溫度自動(dòng)控制試驗(yàn)研究

戴勝龍 張 斌 王用超

（中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院 第一研究所，四川 樂山614100）

0 引言

核電站反應(yīng)堆控制棒位置傳感器檢測(cè)裝置是反應(yīng)堆安全運(yùn)行的重要保障，一旦出現(xiàn)故障將嚴(yán)重危及反應(yīng)堆安全運(yùn)行。 國(guó)內(nèi)一核電站控制棒位置傳感器檢測(cè)裝置在反應(yīng)堆運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)熱態(tài)斷路故障，為了準(zhǔn)確找出位置傳感器檢測(cè)裝置故障原因， 以便制定有效的預(yù)防措施，經(jīng)過安全性、可行性、合理性多方面分析論證，決定設(shè)計(jì)一套工況模擬加熱裝置，進(jìn)行溫度自動(dòng)控制試驗(yàn)研究，以滿足系統(tǒng)的溫升要求，并按要求進(jìn)行熱容試驗(yàn)、溫度自動(dòng)控制、模擬壓力跟隨控制試驗(yàn)，以修正實(shí)際溫升與理論計(jì)算的偏差，使其溫控特征達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。 研究過程包括參數(shù)計(jì)算、設(shè)備選型、試驗(yàn)實(shí)施三個(gè)階段，下面將對(duì)具體過程進(jìn)行詳細(xì)敘述。

1 計(jì)算工藝過程所需的熱量

1.1 工況模擬容器熱容計(jì)算

工況模擬容器熱容計(jì)算公式：

計(jì)算公式中：

Q1熱容為工況模擬容器加熱至設(shè)定溫度所需的熱容；C1為容器的比熱，鋼的比熱：0.12 kcal/(kg·℃)；M1 為容器質(zhì)量，容器質(zhì)量：680kg；△T 為溫升，溫升：260℃。

將以上參數(shù)代入公式計(jì)算工況模擬容器熱容為：21216kcal。

1.2 加熱介質(zhì)熱水計(jì)算

工況模擬容器內(nèi)介質(zhì)為水，水的熱容計(jì)算公式：

Q2熱容為工況模擬容器內(nèi)的水加熱至設(shè)定溫度所需的熱容；C2為介質(zhì)（水）的比熱，水的比熱：kcal/(kg·℃)；M2為介質(zhì)（水）質(zhì)量，介質(zhì)（水）質(zhì)量：150 kg；△T 為溫升，溫升：260℃。

將以上參數(shù)代入公式計(jì)算工況模擬容器內(nèi)水的熱容為：39000kcal。

1.3 保溫層的熱耗損計(jì)算

保溫層熱耗損計(jì)算公式：

Q熱耗損系統(tǒng)加熱過程中保溫層的熱損失；δ 為保溫層散熱量，硅酸鹽散熱量：32W/m2S1 為保溫層面積，保溫層面積：3.95m2。將以上參數(shù)代入公式計(jì)算保溫層的熱耗損為：54.6kcal。

1.4 系統(tǒng)總熱容

系統(tǒng)總熱容為工況模擬容器熱容、 工況模擬容器內(nèi)水的熱容、保溫層熱耗損之和。

將以上各計(jì)算值代入公式計(jì)算系統(tǒng)總熱容為：60270.6kcal。

2 電加熱元件功率計(jì)算

電加熱元件功率計(jì)算公式：

將以上系統(tǒng)總熱容計(jì)算值代入公式計(jì)算電加熱元件功率為：69.8kW。

考慮1.2 的安全系數(shù)，最終選取電加熱元件的總功率為：90kW。

3 電加熱元件的形式、尺寸及數(shù)量

3.1 電加熱元件的形式

考慮工況模擬容器的尺寸及安裝位置，電加熱元件選取單端管式元件，元件外套管選用耐高溫高壓的不銹鋼材料。

3.2 電加熱元件的尺寸

根據(jù)工況模擬容器的尺寸及安裝位置， 電加熱元件的外徑為：Φ25mm，長(zhǎng)度為4500mm。

3.3 電加熱元件的數(shù)量

根據(jù)工況模擬容器的尺寸及安裝位置， 電加熱元件總計(jì)3 根，每根功率為30 kW。

4 加熱裝置的主回路及控制回路

4.1 加熱裝置的主回路

電加熱元件采用電力調(diào)整器進(jìn)行功率調(diào)節(jié)，電力調(diào)整器輸出電壓0-380V 范圍可調(diào)。為有效保護(hù)電力調(diào)整器，在電力調(diào)整器主回路輸入端介入快速熔斷器，進(jìn)行短路及過載保護(hù)。3 根電加熱元件Y 形接法，加熱裝置主回路原理圖如圖1 所示。

4.2 加熱裝置的控制回路

加熱裝置控制回路原理圖如圖1 所示。電加熱元件控制回路分為自動(dòng)控制方式、手動(dòng)控制方式。

圖1 加熱裝置主回路及控制回路原理圖

自動(dòng)控制方式：利用外部啟停開關(guān)啟動(dòng)系統(tǒng)，加熱過程中的溫度信號(hào)經(jīng)PID 調(diào)節(jié)后送至電力調(diào)整器控制輸出電壓，從而控制電加熱元件功率。 自動(dòng)控制方式中R1、R2 之間必須用短接片連接。

手動(dòng)控制方式：利用外部啟停開關(guān)啟動(dòng)系統(tǒng)，加熱過程中手動(dòng)調(diào)節(jié)可調(diào)電位器控制電力調(diào)整器輸出電壓， 從而控制電加熱元件功率。手動(dòng)控制方式中R1、R2 之間必須取掉短接片。

5 試驗(yàn)實(shí)施情況

5.1 熱容試驗(yàn)

熱容試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖如圖1 所示。 其系統(tǒng)主要由1 臺(tái)電控柜、1個(gè)水箱、9 根管式電加熱元件、4 支熱電偶和保溫層等組成。 電控柜用于處理熱電偶采集的溫度信號(hào)， 并輸出可調(diào)電壓調(diào)節(jié)電加熱元件功率；水箱為加熱介質(zhì)（水）的容器；保溫層覆蓋于水箱外表面，用于減少水箱的熱損失；電加熱元件安裝于水箱底部，用于加熱介質(zhì)（水）至設(shè)定溫度；熱電偶安裝于水箱內(nèi)部，用于采集介質(zhì)（水）的溫度信號(hào)。

5.1.1 自動(dòng)定速升溫

（1）將管式電加熱元件以3 根為一組連接成星形接法，并分別編號(hào)為：1#、2#、3#，將這三組電加熱元件連接至電力調(diào)整器輸出端；

圖2 熱容試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

（2）將4 支熱電偶探頭按500mm 間隔安裝于水箱上，分別編號(hào)1#、2#、3#、4#，并將熱電偶輸出線連接至控制系統(tǒng)接線端子；

（3）將容器充入約700kg 的自來水；

（4）將控制程序升溫上限設(shè)置為99℃，選擇開關(guān)置于“自動(dòng)”位置；

（5）啟動(dòng)1# 電加熱元件組進(jìn)行進(jìn)行了三次自動(dòng)定速升溫試驗(yàn)；

（6）記錄將水加熱至99℃的時(shí)間；

（7）分別測(cè)量電力調(diào)整器信號(hào)輸入端觸發(fā)電流、主回路輸出端電壓、電流值，測(cè)量數(shù)據(jù)記錄于附錄A 中；

（8）啟動(dòng)1#、2# 電加熱元件組進(jìn)行了三次自動(dòng)定速升溫試驗(yàn)；

（9）記錄將水加熱至99℃的時(shí)間；

（10）分別測(cè)量電力調(diào)整器信號(hào)輸入端觸發(fā)電流、主回路輸出端電壓、電流值，測(cè)量數(shù)據(jù)記錄于附錄A 中；

（11）啟動(dòng)1#、2#、3#電加熱元件組進(jìn)行了三次自動(dòng)定速升溫試驗(yàn)；

（12）記錄將水加熱至99℃的時(shí)間；

（13）分別測(cè)量電力調(diào)整器信號(hào)輸入端觸發(fā)電流、主回路輸出端電壓、電流值，測(cè)量數(shù)據(jù)記錄于附錄A 中；

（14）將測(cè)量的電壓、電流、時(shí)間取平均值后計(jì)算功率、溫升速度，計(jì)算結(jié)果記錄附錄A 中；

（15）從試驗(yàn)情況來看，當(dāng)采用一組電加熱元件（功率約27kW）時(shí)，溫升速度約為112℃/h，低于設(shè)計(jì)要求350℃/h；當(dāng)采用兩組電加熱元件（功率約52kW）時(shí)，溫升速度約為252℃/h，低于設(shè)計(jì)要求350℃/h；當(dāng)采用三組電加熱元件（功率約79kW）時(shí)，溫升速度約為370℃/h，高于設(shè)計(jì)要求350℃/h；

（16）依據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，功率為80kW 的電加熱元件即可滿足設(shè)計(jì)的溫升速度要求，考慮一定的的安全系數(shù)，最終確定電加熱元件的功率為90kW。

5.1.2 手動(dòng)可調(diào)速升溫

（1）將控制系統(tǒng)選擇開關(guān)置于“手動(dòng)”位置；

（2）啟動(dòng)1#、2#、3#電加熱元件組進(jìn)行了三次手動(dòng)可調(diào)速度升溫試驗(yàn)；

（3）升溫過程中調(diào)節(jié)電力調(diào)整器可調(diào)電位器R，測(cè)量的電加熱元件組電壓、電流、加熱時(shí)間等數(shù)據(jù)記錄于附錄A 中；

（4）根據(jù)測(cè)量的數(shù)據(jù)計(jì)算功率、溫升速度，計(jì)算結(jié)果記錄于附錄A 中；

（5）從試驗(yàn)情況來看，可調(diào)電位器R 的電壓與電力調(diào)整器輸出電壓成線性關(guān)系， 即可調(diào)電位器R 的電壓與電加熱元件的功率成線性關(guān)系；

（6）當(dāng)可調(diào)電位器R 的電壓為4V 時(shí)，此時(shí)系統(tǒng)的溫升速度為304℃/h，低于設(shè)計(jì)溫升要求350℃/h；當(dāng)可調(diào)電位器R 的電壓為4.8V 時(shí)，此時(shí)系統(tǒng)的溫升速度為351℃/h，基本符合設(shè)計(jì)溫升要求350℃/h；當(dāng)可調(diào)電位器R 的電壓為5V 時(shí)， 此時(shí)系統(tǒng)的溫升速度為381℃/h， 高于計(jì)溫升要求350℃/h；

（7）依據(jù)設(shè)計(jì)溫升要求350℃/h，將PLC 控制程序手動(dòng)模式修改為功率可調(diào)節(jié)方式，以實(shí)現(xiàn)不同環(huán)境下的溫升速度要求。

5.2 溫度自動(dòng)控制試驗(yàn)

溫度自動(dòng)控制試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖如圖2 所示。其系統(tǒng)主要由1 臺(tái)電控柜、1 個(gè)容器、3 組繩式電加熱元件、6 支熱電偶、保溫層等組成。 電控柜用于處理熱電偶采集的溫度信號(hào)，并輸出可調(diào)電壓調(diào)節(jié)電加熱元件功率；容器用于安裝繩式電加熱元件及支撐保溫層；繩式電加熱元件安裝于容器外表面，用于加熱介質(zhì)（空氣）至設(shè)定溫度；熱電偶安裝于容器內(nèi)部，用于采集介質(zhì)（空氣）的溫度信號(hào)。

5.2.1 自動(dòng)溫度控制

（1）將3 組繩式電加熱元件敷設(shè)于容器外壁，并敷設(shè)保溫層；

（2）將三組電加熱元件以星形接法連接于電力調(diào)整器輸出端；

（3）將6 枝溫度傳感器探頭按1 米間隔布置于容器中，分別編號(hào)：#1、#2、#3、#4、#5、#6，并將溫度傳感器輸出線連接至控制系統(tǒng)接線端子；

圖3 溫度自動(dòng)控制試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

（4）將控制程序升溫上限設(shè)置為280℃；

（5）將控制系統(tǒng)選擇開關(guān)置于“自動(dòng)”位置；

（6）將控制系統(tǒng)PID 參數(shù)整定設(shè)置為“自動(dòng)”；

（7）啟動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了三次自動(dòng)溫度控制試驗(yàn)；

（8） 控制系統(tǒng)停止加熱時(shí)，6 個(gè)溫度傳感器測(cè)量的溫度數(shù)據(jù)記錄于附錄B 中；

（9）6 個(gè)溫度傳感器測(cè)量的開始下降前的最高溫度數(shù)據(jù)記錄于附表B 中；

（10）將最高溫度取平均值計(jì)算280℃時(shí)的溫度控制精度，計(jì)算數(shù)據(jù)記錄于附錄B 中；

（11）自動(dòng)溫度控制時(shí)（即自動(dòng)PID 參數(shù)整定），平均溫度控制精度最小為7.75%，最大為8.19%；

（12）從實(shí)驗(yàn)情況來看，依據(jù)系統(tǒng)自動(dòng)整定的PID 參數(shù)進(jìn)行溫度控制都不滿足設(shè)計(jì)要求的平均溫度控制精度：280℃±5%。

5.2.2 手動(dòng)PID 參數(shù)整定

（1）將控制系統(tǒng)PID 參數(shù)整定設(shè)置為“手動(dòng)”；

（2）輸入比例、積分、微分控制參數(shù)，并將數(shù)據(jù)記錄于附錄B 中；

（3）啟動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行了多次溫度控制試驗(yàn)；

（4）控制系統(tǒng)停止加熱時(shí)，6 個(gè)溫度傳感器測(cè)量的溫度數(shù)據(jù)記錄于附錄B 中；

（5）6 個(gè)溫度傳感器測(cè)量的開始下降前的最高溫度數(shù)據(jù)記錄于附表B 中；

（6）將最高溫度取其平均值依據(jù)設(shè)計(jì)要求（280℃±5%）計(jì)算280℃時(shí)的溫度控制精度，系統(tǒng)積分、微分控制參數(shù)等數(shù)據(jù)記錄于附錄B 中；

（7）從試驗(yàn)情況來看，用手動(dòng)PID 參數(shù)進(jìn)行溫度控制，其平均溫度控制精度均滿足設(shè)計(jì)要求；

（8）試驗(yàn)數(shù)據(jù)也表明，要對(duì)滯后量較大的溫度進(jìn)行控制，需設(shè)置較大的微分參數(shù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行提前控制，并且足夠大的積分參數(shù)（接近最大設(shè)置上限）對(duì)滯后量較大的溫度控制效果尤為明顯。

5.3 模擬壓力跟隨控制試驗(yàn)

模擬壓力跟隨控制試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖如圖3 所示。 其系統(tǒng)主要由1臺(tái)電控柜、1 個(gè)容器、3 組繩式電加熱元件、6 支熱電偶、1 臺(tái)信號(hào)發(fā)生器和保溫層等組成。 電控柜用于處理熱電偶采集的溫度信號(hào)，并輸出可調(diào)電壓調(diào)節(jié)電加熱元件功率；容器用于安裝繩式電加熱元件及支撐保溫層；繩式電加熱元件安裝于容器外表面，用于加熱介質(zhì)（空氣）至設(shè)定溫度；熱電偶安裝于容器內(nèi)部，用于采集介質(zhì)（空氣）的溫度信號(hào)；信號(hào)發(fā)生器用于模擬升溫過程中的壓力信號(hào)。

圖4 模擬壓力跟隨控制試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

5.3.1 信號(hào)發(fā)生器模擬系統(tǒng)壓力信號(hào)

（1）將信號(hào)發(fā)生器連接于控制系統(tǒng)壓力信號(hào)輸入端子；

（2）將PLC 模擬量控制模塊依據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)最大壓力范圍（0 MPa-25 MPa）進(jìn)行零位及滿量程刻度；

（3）將信號(hào)發(fā)生器輸出信號(hào)選擇為“4 mA -20mA”，輸出旋鈕旋至最低位；

（4）啟動(dòng)控制系統(tǒng)自動(dòng)升壓，逐步加大信號(hào)發(fā)生器輸出信號(hào)，控制系統(tǒng)顯示的對(duì)應(yīng)壓力值記錄于附錄C 中。

5.3.2 升溫過程中模擬壓力跟隨控制

（1）將控制系統(tǒng)程序溫度上限值設(shè)定為300℃，壓力值按表1 設(shè)置;

（2）調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器輸出旋鈕，控制系統(tǒng)顯示壓力值為0.5 MPa；

（3）啟動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)升溫、模擬壓力跟隨控制試驗(yàn)；

（4）升溫過程中按表1 系統(tǒng)程序壓力設(shè)定依次調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器輸出旋鈕，使控制統(tǒng)顯示的壓力值與相應(yīng)的溫度對(duì)應(yīng)，加熱單元、加壓?jiǎn)卧\(yùn)行情況記錄于附錄D 中；

（5）系統(tǒng)溫度為100℃時(shí)，切除加熱單元，檢查系統(tǒng)安全狀態(tài)及加熱單元、加壓?jiǎn)卧\(yùn)行情況并記錄于附錄D 中；

（6）在確認(rèn)系統(tǒng)安全狀態(tài)正常后啟動(dòng)電控制系統(tǒng)繼續(xù)升溫；

（7）系統(tǒng)溫度為200℃時(shí)，切除加熱單元。 檢查系統(tǒng)安全狀態(tài)及加熱單元、加壓?jiǎn)卧\(yùn)行情況并記錄于附錄D 中；

（8）調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器輸出旋鈕，控制系統(tǒng)顯示壓力值為0.5 MPa；

（9）啟動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)升溫、模擬壓力跟隨控制試驗(yàn)；

（10）升溫過程中按表1 系統(tǒng)程序壓力設(shè)定依次調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器輸出旋鈕，使控制系統(tǒng)顯示的壓力值與相應(yīng)的溫度對(duì)應(yīng)，加熱單元、加壓?jiǎn)卧\(yùn)行情況記錄于附錄D 中；

（11）系統(tǒng)溫度為100℃時(shí)，切除加熱單元，檢查系統(tǒng)安全狀態(tài)及加熱單元、加壓?jiǎn)卧\(yùn)行情況并記錄于附錄D 中；

（12）在確認(rèn)系統(tǒng)安全狀態(tài)正常后啟動(dòng)電控制系統(tǒng)繼續(xù)升溫；

（13）系統(tǒng)溫度為200℃時(shí)，切除加熱單元。 檢查系統(tǒng)安全狀態(tài)及加熱單元、加壓?jiǎn)卧\(yùn)行情況并記錄于附錄D 中；

（14）在確認(rèn)系統(tǒng)安全狀態(tài)正常后啟動(dòng)控制系統(tǒng)繼續(xù)升溫；

（15）系統(tǒng)溫度為300℃時(shí)，切除加熱單元。 檢查系統(tǒng)安全狀態(tài)及加熱單元、加壓?jiǎn)卧\(yùn)行情況并記錄于附錄D 中；

（16）從試驗(yàn)情況來看，升溫過程中的壓力設(shè)置參數(shù)均大于對(duì)應(yīng)溫度下的飽和蒸汽壓，保證了各個(gè)單元功能的正常以及整個(gè)系統(tǒng)的安全。

5.3.3 保溫過程中模擬壓力跟隨控制

（1）當(dāng)系統(tǒng)顯示溫度300℃時(shí)，調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器輸出旋鈕，當(dāng)系統(tǒng)顯示壓力值分別為10MPa、10.1MPa、10.2MPa 時(shí)，變頻器為運(yùn)行狀況，KM8、KM9（KM8、KM9 分別為下限和上限壓力設(shè)定的動(dòng)作元件）接觸器斷開（無動(dòng)作），符合設(shè)計(jì)要求，試驗(yàn)情況記錄于附錄E 中；

（2）變頻器啟動(dòng)運(yùn)行后，調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器輸出旋鈕，當(dāng)系統(tǒng)顯示壓力值分別為10.3、10 .4MPa 時(shí)， 變頻器停止，KM8、KM9 接觸器斷開（無動(dòng)作），符合設(shè)計(jì)要求，試驗(yàn)情況記錄于附錄E 中；

（3）調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器輸出旋鈕，當(dāng)系統(tǒng)顯示壓力值分別為13.6MPa、13.7MPa、13.8 MPa 時(shí)變頻器停止，KM8、KM9 接觸器斷開（無動(dòng)作），符合設(shè)計(jì)要求，試驗(yàn)情況記錄于附錄E 中；

（4）調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器輸出旋鈕，當(dāng)系統(tǒng)顯示壓力值分別為13.9MPa、14.0MPa 時(shí)，變頻器停止，KM9 接觸器閉合（開啟泄壓閥進(jìn)行泄壓），符合設(shè)計(jì)要求，試驗(yàn)情況記錄于附錄E 中。

6 結(jié)論

溫度自動(dòng)控制試驗(yàn)依據(jù)制定的方案實(shí)施，完成了熱容試驗(yàn)、溫度自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)、模擬壓力跟隨控制試驗(yàn)等內(nèi)容，達(dá)到了試驗(yàn)?zāi)康模?/p>

（1）通過試驗(yàn)，驗(yàn)證了控制系統(tǒng)具有較高可靠性，以及對(duì)溫度控制的有效性；

（2）通過試驗(yàn)，確定了理論計(jì)算電加熱功率、溫升速度完全滿足設(shè)計(jì)要求；

（3）通過試驗(yàn)，最終確定了PID 整定參數(shù)、溫度控制程序；

（4）通過模擬試驗(yàn)確定了跟隨控制整定參數(shù)，修正壓力控制程序。

這次試驗(yàn)研究，驗(yàn)證了工況模擬裝置完全能夠提供位置傳感器檢測(cè)裝置實(shí)際工況。 在隨后的工作中，通過這套工況模擬裝置提供給位置傳感器檢測(cè)裝置實(shí)際工況條件，對(duì)其進(jìn)行故障分析，準(zhǔn)確地查出了位置傳感器檢測(cè)裝置故障原因，杜絕了故障的再次發(fā)生，保證了反應(yīng)堆的安全運(yùn)行，圓滿地完成了任務(wù)。

執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)

GB/T 10067.1-2005 電熱裝置基本技術(shù)條件

GB/T 13869-2008 用電安全導(dǎo)則

GB/T 18404-2001 鎧裝熱電偶電纜及鎧裝熱電偶

控制系統(tǒng)溫度自動(dòng)控制試驗(yàn)過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)記錄于附錄中。

附錄B：自動(dòng)溫度控制試驗(yàn)記錄表

附錄C：信號(hào)發(fā)生器模擬系統(tǒng)壓力信號(hào)記錄表

附錄D：升溫過程中模擬壓力跟隨控制記錄表

附錄E：保溫過程中模擬壓力跟隨控制記錄表