劉 剛

（國家核電技術(shù)公司 上海核工程研究設(shè)計(jì)院，上海 200233）

控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)（CRDM）是關(guān)系到核電廠正常運(yùn)行和安全可靠的關(guān)鍵設(shè)備，用于提升、下插、保持和快速釋放控制棒組件，以達(dá)到反應(yīng)堆安全啟動、調(diào)節(jié)反應(yīng)堆功率、快速停堆的目的.我國核電廠目前普遍采用的是磁力提升直線步躍式驅(qū)動機(jī)構(gòu).控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)是反應(yīng)堆堆本體設(shè)備中唯一的能動設(shè)備，其設(shè)計(jì)涉及電、磁、流體、傳熱、機(jī)構(gòu)動作等，涵蓋了電磁學(xué)、機(jī)械動力學(xué)、流體動力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、傳熱學(xué)、自動控制等學(xué)科并交叉融合.

秦山一期反應(yīng)堆控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)是我國首次自行研制、自主設(shè)計(jì)和完全國產(chǎn)化制造的產(chǎn)品.該驅(qū)動機(jī)構(gòu)雖然于1990年出廠，但是由于樣機(jī)研制早在20世紀(jì)70年代，從其出廠性能試驗(yàn)結(jié)果和秦山一期的運(yùn)行情況來看，還存在著一些不足和問題.突出的問題是機(jī)構(gòu)的步躍運(yùn)行性能較差，表現(xiàn)為：機(jī)構(gòu)可正常運(yùn)行的工作線圈運(yùn)行電流調(diào)節(jié)范圍狹窄，工作線圈的極性必須反接，冷態(tài)、熱態(tài)需要用不同的運(yùn)行電流，個(gè)別機(jī)構(gòu)運(yùn)行電流還需作不同的調(diào)整.本文針對以上問題對30萬kW機(jī)組的CRDM步躍性能進(jìn)行了優(yōu)化研究，以提高其可靠性和安全性，同時(shí)為百萬級核電站CRDM的國產(chǎn)化提供技術(shù)支持.

1 步躍動作的原理

控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)由承壓殼體部件、鉤爪部件、驅(qū)動桿部件、磁軛線圈部件和棒位探測器部件五大部件構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示.其中磁軛線圈部件中的3個(gè)工作線圈通電產(chǎn)生了動作的驅(qū)動力，而鉤爪部件是帶動與驅(qū)動桿機(jī)械連接的控制棒組件完成上提、下插步躍動作的具體實(shí)施者.

圖1 控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Schematic structural drawing of CRDM

鉤爪部件主要由上下2組鉤爪組件（可動鉤爪和固定鉤爪）、3對電磁鐵和1個(gè)套管式支承結(jié)構(gòu)組成.3對電磁鐵自上而下分別命名為提升、可動鉤爪和固定鉤爪電磁鐵.電磁鐵借工作線圈通電產(chǎn)生磁場的電磁力將磁極和銜鐵吸合；當(dāng)工作線圈斷電，磁場消失后靠復(fù)位彈簧和重力將它們打開.

由于控制棒組件按規(guī)定速率進(jìn)行上提、下插（秦山一期的控制棒組件要求的上升和下插的速率為60步·min－1），即需要鉤爪部件的3對電磁鐵必須在750～780ms完成吸合和打開這6個(gè)連續(xù)的吸放動作.

2 問題分析

通過對秦山一期驅(qū)動機(jī)構(gòu)的出廠性能試驗(yàn)拆檢發(fā)現(xiàn)，鉤爪部件的2組鉤爪進(jìn)出驅(qū)動桿齒槽與鉤爪的提升和下降這6個(gè)動作協(xié)調(diào)性不理想，反映在運(yùn)行電流波形圖上是銜鐵吸放動作時(shí)間過長、6個(gè)動作信號點(diǎn)分布不合理，造成有些動作點(diǎn)之間間隔時(shí)間太短，最終使鉤爪和銷軸等零件處在不正常（非設(shè)計(jì)）載荷下運(yùn)行，從而直接影響機(jī)構(gòu)的運(yùn)行性能和壽命.

鉤爪進(jìn)出驅(qū)動桿齒槽與鉤爪的提升和下降動作受電磁鐵吸放的控制，而電磁鐵吸放動作的實(shí)施受到了工作線圈的電感、電磁驅(qū)動力、流體阻力、彈簧力和負(fù)荷等諸多因素的共同影響.

圖2為秦山一期CRDM提升時(shí)提升線圈、可動鉤爪線圈、固定鉤爪線圈的電流及振動信號波形圖.

從3對電磁鐵的吸放時(shí)間可以看出，如果完成一步上升，所需6個(gè)動作按完成前一動作再開始下一動作依次進(jìn)行，則其累加的動作時(shí)間需要1 000ms以上，即無法達(dá)到在750～780ms完成吸合和打開這6個(gè)連續(xù)的吸放動作的設(shè)計(jì)要求.由此，在實(shí)際步躍中6個(gè)動作是存在重疊的時(shí)間，即利用電控指令與機(jī)構(gòu)機(jī)械響應(yīng)動作之間的時(shí)間差，下一動作開始時(shí)間要提前至前一動作完成之前.這個(gè)例子較好地說明了所設(shè)計(jì)的CRDM步躍性能存在的問題.

圖2 秦山一期核電廠CRDM提升時(shí)的線圈電流波形Fig.2 Coil current during lifting process of Qinshan I nuclear power plant CRDM

3 控制方程與數(shù)值仿真

3.1 控制方程

分析CRDM步躍的動態(tài)工作過程可知，該過程可由下列一些微分方程描述.

電路方程式為

式中：U為加在線圈兩端的工作電壓；R為線圈電阻；E為感應(yīng)電動勢；I為線圈中的電流.

上述關(guān)于變量I的方程的解為

式中：A為常數(shù)；t為時(shí)間；τ＝L/R，L為電感.對于空心線圈，L的值正比于線圈匝數(shù)N的平方，但是實(shí)際結(jié)構(gòu)內(nèi)有復(fù)雜的可動鐵芯.因此，若設(shè)x為位移，則L＝f（x），L∝N2.

磁路方程式為

式中：ψ為磁鏈.

式中：Φ為磁通量.

在穩(wěn)定（靜態(tài)）磁路中，有

式中：Rm為磁阻.

電磁力的表達(dá)式為

式中：Fm為電磁吸力；μ為相對磁導(dǎo)率；S為磁通截面積.

在動態(tài)過程中，由于ψ＝f（I，L），L＝f（x），所以ψ＝f（I，x）和Fm＝f（I，x），即磁鏈和電磁吸力隨電流和位移的變化而變化.

銜鐵提升時(shí)，對其進(jìn)行受力分析，有

式中：Fm為電磁吸力；F為需要克服的所有阻力；m為銜鐵質(zhì)量.表達(dá)式為

式中：Fl為機(jī)械（工作）載荷；Fs為彈簧力；Fw為水的阻力；Ff為摩擦阻力；Fc為由于碰撞、振動等因素產(chǎn)生的各種阻力的總和.

在動態(tài)過程中，除了Fl和Fs外，其余各項(xiàng)，特別是Fc，均與位移x之間存在非線性變化關(guān)系.銜鐵下降時(shí)，運(yùn)動的力學(xué)控制方程為

式中：Fg為重力.

圖3 磁力線分布圖Fig.3 Distribution map of the magnetic flux

3.2 電磁場的有限元仿真

磁力驅(qū)動型驅(qū)動機(jī)構(gòu)，電磁力是機(jī)構(gòu)動作的原始驅(qū)動力，其控制方程如前所述.通過采用ANSYS軟件中的電磁分析功能，對磁場進(jìn)行分析計(jì)算，獲得了電磁力與提升距離的關(guān)系［1］.磁力線分布見圖3.磁感應(yīng)強(qiáng)度分布見圖4.

分別研究了提升磁路與保持磁路電流方向相反、提升磁路與保持磁路電流方向相同和提升磁路單獨(dú)通電時(shí)提升磁力與提升距離的關(guān)系，計(jì)算分析結(jié)果如圖5所示.從圖5可知，提升磁路與保持磁路電流方向相同時(shí)的提升磁力與提升磁路單獨(dú)通電時(shí)的提升磁力，二者數(shù)值相差不大，但比提升磁路與保持磁路電流方向相反時(shí)的提升磁力要大.

圖4 磁感應(yīng)強(qiáng)度分布圖Fig.4 Distribution map of the magnetic flux density

圖5 提升磁力與提升距離關(guān)系圖Fig.5 Relationship between the magnetic force and the lifting gap

3.3 流場的有限元仿真

驅(qū)動機(jī)構(gòu)的鉤爪部件安裝在密封殼體內(nèi)腔中，按驅(qū)動機(jī)構(gòu)運(yùn)行規(guī)定，該鉤爪部件的步躍運(yùn)動必須在充滿流體的介質(zhì)中進(jìn)行，降低步躍沖擊載荷對機(jī)構(gòu)的影響，反之，由于流體介質(zhì)的存在，它對運(yùn)動件也產(chǎn)生運(yùn)動阻力，從而對鉤爪部件的動作速率產(chǎn)生影響.

在對秦山一期驅(qū)動機(jī)構(gòu)研究分析后，認(rèn)為鉤爪部件中銜鐵吸放動作時(shí)間過長與流道設(shè)計(jì)過窄有關(guān).利用CFD工程軟件，對銜鐵受到的流體阻力進(jìn)行分析，來獲得流體對銜鐵運(yùn)動的影響［2］.計(jì)算分兩種情況：一種是老結(jié)構(gòu)（秦山一期，巴項(xiàng)工程）.一種是新結(jié)構(gòu)（改進(jìn)樣機(jī)）.

獲得了在不同設(shè)計(jì)流道寬度下銜鐵運(yùn)動速率與流體阻力的對應(yīng)關(guān)系，如圖6和圖7所示，從而為驅(qū)動機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)提供了重要依據(jù).

圖6 老結(jié)構(gòu)流道的銜鐵運(yùn)動速率與流體阻力關(guān)系圖Fig.6 Relationship between the motion velocity and the fluid drag force for the old structure channel

圖7 新結(jié)構(gòu)流道的銜鐵運(yùn)動速率與流體阻力關(guān)系圖Fig.7 Relationship between the motion velocity and the fluid drag force for the new structure channel

從圖6和圖7可知：

（1）銜鐵在移動過程中，會受到流體的阻力.銜鐵移動的速度越大，受到的流體阻力也越大.

（2）新結(jié)構(gòu)銜鐵與耐壓殼體之間的間隙比老結(jié)構(gòu)銜鐵與耐壓殼體之間的間隙增加了1倍.對比新、老結(jié)構(gòu)在銜鐵移動速度2.0m·s－1時(shí)，銜鐵受到的流體阻力，老結(jié)構(gòu)受到的阻力約是新結(jié)構(gòu)的6倍.可見結(jié)構(gòu)之間的間隙，對驅(qū)動機(jī)構(gòu)銜鐵受到的流體阻力的影響是很大的.

（3）對于控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)，其鉤爪部件的運(yùn)動特性與銜鐵所受電磁力、流體阻力、機(jī)械摩擦力、機(jī)械負(fù)荷等有著相互的影響.因此銜鐵所受流體阻力的分析為驅(qū)動機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析提供了必要的流體載荷.

4 改進(jìn)樣機(jī)的試驗(yàn)驗(yàn)證

依據(jù)上述分析，對鉤爪部件進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，主要是適當(dāng)拉開3個(gè)線圈的間距，尤其是提升線圈與可動鉤爪線圈的間距，減少相鄰線圈的互感影響；加大鉤爪部件與承壓殼體之間的流水通道的間隙.對該改進(jìn)鉤爪部件樣機(jī)進(jìn)行了冷、熱態(tài)的步躍性能試驗(yàn).在試驗(yàn)中分別進(jìn)行了：①3個(gè)工作線圈正接、反接的摸索試驗(yàn)；②可運(yùn)行電流調(diào)節(jié)范圍的摸索試驗(yàn)；③正常運(yùn)行電流的多行程試驗(yàn)；④提高步速至72步·min－1的運(yùn)行試驗(yàn).

試驗(yàn)中，72步·min－1的CRDM提升時(shí)提升線圈、可動鉤爪線圈、固定鉤爪線圈的電流和振動信號波形如圖8所示.

通過對改進(jìn)樣機(jī)與秦山一期機(jī)構(gòu)動作時(shí)間對比，改進(jìn)樣機(jī)的動作速率有明顯提高，提高程度如表1所示.

可運(yùn)行電流調(diào)節(jié)范圍內(nèi)的試驗(yàn)結(jié)果如表2所示.

從試驗(yàn)結(jié)果得知，改進(jìn)的鉤爪部件其運(yùn)行性能有顯著的提高.主要表現(xiàn)為：①工作線圈的極性無需強(qiáng)制為反接；②3對電磁鐵的吸放時(shí)間明顯縮短；③機(jī)構(gòu)正常運(yùn)行的電流可調(diào)節(jié)范圍擴(kuò)大.

由此證明，采取適當(dāng)拉開3個(gè)線圈的間距，尤其是提升線圈與可動鉤爪線圈的間距，加大鉤爪部件與承壓殼體之間的流水通道間隙的改進(jìn)措施能提高鉤爪部件的步躍性能.

表1 動作時(shí)間減少比率Tab.1 Action time reduced rate

圖8 試驗(yàn)中72步·min－1的提升波形圖Fig.8 Coil current at 72step/minute during test lifting process

表2 可運(yùn)行電流調(diào)節(jié)范圍內(nèi)的試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Test results within the adjustable current range

5 結(jié)論

本文首先分析我國自主設(shè)計(jì)的30萬kW核電機(jī)組CRDM步躍性能方面存在的問題，然后給出步躍動作過程中多個(gè)物理場的控制方程，并分別采用ANSYS軟件和CFD軟件進(jìn)行了CRDM的電磁場分析和流場分析，為設(shè)計(jì)的優(yōu)化提供方向性指導(dǎo).最后基于分析結(jié)果，對CRDM結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，并通過多組試驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證了有限元分析的結(jié)論，同時(shí)證明改進(jìn)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化了CRDM的步躍性能.本文的工作不僅可以用于我國30萬kW乃至百萬kW核電機(jī)組CRDM步躍性能的優(yōu)化，也為同類型CRDM的設(shè)計(jì)與研究提供了方法性的參考.

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