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

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

馬世海，張 博，李曉薇

(中國核電工程有限公司，北京100840)

針對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，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，改進了原方案。

全逆流混合澄清槽；PROFIBUS DP總線；基金會現(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)施中對混合澄清槽的儀控方案，存在測控精度低、檢修維護困難、檢修劑量高大等問題，動力堆乏燃料后處理中間試驗廠(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，避免有機相返流，控制液面高度和有機相流量。4) 擋流板，防止從上相口甩出的混合相對澄清區(qū)的擾動，防止有機相返流。

在工藝生產(chǎn)過程中，攪拌槳轉(zhuǎn)動產(chǎn)生離心力迫使混合相通過上相口和下相口，進入與澄清室，而后依靠水相、有機相、混合相之間的密度差形成的推動力，迫使兩相在混合澄清槽內(nèi)逆向流動，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行流程

核燃料后處理具有放射性高、毒性極強的特點，從檢修、電纜耐輻照等方面考慮，在強放射性工況下，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臺架?？諝馓嵘到y(tǒng)用于輸送放射性料液，即使用壓縮空氣，通過特殊的機械結(jié)構(gòu)，帶動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)啟動前，由02019V(有機相貯槽)經(jīng)02020P(計量泵)對混合澄清槽進行有機相充槽。啟動時，水相由02010V(水相接收槽)經(jīng)第一級空氣提升系統(tǒng)進入02005V(恒液位前置罐)，再經(jīng)第二級空氣提升系統(tǒng)進入02015V(定量前置罐)，靠重力自流進入進入混合澄清槽的水相進口。同時，作為洗滌劑的有機相由02019V(有機相貯槽)經(jīng)02020P(計量泵)進入混合澄清槽的有機相進口。兩相在混合澄清槽內(nèi)逆流接觸，水相中夾帶的少量有機相被萃取到有機相中，完成洗滌過程。洗滌后的水相在重相出口經(jīng)一級空氣提升系統(tǒng)進入02056V(氣液分離罐)，靠重力自流返回02001V(水相供料槽)復(fù)用。有機相自有機相出口靠重力自流返回02019V(有機相貯槽)復(fù)用。

系統(tǒng)的測控點在圖2中以圖形代號的方式示出。

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，減少人員劑量，在進行儀表設(shè)備選型設(shè)計時，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，需對進入混合澄清槽中的料液進行準確控制和測量，而質(zhì)量流量控制器正是對小流量氣體實現(xiàn)準確測量和控制的儀表。質(zhì)量流量控制器本身小巧，可以實現(xiàn)測量和調(diào)節(jié)兩個功能，所以對信號的傳輸性能要求較高，而DP總線信號本身傳輸效率高，且傳輸為數(shù)字信號，抗干擾能力強，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

對于計量泵和攪拌電機的控制和調(diào)速，選用了配帶DP總線的變頻設(shè)備，以實現(xiàn)遠程對電機的控制功能。

其余貯槽和混合澄清槽等設(shè)備的液位、界面等測點，根據(jù)后處理領(lǐng)域的特殊性(具有強放射性)，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行檢測，根據(jù)實際的工況，選取了吹氣裝置配FF總線智能差壓變送器的方式對放射性液位和界面信號進行檢測。

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、界面的時候，為了保證測量的準確性，需要根據(jù)情況對吹氣儀表管有一定的要求。在測量界面設(shè)計過程中，需要根據(jù)工藝運行要求，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，保證下管在正常出氣的同時要求盡量靠近底部，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)運算、判斷，把對應(yīng)的差壓信號轉(zhuǎn)換為液位和界面信號，從而確定儀表的量程范圍?；镜倪\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)提供的水相和有機相密度值，推導(dǎo)的出界面計算公式為：

(2)

液位計算公式為：

(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，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，進而實現(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)行機構(gòu)、泵、開關(guān)之間均為一對一的物理連接。該種方式在現(xiàn)場采用模擬信號傳輸，到達控制室后需要在IO板卡中進行A/D、D/A轉(zhuǎn)換，信號精度相對較差，而當(dāng)系統(tǒng)規(guī)模較大時，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。

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)場以外不需要再進行A/D、D/A轉(zhuǎn)換，提升了信號精度；由于采用數(shù)字信號代替模擬信號傳輸，因而可實現(xiàn)一根電纜上傳輸多個設(shè)備的多個信號(包絡(luò)過程值、設(shè)備診斷狀態(tài)、故障信息等)，同時有些總線又能為多個設(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、運算能力，因而能夠不依賴控制器直接在現(xiàn)場完成控制，實現(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)至實驗樓，即可完成對整個系統(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，接納數(shù)字總線I/O(如FF H1、PROFBIUS DP、RS-485等)的能力，足以滿足本試驗裝置系統(tǒng)規(guī)模，且有很大余量。工程應(yīng)用時，該冗余控制器推薦帶載500～750點。

(2) FF H1總線

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

FF H1總線在傳輸信號的同時，還為現(xiàn)場9臺儀表供電。供電電源應(yīng)能夠滿足整條總線的電流和電壓消耗，并保證最遠端設(shè)備得到9V以上電壓以使其正常工作。按最遠端FF儀表LT-2001計算，主干電纜+分支電纜為400m，每臺儀表消耗電流按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撲連接6臺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，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，應(yīng)將終端電阻撥動開關(guān)撥至“ON”位置，此時變頻器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總線式拓撲連接示意圖Fig.5 The topology of Profibus DP

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

(4) 上位計算機

主工程師站負責(zé)存儲控制系統(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16核Xeon E5-26202GHZ CPU，4GB RAM，四塊300GB磁盤驅(qū)動器，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)過大量實驗，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) 受壓強影響，若想精確控制進入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對應(yīng)的壓空流量開至最大，不進行控制，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，從而補償02010V液位變化產(chǎn)生的壓強差對被控變量θ1(02005V液位)的影響。同時，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液位變化對被控變量θ1的傳遞函數(shù)，Gpc(s)為壓縮空氣流量對被控變量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)不受擾動影響時，則有條件：

L(s)≠0，θ1(s)≡0

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

(3) 在02005V一級空氣提升系統(tǒng)液位穩(wěn)定后，02005V稱為“恒液位前置罐”，02015V二級空氣提升系統(tǒng)將不再受02005V液位變化導(dǎo)致的壓強差的干擾，根據(jù)式(4)中F(f)擬合出相應(yīng)關(guān)系，從而達到通過控制空氣流量控制進入02016R澄清槽水相入口料液流量的目的。澄清槽各級的液位、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相入口料液流量(有機相出口為重力自流)，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)的改進方案。實際的調(diào)試和運行過程證明，該儀控方案可以實現(xiàn)混合澄清槽運行系統(tǒng)參數(shù)的準確測量和控制，保證了混合澄清槽的正常運行，同時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)計工作提供了有益、可行的參考，對提高放射性廠房的測控水平起到了積極的作用。

[1] 劉繼連, 逯迎春. 核燃料后處理廠泵輪式混合澄清槽的選型與設(shè)計[J]. 廣東化工, 2013, 40(5): 102-103.

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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——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