控制棒驅動機構步躍性能的優化

劉 剛

（國家核電技術公司 上海核工程研究設計院，上海 200233）

控制棒驅動機構（CRDM）是關系到核電廠正常運行和安全可靠的關鍵設備，用于提升、下插、保持和快速釋放控制棒組件，以達到反應堆安全啟動、調節反應堆功率、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動機構.控制棒驅動機構是反應堆堆本體設備中唯一的能動設備，其設計涉及電、磁、流體、傳熱、機構動作等，涵蓋了電磁學、機械動力學、流體動力學、結構力學、傳熱學、自動控制等學科并交叉融合.

秦山一期反應堆控制棒驅動機構是我國首次自行研制、自主設計和完全國產化制造的產品.該驅動機構雖然于1990年出廠，但是由于樣機研制早在20世紀70年代，從其出廠性能試驗結果和秦山一期的運行情況來看，還存在著一些不足和問題.突出的問題是機構的步躍運行性能較差，表現為：機構可正常運行的工作線圈運行電流調節范圍狹窄，工作線圈的極性必須反接，冷態、熱態需要用不同的運行電流，個別機構運行電流還需作不同的調整.本文針對以上問題對30萬kW機組的CRDM步躍性能進行了優化研究，以提高其可靠性和安全性，同時為百萬級核電站CRDM的國產化提供技術支持.

1 步躍動作的原理

控制棒驅動機構由承壓殼體部件、鉤爪部件、驅動桿部件、磁軛線圈部件和棒位探測器部件五大部件構成，其結構簡圖如圖1所示.其中磁軛線圈部件中的3個工作線圈通電產生了動作的驅動力，而鉤爪部件是帶動與驅動桿機械連接的控制棒組件完成上提、下插步躍動作的具體實施者.

圖1 控制棒驅動機構結構簡圖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個套管式支承結構組成.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生磁場的電磁力將磁極和銜鐵吸合；當工作線圈斷電，磁場消失后靠復位彈簧和重力將它們打開.

由于控制棒組件按規定速率進行上提、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個連續的吸放動作.

2 問題分析

通過對秦山一期驅動機構的出廠性能試驗拆檢發現，鉤爪部件的2組鉤爪進出驅動桿齒槽與鉤爪的提升和下降這6個動作協調性不理想，反映在運行電流波形圖上是銜鐵吸放動作時間過長、6個動作信號點分布不合理，造成有些動作點之間間隔時間太短，最終使鉤爪和銷軸等零件處在不正常（非設計）載荷下運行，從而直接影響機構的運行性能和壽命.

鉤爪進出驅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施受到了工作線圈的電感、電磁驅動力、流體阻力、彈簧力和負荷等諸多因素的共同影響.

圖2為秦山一期CRDM提升時提升線圈、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對電磁鐵的吸放時間可以看出，如果完成一步上升，所需6個動作按完成前一動作再開始下一動作依次進行，則其累加的動作時間需要1 000ms以上，即無法達到在750～780ms完成吸合和打開這6個連續的吸放動作的設計要求.由此，在實際步躍中6個動作是存在重疊的時間，即利用電控指令與機構機械響應動作之間的時間差，下一動作開始時間要提前至前一動作完成之前.這個例子較好地說明了所設計的CRDM步躍性能存在的問題.

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

3 控制方程與數值仿真

3.1 控制方程

分析CRDM步躍的動態工作過程可知，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為感應電動勢；I為線圈中的電流.

上述關于變量I的方程的解為

式中：A為常數；t為時間；τ＝L/R，L為電感.對于空心線圈，L的值正比于線圈匝數N的平方，但是實際結構內有復雜的可動鐵芯.因此，若設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.

在穩定（靜態）磁路中，有

式中：Rm為磁阻.

電磁力的表達式為

式中：Fm為電磁吸力；μ為相對磁導率；S為磁通截面積.

在動態過程中，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，對其進行受力分析，有

式中：Fm為電磁吸力；F為需要克服的所有阻力；m為銜鐵質量.表達式為

式中：Fl為機械（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、振動等因素產生的各種阻力的總和.

在動態過程中，除了Fl和Fs外，其余各項，特別是Fc，均與位移x之間存在非線性變化關系.銜鐵下降時，運動的力學控制方程為

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

磁力驅動型驅動機構，電磁力是機構動作的原始驅動力，其控制方程如前所述.通過采用ANSYS軟件中的電磁分析功能，對磁場進行分析計算，獲得了電磁力與提升距離的關系［1］.磁力線分布見圖3.磁感應強度分布見圖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通電時提升磁力與提升距離的關系，計算分析結果如圖5所示.從圖5可知，提升磁路與保持磁路電流方向相同時的提升磁力與提升磁路單獨通電時的提升磁力，二者數值相差不大，但比提升磁路與保持磁路電流方向相反時的提升磁力要大.

圖4 磁感應強度分布圖Fig.4 Distribution map of the magnetic flux density

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

3.3 流場的有限元仿真

驅動機構的鉤爪部件安裝在密封殼體內腔中，按驅動機構運行規定，該鉤爪部件的步躍運動必須在充滿流體的介質中進行，降低步躍沖擊載荷對機構的影響，反之，由于流體介質的存在，它對運動件也產生運動阻力，從而對鉤爪部件的動作速率產生影響.

在對秦山一期驅動機構研究分析后，認為鉤爪部件中銜鐵吸放動作時間過長與流道設計過窄有關.利用CFD工程軟件，對銜鐵受到的流體阻力進行分析，來獲得流體對銜鐵運動的影響［2］.計算分兩種情況：一種是老結構（秦山一期，巴項工程）.一種是新結構（改進樣機）.

獲得了在不同設計流道寬度下銜鐵運動速率與流體阻力的對應關系，如圖6和圖7所示，從而為驅動機構的結構設計改進提供了重要依據.

圖6 老結構流道的銜鐵運動速率與流體阻力關系圖Fig.6 Relationship between the motion velocity and the fluid drag force for the old structure channel

圖7 新結構流道的銜鐵運動速率與流體阻力關系圖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）新結構銜鐵與耐壓殼體之間的間隙比老結構銜鐵與耐壓殼體之間的間隙增加了1倍.對比新、老結構在銜鐵移動速度2.0m·s－1時，銜鐵受到的流體阻力，老結構受到的阻力約是新結構的6倍.可見結構之間的間隙，對驅動機構銜鐵受到的流體阻力的影響是很大的.

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

4 改進樣機的試驗驗證

依據上述分析，對鉤爪部件進行了改進設計，主要是適當拉開3個線圈的間距，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.對該改進鉤爪部件樣機進行了冷、熱態的步躍性能試驗.在試驗中分別進行了：①3個工作線圈正接、反接的摸索試驗；②可運行電流調節范圍的摸索試驗；③正常運行電流的多行程試驗；④提高步速至72步·min－1的運行試驗.

試驗中，72步·min－1的CRDM提升時提升線圈、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.

通過對改進樣機與秦山一期機構動作時間對比，改進樣機的動作速率有明顯提高，提高程度如表1所示.

可運行電流調節范圍內的試驗結果如表2所示.

從試驗結果得知，改進的鉤爪部件其運行性能有顯著的提高.主要表現為：①工作線圈的極性無需強制為反接；②3對電磁鐵的吸放時間明顯縮短；③機構正常運行的電流可調節范圍擴大.

由此證明，采取適當拉開3個線圈的間距，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措施能提高鉤爪部件的步躍性能.

表1 動作時間減少比率Tab.1 Action time reduced rate

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

表2 可運行電流調節范圍內的試驗結果Tab.2 Test results within the adjustable current range

5 結論

本文首先分析我國自主設計的30萬kW核電機組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物理場的控制方程，并分別采用ANSYS軟件和CFD軟件進行了CRDM的電磁場分析和流場分析，為設計的優化提供方向性指導.最后基于分析結果，對CRDM結構進行了改進，并通過多組試驗，進一步驗證了有限元分析的結論，同時證明改進的結構優化了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核電機組CRDM步躍性能的優化，也為同類型CRDM的設計與研究提供了方法性的參考.

［1］王赤虎，姚偉達，謝永誠，等.控制棒驅動機構電磁場分析［J］.噪聲與振動控制，2009，29（6）：80－84.

WANG Chihu，YAO Weida，XIE Yongcheng，et al.Electromagnetic field analysis of control rod drive mechanism［J］.Noise and Vibration Control，2009，29（6）：80－84.

［2］張明，劉剛，翁羽，等.控制棒驅動機構流體阻力分析［C］∥第十六屆全國反應堆結構力學會議論文集.北京：原子能出版社，2010：330－337.

ZHANG Ming，LIU Gang，WENG Yu，et al.Flow resistance influence analysis for control rod drive mechanism［C］∥Transaction of the 16th National Conference on Structural Mechanics in Reactor Technology.Beijing：Atomic Energy Press，2010：330－337.