馬世海，張 博，李曉薇

(中國核電工程有限公司，北京100840)

基于現(xiàn)場總線的核燃料后處理全逆流混合澄清槽儀控系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

馬世海，張 博，李曉薇

(中國核電工程有限公司，北京100840)

針對(duì)核燃料后處理用全逆流混合澄清槽，提出了一種基于PROFIBUS DP現(xiàn)場總線和基金會(huì)現(xiàn)場總線(FF)的全總線式測控方法。給出了智能儀表選型方案和基于吹氣裝置的非接觸式放射性參數(shù)測量方案；采用DeltaV系統(tǒng)設(shè)計(jì)了全總線控制系統(tǒng)，給出了PROFIBUS DP和FF總線的集成方案；分析了空氣提升系統(tǒng)的特點(diǎn)，研究了前饋-反饋控制規(guī)律(FFC-FBC)并將其應(yīng)用于恒液位的維持上，改進(jìn)了原方案。

全逆流混合澄清槽；PROFIBUS DP總線；基金會(huì)現(xiàn)場總線；智能儀表；空氣提升；前饋-反饋控制規(guī)律

全逆流混合澄清槽是一種溶劑萃取裝置，是核燃料后處理廠常見的液-液萃取設(shè)備[1～3]。

我國的后處理設(shè)施中對(duì)混合澄清槽的儀控方案，存在測控精度低、檢修維護(hù)困難、檢修劑量高大等問題，動(dòng)力堆乏燃料后處理中間試驗(yàn)廠(中試廠)的混合澄清槽采用吹氣裝置配常規(guī)差壓變送器和DCS控制系統(tǒng)方案，解決了檢修維護(hù)問題[4]，但是存在需要人員頻繁出入廠房檢修儀表、整體測控精度相對(duì)較低、電纜量大、空氣提升系統(tǒng)廢氣量大等問題。

因此，本文給出一種吹氣裝置配智能總線儀表和現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的測控方案，并優(yōu)化了空氣提升系統(tǒng)，較好地解決了上述問題。

1 全逆流混合澄清槽及運(yùn)行流程

1.1 全逆流混合澄清槽

全逆流混合澄清的平面俯視圖如圖1所示，其中關(guān)鍵部件：1) 隔板，避免有機(jī)相短路，并具有下相口，用做水相入口和混合相出口。2) 重相堰和擋水板，控制澄清室界面高度。3) 輕相堰，避免有機(jī)相返流，控制液面高度和有機(jī)相流量。4) 擋流板，防止從上相口甩出的混合相對(duì)澄清區(qū)的擾動(dòng)，防止有機(jī)相返流。

在工藝生產(chǎn)過程中，攪拌槳轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生離心力迫使混合相通過上相口和下相口，進(jìn)入與澄清室，而后依靠水相、有機(jī)相、混合相之間的密度差形成的推動(dòng)力，迫使兩相在混合澄清槽內(nèi)逆向流動(dòng)，從而完成兩相之間的傳質(zhì)[5](見圖1)。

圖1 全逆流混合澄清槽平面俯視圖Fig.1 The planview of complete counter current mixer-settler

1.2 全逆流混合澄清槽運(yùn)行流程

核燃料后處理具有放射性高、毒性極強(qiáng)的特點(diǎn)，從檢修、電纜耐輻照等方面考慮，在強(qiáng)放射性工況下，應(yīng)盡量避免采用離心泵等普通的料液輸送方式。為研究實(shí)際工程用全逆流混合澄清槽的儀控系統(tǒng)，搭建了帶有空氣提升系統(tǒng)的全逆流混合澄清槽試驗(yàn)臺(tái)架?？諝馓嵘到y(tǒng)用于輸送放射性料液，即使用壓縮空氣，通過特殊的機(jī)械結(jié)構(gòu)，帶動(dòng)料液以氣液混合的狀態(tài)向高處提升[6]。

圖2示出了全逆流混合澄清槽系統(tǒng)的工藝流程。系統(tǒng)啟動(dòng)前，由02019V(有機(jī)相貯槽)經(jīng)02020P(計(jì)量泵)對(duì)混合澄清槽進(jìn)行有機(jī)相充槽。啟動(dòng)時(shí)，水相由02010V(水相接收槽)經(jīng)第一級(jí)空氣提升系統(tǒng)進(jìn)入02005V(恒液位前置罐)，再經(jīng)第二級(jí)空氣提升系統(tǒng)進(jìn)入02015V(定量前置罐)，靠重力自流進(jìn)入進(jìn)入混合澄清槽的水相進(jìn)口。同時(shí)，作為洗滌劑的有機(jī)相由02019V(有機(jī)相貯槽)經(jīng)02020P(計(jì)量泵)進(jìn)入混合澄清槽的有機(jī)相進(jìn)口。兩相在混合澄清槽內(nèi)逆流接觸，水相中夾帶的少量有機(jī)相被萃取到有機(jī)相中，完成洗滌過程。洗滌后的水相在重相出口經(jīng)一級(jí)空氣提升系統(tǒng)進(jìn)入02056V(氣液分離罐)，靠重力自流返回02001V(水相供料槽)復(fù)用。有機(jī)相自有機(jī)相出口靠重力自流返回02019V(有機(jī)相貯槽)復(fù)用。

系統(tǒng)的測控點(diǎn)在圖2中以圖形代號(hào)的方式示出。

圖2 全逆流混合澄清槽工藝流程Fig.2 The process of complete counter current mixer-settler

2 系統(tǒng)測控方案

2.1 儀表方案

為了方便后續(xù)儀表檢修維護(hù)，減少人員劑量，在進(jìn)行儀表設(shè)備選型設(shè)計(jì)時(shí)，均采用了總線智能儀表設(shè)備，包括FF總線儀表設(shè)備和Profibus DP總線儀表設(shè)備。表1匯總了全逆流混合澄清槽工藝流程的儀表及相關(guān)電氣設(shè)備。

在工藝生產(chǎn)運(yùn)行過程中，為防止工藝萃取效果不理想或者是一些放射性安全事故等問題，需對(duì)進(jìn)入混合澄清槽中的料液進(jìn)行準(zhǔn)確控制和測量，而質(zhì)量流量控制器正是對(duì)小流量氣體實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測量和控制的儀表。質(zhì)量流量控制器本身小巧，可以實(shí)現(xiàn)測量和調(diào)節(jié)兩個(gè)功能，所以對(duì)信號(hào)的傳輸性能要求較高，而DP總線信號(hào)本身傳輸效率高，且傳輸為數(shù)字信號(hào)，抗干擾能力強(qiáng)，保證了測量和控制精度。在混合澄清系統(tǒng)中空氣提升料液的壓空流量測量均選用了DP總線的質(zhì)量流量控制器，滿足了工藝測量的精度和控制要求。

表1 全逆流混合澄清槽儀表設(shè)備Table 1 The instrument of complete counter current mixer-settler

對(duì)于計(jì)量泵和攪拌電機(jī)的控制和調(diào)速，選用了配帶DP總線的變頻設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程對(duì)電機(jī)的控制功能。

其余貯槽和混合澄清槽等設(shè)備的液位、界面等測點(diǎn)，根據(jù)后處理領(lǐng)域的特殊性(具有強(qiáng)放射性)，造成檢測儀表不能直接和料液接觸，而需要選用非接觸式儀表進(jìn)行檢測，根據(jù)實(shí)際的工況，選取了吹氣裝置配FF總線智能差壓變送器的方式對(duì)放射性液位和界面信號(hào)進(jìn)行檢測。

下面以某一澄清室的液位和界面測量為例，給出總線吹氣儀表方案，如圖3所示。

圖3 某一澄清室吹氣儀表測量原理圖Fig.3 The theory of Air Blowing instrument for clarification room

在使用吹氣方法測量液位、界面的時(shí)候，為了保證測量的準(zhǔn)確性，需要根據(jù)情況對(duì)吹氣儀表管有一定的要求。在測量界面設(shè)計(jì)過程中，需要根據(jù)工藝運(yùn)行要求，通過適當(dāng)調(diào)整吹氣管的位置，確保界面位于中、下兩根吹氣管中間，測量液位，在安裝吹氣管時(shí)，保證下管在正常出氣的同時(shí)要求盡量靠近底部，上管盡量靠近上部以防止浸入到料液中。

吹氣儀表直接測量得到的是差壓值，需要相關(guān)運(yùn)算、判斷，把對(duì)應(yīng)的差壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為液位和界面信號(hào)，從而確定儀表的量程范圍?；镜倪\(yùn)算公式為：

ΔP=D×g×L

(1)

式中：ΔP——差壓變送器測得的兩管間的差壓，Pa；

D——被測液體密度，g/cm3；

g——重力加速度,m/s2；

L——被測液位高度,mm；

界面、液位及其相應(yīng)的參數(shù)的公式均通過公式(1)推導(dǎo)而來。界面測量，根據(jù)提供的水相和有機(jī)相密度值，推導(dǎo)的出界面計(jì)算公式為：

(2)

液位計(jì)算公式為：

(3)

式中：Li——界面高度，mm；

L——液位高度，mm；

ΔP1——界面差壓變送器測得的兩管間的差壓，Pa；

ΔP2——液位差壓變送器測得的兩管間的差壓，Pa；

D有——被測有機(jī)相密度，g/cm3；

D水——被測水相密度，g/cm3；

g——重力加速度,m/s2；

H1——中、下兩吹氣管間距離,mm；

ΔL——下管距底部距離，mm；

通過式(2)、式(3)即可測得液位和界面信號(hào)，同樣也可以根據(jù)這些公式得到儀表的測量范圍等相關(guān)信息，確定FF總線儀表測量范圍，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)工藝檢測要求和目標(biāo)。

2.2 控制系統(tǒng)

傳統(tǒng)的DCS、PLC等控制系統(tǒng)，采用一對(duì)一的設(shè)備連線，置于現(xiàn)場的變送器與控制室的控制器之間，控制器與置于現(xiàn)場的執(zhí)行機(jī)構(gòu)、泵、開關(guān)之間均為一對(duì)一的物理連接。該種方式在現(xiàn)場采用模擬信號(hào)傳輸，到達(dá)控制室后需要在IO板卡中進(jìn)行A/D、D/A轉(zhuǎn)換，信號(hào)精度相對(duì)較差，而當(dāng)系統(tǒng)規(guī)模較大時(shí)，電纜、IO板卡等數(shù)量隨之大量增加，電纜敷設(shè)施工難度大，多排電纜橋架的布局甚至直接影響到了廠房建筑設(shè)計(jì)。

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)打破了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式。由于采用了智能現(xiàn)場設(shè)備，能夠把原DCS、PLC系統(tǒng)中處于控制室的IO模塊置入到現(xiàn)場設(shè)備中，現(xiàn)場以外不需要再進(jìn)行A/D、D/A轉(zhuǎn)換，提升了信號(hào)精度；由于采用數(shù)字信號(hào)代替模擬信號(hào)傳輸，因而可實(shí)現(xiàn)一根電纜上傳輸多個(gè)設(shè)備的多個(gè)信號(hào)(包絡(luò)過程值、設(shè)備診斷狀態(tài)、故障信息等)，同時(shí)有些總線又能為多個(gè)設(shè)備提供電源(如FF、PROFIBUS PA等)，從而大量節(jié)省了電纜；現(xiàn)場智能設(shè)備本身具備通信、運(yùn)算能力，因而能夠不依賴控制器直接在現(xiàn)場完成控制，實(shí)現(xiàn)了徹底的分散控制。

本文中全逆流混合澄清槽系統(tǒng)采用EMERSON DELTAV系統(tǒng)構(gòu)建，整個(gè)系統(tǒng)不含任何傳統(tǒng)AI、AO、DI、DO卡件，除冗余電源和控制器外，下位機(jī)主要硬件為一塊FF H1接口卡和一塊PROFIBUS DP接口卡。從控制室僅有兩根2芯電纜敷設(shè)至實(shí)驗(yàn)樓，即可完成對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的過程控制。

控制系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)如圖4所示：

圖4 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 The structure of control system

(1) 控制器

系統(tǒng)選用了冗余的DeltaV MD Plus控制器。該控制器具備在接收傳統(tǒng)I/O的同時(shí)，接納數(shù)字總線I/O(如FF H1、PROFBIUS DP、RS-485等)的能力，足以滿足本試驗(yàn)裝置系統(tǒng)規(guī)模，且有很大余量。工程應(yīng)用時(shí)，該冗余控制器推薦帶載500～750點(diǎn)。

(2) FF H1總線

每個(gè)Deltav FF H1接口卡最多支持2條FF H1總線。FF H1的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)支持單點(diǎn)型、總線型、菊花鏈型和樹型4種結(jié)構(gòu)，本系統(tǒng)采用樹形拓?fù)?，選用PEPPERL+FUCHS生產(chǎn)的12口現(xiàn)場總線接線盒連接9臺(tái)FF儀表。

FF H1總線在傳輸信號(hào)的同時(shí)，還為現(xiàn)場9臺(tái)儀表供電。供電電源應(yīng)能夠滿足整條總線的電流和電壓消耗，并保證最遠(yuǎn)端設(shè)備得到9V以上電壓以使其正常工作。按最遠(yuǎn)端FF儀表LT-2001計(jì)算，主干電纜+分支電纜為400m，每臺(tái)儀表消耗電流按17.5mA考慮，此外還應(yīng)考慮H1卡消耗電流10mA，總電流消耗17.5×9+10=167.5mA。FF H1電纜采用A類18AWG屏蔽雙絞線，其分布電阻為22Ω/km，總線的壓降為44Ω/km×0.1675A×0.4km≈2.95V，加上1V的電壓余量為3.95V，所以最終的配電電壓至少為3.95+9V=12.95V。根據(jù)計(jì)算參數(shù)，選擇了PEPPERL+FUCHS隔離性FF H1總線電源調(diào)節(jié)器。

為避免信號(hào)反射，在總線主干首端(H1通信卡)和末端(現(xiàn)場總線接線盒)均有終端器，且應(yīng)置于“ON”位置。

(3) PROFIBUS DP總線

Deltav DP接口卡支持1條DP總線，最大125個(gè)DP地址，最大傳輸速率1.5Mbps，卡上集成終端電阻。

該總線使用總線型拓?fù)溥B接6臺(tái)DP設(shè)備，選用A型電纜(阻抗135～165Ω；電容小于30pF/m；線規(guī)為0.64mm；導(dǎo)線截面積大于0.34mm2)，并采用SIEMENS生產(chǎn)的DP總線專用T型接頭連接，連接端為9針D型，如圖5所示。位于前5臺(tái)的設(shè)備不需接入終端電阻，如連接質(zhì)量流量控制器FCT-2005時(shí)，主干電纜的兩根數(shù)據(jù)線A和B由A1和B1端接入T型接頭，再由T型接頭的A2和B2接出以連接后續(xù)設(shè)備，而該9針T型接頭直接插入FCT-2005的電器接口即可。當(dāng)連接總線末端設(shè)備SCT-2016/2時(shí)，應(yīng)將終端電阻撥動(dòng)開關(guān)撥至“ON”位置，此時(shí)變頻器SCT-2016/2將通過T型頭的6和5引腳為終端電阻提供5VDC電壓。

圖5 PROFIBUS DP總線式拓?fù)溥B接示意圖Fig.5 The topology of Profibus DP

與PROFIBUS PA總線不同，PROFIBUS DP總線僅能傳輸信號(hào)，不能為設(shè)備供電，因此需根據(jù)不同設(shè)備的電壓等級(jí)，對(duì)6臺(tái)設(shè)備進(jìn)行供電，其中FCT-2020為220VAC，其余5臺(tái)設(shè)備為24VDC。

(4) 上位計(jì)算機(jī)

主工程師站負(fù)責(zé)存儲(chǔ)控制系統(tǒng)的組態(tài)數(shù)據(jù)庫。配置為DELL PowerEdge T620Tower服務(wù)器，Win Server2008操作系統(tǒng)，Intel酷睿至強(qiáng)16核Xeon E5-26202GHZ CPU，4GB RAM，四塊300GB磁盤驅(qū)動(dòng)器，RAID 10。

工程師站，兼做操作員站。配置為DELL T3600Minitower Workstation，Win7操作系統(tǒng)，Intel酷睿4核2.8GHZ CPU，4GB RAM，兩塊250GB SATA磁盤驅(qū)動(dòng)器，RAID 1。

2.3 空氣提升系統(tǒng)控制方案

如圖2所示，共有02005V、02015V、02056V和相應(yīng)的DP總線質(zhì)量流量控制器FCT-2005、FCT-2015、FCT2056構(gòu)成的三套空氣提升系統(tǒng)。工藝需要精確控制向02016R混合澄清槽中輸送水相的流量。在02005V和02015V共同構(gòu)成的二級(jí)空氣提升系統(tǒng)中：

(1) FCT-2005和FCT-2015僅能控制壓縮空氣的流量，不能直接控制料液流量，因此必須建立各級(jí)空氣提升系統(tǒng)料液流量與氣體流量的關(guān)系，經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)，在滿足R2>0.99的前提下，有：

F(f)=af3+bf2+cf+d

(4)

式中，F(xiàn)(f)為料液流量；f為空氣流量；a、b、c、d為修正系數(shù)。

(2) 受壓強(qiáng)影響，若想精確控制進(jìn)入02015V氣液分離罐的液體流量，首先要使02005V的液位保持恒定，而02010V水相接收槽的液位也在不斷變化，因此需在02010V液位(LT—2001)不斷變化的前提下，調(diào)節(jié)FCT—2005的值，穩(wěn)定02005V(LT—2005)的液位(中試廠空氣提升系統(tǒng)的恒液位前置罐將02005V對(duì)應(yīng)的壓空流量開至最大，不進(jìn)行控制，采用溢流方式維持液位恒定，但該方式增加了壓縮空氣的用量和排氣的負(fù)擔(dān))。單純的單回路反饋控制系統(tǒng)無法處理02010V液位的不管變化，而前饋-反饋控制系統(tǒng)(FFC-FBC)增加了前饋干擾通道，可將02010V液位的變化引入控制模型，從而補(bǔ)償02010V液位變化產(chǎn)生的壓強(qiáng)差對(duì)被控變量θ1(02005V液位)的影響。同時(shí)，料液流量(FCT—2005)與被控變量θ1按常規(guī)PID作用調(diào)節(jié)，與前饋通道的校正作用相互疊加，可使被控變量θ1盡快回到給定值。該前饋-反饋控制方塊圖如圖6所示。

圖6 一級(jí)空氣提升系統(tǒng)前饋-反饋控制方塊圖Fig.6 FFC-FBS control of first Air Lift System

圖中，GpD(s)為02010V液位變化對(duì)被控變量θ1的傳遞函數(shù)，Gpc(s)為壓縮空氣流量對(duì)被控變量θ1的傳遞函數(shù)，Gc(s)為流量控制器，Gff(s)為前饋控制器。干擾02010V液位對(duì)被控變量θ1的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

(5)

應(yīng)用不變性原理，即被控變量的穩(wěn)態(tài)不受擾動(dòng)影響時(shí)，則有條件：

L(s)≠0，θ1(s)≡0

該控制規(guī)律實(shí)施時(shí)，采用Deltav系統(tǒng)中相應(yīng)的控制算法。

(3) 在02005V一級(jí)空氣提升系統(tǒng)液位穩(wěn)定后，02005V稱為“恒液位前置罐”，02015V二級(jí)空氣提升系統(tǒng)將不再受02005V液位變化導(dǎo)致的壓強(qiáng)差的干擾，根據(jù)式(4)中F(f)擬合出相應(yīng)關(guān)系，從而達(dá)到通過控制空氣流量控制進(jìn)入02016R澄清槽水相入口料液流量的目的。澄清槽各級(jí)的液位、界面控制，需綜合調(diào)節(jié)水相入口料液流量、水相出口料液流量和有機(jī)相入口料液流量(有機(jī)相出口為重力自流)，目前尚未找到合適的參數(shù)化控制規(guī)律，采用人工控制模式。

3 結(jié)束語

針對(duì)核燃料后處理廠的全逆流混合澄清槽，本文提出一種全總線式測控方案，給出了PROFIBUS DP和FF總線智能儀表的選型方案，控制系統(tǒng)方案和空氣提升系統(tǒng)的改進(jìn)方案。實(shí)際的調(diào)試和運(yùn)行過程證明，該儀控方案可以實(shí)現(xiàn)混合澄清槽運(yùn)行系統(tǒng)參數(shù)的準(zhǔn)確測量和控制，保證了混合澄清槽的正常運(yùn)行，同時(shí)減少了人員頻繁出入放射性區(qū)域，減少了人員劑量，減少了廢氣量。為后續(xù)的放射性廠房設(shè)計(jì)工作提供了有益、可行的參考，對(duì)提高放射性廠房的測控水平起到了積極的作用。

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Research and Design of the Complete Counter Current Mixer-settler for Nuclear Fuel Reused Instrument and Control System Based on Foundation Fieldbus

MA Shi-hai，ZHANG Bo，LI Xiao-wei

(China Nuclear Power Engineering Co., LTD,Beijing,100840, China)

In view of the complete counter current mixer-settlerfor nuclear fuel reused，a whole Fieldbus measurement and control method based on PROFIBUS DP and FF Fieldbus is proposed. The selection type method of intelligent instrument and non-contact radiation measurement technique based on Air Blowing Device are given. A whole Fieldbus Control System is designed based on DeltaV system, and the integration method is given. Air Lift System and FFC-FBS control law are researched to maintain the level，which improves the original plan.

The complete counter current mixer-settler；PROFIBUS DP；FF；Intelligent instrument；FFC-FBC

2016-07-11

國家科技重大專項(xiàng)——大型核燃料后處理廠關(guān)鍵工程技術(shù)方案研究 數(shù)字化儀控方案子課題

馬世海(1983—)，男，河北人，工程師，碩士研究生，現(xiàn)主要從事核化工儀控工作

TP27

A

0258-09181(2017)01-0138-07