运行演示，显示核岛厂房R-109、R-103、R-104、R-107、R-108、R-001 和服务厂房S-124 的相应环境及动作，每侧380 个燃料通道只显示一根。虚拟换料过程仿真系统应包括完整的装卸料过程中的动作演示，包括：密封塞和屏蔽塞的安装和拆除，导向套筒的安装和拆除，管嘴塞和推杆适配器的安装和拆除，堆上换料的动作的演示以及装卸料机内部各部件在做这些操作时的动作等；同时还包括换料过程中所有使用到的外部设备的动作模拟，如悬链、滑车、桥架、乏燃料传输及乏燃料池内设备等（图1）。

（2）换料检修部分包括管嘴拆装规程、分离器拆装规程、推杆拆装规程、料仓拆装规程、管嘴塞拆装规程、密封塞拆装规程、导向套筒拆装规程、钢带机构拆装规程。每一个规程包括步骤、各个零件的拆解和组装，演示的同时配有内容提示的FLASH。

2 系统的开发及特点

2.1 软件配置

该系统的运行环境为Windows XP 或Windows 2000，开发工具采用Visual C++6.0，系统数据库采用Oracle，建模工具采用Pro/E、Multigen_Creator 和3ds Max，系统图形处理软件采用Adobe Photoshop，RinVr 三维仿真支撑系统。

2.2 硬件配置

系统硬件运行环境包括2 台服务器、5 台专用客户机及公共的办公客户端计算机（图1）。

服务器拟采用图形工作站，支持立体显示，采用HP xw4600图形工作站，主要配置见表1。此硬件配置支持立体显示，只需外接单通道立体投影仪，对三维仿真系统进行适当的配置，就可实现立体显示效果。5 台专用客户端采用联想锋行X8030 C2Q Q66002048500 sGV（R），主要配置如表2 所示。

表1 服务器的主要配置

表2 客户端计算机的主要配置

2.3 系统特点

（1）虚拟逼真，具有很好的演示宣传效果。

（2）主次分明，能比较清楚地区分出各个零部件。

（3）整体组装图中能够对所有单个零部件进行选择操作，操作者能够随意显示、隐藏、透视、移除或安装设备中的某一个或几个零部件，以方便了解结构。

（4）可在虚拟场景内任意路线、任意角度观察设备内部和单个零部件的内部结构。

（5）有灵活的三维视点操作功能，能够对鼠标选取的区域俯视、平视、近视和远视。

（6）有较强大的交互操作能力，友好的操作界面，容易掌握。

3 系统的应用

仿真系统主要应用在换料运行、换料维修和技术管理方面，对换料系统的理解和培训提供了较好的帮助。

3.1 换料运行方面的应用

对于虚拟装卸料过程仿真系统，从新燃料装载、反应堆换料、乏燃料卸料3 个操作任务进行展示。

3.1.1 新燃料装载

新燃料装载分为人工新燃料装载、孔道处的新燃料装载、反应堆处新燃料装载（图2）。

图2 人工新燃料装载的设备和场景

（1）系统可以演示在人工将新燃料装载装入新燃料机中。在孔道处将新燃料机中装载到装卸料机中，然后装卸料机在移动到反应堆处通道处把新燃料装载进去。

（2）换料运行人员可以在办公室熟悉和了解R110 房间新燃料装载过程，观察新燃料新燃料机料仓管在装料过程中的动作以加深印象（图3）。

图3 新燃料装载料仓管的动作

（3）反应堆换料的任务通过指令与画面结合及局部的运动，让换料人员更加清楚了换料指令所代表的实际换料机动作，对故障的判断和异常工况的处理提供帮助（图4）。

图4 换料JOB 5-6 时的指令及换料机动作界面

3.1.2 乏燃料卸料

了解乏燃料处理过程，对于高放射性的卸料R-001 房间的卸料、传输及转运过程。图5 为乏燃料在升降斗中正在下降的界面，图6 为乏燃料下降到水下小车中准备运出反应堆厂房的工作界面，图7 为在辅助厂房S-124 房间乏燃料在水下操作的界面。

图5 乏燃料在升降斗中正在下降的界面

图6 乏燃料水下准备运出反应堆厂房的界面

图7 辅助厂房S-124 房间乏燃料在水下操作的界面

在3 个操作任务的换料过程的演示，通过隐藏功能去掉外部壳体，可以观察到平时无法看到的内部部件的运动，直观方便地将换料操作指令或步骤对应的装卸料机动作展示出来。一些最常见的换料操作如抱卡在燃料通道，拆掉管嘴塞，安装导向套筒，拆掉密封塞和屏蔽塞，推动燃料串等这些常见的动作见图8。

图8 安装导向套筒同时料仓转动

将装卸料机实际的动作结合起来，弥补了换料过程中装卸料机内部动作不可见的空白，不仅能够帮助初学者或参观者了解换料过程，同时也可以帮助运行人员了解换料指令的含义，对以后的操作和应急响应工作有所帮助。本系统也可用使换料运行人员的培训更加直观。

3.2 换料检修方面的应用

换料维修系统包括装卸料机管嘴塞解体检修、密封塞解体检修、装卸料推杆组件解体检修、管嘴组件解体检修、分离器组件解体检修、料仓组件解体检修、导向套筒及插入工具组件解体检修的过程仿真。各个组件均有不同程度的污染，通过维修过程的展示能够帮助熟悉维修程序，可以间接减少所受的剂量。以管嘴塞检修为例，维修规程的每一步显示在左边的栏目，通过将维修规程的每一步进行解说和展示，关键步骤还有FLASH 提醒，让维修人员在办公室尽量地掌握管嘴塞解体检修方法，减少现场受到辐射的剂量（图9）。

图9 管嘴塞解体检修演示

同时显示备件、工具和耗材，考虑维修场地的布置、专用工具的使用和人员的安排，帮助维修过程的优化和维修技能的提高。

3.3 换料技术方面的运用

3.3.1 结构浏览

本系统可以全面浏览装卸料机整体结构，并从不同角度进行观察（图10）。观察时还可以将不需要的推杆壳体隐藏，这样可以看到推杆内部的其他零件的位置和形状（图11）。此时还可以将某一部件选中后旋转观察，显示该部件的参数信息，如果和现有的系统连接，还可以调出图纸进行对比观察。

图10 装卸料机整体

图11 隐去推杆壳体的装卸料机

3.3.2 传动分析

对比于传统的部件图纸，本系统可以很直观明确地观察到设备的内部结构，如装卸料机L 推杆的传动链上所有的部件和作用。

经过隐藏的凸显涡轮/蜗杆/塞打螺栓的装卸料机L 推杆传动链，为L 推杆部件的受力分析提供了很直观的展示，从而为设计变更提供了帮助（图12）。

图12 装卸料机L 推杆传动链

3.3.3 与其他工程软件的兼容

对于系统模拟的设备以及工具，采用Pro/E 进行建模工作，根据设备零部件图纸，按照其准确尺寸建立零部件模型，再根据装配图对零部件进行组装，形成整个设备。零部件的建模文件可以直接应用于ANSYSY 软件中作进一步的分析。

4 结束语

本仿真系统实现了对重水堆装卸料机新燃料装载、反应堆换料、乏燃料卸料3 个操作任务以及管嘴塞解体检修、密封塞解体检修、装卸料推杆组件解体检修、管嘴组件解体检修、分离器组件解体检修、料仓组件解体检修、导向套筒及插入工具组件解体检修等的过程仿真。通过隐藏和透视功能从不同视角对换料过程进行演示，弥补了以往培训中无法看到的场景，帮助参观人员、换料运行、换料检修和换料技术人员熟悉系统设备的结构、运行指令和设备状态，为提高换料操作人员的技能，异常工况的响应能力、故障分析能力以及减少人因失误提供了有益的支持。