縫隙雜質濃集實驗裝置的溫度控制系統

李樂斌 彭德全 呂衛星 張平柱 胡石林

(中國原子能科學研究院，北京 102413)

縫隙雜質濃集實驗裝置的溫度控制系統

李樂斌 彭德全 呂衛星 張平柱 胡石林

(中國原子能科學研究院，北京 102413)

根據蒸汽發生器傳熱管與管板間的縫隙雜質濃集實驗回路工藝要求和裝置特點，設計了一套基于LabVIEW的溫度控制系統。介紹了系統的硬件組成與軟件功能。實驗結果表明：該溫度控制系統穩定性好，數據采集連續、直觀、準確，操作界面友好，可移植性強，滿足工藝要求。

溫度控制系統 縫隙雜質濃集實驗裝置 蒸汽發生器 LabVIEW

蒸汽發生器是壓水堆核電站的關鍵設備之一，其傳熱管容易受設計、制造及運行等諸多因素的影響而出現缺陷進而造成變形、失效或破裂，因此，蒸汽發生器傳熱管是一回路壓力邊界中最為薄弱的環節[1]。隨著反應堆運行堆齡的增加，蒸汽發生器傳熱管與管板間的縫隙腐蝕問題越來越突出，這會造成核電站被迫強制性停堆或提前更換蒸汽發生器等嚴重事故，甚至是嚴重的斷管安全事故[2]。美國西屋公司對近幾年核電站蒸汽發生器傳熱管破損統計數據的研究表明，七成以上的核電站蒸汽發生器傳熱管腐蝕損壞都是由蒸汽發生器傳熱管與管板之間的縫隙區雜質濃集引起的。為此，美國電力研究所和壓水堆電站合作成立了蒸汽發生器工作組，根據核電站蒸汽發生器運行過程中出現的縫隙腐蝕問題開展了有效研究，掌握了縫隙雜質濃集的規律，開發了縫隙雜質返回技術，并在換料維修期間降功率運行過程中實施了縫隙雜質返回技術[3]。在此，筆者根據蒸汽發生器傳熱管與管板間的縫隙雜質濃集實驗裝置的工藝要求與特點，建立了一套基于LabVIEW的高壓釜溫度控制系統，利用儀器儀表、功能卡件、工控機和LabVIEW軟件功能實現溫度的精確控制，滿足縫隙雜質返回工藝的要求。

1 實驗裝置簡介①

蒸汽發生器傳熱管與管板間的縫隙雜質濃集實驗裝置的回路材料全部采用304ss不銹鋼。主回路系統設計壓力7MPa，設計溫度300℃，最大流速65L/h，總容積約100L。主要部件包括實驗段、高壓釜、預熱器、套管換熱器、冷卻器、過濾器、減壓閥、穩壓緩沖器、收集箱和精密柱塞泵。實驗裝置模擬蒸汽發生器傳熱管的工作環境，其關鍵技術之一就是對實驗段、高壓釜和預熱器進行溫度控制。

2 系統硬件組成

傳統的高壓釜或電阻爐溫度控制是利用溫控儀表通過交流接觸器直接控制加熱器實現的，該方式噪音大、可靠性低、控制精度低、安全隱患大且沒有生產記錄。為了克服這些問題，本系統硬件選用研華610H工控機、數據采集板卡PCI1747U、模擬量輸出卡PCI1727、繼電器卡PCI1762和RS485通信卡PCI1622C，設計的縫隙雜質濃集實驗裝置溫度控制系統結構框圖如圖1所示。系統采用溫控儀和軟件進行PID調節，輸出4～20mA信號控制電力調整器，工控機與儀表進行RS485通信。工藝要求實驗段加熱功率2kW，高壓釜加熱功率3kW，預熱器加熱功率5kW。為此，高壓釜和預熱器的溫度調節采用溫控儀表AI-708P和電力調整器實現，并通過計算機通信完成儀表參數設置。實驗段溫度控制采用電力調整器、模擬量輸出卡PCI1727和LabVIEW提供的外掛PID控制工具包實現。同時，壓力、液位信號通過模擬量輸入卡PCI1747U采集，報警與安全聯鎖功能通過繼電器卡PCI1727實現。電力調整器選擇PAC01A，4～20mA控制信號作為電源，利用10kΩ電位器對外部電壓進行調整。電力調整器能夠依據輸入信號的值控制晶體閘流管對每一個頻率做切割，可連續輸出，沒有斷續現象。

圖1 縫隙雜質濃集實驗裝置溫度控制系統結構框圖

3 系統軟件

系統軟件采用LabVIEW實現，其函數庫包括數據采集、GPIB、串口控制、數據分析、數據LabVIEW標志顯示及數據存儲等[4]。傳統的文本編程語言根據語句和指令的先后順序決定程序執行順序，而LabVIEW則采用數據流編程方式，由程序框圖中節點之間的數據流向決定VI和函數的執行順序[5,6]。

3.1通信功能

高壓釜和預熱器部分的溫度控制由AI儀表完成，它具有PID調節功能，通過RS485接口實現與工控機的PCI1622C通信卡通信，完成溫度采集、設定及報警等功能。編寫LabVIEW與儀表通

信程序框圖時主要用到的函數有VISA Conflgure Serial Port、VISA Write、屬性節點、VISA Read、VISA Flush I/O Buffer和VISA Close。通信程序流程中，首先初始化串口，包括地址、波特率、數據比特及奇偶性等；然后寫入命令，使儀表工作在要求的模式下；其次讀取儀表參數值，即寫入讀取參數值的命令。由于儀表存儲數據的地址是連續的，因此，可以在寫入讀取地址時編寫一個for循環程序，執行一次for循環讀取地址加一，最后一次性地把數據讀取出來并存儲到數組中。在讀寫命令之間需要增加延時等待命令，這樣可以使程序執行更流暢。儀表控制前面板如圖2所示，部分儀表通信程序如圖3所示。

圖2 儀表控制前面板

圖3 部分儀表通信程序

3.2數據采集功能

壓力和液位傳感器輸出4～20mA信號，經過調理后變成1～5V信號進入數據采集卡PCI1747U。在NI驅動程序支持下采用DeviceOpen.vi、AIConfig.vi、AIvoltageIn.vi及DeviceClose.vi等函數，對PCI1747U進行控制采集電壓信號，最后進行數據處理得到壓力和液位信號。編寫程序時首先確定采集卡物理地址、通道號、增益值、測量范圍、單端輸入及差分輸入等，然后打開通道驅動讀取數據，讀數結束后關閉通道驅動。為了保證數據的正確性，通常需要采集多個數值后求取平均值，最后將數據換算，轉換數據格式，顯示并存儲到相應數組中。

3.3控制功能

系統控制輸出包括PID控制輸出和開關量報警輸出兩個功能。

PID控制輸出程序(圖4)中，首先通過溫度儀表(支持RS485通信接口)的通信功能實時采集溫度信號，然后將實時溫度值與期望設定值進行比較，選擇合適的PID參數，經PID控制運算后，輸出控制信號(-100%～100%)；控制信號經過數據換算后送到數據采集卡PCI1727的模擬量輸出通道，再通過端子板連接到電力調整器的輸入端，其中電力調整器的輸入信號范圍是4～20mA。

圖4 PID控制輸出程序

開關量報警輸出原理是將采集到的工藝參數與報警設定值進行比較，高于設定值時程序輸出真信號，低于設定值時輸出假信號。真、假信號驅動不同的程序段。本系統中真信號作為報警與聯鎖的觸發信號，信號觸發后PCI1762板卡相應通道的某一位被置為1，使該通道繼電器觸點閉合，從而驅動外圍報警或聯鎖電路工作。編寫PCI1762板卡驅動程序時，首先初始化板卡物理地址和通道地址，打開驅動程序DriverOpen.vi，寫入通道數、所在位及其狀態數據(0或1)，最后關閉驅動DriverClose.vi。由于LabVIEW的執行速率非常高，如果報警數據比較多，在寫入數據后和關閉驅動前應分別延時等待一段時間，以確保數據順利寫入。

4 結束語

筆者針對由蒸汽發生器傳熱管與管板之間的縫隙區雜質濃集引起的腐蝕問題，根據已建的試驗裝置和工藝要求，設計了一種基于LabVIEW的溫度控制系統。該系統以工控機為核心，通過各種板卡、儀表和LabVIEW軟件實現了對設備的溫度控制。經過幾個月的試運行，控制系統運行穩定可靠，控制精度高，節約能耗，滿足工藝要求，保證了實驗的順利進行，且便于維護，檢修方便。

[1] 張偉國,高鳳琴,周洪毅.PWR核電站蒸汽發生器傳熱管和主管道的應力腐蝕破裂研究[J].原子能科學技術,1993,27(4): 367～375.

[2] 胡石林,劉淑敏,張偉國.PWR蒸汽發生器傳熱管與管支撐板的縫隙濃集研究[R].北京:中國原子能科學研究院,1995.

[3] 彭德全,胡石林,張平柱,等.304L在模擬壓水堆一回路條件下長期均勻腐蝕性能的研究[J].中國腐蝕與防護學報,2013, 33(4):288～292.

[4] 陳錫輝,張銀鴻.LabVIEW8.20程序設計從入門到精通[M].北京:清華大學出版社,2007.

[5] 閆金銀,王亞剛,孫會兵.帶夾套的反應釜溫度控制器及LabVIEW實現[J].化工自動化及儀表,2011,38(11):1291～1293.

[6] 嚴中紅,郭文娟,羅堪.基于LabVIEW的電阻爐溫度控制系統設計[J].重慶理工大學學報(自然科學版),2012,26(4):71～75.

DesignofTemperatureControlSystemforGapImpurityConcentrationExperimentalDevice

LI Le-bin, PENG De-quan, LV Wei-xing, ZHANG Ping-zhu, HU Shi-lin

(ChinaInstituteofAtomicEnergy,Beijing102413,China)

Considering the technological requirement and device characteristics of the experimental loop for gap between steam generator’s tubes and tube sheets, a LabVIEW-based temperature control system was designed and the system’s hardware structure and software functions were introduced.The experimental results show that, this temperature control system has better stability, continuous, intuitive and accurate data acquisition, friendly user interface and powerful transportability and it can meet process requirements.

temperature control system, experimental device for gap impurity concentration, steam generator, LabVIEW

TH862

A

1000-3932(2016)10-1097-04

2016-08-29(修改稿)