（核能科学与工程专业论文）核废料吊运系统自动化研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 捅要 随着核电事业高速发展，核电站在提供巨大能源的同时也给人类 带来了许多的问题，其中最迫切的问题就是如何处理核电站产生的大 量核废料。核废料吊运系统自动化研究是一项实现核废料吊运系统远 程自动化控制，提高核废料吊运系统运行的可靠性，减少操作人员放 射性辐照剂量的重要工作。 本课题的提出就是针对田湾核电站的核废料吊运系统的。论文选 择田湾核电站存放从反应堆中卸载下来的放射性废物厂房中的旧式俄 罗斯6 3 吨吊车为研究对象，吊车主要吊装核废料桶。在原设计中， 操作人员通过手持按钮式控制器操作现有设备，受到超剂量核辐射， 劳动强度大，控制精度低，安全性差，空间利用率低。 在对田湾核电站核废料吊运系统进行充分的分析和研究，针对现 场实际情况提出改造要求和性能要求后，论文阐述了吊运系统自动化 的方案。本论文的核心问题是如何实现吊车的自动定位控制，并使其 精度达到2 r a m 。本论文将激光测距仪、p l c 、工控机和视频监控结合 运用到核废料吊运系统，达到自动定位精度不超过2 m m 和实时状态 监控的要求。论文的研究对核电站核废料的管理优化具有重要的工程 意义，在实际中有广泛的应用价值，可以使核废料吊运系统运行的经 济性和可靠性得到很好的保证。研究成果可以直接应用于改造工程中。 关键词：吊车；定位；自动控制；视频监控 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h eh i g h s p e e dd e v e l o p m e n to fn u c l e a rp o w e ri n d u s t r y , n u c l e a r p o w e r s t a t i o np r o v i d e dt r e m e n d o u se n e r g ya n da l s o b r o u g h tm a n y p r o b l e m st oh u m a nb e i n g si nt h em e a nt i m e 。t h em o s tu r g e n tp r o b l e mi s h o wt od e a lw i t hl o t so fn u c l e a rw a s t ei nn u c l e a rp o w e rs t a t i o n t h e t e m p o r a r ys t o r eo fn u c l e a rw a s t ei sa ni m p o r t a n tp a r to fn u c l e a rw a s t e t r e a t m e n t t h er e s e a r c h0 1 1a u t o m a t i o no fn u c l e a rw a s t es w i n gs y s t e mi s a l l i m p o r t a n tw o r kt o a c h i e v el o n g r a n g ea u t o c o n t r o l ，i m p r o v et h e r e l i a b i l i t y o ft h es w i n gs y s t e ma n dr e d u c et h ei r r a d i a t i o nd o s eo f c o n t r o l l e r t h i ss u b j e c ti st os o l v et h ep r o b l e mo fn u c l e a rw a s t es w i n gs y s t e m o ft i a nw a nn u c l e a rp o w e rs t a t i o n i nt h i sp a p e r , t h er e s e a r c ho b j e c ti s t h eo l dt y p er u s s i a n6 3t o nc r a n ew h i c hi su s e dt ol i f tn u c l e a rw a s t e b a r r e l si nt h en u c l e a rw a s t es t o r e h o u s et h a td e p o s i tr a d i o a c t i v ew a s t eo f u n l o a d i n gi nn u c l e a rp o w e rs t a t i o n i no r i g i n a ld e s i g n ，o p e r a t o r so p e r a t e t h ee x i s t i n ge q u i p m e n td i r e c t l yb yp o r t a b l eb u r o nc o n t r o l l e rw h ow i l lb e u n d e re x c e s s i v en u c l e a rr a d i a t i o n ，l a r g ew o r k i n gi n t e n s i t y ，l o wc o n t r o l p r e c i s i o n ，l o ws e c u r i t ya n dl o wu t i l i z a t i o no fs p a c e a f t e ra b u n d a n ta n a l y s i sa n dr e s e a r c ht on u c l e a rw a s t es w i n gs y s t e m o ft i a nw a nn u c l e a rp o w e rs t a t i o n ，r e b u i l d i n gr e q u i r e m e n ta n dc a p a b i l i t y r e q u i r e m e n ta r ep u tf o r w a r db ya c t u a lc o n d i t i o n ，t h i st h e s i se x p o u n dt h e s c h e m eo fa u t o m a t i o no fs w i n gs y s t e m t h ek e yq u e s t i o ni sh o wt o a u t o c o n t r o lt h ec r a n ea n dm a k et h ep r e c i s i o nt o2 m m b yu s i n gl a s e r r a n g e r , p l c ，i n d u s t r i a lc e n t r e lc o m p u t e ra n dv i d e om o n i t o r i n g ，t h e n u c l e a rw a s t e s w i n gs y s t e ma c h i e v et h er e q u i r e m e n t so fa u t o m a t i c o r i e n t a t i o np r e c i s i o nu pt o2 r a ma n dm o n i t o r i n gi nr e a lt i m e t h er e s e a r c h o ft h i st h e s i si si m p o r t a n tt oo p t i m i z em a n a g e m e n to ft h en u c l e a rw a s t eo f n u c l e a rp o w e rs t a t i o na n dh a v eg r e a ta p p l i c a b l ev a l u ei np r a c t i c e 。i tc a n g u a r a n t e ee c o n o m yo fo p e r m i o na n dr e l i a b i l i t y t on u c l e a rw a s t es w i n g 哈尔滨工程大学硕士学位论文 s y s t e m t h er e s e a r c hr e s u l tc a nb eu s e dd i r e c t l yi nt h er e b u i l d i n gp r o j e c t k e yw o r d s ：c r a n e ；o r i e n t a t i o n ；a u t o c o n t r o l ；v i d e om o n i t o r i n g 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下， 由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献等的 引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已经注明 引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己公开发 表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 作者( 签字) ：童鱼兰盘 日期：1 年6 月j 厂日日期：d b 年，月侈日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的目的和意义 1 1 1 前言 能源是社会和经济发展的基础，是发展生产的原动力。早在1 9 3 9 年发现有核裂变现象后，就有人开始考虑用核能来生产有用的动力“1 。 随着工业技术的发展，生活水平的提高，对能源的需求量日益增加。 目前世界上大部分资源取自煤、石油、天然气、水力，这些资源正在 减少，不能满足当前和长远的能源需求，利用核能是今后相当时期内 解决能源问题的主要途径之一乜1 。 1 9 4 2 年1 2 月2 日世界上第一座核反应堆c p - 1 在美国芝加哥大学 实现受控链式裂变反应以后，人类进入了一个崭新的核纪元。1 9 5 4 年 前苏联第一座功率为5 0 0 0 k w 的试验性核电厂正式投入运行，从此核电 事业在世界各地逐渐地发展起来。 2 0 世纪5 0 - 6 0 年代是核电开发和起步时期。美苏两个核大国将核 电视为新型能源大力推向工业化。美国继开发压水堆核电技术后，又 开发了沸水堆核电技术。苏联继开发了石墨水堆后，也开发了压水堆。 与此同时，英国开发了石墨气冷堆，加拿大开发了加压重水堆，世界 范围内，多种堆型核电技术纷纷面世。 2 0 世纪7 0 - 8 0 年代中期是核电蓬勃发展时期。由于核电技术经过 工业示范后逐步趋于成熟，特别是7 0 年代的石油危机和发达国家快速 的经济发展，促使一些国家陆续加入核电行列。除美、苏两国外，加 拿大、法国、德国、日本、韩国和瑞典等国都相继建造一批核电站。 我国自主设计和建造的秦山一期核电站也于1 9 8 5 年开工建设。据统 计，这一期间共有2 9 0 多台核电机组在3 2 个国家开工建造，全世界核 电装机容量迅速增长，是核电发展的辉煌时期。 从2 0 世纪8 0 年代开始，核能逐步由高潮走入低潮，其原因是7 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 年代两次石油危机使工业发达国家的经济由高速发展转入到平稳发 展，产业结构由高能耗向高技术低能耗方向调整，使大批电力项目停 建，取消，核电首当其冲。加之美国的三里岛事故和苏联的切尔诺贝 利事故对核电发展产生的重大影响，使公众接受问题也成了核电发展 的主要障碍之一。迄今为止，对核能的开发利用，世界各国的态度各 不相同。目前美国从1 9 7 9 年起未再建新核电站，在走一条联合、兼并、 升级和延长使用期之路，以降低成本、提高效率。法国是仅次于美国 的全球第二大民用核大国，核电工业已成为法国能源工业的支柱之一， 现在正积极开展燃气轮机模块氦冷堆的研究。日本早在1 9 7 3 年就把核 能定为国家策略的重点。欧洲大多数国家则在重新审视使用核能的利 弊。如德国已作出决定，要在大约2 0 年的时间内逐步废除核电厂。瑞 典已决定不使用核能，而瑞士和西班牙已暂停建设新的核电站。在亚 洲，很多发展中国家由于较快的经济发展和能源资源的限制，出于可 持续发展的考虑，也在研讨发展核电”。 因此可以看出核能在向人类提供巨大能源的同时也给社会和环 境带来了许多问题。其中最受公众关注、最迫切的问题就是如何处置 核电站产生的大量核废料的问题。核电站产生的核废料，特别是长寿 命高放废物( h l w ) ，已经成为许多国家继续发展核能的制约条件。核 能想要大力发展的重要条件之一就是妥善解决核废料的处理闯题“1 。 1 1 2 核废料处理 1 1 2 1 核废料 核废料泛指在核燃料生产、加工和核反应堆用过的不再需要的并 具有放射性的废料，也专指核反应堆用过的乏燃料，经后处理回收钚 2 3 9 等可利用的核材料后，余下的不再需要的并具有放射性的废料。 核废料按物理状态可分为固体、液体和气体3 种；按比活度又可 分为高水平( 高放) 、中水平( 中放) 和低水平( 低放) 3 种。核废料 的特征是：1 - 放射性。核废料的放射性不能用一般的物理、化学和生 物方法消除，只能靠放射性核素自身的衰变而减少。2 射线危害。核 废料放出的射线通过物质时，发生电离和激发作用，对生物体会引起 辐射损伤。3 热能释放。核废料中放射性核素通过衰变放出能量，当 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 放射性核素含量较高时，释放的热能会导致核废料的温度不断上升， 甚至使溶液自行沸腾，固体自行熔融。 核废料的管理原则是：1 尽量减少不必要的废料产生并开展回收 利用。2 对己产生的核废料分类收集，分别贮存和处理。3 尽量减少 容积以节约运输、贮存和处理的费用。4 向环境稀释排放时，必须严 格遵守有关法规。5 以稳定的固化体形式贮存，以减少放射性核素迁 移扩散。 国际原子能机构( i a e a ) 对于核废料的处理和处置有严格的规定， 要求各国遵照执行。核废料处理的基本方法是稀释分散、浓缩贮存以 及回收利用。核废料处置包括控制处置( 稀释处置) 和最终处置。核 废料的控制处置是指液体和气体核废料在向环境中稀释排放时，必须 控制在法规排放标准以下。核废料的最终处置是指不再需要人工管理， 不考虑再回取的可能。最终处置的主要对象是高放核废料。 1 1 2 2 核废料处理方法 核电站产生的大多数核废料最后将浓缩到固体废物中。这些固体 废物在核工业中属于中、低放水平，所包含的放射性要放置几百年以 后才能达到无害水平。这就产生了一个永久性处置的问题。目前核废 料的处理方法有海洋处理和陆地处理两种。 多数国家采取的是海洋处理方法，即将核废料桶投入到选定的海 域4 0 0 0 米以下的海底去。实验证明，这些核废料桶即使投到6 0 0 0 米 以下的海底也不会破裂、泄漏。万一铁桶在海底破裂，它逸射到海面 上来的剂量也只有人体允许摄入量( 1 m s v 年) 的一千万分之一。一般 不会给人们带来危害，同时为了保证安全处理，各国在投放时还要受 到国际监督。 另外，在一些幅员广大的国家，例如俄罗斯、加拿大、美国、澳 大利亚等国，陆地处理也正在积极进行。陆地核废料处理有其相对合 理的一面。低放射性废料埋藏在浅层地表中，高放射性废料则埋藏在 几千米以下的深层地壳中，一般都不存在污染的危险。而且，陆地埋 藏的核废料中，有些并不适于海洋处理，而一旦需要，陆地埋藏的废 料还可以回收。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 1 3 课题的目的和意义 本课题的提出就是针对田湾核电站核废料库吊运系统的。田湾核 电站采用的是俄罗斯的技术，存在着操作人员受到核辐射，劳动强度 比较大；吊车运行速度过快，启动运行制动不平稳，吊钩和废料桶晃 动幅度较大；吊车定位精度不高，空间利用率很低的问题。 本课题的目的是实现吊车的自动定位控制，从而达到尽量避免或 减少操作人员受到的核辐射；使吊车具有调速功能，启动、运行、制 动平稳，减小吊钩和废料桶晃动幅度，减少磕碰事件发生；提高吊车 定位精度，减小单个废科桶的存放空间，从而提高仓库的利用率。 本课题的研究对我国核电站核废料的管理优化具有非常重要的 工程意义，在实际中有广泛的运用价值，可使核废料吊运系统运行的经 济性和工作的可靠性都得到极好的保证。也可以将这项技术运用到别 的高危险物储存吊运工程中去。研究成果可以直接运用于实际改造工 程中。 1 2 核废料吊运系统的发展现状 吊运可能直接或间接引起放射性释放的危险载荷的起重设备，通 常称为核级吊车。按吊运与放射性有关的不同类型的核危险载荷来分， 有核燃料吊车、核乏料吊车和核废料吊车。因其吊运可能直接或间接 引起放射性释放的危险载荷，是在一种特定的危险环境中工作，所以 其必须具备安全再安全和运转平稳的优点。 核电站产生的中低放废液经浓缩后采用水泥固化，放置在铁桶或 钢筋混凝土桶内核电厂产生的中、低放废液经浓缩后采用水泥固化， 放置在铁桶或钢筋混凝土桶内，按照g b i l 9 2 8 8 9 低中水平放射性 固体废物暂时贮存规定暂存在核电厂的固体废物贮存库内，然后运 往国家规定的废物处置场，作永久处理。 在秦山一期暂存工艺设计中，固化厂房旁设有一间带遥控吊车的 转运间。当固化废物桶从固化生产线送出后到达该生产线辊道末端时， 遥控吊车把固化废物桶吊至暂存区。待桶内水泥初凝展，该吊车把桶 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 吊到放有托盘的专用汽车上。托盘上放满固化废物桶后，专用汽车就 把固化废物桶运往百米远的固化物库，并停在规定位置。操作人员在 操作室操纵遥控叉车，把固化废物桶与托盘一起，按三层堆放方式进 行暂存。在恰希玛核电厂暂存工艺设计中，固化物库与固化厂房相邻， 固化废物桶从固化生产线出来后由传送辊道直接送往固化物库，取 消了专用汽车和遥控吊车操作，将进口的遥控叉车改为国产的自控吊 车，进行固化桶堆放。这样使厂内固化废物运输工艺路线简化，减少 了运输周转环节。 目前，核废料吊车操控的方法有两种，一种是操作人员在库房内 直接用手动按钮操控吊车，来完成提桶、上升、行走、落桶等动作。 虽然核废料经过处理后存放于废料桶中，特殊的桶壁对核废料的放射 性形成了很好的屏蔽，使泄露的放射性水平很低，但是不可避免地存 在放射性，同时操作人员与核废料桶的接触不可避免。另外为了减少 操作人员的辐射时间，吊车的速度很快，惯性较大，造成手动操作过 程的误差较大，对库房的利用率下降。第二种方法是在库房外利用自 动控制技术远程对吊车进行操作。这种方法避免了操作人员受到的核 辐射，但是由于操作过程不如现场操作直观明了，所以又加入了视频 监控系统对吊车的运行状况进行监控，这就大大地改善了吊运系统的 安全性。表1 1 列出了几种核电站核废料吊车的技术性能。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 表1 1 核电站核废料吊车的技术性能 田湾田湾 序号主要指标秦山一期恰希玛 ( 改造前)( 改造后) 1跨度( m ) 6 8 22 2 51 5 91 5 9 2起重量( t )0 516 36 3 3输送距离( m )56 67 0 27 0 。2 4 废料库体积( m 3 ) 6 01 3 2 0 07 8 0 07 8 0 0 5堆放数量( 只)2 07 4 0 01 9 2 02 5 8 0 6 堆放层数单层四层六层六层 7 控制系统手控手控、自控手控手控、自控 8 计算机管理无有无有 9 电气控制无极调速 无有无有 1 0 自动定位精度无i o h无2 u ( 注：秦山一期和恰希玛核电站的核废料桶体积相同，但和田湾不同) 由此可以看出核废料库吊车进行自动化改造后，减少了操作人员 的核辐射，并且自动定位精度有了很大的保障，从而增大核废料库的 利用效率。 在恰希玛核电站中，吊车自控吊车的各种机构相对秦山一期作了 许多特殊设计，设计了超载、超行程、防脱绳等特殊安全保护装置， 提高了设备的安全可靠性能。设计采用电视摄像机一轨道标尺齿轮齿条 一光电脉冲两套定位系统；在挢架和小车走轮一侧都装有水平导向轮， 减少走轮踏面与轨道间隙，使机构运行平衡，确保定位精度l o m m 。 自控吊车跨度为2 2 5 米，能按工艺要求自动或手动堆放四层固体废 物捅。自控吊车可由操作人员在操作室任意选用手动操作或自动控制 操作，遥控操作该吊车。设备手动操作时，操作人员在操作室观察监 视屏幕，借助于小车、桥架轨道旁和抓具上的电视摄像机以及桥架和 小车轨道旁的位置标记作远距离操作，根据工艺布置要求，进行固体 废物桶的堆放。设备自动控制时，操作人员在操作室利用设备电气控 哈尔滨工程大学硕士学位论文 制装置中的程控系统和编码系统，按照预定的工艺要求，桥架和小车 能以最佳线路停在工艺要求位置。操作人员通过电视监视系统确认抓 具位置后，便可操作起升机构，对固体废物桶进行抓取或放开，进行 废物桶的堆放。自控吊车各机构都采用直流无级调速装置调速。在电 气控制装置中设置有多重行程限位，重量保护，高度显示，运作联锁 等各种安全装置，配有程序控制器，确保这些安全装置动作可靠 6 - 1 1 。 目前，根据核电站的情况，核废料吊运系统的自动定位控制技术 已经可以实现，自动定位精度最高能达到5 m m 。因此在本论文的研究 中定位精度达到2 m m 是一次很重要的技术创新。 1 3 论文研究内容和方法 本论文研究内容是如何实现吊运系统的自动化。具体包括： 1 了解核废料吊运系统的现状，收集相关自动控制的资料。 2 在现场认真地研究田湾核废料吊运系统，特别是厂房内的6 3 吨吊车的具体参数，了解吊车自动化的具体改造要求。 3 针对如何实现在与作业区域隔离的控制室内对吊车进行自动定 位控制和监控，并且能够保证其定位精度达到2 m m 的问题提出自动化 改造方案。 4 进行自动定位精度的检测试验，验证吊车的自动定位精度能否 达到自动化改造要求。 其中的核心问题是如何实现吊车的自动定位控制，并使其精度达 到2 m m 。 本论文的的创新点在于定位、控制、监控一体化，将激光测距仪、 p l c 、工控机和视频监控结合运用到核废料吊运系统，尤其是其自动定 位精度不超过2 m m 。 在研究中主要使用两种方法进行，即工程设计和示范试验。 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章田湾核电站核废料吊运系统 2 1 田湾核电站工程简介 田湾核电站工程是依据中俄两国政府协议，在核能领域进行的高 科技合作项目，是列入我国”九五”计划的重点工程之一。厂址位于江苏 省连云港市连云区田湾，厂区按4 台百万千瓦级核电机组规划，并留 有再建2 至4 台的余地。一期建设2 台单机容量1 0 6 万千瓦的俄罗斯 h e s 一9 l 型压水堆核电机组，设计寿命4 0 年，年平均负荷因子不低于 8 0 ，年发电量为1 4 0 亿千瓦时。单台机组的建设工期为6 2 个月，计 划分别于2 0 0 4 年和2 0 0 5 年建成投产。 田湾核电站采用的俄罗斯a e s 一9 1 型核电机组是由俄罗斯圣彼得堡 核动力研究设计院设计开发的改进型压水堆型核电机组，符合国际现 行核安全和辐射安全标准，其主要技术特点包括：反应堆厂房采用双 层安全壳结构、安全系统采用完全独立和实体隔离的4 通道( n + 3 ) 结 构、设置堆芯熔融物捕集与冷却系统等缓解严重事故后果的安全设施、 使用铀一钆一体化全锆先进燃料组件等。为适应国际上对新一代压水堆 在技术、经济和安全性方面的发展要求，田湾核电站采用了俄罗斯和 国际上经过验证的、成熟的先进技术和设备，如；安全壳预应力张拉 系统采用新型倒u 形5 5 柬钢缆张拉方式、采用全数字化仪控系统、每 台机组设置4 台1 0 0 容量的应急柴油发电机组等，其安全性优于当 前世界上正在运行的大部分核电机组，发生堆芯严重损坏或熔化事故 的概率小于1 0 1 堆年，发生严重放射性泄漏事故的概率不超过1 0 。7 堆年，安全性、可靠性和经济性与西方正在开发和建设的先进压水堆 的目标一致，在某些方面已达到或接近国际上正在设计的新一代核电 站的要求。 田湾核电站采取“中俄合作，以我为主”的方式建造，根据中俄 两国政府协议和总合同，俄方负责核电站总的技术责任和核岛、常规 岛设计及成套设备供应与核电站调试，中方负责工程建设管理、土建 哈尔滨工程大学硕士学位论文 施工、围墙内部分设备的第三国采购、电站辅助工程和外围配套工程 的设计、设备采购及核电站大部分安装工程。 田湾核电站工程于1 9 9 9 年1 0 月2 0 日正式开工。国家主席江泽 民和俄罗斯总统叶利钦互致贺函，国务院和俄罗斯总理普京发来贺信， 国务院副总理吴邦国出席开工仪式并剪彩。在中俄两国政府、各有关 部门和单位的关心、支持下，田湾核电站工程建设进展顺利，一、二 号机组的土建和主要设备制造已经完成。目前，一号机组于2 0 0 5 年 l o 月开始首次装料，2 0 0 5 年1 2 月首次达到临界状态，2 0 0 6 年2 月完 成了物理启动阶段的全部6 7 个试验，2 0 0 6 年5 月实现并网发电一次成 功。计划于2 0 0 6 年底正式投入商业运行；二号机组拟于2 0 0 6 年7 8 月装料，年底并网发电试运行，2 0 0 7 年上半年投入商业运行。 田湾核电站数百亿元的投资，对于国内设计施工、设备材料、运 输、保险、商业、服务、旅游等行业的发展起到极大的推动作用，能 够创造更多的就业机会，活跃市场经济，促进经济发展。核电站每年 以5 0 吨核燃料代替同等规模火电站6 0 0 万吨煤炭，不仅可以缓解铁路 和港口的运输压力，而且可以减少含硫煤烟排放，有效保护环境，保 护沿海开放城市的清洁、活力和吸引力。 2 2 核废料吊运系统 田湾核电站1 1 u k t 、2 1 u k t 、9 1 1 j k t 厂房是中、低放固化废物的暂 存库，主要贮存反应堆一回路中产生的废树脂、浓缩液、废过滤器芯 子和压缩固体废物等。这些废物装在m 1 4 0 0 x 1 3 0 0 日m 钢结构的混凝土 圆桶里叠放在厂房中等待进一步的处理。库房如图2 1 所示，每次废 料桶都在吊装口就位，由库内安装的6 3 吨电动双桥式吊车将废料桶 从吊装口用自装卸卡具吊起，然后运行到指定位置，再将废料桶放下， 按正方形分层堆放。 现有的核废料吊运系统的设计方案存在着以下的问题： 1 操作人员在库房内直接操作吊车对核废料桶进行吊装，操作 人员的劳动强度比较大，另外由于核废料存在一定的放射性，所以操 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 作人员受到核辐射。 2 由于原设计中，吊车纵、横向行走和吊钩井降均采用双速电 机，制动方式为与电机配套的电磁铁制动释放电压时采用电机线问电 压，致使吊车运行速度过快( 大小车快车速度为2 0 m m i n ，慢车速度为 5 m m i n ；吊钩升降速度分别为l o m m i n 、2 m m i n ) ，启动运行制动不平 稳，吊钩和废料桶晃动幅度较大，存在着危险隐患。 3 吊车定位精度不高，而且单个废料桶占据的空间较大，空间 利用率很低。 图2 1 原库房俯视示意图 2 2 1 吊运系统设备介绍 目前在厂房中使用旧式俄式吊车对废料桶进行吊装。吊车是桥式 吊车，起升机构使用电动葫芦，吊具是卡式吊具。在核废料吊运系统 设计中，暂存工艺、厂房布置、设备配置、吊车及吊具和核废料桶结 构相互之间存在较大的矛盾。现有设备吊装困难，安全性差。存在的 问题主要有： 1 吊车 吊车是俄式6 3 t 电动双桥式吊车。它使用单绳变极双速电动葫 芦作为起升机构。单绳电动葫芦升降时吊钩不但会产生水平移动，还 会自身转动。如图2 2 所示，吊钩从最高位到最低位时钢丝绳在卷筒 绳槽中水平位移为5 0 0 m m 。那么吊钩水平移动约2 5 0 m m ，转动约8 0 ， 1 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 当行桶装卸( 特别是四周边均有桶的工况) 时难免发生碰撞，很不安 全。因此这种机构不适用于安装和精确定位，更不要说被吊物品时带 有放射性的危险品。 2 吊具 吊具是自卸式绞臂杆吊具。废物桶的上腰部为吊钩点。如图2 3 所示，这种吊装工艺必须保证挂钩开闭爪运动距离a b 。 图2 2 从吊钩最高到最低位变化情况示意图 口：吊钩转角，：吊钩水平位移 z l li i | l l ll 一 。、刀 l # 逡 ii l _ 1 图2 3 抓具抓卸时爪子活动区域说明示意图 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 2 2 吊运系统设备技术指标 需要改造的设备是俄式6 3 t 电动双桥式吊车，其技术参数为： 1 现有工艺设备情况 驱动方式：起升、小车、大车采用双速电机 制动方式：直流电磁铁( 电机自带) 总驱动功率： 2 i k w 吊具：自动机械吊具 表2 i1 i u k t 厂房6 3 吨吊车指数 起吊重量 6 3 t 跨度 1 5 9 m 水平导轨标离 + 1 6 6 8 m 起吊高度 1 2 m 起吊速度： 基本 1 0 m m i n 调节速度2 m m i n 吊车速度： 前后最小5 m m i n ，最大2 0 m m i n 左右最小5 m m i n ，最大2 0 m m i n 电机功率： 前后移动 2 0 7 5 k w 左右移动 0 7 5 k w 起吊 1 5 k w 吊车自重 9 t 2 废物贮存工艺参数 废物桶规格： 桶标称直径：1 4 0 0 m i x l 3 0 0 m m ( 误差5 m m ) 工作温度：常温 l i u k t 、2 1 u k t 固体废物贮存厂房尺寸： 1 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 面积： 2 2 4 l o m m 1 7 5 0 0 m m 顶标高： + 1 8 8 0 0 m m 底标高：+ 8 0 0 0 m m 9 1 u k t 固体废物贮存厂房尺寸： 面积：1 7 9 0 0 m m x7 0 2 0 0 m m 顶标高： + 2 1 3 8 0 m m 底标高： + 8 0 0 0 m m 吊装孔空位置标高： + 1 5 8 0 0 m m 废物桶贮存方式： 贮存方式：三角形阵列存放 堆垛层： 1 i u k t4 层 2 1 u k t4 层 9 1 u k t6 层 2 2 3 吊运系统功能 田湾核废料吊运系统将在保留俄方原设计的通过作业人员手动 操作随吊车一起移动的控制盘来实现废物桶的吊装运输和定位功能不 变的情况下，新增设过程监控和自动控制定位系统来实现废物桶存取 的过程控制和实现实时显示过程图形。要求该系统能在现场手动操作 和控制室自动控制操作之闻自由切换。 2 2 3 1 功能要求 核废料吊运系统是吊运放射性物品的专用吊运系统，除应具备一 般吊运系统的功能外，还应具有以下功能： 1 设备和状态监视 2 报警监视 3 实时数据处理和显示 4 历史数据管理 5 控制调节 6 事件顺序纪录 7 起重机保护、交流电机保护、吊车行程保护等功能 2 2 3 2 技术要求 哈尔滨工程大学硕士学位论文 吊运系统中的吊运机械应具备如下的技术功能： t 吊车的大车自动定位精度小于2 硼 2 吊车的小车自动定位精度小于2 姗 3 大小车拖动电机采用变频调速，使得吊车启停及行走平稳 4 能够将核废料混凝土桶按照预定的堆放规则：从左到右， 从上到下，分层顺序堆放 5 具有电气系统的故障检测和实时显示功能 6 在事故状态下有紧急处置功能 2 2 3 3 安全要求 1 核废物的放射性不污染环境 2 操作人员所收的辐射剂量尽可能低 3 ，库存容量必须大于5 年的废物产生量 4 吊运方便，安全可靠 2 2 3 4 使用条件要求 1 系统在常温下运行 2 能在相对湿度5 9 9 的情况下运行 3 系统在常压下运行 。4 由于运行环境近海，因此要考虑气候对设备腐蚀的影响 2 3 吊运系统的设计范围和原则 田湾核废料吊运系统中的暂存库及设备设计范围和原则： 1 需要考虑废物库堆放量和送往最终处理厂的时间的不确定性。 暂存的容量应有适当的余量，尽可能扩大固体废物的贮存能力。 2 固体废物包装体的装填、排列、布置必须安全，具有稳定的 几何形状。防止不稳定的无次序堆放，防止废物包装体的倒塌与破坏。 3 装卸设备必须设计成能防止废物包装体的碰撞和跌落，避免 包装体产生不可接受的装卸应力。 4 必须防止所吊重物的跌落，避免因重物跌落对已装填废物包 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 装体的损坏。 5 防止超剂量照射，防止放射性物质不可接受的释放。 6 必须周密考虑操作人员的安全。所有操作必须配置足够的屏 蔽设施。同时屏蔽的实体保护和严格的行政管理必须密切的配合。 7 必须保证设备的操作简明，并减少因操作引起的不可接受的 后果。 8 设备应便于检查、试验和维修，避免放射性污染。 9 接收和发送包装体的运行输送路线应布置得尽量简短易行。 1 0 必须考虑装填设备的必要运行空间，以及不同装卸设备之间 的运行空间。 1 1 必须保证废物包装体的平稳操作，各运行机构尽可能采用调 速系统。 1 2 建筑和设备均有足够的能力承受重要载荷( 包括地震力和动 载荷) 。 1 3 吊装设备的各机构必须设置程序控制、超行程及超负荷保护 装置。 1 4 远程控制操作，必须设有能观察运行的摄像监视系统，并设 有运行位置的指示装置。 1 5 吊具在突然断电时，能保持锬紧状态，避免自行滑落和跌落。 1 6 吊具必须设计成能在无动力下自行抓取和释放废物包装题。 2 4 本章小结 本章介绍了田湾核电站及其核废料吊运系统，经过详细的调研， 了解了其现状及存在的问题，说明了其自动化改造的要求及设计范围 和原则。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第3 章吊运系统自动化研究 由于田湾核电站吊运系统存在着一系列的问题，为了尽量降低吊 装核废料桶操作人员所受到的核辐射，减轻操作人员的劳动强度，提 高吊装精确度，达到如下的技术改造要求：库房外设控制室，操作人 员在控制室内对吊车进行远程操作，减少进入库房时间；大小车采用 变频调速技术，使启动与停止平稳，与激光测距仪和p l c 配合实现自 动控制精确定位；操作微机化，操作入员点击鼠标即可完成废料桶的 吊装，并记录废料桶的存储情况；操作人员能借助视频监控系统从各 个方向随时监控吊车、吊具的工作情况；具有故障诊断报警及各种保 护功能。有必要对输运系统中的设备进行改造，其中改造的主要对象 就是厂房内的6 3 吨吊车。 吊车改造的目的是尽量避免或减少了吊车操作人员、起重人员受 到的核辐射威胁；吊车具有调速功能，启动、运行、制动平稳，减小 吊钩和废料桶晃动幅度，减少磕碰事件发生；提高了吊车定位精度， 减小了单个废料桶的存放空间，提高了仓库的利用率。 田湾核电站固体废物储存厂房和固体废物暂存厂房6 3 吨吊车改 造工程工作包括设计、采购、检验、设备组装、软件开发、单机调试、 设备安装、联合调试、工程验收及技术服务等过程。 3 1 设想和基本原则 为了进一步提高核设施运行和操作人员的安全，通过对“固体废 物储存厂房和固体废物转存厂房6 3 吨吊车改造要求”的细节，进行 了认真研究，提出了“实现在与作业区域隔离的控制室内监控作业过 程和自动控制定位的数控吊车”的改造要求。从系统的性能指标确定、 可靠性设计、系统的原理、工艺和设备的选型、制造等各方面进行了 认真论证和较全面地考虑。另外，对要改造的吊车进行了全面的检测， 包括静态检测和动态检测，轻载检测和重载检测，合计7 0 项，其中有 效参数1 8 2 个，结合田湾核电站的技术要求形成了以下的方案。在此 1 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 方案中的基本原则是： 1 保持原6 3 1 吊车通过作业人员手动操作的功能不变。 2 增设与作业区域隔离的控制室监测遥控作业操作系统。 3 增设吊车自动定位系统，实现数字化控制。 4 充分考虑吊车作业环境( 具有一定放射性) 的影响，保证 设备元器件的可靠性。 3 2 技术要求和指标 1 改造要求 ( 1 ) 在与作业区域隔离的控制室内，实现吊车的监测与控 制。 ( 2 ) 实现吊车的自动数字控制精度定位。 2 改造指标 ( 1 ) 吊车的大车自动定位精度小于2 m m 。 ( 2 ) 吊车的小车自动定位精度小于2 m m 。 ( 3 ) 采用变频调速，使得吊车启停及行走平稳。 ( 4 ) 按照预定的堆放规则：从左到右，从上至下，分层顺序堆 放。 ( 5 ) 具有电气系统的故障检测和实时显示功能。 ( 6 ) 在事故状态下有紧急处置功能。 ( 7 ) 在控制室可以切换、调节视角、距离、光圈和信号参数而 获得最佳效果进行遥控监视。 3 3 自动化方案的确定 3 3 1 方案的选择 根据改造要求，在保持吊车原设计功能的前提下，实现操作人员 在与现场相隔离的控制室内进行过程监控、自动定位、自动抓卸、多 重安全保护。经过调研后，有以下几个改造方案可供选择： 1 将控制线和控制器引入控制室 1 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 不使用计算机和p l c 的电气自动控制系统，而仅将原现场人工操 作控制线和控制器引入控制室内，操作人员通过控制室内的闭路电视 监控器进行操作，这种方案需要操作人员技术全面，分析判断准确， 且经验丰富次啊能提高起重机行车和吊车的稳定性和准确度。 2 小车重新设计 原有桥梁和驱动不变，也可以更换电机。重新设计小车，使它变 频调速1 ：l o m m i n 。起吊机构采用直流或变速调频1 ：8 m m i n ；吊钩 采用简易防转吊盘；电气控制部分采用数模控制、自动定位、视频监 控、运行数显和超失重保护及多重安全保护。 3 起吊机构重新设计 原有桥梁和小车不变，也可以更换电机。起吊机构采用双绳电动 葫芦；吊钩采用简易防转吊盘，电气控制部分采用数模控制、自动定 位、视频监控、运行数显和超失重保护及多重安全保护。 4 全自动数控吊车 基于手动6 3 吨吊车改造成全自动数控吊车，全自动数控吊车控 制系统由检测与传感系统、变频器控制系统、可编程控制器( p l c ) 系 统、工业控制计算机系统、工业电视监控系统等组成。 ( 1 ) 检测与传感系统 全自动数控吊车控制系统的关键之一是吊车的精确定位检测。其 中包括吊车的前后、左右、高低三个坐标的定位测量。 对前后和左右两个坐标采用旋转编码器与磁栅尺，它具有光栅的 精度又克服了光栅易于受灰尘的影响的缺点，安装方便、可靠性高。 磁栅次在前后坐标上安装在轨道边侧墙体上，左右坐标安装在轨道钢 粱上。吊车在行进时，通过磁栅读出仪将磁栅尺的磁信号转变成位置 编码信号s s i ，送入p l c “2 “”。由于需测量的位置过长( 其中9 1 u k t 达到7 0 m ) ，直接选用整体长磁栅尺则安装难度过大，并且长期使用易 于变形。本方案采用短磁栅尺( 2 0 0 m m ) ，将其分别安装在废料桶的预 定位置点上，结合增量旋转编码器可得到精确的位置信号。 为保证吊车行进位置的冗余，在前后和左右两坐标轨道侧，在废 料桶堆放位置点，安装1 2 个( 前后) 、1 0 个( 左右) 磁栅尺和8 个限 哈尔滨工程大学硕士学位论文 位开关，并将开关量信号送入p l c 。 高地坐标采用光电式绝对编码器“”，安装在起重机旋转轴上，用 角度数和盘径换算出高度。 为保证高度信号的冗余，在起重机上安装称重传感器，以动态监 测起吊状态。防止行走电机和起重机卡死、过载、缺相等故障，用电 流传感器和变送器对各电机的三项电流进行监控，确保全自动状态的 可靠运行。 ( 2 ) 变频器控制系统 为实现对废料桶的精确定位贮存，需对双速电机迸行交流矢量变 频控制“”。 吊车配置2 2 k w 交流变频器。大车电机和两个小车电机各配置一 台2 2 k w 交流变频器。这是为了保证行走电机的速度同步，而且在保 证功率的前提下，系统配件方便。 变频器速度受控于p l c 的模拟电压输出，与位置检测元件、p l c 等构成闭环的自动控制系统。 ( 3 ) 可编程控制器( p l c ) 系统 可编程控制器( p l c ) 是系统控制的核心，有p l c 采集吊车位置 信号，按照预定的堆放规则，控制各电机高速行走，在接近目标时慢 速控制，以保证控制的效率和精度。 系统配置开关量输入模块，对行程开关、限位开关等信号进行检 测。作为磁栅尺的信号冗余，并防止吊车的行超限。选用的模拟量输 入模块，是为采集称重传感器、电流变送器等信号。p l c 动态监视起 重机起吊重量和各电机的电流。模拟量分辨率为1 5 b i t 。开关量输出 模块式为实现诸如电机上电急停手动自动切换等功能而选用的。 为保证控制系统可靠性和减少滑动电缆p l c 采用主站一远程站模 式“”。主站机柜安装在控制室，远程站机柜安装在吊车上。主站一远 程站采用p r o f i b u s 一根通信电缆连接“”。吊车上的信号直接接入远 程站。 ( 4 ) 工业控制计算机系统 为使操作人员全面了解吊车和相关设备的运行状况，灵活的设置 1 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 吊车的运行方式，系统在废物厂房外设置一台工业控制计算机和大屏 幕显示器，提供图形化的人机操作界面。 ( 5 ) 工业电视监控系统 为了直观检测全自动数控吊车的运行，在特殊需要时，在远端操 控吊车设置工业电视监控系统。在厂房四面和起重机下方共设置5 台 高分辨率摄像机，并配置电动云台和三可变镜头。现场摄像机由监控 室控制键盘控制。另外配置2 台高分辨率监视器，提供循环显示重要 位置、定点显示等功能。为保证吊车的冗余控制，电视监控系统与工 业计算杌系统设置成都里不关联的系统 3 3 2 方案的确定 在结合吊运系统的实际情况和自动化改造的需要，通过市场上已 有的设备，还要考虑到经济性的要求，确定了吊运系统自动化改造的 方案。 在保持原有手动操作控制盘不变的情况下，另外组建工业控制计 算机( 上位机) 一可编程序控制器( p l c ) ( 下位机) 一吊车位移检测 和控制区动的操作系统，该系统行车定位控制实现主要有两大部分构 成： 1 位置检测部分采用高精度激光测距仪，测距仪的信号输出提 供给可编程序控制器( p l c ) ，用来计算行车所在位置的当前坐标，并 于由工业控制计算机给定的坐标比较后输出控制指令。 2 位置控制部分由工业控制计算机( 上位机) 和可编程序控制 器( p l c ) 模块构成。用变频器调速实现准确定位精度和相应速度的高 标准要求。