FF智能儀表在核燃料后處理試驗(yàn)萃取裝置中的應(yīng)用

馬世海 張 博 吳 珂

(中國(guó)核電工程有限公司)

FF智能儀表在核燃料后處理試驗(yàn)萃取裝置中的應(yīng)用

馬世海 張 博 吳 珂

(中國(guó)核電工程有限公司)

介紹了一種基于FF智能儀表的核燃料后處理萃取裝置的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。針對(duì)萃取試驗(yàn)臺(tái)架的測(cè)控要求，給出了FF智能儀表的應(yīng)用和在DeltaV系統(tǒng)中的組態(tài)方法。

FF智能儀表 后處理萃取裝置 DeltaV系統(tǒng) AMS系統(tǒng)

萃取裝置是核燃料后處理廠中Purex(普雷克斯)流程中重要的分離設(shè)備[1]。后處理工藝過(guò)程中采取措施保證萃取裝置能夠連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行是非常關(guān)鍵的，而測(cè)控技術(shù)是對(duì)萃取裝置運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的手段和措施之一[2]，可以說(shuō)測(cè)量和控制設(shè)備的性能直接決定了萃取裝置的運(yùn)行狀態(tài)，因此，為了保證萃取裝置的良好運(yùn)行需要對(duì)測(cè)控設(shè)備的先進(jìn)性和可靠性進(jìn)行深入研究。

目前已有很多學(xué)者對(duì)后處理廠的萃取裝置測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行了研究[3～5]，但是在研究過(guò)程中均采用標(biāo)準(zhǔn)電流(4～20mA)信號(hào)的傳統(tǒng)儀表進(jìn)行研究，而傳統(tǒng)儀表信息單一、功能簡(jiǎn)單，與現(xiàn)在的數(shù)字化工廠要求有一定差距，其傳輸信號(hào)無(wú)法與設(shè)備管理系統(tǒng)接口，并且無(wú)法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的儀表診斷、標(biāo)定等功能。相比傳統(tǒng)儀表，在某核燃料后處理試驗(yàn)萃取裝置上采用的FF(基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線)智能儀表，可以與設(shè)備管理系統(tǒng)結(jié)合，信號(hào)的傳輸采用數(shù)字化方式，在總線電纜上傳輸?shù)男盘?hào)包括過(guò)程檢測(cè)信號(hào)、儀表本身的診斷信息等，該方案可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向通信，在將現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)傳輸?shù)娇刂剖业耐瑫r(shí)，在控制室內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備[6～8]，如遠(yuǎn)程設(shè)定值整定等。通過(guò)采用總線方式的測(cè)控方案可以徹底將后處理領(lǐng)域的儀控設(shè)備管理模式變?yōu)榉稚⒌?、可預(yù)測(cè)性的儀控設(shè)備管理與維護(hù)模式。

1 萃取裝置的測(cè)量與控制

為驗(yàn)證FF儀表在核燃料后處理中應(yīng)用的可行性，筆者搭建了工藝臺(tái)架。臺(tái)架的構(gòu)成主要以后處理中的核心設(shè)備為主，輔以一些貯槽、動(dòng)力設(shè)備以及過(guò)程檢測(cè)儀表等，工藝臺(tái)架主要包括脈沖萃取柱(兩個(gè))、混合澄清萃取槽(一個(gè))、壓空貯槽(兩個(gè))、接收槽和貯槽(5個(gè))。試驗(yàn)臺(tái)架流程如圖1所示。

1AX柱主要完成溶劑的萃取過(guò)程，即水相料液(硝酸溶液)由水相供料槽提升后通過(guò)上部注入1AX柱，同時(shí)，有機(jī)相料液(30%TBP-OK煤油)由有機(jī)相供料槽提升后通過(guò)下部注入1AX柱。這樣可以使兩相介質(zhì)在1AX萃取柱中充分逆流接觸傳質(zhì)，其中本存在于硝酸中的產(chǎn)品被萃取至煤油中。萃取后的有機(jī)相由1AX柱頂部靠重力自流進(jìn)入1C柱，1AX柱剩余水相通過(guò)提升進(jìn)入水相接收槽。

1C柱完成流程中的反萃取過(guò)程，此時(shí)用作反萃劑的硝酸溶液，同樣是通過(guò)1C柱的上部注入，而此時(shí)的萃取劑是來(lái)自1AX柱頂部流出的有機(jī)相料液，該料液通過(guò)1C萃取柱的底部進(jìn)入1C柱，通過(guò)兩相介質(zhì)在1C柱中的逆流接觸進(jìn)行傳質(zhì)，實(shí)現(xiàn)反萃取過(guò)程，實(shí)現(xiàn)有機(jī)相中萃取到的物質(zhì)被反萃至水相中的目的。

萃取柱在啟動(dòng)運(yùn)行后，為增強(qiáng)萃取和反萃的效果，需要使用壓空對(duì)兩個(gè)萃取柱中的料液進(jìn)行振蕩。運(yùn)行過(guò)程中，需要時(shí)刻對(duì)萃取柱中水相和有機(jī)相間的界面、液位、柱重和溫度信號(hào)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，防止運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)“液泛”等情況。

圖1 萃取裝置臺(tái)架流程簡(jiǎn)圖

除油槽用于去除水相中夾帶的有機(jī)相。由于兩相介質(zhì)萃取后剩余的水相料液中會(huì)有少量的有機(jī)相夾帶，因此將1AX柱萃余的水相進(jìn)入除油槽的水相進(jìn)口，另外，有機(jī)相入口中注入的是作為洗滌劑的煤油。兩相在除油槽內(nèi)逆流接觸，完成洗滌過(guò)程。洗滌后的水相在重相出口返回水相供料槽，煤油自有機(jī)相出口靠重力自流返回煤油貯槽。

由于除油槽設(shè)計(jì)需要精確了解準(zhǔn)確的設(shè)備參數(shù)和料液的進(jìn)出口流量，所以需要對(duì)除油槽的界面和液位進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)。

除此以外還需要對(duì)試驗(yàn)臺(tái)架中各個(gè)貯槽的液位進(jìn)行監(jiān)測(cè)，保證整個(gè)試驗(yàn)臺(tái)架的連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。

2 FF總線儀表在萃取裝置的應(yīng)用

國(guó)際上現(xiàn)場(chǎng)總線的標(biāo)準(zhǔn)眾多，而且每一種總線標(biāo)準(zhǔn)背后都有相應(yīng)的大型公司財(cái)團(tuán)支持，因此IEC和ISO組織作為標(biāo)準(zhǔn)的制定方，需要綜合權(quán)衡各方面的利益關(guān)系，所以目前尚未有全球統(tǒng)一的總線標(biāo)準(zhǔn)出現(xiàn)[9]。

核燃料后處理萃取的測(cè)控過(guò)程屬于典型的流程自動(dòng)化，結(jié)合具體的工藝特點(diǎn)，選取了以基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線為主，輔以Profibus總線和傳統(tǒng)IO的控制方案。

總線型儀表的重要特點(diǎn)就是使用數(shù)字信號(hào)進(jìn)行通信，也正是因?yàn)槭褂昧藬?shù)字信號(hào)傳輸，不但增強(qiáng)了信號(hào)傳輸?shù)木?，增?qiáng)了抗干擾能力，而且在傳輸信號(hào)的同時(shí)，可以通過(guò)智能儀表的設(shè)備資源管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)一些附加的功能，如遠(yuǎn)傳標(biāo)定儀表，傳遞儀表設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、故障診斷等信息。本核燃料萃取裝置選用了Emerson Process Management公司的DeltaV DCS系統(tǒng)構(gòu)建測(cè)控系統(tǒng)?，F(xiàn)場(chǎng)FF總線儀表與DCS控制系統(tǒng)之間的通信由H1卡(現(xiàn)場(chǎng)總線卡)和DeltaV系統(tǒng)組態(tài)實(shí)現(xiàn)。

萃取試驗(yàn)流程臺(tái)架中選用的儀表設(shè)備見表1。

表1 萃取試驗(yàn)臺(tái)架儀表、設(shè)備統(tǒng)計(jì)表

從表1中可以看出，本試驗(yàn)流程中的儀表主要以FF總線儀表為主，輔以常規(guī)儀表，用于在試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)比不同儀表類型的性能特性。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，由于無(wú)法找到FF總線的部分儀表，選用了DP總線儀表接入系統(tǒng)。

控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。為了使FF儀表能夠正常接入到DeltaV控制系統(tǒng)，同時(shí)考慮到系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和后續(xù)底層網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)的試驗(yàn)需求，在控制系統(tǒng)硬件板卡配置上，設(shè)置了4塊FF H1總線接口卡，8條FF總線接入智能設(shè)備(每個(gè)接口卡可連接兩條H1總線)，一塊Profibus DP總線接口卡，兩塊常規(guī)AI接口卡，一塊AO接口卡，3塊DI接口卡和兩塊DO接口卡。控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示[6]。

圖2 DeltaV控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

FF總線拓?fù)渑c設(shè)備連接。FF現(xiàn)場(chǎng)總線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)根據(jù)連接方式，可以分為4種類型：?jiǎn)吸c(diǎn)型、總線型、菊花鏈型和樹型，如圖3所示[6]。

圖3 FF總線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在本試驗(yàn)裝置中，從電纜敷設(shè)、后續(xù)試驗(yàn)項(xiàng)目對(duì)電纜長(zhǎng)度要求變化和維護(hù)方便的角度考慮，最終選擇了樹型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，選用的接線盒為PEPPERL+FUCHS的8口總線接線盒，經(jīng)過(guò)測(cè)算后，每條總線掛接的儀表數(shù)量平均為5.4塊。

FF總線設(shè)備組態(tài)。為使FCS(現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng))能識(shí)別出接入系統(tǒng)的總線設(shè)備，首先要安裝FF設(shè)備描述文件(DD文件)。在大多數(shù)情況下，當(dāng)一臺(tái)FF智能儀表接入某個(gè)網(wǎng)段時(shí)，約10s，F(xiàn)CS系統(tǒng)便可以識(shí)別出有新設(shè)備上網(wǎng)，可獲取該設(shè)備當(dāng)前的工作狀態(tài)、儀表標(biāo)識(shí)、儀表類型及生產(chǎn)商等信息。

圖4為試驗(yàn)臺(tái)架中所有FF儀表接入FF H1網(wǎng)絡(luò)后的結(jié)構(gòu)。在試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，對(duì)于進(jìn)口FF總線儀表，F(xiàn)CS系統(tǒng)可以直接識(shí)別該儀表的工位號(hào)，當(dāng)先后將多臺(tái)上述品牌儀表同時(shí)接入網(wǎng)段時(shí)，F(xiàn)CS系統(tǒng)也可迅速識(shí)別、分辨各臺(tái)儀表；而對(duì)于國(guó)產(chǎn)智能FF儀表，F(xiàn)CS系統(tǒng)僅可以識(shí)別出該設(shè)備的類型和型號(hào)，當(dāng)先后將多臺(tái)同類型國(guó)產(chǎn)儀表掛入同一網(wǎng)段時(shí)，F(xiàn)CS系統(tǒng)無(wú)法統(tǒng)一識(shí)別各臺(tái)儀表的工位號(hào)和對(duì)應(yīng)的測(cè)控功能，只能進(jìn)行逐臺(tái)儀表接入。

圖4 FF儀表接入FF H1網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)

FF儀表為智能設(shè)備，自身就帶有多種不同的功能塊，不同的儀表類型帶有的功能塊均不相同，即便是同類型儀表，由于生產(chǎn)商不同，帶有的功能塊也可能不同，所以需要針對(duì)不同的儀表用途，選擇不同的功能塊完成相應(yīng)的組態(tài)任務(wù)。

以某差壓變送器為例，配合吹氣儀表實(shí)現(xiàn)液位的測(cè)量要求，組態(tài)過(guò)程的控制邏輯如圖5a所示，具體的運(yùn)算程序如圖5b所示。

圖5 差壓變送器實(shí)現(xiàn)液位測(cè)量

從圖5a中可見，F(xiàn)FAI邏輯塊關(guān)聯(lián)了該差壓變送器，即差壓變送器信號(hào)傳送至FFAI塊，然后在FFAI中通過(guò)圖5b的運(yùn)算公式，完成差壓信號(hào)到液位信號(hào)的計(jì)算，圖5a中其他的邏輯完成了報(bào)警、測(cè)量超限等功能。

按照上述步驟，逐一完成各FF智能儀表的組態(tài)工作，即可使各儀表進(jìn)入正常工作狀態(tài)。

3 FF儀表在線管理系統(tǒng)(AMS)

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線與FCS系統(tǒng)通信，每個(gè)H1網(wǎng)段不僅包含每臺(tái)儀控設(shè)備的過(guò)程測(cè)量信息和控制信息，也包含了與儀控設(shè)備資源管理系統(tǒng)相關(guān)的各種“非控制信息”。本萃取試驗(yàn)裝置為了便于儀控設(shè)備管理信息的接入，同樣選用了Emerson Process Management公司的AMS系統(tǒng)，在DeltaV系統(tǒng)工程師站可以直接使用AMS軟件，方便儀表工程師對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀表的維護(hù)和操作。

當(dāng)過(guò)程測(cè)量信息和控制信息以周期通信的方式通過(guò)H1接口卡，被送往控制器和上位機(jī)操作員站進(jìn)行操作和干預(yù)的同時(shí)，各種“非控制信息”將根據(jù)用戶的需求，以非周期通信的方式通過(guò)H1接口卡，將信息送往AMS系統(tǒng)。

圖6為試驗(yàn)臺(tái)架的所有智能儀表的AMS系統(tǒng)連接圖。

圖6 AMS系統(tǒng)設(shè)備連接圖

連接到AMS系統(tǒng)的智能設(shè)備，均可遠(yuǎn)程完成對(duì)它的標(biāo)定、維護(hù)及診斷等任務(wù)，減少人員進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)的次數(shù)，從一定程度上保證了人員的安全。

4 結(jié)束語(yǔ)

核燃料后處理廠房屬于放射性廠房，人員經(jīng)常頻繁出入該類廠房，會(huì)對(duì)健康造成影響。在萃取裝置的測(cè)控系統(tǒng)采用FF智能儀表，不僅能夠避免對(duì)人員身體的傷害，還完全滿足工藝測(cè)控要求，同時(shí)具有抗擾能力強(qiáng)、可靠性高、易維護(hù)及雙向通行等特點(diǎn)，體現(xiàn)了FF智能儀表數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化的優(yōu)勢(shì)。

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AbstractHaving Ansys software based to summarize theories of analysis of pressure vessels’ multi-physics coupling (thermo-solid coupling, fluid-structure coupling and heat-fluid-solid coupling) was implemented, including their research results.

Keywordspressure vessel, thermo-solid coupling, fluid-structure coupling, heat-fluid-solid coupling, Ansys

FFInstrumentinExtractionProcedureofNuclearFuelReprocessing

MA Shi-hai, ZHANG Bo, WU Ke

(ChinaNuclearPowerEngineeringCo.,Ltd.)

The control system structure for a FF instrument-based extraction procedure of nuclear fuel reprocessing was described. Considering measurement and control requirements of extraction procedure, both FF instrument application and configuration of DeltaV system were presented.

FF instrument, extraction procedure of nuclear fuel reprocessing, DeltaV system, AMS system

(Continued from Page 5)

(1.SchoolofMechanicalEngineering,UniversityofShanghaiforScienceandTechnology; 2.CentralResearchInstitute,ShanghaiElectricGroupCo.,Ltd.)

TH86

B

1000-3932(2017)01-0024-05

國(guó)家科技重大專項(xiàng)(2010ZX06201-01)。

馬世海(1983-), 工程師，從事儀控設(shè)計(jì)工作，mashihai@126.com。

2016-05-04，

2016-07-11)