控制棒驱动机构步跃性能的优化

刘 刚

（国家核电技术公司 上海核工程研究设计院，上海 200233）

控制棒驱动机构（CRDM）是关系到核电厂正常运行和安全可靠的关键设备，用于提升、下插、保持和快速释放控制棒组件，以达到反应堆安全启动、调节反应堆功率、快速停堆的目的.我国核电厂目前普遍采用的是磁力提升直线步跃式驱动机构.控制棒驱动机构是反应堆堆本体设备中唯一的能动设备，其设计涉及电、磁、流体、传热、机构动作等，涵盖了电磁学、机械动力学、流体动力学、结构力学、传热学、自动控制等学科并交叉融合.

秦山一期反应堆控制棒驱动机构是我国首次自行研制、自主设计和完全国产化制造的产品.该驱动机构虽然于1990年出厂，但是由于样机研制早在20世纪70年代，从其出厂性能试验结果和秦山一期的运行情况来看，还存在着一些不足和问题.突出的问题是机构的步跃运行性能较差，表现为：机构可正常运行的工作线圈运行电流调节范围狭窄，工作线圈的极性必须反接，冷态、热态需要用不同的运行电流，个别机构运行电流还需作不同的调整.本文针对以上问题对30万kW机组的CRDM步跃性能进行了优化研究，以提高其可靠性和安全性，同时为百万级核电站CRDM的国产化提供技术支持.

1 步跃动作的原理

控制棒驱动机构由承压壳体部件、钩爪部件、驱动杆部件、磁轭线圈部件和棒位探测器部件五大部件构成，其结构简图如图1所示.其中磁轭线圈部件中的3个工作线圈通电产生了动作的驱动力，而钩爪部件是带动与驱动杆机械连接的控制棒组件完成上提、下插步跃动作的具体实施者.

图1 控制棒驱动机构结构简图Fig.1 Schematic structural drawing of CRDM

钩爪部件主要由上下2组钩爪组件（可动钩爪和固定钩爪）、3对电磁铁和1个套管式支承结构组成.3对电磁铁自上而下分别命名为提升、可动钩爪和固定钩爪电磁铁.电磁铁借工作线圈通电产生磁场的电磁力将磁极和衔铁吸合；当工作线圈断电，磁场消失后靠复位弹簧和重力将它们打开.

由于控制棒组件按规定速率进行上提、下插（秦山一期的控制棒组件要求的上升和下插的速率为60步·min－1），即需要钩爪部件的3对电磁铁必须在750～780ms完成吸合和打开这6个连续的吸放动作.

2 问题分析

通过对秦山一期驱动机构的出厂性能试验拆检发现，钩爪部件的2组钩爪进出驱动杆齿槽与钩爪的提升和下降这6个动作协调性不理想，反映在运行电流波形图上是衔铁吸放动作时间过长、6个动作信号点分布不合理，造成有些动作点之间间隔时间太短，最终使钩爪和销轴等零件处在不正常（非设计）载荷下运行，从而直接影响机构的运行性能和寿命.

钩爪进出驱动杆齿槽与钩爪的提升和下降动作受电磁铁吸放的控制，而电磁铁吸放动作的实施受到了工作线圈的电感、电磁驱动力、流体阻力、弹簧力和负荷等诸多因素的共同影响.

图2为秦山一期CRDM提升时提升线圈、可动钩爪线圈、固定钩爪线圈的电流及振动信号波形图.

从3对电磁铁的吸放时间可以看出，如果完成一步上升，所需6个动作按完成前一动作再开始下一动作依次进行，则其累加的动作时间需要1 000ms以上，即无法达到在750～780ms完成吸合和打开这6个连续的吸放动作的设计要求.由此，在实际步跃中6个动作是存在重叠的时间，即利用电控指令与机构机械响应动作之间的时间差，下一动作开始时间要提前至前一动作完成之前.这个例子较好地说明了所设计的CRDM步跃性能存在的问题.

图2 秦山一期核电厂CRDM提升时的线圈电流波形Fig.2 Coil current during lifting process of Qinshan I nuclear power plant CRDM

3 控制方程与数值仿真

3.1 控制方程

分析CRDM步跃的动态工作过程可知，该过程可由下列一些微分方程描述.

电路方程式为

式中：U为加在线圈两端的工作电压；R为线圈电阻；E为感应电动势；I为线圈中的电流.

上述关于变量I的方程的解为

式中：A为常数；t为时间；τ＝L/R，L为电感.对于空心线圈，L的值正比于线圈匝数N的平方，但是实际结构内有复杂的可动铁芯.因此，若设x为位移，则L＝f（x），L∝N2.

磁路方程式为

式中：ψ为磁链.

式中：Φ为磁通量.

在稳定（静态）磁路中，有

式中：Rm为磁阻.

电磁力的表达式为

式中：Fm为电磁吸力；μ为相对磁导率；S为磁通截面积.

在动态过程中，由于ψ＝f（I，L），L＝f（x），所以ψ＝f（I，x）和Fm＝f（I，x），即磁链和电磁吸力随电流和位移的变化而变化.

衔铁提升时，对其进行受力分析，有

式中：Fm为电磁吸力；F为需要克服的所有阻力；m为衔铁质量.表达式为

式中：Fl为机械（工作）载荷；Fs为弹簧力；Fw为水的阻力；Ff为摩擦阻力；Fc为由于碰撞、振动等因素产生的各种阻力的总和.

在动态过程中，除了Fl和Fs外，其余各项，特别是Fc，均与位移x之间存在非线性变化关系.衔铁下降时，运动的力学控制方程为

式中：Fg为重力.

图3 磁力线分布图Fig.3 Distribution map of the magnetic flux

3.2 电磁场的有限元仿真

磁力驱动型驱动机构，电磁力是机构动作的原始驱动力，其控制方程如前所述.通过采用ANSYS软件中的电磁分析功能，对磁场进行分析计算，获得了电磁力与提升距离的关系［1］.磁力线分布见图3.磁感应强度分布见图4.

分别研究了提升磁路与保持磁路电流方向相反、提升磁路与保持磁路电流方向相同和提升磁路单独通电时提升磁力与提升距离的关系，计算分析结果如图5所示.从图5可知，提升磁路与保持磁路电流方向相同时的提升磁力与提升磁路单独通电时的提升磁力，二者数值相差不大，但比提升磁路与保持磁路电流方向相反时的提升磁力要大.

图4 磁感应强度分布图Fig.4 Distribution map of the magnetic flux density

图5 提升磁力与提升距离关系图Fig.5 Relationship between the magnetic force and the lifting gap

3.3 流场的有限元仿真

驱动机构的钩爪部件安装在密封壳体内腔中，按驱动机构运行规定，该钩爪部件的步跃运动必须在充满流体的介质中进行，降低步跃冲击载荷对机构的影响，反之，由于流体介质的存在，它对运动件也产生运动阻力，从而对钩爪部件的动作速率产生影响.

在对秦山一期驱动机构研究分析后，认为钩爪部件中衔铁吸放动作时间过长与流道设计过窄有关.利用CFD工程软件，对衔铁受到的流体阻力进行分析，来获得流体对衔铁运动的影响［2］.计算分两种情况：一种是老结构（秦山一期，巴项工程）.一种是新结构（改进样机）.

获得了在不同设计流道宽度下衔铁运动速率与流体阻力的对应关系，如图6和图7所示，从而为驱动机构的结构设计改进提供了重要依据.

图6 老结构流道的衔铁运动速率与流体阻力关系图Fig.6 Relationship between the motion velocity and the fluid drag force for the old structure channel

图7 新结构流道的衔铁运动速率与流体阻力关系图Fig.7 Relationship between the motion velocity and the fluid drag force for the new structure channel

从图6和图7可知：

（1）衔铁在移动过程中，会受到流体的阻力.衔铁移动的速度越大，受到的流体阻力也越大.

（2）新结构衔铁与耐压壳体之间的间隙比老结构衔铁与耐压壳体之间的间隙增加了1倍.对比新、老结构在衔铁移动速度2.0m·s－1时，衔铁受到的流体阻力，老结构受到的阻力约是新结构的6倍.可见结构之间的间隙，对驱动机构衔铁受到的流体阻力的影响是很大的.

（3）对于控制棒驱动机构，其钩爪部件的运动特性与衔铁所受电磁力、流体阻力、机械摩擦力、机械负荷等有着相互的影响.因此衔铁所受流体阻力的分析为驱动机构运动分析提供了必要的流体载荷.

4 改进样机的试验验证

依据上述分析，对钩爪部件进行了改进设计，主要是适当拉开3个线圈的间距，尤其是提升线圈与可动钩爪线圈的间距，减少相邻线圈的互感影响；加大钩爪部件与承压壳体之间的流水通道的间隙.对该改进钩爪部件样机进行了冷、热态的步跃性能试验.在试验中分别进行了：①3个工作线圈正接、反接的摸索试验；②可运行电流调节范围的摸索试验；③正常运行电流的多行程试验；④提高步速至72步·min－1的运行试验.

试验中，72步·min－1的CRDM提升时提升线圈、可动钩爪线圈、固定钩爪线圈的电流和振动信号波形如图8所示.

通过对改进样机与秦山一期机构动作时间对比，改进样机的动作速率有明显提高，提高程度如表1所示.

可运行电流调节范围内的试验结果如表2所示.

从试验结果得知，改进的钩爪部件其运行性能有显著的提高.主要表现为：①工作线圈的极性无需强制为反接；②3对电磁铁的吸放时间明显缩短；③机构正常运行的电流可调节范围扩大.

由此证明，采取适当拉开3个线圈的间距，尤其是提升线圈与可动钩爪线圈的间距，加大钩爪部件与承压壳体之间的流水通道间隙的改进措施能提高钩爪部件的步跃性能.

表1 动作时间减少比率Tab.1 Action time reduced rate

图8 试验中72步·min－1的提升波形图Fig.8 Coil current at 72step/minute during test lifting process

表2 可运行电流调节范围内的试验结果Tab.2 Test results within the adjustable current range

5 结论

本文首先分析我国自主设计的30万kW核电机组CRDM步跃性能方面存在的问题，然后给出步跃动作过程中多个物理场的控制方程，并分别采用ANSYS软件和CFD软件进行了CRDM的电磁场分析和流场分析，为设计的优化提供方向性指导.最后基于分析结果，对CRDM结构进行了改进，并通过多组试验，进一步验证了有限元分析的结论，同时证明改进的结构优化了CRDM的步跃性能.本文的工作不仅可以用于我国30万kW乃至百万kW核电机组CRDM步跃性能的优化，也为同类型CRDM的设计与研究提供了方法性的参考.

［1］王赤虎，姚伟达，谢永诚，等.控制棒驱动机构电磁场分析［J］.噪声与振动控制，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］张明，刘刚，翁羽，等.控制棒驱动机构流体阻力分析［C］∥第十六届全国反应堆结构力学会议论文集.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.