一种三代核电机组中燃料组件受力实时保护装置及方法
阅读说明：本技术 一种三代核电机组中燃料组件受力实时保护装置及方法 (Real-time stress protection device and method for fuel assembly in third-generation nuclear power unit ) 是由 邢继 李均 张鹏 袁巍 袁昕 于 2021-05-18 设计创作，主要内容包括：本发明属于核电技术运行保护技术领域,具体涉及一种三代核电机组中燃料组件受力实时保护装置及方法。本装置包括机械结构和控制结构；本装置的机械结构安装在装卸料机起升机构的钢丝绳上,包括卷筒、定滑轮组、载荷传感器、平衡梁、平衡重、伸缩套筒、抓具、平衡重限位装置；本装置的控制结构包括PLC控制器、第一组双继电器、安全继电器、第二组双继电器、紧急制动器、电机驱动器、电机制动器。本发明所提供的燃料组件受力实时保护装置可以不受核电机组厂房布置限制,能够有效保护在装卸料机上操作的燃料组件不受到超过允许载荷的力。该保护系统的平衡重重量可以根据需要调节,配合电控设置,能够将保护载荷设定为合理值。(The invention belongs to the technical field of nuclear power technology operation protection, and particularly relates to a device and a method for protecting stress of a fuel assembly in a third-generation nuclear power unit in real time. The device comprises a mechanical structure and a control structure; the mechanical structure of the device is arranged on a steel wire rope of a lifting mechanism of a loading and unloading machine and comprises a winding drum, a fixed pulley block, a load sensor, a balance beam, a balance weight, a telescopic sleeve, a gripping apparatus and a balance weight limiting device; the control structure of the device comprises a PLC controller, a first group of double relays, a safety relay, a second group of double relays, an emergency brake, a motor driver and a motor brake. The real-time stress protection device for the fuel assembly provided by the invention can be free from the limitation of nuclear power generating unit plant layout, and can effectively protect the fuel assembly operated on the loading and unloading machine from the force exceeding the allowable load. The weight of the counterweight of the protection system can be adjusted according to needs, and the protection load can be set to a reasonable value by matching with electric control setting.)
技术领域
本发明属于核电技术运行保护技术领域，具体涉及一种三代核电机组中燃料组件受力实时保护装置及方法。
背景技术
华龙一号是满足三代核电技术标准的先进核电厂，相对于原来二代或二代加核电厂，华龙一号的一项重大技术改进是设置了功能进一步优化、安全性进一步提高的燃料组件受力实时保护装置。
燃料组件是由锆外壳包裹的一种反应堆用的核燃料。其结构形式为细长杆结构，因此在轴向方向上只能承载有限的载荷。如载荷过大会破坏燃料组件的外壳结构或导致燃料组件的弯曲，燃料组件将无法使用。
在燃料组件转运过程中，操作设备可能会因为设备故障或误操作导致燃料组件受到意外的载荷。在这个时候，如不设置一套实时监控和保护的设备，就会导致燃料组件受到过大的外力。
华龙一号核电站中使用的装卸料机是转运燃料组件的设备，该设备是核电站中燃料操作过程中必可少的环节。由于装卸料机结构的原因，其起升机构上自带设备重量大大超过了燃料组件轴向允许的规定值。为保证在操作过程中，燃料组件轴向方向受到的力始终小于允许值，需要在起升结构的传动链环上加入平衡重，用于保护燃料组件。
在核电设计和工程建设领域，实现燃料组件转运过程安全保护的技术方案主要有以下两个解决方案：
第一种解决方案是通过减少燃料组件转运装置自身重量，使吊装工具的自重始终小于燃料组件允许值。这种结构要求燃料在堆芯和转运位置的操作点标高相近，不需要很长的吊具就可以实现燃料组件的转运。这种技术方案与厂方布置和操作标高有关，一旦工艺要求确定，就可以直接判定是否可以采用减少自身重量方案。这种方案实现最为简单，但是必须要求厂房布置能够满足要求才可以实施。在以华龙一号为代表的三代核电机组中，由于核电机组厂房布置需要综合考虑包括安全性和经济性在内的多重因素，因此无法专门设置满足燃料组件装卸料机受力实时保护装置上述要求的厂房布置方案。
第二种解决方案是在装卸料机起升机构下部安装弹簧，确保支承力始终能够平衡掉吊装工具的部分自重。这种结构需要在起升机构下部设置数个弹簧组，用于支承起升机构，当吊装工具下落到燃料组件上部时，弹簧就可以平衡一部分吊装工具的自重。这种结构要求在弹簧下部设置载荷传感器，用于检测载荷的变化。该结构主要集中在起升机构下部，但是由于几组弹簧变形量不一致，会导致起升机构不能完全保持水平，为保持水平还需要设置一个平衡机构。过多的结构和部件会影响整个装置的可用性和可靠性，也不满足以华龙一号为代表的三代核电机组对燃料组件装卸料机受力实时保护的响应速度的要求。
因此，亟需研制一种在以华龙一号为代表的三代核电机组中的燃料组件受力实时保护装置及方法，从而实时保护燃料组件避免外力的施加，既可以完成在燃料组件升降过程中由于干涉造成的超载或欠载的保护，也可以避免操作设备自身的重量超过燃料组件的允许受力值，进而增强装卸料机的安全性。
发明内容
本发明的目的是提供一种三代核电机组中燃料组件受力实时保护装置及方法，从而有效保护在装卸料机上操作的燃料组件不受到超过允许载荷的力。
为达到上述目的，本发明所采取的技术方案为：
一种三代核电机组中燃料组件受力实时保护装置，本装置包括机械结构和控制结构；
本装置的机械结构安装在装卸料机起升机构的钢丝绳上，包括卷筒、定滑轮组、载荷传感器、平衡梁、平衡重、伸缩套筒、抓具、平衡重限位装置；
本装置的控制结构包括PLC控制器、第一组双继电器、安全继电器、第二组双继电器、紧急制动器、电机驱动器、电机制动器；
通过伸缩套筒和抓具对燃料组件进行操作；
本装置的自有部件包括抓具、伸缩套筒；
平衡重、卷筒、钢丝绳、定滑轮组及与所吊运其他自有部件构成动滑轮系统；
通过固定端设备支架将定滑轮组安装在动滑轮系统的固定端位置，在固定端设备支架上设置载荷传感器，用于监测主起升载荷的变化；
通过定滑轮组将平衡重引到需要的位置上；
通过平衡重控制钢丝绳始终处于张紧状态；
当平衡重触发平衡重限位装置时，卷筒停止运行，从而保护燃料组件所受的力不超过允许值；
安全继电器在接收到控制信号后，通过冗余设计控制第一组双继电器、第二组双继电器同时断开安全制动器与紧急制动器电源，同时安全继电器发出安全停止信号给电机驱动器，电机驱动器执行安全停止功能，控制电机制动器抱闸；
PLC控制器在接收到控制信号后，分别通过两组输出模块断开安全制动器与紧急制动器电源，同时发出停止指令给电机驱动器，控制电机制动器抱闸。
进一步的，如上所述的一种三代核电机组中燃料组件受力实时保护装置，其中：PLC控制器、第一组双继电器、安全继电器、第二组双继电器、电机驱动器安装在控制柜中，通过电信号进行控制操作；安全制动器、紧急制动器、电机制动器安装在起升机构上，作用在卷筒上。
进一步的，如上所述的一种三代核电机组中燃料组件受力实时保护装置，其中：钢丝绳为平行双绳结构；平衡梁为三角形结构，其两个角分别和钢丝绳的平行双绳连接，另一个角和平衡重连接。
进一步的，如上所述的一种三代核电机组中燃料组件受力实时保护装置，其中：平衡重限位装置的功能是监测平衡重的位置，当平衡重达到设定位置时触发平衡重限位装置，平衡重限位装置发出两路信号给第一条联锁回路的安全继电器和第二条联锁回路数字化PLC控制器。
一种三代核电机组中燃料组件受力实时保护方法，采用如上所述的一种三代核电机组中燃料组件受力实时保护装置，包括以下步骤：
步骤一：在控制结构正常工作的情况下，通过控制结构中的电机驱动器驱动起升机构运行，通过载荷传感器实时监测主起升载荷并与设定值比较，判断施加在燃料组件上的载荷是否超过设定值；
步骤二：当燃料组件下降到停放位置时，伸缩套筒和抓具的重量施加在燃料组件的上面，当载荷传感器实时监测主起升载荷达到设定值时，执行第一停止过程，PLC控制器控制分别通过两组输出模块断开安全制动器与紧急制动器电源，同时发出停止指令给电机驱动器，控制电机制动器抱闸，停止起升机构的运动；
步骤三：第一停止过程失效的情况下，执行第二停止过程，平衡重参与实际载荷控制，通过平衡重的自身重量，控制伸缩套筒和抓具的重量不全部施加在燃料组件上；
步骤四：第一停止过程和第二停止过程同时失效的情况下，平衡重继续下降，至平衡重触发平衡重限位装置，执行第三停止过程，平衡重限位装置同时发出两路信号给第一条联锁回路的安全继电器和第二条联锁回路数字化PLC控制器来停止起升机构的运动。
进一步的，如上所述的一种三代核电机组中燃料组件受力实时保护方法，步骤一中，在燃料组件下降过程中，当载荷传感器实时监测施加在燃料组件上的主起升载荷大于设定值时，平衡重不参与主起升载荷控制。
进一步的，如上所述的一种三代核电机组中燃料组件受力实时保护方法，步骤四中，第一条联锁回路，通过安全继电器完成；安全继电器在接收到平衡重限位装置发送的信号后，通过冗余设计控制第一组双继电器、第二组双继电器同时断开安全制动器与紧急制动器电源，同时安全继电器发出安全停止信号给电机驱动器，电机驱动器执行安全停止功能，控制电机制动器抱闸。
进一步的，如上所述的一种三代核电机组中燃料组件受力实时保护方法，步骤四中，第二条联锁回路，通过PLC控制器完成；PLC控制器在接收到平衡重限位装置发送的信号后，分别通过两组输出模块断开安全制动器与紧急制动器电源，同时发出停止指令给电机驱动器，控制电机制动器抱闸。
本发明所提供的燃料组件受力实时保护装置可以不受核电机组厂房布置限制，能够有效保护在装卸料机上操作的燃料组件不受到超过允许载荷的力。该保护系统的平衡重重量可以根据需要调节，配合电控设置，能够将保护载荷设定为合理值。
其他有益效果还包括：
1)结构简单可靠，因平衡重与载荷串联在一起，结构上反应速度快。
2)控制上通过载荷传感器实时监测载荷的变化，采取双路控制平衡重限位的动作，控制可靠。
附图说明
图1为三代核电机组中燃料组件受力实时保护装置机械结构示意图；
图2为三代核电机组中燃料组件受力实时保护装置控制结构示意图。
图中：卷筒(1)、钢丝绳(2)、定滑轮组(3)、载荷传感器(4)、平衡梁(5)、平衡重(6)、伸缩套筒(7)、抓具(8)、燃料组件(9)、平衡重限位装置(10)、PLC控制器(11)、第一组双继电器(12)、安全继电器(13)、安全制动器(14)、第二组双继电器(15)、紧急制动器(16)、电机驱动器(17)、电机制动器(18)。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
本发明一种三代核电机组中燃料组件受力实时保护装置，本装置包括机械结构和控制结构；
如图1所示，本装置的机械结构安装在装卸料机起升机构的钢丝绳2上，包括卷筒1、定滑轮组3、载荷传感器4、平衡梁5、平衡重6、伸缩套筒7、抓具8、平衡重限位装置10；
本装置的控制结构包括PLC控制器11、第一组双继电器12、安全继电器13、第二组双继电器15、紧急制动器16、电机驱动器17、电机制动器18；
通过伸缩套筒7和抓具8对燃料组件9进行操作；
本装置所吊运自有部件包括抓具8、伸缩套筒7；
平衡重6、卷筒1、钢丝绳2、定滑轮组3及与所吊运自有部件构成动滑轮系统；
在动滑轮系统中，因平衡重6与所吊运自有部件串联在一起，结构上反应速度快。
通过固定端设备支架将定滑轮组3安装在动滑轮系统的固定端位置，在固定端设备支架上设置载荷传感器4，用于监测主起升载荷的变化；
通过定滑轮组3将平衡重6引到需要的位置上；
通过平衡重6控制钢丝绳2始终处于张紧状态；
当平衡重6触发平衡重限位装置10时，卷筒1停止运行，从而保护燃料组件9所受的力不超过允许值；
安全继电器13在接收到控制信号后，通过冗余设计控制第一组双继电器12、第二组双继电器15同时断开安全制动器14与紧急制动器16电源，同时安全继电器13发出安全停止信号给电机驱动器17，电机驱动器17执行安全停止功能，控制电机制动器18抱闸；
PLC控制器11在接收到控制信号后，分别通过两组输出模块断开安全制动器14与紧急制动器16电源，同时发出停止指令给电机驱动器17，控制电机制动器18抱闸。
在本实施例中，PLC控制器11、第一组双继电器12、安全继电器13、第二组双继电器15、电机驱动器17安装在控制柜中，通过电信号进行控制操作；安全制动器14、紧急制动器16、电机制动器18安装在起升机构上，作用在卷筒1上；钢丝绳2为平行双绳结构；平衡梁5为三角形结构，其两个角分别和钢丝绳2的平行双绳连接，另一个角和平衡重6连接；平衡重限位装置10的功能是监测平衡重6的位置，当平衡重6达到设定位置时触发平衡重限位装置10，平衡重限位装置10发出两路信号给第一条联锁回路的安全继电器13和第二条联锁回路数字化PLC控制器11。
一种三代核电机组中燃料组件受力实时保护方法，采用如上所述的一种三代核电机组中燃料组件受力实时保护装置，包括以下步骤：
步骤一：在控制结构正常工作的情况下，通过控制结构中的电机驱动器11驱动起升机构运行，通过载荷传感器4实时监测主起升载荷并与设定值比较，判断施加在燃料组件9上的载荷是否超过设定值；
在燃料组件9下降过程中，当载荷传感器4实时监测施加在燃料组件9上的主起升载荷大于设定值时，平衡重6不参与主起升载荷控制。
步骤二：当燃料组件9下降到停放位置时，伸缩套筒7和抓具8的重量施加在燃料组件9的上面，当载荷传感器4实时监测主起升载荷达到设定值时，执行第一停止过程，PLC控制器11控制分别通过两组输出模块断开安全制动器14与紧急制动器16电源，同时发出停止指令给电机驱动器17，控制电机制动器18抱闸，停止起升机构的运动；
步骤三：第一停止过程失效的情况下，执行第二停止过程，平衡重6参与实际载荷控制，通过平衡重6的自身重量，控制伸缩套筒7和抓具8的重量不全部施加在燃料组件9上；
步骤四：第一停止过程和第二停止过程同时失效的情况下，平衡重6继续下降，至平衡重6触发平衡重限位装置10，执行第三停止过程，平衡重限位装置10同时发出两路信号给第一条联锁回路的安全继电器13和第二条联锁回路数字化PLC控制器11来停止起升机构的运动。
第一条联锁回路，通过安全继电器13完成；安全继电器13在接收到平衡重限位装置10发送的信号后，通过冗余设计控制第一组双继电器12、第二组双继电器15同时断开安全制动器14与紧急制动器16电源，同时安全继电器13发出安全停止信号给电机驱动器17，电机驱动器17执行安全停止功能，控制电机制动器18抱闸。
第二条联锁回路，通过PLC控制器11完成；PLC控制器11在接收到平衡重限位装置10发送的信号后，分别通过两组输出模块断开安全制动器14与紧急制动器16电源，同时发出停止指令给电机驱动器17，控制电机制动器18抱闸。
通过上述方法中采取双路控制平衡重限位的动作，可以进一步提高装置的控制可靠性。
本发明所提供的燃料组件受力实时保护装置可以不受核电机组厂房布置限制，能够有效保护在装卸料机上操作的燃料组件不受到超过允许载荷的力。而且平衡重重量可以根据需要调节，配合控制结构的设置，能够将保护载荷设定为合理值。
本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。需要注意的是，上述具体实施例仅仅是示例性的，在本发明的上述教导下，本领域技术人员可以在上述实施例的基础上进行各种改进和变形，而这些改进或者变形均落在本发明的保护范围内。本领域技术人员应该明白，上面的具体描述只是为了解释本发明的目的，并非用于限制本发明。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。
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