FF智能儀表在核燃料后處理試驗萃取裝置中的應用

馬世海 張 博 吳 珂

(中國核電工程有限公司)

FF智能儀表在核燃料后處理試驗萃取裝置中的應用

馬世海 張 博 吳 珂

(中國核電工程有限公司)

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結構。針對萃取試驗臺架的測控要求，給出了FF智能儀表的應用和在DeltaV系統中的組態方法。

FF智能儀表 后處理萃取裝置 DeltaV系統 AMS系統

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備[1]。后處理工藝過程中采取措施保證萃取裝置能夠連續穩定運行是非常關鍵的，而測控技術是對萃取裝置運行狀態進行監測的手段和措施之一[2]，可以說測量和控制設備的性能直接決定了萃取裝置的運行狀態，因此，為了保證萃取裝置的良好運行需要對測控設備的先進性和可靠性進行深入研究。

目前已有很多學者對后處理廠的萃取裝置測量系統進行了研究[3～5]，但是在研究過程中均采用標準電流(4～20mA)信號的傳統儀表進行研究，而傳統儀表信息單一、功能簡單，與現在的數字化工廠要求有一定差距，其傳輸信號無法與設備管理系統接口，并且無法實現遠程的儀表診斷、標定等功能。相比傳統儀表，在某核燃料后處理試驗萃取裝置上采用的FF(基金會現場總線)智能儀表，可以與設備管理系統結合，信號的傳輸采用數字化方式，在總線電纜上傳輸的信號包括過程檢測信號、儀表本身的診斷信息等，該方案可以實現數據的雙向通信，在將現場信號傳輸到控制室的同時，在控制室內可以實現遠程控制現場設備[6～8]，如遠程設定值整定等。通過采用總線方式的測控方案可以徹底將后處理領域的儀控設備管理模式變為分散的、可預測性的儀控設備管理與維護模式。

1 萃取裝置的測量與控制

為驗證FF儀表在核燃料后處理中應用的可行性，筆者搭建了工藝臺架。臺架的構成主要以后處理中的核心設備為主，輔以一些貯槽、動力設備以及過程檢測儀表等，工藝臺架主要包括脈沖萃取柱(兩個)、混合澄清萃取槽(一個)、壓空貯槽(兩個)、接收槽和貯槽(5個)。試驗臺架流程如圖1所示。

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

1C柱完成流程中的反萃取過程，此時用作反萃劑的硝酸溶液，同樣是通過1C柱的上部注入，而此時的萃取劑是來自1AX柱頂部流出的有機相料液，該料液通過1C萃取柱的底部進入1C柱，通過兩相介質在1C柱中的逆流接觸進行傳質，實現反萃取過程，實現有機相中萃取到的物質被反萃至水相中的目的。

萃取柱在啟動運行后，為增強萃取和反萃的效果，需要使用壓空對兩個萃取柱中的料液進行振蕩。運行過程中，需要時刻對萃取柱中水相和有機相間的界面、液位、柱重和溫度信號進行連續監測，防止運行過程中出現“液泛”等情況。

圖1 萃取裝置臺架流程簡圖

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

由于除油槽設計需要精確了解準確的設備參數和料液的進出口流量，所以需要對除油槽的界面和液位進行連續監測。

除此以外還需要對試驗臺架中各個貯槽的液位進行監測，保證整個試驗臺架的連續穩定運行。

2 FF總線儀表在萃取裝置的應用

國際上現場總線的標準眾多，而且每一種總線標準背后都有相應的大型公司財團支持，因此IEC和ISO組織作為標準的制定方，需要綜合權衡各方面的利益關系，所以目前尚未有全球統一的總線標準出現[9]。

核燃料后處理萃取的測控過程屬于典型的流程自動化，結合具體的工藝特點，選取了以基金會現場總線為主，輔以Profibus總線和傳統IO的控制方案。

總線型儀表的重要特點就是使用數字信號進行通信，也正是因為使用了數字信號傳輸，不但增強了信號傳輸的精度，增強了抗干擾能力，而且在傳輸信號的同時，可以通過智能儀表的設備資源管理系統實現一些附加的功能，如遠傳標定儀表，傳遞儀表設備的運行狀態、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系統構建測控系統。現場FF總線儀表與DCS控制系統之間的通信由H1卡(現場總線卡)和DeltaV系統組態實現。

萃取試驗流程臺架中選用的儀表設備見表1。

表1 萃取試驗臺架儀表、設備統計表

從表1中可以看出，本試驗流程中的儀表主要以FF總線儀表為主，輔以常規儀表，用于在試驗過程中對比不同儀表類型的性能特性。在設計過程中，由于無法找到FF總線的部分儀表，選用了DP總線儀表接入系統。

控制系統結構。為了使FF儀表能夠正常接入到DeltaV控制系統，同時考慮到系統的可擴展性和后續底層網絡關鍵技術的試驗需求，在控制系統硬件板卡配置上，設置了4塊FF H1總線接口卡，8條FF總線接入智能設備(每個接口卡可連接兩條H1總線)，一塊Profibus DP總線接口卡，兩塊常規AI接口卡，一塊AO接口卡，3塊DI接口卡和兩塊DO接口卡。控制系統的網絡結構如圖2所示[6]。

圖2 DeltaV控制系統網絡結構

FF總線拓撲與設備連接。FF現場總線的拓撲結構根據連接方式，可以分為4種類型：單點型、總線型、菊花鏈型和樹型，如圖3所示[6]。

圖3 FF總線的拓撲結構

在本試驗裝置中，從電纜敷設、后續試驗項目對電纜長度要求變化和維護方便的角度考慮，最終選擇了樹型拓撲結構，選用的接線盒為PEPPERL+FUCHS的8口總線接線盒，經過測算后，每條總線掛接的儀表數量平均為5.4塊。

FF總線設備組態。為使FCS(現場總線控制系統)能識別出接入系統的總線設備，首先要安裝FF設備描述文件(DD文件)。在大多數情況下，當一臺FF智能儀表接入某個網段時，約10s，FCS系統便可以識別出有新設備上網，可獲取該設備當前的工作狀態、儀表標識、儀表類型及生產商等信息。

圖4為試驗臺架中所有FF儀表接入FF H1網絡后的結構。在試驗過程中發現，對于進口FF總線儀表，FCS系統可以直接識別該儀表的工位號，當先后將多臺上述品牌儀表同時接入網段時，FCS系統也可迅速識別、分辨各臺儀表；而對于國產智能FF儀表，FCS系統僅可以識別出該設備的類型和型號，當先后將多臺同類型國產儀表掛入同一網段時，FCS系統無法統一識別各臺儀表的工位號和對應的測控功能，只能進行逐臺儀表接入。

圖4 FF儀表接入FF H1網絡的結構

FF儀表為智能設備，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，由于生產商不同，帶有的功能塊也可能不同，所以需要針對不同的儀表用途，選擇不同的功能塊完成相應的組態任務。

以某差壓變送器為例，配合吹氣儀表實現液位的測量要求，組態過程的控制邏輯如圖5a所示，具體的運算程序如圖5b所示。

圖5 差壓變送器實現液位測量

從圖5a中可見，FFAI邏輯塊關聯了該差壓變送器，即差壓變送器信號傳送至FFAI塊，然后在FFAI中通過圖5b的運算公式，完成差壓信號到液位信號的計算，圖5a中其他的邏輯完成了報警、測量超限等功能。

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

3 FF儀表在線管理系統(AMS)

經過現場總線與FCS系統通信，每個H1網段不僅包含每臺儀控設備的過程測量信息和控制信息，也包含了與儀控設備資源管理系統相關的各種“非控制信息”。本萃取試驗裝置為了便于儀控設備管理信息的接入，同樣選用了Emerson Process Management公司的AMS系統，在DeltaV系統工程師站可以直接使用AMS軟件，方便儀表工程師對現場儀表的維護和操作。

當過程測量信息和控制信息以周期通信的方式通過H1接口卡，被送往控制器和上位機操作員站進行操作和干預的同時，各種“非控制信息”將根據用戶的需求，以非周期通信的方式通過H1接口卡，將信息送往AMS系統。

圖6為試驗臺架的所有智能儀表的AMS系統連接圖。

圖6 AMS系統設備連接圖

連接到AMS系統的智能設備，均可遠程完成對它的標定、維護及診斷等任務，減少人員進入現場的次數，從一定程度上保證了人員的安全。

4 結束語

核燃料后處理廠房屬于放射性廠房，人員經常頻繁出入該類廠房，會對健康造成影響。在萃取裝置的測控系統采用FF智能儀表，不僅能夠避免對人員身體的傷害，還完全滿足工藝測控要求，同時具有抗擾能力強、可靠性高、易維護及雙向通行等特點，體現了FF智能儀表數字化、智能化和網絡化的優勢。

[1] 姜圣階, 任鳳儀. 核燃料后處理工學[M].北京: 原子能出版社,1995.

[2] 王興海, 李世昌, 陳靖. 脈沖萃取柱脈沖振幅在線測量方法[J]. 原子能科學技術, 2009, 43(2):133～137.

[3] 景山, 吳秋林, 王悅云. 標準噴嘴板脈沖萃取柱脈沖振幅的在線測量[J]. 原子能科學技術,2008,42(4):292～295.

[4] 傅蓉. 脈沖萃取柱參數的在線測量與控制研究[D]. 北京: 清華大學, 2002.

[5] 陳靖, 徐世平, 吳秋林，等. 吹氣法在線測量脈沖萃取柱參數研究[J]. 原子能科學技術, 2001, 35(z1): 34～40.

[6] 吳珂, 張博, 陳朝東，等. 現場總線控制系統在核燃料后處理萃取裝置中的應用[J]. 化工自動化及儀表, 2016, 43(3):294～299.

[7] 何衍慶, 王慧鋒, 俞旭波，等. 現場總線儀表的選型設計[J]. 石油化工自動化, 2005，41(2):4～7.

[8] 歐艷新, 韓冰. FF現場總線安全技術在石化廠的應用[J]. 化工自動化及儀表, 2011, 38(11): 1400～1402.

[9] 繆學勤.20種類型現場總線進入IEC61158第四版國際標準[J].自動化與儀表,2007，28(z1): 25～29.

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

國家科技重大專項(2010ZX06201-01)。

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

2016-05-04，

2016-07-11)