脈沖萃取柱界面控制方法研究

張 博 馮存強 劉曉莉

（中國核電工程有限公司）

核燃料后處理一直是國際上的敏感領域。我國僅有的一座動力堆乏燃料后處理廠（中試廠）于1991年設計，2010年熱試驗成功。當時，該廠在核燃料后處理領域首次使用分布式集散控制系統（Siemens PCS7）控制包括脈沖萃取柱在內的主工藝流程。

脈沖萃取柱是基于普雷克斯（Purex）流程的核燃料后處理溶劑萃取的最關鍵設備。柱式萃取具有容易保證臨界安全、處理能力大、排污容易、達到平衡時間短、料液停留時間短、占地面積小及封閉性能好等優點［1］。但該廠核燃料后處理用脈沖萃取柱原單回路PID控制方法致使界面控制滯后，為了解決這個問題，筆者基于脈沖萃取柱的界面參數，提出采用改進的前饋-反饋控制方法加以改善。

1 核燃料后處理用脈沖萃取柱簡介

典型的核燃料后處理用脈沖萃取柱如圖1所示。水相由上方進入柱體，有機相由下方進入萃取柱，在旋轉閥控制的脈沖性壓縮空氣作用下，兩相發生充分逆流接觸完成萃取過程后，水相從下方輸出至下一流程，有機相由柱體上方溢流輸出。

圖1 典型核燃料后處理用脈沖萃取柱示意圖

2 原有的界面控制方法及問題

原有的界面控制方法采用的是PID方法，控制框圖如圖2所示?？梢钥闯?，該控制系統為常規單回路負反饋控制系統，為偏差控制，當界面變送器測量值與給定值產生偏差時，控制器才會施加PID調節。

圖2 原有脈沖萃取柱界面控制框圖

由于脈沖萃取柱柱體很高（實際尺寸近9m），當上擴大段水相入口的進料流量改變時，原控制方式中存在兩方面的原因導致界面難以在短時間被拉回：

a.上擴大段水相入口的進料流量改變后，相當長時間是與有機相處于混相狀態的，在脈沖和重力作用下，一邊與有機相發生萃取，一邊緩慢下落，在與下擴大段水相結合之前，控制系統無法獲得任何偏差（因為界面并未發生變化），而一旦與水相結合，界面將發生較大幅度上升，此時控制器雖然能夠獲得偏差，但由于給定值不變，控制器將加大下擴大段水相出口（圖1）流量，盡快提走水相，以拉低界面，但此時界面上升速度已經很快，在過渡過程將會出現較大、較長時間的偏差。從這一點來說，脈沖萃取柱界面調節系統存在比較大的滯后。

b.由于強放射性，脈沖柱下擴大段水相出口不能使用調節閥調節流量，而是采用空氣提升系統的質量流量控制器作為調節機構。該調節機構是利用壓縮空氣的流體靜力學原理，用壓縮空氣提升液體，被提升的液體流量與壓縮空氣流量呈一定比例關系，因此流量控制是通過氣體質量流量控制器調節壓縮空氣流量從而間接控制液體（此處為水相）流量的方式。如果使用調節閥，可以根據調節對象的特點選擇口徑、流量特性、結構形式，使其盡可能有利于調節。然而空氣提升系統的氣-液流量關系是固有的、非線性的且不可改變的，更為不利的是，空氣提升的響應較慢，控制范圍非常有限，僅在一段流量范圍內維持較好的氣-液流量關系。綜上，特殊的空氣提升系統加劇了界面控制的難度。

3 一種改進的前饋-反饋控制方法

針對界面控制存在的問題，筆者提出一種新的界面控制方法。

萃取柱上擴大段水相入口進料量的改變是由于水相供料的流量發生變化，而該改變發生時，控制系統可以立刻檢測到，因此可以將水相供料流量作為干擾通道，在其影響到主要被控變量——界面之前，預先進行補償，也即增加前饋通道。

前饋控制與反饋控制作用的比較見表1［2］。

表1 前饋控制與反饋控制比較

增加前饋以后，萃取柱界面控制框圖如圖3所示。

圖3 萃取柱前饋-反饋界面控制框圖

設R（s）為給定值，GC（s）為反饋控制器傳遞函數，F為干擾，Gff（s）為前饋控制器傳遞函數，GPD（s）、GPC（s）為干擾通道、控制通道傳遞函數，Y（s）為被控參數，則圖3轉換為圖4的形式。

干擾F對被控變量的傳遞函數為：

應用不變性原理，即被控變量的穩態不受擾動影響時，則有條件：

代入式（1），可得：

圖4 萃取柱前饋-反饋界面控制回路

工程應用總是力求一定的通用性，因此此處選用常見的非周期與過阻尼特性，近似為：

其中，K1、K2表示放大系數；T1、T2表示時間常數。

當τ1、τ2差別不大時，為了簡化前饋補償裝置，采用如下形式：

其中，Kf為靜態前饋放大系數。

針對式 （7），由于使用了通用近似式（5）、（6），并約去了τ1、τ2，使得主流控制系統中提供的通用控制算法與式（7）一致，因此在實際應用時不再需要編制控制算法，僅需組態后整定Kf、T1、T2即可。

脈沖萃取柱柱體很高，因此當控制系統檢測到二級空氣提升流量改變時，距離界面上升可能還有比較長的時間，因此如果流量改變時立刻施加前饋作用很可能導致界面被前饋控制器拉低。為此，提出引入前饋控制開關參數K的方法，在適當時刻開啟前饋作用（圖3演變為圖5）。

圖5 加入延時參數K的萃取柱前饋-反饋界面控制框圖

萃取柱內兩相的密度不同，有機相密度約為0.8g/cm3，水相密度約為1.1g/cm3，當變化流量的水相進入萃取柱柱體（去除上、下擴大段的窄段）時，柱重將會增大，而一旦柱重增加，表明水相已經從上擴大段下落至柱體部分（正常運行時，沒有其他擾動導致柱重增加，因此柱重增加必為水相入口變化導致），設定此時為前饋作用的起始時刻，即延時開關K的接通時刻。

當延時開關K接通時，控制系統實時采集來的萃取柱水相入口二級空氣提升流量可能已經發生變化，而前饋控制應該依據的是當初的流量改變，因此須存儲一定時間的數據。為保證采樣率，控制周期設定為250ms。在每個控制周期，記錄一次柱重和萃取柱水相入口二級空氣提升流量，并在控制器內存中建立一個堆棧區（圖6），定為n秒，使得4n個數據存儲在堆棧區中，每當一個新數據來臨時，入棧并存儲在最頂部，所有舊數據下移一格，最舊的數據被頂出堆棧區。

圖6 堆棧區原理示意圖

柱重改變的測量方法為：每個控制周期（即每250ms），將時刻t、（t-250）、（t-500）ms3個柱重數據求平均，平均后的柱重數據即為Wt。為了防止測量數據波動，跳過相鄰8個控制周期（2s）Wt-250，Wt-500，Wt-750，…，Wt-2000，Wt與2s之前的8個控制周期Wt-2250，Wt-2500，Wt-2750，…，Wt-4000分別作比較，如果有6個或6個以上比較值大于0，則認為柱重確實增加了，當前時刻t即為延時開關K接通的時間。

此時尚需查找引起柱重變化（延時開關K接通）的二級空氣提升流量變化的時間，該流量在控制模型中被定義為干擾，而在實際工況中該干擾是人為施加的（操作員改變萃取柱水相入口二級空氣提升流量設定值），因此該值很容易查找到，同時也找到了流量改變對應的時間tm。

系統運行時，反饋控制使用當前測量值，而前饋控制在延時開關K接通時，使用流量改變對應的時間tm開始的堆棧區的流量值。

延時開關K接通后，當平均后的柱重值Wt在一定時間內不再增加、趨于穩定時（判斷堆棧區中柱重的變化），將延時開關K斷開，即斷開前饋通道，等待下一次擾動的來臨。

以上為針對水相入口流量增加的討論，對于入口流量減少的情況也同樣適用。

4 結束語

針對Purex流程核燃料后處理溶劑萃取的最關鍵設備——脈沖萃取柱，提出了一種新型界面控制方法，該方法已經在萃取柱試驗臺架上得到應用，效果良好。加入延時開關K的前饋-反饋萃取柱控制方法將脈沖萃取柱上擴大段水相入口流量適時作用于前饋通道，補償單純的負反饋帶來的滯后，改善了界面的調節品質。