溫度自動控制試驗研究

戴勝龍 張 斌 王用超

（中國核動力研究設計院 第一研究所，四川 樂山614100）

0 引言

核電站反應堆控制棒位置傳感器檢測裝置是反應堆安全運行的重要保障，一旦出現故障將嚴重危及反應堆安全運行。 國內一核電站控制棒位置傳感器檢測裝置在反應堆運行時出現熱態斷路故障，為了準確找出位置傳感器檢測裝置故障原因， 以便制定有效的預防措施，經過安全性、可行性、合理性多方面分析論證，決定設計一套工況模擬加熱裝置，進行溫度自動控制試驗研究，以滿足系統的溫升要求，并按要求進行熱容試驗、溫度自動控制、模擬壓力跟隨控制試驗，以修正實際溫升與理論計算的偏差，使其溫控特征達到設計指標要求。 研究過程包括參數計算、設備選型、試驗實施三個階段，下面將對具體過程進行詳細敘述。

1 計算工藝過程所需的熱量

1.1 工況模擬容器熱容計算

工況模擬容器熱容計算公式：

計算公式中：

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

將以上參數代入公式計算工況模擬容器熱容為：21216kcal。

1.2 加熱介質熱水計算

工況模擬容器內介質為水，水的熱容計算公式：

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

將以上參數代入公式計算工況模擬容器內水的熱容為：39000kcal。

1.3 保溫層的熱耗損計算

保溫層熱耗損計算公式：

Q熱耗損系統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。將以上參數代入公式計算保溫層的熱耗損為：54.6kcal。

1.4 系統總熱容

系統總熱容為工況模擬容器熱容、 工況模擬容器內水的熱容、保溫層熱耗損之和。

將以上各計算值代入公式計算系統總熱容為：60270.6kcal。

2 電加熱元件功率計算

電加熱元件功率計算公式：

將以上系統總熱容計算值代入公式計算電加熱元件功率為：69.8kW。

考慮1.2 的安全系數，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，長度為4500mm。

3.3 電加熱元件的數量

根據工況模擬容器的尺寸及安裝位置， 電加熱元件總計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整器進行功率調節，電力調整器輸出電壓0-380V 范圍可調。為有效保護電力調整器，在電力調整器主回路輸入端介入快速熔斷器，進行短路及過載保護。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控制方式、手動控制方式。

圖1 加熱裝置主回路及控制回路原理圖

自動控制方式：利用外部啟停開關啟動系統，加熱過程中的溫度信號經PID 調節后送至電力調整器控制輸出電壓，從而控制電加熱元件功率。 自動控制方式中R1、R2 之間必須用短接片連接。

手動控制方式：利用外部啟停開關啟動系統，加熱過程中手動調節可調電位器控制電力調整器輸出電壓， 從而控制電加熱元件功率。手動控制方式中R1、R2 之間必須取掉短接片。

5 試驗實施情況

5.1 熱容試驗

熱容試驗系統示意圖如圖1 所示。 其系統主要由1 臺電控柜、1個水箱、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， 并輸出可調電壓調節電加熱元件功率；水箱為加熱介質（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（水）至設定溫度；熱電偶安裝于水箱內部，用于采集介質（水）的溫度信號。

5.1.1 自動定速升溫

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

圖2 熱容試驗系統示意圖

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

（3）將容器充入約700kg 的自來水；

（4）將控制程序升溫上限設置為99℃，選擇開關置于“自動”位置；

（5）啟動1# 電加熱元件組進行進行了三次自動定速升溫試驗；

（6）記錄將水加熱至99℃的時間；

（7）分別測量電力調整器信號輸入端觸發電流、主回路輸出端電壓、電流值，測量數據記錄于附錄A 中；

（8）啟動1#、2# 電加熱元件組進行了三次自動定速升溫試驗；

（9）記錄將水加熱至99℃的時間；

（10）分別測量電力調整器信號輸入端觸發電流、主回路輸出端電壓、電流值，測量數據記錄于附錄A 中；

（11）啟動1#、2#、3#電加熱元件組進行了三次自動定速升溫試驗；

（12）記錄將水加熱至99℃的時間；

（13）分別測量電力調整器信號輸入端觸發電流、主回路輸出端電壓、電流值，測量數據記錄于附錄A 中；

（14）將測量的電壓、電流、時間取平均值后計算功率、溫升速度，計算結果記錄附錄A 中；

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

（16）依據試驗數據，功率為80kW 的電加熱元件即可滿足設計的溫升速度要求，考慮一定的的安全系數，最終確定電加熱元件的功率為90kW。

5.1.2 手動可調速升溫

（1）將控制系統選擇開關置于“手動”位置；

（2）啟動1#、2#、3#電加熱元件組進行了三次手動可調速度升溫試驗；

（3）升溫過程中調節電力調整器可調電位器R，測量的電加熱元件組電壓、電流、加熱時間等數據記錄于附錄A 中；

（4）根據測量的數據計算功率、溫升速度，計算結果記錄于附錄A 中；

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

（6）當可調電位器R 的電壓為4V 時，此時系統的溫升速度為304℃/h，低于設計溫升要求350℃/h；當可調電位器R 的電壓為4.8V 時，此時系統的溫升速度為351℃/h，基本符合設計溫升要求350℃/h；當可調電位器R 的電壓為5V 時， 此時系統的溫升速度為381℃/h， 高于計溫升要求350℃/h；

（7）依據設計溫升要求350℃/h，將PLC 控制程序手動模式修改為功率可調節方式，以實現不同環境下的溫升速度要求。

5.2 溫度自動控制試驗

溫度自動控制試驗系統示意圖如圖2 所示。其系統主要由1 臺電控柜、1 個容器、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，并輸出可調電壓調節電加熱元件功率；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（空氣）至設定溫度；熱電偶安裝于容器內部，用于采集介質（空氣）的溫度信號。

5.2.1 自動溫度控制

（1）將3 組繩式電加熱元件敷設于容器外壁，并敷設保溫層；

（2）將三組電加熱元件以星形接法連接于電力調整器輸出端；

（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：#1、#2、#3、#4、#5、#6，并將溫度傳感器輸出線連接至控制系統接線端子；

圖3 溫度自動控制試驗系統示意圖

（4）將控制程序升溫上限設置為280℃；

（5）將控制系統選擇開關置于“自動”位置；

（6）將控制系統PID 參數整定設置為“自動”；

（7）啟動系統進行了三次自動溫度控制試驗；

（8） 控制系統停止加熱時，6 個溫度傳感器測量的溫度數據記錄于附錄B 中；

（9）6 個溫度傳感器測量的開始下降前的最高溫度數據記錄于附表B 中；

（10）將最高溫度取平均值計算280℃時的溫度控制精度，計算數據記錄于附錄B 中；

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

（12）從實驗情況來看，依據系統自動整定的PID 參數進行溫度控制都不滿足設計要求的平均溫度控制精度：280℃±5%。

5.2.2 手動PID 參數整定

（1）將控制系統PID 參數整定設置為“手動”；

（2）輸入比例、積分、微分控制參數，并將數據記錄于附錄B 中；

（3）啟動控制系統進行了多次溫度控制試驗；

（4）控制系統停止加熱時，6 個溫度傳感器測量的溫度數據記錄于附錄B 中；

（5）6 個溫度傳感器測量的開始下降前的最高溫度數據記錄于附表B 中；

（6）將最高溫度取其平均值依據設計要求（280℃±5%）計算280℃時的溫度控制精度，系統積分、微分控制參數等數據記錄于附錄B 中；

（7）從試驗情況來看，用手動PID 參數進行溫度控制，其平均溫度控制精度均滿足設計要求；

（8）試驗數據也表明，要對滯后量較大的溫度進行控制，需設置較大的微分參數對系統進行提前控制，并且足夠大的積分參數（接近最大設置上限）對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

模擬壓力跟隨控制試驗系統示意圖如圖3 所示。 其系統主要由1臺電控柜、1 個容器、3 組繩式電加熱元件、6 支熱電偶、1 臺信號發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，并輸出可調電壓調節電加熱元件功率；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（空氣）至設定溫度；熱電偶安裝于容器內部，用于采集介質（空氣）的溫度信號；信號發生器用于模擬升溫過程中的壓力信號。

圖4 模擬壓力跟隨控制試驗系統示意圖

5.3.1 信號發生器模擬系統壓力信號

（1）將信號發生器連接于控制系統壓力信號輸入端子；

（2）將PLC 模擬量控制模塊依據系統設計最大壓力范圍（0 MPa-25 MPa）進行零位及滿量程刻度；

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

（4）啟動控制系統自動升壓，逐步加大信號發生器輸出信號，控制系統顯示的對應壓力值記錄于附錄C 中。

5.3.2 升溫過程中模擬壓力跟隨控制

（1）將控制系統程序溫度上限值設定為300℃，壓力值按表1 設置;

（2）調節信號發生器輸出旋鈕，控制系統顯示壓力值為0.5 MPa；

（3）啟動控制系統進行自動升溫、模擬壓力跟隨控制試驗；

（4）升溫過程中按表1 系統程序壓力設定依次調節信號發生器輸出旋鈕，使控制統顯示的壓力值與相應的溫度對應，加熱單元、加壓單元運行情況記錄于附錄D 中；

（5）系統溫度為100℃時，切除加熱單元，檢查系統安全狀態及加熱單元、加壓單元運行情況并記錄于附錄D 中；

（6）在確認系統安全狀態正常后啟動電控制系統繼續升溫；

（7）系統溫度為200℃時，切除加熱單元。 檢查系統安全狀態及加熱單元、加壓單元運行情況并記錄于附錄D 中；

（8）調節信號發生器輸出旋鈕，控制系統顯示壓力值為0.5 MPa；

（9）啟動控制系統進行自動升溫、模擬壓力跟隨控制試驗；

（10）升溫過程中按表1 系統程序壓力設定依次調節信號發生器輸出旋鈕，使控制系統顯示的壓力值與相應的溫度對應，加熱單元、加壓單元運行情況記錄于附錄D 中；

（11）系統溫度為100℃時，切除加熱單元，檢查系統安全狀態及加熱單元、加壓單元運行情況并記錄于附錄D 中；

（12）在確認系統安全狀態正常后啟動電控制系統繼續升溫；

（13）系統溫度為200℃時，切除加熱單元。 檢查系統安全狀態及加熱單元、加壓單元運行情況并記錄于附錄D 中；

（14）在確認系統安全狀態正常后啟動控制系統繼續升溫；

（15）系統溫度為300℃時，切除加熱單元。 檢查系統安全狀態及加熱單元、加壓單元運行情況并記錄于附錄D 中；

（16）從試驗情況來看，升溫過程中的壓力設置參數均大于對應溫度下的飽和蒸汽壓，保證了各個單元功能的正常以及整個系統的安全。

5.3.3 保溫過程中模擬壓力跟隨控制

（1）當系統顯示溫度300℃時，調節信號發生器輸出旋鈕，當系統顯示壓力值分別為10MPa、10.1MPa、10.2MPa 時，變頻器為運行狀況，KM8、KM9（KM8、KM9 分別為下限和上限壓力設定的動作元件）接觸器斷開（無動作），符合設計要求，試驗情況記錄于附錄E 中；

（2）變頻器啟動運行后，調節信號發生器輸出旋鈕，當系統顯示壓力值分別為10.3、10 .4MPa 時， 變頻器停止，KM8、KM9 接觸器斷開（無動作），符合設計要求，試驗情況記錄于附錄E 中；

（3）調節信號發生器輸出旋鈕，當系統顯示壓力值分別為13.6MPa、13.7MPa、13.8 MPa 時變頻器停止，KM8、KM9 接觸器斷開（無動作），符合設計要求，試驗情況記錄于附錄E 中；

（4）調節信號發生器輸出旋鈕，當系統顯示壓力值分別為13.9MPa、14.0MPa 時，變頻器停止，KM9 接觸器閉合（開啟泄壓閥進行泄壓），符合設計要求，試驗情況記錄于附錄E 中。

6 結論

溫度自動控制試驗依據制定的方案實施，完成了熱容試驗、溫度自動控制實驗、模擬壓力跟隨控制試驗等內容，達到了試驗目的：

（1）通過試驗，驗證了控制系統具有較高可靠性，以及對溫度控制的有效性；

（2）通過試驗，確定了理論計算電加熱功率、溫升速度完全滿足設計要求；

（3）通過試驗，最終確定了PID 整定參數、溫度控制程序；

（4）通過模擬試驗確定了跟隨控制整定參數，修正壓力控制程序。

這次試驗研究，驗證了工況模擬裝置完全能夠提供位置傳感器檢測裝置實際工況。 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裝置實際工況條件，對其進行故障分析，準確地查出了位置傳感器檢測裝置故障原因，杜絕了故障的再次發生，保證了反應堆的安全運行，圓滿地完成了任務。

執行標準

GB/T 10067.1-2005 電熱裝置基本技術條件

GB/T 13869-2008 用電安全導則

GB/T 18404-2001 鎧裝熱電偶電纜及鎧裝熱電偶

控制系統溫度自動控制試驗過程中產生的數據記錄于附錄中。

附錄B：自動溫度控制試驗記錄表

附錄C：信號發生器模擬系統壓力信號記錄表

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