摘要：燃料抓取机作为AP1000核电站装换料系统的一个重要设备，在装换料的过程中起到了关键的作用。它主要负责辅助厂房侧的核燃料组件及相关工具的运输工作。在核燃料的运输过程中，必须确保核燃料组件的绝对安全，这就要求燃料抓取机必须能够准确、高效、安全地实现其功能。本文将着重介绍燃料抓取机是如何实现其在核燃料运输过程中的安全性。
关键词：燃料抓取机；核燃料运输；保护系统；安全
1燃料抓取机结构
燃料抓取机主要结构包括：大车，南/北小车，南/北起升。大车桥架横跨乏燃料水池，南/北小车位于大车上部桥架，南/北起升分别安装于南/北小车，通过燃料组件操作工具转运燃料组件。南起升负责新燃料进入乏池之前的转运，北起升负责新燃料进入乏池后以及乏燃料组件的转运。
2 设计原则概述
为提高操作核燃料组件的安全性，燃料抓取机的保护系统主要采取了以下设计原则：
2.1冗余设计
一些关键且精度要求较高的部件采用冗余设计，如编码器和称重传感器等。正常情况下，主部件和冗余部件互为备用，当其中一个出现故障时，系统将检测到错误并停止设备运行。但在一些特殊情况下，可以屏蔽故障部件，继续操作设备，但此时抓取机的冗余度和安全性会降低。
2.2多重保护设计
在燃料抓取机操作燃料组件的过程中，多个保护模块共同对设备进行监测，以确保燃料抓取机的安全运行。例如，在大车运动时，编码器会实时监测位置信息并传递给PLC，防止超出安全边界；如果编码器失效，大车超出安全边界后继续移动，会触发行程限位开关，使伺服电机失电，动作停止；而一旦编码器和限位开关同时失效，机械硬停会阻止大车继续移动，小车和起升机构的动作亦是如此。
2.3安全保护复位设计
燃料抓取机运行过程中，任何系统错误的出现都将使设备停止，而一旦出现重要部件故障，如钢丝绳错绕、超速等，会触发单一故障模块进而触发紧急制动保护，设备将断电。故障排除后，通过屏幕上的故障复位按钮或单一故障复位钥匙对故障信号进行复位后，即可重新对设备上电。
3 保护系统
按照保护原理的不同，燃料抓取机的保护系统可以分为PLC逻辑保护（称重保护和区域保护）和控制回路保护两大部分。
3.1称重保护系统
燃料抓取机的南/北起升机构分别装有两个互为冗余的称重传感器，在操作燃料组件的过程中，称重系统会根据实际载荷实时显示空载、带载、欠载和过载等信息。此外，称重传感器监测到的载荷数据还会通过Devicenet传递给PLC，参与PLC中的逻辑运算。当载荷出现异常时，PLC就会产生报警信号，起升机构的动作将不被允许。
3.1.1欠载保护
在燃料抓取机下降核燃料组件的过程中，如果组件与燃料储存格架之间的摩擦力过大，称重传感器检测到的载荷值将小于PLC中设置的载荷范围，此时PLC发出“欠载”报警信号，燃料组件下降的命令将不被允许。
3.1.2过载保护
与欠载保护原理类似，在提升核燃料组件的过程中，如果组件与燃料储存格架之间的摩擦力过大，称重传感器检测到的载荷值大于PLC设置的载荷范围，PLC产生“过载”报警信号，燃料组件提升的命令将不被允许。
3.1.3最大过载保护
在提升核燃料组件的过程中，如果出现过载情况，而此时PLC的过载保护失效，继续提升可能导致载荷继续增大。作为过载保护的补充，在称重传感器的内部设置了继电器保护电路，当载荷值超过最大过载保护的设定值时，载荷保护继电器将会动作，直接切断伺服电机提升回路，并产生“最大过载”保护报警信号。
称重保护系统能够有效防止核燃料组件在与燃料储存格架等物项发生干涉后继续动作，从而避免产生组件变形、受损甚至核泄露的严重后果。
3.2区域保护系统
按照功能的不同，在PLC中，将燃料操作区划分成多个单独的区域。燃料抓取机的大/小车和起升分别装有位置编码器，可以对设备进行精准的坐标定位。运行期间，编码器监测的实时坐标值与PLC中的区域坐标数据进行比较运算，实现对燃料抓取机的定位保护。
3.2.1边界定位保护
坐标定位系统保证了燃料抓取机的大车、小车和起升机构都在PLC规定的区域块内完成燃料运输操作，一旦有设备超出区域块的边界范围，设备将发出报警信号并停止动作。
3.2.2与伺服电机配合控制速度
为提高装换料效率，同时减少操作人员受到的辐射剂量，PLC通过坐标定位系统实现了对伺服电机快慢速的适时切换。在远离边界位置时，设备可以用正常速度运行。同时，在边界等一些关键位置，自动切换为慢速，以保证组件的安全。
3.2.3与称重系统配合的定位保护
燃料抓取机的区域保护系统和称重系统在PLC中也存在联锁关系，共同实现保护功能。以将燃料组件装入燃料储存格架为例，当称重传感器检测到起升机构带载，并且起升机构不在上限位，此时，在PLC的逻辑控制下，大车和小车不能在水平方向上移动，可有效防止燃料组件和格架等发生碰撞的可能。
3.3控制回路保护系统
在燃料抓取机的控制电路中，串联有很多开关量设备，通过监测燃料抓取机的各项参数，直接控制电气回路的通断，组成了保护燃料抓取机安全的又一道屏障。
限位开关，作为坐标定位系统的补充，当设备超出了安全边界还没有停止，就会触发限位开关，控制回路中对应的开关触点断开，设备断电并停止动作。
功率监视继电器，监测回路电压信号，当回路电压值不在设定的范围内时，切断回路供电。
紧急制动按钮，在操作燃料抓取机的过程中可能会出现突发情况，操作人员可以通过按下控制台上的紧急制动按钮，切断设备供电。
4 调试过程发现的问题
在设备调试过程中，发现一些由于设计、安装或设备自身可靠性产生的问题，如设备在完成区域标定和称重系统标定，使用一段时间
后，坐标会发生微小偏移，称重系统的测量值与实际重量值偏差变大，超出了允许范围并产生报警。此外，燃料抓取机有正常和超控两种操作模式，在超控模式下同时操作多个手柄，燃料抓取机可以在多个方向上同时动作，增加了人因失误的风险。
这些问题只有通过定期标定，规范操作人员的行为习惯，增加操作人员对设备的熟练程度来减小其对安全运行带来的影响。
5 结论
在AP1000核电站中，燃料抓取机的安全性主要依靠以下两个方面保证：设备自身的安全保护设计和高素质的燃料操作人员。
设备自身的安全保护设计，能实时监测抓取机的状态，对异常的工况发出报警，自动停止设备运行，并提醒燃料操作人员，极大地降低了发生安全事故的可能。但是，这些安全保护设计存在失效的风险，所以还需要依靠高素质的燃料操作人员，通过丰富的经验和严谨规范的操作，进一步提高设备的安全性。
参考文献
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作者简介
赵海东（1989-12），男，助理工程师。
论文作者:赵海东
论文发表刊物:《电力设备》2017年第30期
论文发表时间:2018/3/8
标签：燃料论文; 称重论文; 组件论文; 设备论文; 核燃料论文; 载荷论文; 操作论文; 《电力设备》2017年第30期论文;